高端精密製造的CNC數控加（jiā）工技術

　　

 

    數控技（jì）術的應用（yòng）使傳統（tǒng）的製造業發生了質的變化，尤其是近年來．微電子技（jì）術和（hé）計算機技術的發展給數控技術帶來了新的活（huó）力。數控技術和（hé）數（shù）控裝備是各個國家工業現代化的重要基礎。

 

    數（shù）控機床是現代製造業的主流設備（bèi），精密加工的必備裝備（bèi），是體現現代機床技術水平、現代機械製造業工（gōng）藝（yì）水平的（de）重要標誌，是關係（xì）國計民生、國防尖端建設的戰略物資。因此世界上各工業發達國家均采取（qǔ）重大措施（shī）來發展自己的數控技（jì）術及其產業。

 

CNC數控加工（gōng）

 

    CNC是英文Computer Numberical Control的（de）縮寫，意思是“計算機數據控製”，簡單地說就是“數（shù）控加工”，在珠江（jiāng）三（sān）角洲地區，人們稱（chēng）為“電腦鑼”。

 

    數（shù）控加工是當今機械（xiè）製造中的先進加工技術，是（shì）一種具有（yǒu）高效率、高精度與高柔性特點的自動化加工（gōng）方法。它是將要加工工件的數控程序輸入給機床，機床在這些數據的控製下自動加工出符合人們意願的工件，以製造出美妙的產品（pǐn）。

 

    數控（kòng）加工技術可有效解決像模具這樣複雜、精密、小（xiǎo）批多變的加工問題，充分適應了現代化生產的需要。大力發展（zhǎn）數控加工技術已成（chéng）為我國加速發（fā）展經濟、提高自（zì）主創新能力的重要（yào）途徑。目前我國數控機床使用越來越普（pǔ）遍（biàn），能熟練掌握數控機床編程（chéng），是充分發揮其功能的重（chóng）要（yào）途（tú）徑。

 

    數控機床是典型的機電（diàn）一體化產品（pǐn），它（tā）集微電子技術、計算機技（jì）術、測量技術、傳感器（qì）技術、自動控製技術及人工智能技術等多種先進技術於一（yī）體，並與機械加工工藝緊密結合（hé），是新一代的機械製造技（jì）術（shù）裝備（bèi）。

 

CNC數控機床（chuáng）的組成

 

    數控機床集機床、計算機、電動機及拖動、動控製、檢測等技術為一體（tǐ）的自動化設備。數控機床的基本組成包括控製介質、數控（kòng）裝置、伺服係統、反饋裝（zhuāng）置及機床本（běn）體

 

1、控製介（jiè）質

 

  控製介（jiè）質是（shì）儲存數（shù）控加工所需要的全部動作刀具相對於工件（jiàn）位置信息的媒（méi）介物，它記載著零（líng）件的加工程序，因此，控（kòng）製介質就（jiù）是指將零件加工信息傳送到數控裝置去的信息（xī）載體。控製介質有多種形式，它隨著數控裝置（zhì）類型的不同而不同，常用的有穿孔帶、穿孔卡（kǎ）、磁帶、磁盤等。隨著數控技術的發展，穿孔帶、穿孔卡（kǎ）趨於淘汰，而利用CAD/CAM軟件（jiàn）在計算機編程，然（rán）後通過計算機與（yǔ）數控（kòng）係統通信，將程序和數據直接傳送給數控裝（zhuāng）置的方法應用越來越廣泛。

 

2、數控裝置

 

  數控裝（zhuāng）置是數（shù）控機床的核（hé）心，人們喻為“中樞係統”。現代數控機床都采用（yòng）計算機數控裝置CNC。數控裝置包（bāo）括輸入裝置及中央處（chù）理器(CPU)和輸出裝置等構成數控裝（zhuāng）置能完（wán）成信息的輸入（rù）、存儲、變換、插補運算以及實現各種控製功能。

 

3、伺服係統

 

    伺服係統（tǒng）是接收數控裝置的指令、驅動機床執行（háng）機構運動（dòng）的驅動部件。包括主軸驅動單（dān）元、進給驅動單元、主軸電機和進給電機等。工作時，伺服係統接（jiē）受數控係統的指令信（xìn）息，並按照指令信息的要求（qiú）與位置、速度反（fǎn）饋信號相比較後，帶（dài）動機床（chuáng）的移動部件或執行部件動作，加工出符合圖紙要求的零件。

 

4、反饋（kuì）裝置

 

    反饋裝置是由測量元件和（hé）相（xiàng）應的電路（lù）組成，其作（zuò）用是檢測速度和位移，並將信息反饋回來，構成閉環控製。一些精度要求（qiú）不高的數（shù）控（kòng）機（jī）床，沒（méi）有反饋裝置，則稱為（wéi）開環係統。

 

5、機床本體

 

    機床本體是數控機床的實體，是完成實際切削加工的（de）機械部分，它包（bāo）括床身、底座、工作台、床鞍、主軸等。

 

CNC加工工藝的（de）特點

 

    CNC數控加工工藝也遵（zūn）守機械加工（gōng）切削規律，與普通機床的加工工藝大體相同。由於它是把（bǎ）計算機控製技術應用於機械加工之中的一種（zhǒng）自動化加工（gōng），因而具有加工效率高、精（jīng）度高等特點，加工工藝有（yǒu）其獨特之處，工序較為複雜，工步安排較為詳盡周密。

 

    CNC數控加工（gōng）工藝包括刀具（jù）的選擇、切削參數的（de）確定及走刀工（gōng）藝路線（xiàn）的設計等內容。CNC數控加工工藝是數控編（biān）程的基礎及核心，隻有工藝合理，才能編出高效率和高質量的數控程序。衡量數控程序好壞的標準是：最少的加工時間、最小的刀具損耗及加工（gōng）出最佳效果的工件（jiàn）。

 

    數控加工工序是工件（jiàn）整體加工工藝的一部分，甚至（zhì）是一道工（gōng）序。它（tā）要與其他前後工序相互配（pèi）合，才能（néng）最終滿足整體機（jī）器或模具（jù）的裝配（pèi）要求，這樣才能加工出合格的零件。

 

    數（shù）控加（jiā）工工序一般分為粗加工、中粗清角加工、半精加工及精加工等工步。

 

CNC的數控編程

 

  數控編程是從零件圖紙到獲得數控加工程序的全過程（chéng）。它的主要任務是計算加工（gōng）走刀中的刀位點（cutter locations point簡稱CL點（diǎn））。刀位點一（yī）般取為刀具軸線與（yǔ）刀具表麵的交點，多軸加工中（zhōng）還要給出刀軸矢量。

 

    數控機床是根據工件（jiàn）圖樣要求及加工工藝過程，將所用刀具（jù）及各部件的移動量、速度和（hé）動作先後順序、主軸轉速、主軸旋轉方向、刀頭夾緊、刀頭鬆（sōng）開及冷卻等操作，以規定的數控代碼形（xíng）式編成程序單，輸入到機床專用（yòng）計算機中。然後，數控係統根（gēn）據（jù）輸入的指令進行編譯、運算和邏輯處理後，輸出各（gè）種信號和指令，控製各部分根據（jù）規定的位移和有順序的動作，加工出各種不同（tóng）形狀的工件。因此，程序的（de）編製對於（yú）數控機床效（xiào）能的發揮影響極大。

 

    數控機床必須把代表各種不（bú）同（tóng）功能的指令（lìng）代碼以程序（xù）的形式輸入（rù）數控裝置，由數控裝置進行運算處（chù）理，然後發出脈衝信號來控製數控機床的各個（gè）運動部件的操作，從而完成零件的（de）切削加工。

 

  目前數控程序有兩個標準：國際標準化組織（zhī）的ISO和（hé）美國電子工業（yè）協會的EIA。我國采用ISO代碼。

 

  隨著技術的進步（bù），3D的數（shù）控（kòng）編程一般很少采用手工編（biān）程，而使用商品（pǐn）化的CAD/CAM軟件。

 

    CAD/CAM是計算機輔助編程係統的核心，主要功能有數據的輸入（rù）/輸出、加工軌跡的計算及編輯（jí）、工藝參數設置、加工仿真、數控程序（xù）後處理和數（shù）據管理等（děng）。

 

  目前，在我國深受（shòu）用戶喜歡的、數控（kòng）編程功能強大的軟件有Mastercam、UG、Cimatron、PowerMILL、CAXA等。各軟件對於數控編程（chéng）的原理、圖形處理方法及加工方法都大同小異，但各（gè）有特點。

 

CNC數控加工（gōng）零件的步驟

 

    1、分析零件圖，了解工件的大致情況（幾何形狀，工件材（cái）料（liào），工藝要求等）

 

    2、確定零件的（de）數控（kòng）加工工藝（加工的內容，加工的路（lù）線（xiàn））

 

    3、進行（háng）必要的數值計算（基點、節點的坐標計算（suàn））

 

    4、編（biān）寫程序單（dān）（不同機床會有所不同，遵守使用手冊）

 

    5、程（chéng）序校驗（將（jiāng）程序輸入機床，並進行圖（tú）形模擬，驗證編程的正確）

 

    6、對工件進行加工（好（hǎo）的過程控製能（néng）很好的節約時間和提高加工質量）

 

    7、工件驗收和質（zhì）量誤差分析（對工件進行檢驗，合格流入下一道。不合格（gé）則通過質（zhì）量分析找出產生誤差原因和糾正方法）。

 

數控機床的（de）發展曆史

 

    二（èr）戰後，製造業的生產（chǎn）大部分是依靠人工操作，工人看懂圖紙後，手工操作機床，加工零件，用這種方式生產產品，成本高，效（xiào）率低，質量也得不到保證。

 

  在（zài）20世（shì）紀40年代末期，美國有一位工程（chéng）師帕森斯（John Parsons）構思了一種方法（fǎ），在一張硬紙卡上打孔來表（biǎo）示需要加工的零件幾何形（xíng）狀，利用著一（yī）張硬卡來控製機床的動作，在當時（shí），這隻是一種構思。

 

    1948年，帕森斯向美國（guó）空軍展示了他的這（zhè）種想法（fǎ），美國空軍看後，表示極大的興（xìng）趣，因為美國空軍（jun1）正在（zài）尋找一種先進的加工方法，希望解決飛機外型樣板的（de）加工問題，由於樣（yàng）板形狀複雜，精度要求高，一般的設備難以適應，美國空軍立即委托（tuō）及讚助美國麻省理工學院（MIT）進行研究，開發這部硬卡紙來（lái）控製的機床，終於在1952年（nián），麻省理工學院和帕森斯公司合作（zuò），成功的研製出了第一台示（shì）範機，到了1960年較（jiào）為簡單和經濟的點位控製（zhì）鑽床，和直線控製數控銑床得到（dào）了（le）較快（kuài）的發展使數控機（jī）床在製造（zào）業各部門逐步獲得推廣（guǎng）。

 

    CNC加工的曆史已（yǐ）經經曆了（le）長達半個多世紀，NC數控係統也由最早的模擬信號電路控製發展為極其複雜的集成加工係統，編（biān）程方式也有手工發展成（chéng）為智能化（huà）、強大的CAD/CAM集成係統（tǒng）。

 

    就我國而言，數（shù）控技（jì）術的發展是比較（jiào）緩慢的，對於國內的大多數（shù）車（chē）間來說。設備比（bǐ）較落後，人員（yuán）的（de）技術水平和觀念落後表現為加工質量和加工效率低下，經常拖延交貨期。

 

    1、第一代NC係統是在1951年引入的，其控製單元主要有各種閥門和模擬電（diàn）路組成的，1952年第一台數（shù）控機床誕生，已經從（cóng）銑床或車床發展到加工中心，成為現代製造業的關鍵設備。

 

    2、第二代NC係（xì）統（tǒng）於1959年產生的，其主要有單（dān）個的晶體管和其他部件組成（chéng）。

 

    3、1965年引入了第三代NC係統，其首（shǒu）次采用集成電路板。

 

    4、實（shí）際上，在（zài）1964年已經研製出來了第四代NC係統，即我們非常熟悉的計算（suàn）機數字控製係統（CNC控製係統）。

 

    5、1975年，NC係統采用了強大的微（wēi）處理器，這就是（shì）第五代NC係（xì）統。

 

    6、第六代NC係統采用了現行的集成製造係統（MIS）+DNC+柔性（xìng）加工係統（FMS）

 

數控機床的發展趨勢

 

1. 高速化

 

隨著汽車、國防、航空（kōng）、航天等工業的高速發展以及鋁合（hé）金等新材料的應用，對數控機床加工（gōng）的高速化要求越來越高。

 

a.主軸轉速：機床（chuáng）采用電主軸(內裝式主軸電機)，主軸最高轉速達200000r/min；  

 

b. 進給率：在分辨率為0.01µm時，最大進給率達到240m/min且可獲得複雜型的（de）精確加工；  

 

c. 運算速（sù）度：微處理器的迅速發展為數控係統（tǒng）向高速、高精度方向發展提（tí）供了保障，開發出CPU已發展到32位以及64位的數控係統，頻率（lǜ）提高到幾百兆赫、上千兆（zhào）赫。由於運算速度的極大提高，使得當分辨率為0.1µm、0.01µm時仍能（néng）獲得高達24～240m/min的進給（gěi）速度；  

 

d. 換刀速度：目前國外先（xiān）進加工中心的刀具交換時間普遍已在1s左右（yòu），高的（de）已（yǐ）達0.5s。德國Chiron公司將刀庫設計成籃子樣式，以主軸為軸心，刀具在圓周布（bù）置，其刀到刀的換刀時（shí）間僅0.9s。

 

2. 高精度化

 

數控機床精度的要（yào）求現（xiàn）在已經不局限於靜態的幾何精度，機床的運動精度、熱（rè）變形以及對振動的監測和（hé）補償越來越獲得重視。

 

a. 提高CNC係統控製精度：采用高速（sù）插（chā）補技術（shù），以微小程（chéng）序段實現連續進給（gěi），使CNC控製單位精細化，並采用高分辨率位置檢（jiǎn）測裝置（zhì），提 高位置檢測精度，位置伺服係統采用（yòng）前饋控製與 非線性控製等方法；

 

b. 采用誤差（chà）補償技術：采用反向（xiàng）間隙補償、絲杆螺（luó）距誤差補償和刀具誤（wù）差補償等技術，對設備的熱變形誤差和空間誤差進行綜合（hé）補（bǔ）償。

 

c. 采用網格解碼器檢查和提高加工中心的運動軌跡精度: 通（tōng）過仿真預測機床的加工精度，以保證機床的定位精度和重複定位精度，使其性能長期穩定，能夠在不同運（yùn）行條（tiáo）件（jiàn）下完成多（duō）種加工（gōng）任務，並保（bǎo）證零件的加工質（zhì）量。

 

3. 功能複（fù）合化

    

複合機床的含義是指在一台機床上實現或盡可能完成從毛坯至（zhì）成品的多種要素加工。根據其（qí）結構特點可分為工（gōng）藝（yì）複合型和工序複合型兩類。 加工中心能夠完成 車削、銑（xǐ）削、鑽（zuàn）削（xuē）、滾齒、磨（mó）削（xuē）、激光熱處理等多種工序，可完成複雜零件的全部加工。隨著現代機械加工要求的不斷提高，大量的多軸聯動數控機床越來越受到各（gè） 大企業（yè）的（de）歡迎。  

 

4. 控（kòng）製智能化

 

隨著人工智能技術的發展，為了滿足製造業生產柔性化、製造（zào）自動化的發展需求（qiú），數（shù）控機床的智能化程度在不斷提高。具體體（tǐ）現在以下幾個（gè）方（fāng）麵：

a.  加工過程自適應控製技術；  

b. 加工參數的智能優化與選擇；  

c. 智能（néng）故障自診斷與自修複技術；

d. 智能故障（zhàng）回放和故障仿真技術（shù）；

e. 智能化交流伺服驅動裝置；  

 f. 智能4M數控（kòng）係統（tǒng）：在製造（zào）過程中， 將測（cè）量 、建模、加工、機器操作四者(即4M)融合（hé）在一個係統中 。

 

5. 體（tǐ）係開放化

 

a. 向未來技術開放：由於（yú）軟硬件接口都遵循（xún）公認的標準協（xié）議，可（kě）采納、吸收和兼容新一代通用軟（ruǎn）硬件。  

 

b. 向用戶特殊要求開放：更新產品、擴充功能、提供硬軟件（jiàn）產品的各種組合以滿（mǎn）足特殊應用要求（qiú）；  

 

c. 數控標準（zhǔn）的建立：標準化的編（biān）程語言（yán），既方（fāng）便用戶 使用，又降低了和操作效率直接有關的勞動消耗。

 

6. 驅動並聯化（huà）

    

可實現多坐（zuò）標聯動數（shù）控加工、裝配和測（cè）量（liàng）多種功能，更能滿足複雜特種零件的加工，並聯機床被認為是“自發明數控技（jì）術以來（lái）在機床行業中最有（yǒu）意義的進（jìn）步”和“21世紀新一代數控加工設備”。

 

7.  極端化(大型化和微型化 )

 

國防（fáng）、航空、航天事業的發展和能源等基礎產業裝備的大型化需要大型且性能良好的數控機床（chuáng）的支撐（chēng）。而超精密（mì）加工技術和微納米技術是21世紀的戰略技 術，需發展能適應（yīng）微小（xiǎo）型尺寸和微納米加工精度的新型製造工藝（yì）和裝備。

 

8.  信（xìn）息交互網絡化

 

既可以實現網絡資源共（gòng）享，又能實現數控機床（chuáng）的遠（yuǎn）程監視、控（kòng）製、遠程診斷、維護。

 

9. 加工過程綠色化

 

 近年來不用或少用冷卻液、實現幹切（qiē）削（xuē）、半幹切削節（jiē）能環保的機床不斷出現， 綠色製造的大趨勢使（shǐ）各（gè）種節能環保機床（chuáng）加速發展。

 

10. 多媒體技術的（de）應用

多媒體技術集計算機（jī）、聲（shēng）像和（hé）通信技術於一體，使（shǐ）計算機具有綜合處理聲音、文字、圖像和視頻信（xìn）息的（de）能力。可以做到信息處理綜合化、智能化（huà），應用於實時監控 係統和生產現（xiàn）場設備的故障診斷（duàn）、生產（chǎn）過程參數監測等，因此有著重大的應用價值。

 

目前，數（shù）控機（jī）床的發展日新月異，高速化、高精度化（huà）、複合化、智（zhì）能（néng）化、開放化（huà）、並聯（lián）驅（qū）動化、網絡化（huà）、極（jí）端化、綠色化已成為數控機床發展的趨勢和方向。