高端精密制造的CNC數(shù)控加工技術(shù)
2020-08-16
數(shù)控技術(shù)的應(yīng)用使傳統(tǒng)的制造業(yè)發(fā)生了質(zhì)的變化，尤其是近年來．微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展給數(shù)控技術(shù)帶來了新的活力。數(shù)控技術(shù)和數(shù)控裝備是各個國家工業(yè)現(xiàn)代化的重要基礎(chǔ)。
數(shù)控機(jī)床是現(xiàn)代制造業(yè)的主流設(shè)備，精密加工的必備裝備，是體現(xiàn)現(xiàn)代機(jī)床技術(shù)水平、現(xiàn)代機(jī)械制造業(yè)工藝水平的重要標(biāo)志，是關(guān)系國計(jì)民生、國防尖端建設(shè)的戰(zhàn)略物資。因此世界上各工業(yè)發(fā)達(dá)國家均采取重大措施來發(fā)展自己的數(shù)控技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)。
CNC數(shù)控加工
CNC是英文Computer Numberical Control的縮寫，意思是“計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)控制”，簡單地說就是“數(shù)控加工”，在珠江三角洲地區(qū)，人們稱為“電腦鑼”。
數(shù)控加工是當(dāng)今機(jī)械制造中的先進(jìn)加工技術(shù)，是一種具有高效率、高精度與高柔性特點(diǎn)的自動化加工方法。它是將要加工工件的數(shù)控程序輸入給機(jī)床，機(jī)床在這些數(shù)據(jù)的控制下自動加工出符合人們意愿的工件，以制造出美妙的產(chǎn)品。
數(shù)控加工技術(shù)可有效解決像模具這樣復(fù)雜、精密、小批多變的加工問題，充分適應(yīng)了現(xiàn)代化生產(chǎn)的需要。大力發(fā)展數(shù)控加工技術(shù)已成為我國加速發(fā)展經(jīng)濟(jì)、提高自主創(chuàng)新能力的重要途徑。目前我國數(shù)控機(jī)床使用越來越普遍，能熟練掌握數(shù)控機(jī)床編程，是充分發(fā)揮其功能的重要途徑。
數(shù)控機(jī)床是典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品，它集微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、測量技術(shù)、傳感器技術(shù)、自動控制技術(shù)及人工智能技術(shù)等多種先進(jìn)技術(shù)于一體，并與機(jī)械加工工藝緊密結(jié)合，是新一代的機(jī)械制造技術(shù)裝備。
CNC數(shù)控機(jī)床的組成
數(shù)控機(jī)床集機(jī)床、計(jì)算機(jī)、電動機(jī)及拖動、動控制、檢測等技術(shù)為一體的自動化設(shè)備。數(shù)控機(jī)床的基本組成包括控制介質(zhì)、數(shù)控裝置、伺服系統(tǒng)、反饋裝置及機(jī)床本體，如圖
1、控制介質(zhì)
控制介質(zhì)是儲存數(shù)控加工所需要的全部動作刀具相對于工件位置信息的媒介物，它記載著零件的加工程序，因此，控制介質(zhì)就是指將零件加工信息傳送到數(shù)控裝置去的信息載體?？刂平橘|(zhì)有多種形式，它隨著數(shù)控裝置類型的不同而不同，常用的有穿孔帶、穿孔卡、磁帶、磁盤等。隨著數(shù)控技術(shù)的發(fā)展，穿孔帶、穿孔卡趨于淘汰，而利用CAD/CAM軟件在計(jì)算機(jī)編程，然后通過計(jì)算機(jī)與數(shù)控系統(tǒng)通信，將程序和數(shù)據(jù)直接傳送給數(shù)控裝置的方法應(yīng)用越來越廣泛。
2、數(shù)控裝置
數(shù)控裝置是數(shù)控機(jī)床的核心，人們喻為“中樞系統(tǒng)”?，F(xiàn)代數(shù)控機(jī)床都采用計(jì)算機(jī)數(shù)控裝置CNC。數(shù)控裝置包括輸入裝置及中央處理器(CPU)和輸出裝置等構(gòu)成數(shù)控裝置能完成信息的輸入、存儲、變換、插補(bǔ)運(yùn)算以及實(shí)現(xiàn)各種控制功能。
3、伺服系統(tǒng)
伺服系統(tǒng)是接收數(shù)控裝置的指令、驅(qū)動機(jī)床執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動的驅(qū)動部件。包括主軸驅(qū)動單元、進(jìn)給驅(qū)動單元、主軸電機(jī)和進(jìn)給電機(jī)等。工作時，伺服系統(tǒng)接受數(shù)控系統(tǒng)的指令信息，并按照指令信息的要求與位置、速度反饋信號相比較后，帶動機(jī)床的移動部件或執(zhí)行部件動作，加工出符合圖紙要求的零件。
4、反饋裝置
反饋裝置是由測量元件和相應(yīng)的電路組成，其作用是檢測速度和位移，并將信息反饋回來，構(gòu)成閉環(huán)控制。一些精度要求不高的數(shù)控機(jī)床，沒有反饋裝置，則稱為開環(huán)系統(tǒng)。
5、機(jī)床本體
機(jī)床本體是數(shù)控機(jī)床的實(shí)體，是完成實(shí)際切削加工的機(jī)械部分，它包括床身、底座、工作臺、床鞍、主軸等。
CNC加工工藝的特點(diǎn)
CNC數(shù)控加工工藝也遵守機(jī)械加工切削規(guī)律，與普通機(jī)床的加工工藝大體相同。由于它是把計(jì)算機(jī)控制技術(shù)應(yīng)用于機(jī)械加工之中的一種自動化加工，因而具有加工效率高、精度高等特點(diǎn)，加工工藝有其獨(dú)特之處，工序較為復(fù)雜，工步安排較為詳盡周密。
CNC數(shù)控加工工藝包括刀具的選擇、切削參數(shù)的確定及走刀工藝路線的設(shè)計(jì)等內(nèi)容。CNC數(shù)控加工工藝是數(shù)控編程的基礎(chǔ)及核心，只有工藝合理，才能編出高效率和高質(zhì)量的數(shù)控程序。衡量數(shù)控程序好壞的標(biāo)準(zhǔn)是：最少的加工時間、最小的刀具損耗及加工出最佳效果的工件。
數(shù)控加工工序是工件整體加工工藝的一部分，甚至是一道工序。它要與其他前后工序相互配合，才能最終滿足整體機(jī)器或模具的裝配要求，這樣才能加工出合格的零件。
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的數(shù)控編程
數(shù)控編程是從零件圖紙到獲得數(shù)控加工程序的全過程。它的主要任務(wù)是計(jì)算加工走刀中的刀位點(diǎn)（cutter location point簡稱CL點(diǎn)）。刀位點(diǎn)一般取為刀具軸線與刀具表面的交點(diǎn)，多軸加工中還要給出刀軸矢量。
數(shù)控機(jī)床是根據(jù)工件圖樣要求及加工工藝過程，將所用刀具及各部件的移動量、速度和動作先后順序、主軸轉(zhuǎn)速、主軸旋轉(zhuǎn)方向、刀頭夾緊、刀頭松開及冷卻等操作，以規(guī)定的數(shù)控代碼形式編成程序單，輸入到機(jī)床專用計(jì)算機(jī)中。然后，數(shù)控系統(tǒng)根據(jù)輸入的指令進(jìn)行編譯、運(yùn)算和邏輯處理后，輸出各種信號和指令，控制各部分根據(jù)規(guī)定的位移和有順序的動作，加工出各種不同形狀的工件。因此，程序的編制對于數(shù)控機(jī)床效能的發(fā)揮影響極大。
數(shù)控機(jī)床必須把代表各種不同功能的指令代碼以程序的形式輸入數(shù)控裝置，由數(shù)控裝置進(jìn)行運(yùn)算處理，然后發(fā)出脈沖信號來控制數(shù)控機(jī)床的各個運(yùn)動部件的操作，從而完成零件的切削加工。
目前數(shù)控程序有兩個標(biāo)準(zhǔn)：國際標(biāo)準(zhǔn)化組織的ISO和美國電子工業(yè)協(xié)會的EIA。我國采用ISO代碼。
隨著技術(shù)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(jì)算機(jī)輔助編程系統(tǒng)的核心，主要功能有數(shù)據(jù)的輸入/輸出、加工軌跡的計(jì)算及編輯、工藝參數(shù)設(shè)置、加工仿真、數(shù)控程序后處理和數(shù)據(jù)管理等。
目前，在我國深受用戶喜歡的、數(shù)控編程功能強(qiáng)大的軟件有Mastercam、UG、Cimatron、PowerMILL、CAXA等。各軟件對于數(shù)控編程的原理、圖形處理方法及加工方法都大同小異，但各有特點(diǎn)。
CNC數(shù)控加工零件的步驟
1、分析零件圖，了解工件的大致情況（幾何形狀，工件材料，工藝要求等）
2、確定零件的數(shù)控加工工藝（加工的內(nèi)容，加工的路線）
3、進(jìn)行必要的數(shù)值計(jì)算（基點(diǎn)、節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)計(jì)算）
4、編寫程序單（不同機(jī)床會有所不同，遵守使用手冊）
5、程序校驗(yàn)（將程序輸入機(jī)床，并進(jìn)行圖形模擬，驗(yàn)證編程的正確）
6、對工件進(jìn)行加工（好的過程控制能很好的節(jié)約時間和提高加工質(zhì)量）
7、工件驗(yàn)收和質(zhì)量誤差分析（對工件進(jìn)行檢驗(yàn)，合格流入下一道。不合格則通過質(zhì)量分析找出產(chǎn)生誤差原因和糾正方法）。
數(shù)控機(jī)床的發(fā)展歷史
二戰(zhàn)后，制造業(yè)的生產(chǎn)大部分是依靠人工操作，工人看懂圖紙后，手工操作機(jī)床，加工零件，用這種方式生產(chǎn)產(chǎn)品，成本高，效率低，質(zhì)量也得不到保證。
在20世紀(jì)40年代末期，美國有一位工程師帕森斯（John Parsons）構(gòu)思了一種方法，在一張硬紙卡上打孔來表示需要加工的零件幾何形狀，利用著一張硬卡來控制機(jī)床的動作，在當(dāng)時，這只是一種構(gòu)思。
1948年，帕森斯向美國空軍展示了他的這種想法，美國空軍看后，表示極大的興趣，因?yàn)槊绹哲娬趯ふ乙环N先進(jìn)的加工方法，希望解決飛機(jī)外型樣板的加工問題，由于樣板形狀復(fù)雜，精度要求高，一般的設(shè)備難以適應(yīng)，美國空軍立即委托及贊助美國麻省理工學(xué)院（MIT）進(jìn)行研究，開發(fā)這部硬卡紙來控制的機(jī)床，終于在1952年，麻省理工學(xué)院和帕森斯公司合作，成功的研制出了第一臺示范機(jī)，到了1960年較為簡單和經(jīng)濟(jì)的點(diǎn)位控制鉆床，和直線控制數(shù)控銑床得到了較快的發(fā)展使數(shù)控機(jī)床在制造業(yè)各部門逐步獲得推廣。
CNC加工的歷史已經(jīng)經(jīng)歷了長達(dá)半個多世紀(jì)，NC數(shù)控系統(tǒng)也由最早的模擬信號電路控制發(fā)展為極其復(fù)雜的集成加工系統(tǒng)，編程方式也有手工發(fā)展成為智能化、強(qiáng)大的CAD/CAM集成系統(tǒng)。
就我國而言，數(shù)控技術(shù)的發(fā)展是比較緩慢的，對于國內(nèi)的大多數(shù)車間來說。設(shè)備比較落后，人員的技術(shù)水平和觀念落后表現(xiàn)為加工質(zhì)量和加工效率低下，經(jīng)常拖延交貨期。
1、第一代NC系統(tǒng)是在1951年引入的，其控制單元主要有各種閥門和模擬電路組成的，1952年第一臺數(shù)控機(jī)床誕生，已經(jīng)從銑床或車床發(fā)展到加工中心，成為現(xiàn)代制造業(yè)的關(guān)鍵設(shè)備。
2、第二代NC系統(tǒng)于1959年產(chǎn)生的，其主要有單個的晶體管和其他部件組成。
3、1965年引入了第三代NC系統(tǒng)，其首次采用集成電路板。
4、實(shí)際上，在1964年已經(jīng)研制出來了第四代NC系統(tǒng)，即我們非常熟悉的計(jì)算機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)（CNC控制系統(tǒng)）。
5、1975年，NC系統(tǒng)采用了強(qiáng)大的微處理器，這就是第五代NC系統(tǒng)。
6、第六代NC系統(tǒng)采用了現(xiàn)行的集成制造系統(tǒng)（MIS）+DNC+柔性加工系統(tǒng)（FMS）
數(shù)控機(jī)床的發(fā)展趨勢
1. 高速化
隨著汽車、國防、航空、航天等工業(yè)的高速發(fā)展以及鋁合金等新材料的應(yīng)用，對數(shù)控機(jī)床加工的高速化要求越來越高。
a.主軸轉(zhuǎn)速：機(jī)床采用電主軸(內(nèi)裝式主軸電機(jī))，主軸最高轉(zhuǎn)速達(dá)200000r/min；
b. 進(jìn)給率：在分辨率為0.01μm時，最大進(jìn)給率達(dá)到240m/min且可獲得復(fù)雜型的精確加工；
c. 運(yùn)算速度：微處理器的迅速發(fā)展為數(shù)控系統(tǒng)向高速、高精度方向發(fā)展提供了保障，開發(fā)出CPU已發(fā)展到32位以及64位的數(shù)控系統(tǒng)，頻率提高到幾百兆赫、上千兆赫。由于運(yùn)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(dá)24～240m/min的進(jìn)給速度；
d. 換刀速度：目前國外先進(jìn)加工中心的刀具交換時間普遍已在1s左右，高的已達(dá)0.5s。德國Chiron公司將刀庫設(shè)計(jì)成籃子樣式，以主軸為軸心，刀具在圓周布置，其刀到刀的換刀時間僅0.9s。
2. 高精度化
數(shù)控機(jī)床精度的要求現(xiàn)在已經(jīng)不局限于靜態(tài)的幾何精度，機(jī)床的運(yùn)動精度、熱變形以及對振動的監(jiān)測和補(bǔ)償越來越獲得重視。
a. 提高CNC系統(tǒng)控制精度：采用高速插補(bǔ)技術(shù)，以微小程序段實(shí)現(xiàn)連續(xù)進(jìn)給，使CNC控制單位精細(xì)化，并采用高分辨率位置檢測裝置，提 高位置檢測精度，位置伺服系統(tǒng)采用前饋控制與 非線性控制等方法；
b. 采用誤差補(bǔ)償技術(shù)：采用反向間隙補(bǔ)償、絲桿螺距誤差補(bǔ)償和刀具誤差補(bǔ)償?shù)燃夹g(shù)，對設(shè)備的熱變形誤差和空間誤差進(jìn)行綜合補(bǔ)償。
c. 采用網(wǎng)格解碼器檢查和提高加工中心的運(yùn)動軌跡精度: 通過仿真預(yù)測機(jī)床的加工精度，以保證機(jī)床的定位精度和重復(fù)定位精度，使其性能長期穩(wěn)定，能夠在不同運(yùn)行條件下完成多種加工任務(wù)，并保證零件的加工質(zhì)量。
3. 功能復(fù)合化
復(fù)合機(jī)床的含義是指在一臺機(jī)床上實(shí)現(xiàn)或盡可能完成從毛坯至成品的多種要素加工。根據(jù)其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)可分為工藝復(fù)合型和工序復(fù)合型兩類。 加工中心能夠完成 車削、銑削、鉆削、滾齒、磨削、激光熱處理等多種工序，可完成復(fù)雜零件的全部加工。隨著現(xiàn)代機(jī)械加工要求的不斷提高，大量的多軸聯(lián)動數(shù)控機(jī)床越來越受到各 大企業(yè)的歡迎。
4. 控制智能化
隨著人工智能技術(shù)的發(fā)展，為了滿足制造業(yè)生產(chǎn)柔性化、制造自動化的發(fā)展需求，數(shù)控機(jī)床的智能化程度在不斷提高。具體體現(xiàn)在以下幾個方面：
a. 加工過程自適應(yīng)控制技術(shù)；
b. 加工參數(shù)的智能優(yōu)化與選擇；
c. 智能故障自診斷與自修復(fù)技術(shù)；
d. 智能故障回放和故障仿真技術(shù)；
e. 智能化交流伺服驅(qū)動裝置；
f. 智能4M數(shù)控系統(tǒng)：在制造過程中， 將測量 、建模、加工、機(jī)器操作四者(即4M)融合在一個系統(tǒng)中 。
5. 體系開放化
a. 向未來技術(shù)開放：由于軟硬件接口都遵循公認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，可采納、吸收和兼容新一代通用軟硬件。
b. 向用戶特殊要求開放：更新產(chǎn)品、擴(kuò)充功能、提供硬軟件產(chǎn)品的各種組合以滿足特殊應(yīng)用要求；
c. 數(shù)控標(biāo)準(zhǔn)的建立：標(biāo)準(zhǔn)化的編程語言，既方便用戶 使用，又降低了和操作效率直接有關(guān)的勞動消耗。
6. 驅(qū)動并聯(lián)化
可實(shí)現(xiàn)多坐標(biāo)聯(lián)動數(shù)控加工、裝配和測量多種功能，更能滿足復(fù)雜特種零件的加工，并聯(lián)機(jī)床被認(rèn)為是“自發(fā)明數(shù)控技術(shù)以來在機(jī)床行業(yè)中最有意義的進(jìn)步”和“21世紀(jì)新一代數(shù)控加工設(shè)備”。
7. 極端化(大型化和微型化)
國防、航空、航天事業(yè)的發(fā)展和能源等基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)裝備的大型化需要大型且性能良好的數(shù)控機(jī)床的支撐。而超精密加工技術(shù)和微納米技術(shù)是21世紀(jì)的戰(zhàn)略技 術(shù)，需發(fā)展能適應(yīng)微小型尺寸和微納米加工精度的新型制造工藝和裝備。
8. 信息交互網(wǎng)絡(luò)化
既可以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)資源共享，又能實(shí)現(xiàn)數(shù)控機(jī)床的遠(yuǎn)程監(jiān)視、控制、遠(yuǎn)程診斷、維護(hù)。
9. 加工過程綠色化
近年來不用或少用冷卻液、實(shí)現(xiàn)干切削、半干切削節(jié)能環(huán)保的機(jī)床不斷出現(xiàn)， 綠色制造的大趨勢使各種節(jié)能環(huán)保機(jī)床加速發(fā)展。
10. 多媒體技術(shù)的應(yīng)用
多媒體技術(shù)集計(jì)算機(jī)、聲像和通信技術(shù)于一體，使計(jì)算機(jī)具有綜合處理聲音、文字、圖像和視頻信息的能力?？梢宰龅叫畔⑻幚砭C合化、智能化，應(yīng)用于實(shí)時監(jiān)控 系統(tǒng)和生產(chǎn)現(xiàn)場設(shè)備的故障診斷、生產(chǎn)過程參數(shù)監(jiān)測等，因此有著重大的應(yīng)用價(jià)值。
目前，數(shù)控機(jī)床的發(fā)展日新月異，高速化、高精度化、復(fù)合化、智能化、開放化、并聯(lián)驅(qū)動化、網(wǎng)絡(luò)化、極端化、綠色化已成為數(shù)控機(jī)床發(fā)展的趨勢和方向。
