高端精密製造的CNC數控加工技術

　　

 

    數控技術的（de）應（yīng）用使傳統的製造業（yè）發生（shēng）了質的變化，尤其是近年來．微（wēi）電子技術和計算機技術的（de）發展給數控技術帶來了新的（de）活力。數控技術和（hé）數控裝備是各（gè）個（gè）國家工業現代（dài）化的重要基礎。

 

    數控機床（chuáng）是現代製造業的主流設備，精密加工的必備裝（zhuāng）備，是體現現代機床（chuáng）技術（shù）水（shuǐ）平、現代機械製造業工藝水平（píng）的重要標誌，是關係國計民生、國防尖（jiān）端建設的戰略物資。因（yīn）此世界上各工業發達國家均采取重大措施來發展自己的數控技術及其產業（yè）。

 

CNC數控加工

 

    CNC是英文Computer Numberical Control的縮（suō）寫，意思（sī）是“計算（suàn）機數據控（kòng）製”，簡單（dān）地說就是“數控加工”，在珠江三角洲地區（qū），人們稱為（wéi）“電腦鑼”。

 

    數控加工是當今機械製造中的先進加工技術，是一種具有高效率、高精度（dù）與高柔性特點的自（zì）動化加工方法（fǎ）。它是將要加工工件的數控程序輸入給機床（chuáng），機床在這些數據的控製下自動加（jiā）工出符合人們意願（yuàn）的工件，以（yǐ）製造出美妙的產品。

 

    數控加（jiā）工技術可有效解決（jué）像模具這樣複雜、精密（mì）、小批多變的加工問題，充分（fèn）適應了現代化生（shēng）產的需（xū）要。大（dà）力發展數控加工技術已成為我（wǒ）國加速發展經（jīng）濟（jì）、提高自主創新能（néng）力的重要途徑。目前我國數控機床使用越（yuè）來越普遍（biàn），能熟練掌握數控機床編程，是充分發揮其功能的重要途徑。

 

    數控機床是典型的機電一體化（huà）產品，它（tā）集（jí）微電子技術（shù）、計算機（jī）技術、測量技術、傳感器技術、自動控製技術及（jí）人工智能（néng）技術等多種先進（jìn）技術於一體，並與機械加工（gōng）工藝緊密結合，是新一代的機械（xiè）製造技術裝備。

 

CNC數控機床（chuáng）的組成

 

    數（shù）控機床集機床、計（jì）算機、電（diàn）動機及拖動、動控製、檢測等技術為一體的自動化（huà）設備。數（shù）控機床的基本組成包（bāo）括控（kòng）製介質、數控裝置、伺服係統、反饋（kuì）裝置及機床本體

 

1、控製介質

 

  控製介質是儲存數（shù）控加工所需要（yào）的全部動作刀具相對於工件位置信（xìn）息的媒介物，它記載著零（líng）件的加（jiā）工程（chéng）序，因此，控製介質就是指將零件加工信息（xī）傳送到數控裝置（zhì）去的信息載體。控製介質有多種形式（shì），它隨著數控裝置類型（xíng）的不同而不同，常用的有穿孔帶、穿孔卡（kǎ）、磁帶、磁盤等。隨（suí）著數控技術的發展，穿孔帶、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，將程序（xù）和（hé）數據直（zhí）接傳送給數控裝置的方（fāng）法應（yīng）用越來越廣泛。

 

2、數控裝置

 

  數控裝置是數控機床的核心，人們喻為“中樞係（xì）統”。現代（dài）數控機床都采用計（jì）算機（jī）數（shù）控裝（zhuāng）置（zhì）CNC。數控裝置（zhì）包（bāo）括輸入裝置及中央處理器(CPU)和輸出裝置等構成數控裝置能完成信息的輸入、存儲、變換、插（chā）補（bǔ）運算（suàn）以（yǐ）及實現各（gè）種控製功能。

 

3、伺服係統

 

    伺服係統是接收數控裝置的指令、驅動機床執行機構運動（dòng）的（de）驅動部（bù）件。包括主軸驅動單元（yuán）、進給驅動單（dān）元、主（zhǔ）軸電（diàn）機（jī）和進給電（diàn）機等。工作時，伺服係統接受數控係統的指令信息，並按照指令信息（xī）的要求與位置、速度反饋信號相比較後，帶動機床的移動部件或執行（háng）部件動作，加（jiā）工（gōng）出符合圖紙（zhǐ）要求的零件。

 

4、反饋裝置

 

    反饋裝（zhuāng）置是由測量（liàng）元件和相應的電路組成，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（yī）些精度要求不高的數控機床，沒有反饋裝置（zhì），則稱為開環係統。

 

5、機床（chuáng）本體

 

    機（jī）床本體是數控機床的實體，是完成（chéng）實際切削加工的機械部分，它包（bāo）括床身、底（dǐ）座、工作台（tái）、床鞍、主軸等。

 

CNC加工工藝的特點

 

    CNC數控加工工藝也遵守機械加工（gōng）切削規律，與普通機床的加工工藝大體相同。由於它是（shì）把計（jì）算機控（kòng）製技術應（yīng）用（yòng）於機械加工之中的一種自動（dòng）化加工，因而具有加工效率高（gāo）、精度高等特（tè）點，加工工藝有其獨特之處，工序較為複雜，工步安（ān）排較為詳（xiáng）盡周密。

 

    CNC數控加工工（gōng）藝包括刀具的選擇、切削參數（shù）的確定及走刀工藝路線（xiàn）的（de）設計等內容。CNC數控加工工藝是數控編程（chéng）的基礎及核心，隻有工藝合理，才能編出（chū）高效率和高質（zhì）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）加工出最佳效果的（de）工件。

 

    數控加工工序是工件整體加工工（gōng）藝的一部分，甚至是一道工（gōng）序。它要與其他前後工序相互配合，才能（néng）最終滿足整體機器或模具的裝配要求，這（zhè）樣才能加工出合格的零件。

 

    數控加工工序一般分為粗加工、中粗清（qīng）角加工、半精加工及精加工等工（gōng）步。

 

CNC的數（shù）控編程

 

  數控（kòng）編程是從零件圖紙到獲得數控加工程（chéng）序的全過程。它的主要任務是計算加工走刀中的刀位點（cutter locations point簡稱（chēng）CL點）。刀位點一般取為刀（dāo）具軸線與刀具表麵的交點，多軸加工（gōng）中（zhōng）還（hái）要給出刀軸矢量。

 

    數控機床是根據工件圖樣要求（qiú）及加工工藝過程，將所用刀具及各部件的（de）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（tóu）夾緊、刀頭鬆開及冷卻等操作，以規（guī）定的數（shù）控（kòng）代碼形式編成程序單，輸（shū）入到機床（chuáng）專用計算機中（zhōng）。然後，數（shù）控係統根據輸入的指令進行編譯、運算和邏（luó）輯處理後，輸出各種信號和指令，控製各部分根據規定的位移和有順序的動作，加工出各種不同（tóng）形狀的工（gōng）件。因（yīn）此，程序的編製對於數（shù）控機床效能的發（fā）揮影響極大。

 

    數控機床必須把代表各種不同功能的指令代（dài）碼以程序的形式輸入數控裝置，由數控裝置進行運算處理，然後發出脈衝信號來控製數控機床的各個運動部件的操作（zuò），從而完（wán）成零件（jiàn）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和美國電子工業協會的EIA。我國（guó）采用ISO代碼。

 

  隨（suí）著技術的進（jìn）步，3D的數（shù）控編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（xīn），主要功能有數據的輸入/輸出、加工軌跡的計算及編輯、工藝參（cān）數設（shè）置、加工仿（fǎng）真、數控程序後處理（lǐ）和數據管理等。

 

  目前，在我（wǒ）國（guó）深受用戶（hù）喜歡的、數控編程功（gōng）能強（qiáng）大的軟件有Mastercam、UG、Cimatron、PowerMILL、CAXA等。各軟件對於數控編程的原理、圖（tú）形處理方法及加工方法都（dōu）大同小（xiǎo）異，但各有特點。

 

CNC數控加工（gōng）零件的步（bù）驟

 

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

 

    2、確定零件的數控加工（gōng）工藝（加工的內容，加工的路線）

 

    3、進行必要的數值計算（基點、節點的坐標計算）

 

    4、編寫程（chéng）序（xù）單（不同機床會有所不同，遵（zūn）守使用手冊）

 

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

 

    6、對工件進行加工（好的過程控製能很好的（de）節約時間和提高（gāo）加工質量）

 

    7、工件驗收和質量誤（wù）差分析（對（duì）工（gōng）件進行檢驗（yàn），合格流入下一道。不合格則通過質量分析找出產生誤差原因（yīn）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（gōng）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（běn）高，效率低，質量（liàng）也得不到保證。

 

  在（zài）20世紀40年代末期，美國有一位工程師帕森斯（John Parsons）構思了一（yī）種方（fāng）法，在一張硬紙卡上打孔（kǒng）來表示需要加工的零件幾何形狀，利用著一張硬卡來（lái）控製機（jī）床的動作，在當時，這隻是一（yī）種構思。

 

    1948年，帕森斯向（xiàng）美國空軍展示了他的這種想法，美國空軍看後，表示（shì）極大的興趣，因為美國空軍正在尋找一種先進的加工方法（fǎ），希望解決飛機外（wài）型（xíng）樣板的加工（gōng）問題，由於樣板形狀複雜，精度要求高，一般的設（shè）備難以適應，美國空軍立（lì）即委托及讚助美國麻（má）省理工學院（MIT）進行研究，開發這部硬卡紙來（lái）控製的（de）機床，終於在1952年（nián），麻省理工學院和帕森斯公司合作，成功的研製出了第一台示範機，到了1960年較為簡單和經濟的點（diǎn）位控製鑽床，和直線控製數控（kòng）銑床得到了較快的發展（zhǎn）使數控機床在製造業各部門（mén）逐（zhú）步獲得推廣。

 

    CNC加（jiā）工的曆史已經經曆了長達半個多（duō）世（shì）紀，NC數控係統也由最早的模擬（nǐ）信（xìn）號電路（lù）控製發展為極（jí）其複（fù）雜（zá）的集（jí）成加（jiā）工係統，編程方（fāng）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（de）發展是比較緩慢（màn）的，對於國內的大多數車（chē）間來說。設備比較落（luò）後，人員的技術水平（píng）和觀念落後表現（xiàn）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（kòng）製單元主要有各種閥門和模擬（nǐ）電路組成的，1952年第一台數控機床誕生，已經從銑（xǐ）床或車床（chuáng）發展到加工中心（xīn），成為現代製造業的關鍵（jiàn）設備。

 

    2、第二代NC係（xì）統於1959年產生的，其（qí）主要有（yǒu）單個（gè）的晶體管和其他部件組成。

 

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

 

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

 

    5、1975年，NC係統采用了強大的微處理器，這就是第五代NC係統。

 

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

 

數控機床的發展趨勢

 

1. 高速化

 

隨著汽車、國（guó）防（fáng）、航空、航天等工業的高速發展以及（jí）鋁合（hé）金等新材料的應（yīng）用，對數控機床加工（gōng）的高速化要求越來越高。

 

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

 

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

 

c. 運算速度：微處理器的迅速發展為數控係統向高速（sù）、高精度方向（xiàng）發展提供了保障，開發出CPU已發展（zhǎn）到32位以及64位的數控係統（tǒng），頻率提高到幾百兆赫、上千（qiān）兆赫。由（yóu）於運算速度的極大提高，使得當分辨率為0.1µm、0.01µm時仍能獲得高達24～240m/min的進給速度；  

 

d. 換刀（dāo）速度：目前國（guó）外先進加工中心的刀具交（jiāo）換時間普遍（biàn）已在1s左右，高的已達0.5s。德國Chiron公司將（jiāng）刀庫設（shè）計成籃子樣式，以主軸為（wéi）軸心，刀具在圓周布置，其刀到刀的換刀時間僅（jǐn）0.9s。

 

2. 高精度化

 

數控機床精度的（de）要求現在已經不局限於靜態（tài）的幾（jǐ）何精（jīng）度，機床的運動精度、熱變形以及對振動（dòng）的監測和補償越（yuè）來（lái）越獲得重視。

 

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

 

b. 采（cǎi）用誤差補償技術：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（shè）備的熱變形誤（wù）差和空間誤差進行綜合補償。

 

c. 采（cǎi）用網（wǎng）格解碼器檢（jiǎn）查和提高加工中心的運動軌跡精度（dù）: 通過仿真預（yù）測機床的加工精度，以保證機床的定位精度（dù）和重（chóng）複定位精度，使其性能長期穩（wěn）定，能夠在不同運（yùn）行條件下完成多（duō）種加工任務，並保（bǎo）證零件的加工（gōng）質量。

 

3. 功（gōng）能複合化

    

複合機（jī）床的含義（yì）是指在一台機床（chuáng）上實現（xiàn）或盡可（kě）能完成從毛坯至（zhì）成品的多種要素加工。根據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（xuē）、鑽削、滾齒、磨削、激光熱（rè）處理等多種工序，可完成複雜零件的（de）全部加工。隨著現代機械加工要求的不斷提（tí）高，大量的多軸聯動（dòng）數控機床越來越受到各 大企業（yè）的歡迎。  

 

4. 控製（zhì）智能化

 

隨著人工智能技術的發展，為了滿足（zú）製造（zào）業生產（chǎn）柔性化、製造自動（dòng）化的發展需求（qiú），數控機床的智能（néng）化程度在不斷提高。具體體現在以下幾（jǐ）個方麵：

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. 智能故障自診斷與自修複技（jì）術；

d. 智（zhì）能故障回放和故障仿真（zhēn）技術；

e. 智能化交流伺服驅動裝置；  

 f. 智能4M數控係統：在製造過程（chéng）中， 將測量 、建模、加工（gōng）、機器操（cāo）作四者(即4M)融合在一個係統中 。

 

5. 體係開放化

 

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

 

b. 向用戶特殊要求開放：更新產品、擴充功能、提供硬軟件產品的（de）各種組（zǔ）合（hé）以滿（mǎn）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（biàn）用戶 使用，又降低了和（hé）操（cāo）作效（xiào）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（lián）動數控加工、裝配和測量多種功能，更能滿足複雜特種零（líng）件（jiàn）的加工，並聯機床被認（rèn）為是“自（zì）發明數（shù）控技術以（yǐ）來在機（jī）床行業中最有意（yì）義的進（jìn）步”和“21世紀（jì）新一代數控（kòng）加工設（shè）備”。

 

7.  極端化(大型（xíng）化和微型化 )

 

國防、航空、航天事業的發展和能源等基礎產業裝備的大（dà）型化需要大型且性能良好的（de）數（shù）控機床的支（zhī）撐。而超精密加工技術和微（wēi）納米技術是（shì）21世紀的（de）戰略技（jì） 術，需發（fā）展能適（shì）應微小（xiǎo）型尺寸和微納米加工精度的新型製造工藝和裝備。

 

8.  信息交互網絡化

 

既（jì）可（kě）以實現網絡資源共享，又能實現數控機床的遠程監視、控製、遠程診斷、維護。

 

9. 加工過（guò）程綠色化

 

 近年來（lái）不用或少用冷卻液、實現幹切削（xuē）、半幹切削節能環（huán）保的機床不斷出現， 綠色製造的大趨勢使各種節能環（huán）保機床加速發展。

 

10. 多（duō）媒體技（jì）術的應（yīng）用

多媒（méi）體技（jì）術集計算機、聲像和通信技術於一（yī）體，使計算（suàn）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（dào）信息處（chù）理綜合化、智能化（huà），應用於實時監控 係統和生產現場設（shè）備的故障診斷、生（shēng）產過程參數監測等，因此有（yǒu）著重大的應（yīng）用價值。

 

目前，數控機床的發展日新月異，高（gāo）速化（huà）、高（gāo）精（jīng）度化（huà）、複合化、智能化、開放化、並聯驅動化、網絡化、極端化、綠色化已（yǐ）成（chéng）為數控機（jī）床發展（zhǎn）的趨勢和方向。