高端精密製造的CNC數（shù）控加工技術

　　

 

    數控（kòng）技術的應用使傳統的製造業發生了質的變化，尤其是近年來．微電（diàn）子技術和計（jì）算機技術的發展（zhǎn）給數（shù）控技術帶來了（le）新的活力。數控技術（shù）和數控裝備是各個國家工業現（xiàn）代化的重要基礎。

 

    數控機床（chuáng）是現代製造業（yè）的主流設備，精密加工的必備裝備，是體現現代（dài）機床技術水平、現代機械製造業工藝水平的重要（yào）標（biāo）誌，是關係國計民（mín）生、國防尖端建設的（de）戰（zhàn）略物資。因此世界上各工業發（fā）達國家均采取重大措（cuò）施來發展自己的數控技術及其產業。

 

CNC數控加工

 

    CNC是英文Computer Numberical Control的（de）縮寫，意思是“計（jì）算機數據控（kòng）製”，簡單地說就是“數控加工”，在珠（zhū）江三角洲地區，人們稱為“電腦鑼”。

 

    數控加工是當今機（jī）械製（zhì）造中的先進加工技術，是一（yī）種具有高效率、高（gāo）精（jīng）度與高柔性特點的自（zì）動（dòng）化加工方法。它是將要（yào）加工工件的數控程序（xù）輸入給（gěi）機床，機床（chuáng）在這些數據的（de）控製下自動加工出符合人（rén）們（men）意願的工件（jiàn），以製造出美妙的產品。

 

    數控（kòng）加工技術可有效解決像模具（jù）這樣（yàng）複雜、精密、小批多變的加工問（wèn）題（tí），充分（fèn）適應了現代化生產的需要。大力發展數控加工技術已成為我國加速發展經濟、提高自主創新能力（lì）的重（chóng）要途徑。目前我國數控機床使用越（yuè）來越（yuè）普遍，能熟練掌握數控機床編程，是充分發揮其功能的重（chóng）要途徑。

 

    數控機床是典型的機電一體化產品，它集微電子技術（shù）、計算機技術、測量技術、傳感器技術、自動控製技術及人（rén）工智能（néng）技術等多種先進技術於一體（tǐ），並與機械加工工藝緊密（mì）結合，是新一代的機械製造技術裝備。

 

CNC數控機床的組成

 

    數控機床集機床、計算機（jī）、電動機及拖動、動控製、檢（jiǎn）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、數控裝置、伺服（fú）係（xì）統、反饋裝置及機床本體

 

1、控（kòng）製介質

 

  控製介（jiè）質是儲存數控加工所需要（yào）的全部動作刀具相對於工件位置（zhì）信（xìn）息的媒介物，它記載著零件（jiàn）的加工程（chéng）序，因此，控製介（jiè）質就是指將零件加工信息傳送到數控裝置去的（de）信息載體。控製介質有多種（zhǒng）形式，它隨著數控（kòng）裝置類型的不同而不同，常用的有穿（chuān）孔帶、穿孔卡、磁帶、磁盤等。隨著數控技術的發（fā）展，穿孔（kǒng）帶、穿孔卡趨於淘汰，而利用CAD/CAM軟件在計算機編程，然後通過計算機與數控係統通信（xìn），將程（chéng）序和數據（jù）直接傳送給數控裝置的（de）方法應用越來越廣（guǎng）泛。

 

2、數（shù）控裝置

 

  數控（kòng）裝置是數控機床的核心，人們喻為“中樞（shū）係統”。現代數（shù）控機床（chuáng）都采用計算機數控裝置CNC。數控裝置包括輸入裝置及中央處理器(CPU)和輸出裝置（zhì）等構成數控裝置能完成信息的（de）輸入、存儲、變（biàn）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（zhǐ）令、驅動機床執行機構運動的驅動部件。包括主軸驅動單元、進給驅動單元、主軸電機和進給電（diàn）機等。工作（zuò）時，伺服係統接受（shòu）數控係（xì）統（tǒng）的指令信息，並按照指令信息的要求與位（wèi）置、速度反（fǎn）饋信號相比較後，帶（dài）動機床的移動部（bù）件或執行部件動作，加工出符合圖紙（zhǐ）要求的（de）零件。

 

4、反（fǎn）饋裝置

 

    反饋（kuì）裝置是由（yóu）測（cè）量元件和相應（yīng）的電路組成，其作用是檢測速度和位移，並將信息反饋回來，構成閉環控製（zhì）。一些精度要求不高的數控機床，沒有反饋裝置，則稱為開環係統。

 

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機械部分，它包括床身、底座（zuò）、工作台、床鞍、主（zhǔ）軸等。

 

CNC加工工藝（yì）的特點

 

    CNC數控加工工藝也遵守機械加工切削規律，與普通機床的加工工藝大體相同。由於它是把計算機控（kòng）製技術應用於機械加工之中（zhōng）的一（yī）種自動化加工，因而具有加工效率高、精度高等特點，加工工藝有其獨特之（zhī）處，工序較為複雜，工步（bù）安排（pái）較為詳盡周密。

 

    CNC數（shù）控加工工（gōng）藝（yì）包括刀具的選擇、切削參數的確定及走刀（dāo）工（gōng）藝路線的設計等（děng）內容（róng）。CNC數控（kòng）加工工藝是（shì）數控編程的基礎及核心，隻有工藝合理，才能編出高效率和高質量的（de）數（shù）控（kòng）程序。衡量數控程序好壞的標準是：最少的加工時間、最（zuì）小的刀具損耗及加（jiā）工出最佳效果的工（gōng）件。

 

    數控加工（gōng）工序是工件整體加工工藝的一部分（fèn），甚至是一道工序。它要與其他前後工序相互配合，才（cái）能最終滿（mǎn）足整體機器或模具（jù）的裝配要求，這樣才能加工出合格（gé）的零件。

 

    數控加工工序（xù）一般（bān）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。它（tā）的（de）主要任務是計算加工走刀中（zhōng）的刀位點（cutter locations point簡（jiǎn）稱CL點）。刀位點一般取為刀具軸線與刀具表麵的交點（diǎn），多軸加工中還要給（gěi）出刀軸矢量。

 

    數控機床是根據工件圖（tú）樣要求及加工工藝過程，將所用刀具及各部件的移動量、速度和動作先後順序（xù）、主軸轉速、主軸旋轉方（fāng）向、刀頭夾緊、刀頭鬆開及冷卻等操作，以規定的數控（kòng）代碼形（xíng）式編成程序單（dān），輸入到機床專用計算機中。然後，數控係統根據輸入的指令進（jìn）行編譯、運算和邏輯處理後，輸出各種信（xìn）號和指令，控製各部（bù）分根據規定的位移和有順序的動作，加工出各種（zhǒng）不同形狀的（de）工件。因此，程序的編製對於數控機床效能的發揮影響極大。

 

    數控機床必須把代表各種不同功能的指令代碼以程（chéng）序的形式輸入數控裝置，由數控（kòng）裝（zhuāng）置進行運算處理，然後發出脈衝信號來控製數控機床的各個運（yùn）動部件的操作，從而完成零件的切削加（jiā）工。

 

  目前數控（kòng）程序有兩個標準（zhǔn）：國際標準化組織的（de）ISO和美國電子工（gōng）業協（xié）會的EIA。我國（guó）采用ISO代碼。

 

  隨著技（jì）術的進（jìn）步，3D的數控編程一般很少采用手工編程，而使（shǐ）用商品化的CAD/CAM軟件。

 

    CAD/CAM是計（jì）算機輔助編程係統的核心，主要功能有數據的輸入/輸出、加工軌跡的（de）計算及編（biān）輯、工藝參數設置（zhì）、加工仿真（zhēn）、數控程序後處理和數據管理（lǐ）等。

 

  目前（qián），在我（wǒ）國深受用戶喜歡的、數控編程功能強大的軟件有Mastercam、UG、Cimatron、PowerMILL、CAXA等（děng）。各（gè）軟件對於數控編程的原理、圖形處理方（fāng）法及加工（gōng）方法都（dōu）大同小異，但各有特點。

 

CNC數控加工零（líng）件的步驟

 

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

 

    2、確定零件的數控加工工藝（加工的內容，加工的路線）

 

    3、進行（háng）必要的數值計算（基（jī）點、節點的坐標計算）

 

    4、編寫程序單（不同機床會有所（suǒ）不同，遵守使用手冊）

 

    5、程序校驗（將程序輸入（rù）機床，並進行圖形模擬，驗（yàn）證編程的正確）

 

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

 

    7、工件驗收和質量誤差分析（對工件（jiàn）進行檢驗，合格流入下一道（dào）。不合格則通過質量分析找出（chū）產生誤差原（yuán）因（yīn）和糾正（zhèng）方法（fǎ））。

 

數控機床的發展曆史

 

    二（èr）戰後，製造業的生產大部（bù）分是依靠人工操作，工人看懂圖紙後，手工操作機（jī）床，加工零件，用這種（zhǒng）方式生產產品，成本高，效率低，質量也得不（bú）到（dào）保證。

 

  在20世紀40年代末期（qī），美（měi）國有一位（wèi）工程師帕森斯（John Parsons）構思了一種方法，在一張硬紙卡上打孔來表示需要加（jiā）工的零件幾何形狀，利用著一張硬卡來控製機床（chuáng）的動作，在當時，這（zhè）隻是一種構思。

 

    1948年，帕森斯向美國空軍展（zhǎn）示了他的這種想法（fǎ），美國空軍看後，表示極大的興趣，因為美國空軍正在尋找一種先進的加工方法，希望解決飛機外型樣（yàng）板的加工（gōng）問題，由於樣板形狀複雜，精度要求高，一般的設備難以（yǐ）適應，美國空（kōng）軍立即委托及讚（zàn）助（zhù）美國麻省理工學院（yuàn）（MIT）進行研究，開發這部硬卡紙來控（kòng）製的機床，終（zhōng）於在1952年，麻（má）省理工學院和帕（pà）森斯公司合作，成功的研製出了第一台（tái）示範機，到了1960年較為簡單和經（jīng）濟的點（diǎn）位控製鑽床，和直線控製數控銑床得到了較快（kuài）的發展使數控（kòng）機床在（zài）製造業各部門逐步獲得推廣（guǎng）。

 

    CNC加工的曆史（shǐ）已經（jīng）經曆了長達半個多世紀，NC數控係統也（yě）由最早的模擬信號電路控製發展為極其複雜（zá）的集成加工係統，編（biān）程方式也有手工發展成為（wéi）智能化、強（qiáng）大的CAD/CAM集成係統。

 

    就我國而言，數控技術的發展是比較緩慢的，對於國內的大多數車（chē）間來說。設備比較落後，人員的技術水（shuǐ）平和觀（guān）念落後（hòu）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（qí）控製單元主要有各種閥門和模擬（nǐ）電路組（zǔ）成（chéng）的，1952年第一台數控機床誕生，已（yǐ）經從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係統於1959年產生的，其主要（yào）有單個的晶體管和（hé）其他部件組（zǔ）成。

 

    3、1965年引入了（le）第三代NC係統（tǒng），其首次采用集成（chéng）電路板。

 

    4、實際上（shàng），在1964年已經研製（zhì）出來了第四代NC係統（tǒng），即我們非常（cháng）熟悉的計算機數字控製係（xì）統（CNC控製係統）。

 

    5、1975年，NC係統采用了強大的（de）微處理器，這（zhè）就是第五代NC係統。

 

    6、第六（liù）代NC係統采用了現行的（de）集成製造係統（MIS）+DNC+柔性加工係統（FMS）

 

數控機床的發展趨勢

 

1. 高速化

 

隨著（zhe）汽車、國防、航空、航天等工業的高速發展以及鋁合金（jīn）等（děng）新材料的應用，對（duì）數控機（jī）床加（jiā）工的高（gāo）速化要求（qiú）越來越高。

 

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

 

b. 進（jìn）給率：在分（fèn）辨率為0.01µm時，最大進給率達到240m/min且（qiě）可獲得（dé）複雜型的精確加工；  

 

c. 運（yùn）算速度：微處理器的迅速發展為數控係統向高速、高精（jīng）度方向發展提供了保障，開發出（chū）CPU已（yǐ）發展（zhǎn）到32位以及64位的數控（kòng）係統，頻率提（tí）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（dāng）分辨率為0.1µm、0.01µm時仍能獲得高達24～240m/min的進給速（sù）度；  

 

d. 換刀速度：目前國外先進加工中心的刀具交換時間普遍已在1s左右，高的已達0.5s。德國Chiron公司將刀（dāo）庫（kù）設計成籃子（zǐ）樣式，以主軸為軸心，刀具在圓周布置，其刀（dāo）到（dào）刀的換刀時間僅（jǐn）0.9s。

 

2. 高精度化

 

數控機床精度的要（yào）求現在已經不局限於靜態的（de）幾何精度，機床的運動（dòng）精度、熱變形以及對振動（dòng）的監測和補償越來越獲得重視。

 

a. 提高CNC係統控製（zhì）精度：采用高速插補技術，以微小程序段（duàn）實現連續進給，使CNC控（kòng）製單位精細化，並采用高分辨率位置檢測裝置，提 高位（wèi）置檢測精度，位置（zhì）伺（sì）服係統采用前饋控製與 非線性控製等方法；

 

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

 

c. 采用網（wǎng）格解碼器檢查（chá）和提高加工中心的運動軌跡精度: 通過仿真預測機床的加（jiā）工精度，以保證機床的定位精度和重複（fù）定位精度，使其性能長期穩定，能夠在不同運行條件下完成多種加工任務，並保證零件的加工質量。

 

3. 功能複合化

    

複合機床（chuáng）的含義是指（zhǐ）在一台機床上（shàng）實現或盡可能（néng）完成從毛坯至（zhì）成品的多種要素加（jiā）工。根據（jù）其結構特點可分為工藝複合型和工序複合型兩類。 加工中心能夠完成 車削、銑削、鑽削、滾齒、磨削、激光熱處（chù）理等多種工序，可（kě）完成複（fù）雜零（líng）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（dào）各 大企業的歡（huān）迎（yíng）。  

 

4. 控製（zhì）智能化

 

隨著人工智能（néng）技術的發（fā）展，為了滿足製造業生產柔性化、製造自動化的發展需求，數控機床的智能化程度在不斷提高。具體體現在以下幾個方麵：

a.  加工過程自適應控製技術；  

b. 加工參數（shù）的智能優化與選擇；  

c. 智能故障自（zì）診斷與自修複技術；

d. 智能故障回放和故障仿真技術；

e. 智能化交流伺服驅動裝置；  

 f. 智能4M數控係統：在製造過（guò）程中， 將測量 、建模、加工、機器操作四者(即4M)融合在（zài）一個係統中 。

 

5. 體係開放（fàng）化

 

a. 向未來技術開放：由於軟硬（yìng）件接口都遵循公認的標準協議，可采納、吸收和兼容新一代（dài）通用軟硬件。  

 

b. 向用戶特殊（shū）要求（qiú）開放：更新產品、擴充功能、提（tí）供硬軟件產品的各（gè）種組合以滿足特殊應用要求；  

 

c. 數控標準的建立：標準化的編程語言，既方便用戶 使用，又降低了和操（cāo）作效率直接有關的勞（láo）動消耗。

 

6. 驅（qū）動並聯化

    

可實現多坐標聯動數控加工、裝（zhuāng）配和測量多種功能，更能滿足複（fù）雜特種零件的加工，並聯機床被認為是“自發明數控技術以來在機床（chuáng）行業中（zhōng）最有意義的（de）進（jìn）步”和“21世紀新一代數控加工設備”。

 

7.  極端（duān）化(大（dà）型化和微型（xíng）化 )

 

國防、航空（kōng）、航天事業（yè）的（de）發展和能源等基礎產業裝備的（de）大型（xíng）化需要大型且性能良好的數控機床的（de）支撐。而超精密加（jiā）工技術和微納米技術是21世紀的（de）戰略（luè）技 術（shù），需發（fā）展能適應微小型尺寸和微納（nà）米加工精度的新型製（zhì）造工藝和裝備（bèi）。

 

8.  信息交互網絡化

 

既可以實現（xiàn）網絡資源共享，又能實現數控（kòng）機床（chuáng）的遠程監視（shì）、控製、遠程診斷、維護。

 

9. 加工過程綠色化

 

 近年（nián）來（lái）不用或少用冷卻液、實現幹切削、半（bàn）幹切削節能環保的機床不斷出現， 綠色製造的大趨勢使（shǐ）各種節能環保（bǎo）機床加速發展。

 

10. 多媒體技術的（de）應用（yòng）

多媒體技術集計算機、聲（shēng）像和通信技術於一體，使計算機具有綜合處理聲音、文字、圖像和視頻信息的能力。可以做到信息處理綜合化、智（zhì）能（néng）化（huà），應用於實時監控 係統和生產現場設（shè）備的故障診斷、生產過程參數監（jiān）測等，因此有著重大的應用價值。

 

目前，數控機床的發展日（rì）新月異，高速化、高精度化、複合（hé）化、智能化、開放化、並聯驅動化、網絡化、極端化、綠色化已成為數控機床發展的（de）趨勢和方向。