數(shù)控加工技術(shù)及其最新進展

1、一、數(shù)控加工的過程一、數(shù)控加工的過程 閱讀零件圖紙：閱讀零件圖紙：充分了解圖紙的技術(shù)要求，如尺寸精度、形位公差、表面粗糙度、工充分了解圖紙的技術(shù)要求，如尺寸精度、形位公差、表面粗糙度、工件的材料、硬度、加工性能以及工件數(shù)量等；件的材料、硬度、加工性能以及工件數(shù)量等； 工藝分析：工藝分析：根據(jù)零件圖紙的要求進行工藝分析，其中包括零件的結(jié)構(gòu)工藝性分析、根據(jù)零件圖紙的要求進行工藝分析，其中包括零件的結(jié)構(gòu)工藝性分析、材料和設(shè)計精度合理性分析、大致工藝步驟等；材料和設(shè)計精度合理性分析、大致工藝步驟等； 制定工藝：制定工藝：根據(jù)工藝分析制定出加工所需要的一切工藝信息根據(jù)工藝分析制定出加工所需要的一切工藝信

2、息如：加工工藝路如：加工工藝路線、工藝要求、刀具的運動軌跡、位移量、切削用量（主軸轉(zhuǎn)速、進線、工藝要求、刀具的運動軌跡、位移量、切削用量（主軸轉(zhuǎn)速、進給量、吃刀深度）以及輔助功能（換刀、主軸正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)、切削液開給量、吃刀深度）以及輔助功能（換刀、主軸正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)、切削液開或關(guān)）等，并填寫加工工序卡和工藝過程卡；或關(guān)）等，并填寫加工工序卡和工藝過程卡； 數(shù)控編程：數(shù)控編程：根據(jù)零件圖和制定的工藝內(nèi)容，再按照所用數(shù)控系統(tǒng)規(guī)定的指令代碼根據(jù)零件圖和制定的工藝內(nèi)容，再按照所用數(shù)控系統(tǒng)規(guī)定的指令代碼及程序格式進行數(shù)控編程；及程序格式進行數(shù)控編程； 程序傳輸：程序傳輸：將編寫好的程序通過傳輸接口，輸入到數(shù)控

3、機床的數(shù)控裝置中。調(diào)整將編寫好的程序通過傳輸接口，輸入到數(shù)控機床的數(shù)控裝置中。調(diào)整好機床并調(diào)用該程序后，就可以加工出符合圖紙要求的零件好機床并調(diào)用該程序后，就可以加工出符合圖紙要求的零件。 1.1 數(shù)控加工工藝的概念數(shù)控加工工藝的概念 數(shù)控加工工藝是采用數(shù)控機床加工零件數(shù)控加工工藝是采用數(shù)控機床加工零件時所運用各種方法和技術(shù)手段的總和，時所運用各種方法和技術(shù)手段的總和，應(yīng)用于整個數(shù)控加工工藝過程。應(yīng)用于整個數(shù)控加工工藝過程。 1.2 數(shù)控加工工藝過程數(shù)控加工工藝過程 數(shù)控加工工藝過程是利用切削刀具數(shù)控加工工藝過程是利用切削刀具在數(shù)控機床上直接改變加工對象的形狀、在數(shù)控機床上直接改變加工對象的形

4、狀、尺寸、表面位置、表面狀態(tài)等，使其成尺寸、表面位置、表面狀態(tài)等，使其成為成品或半成品的過程。為成品或半成品的過程。 1.3 數(shù)控加工工藝設(shè)計的主要內(nèi)容數(shù)控加工工藝設(shè)計的主要內(nèi)容 1.4 數(shù)控加工工藝與普通加工工藝的區(qū)數(shù)控加工工藝與普通加工工藝的區(qū)別及特點別及特點 由于數(shù)控加工采用了計算機控制系統(tǒng)和數(shù)控由于數(shù)控加工采用了計算機控制系統(tǒng)和數(shù)控機床，使得數(shù)控加工具有加工自動化程度高、精機床，使得數(shù)控加工具有加工自動化程度高、精度高、質(zhì)量穩(wěn)定、生成效率高、周期短、設(shè)備使度高、質(zhì)量穩(wěn)定、生成效率高、周期短、設(shè)備使用費用高等特點。在數(shù)控加工工藝上也與普通加用費用高等特點。在數(shù)控加工工藝上也與普通加工工藝

5、具有一定的差異。工工藝具有一定的差異。 二、數(shù)控加工與工藝技術(shù)的新發(fā)展二、數(shù)控加工與工藝技術(shù)的新發(fā)展 隨著計算機技術(shù)突飛猛進的發(fā)展，數(shù)控技術(shù)正不斷隨著計算機技術(shù)突飛猛進的發(fā)展，數(shù)控技術(shù)正不斷采用計算機、控制理論等領(lǐng)域的最新技術(shù)成就，使其朝采用計算機、控制理論等領(lǐng)域的最新技術(shù)成就，使其朝著高速化、高精化、復(fù)合化、智能化、高柔性化及信息著高速化、高精化、復(fù)合化、智能化、高柔性化及信息網(wǎng)絡(luò)化等方向發(fā)展。整體數(shù)控加工技術(shù)向著網(wǎng)絡(luò)化等方向發(fā)展。整體數(shù)控加工技術(shù)向著cims（計算（計算機集成制造系統(tǒng)）方向發(fā)展。機集成制造系統(tǒng)）方向發(fā)展。 1 高速切削高速切削1.1 高速切削的概念1.2關(guān)于高速加工主軸速度

6、范圍的討論v2007年6月28日，我們與成都飛機制造公司技術(shù)人員就航空件高速加工技術(shù)問題進行了交流。根據(jù)目前國內(nèi)外高速技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀，給出了目前情況下，高速加工主軸速度范圍的定義：vn6000rpm，為低速；v10000 rpm n20000rpm,為亞高速范圍；vn 20000rpm，為高速加工范圍 高速加工與傳統(tǒng)的數(shù)控加工方法相比沒有什么高速加工與傳統(tǒng)的數(shù)控加工方法相比沒有什么本質(zhì)的區(qū)別，兩者牽涉到同樣的工藝參數(shù)，但其加工本質(zhì)的區(qū)別，兩者牽涉到同樣的工藝參數(shù)，但其加工效果相對于傳統(tǒng)的數(shù)控加工有著無可比擬的優(yōu)越性：效果相對于傳統(tǒng)的數(shù)控加工有著無可比擬的優(yōu)越性： 1.4 現(xiàn)在主軸加速度可2.0g

7、，采用高速電主軸，靜壓軸承、磁懸浮軸承等現(xiàn)代高速機床，采用高速線性直線電機直接托動機床滑臺，減少了機床傳動環(huán)節(jié)，提高了機床運行速度及定位精度，滑臺移動速度可達120m/min。目前，高速加工涉及到的新技術(shù)主要有：目前，高速加工涉及到的新技術(shù)主要有： 1.5 高速加工是通過大幅度提高主軸轉(zhuǎn)速高速加工是通過大幅度提高主軸轉(zhuǎn)速和加工進給速度來實現(xiàn)的，為了適應(yīng)和加工進給速度來實現(xiàn)的，為了適應(yīng)這種高速切削加工，主軸設(shè)計采用了這種高速切削加工，主軸設(shè)計采用了先進的主軸軸承、潤滑和散熱等新技先進的主軸軸承、潤滑和散熱等新技術(shù)；術(shù)； 高速加工數(shù)控系統(tǒng)需要具備更短的伺服周期高速加工數(shù)控系統(tǒng)需要具備更短的伺服周期

8、和更高的分辨率，同時具有待加工軌跡監(jiān)控功能和更高的分辨率，同時具有待加工軌跡監(jiān)控功能和曲線插補功能，以保證在高速切削時，特別是和曲線插補功能，以保證在高速切削時，特別是在在4-5軸坐標(biāo)聯(lián)動加工復(fù)雜曲面輪廓時仍具有良好軸坐標(biāo)聯(lián)動加工復(fù)雜曲面輪廓時仍具有良好的加工性能。的加工性能。 刀具性能和質(zhì)量對高速切削加工具有重大影響，刀具性能和質(zhì)量對高速切削加工具有重大影響，新型刀具材料的采用，使切削加工速度大大提新型刀具材料的采用，使切削加工速度大大提高，從而提高了生產(chǎn)率，延長了刀具壽命。高，從而提高了生產(chǎn)率，延長了刀具壽命。 在高速加工中，切削時間和每個托盤化零件在高速加工中，切削時間和每個托盤化零件加

9、工時間已顯著縮短。高速、高精度定位的托盤加工時間已顯著縮短。高速、高精度定位的托盤交換裝置已成為今后的發(fā)展方向。交換裝置已成為今后的發(fā)展方向。 高速加工作為一種新的技術(shù)，其優(yōu)點是顯而高速加工作為一種新的技術(shù)，其優(yōu)點是顯而易見的，它給傳統(tǒng)的數(shù)控加工帶來了一種革命易見的，它給傳統(tǒng)的數(shù)控加工帶來了一種革命性的變化，但是，目前既便是在加工機床水平性的變化，但是，目前既便是在加工機床水平先進的瑞士、德國、日本、美國，對這一嶄新先進的瑞士、德國、日本、美國，對這一嶄新技術(shù)的研究也還處在不斷的摸索研究中。有許技術(shù)的研究也還處在不斷的摸索研究中。有許多問題有待于解決：如高速機床的動態(tài)、熱態(tài)多問題有待于解決：如

10、高速機床的動態(tài)、熱態(tài)特性；刀具材料、幾何角度和耐用度問題；機特性；刀具材料、幾何角度和耐用度問題；機床與刀具間的接口技術(shù)（刀具的動平衡、扭矩床與刀具間的接口技術(shù)（刀具的動平衡、扭矩傳輸）；冷卻潤滑液的選擇；傳輸）；冷卻潤滑液的選擇；cad/cam的程的程序后處理問題；高速加工時刀具軌跡的優(yōu)化問序后處理問題；高速加工時刀具軌跡的優(yōu)化問題等等。國內(nèi)在這一方面的研究采尚處于起步題等等。國內(nèi)在這一方面的研究采尚處于起步階段，要趕上并盡快縮小與國外同行業(yè)間的差階段，要趕上并盡快縮小與國外同行業(yè)間的差距，還有許多路要走。距，還有許多路要走。 1.5.5 高精加工是高速加工技術(shù)與數(shù)控機床的廣泛高精加工是高速

11、加工技術(shù)與數(shù)控機床的廣泛應(yīng)用結(jié)果。以前汽車零件的加工精度要求在應(yīng)用結(jié)果。以前汽車零件的加工精度要求在0.01mm數(shù)量級，現(xiàn)在隨著計算機硬盤、高精度液數(shù)量級，現(xiàn)在隨著計算機硬盤、高精度液壓軸承等精密零件的增多，精整加工所需精度已壓軸承等精密零件的增多，精整加工所需精度已提高到提高到0.1m ，加工精度進入了亞微米世界。，加工精度進入了亞微米世界。 2.1 高精加工的基本概念高精加工的基本概念 數(shù)控技術(shù)智能化程度不斷提高，體現(xiàn)在以下幾數(shù)控技術(shù)智能化程度不斷提高，體現(xiàn)在以下幾個方面：個方面： 智能智能cad把工程數(shù)據(jù)庫及其管理系統(tǒng)、知識庫及其專家系統(tǒng)、把工程數(shù)據(jù)庫及其管理系統(tǒng)、知識庫及其專家系統(tǒng)、擬

12、人化用戶接口管理系統(tǒng)集于一體。擬人化用戶接口管理系統(tǒng)集于一體。 智能制造技術(shù)智能制造技術(shù) 包括專家系統(tǒng)、模糊推理和人工神包括專家系統(tǒng)、模糊推理和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)三大部分。經(jīng)網(wǎng)絡(luò)三大部分。專家專家系統(tǒng)系統(tǒng)模糊模糊推理推理人工神人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)經(jīng)網(wǎng)絡(luò) 網(wǎng)絡(luò)功能正逐漸成為現(xiàn)代數(shù)控機床、數(shù)控系網(wǎng)絡(luò)功能正逐漸成為現(xiàn)代數(shù)控機床、數(shù)控系統(tǒng)的特征之一。諸如現(xiàn)代數(shù)控機床的遠(yuǎn)程故障診斷、統(tǒng)的特征之一。諸如現(xiàn)代數(shù)控機床的遠(yuǎn)程故障診斷、遠(yuǎn)程狀態(tài)監(jiān)控、遠(yuǎn)程加工信息共享、遠(yuǎn)程操作（危遠(yuǎn)程狀態(tài)監(jiān)控、遠(yuǎn)程加工信息共享、遠(yuǎn)程操作（危險環(huán)境的加工）、遠(yuǎn)程培訓(xùn)等都是以網(wǎng)絡(luò)功能為基險環(huán)境的加工）、遠(yuǎn)程培訓(xùn)等都是以網(wǎng)絡(luò)功能為基礎(chǔ)的。礎(chǔ)的。美國

13、波音公美國波音公司利用數(shù)字司利用數(shù)字文件作為制文件作為制造載體，首造載體，首次利用網(wǎng)絡(luò)次利用網(wǎng)絡(luò)功能實現(xiàn)了功能實現(xiàn)了無圖紙制造無圖紙制造波音波音777新型新型客機?？蜋C。 圖示為波音公司利用計算機輔助設(shè)計對圖示為波音公司利用計算機輔助設(shè)計對777客機的零部件進行信息化處理。客機的零部件進行信息化處理。 現(xiàn)代意義上的快速成型技術(shù)始于現(xiàn)代意義上的快速成型技術(shù)始于70年代末期出年代末期出現(xiàn)的立體光刻技術(shù)（現(xiàn)的立體光刻技術(shù)（sla）,它是洶涌而來的數(shù)字化浪它是洶涌而來的數(shù)字化浪潮在加工領(lǐng)域中不可避免的延拓，連續(xù)的曲面被離散潮在加工領(lǐng)域中不可避免的延拓，連續(xù)的曲面被離散成用成用stl文件表達的三角面片，

14、零件在加工方向上被文件表達的三角面片，零件在加工方向上被離散成若干層。這種離散化使得任意復(fù)雜的零件原型離散成若干層。這種離散化使得任意復(fù)雜的零件原型都可以加工出來，加工過程也大大簡化了。都可以加工出來，加工過程也大大簡化了。產(chǎn)產(chǎn) 品品 快速原型的英文縮寫為快速原型的英文縮寫為rp，在，在rp出現(xiàn)的初期，出現(xiàn)的初期，其用途主要是加工產(chǎn)品原型，隨著成型工藝、材料的其用途主要是加工產(chǎn)品原型，隨著成型工藝、材料的進步以及快速制模技術(shù)的發(fā)展，進步以及快速制模技術(shù)的發(fā)展，rp已發(fā)展成能直接或已發(fā)展成能直接或間接制造功能零件和模具的快速成型制造間接制造功能零件和模具的快速成型制造,奠定了在制奠定了在制造業(yè)中

15、的位置造業(yè)中的位置,并且形成了一個不斷擴大的并且形成了一個不斷擴大的rp/rt市場。市場。據(jù)據(jù)wholers associates 的統(tǒng)計，全球的統(tǒng)計，全球rp設(shè)備已有近設(shè)備已有近7000臺，分布在臺，分布在58個國家。個國家。 rp技術(shù)發(fā)展到今天已有技術(shù)發(fā)展到今天已有20余年的歷史，新的快速成型工余年的歷史，新的快速成型工藝不斷產(chǎn)生、功能不斷完善、精度不斷提高、成型速度不斷提高。藝不斷產(chǎn)生、功能不斷完善、精度不斷提高、成型速度不斷提高。 。 從從rp/rt技術(shù)的現(xiàn)狀來看，未來幾年的主要發(fā)展趨勢如下：技術(shù)的現(xiàn)狀來看，未來幾年的主要發(fā)展趨勢如下： 經(jīng)自動化工廠經(jīng)自動化工廠“通信網(wǎng)絡(luò)通信網(wǎng)絡(luò)”連接

16、的各個子系統(tǒng)，連接的各個子系統(tǒng)，可構(gòu)成一個有機聯(lián)系的整體，即自動化工廠。計算機集成可構(gòu)成一個有機聯(lián)系的整體，即自動化工廠。計算機集成制造反映了制造系統(tǒng)的這一新發(fā)展。計算機集成制造系統(tǒng)制造反映了制造系統(tǒng)的這一新發(fā)展。計算機集成制造系統(tǒng)則是技術(shù)上的具體實現(xiàn)，他能為現(xiàn)代制造企業(yè)追求在激烈則是技術(shù)上的具體實現(xiàn)，他能為現(xiàn)代制造企業(yè)追求在激烈變化中、動態(tài)市場條件下，具有快速靈活響應(yīng)的競爭優(yōu)勢變化中、動態(tài)市場條件下，具有快速靈活響應(yīng)的競爭優(yōu)勢提供所要求的戰(zhàn)略性系統(tǒng)技術(shù)。提供所要求的戰(zhàn)略性系統(tǒng)技術(shù)。 存儲運輸模塊的主要功能有倉庫管理、自動存儲運輸模塊的主要功能有倉庫管理、自動搬運等。搬運等。 cims集成的三

17、個階段：集成的三個階段： 8 數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展8.1 高精、高速加工*5 軸加工功能和復(fù)雜加工功能的機床采用5 軸聯(lián)動，可以使用刀具最佳形狀進行加工*復(fù)合數(shù)控機床數(shù)控復(fù)合加工機床的開發(fā)和制造已變成數(shù)控機床的一種發(fā)展趨勢8.2 “虛擬軸”機床8.3 數(shù)控系統(tǒng)的開放8.1 高精度、高速加工funac伺服電機帶有1.6107 脈沖/轉(zhuǎn)分辨率的編碼器。采用相應(yīng)的硬件，可以產(chǎn)生所謂“納米控制”，也就是在系統(tǒng)檢測分辨率為1m 時，插補分辨率可以提高到1nm，在直線電機驅(qū)動的加工中心上加工，加工速度為30m/min 時，其圓度為23m；在加工速度為10m/min 時，其圓度為1m。高速加工目前速度已達100

18、m/min，主軸轉(zhuǎn)速達60, 000 r/min控制方法：look ahead, jerk8.2 “虛擬軸”機床驅(qū)動桿機架 動平臺主軸電機伺服電機主軸刀具柔性夾具工件靜平臺圖 1 并聯(lián)機床結(jié)構(gòu)示意圖驅(qū)動并聯(lián)化并聯(lián)加工中心（又稱6條腿數(shù)控機床、虛軸機床）是數(shù)控機床在結(jié)構(gòu)上取得的重大突破。 特點并聯(lián)結(jié)構(gòu)機床是現(xiàn)代機器人與傳統(tǒng)加工技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物；由于它沒有傳統(tǒng)機床所必需的床身、立柱、導(dǎo)軌等制約機床性能提高的結(jié)構(gòu)，具有現(xiàn)代機器人的模塊化程度高、重量輕和速度快等優(yōu)點。數(shù)學(xué)上屬于steward平臺hexaglide 高速銑床數(shù)控技術(shù)的發(fā)展過程傳統(tǒng)封閉型系統(tǒng)數(shù)控nc-cnc目前仍廣泛應(yīng)用于工業(yè)中pc-nc

19、型準(zhǔn)開放式數(shù)控系統(tǒng)pc嵌入nc(利用pc擴充nc)nc嵌入pc(pc+運動控制卡)90年代初開始，現(xiàn)市場已有產(chǎn)品軟件化開放式數(shù)控系統(tǒng)基于標(biāo)準(zhǔn)pc軟件化nc實時操作系統(tǒng)90年代末提出，現(xiàn)已有softservo, opencnc，pa傳統(tǒng)封閉式數(shù)控系統(tǒng)的缺點v（ 1）各廠家產(chǎn)品軟硬件不兼容，主流技術(shù)遠(yuǎn)落后于pc軟硬件技術(shù)，購買、使用成本高;v（2）系統(tǒng)功能固定，不能充分反映數(shù)控設(shè)備制造廠的生產(chǎn)經(jīng)驗，很難滿足最終用戶的特殊要求;v（3）缺乏統(tǒng)一、有效和高速的通道與外部互連，信息被鎖在“黑匣子”中，成為自動化的“孤島”;v（4）人機界面不靈活，系統(tǒng)的培訓(xùn)和維護費用昂貴。pc-nc結(jié)構(gòu)的不足v （1）仍

20、存在專有硬件v （2）信息的交換還不是完全開放的v （3）與i/o接口連線多v （4）成本高v （5）工業(yè)化設(shè)計不如傳統(tǒng)數(shù)控系統(tǒng)軟件化開放式是數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展方向v （1）基于標(biāo)準(zhǔn)的pc硬件v （2）信息的完全開放，軟件模塊的pnp，v （3）與i/o的連接為現(xiàn)場總線結(jié)構(gòu) profibus，sercos，macro, hs-link, ieee1394a(b), 實時以太網(wǎng)v（4）完善的網(wǎng)絡(luò)功能v（5）成本低開放式數(shù)控系統(tǒng)的主要進展v開放性的定義可移植性（portability）-posix1003.1b 可縮放(升級）性（scalability） 可擴展性（extensibility） 可交換

21、性（exchangeable）-configurable 統(tǒng)一的操作界面（uniformity interface）國內(nèi)外研究概況國內(nèi)外主要研究計劃：（1）美國的ngc、emc、omac（2）歐共體的esprit 6379 osaca（3）日本聯(lián)合六大公司成立了osec組織（4）美國mdsi公司、soft servo 和德國pa公司（5）國內(nèi)華中、航天、藍天、珠峰（6）大學(xué)研究計劃開放式數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展方向v標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化軟硬件體系結(jié)構(gòu)軟硬件體系結(jié)構(gòu) v軟件化數(shù)控內(nèi)核軟件化數(shù)控內(nèi)核實時操作系統(tǒng)實時操作系統(tǒng)v數(shù)控系統(tǒng)與驅(qū)動和數(shù)字?jǐn)?shù)控系統(tǒng)與驅(qū)動和數(shù)字i/o連接連接-現(xiàn)場總線現(xiàn)場總線 v

22、網(wǎng)絡(luò)化是網(wǎng)絡(luò)化是e-manufacturing對數(shù)控系統(tǒng)的必然對數(shù)控系統(tǒng)的必然要求要求 v自治智能化是下一代自治智能化是下一代cnc系統(tǒng)的發(fā)展方向系統(tǒng)的發(fā)展方向 vstepnc（iso14649)step-nc概要v以新的數(shù)據(jù)接口規(guī)范取代iso 6983step-nc iso14649vstep（standard for the exchange of product model data iso 10303）vcnc 編程語言g、m代碼iso6983， 由cad-cam系統(tǒng)產(chǎn)生v新標(biāo)準(zhǔn)“cnc 控制器的數(shù)據(jù)模型” （data model for computerized numerical

23、controllers iso14649）舊標(biāo)準(zhǔn)存在問題：(1) 基于iso 6983標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)控指令（g、m代碼）支持面窄(無樣條插值和五軸加工、前瞻功能（lookahead)，而且系統(tǒng)之間不兼容。(2) 獲得的信息局限于程式化的動作和開關(guān)邏輯，故只能被動執(zhí)行指令，缺乏智能化基礎(chǔ)。(3) 設(shè)計與加工的信息不兼容，產(chǎn)品信息只能單向流動，現(xiàn)場的修改難以自動反饋到上游系統(tǒng)。據(jù)nist估計：數(shù)據(jù)的不兼容給制造業(yè)帶來的損失多達900億美元 (4)依賴cam軟件的后處理程序，其間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換往往會造成信息流失。加工軸的刀具中心軌跡的編程，而不是零件的加工過程的編程。step-nc新標(biāo)準(zhǔn)step-nc的基本思想可以簡述為：cnc系統(tǒng)直接使用符合step標(biāo)準(zhǔn)（iso 10303）的cad三維產(chǎn)品數(shù)據(jù)模型（包括幾何數(shù)據(jù)、設(shè)計和制造特征），加上工藝的信息和刀具信息，直接產(chǎn)生加工程序來控制機床，消除cam與數(shù)控系統(tǒng)之間的信息流瓶頸，從而基于step建立起支持產(chǎn)品全生命周期的信息