数控加工技术及其进展课件

1、一、数控加工的过程,制 定 工 艺,阅 读 零 件,工 艺 分 析,数 控 编 程,程 序 传 输,虽然数控加工与传统的机械加工相比，在加工的方法和内容上有许多相似之处，但由于采用了数字化的控制形式和数控机床，许多传统加工过程中的人工操作被计算机和数控系统的自动控制所取代,阅读零件图纸： 充分了解图纸的技术要求，如尺寸精度、形位公差、表面粗糙度、工件的材料、硬度、加工性能以及工件数量等； 工艺分析： 根据零件图纸的要求进行工艺分析，其中包括零件的结构工艺性分析、材料和设计精度合理性分析、大致工艺步骤等； 制定工艺： 根据工艺分析制定出加工所需要的一切工艺信息如：加工工艺路线、工艺要求、刀具的运

2、动轨迹、位移量、切削用量（主轴转速、进给量、吃刀深度）以及辅助功能（换刀、主轴正转或反转、切削液开或关）等，并填写加工工序卡和工艺过程卡； 数控编程： 根据零件图和制定的工艺内容，再按照所用数控系统规定的指令代码及程序格式进行数控编程； 程序传输： 将编写好的程序通过传输接口，输入到数控机床的数控装置中。调整好机床并调用该程序后，就可以加工出符合图纸要求的零件,1.1 数控加工工艺的概念,数控加工工艺是采用数控机床加工零件时所运用各种方法和技术手段的总和，应用于整个数控加工工艺过程,数控加工工艺是伴随着数控机床的产生、发展而逐步完善起来的一种应用技术，它是人们大量数控加工实践的经验总结,1.2

3、 数控加工工艺过程,数控加工工艺过程是利用切削刀具在数控机床上直接改变加工对象的形状、尺寸、表面位置、表面状态等，使其成为成品或半成品的过程,1.3 数控加工工艺设计的主要内容,选择并确定进行数控加工的内容,数控加工的工艺分析,零件图形的数学处理及编程尺寸设定值的确定,制定数控加工工艺 方案,确定工步和进给路线,选择数控机床的类型,选择和设计刀具、夹具与量具,确定切削参数,编写、校验和修改加工程序,首件试加工与现场问题处理,数控加工工艺技术文件的定型与归档,1.4 数控加工工艺与普通加工工艺的区别及特点,由于数控加工采用了计算机控制系统和数控机床，使得数控加工具有加工自动化程度高、精度高、质量

4、稳定、生成效率高、周期短、设备使用费用高等特点。在数控加工工艺上也与普通加工工艺具有一定的差异,二、数控加工与工艺技术的新发展,随着计算机技术突飞猛进的发展，数控技术正不断采用计算机、控制理论等领域的最新技术成就，使其朝着高速化、高精化、复合化、智能化、高柔性化及信息网络化等方向发展。整体数控加工技术向着CIMS（计算机集成制造系统）方向发展,1 高速切削,高速加工技术是自上个世纪80年代发展起来的一项高新技术，其研究应用的一个重要目标是缩短加工时的切削与非切削时间，对于复杂形状和难加工材料及高硬度材料减少加工工序，最大限度地实现产品的高精度和高质量。由于不同加工工艺和工件材料有不同的切削速度

5、范围，因而很难就高速加工给出一个确切的定义。目前，一般的理解为切削速度达到普通加工切削速度的510倍即可认为是高速加工,1.1 高速切削的概念,1.2关于高速加工主轴速度范围的讨论,2007年6月28日，我们与成都飞机制造公司技术人员就航空件高速加工技术问题进行了交流。根据目前国内外高速技术发展现状，给出了目前情况下，高速加工主轴速度范围的定义： n6000rpm，为低速； 10000 rpm n20000rpm,为亚高速范围； n 20000rpm，为高速加工范围,高速加工与传统的数控加工方法相比没有什么本质的区别，两者牵涉到同样的工艺参数，但其加工效果相对于传统的数控加工有着无可比拟的优越

6、性,1.3 高速切削的优点,简化了传统加工工艺,经济效益显著提高,有利于提高生产率,有利于改善工件的加工精度和表面质量,有利于延长刀具的使用寿命和应用直径较小的刀具,有利于加工薄壁零件和脆性材料,受高生产率的驱使，高速化已是现代机床技术发展的重要方向之一。主要表现在,数控机床主轴高转速,工作台高快速移动和高进给速度,1.4 高速切削设备的特点,现在主轴加速度可2.0g，采用高速电主轴，静压轴承、磁悬浮轴承等,现代高速机床，采用高速线性直线电机直接托动机床滑台，减少了机床传动环节，提高了机床运行速度及定位精度，滑台移动速度可达120m/min,目前，高速加工涉及到的新技术主要有,1.5 高速切削

7、涉及到的新技术,1.5.1 高速主轴,高速加工是通过大幅度提高主轴转速和加工进给速度来实现的，为了适应这种高速切削加工，主轴设计采用了先进的主轴轴承、润滑和散热等新技术,高速切削,1.5.2 适于高速加工的数控系统,高速加工数控系统需要具备更短的伺服周期和更高的分辨率，同时具有待加工轨迹监控功能和曲线插补功能，以保证在高速切削时，特别是在4-5轴坐标联动加工复杂曲面轮廓时仍具有良好的加工性能,高速切削,1.5.3 刀具技术,刀具性能和质量对高速切削加工具有重大影响，新型刀具材料的采用，使切削加工速度大大提高，从而提高了生产率，延长了刀具寿命,高速切削,1.5.4 刀夹装置及快速刀具交换技术,在

8、高速加工中，切削时间和每个托盘化零件加工时间已显著缩短。高速、高精度定位的托盘交换装置已成为今后的发展方向,高速加工作为一种新的技术，其优点是显而易见的，它给传统的数控加工带来了一种革命性的变化，但是，目前既便是在加工机床水平先进的瑞士、德国、日本、美国，对这一崭新技术的研究也还处在不断的摸索研究中。有许多问题有待于解决：如高速机床的动态、热态特性；刀具材料、几何角度和耐用度问题；机床与刀具间的接口技术（刀具的动平衡、扭矩传输）；冷却润滑液的选择；CAD/CAM的程序后处理问题；高速加工时刀具轨迹的优化问题等等。国内在这一方面的研究采尚处于起步阶段，要赶上并尽快缩小与国外同行业间的差距，还有许

9、多路要走,1.5.5 高速切削发展状况及趋势,高精加工是高速加工技术与数控机床的广泛应用结果。以前汽车零件的加工精度要求在0.01mm数量级，现在随着计算机硬盘、高精度液压轴承等精密零件的增多，精整加工所需精度已提高到0.1m ，加工精度进入了亚微米世界,2 高精加工,2.1 高精加工的基本概念,2.2 高精加工相关技术,提高机械设备的制造精度和装配精度,减小数控系统 的控制误差,提高数控系统的分辨率,以微小程序段实现连续进给,使CNC控制单位精细化,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,采用补偿技术,齿隙补偿,丝杆螺距误差补偿,刀具误差补偿,热变形误差补偿,空间误差综合补偿

10、,复合化加工的两重含义,3 复合化加工,一台装夹可完成多工种、多工序,企业向复合型发展，为用户提供成套服务,工序和工艺的集中,工艺的 成套,数控技术智能化程度不断提高，体现在以下几个方面,4 控制智能化,加工过程自适应控制技术,加工参数的智能优化与选择,故障自诊断功能,智能化交流伺服驱动装置,智能CAD把工程数据库及其管理系统、知识库及其专家系统、拟人化用户接口管理系统集于一体,控制智能化过程,智能制造技术 包括专家系统、模糊推理和人工神经网络三大部分,控制智能化,控制智能化,专家 系统,先是采集领域专家的知识，然后将知识分解为事实与规则，存储于知识库中，通过推理作出决策,模糊 推理,模糊推理

11、又称模糊逻辑，它是依靠模糊集和模糊逻辑模型进行多个因素的综合考虑，采用关系矩阵算法模型、隶属度函数、加权、约束等方法，处理模糊的、不完全的乃至相互矛盾的信息,人工神经网络,神经网络是人脑部分功能的某些抽象、简化与模拟，由数量巨大的以神经元为主的处理单元互连构成，通过神经元的相互作用来实现信息处理,网络功能正逐渐成为现代数控机床、数控系统的特征之一。诸如现代数控机床的远程故障诊断、远程状态监控、远程加工信息共享、远程操作（危险环境的加工）、远程培训等都是以网络功能为基础的,5 互联网络化,美国波音公司利用数字文件作为制造载体，首次利用网络功能实现了无图纸制造波音777新型客机,图示为波音公司利用

12、计算机辅助设计对777客机的零部件进行信息化处理,互联网络化,现代意义上的快速成型技术始于70年代末期出现的立体光刻技术（SLA）,它是汹涌而来的数字化浪潮在加工领域中不可避免的延拓，连续的曲面被离散成用STL文件表达的三角面片，零件在加工方向上被离散成若干层。这种离散化使得任意复杂的零件原型都可以加工出来，加工过程也大大简化了,6 快速原型,创意,测量,计 算 机辅助设计,计 算 机工艺设计,计 算 机辅助制造,数控加工,构思草图,快速原型,现代产品开发模式,图形文档,数控代码,工艺文档,产 品,快速原型,快速原型的英文缩写为RP，在RP出现的初期，其用途主要是加工产品原型，随着成型工艺、材

13、料的进步以及快速制模技术的发展，RP已发展成能直接或间接制造功能零件和模具的快速成型制造,奠定了在制造业中的位置,并且形成了一个不断扩大的RP/RT市场。据Wholers Associates 的统计，全球RP设备已有近7000台，分布在58个国家,快速原型,RP技术发展到今天已有20余年的历史，新的快速成型工艺不断产生、功能不断完善、精度不断提高、成型速度不断提高,快速原型,例如,随着固态激光技术的突破，高达1000mw的紫外激光器应用在SLA设备中，使其成型速度得到大大提高，激光器的使用寿命由最初的2500小时延长到上万小时,RP技术发展到今天已有20余年的历史，新的快速成型工艺不断产生、

14、功能不断完善、精度不断提高、成型速度不断提高,快速原型,例如,新型高性能光敏树脂的出现，解决了SLA的收缩变形和强度等问题。EOS公司的EOSINT_M激光金属粉末烧结快速成型设备可直接成型金属零件或注塑模具,RP技术发展到今天已有20余年的历史，新的快速成型工艺不断产生、功能不断完善、精度不断提高、成型速度不断提高,快速原型,例如,在软件方面，STL文件的处理软件不断专业化，使得各种文件的转换和STL文件的修复、处理、操作等功能日臻完善，形成了基于STL的CAD平台,从RP/RT技术的现状来看，未来几年的主要发展趋势如下,快速原型,提高RP系统的速度、控制精度和可靠性,开发专门用于检验设计、

15、模拟制品可视化，而对尺寸精度、形状精度和表面粗糙度要求不高的概念机,研究开发成本低、易成形、变形小、强度高、耐久及无污染的成形材料,研究开发新的成形方法,研究新的高精度快速模具工艺,经自动化工厂“通信网络”连接的各个子系统，可构成一个有机联系的整体，即自动化工厂。计算机集成制造反映了制造系统的这一新发展。计算机集成制造系统则是技术上的具体实现，他能为现代制造企业追求在激烈变化中、动态市场条件下，具有快速灵活响应的竞争优势提供所要求的战略性系统技术,7 计算机集成制造系统（CIMS,计算机集成制造系统的发展可以实现整个机械制造厂的全盘自动化，成为自动化工或无人化工厂，是自动化制造技术的发展方向,

16、存储运输模块的主要功能有仓库管理、自动搬运等,各模块的主要功能,计算机集成制造系统（CIMS,设计与工艺模块,制造模块,管理信息模块,存储运输模块,CAD、CAE、CAPP、CAM等,DNC、CNC、车间生产计划、作业调度、刀具管理、质量检测与控制、装配、自动化仓库、FMC/FMS等,市场预测、物料需求计划、生产计算、成本核算及销售等,CIMS集成的三个阶段,计算机集成制造系统（CIMS,信息集成,针对设计、管理和加工制造中大量存在的自动化孤岛，实现信息正确、高效的共享和交换，是改善企业技术和管理水平必须首先解决的问题,信息集成的主要内容包括,企业建模、系统设计方法、软件工具和规范,异构环境下

17、的信息集成,计算机集成制造系统（CIMS,过程集成,对产品设计开发中的各串行过程尽可能多地转变为并行过程，在设计时就考虑到后续工作中的可制造性、可装配性，设计时考虑质量，把设计开发中的信息大循环变成多个小循环，可以减少反复，缩短开发时间,CIMS集成的三个阶段,计算机集成制造系统（CIMS,企业集成,21世纪的制造业必须面队全球制造的新形势，充分利用全球的制造资源，以便更快、更好、更省地响应市场需求。这就是敏捷制造的思想。敏捷制造的组织形式是企业之间针对某一特定产品，建立企业动态联盟（即所谓虚拟企业）。敏捷的企业联盟应该是“两头大、中间小”，即强大的新产品设计与开发能力和强大的市场开拓与竞争的

18、能力。“中间小”即加工制造设备的能力可以小。多数零部件可以靠协作解决，企业可以在全球采购价格最便宜、质量最好的零部件，因此企业间的集成是企业优化的新台阶,CIMS集成的三个阶段,8 数控系统的发展,8.1 高精、高速加工 *5 轴加工功能和复杂加工功能的机床 采用5 轴联动，可以使用刀具最佳形状进行加工 *复合数控机床 数控复合加工机床的开发和制造已变成数控机床的一种发展趋势 8.2 “虚拟轴”机床 8.3 数控系统的开放,8.1 高精度、高速加工,FUNAC伺服电机带有1.6107 脉冲/转分辨率的编码器。采用相应的硬件，可以产生所谓“纳米控制”，也就是在系统检测分辨率为1m 时，插补分辨率

19、可以提高到1nm，在直线电机驱动的加工中心上加工，加工速度为30m/min 时，其圆度为23m；在加工速度为10m/min 时，其圆度为1m。高速加工目前速度已达100 m/min，主轴转速达60, 000 r/min 控制方法：Look ahead, Jerk,8.2 “虚拟轴”机床,驱动并联化 并联加工中心（又称6条腿数控机床、虚轴机床）是数控机床在结构上取得的重大突破,特点 并联结构机床是现代机器人与传统加工技术相结合的产物； 由于它没有传统机床所必需的床身、立柱、导轨等制约机床性能提高的结构， 具有现代机器人的模块化程度高、重量轻和速度快等优点。 数学上属于STEWARD平台,并联运动

20、机床,Hexaglide 高速铣床,主轴部件,固定杆长的杆件,滑 板,滑 板,顶部配置6台直线电动机,数控技术的发展过程,传统封闭式数控系统的缺点,1）各厂家产品软硬件不兼容，主流技术远落后于PC软硬件技术，购买、使用成本高; （2）系统功能固定，不能充分反映数控设备制造厂的生产经验，很难满足最终用户的特殊要求; （3）缺乏统一、有效和高速的通道与外部互连，信息被锁在“黑匣子”中，成为自动化的“孤岛”; （4）人机界面不灵活，系统的培训和维护费用昂贵,PC-NC结构的不足,1）仍存在专有硬件 （2）信息的交换还不是完全开放的 （3）与I/O接口连线多 （4）成本高 （5）工业化设计不如传统数控

21、系统,软件化开放式是数控系统的发展方向,1）基于标准的PC硬件 （2）信息的完全开放，软件模块的PnP， （3）与I/O的连接为现场总线结构 PROFIBUS，SERCOS，MACRO, HS-Link, IEEE1394a(b), 实时以太网 （4）完善的网络功能 （5）成本低,开放式数控系统的主要进展,开放性的定义 可移植性（Portability）-POSIX1003.1b 可缩放(升级）性（Scalability） 可扩展性（Extensibility） 可交换性（Exchangeable）-Configurable 统一的操作界面（Uniformity interface,国内外研究

22、概况,国内外主要研究计划： （1）美国的NGC、EMC、OMAC （2）欧共体的ESPRIT 6379 OSACA （3）日本联合六大公司成立了OSEC组织 （4）美国MDSI公司、Soft Servo 和德国PA公司 （5）国内华中、航天、蓝天、珠峰 （6）大学研究计划,开放式数控系统的发展方向,标准化、模块化软硬件体系结构 软件化数控内核实时操作系统 数控系统与驱动和数字I/O连接-现场总线 网络化是E-Manufacturing对数控系统的必然要求 自治智能化是下一代CNC系统的发展方向 STEPNC（ISO14649,STEP-NC概要,以新的数据接口规范取代ISO 6983,STEP

23、-NC ISO14649,STEP（Standard for the Exchange of Product Model Data ISO 10303） CNC 编程语言G、M代码ISO6983， 由CAD-CAM系统产生 新标准“CNC 控制器的数据模型” （Data model for computerized numerical controllers ISO14649） 旧标准存在问题： (1) 基于ISO 6983标准的数控指令（G、M代码）支持面窄(无样条插值和五轴加工、前瞻功能（LOOKAHEAD)，而且系统之间不兼容。 (2) 获得的信息局限于程式化的动作和开关逻辑，故只能被动执行指令，缺乏智能化基础。 (3) 设计与加工的信息不兼容，产品信息只能单向流动，现场的修改难以自动反馈到上游系统。据NIST估计：数据的不兼容给制造业带来的损失多达900亿美元 (4)依赖CAM软件的后处理程序，其间的数据转换往往会造成信息流失。加工轴的刀具中心轨迹的编程，而不是零件的加工过程的编程,STEP-NC,新标准STEP-NC的基本思想可以简述为： CNC系统直接使用符合STEP标准（ISO 10303）的CAD三维产品数据模型（包括几何数据、设计和制造特征），加上工艺的信息和