高端精密製造的CNC數控加工技術

　　

 

    數控技術的應用使傳統的製造業發生了質的變化，尤其（qí）是近（jìn）年（nián）來．微電子技術和計算（suàn）機技術（shù）的發展給數控技術帶來了新的活力。數控技術和數控（kòng）裝備是各個（gè）國家（jiā）工業現代化的重要基礎。

 

    數控機床是現代製造業的主（zhǔ）流（liú）設（shè）備，精（jīng）密加工的必備裝備，是體現現代機床技術水（shuǐ）平、現代機械製造業工藝水平的重（chóng）要標誌，是關係國計（jì）民生（shēng）、國防尖端建設的戰略（luè）物資。因此世界上各工業發達國家均采取（qǔ）重大措施來（lái）發展（zhǎn）自己的數控（kòng）技術及其產業。

 

CNC數控加工

 

    CNC是英文Computer Numberical Control的縮寫（xiě），意（yì）思是“計算機（jī）數據控製”，簡單地說就是“數控加工”，在珠江三角洲地區，人們（men）稱為“電腦鑼”。

 

    數控加工是當今機械製造中的先進加工技術，是（shì）一種具有高效率、高（gāo）精度與高柔性特點的（de）自動化加工方法。它是將要（yào）加工工件的數控程序輸入給機床，機床在（zài）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（chǎn）品。

 

    數（shù）控加工技術（shù）可（kě）有（yǒu）效解決像模具這樣複雜（zá）、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。大力發展數控加工技術已成為我國加速發展（zhǎn）經濟（jì）、提高自主創新能力的重要途（tú）徑。目前我國數控機床使用越來越（yuè）普遍（biàn），能熟練掌握數控機床編程，是充分發揮（huī）其功能的（de）重要途（tú）徑。

 

    數（shù）控機床是（shì）典型的機電一體（tǐ）化產品，它集微電子技術、計算機技術、測量技術（shù）、傳感器技術、自動控製技術及（jí）人工智能技術（shù）等多種（zhǒng）先進技術於（yú）一體，並與機械加工工藝緊密結合，是新一代的機械製造技術裝備。

 

CNC數控機床的組成

 

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

 

1、控製介質

 

  控製介質是儲存數控加工所需要的全部動作刀具相對於工件位置信息（xī）的媒介物，它記載著零件的加工程序，因此，控製介質（zhì）就是指將（jiāng）零件加工信息傳送到數控裝置去的信息載體。控製介質有多種形式，它隨著數控（kòng）裝置類型的不同而不同，常（cháng）用的有穿孔（kǒng）帶、穿孔卡、磁帶、磁盤等。隨著數控技術的發展，穿孔帶、穿孔（kǒng）卡趨於淘（táo）汰，而利用CAD/CAM軟件在計算機（jī）編（biān）程，然（rán）後通過計算機與數控係（xì）統通信，將程序和數據直接傳送給數控（kòng）裝置的方法應用越來越廣泛。

 

2、數控裝（zhuāng）置

 

  數控裝置是數控（kòng）機床的核心，人們喻（yù）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（zhuāng）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（zhì）能（néng）完成（chéng）信息的輸入、存儲、變換、插補運算以及（jí）實現各種（zhǒng）控製功能。

 

3、伺服係統（tǒng）

 

    伺服係統是接收數控裝置的（de）指令、驅動機床執行機構運動（dòng）的驅（qū）動部件。包括主軸（zhóu）驅動單元、進給驅動單（dān）元、主軸電機和進給（gěi）電機等。工作時，伺（sì）服係統接受數（shù）控係統的（de）指令信（xìn）息，並按照（zhào）指令信息的（de）要求與位置、速（sù）度反（fǎn）饋（kuì）信號相比較後，帶動機床的移動部件或執行部件動作，加工出符（fú）合圖紙要求的零件。

 

4、反饋裝置

 

    反饋裝置是由測量元件和（hé）相應的電路組（zǔ）成，其作用（yòng）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（bú）高的數控機床，沒有反饋裝置，則稱為開環係統（tǒng）。

 

5、機床（chuáng）本體

 

    機床本體是數控（kòng）機床的實體，是完成實（shí）際切削加工的機械部分（fèn），它（tā）包括床身、底（dǐ）座、工作（zuò）台、床鞍、主（zhǔ）軸等。

 

CNC加工工藝的特點

 

    CNC數控加工工藝也遵守機械加工切削規律，與普通機床的（de）加工工藝大（dà）體相同。由於它是（shì）把計（jì）算機控製技術應用於機械加工之中的一種自動化加工，因而具有加工效率高、精（jīng）度高等特點，加（jiā）工工藝有其獨特之處，工序較為複雜，工（gōng）步安排較為詳盡周密。

 

    CNC數控加工工藝包括（kuò）刀具的選擇、切（qiē）削參數的確定及走刀工（gōng）藝路線的設計等內容。CNC數控（kòng）加工工（gōng）藝（yì）是數控編（biān）程（chéng）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（jí）加（jiā）工出最佳效果的工件。

 

    數控加工工序是工件整體加工工藝（yì）的一部分，甚至是一道工序。它要與（yǔ）其他前後工序相互配合，才能最終（zhōng）滿足整體機器或模具的裝配要求，這樣才（cái）能加工出（chū）合格（gé）的零件。

 

    數（shù）控加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（de）數控編程

 

  數控（kòng）編程（chéng）是（shì）從零件圖（tú）紙（zhǐ）到獲得數控加工程序（xù）的全過程。它的主（zhǔ）要（yào）任務是計算加工（gōng）走（zǒu）刀中（zhōng）的刀位點（diǎn）（cutter locations point簡稱CL點）。刀位點一般取為刀具軸（zhóu）線與刀具表麵的交點，多軸加工中還要給出刀軸矢量。

 

    數控機床是根據工件圖樣要求及加工（gōng）工藝過程，將所用（yòng）刀具及（jí）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（zhuǎn）方向、刀頭夾緊、刀頭鬆開及冷卻等操作，以規定的數（shù）控代碼形式（shì）編成（chéng）程序單，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行編譯、運算（suàn）和邏（luó）輯處理後，輸出各種信號和指令（lìng），控製各部分根據規定的位移和（hé）有順序的動作，加工出各種不同形（xíng）狀（zhuàng）的工件。因（yīn）此（cǐ），程序的（de）編製對於數控機床效能的發揮影響極大（dà）。

 

    數控機床必須把代表各種不同功（gōng）能的指令代碼以程序的形（xíng）式輸入數控裝置，由數控裝置（zhì）進行運算處理，然後發出脈衝信號來控（kòng）製數控（kòng）機床的各個運動部件的操作（zuò），從而完成零件的切削加工。

 

  目前數控程序有兩個標準：國際標（biāo）準化組織的ISO和美（měi）國電子工業（yè）協會的EIA。我國采用ISO代碼。

 

  隨著技術的進步，3D的數控編（biān）程一般很少采用手工編程，而使用商品化的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/輸出、加工軌跡的計算及編（biān）輯、工藝參數（shù）設置、加工仿真、數控程序後處理和數據管理等。

 

  目前，在（zài）我國深受用戶喜（xǐ）歡的、數控編程功能強大的軟件有Mastercam、UG、Cimatron、PowerMILL、CAXA等。各軟件對於數控（kòng）編程的原理、圖形處理方法及加工方法都大同小異，但各有特（tè）點（diǎn）。

 

CNC數控加（jiā）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（liào），工藝要求等）

 

    2、確定零件（jiàn）的數控加（jiā）工工藝（加工的內容（róng），加工的路線）

 

    3、進行必要的數值計算（基點、節點的坐（zuò）標計算）

 

    4、編寫程序單（不同機（jī）床會有（yǒu）所不同，遵守使用手冊）

 

    5、程序校驗（將程序輸入機床，並進行圖形模擬，驗證編程的（de）正確）

 

    6、對工件（jiàn）進（jìn）行加工（好的過程控製能很好的節約（yuē）時間和提高加工質量）

 

    7、工件驗收和（hé）質量誤差分析（對工件進行檢驗（yàn），合格流（liú）入下（xià）一道（dào）。不合格則通過（guò）質量分析找出（chū）產生誤差原因和糾正方法）。

 

數控機床的發展曆史

 

    二戰後，製造業的生產大部分是依靠人（rén）工操作，工人看（kàn）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（dī），質量也得不到保證。

 

  在（zài）20世紀40年代末期，美國（guó）有（yǒu）一位工（gōng）程師帕森斯（John Parsons）構思了（le）一種方法，在一張硬紙卡上打孔來表示需要加工的零件（jiàn）幾何形狀，利用著一張硬卡（kǎ）來控製機床的動作，在當時，這隻是一種構（gòu）思。

 

    1948年，帕森斯向美國（guó）空軍展示了他的這種（zhǒng）想法，美國空軍看後，表示極大的興趣，因（yīn）為（wéi）美國空軍正在尋找一種先進的加工方法，希望解決飛機外（wài）型樣（yàng）板的加工問題，由於樣板形狀（zhuàng）複雜，精度要求高，一般的（de）設備難以適應，美國空軍立即委托及讚助美國麻省理（lǐ）工學院（MIT）進（jìn）行研究，開發這部硬（yìng）卡紙來（lái）控製的機床，終（zhōng）於在1952年，麻省理（lǐ）工學院和帕森斯公司合作，成（chéng）功的研製出了第一台示（shì）範機，到了1960年較為簡單和（hé）經濟的（de）點位控製鑽床，和直線控製（zhì）數控銑床得到了較快的發展使數控機床在製造（zào）業各部門逐步獲得（dé）推廣。

 

    CNC加工（gōng）的曆史（shǐ）已經經曆了長達半（bàn）個多世紀，NC數控係統也由最早的模擬信號電路控製（zhì）發展為極其複雜的集成加工係統，編程方式也有手工發展成為智能化、強大的CAD/CAM集成係統。

 

    就我國而言，數控技術的發（fā）展是比較（jiào）緩（huǎn）慢的（de），對於（yú）國內的大多數車間來說（shuō）。設備比較落後，人員的技術（shù）水平和觀念落後表現為加工質量和加工效率低下，經常拖（tuō）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路組成的，1952年第一台（tái）數控（kòng）機床誕生，已經從銑床或車床（chuáng）發（fā）展到（dào）加工中（zhōng）心，成為現代製（zhì）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）其他部件組成。

 

    3、1965年引入了第三代NC係（xì）統，其（qí）首次采用集成電路板。

 

    4、實際上，在1964年已（yǐ）經研製出來了第四代NC係統，即我（wǒ）們非常熟悉的計算機數字控製係統（CNC控製（zhì）係統）。

 

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

 

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

 

數控機床的（de）發（fā）展趨勢

 

1. 高速化

 

隨著汽車、國防、航空、航天等工業的高速（sù）發展（zhǎn）以及鋁合金等新材料的（de）應用，對（duì）數控機床加工的高速（sù）化要求越來越高。

 

a.主軸轉（zhuǎn）速：機床采用電主軸(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（gěi）率達到240m/min且（qiě）可獲得（dé）複雜型的精確加工；  

 

c. 運算速（sù）度：微處理器的迅速發展為數控係統向（xiàng）高速、高精度（dù）方向發展提供（gòng）了保（bǎo）障，開發出CPU已發展到32位以及64位的數控（kòng）係統，頻率提高到幾百兆赫、上千兆赫（hè）。由於運算速度的極大提高，使得當分辨率為0.1µm、0.01µm時仍（réng）能獲得高達24～240m/min的進給（gěi）速度；  

 

d. 換刀速度：目前國外先進加（jiā）工中心的刀具（jù）交換時間普（pǔ）遍已在1s左右，高的已（yǐ）達0.5s。德國Chiron公司將刀庫設（shè）計成籃子樣式，以主軸為軸心，刀（dāo）具（jù）在圓周布置，其刀到刀的換刀時間僅0.9s。

 

2. 高精度化

 

數控機床精度的（de）要求現在已經不（bú）局限於靜態的幾何（hé）精度，機床的運動精（jīng）度、熱變形以及對振動的監（jiān）測（cè）和補償越來越獲得重視。

 

a. 提高CNC係統控製精度：采用（yòng）高速插補技術，以微小程序（xù）段（duàn）實現連續進給（gěi），使CNC控製單位精細化，並采用高（gāo）分（fèn）辨率位置檢測裝置，提 高位置檢測精（jīng）度，位置伺服係統采用前饋控製與 非線性控製等方法；

 

b. 采用誤差補償技術（shù）：采（cǎi）用反向間隙補（bǔ）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（biàn）形誤（wù）差和空間誤差進行綜合補償（cháng）。

 

c. 采用網格解碼（mǎ）器檢查和提高加工中心的運動（dòng）軌跡（jì）精度: 通（tōng）過仿真預測機床的加工精（jīng）度，以保證機床的定位精度和重複定位精度，使其（qí）性能長期穩（wěn）定，能夠在不同運行（háng）條件下完成多種加工（gōng）任務，並保證零件的加工質量。

 

3. 功能複合化

    

複合（hé）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成品的多種要素加工。根據其結構特點可分為工藝複合（hé）型和（hé）工序複（fù）合型兩類。 加工中心能夠完成 車削、銑削、鑽削、滾齒、磨削（xuē）、激光熱（rè）處理等多種工序，可完成複雜零件的全部加工。隨著現（xiàn）代機械加工（gōng）要求的不斷提高，大量的多軸聯動數控機床越來越受（shòu）到各 大企業的歡迎。  

 

4. 控製智能化

 

隨著人工智能技術的發展，為了滿足（zú）製造業生產（chǎn）柔性化、製造自（zì）動化的發展需求，數控（kòng）機床的智能化程度在不（bú）斷提高。具（jù）體體（tǐ）現在以下幾個方麵：

a.  加工過程自適應控製技術（shù）；  

b. 加（jiā）工（gōng）參數的（de）智能優（yōu）化與選擇（zé）；  

c. 智能（néng）故（gù）障自診斷與自修複技術；

d. 智（zhì）能故障回放和（hé）故障仿真技術；

e. 智能化交流伺服驅動裝置；  

 f. 智（zhì）能4M數控係統：在製造過程中（zhōng）， 將測（cè）量 、建模、加工、機（jī）器操作四者（zhě）(即4M)融合在一（yī）個係統中 。

 

5. 體（tǐ）係開（kāi）放化（huà）

 

a. 向未來技術開放：由（yóu）於軟硬件接口都遵循公認的標準協（xié）議，可（kě）采納、吸收和兼（jiān）容新一代通（tōng）用軟硬件。  

 

b. 向用戶特殊（shū）要求開放：更新產（chǎn）品、擴充功能、提供硬軟件產品的各種組合以滿足特殊應（yīng）用要求；  

 

c. 數（shù）控標準的（de）建立：標準化的編程語言，既（jì）方便用戶 使用（yòng），又降低了和操作效率直接有關的（de）勞（láo）動消耗。

 

6. 驅動並（bìng）聯化

    

可實現多坐標聯動數（shù）控加工、裝配和測量多（duō）種功能，更（gèng）能滿足複雜特種零件的加工，並聯機床被認為是“自發明數控技術以來在機床行業中最有意義的進步”和“21世紀新一代數控加工設（shè）備”。

 

7.  極端化(大型（xíng）化和微型化 )

 

國防、航（háng）空、航天事業的（de）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的支撐（chēng）。而（ér）超精密加工技術和微納（nà）米技術是21世紀的戰略技 術，需發展能適應微小型尺寸和微納米加工精度的新型製造工（gōng）藝和裝備（bèi）。

 

8.  信息交互網絡化

 

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

 

9. 加工過程綠色化

 

 近年（nián）來不用或少用冷卻（què）液、實現幹（gàn）切削、半幹切削節能環保的機（jī）床不斷出現， 綠色製造的大趨勢使各（gè）種節能環保機床（chuáng）加速發展。

 

10. 多媒（méi）體技術的應用

多媒體技術集計算機、聲像和通信技術於一體，使（shǐ）計算機具有（yǒu）綜合處理聲音、文字、圖像和視頻（pín）信息的能力。可以做到信息處理綜合化、智能化，應用於實時監控 係統和生產現場設備的故障診斷、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（luò）化、極端化（huà）、綠色化已（yǐ）成為數控機床發展的趨勢和方向。