2020年11月23日 | 高端精密制造的CNC数控加工技术

数控技术的应用使传统的制造业发生了质的变化，尤其是近年来．微电子技术和计算机技术的发展给数控技术带来了新的活力。数控技术和数控装备是各个国家工业现代化的重要基础。

数控机床是现代制造业的主流设备，精密加工的必备装备，是体现现代机床技术水平、现代机械制造业工艺水平的重要标志，是关系国计民生、国防尖端建设的战略物资。因此世界上各工业发达国家均采取重大措施来发展自己的数控技术及其产业。

CNC 数控加工
CNC 是英文 Computer Numberical Control 的缩写，意思是“计算机数据控制”，简单地说就是“数控加工”，在珠江三角洲地区，人们称为“电脑锣”。

数控加工是当今机械制造中的先进加工技术，是一种具有高效率、高精度与高柔性特点的自动化加工方法。它是将要加工工件的数控程序输入给机床，机床在这些数据的控制下自动加工出符合人们意愿的工件，以制造出美妙的产品。

数控加工技术可有效解决像模具这样复杂、精密、小批多变的加工问题，充分适应了现代化生产的需要。大力发展数控加工技术已成为我国加速发展经济、提高自主创新能力的重要途径。目前我国数控机床使用越来越普遍，能熟练掌握数控机床编程，是充分发挥其功能的重要途径。

数控机床是典型的机电一体化产品，它集微电子技术、计算机技术、测量技术、传感器技术、自动控制技术及人工智能技术等多种先进技术于一体，并与机械加工工艺紧密结合，是新一代的机械制造技术装备。

CNC 数控机床的组成

数控机床集机床、计算机、电动机及拖动、动控制、检测等技术为一体的自动化设备。数控机床的基本组成包括控制介质、数控装置、伺服系统、反馈装置及机床本体，如图

1、控制介质

控制介质是储存数控加工所需要的全部动作刀具相对于工件位置信息的媒介物，它记载着零件的加工程序，因此，控制介质就是指将零件加工信息传送到数控装置去的信息载体。控制介质有多种形式，它随着数控装置类型的不同而不同，常用的有穿孔带、穿孔卡、磁带、磁盘等。随着数控技术的发展，穿孔带、穿孔卡趋于淘汰，而利用 CAD/CAM 软件在计算机编程，然后通过计算机与数控系统通信，将程序和数据直接传送给数控装置的方法应用越来越广泛。

2、数控装置

数控装置是数控机床的核心，人们喻为“中枢系统”。现代数控机床都采用计算机数控装置 CNC。数控装置包括输入装置及中央处理器(CPU)和输出装置等构成数控装置能完成信息的输入、存储、变换、插补运算以及实现各种控制功能。

3、伺服系统

伺服系统是接收数控装置的指令、驱动机床执行机构运动的驱动部件。包括主轴驱动单元、进给驱动单元、主轴电机和进给电机等。工作时，伺服系统接受数控系统的指令信息，并按照指令信息的要求与位置、速度反馈信号相比较后，带动机床的移动部件或执行部件动作，加工出符合图纸要求的零件。

4、反馈装置

反馈装置是由测量元件和相应的电路组成，其作用是检测速度和位移，并将信息反馈回来，构成闭环控制。一些精度要求不高的数控机床，没有反馈装置，则称为开环系统。

5、机床本体

机床本体是数控机床的实体，是完成实际切削加工的机械部分，它包括床身、底座、工作台、床鞍、主轴等。

CNC 加工工艺的特点

CNC 数控加工工艺也遵守机械加工切削规律，与普通机床的加工工艺大体相同。由于它是把计算机控制技术应用于机械加工之中的一种自动化加工，因而具有加工效率高、精度高等特点，加工工艺有其独特之处，工序较为复杂，工步安排较为详尽周密。

CNC 数控加工工艺包括刀具的选择、切削参数的确定及走刀工艺路线的设计等内容。CNC 数控加工工艺是数控编程的基础及核心，只有工艺合理，才能编出高效率和高质量的数控程序。衡量数控程序好坏的标准是：最少的加工时间、最小的刀具损耗及加工出最佳效果的工件。

数控加工工序是工件整体加工工艺的一部分，甚至是一道工序。它要与其他前后工序相互配合，才能最终满足整体机器或模具的装配要求，这样才能加工出合格的零件。

数控加工工序一般分为粗加工、中粗清角加工、半精加工及精加工等工步。

CNC 的数控编程
数控编程是从零件图纸到获得数控加工程序的全过程。它的主要任务是计算加工走刀中的刀位点（cutter location point 简称 CL 点）。刀位点一般取为刀具轴线与刀具表面的交点，多轴加工中还要给出刀轴矢量。 

数控机床是根据工件图样要求及加工工艺过程，将所用刀具及各部件的移动量、速度和动作先后顺序、主轴转速、主轴旋转方向、刀头夹紧、刀头松开及冷却等操作，以规定的数控代码形式编成程序单，输入到机床专用计算机中。然后，数控系统根据输入的指令进行编译、运算和逻辑处理后，输出各种信号和指令，控制各部分根据规定的位移和有顺序的动作，加工出各种不同形状的工件。因此，程序的编制对于数控机床效能的发挥影响极大。

数控机床必须把代表各种不同功能的指令代码以程序的形式输入数控装置，由数控装置进行运算处理，然后发出脉冲信号来控制数控机床的各个运动部件的操作，从而完成零件的切削加工。

目前数控程序有两个标准：国际标准化组织的 ISO 和美国电子工业协会的 EIA。我国采用 ISO 代码。

随着技术的进步，3D 的数控编程一般很少采用手工编程，而使用商品化的 CAD/CAM 软件。

CAD/CAM 是计算机辅助编程系统的核心，主要功能有数据的输入 / 输出、加工轨迹的计算及编辑、工艺参数设置、加工仿真、数控程序后处理和数据管理等。

目前，在我国深受用户喜欢的、数控编程功能强大的软件有 Mastercam、UG、Cimatron、PowerMILL、CAXA 等。各软件对于数控编程的原理、图形处理方法及加工方法都大同小异，但各有特点。

CNC 数控加工零件的步骤

1、分析零件图，了解工件的大致情况（几何形状，工件材料，工艺要求等）

2、确定零件的数控加工工艺（加工的内容，加工的路线）

3、进行必要的数值计算（基点、节点的坐标计算）

4、编写程序单（不同机床会有所不同，遵守使用手册）

5、程序校验（将程序输入机床，并进行图形模拟，验证编程的正确）

6、对工件进行加工（好的过程控制能很好的节约时间和提高加工质量）

7、工件验收和质量误差分析（对工件进行检验，合格流入下一道。不合格则通过质量分析找出产生误差原因和纠正方法）。

数控机床的发展历史

二战后，制造业的生产大部分是依靠人工操作，工人看懂图纸后，手工操作机床，加工零件，用这种方式生产产品，成本高，效率低，质量也得不到保证。

在 20 世纪 40 年代末期，美国有一位工程师帕森斯（John Parsons）构思了一种方法，在一张硬纸卡上打孔来表示需要加工的零件几何形状，利用着一张硬卡来控制机床的动作，在当时，这只是一种构思。

1948 年，帕森斯向美国空军展示了他的这种想法，美国空军看后，表示极大的兴趣，因为美国空军正在寻找一种先进的加工方法，希望解决飞机外型样板的加工问题，由于样板形状复杂，精度要求高，一般的设备难以适应，美国空军立即委托及赞助美国麻省理工学院（MIT）进行研究，开发这部硬卡纸来控制的机床，终于在 1952 年，麻省理工学院和帕森斯公司合作，成功的研制出了第一台示范机，到了 1960 年较为简单和经济的点位控制钻床，和直线控制数控铣床得到了较快的发展使数控机床在制造业各部门逐步获得推广。

CNC 加工的历史已经经历了长达半个多世纪，NC 数控系统也由最早的模拟信号电路控制发展为极其复杂的集成加工系统，编程方式也有手工发展成为智能化、强大的 CAD/CAM 集成系统。

就我国而言，数控技术的发展是比较缓慢的，对于国内的大多数车间来说。设备比较落后，人员的技术水平和观念落后表现为加工质量和加工效率低下，经常拖延交货期。

1、第一代 NC 系统是在 1951 年引入的，其控制单元主要有各种阀门和模拟电路组成的，1952 年第一台数控机床诞生，已经从铣床或车床发展到加工中心，成为现代制造业的关键设备。

2、第二代 NC 系统于 1959 年产生的，其主要有单个的晶体管和其他部件组成。

3、1965 年引入了第三代 NC 系统，其首次采用集成电路板。

4、实际上，在 1964 年已经研制出来了第四代 NC 系统，即我们非常熟悉的计算机数字控制系统（CNC 控制系统）。

5、1975 年，NC 系统采用了强大的微处理器，这就是第五代 NC 系统。

6、第六代 NC 系统采用了现行的集成制造系统（MIS）+DNC+柔性加工系统（FMS）

数控机床的发展趋势

1. 高速化

随着汽车、国防、航空、航天等工业的高速发展以及铝合金等新材料的应用，对数控机床加工的高速化要求越来越高。

a. 主轴转速：机床采用电主轴(内装式主轴电机)，主轴最高转速达 200000r/min； 

b. 进给率：在分辨率为 0.01µm 时，最大进给率达到 240m/min 且可获得复杂型的精确加工； 

c. 运算速度：微处理器的迅速发展为数控系统向高速、高精度方向发展提供了保障，开发出 CPU 已发展到 32 位以及 64 位的数控系统，频率提高到几百兆赫、上千兆赫。由于运算速度的极大提高，使得当分辨率为 0.1µm、0.01µm 时仍能获得高达 24～240m/min 的进给速度； 

d. 换刀速度：目前国外先进加工中心的刀具交换时间普遍已在 1s 左右，高的已达 0.5s。德国 Chiron 公司将刀库设计成篮子样式，以主轴为轴心，刀具在圆周布置，其刀到刀的换刀时间仅 0.9s。

2. 高精度化

数控机床精度的要求现在已经不局限于静态的几何精度，机床的运动精度、热变形以及对振动的监测和补偿越来越获得重视。

a. 提高 CNC 系统控制精度：采用高速插补技术，以微小程序段实现连续进给，使 CNC 控制单位精细化，并采用高分辨率位置检测装置，提 高位置检测精度，位置伺服系统采用前馈控制与 非线性控制等方法；

b. 采用误差补偿技术：采用反向间隙补偿、丝杆螺距误差补偿和刀具误差补偿等技术，对设备的热变形误差和空间误差进行综合补偿。 

c. 采用网格解码器检查和提高加工中心的运动轨迹精度: 通过仿真预测机床的加工精度，以保证机床的定位精度和重复定位精度，使其性能长期稳定，能够在不同运行条件下完成多种加工任务，并保证零件的加工质量。

3. 功能复合化

复合机床的含义是指在一台机床上实现或尽可能完成从毛坯至成品的多种要素加工。根据其结构特点可分为工艺复合型和工序复合型两类。加工中心能够完成 车削、铣削、钻削、滚齿、磨削、激光热处理等多种工序，可完成复杂零件的全部加工。随着现代机械加工要求的不断提高，大量的多轴联动数控机床越来越受到各 大企业的欢迎。 

4. 控制智能化

随着人工智能技术的发展，为了满足制造业生产柔性化、制造自动化的发展需求，数控机床的智能化程度在不断提高。具体体现在以下几个方面：

a.  加工过程自适应控制技术； 

b. 加工参数的智能优化与选择； 

c. 智能故障自诊断与自修复技术； 

d. 智能故障回放和故障仿真技术；

e. 智能化交流伺服驱动装置； 

 f. 智能 4M 数控系统：在制造过程中， 将测量 、建模、加工、机器操作四者(即 4M)融合在一个系统中 。

5. 体系开放化

a. 向未来技术开放：由于软硬件接口都遵循公认的标准协议，可采纳、吸收和兼容新一代通用软硬件。  

b. 向用户特殊要求开放：更新产品、扩充功能、提供硬软件产品的各种组合以满足特殊应用要求；  

c. 数控标准的建立：标准化的编程语言，既方便用户 使用，又降低了和操作效率直接有关的劳动消耗。

6. 驱动并联化

可实现多坐标联动数控加工、装配和测量多种功能，更能满足复杂特种零件的加工，并联机床被认为是“自发明数控技术以来在机床行业中最有意义的进步”和“21 世纪新一代数控加工设备”。

7.  极端化(大型化和微型化) 

国防、航空、航天事业的发展和能源等基础产业装备的大型化需要大型且性能良好的数控机床的支撑。而超精密加工技术和微纳米技术是 21 世纪的战略技 术，需发展能适应微小型尺寸和微纳米加工精度的新型制造工艺和装备。 

8.  信息交互网络化

既可以实现网络资源共享，又能实现数控机床的远程监视、控制、远程诊断、维护。 

9. 加工过程绿色化

 近年来不用或少用冷却液、实现干切削、半干切削节能环保的机床不断出现， 绿色制造的大趋势使各种节能环保机床加速发展。

10. 多媒体技术的应用

多媒体技术集计算机、声像和通信技术于一体，使计算机具有综合处理声音、文字、图像和视频信息的能力。可以做到信息处理综合化、智能化，应用于实时监控 系统和生产现场设备的故障诊断、生产过程参数监测等，因此有着重大的应用价值。

目前，数控机床的发展日新月异，高速化、高精度化、复合化、智能化、开放化、并联驱动化、网络化、极端化、绿色化已成为数控机床发展的趋势和方向。