數(shù)控加工技術(shù)及設(shè)備

數(shù)控加工技術(shù)及設(shè)備1、CAM（計(jì)算機(jī)輔助制造）技術(shù)的歷史與發(fā)展計(jì)算幾何理論的不斷完善和數(shù)控技術(shù)的不斷更新是CAM技術(shù)持續(xù)發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)，工業(yè)界對數(shù)控加工技術(shù)不斷提出需求是CAM技術(shù)發(fā)展的原動(dòng)力，CAM軟件廠商之間的激烈競爭是CAM技術(shù)發(fā)展的催化劑。CAM技術(shù)從誕生到現(xiàn)在，可以劃分為三個(gè)階段：1.1、加工質(zhì)量穩(wěn)定、加工精度高。最早出現(xiàn)的CAM軟件是50年代開發(fā)的平面編程系統(tǒng)，60年代發(fā)展到具有曲面編程能力的系統(tǒng)，80年代出現(xiàn)了具有圖形交互的雕塑曲面編程能力的系統(tǒng)。在數(shù)控機(jī)床和數(shù)控技術(shù)出現(xiàn)以前，同一套圖紙，在不同的加工車間，產(chǎn)品表面質(zhì)量差異大，即使是同一個(gè)工人，加工相同的零件，其質(zhì)量也不盡相同。當(dāng)加工曲線、曲面以及精密孔時(shí)，對加工精度的要求就更加迫切了。有了數(shù)控機(jī)床，加工同一種零件，使用同一段數(shù)控代碼，加工質(zhì)量穩(wěn)定。后來，發(fā)展了曲面造型技術(shù)，人們設(shè)計(jì)產(chǎn)品，不再僅僅滿足產(chǎn)品的功能需求，開始追求產(chǎn)品的外觀和更好的性能，大量使用復(fù)雜曲面進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)。因此，產(chǎn)品的加工精度被提到首要地位。1.2、加工效率高、產(chǎn)品更新?lián)Q代快。產(chǎn)品生產(chǎn)的趨勢是多品種、小批量，制造業(yè)的目標(biāo)是降低成本、提高質(zhì)量、縮短制造周期。對制造業(yè)，尤其是對模具加工業(yè)來說，就是要在保證模具加工精度的前提下，充分利用數(shù)控機(jī)床的性能，提高加工效率，縮短加工時(shí)間，保證產(chǎn)品及時(shí)上市。為滿足高效率的需求，出現(xiàn)了三軸、四軸、五軸甚至更多聯(lián)動(dòng)軸的機(jī)床。CAM技術(shù)也隨之發(fā)展。各軟件廠商紛紛推出多軸數(shù)控加工系統(tǒng)。近年來，絕大多數(shù)關(guān)于NC的文章都是圍繞多軸刀具軌跡生成和干涉檢查與修正展開討論的。這是CAM技術(shù)發(fā)展的第二個(gè)階段。1.3、加工的信息化、集成化和智能化。在現(xiàn)代社會(huì)生產(chǎn)領(lǐng)域中，計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）、計(jì)算機(jī)輔助制造（CAM）、計(jì)算機(jī)輔助分析（CAE）、計(jì)算機(jī)輔助質(zhì)量管理（CAQ）以及將他們有機(jī)集成起來的計(jì)算機(jī)集成制造（CIM）已經(jīng)成為企業(yè)科技進(jìn)步和實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化的標(biāo)志]。制造業(yè)的信息化是大勢所趨。加工的智能化越來越被人們所重視。加工的智能化表現(xiàn)在CAM系統(tǒng)自動(dòng)生成產(chǎn)品的所有加工階段的加工代碼且自動(dòng)判斷曲面自身的過切和裝卡具及機(jī)床的碰撞；自動(dòng)生成所有加工階段的工序單和工藝單。當(dāng)生產(chǎn)管理以并行工程的模式組織時(shí)，產(chǎn)品設(shè)計(jì)的修改是隨時(shí)可能發(fā)生的。智能加工系統(tǒng)要實(shí)時(shí)跟蹤產(chǎn)品的設(shè)計(jì)變化，從而產(chǎn)生相應(yīng)的刀具軌跡及工藝工序報(bào)表。智能加工時(shí)當(dāng)前研究的熱點(diǎn)。制造是產(chǎn)品生產(chǎn)的基本環(huán)節(jié)，制造業(yè)的發(fā)展水平影響了產(chǎn)品制造的品質(zhì)和效率。制造設(shè)備的數(shù)控化是現(xiàn)代制造業(yè)的基本標(biāo)志。如何發(fā)揮數(shù)控設(shè)備特別是數(shù)控銑加工設(shè)備的效率是擺在制造業(yè)面前的一個(gè)重要課題。2、當(dāng)前制造技術(shù)領(lǐng)域動(dòng)向2.1、先進(jìn)制造技術(shù)2.1.1、新的企業(yè)生產(chǎn)管理方式經(jīng)濟(jì)與科技的發(fā)展使制造全球化、信息化，從而改變了制造業(yè)的傳統(tǒng)觀念和生產(chǎn)組織方式。出現(xiàn)了精益生產(chǎn)、敏捷制造、智能制造、虛擬制造、虛擬企業(yè)等先進(jìn)的管理方式和生產(chǎn)方式。新的生產(chǎn)方式的特點(diǎn)：以技術(shù)為中心向以人為中心轉(zhuǎn)移。從金字塔式的多層次生產(chǎn)管理結(jié)構(gòu)向扁平的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變。從傳統(tǒng)的順序工作方式向并行工作方式轉(zhuǎn)變。從按功能劃分部門的固定組織形式向動(dòng)態(tài)的、自主管理的小組工作組織轉(zhuǎn)變。涉判斷困難，因?yàn)榈遁S實(shí)時(shí)在變化。五軸加工分為端銑和側(cè)銑。側(cè)銑加工是刀具側(cè)刃與工件表面接觸的加工方式，在幾何形體的精密加工中有廣泛的應(yīng)用。端銑加工是端刀邊緣與工件表面接觸的加工方式，加工雕塑曲面一般用端銑加工。關(guān)于五軸加工刀具軌跡生成和刀具干涉等問題，很多學(xué)者作了大量研究。Jensen和Anderson引入“局部曲率特性”來計(jì)算刀軸定位。Jensen的方法對全局干涉檢查作用不大，但可以作為計(jì)算刀位點(diǎn)的迭代初始點(diǎn)。Lee引入“瞬間切削輪廓”的概念，以此計(jì)算有效刀具半徑，然后根據(jù)刀具有效半徑和當(dāng)前刀具就可計(jì)算刀軸的偏置角。Choi計(jì)算五軸刀具軌跡的方法[2]簡述為：（1）離散曲面成三角片集，（2）利用豎直平面和三角片集求交得計(jì)算刀觸點(diǎn)，（3）以刀觸點(diǎn)為原點(diǎn)，加工方向和刀觸點(diǎn)發(fā)矢所在平面為刀位點(diǎn)平面，計(jì)算刀位點(diǎn)，（4）干涉檢查，修正刀軸矢量。2.2.2.3、高速加工近年來，人們逐漸認(rèn)識(shí)到高速切削是提高加工效率的關(guān)鍵技術(shù)。高速切削指在主軸轉(zhuǎn)速很高、切削速度很快、切削厚度很小條件下進(jìn)行數(shù)控加工，消除毛坯多余材料完成零件成型的過程。高速加工在航空航天中首先得到廣泛應(yīng)用，因?yàn)槠涠鄶?shù)零件是從原材料中切除80%的多余材料的加工。如今，汽車工業(yè)和模具工業(yè)也越來越多采用高速加工。例如用小直徑立銑刀對模具型腔進(jìn)行高速銑削，因?yàn)樾矢?，精度高，表面光潔，故可省去后續(xù)的電加工和手工研磨等工序，大大加快了新產(chǎn)品的開發(fā)周期。通常，高速切削機(jī)床主軸旋轉(zhuǎn)速度為10000~40000rpm，刀具切削速度為50m/min，每層切削厚度應(yīng)介于0.3-0.5mm之間。這種條件下，刀具切削時(shí)對刀具軌跡的平滑性要求很嚴(yán)，以保證刀具移動(dòng)時(shí)的平穩(wěn)性和安全性，同時(shí)提高產(chǎn)品的表面質(zhì)量。高速切削刀具軌跡除了滿足高精度、高效率和計(jì)算穩(wěn)定之外，還必須滿足如下特征：（1）不能碰撞任何工件、裝卡具等。（2）軌跡必須水平。（3）進(jìn)給速度隨著軌跡的彎曲變化實(shí)時(shí)調(diào)整。（4）刀具軌跡必須平滑。（5）加工之前必須仿真。3、流行的CAM系統(tǒng)介紹Unigraphics是高檔CAM軟件的代表。其加工方式完備，計(jì)算準(zhǔn)確，實(shí)用性強(qiáng)，是航空、汽車、造船行業(yè)的首選CAM軟件。CIMATRON90是中檔CAM軟件的代表。該軟件產(chǎn)自以色列。其實(shí)用性強(qiáng)，也是航空、汽車、電子、模具行業(yè)的廣泛應(yīng)用的CAM軟件。MasterCAM是低檔CAM軟件的代表。主要應(yīng)用在中小企業(yè)的模具行業(yè)。CAXA-ME是國內(nèi)CAM軟件的代表。主要面向中小企業(yè)。工業(yè)界對CAM軟件的新需求4.1、支持虛擬企業(yè)生產(chǎn)組織方式以美國PTC公司的Pro/Engineer為代表的CAD系統(tǒng)，基本上反映了當(dāng)前CAD技術(shù)的現(xiàn)狀。以參數(shù)化特征技術(shù)為基礎(chǔ)的零件設(shè)計(jì)、變量幾何為基礎(chǔ)的總體設(shè)計(jì)的CAD系統(tǒng)逐漸走向成熟和繁榮。Pro/Engineer，UG，CATIA等高檔產(chǎn)品Cimatron，Solidwork，Solidedge等中低檔產(chǎn)品競爭異常激烈，國內(nèi)的多家CAD軟件廠商也正處于緊鑼密鼓的開發(fā)之中，如CAXA、華中、浙大大天、高華、金銀花等?？梢哉f，CAD系統(tǒng)和市場逐漸穩(wěn)定。同樣，為制造業(yè)服務(wù)的CAM技術(shù)也隨之發(fā)展和變化。由于市場的國際化，全球競爭要求產(chǎn)品的制造過程具有高速度和低成本。產(chǎn)品更新的速度越來越快，市場需求朝著小批量、個(gè)性化方向發(fā)展。傳統(tǒng)的小而全的企業(yè)模式已越來越喪失競爭力，各種形式的合作開發(fā)、生產(chǎn)和銷售方式應(yīng)運(yùn)而生。因此，異地設(shè)計(jì)、異地編程、異地加工越來越被眾多企業(yè)采用。虛擬制造技術(shù)也應(yīng)運(yùn)而生。虛擬技術(shù)是應(yīng)用計(jì)算機(jī)技術(shù)，對產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、加工、裝配等工序統(tǒng)一建模，形成虛擬的的生產(chǎn)過程，從而產(chǎn)生了虛擬的產(chǎn)品、虛擬的企業(yè)。虛擬制造技術(shù)使得廠家可以在不同的城市甚至不同的國家通過Internet/Intranet進(jìn)行設(shè)計(jì)、加工，共享同一產(chǎn)品模型，從而大大提高效率，降低成本。由于產(chǎn)品設(shè)計(jì)、造型工作由多個(gè)廠家協(xié)同完成，而各個(gè)廠商由于不同的國家標(biāo)準(zhǔn)、使用習(xí)慣、員工素質(zhì)、企業(yè)模式等原因，采用的軟件工具千差萬別，有工作站版的，有微機(jī)版的。因此，要求各企業(yè)之間能夠交換和共享數(shù)據(jù)。采用的數(shù)據(jù)交換包括國際標(biāo)準(zhǔn)STEP以及事實(shí)上的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，如IGES，DXF，VDA，SAT等。因此，需要軟件支持國際標(biāo)準(zhǔn)和事實(shí)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，能接收來自任何系統(tǒng)的CAD數(shù)據(jù)。4.2、支持采用數(shù)控機(jī)床進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化加工。企業(yè)追求產(chǎn)品的質(zhì)量，在有了CAD/CAE/CAM工具的條件下，生產(chǎn)組織管理就是關(guān)鍵了。加工的標(biāo)準(zhǔn)化是生產(chǎn)組織管理的重要一環(huán)。粗加工、半精加工、精加工，各工序的加工余量、加工速度、切削量都有嚴(yán)格的規(guī)定。CAM軟件要能以有效的方式支持加工的標(biāo)準(zhǔn)化。4.3、支持智能化加工CAM技術(shù)及系統(tǒng)在完成了對復(fù)雜曲面按精度無干涉加工以后，人們希望CAM系統(tǒng)能做更多的事情。當(dāng)今所有的CAM系統(tǒng)，都得依靠編程工程師按照一定得步驟，生成刀具軌跡。刀具軌跡的干涉與否，與工程師對軟件的熟練程度和認(rèn)真程度有關(guān)，CAM系統(tǒng)不允許工程師犯任何小錯(cuò)誤，否則，刀具軌跡很可能出現(xiàn)干涉現(xiàn)象。即使出現(xiàn)了干涉，系統(tǒng)也不會(huì)自動(dòng)提示。工程師希望所有的刀具軌跡都是正確且優(yōu)化的。當(dāng)前，CAM軟件功能越來越復(fù)雜、掌握起來很困難。例如有的軟件，僅粗加工一項(xiàng)就有十幾種方法。工程師需要理解軟件廠商設(shè)置的每個(gè)功能，更重要的，理解這些功能需要學(xué)習(xí)計(jì)算幾何或微分幾何的相關(guān)知識(shí)。因此，人們期望CAM系統(tǒng)具有智能，能自動(dòng)生成各個(gè)工序的刀具軌跡及各種工藝工序報(bào)表。4.4、支持并行工程近年來，各個(gè)大企業(yè)為了快速響應(yīng)市場變化，紛紛以并行工程的方式展開生產(chǎn)，產(chǎn)品模型不僅在創(chuàng)意階段、設(shè)計(jì)階段甚至在加工階段都可能做修改。因此，CAM系統(tǒng)必須支持并行工程。CAM技術(shù)的發(fā)展方向5.1、智能化5.1.1、生成刀具軌跡的智能化。自動(dòng)生成粗加工、半精加工、精加工、補(bǔ)加工的刀具軌跡。當(dāng)CAD數(shù)據(jù)改變時(shí)，自動(dòng)更新各加工工序的刀具軌跡。當(dāng)某工序的加工參數(shù)改變，自動(dòng)改變刀具軌跡。5.1.2、產(chǎn)生工藝流程的智能化。自動(dòng)產(chǎn)生加工工藝文件和工序文件。工藝文件和工序文件自動(dòng)隨工序的改變而改變。5.2、集成化1）CAM與CAD的集成。2）向CIMS發(fā)展。即通過計(jì)算機(jī)及軟件，將企業(yè)的全部生產(chǎn)活動(dòng)，包括設(shè)計(jì)、制造、管理及整個(gè)物流與信息流有機(jī)地集成，構(gòu)成一個(gè)完整的生產(chǎn)系統(tǒng)，從而獲得更高的效率。5.3、網(wǎng)絡(luò)化5.3.1、共享網(wǎng)絡(luò)資源實(shí)現(xiàn)共享程序、數(shù)據(jù)、資源。5.3.2、平衡負(fù)載較閑的電腦分擔(dān)較繁重電腦的工作。把需要圖形計(jì)算的工作放在高速計(jì)算機(jī)上。5.3.3、提高系統(tǒng)性能價(jià)格比用若干PC機(jī)、工作站或小型機(jī)代替價(jià)格昂貴的大型機(jī)，共同完成要在大型機(jī)上才能完成的工作。數(shù)控機(jī)床的主要組成部分和基本工作過程6.1、數(shù)控機(jī)床的組成數(shù)控機(jī)床一般由數(shù)控系統(tǒng)、包含伺服電動(dòng)機(jī)和檢測反饋裝置的伺服系統(tǒng)、主控制系統(tǒng)、強(qiáng)電控制柜、機(jī)床本體和各類輔助裝置組成。6.1.1、數(shù)控系統(tǒng)它是機(jī)床實(shí)現(xiàn)自動(dòng)加工的核心。主要有操作系統(tǒng)、主控制系統(tǒng)、可編程控制器、各類輸入輸出接口等組成。其中操作系統(tǒng)由顯示器和操縱鍵盤組成，顯示器有數(shù)碼管、CRT、液晶等多種形式。主控制系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)主板有所類同，主要由CPU、存儲(chǔ)器、控制器等組成。數(shù)控系統(tǒng)所控制的一般對象是位置、角度、速度等機(jī)械量，以及溫度、壓力、流量等物理量，其控制方式又可分為數(shù)據(jù)運(yùn)算處理控制和時(shí)序邏輯控制兩大類，其中主控制器內(nèi)的插補(bǔ)運(yùn)算模塊就是根據(jù)所讀入的零件程序，通過譯碼、編譯等信息處理后，進(jìn)行相應(yīng)的刀具差補(bǔ)運(yùn)算，并通過與各坐標(biāo)伺服系統(tǒng)的位置、速度反饋信號(hào)比較，從而控制機(jī)床各個(gè)坐標(biāo)軸的位移。而時(shí)序邏輯控制通常由可編程控制器PLC來完成，它根據(jù)機(jī)床加工過程中的各個(gè)動(dòng)作要求進(jìn)行協(xié)調(diào)，按各檢測信號(hào)進(jìn)行邏輯判斷，從而控制機(jī)床各個(gè)部件有條不紊地按序工作。6.1.2、伺服系統(tǒng)它是數(shù)控系統(tǒng)與機(jī)床本體之間的電傳動(dòng)聯(lián)系環(huán)節(jié)。主要由伺服電動(dòng)機(jī)、驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)及位置檢測反饋裝置等組成。伺服電動(dòng)機(jī)是系統(tǒng)的執(zhí)行元件，驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)則是伺服電動(dòng)機(jī)的動(dòng)力源。數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出的指令信號(hào)與位置檢測反饋信號(hào)比較后作為位移指令，再經(jīng)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)功率放大后，驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，從而通過機(jī)械傳動(dòng)裝置拖動(dòng)工作臺(tái)或刀架運(yùn)動(dòng)。6.1.3、主傳動(dòng)系統(tǒng)它是機(jī)床切削加工時(shí)傳遞轉(zhuǎn)矩的部件之一。一般分為齒輪有級變速和電氣無級變速兩種類型。較高檔的數(shù)控機(jī)床都要求實(shí)現(xiàn)無級調(diào)速，以滿足各種加工工藝的要求，它主要由主軸驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)、主軸電動(dòng)機(jī)以及主軸機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)等組成。6.1.4、強(qiáng)電控制柜它是用來安裝機(jī)床強(qiáng)電控制的各種電氣元器件，除了提供數(shù)控、伺服等一類弱電控制系統(tǒng)的輸入電源，以及各種短路、過載、欠壓等電氣保護(hù)外，主要在可編程控制器PLC的輸出接口與機(jī)床各類輔助裝置的電氣執(zhí)行元器件之間起橋梁聯(lián)結(jié)作用，即控制機(jī)床輔助裝置的各種交流電動(dòng)機(jī)、液壓系統(tǒng)電磁閥或電磁離合器等，主要起到擴(kuò)展節(jié)點(diǎn)數(shù)和擴(kuò)大觸點(diǎn)容量等作用。另外，它也與機(jī)床操作臺(tái)的有關(guān)手控按鈕連接。強(qiáng)電控制柜由各種中間繼電器、接觸器、變壓器、電源開關(guān)、接線端子和各類電氣保護(hù)元器件等構(gòu)成。它與一般的普通機(jī)床電氣類似，但為了提高對弱電控制系統(tǒng)的抗干擾性，要求各類頻繁啟動(dòng)或切換的電動(dòng)機(jī)、接觸器等電磁感應(yīng)器件中均應(yīng)必須并接RC阻容吸收器；對各種檢測信號(hào)的輸入均要求用屏蔽電纜連接。6.1.5、輔助裝置它主要包括ATC刀具自動(dòng)交換機(jī)構(gòu)、APC工件夾緊放松機(jī)構(gòu)、回轉(zhuǎn)工作臺(tái)、液壓控制系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)、切削液裝置、排屑裝置、過載與限位保護(hù)功能等部分。機(jī)床加工功能與類型不同，所包含的部分也不同。6.1.6、機(jī)床本體它指的是數(shù)控機(jī)床機(jī)械結(jié)構(gòu)實(shí)體。它與傳統(tǒng)的普通機(jī)床相比較，同樣由主傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、進(jìn)給傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、工作臺(tái)、床身以及立柱等部分組成，但數(shù)控機(jī)床的整體布局、外觀造型、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、刀具系統(tǒng)及操作機(jī)構(gòu)等方面都發(fā)生了很大的變化。這種變化的目的是為了滿足數(shù)控技術(shù)的要求和充分發(fā)揮數(shù)控機(jī)床的特點(diǎn)，歸納起來有以下幾點(diǎn)：采用高性能主傳動(dòng)及主軸部件。具有傳遞功率大、剛度高、抗振性能好及熱變形小等優(yōu)點(diǎn)。進(jìn)給傳動(dòng)采用高效傳動(dòng)件。具有傳動(dòng)鏈短、結(jié)構(gòu)簡單、傳動(dòng)精度高等特點(diǎn)，一般采用滾珠絲杠副、直線滾動(dòng)導(dǎo)軌副等。有較完善的刀具自動(dòng)交換和管理系統(tǒng)。工件在加工中心類機(jī)床上一次安裝后，能自動(dòng)地或者接近完成工件各類的加工工序。有工件自動(dòng)交換、工件夾緊與放松結(jié)構(gòu)。比如在加工中心類機(jī)床上采用工作臺(tái)自動(dòng)交換機(jī)構(gòu)。床身機(jī)架具有很高的動(dòng)、靜剛度。采用全封閉罩殼。由于數(shù)控機(jī)床是自動(dòng)完成加工，為了操作安全等一般采用移門結(jié)構(gòu)的全封閉罩殼，對機(jī)床加工部位進(jìn)行全封閉。6.2、數(shù)控機(jī)床的基本工作過程首先根據(jù)零件圖樣，結(jié)合加工工藝進(jìn)行程序編制，然后通過鍵盤或其他輸入設(shè)備輸入，送入數(shù)控系統(tǒng)后再經(jīng)過調(diào)試、修改，最后把它儲(chǔ)存起來。加工時(shí)就按所編程序進(jìn)行有關(guān)數(shù)據(jù)信息處理，一方面通過差補(bǔ)運(yùn)算器進(jìn)行加工軌跡運(yùn)算處理，從而控制伺服系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)機(jī)床各坐標(biāo)軸，使刀具與工件的相對位置按照被加工零件的形狀軌跡進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，并通過位置檢測反饋以確保其位移精度。另一方面按照加工要求等，通過PLC控制主軸及其他輔助裝置協(xié)調(diào)工作，如主軸變速、主軸齒輪