数控加工技术及其最新进展

1、一、数控加工的过程一、数控加工的过程 阅读零件图纸：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；件的材料、硬度、加工性能以及工件数量等； 工艺分析：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、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；材料和设计精度合理性分析、大致工艺步骤等； 制定工艺：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根据工艺分析制定出加工所需要的一切工艺信

2、息如：加工工艺路如：加工工艺路线、工艺要求、刀具的运动轨迹、位移量、切削用量（主轴转速、进线、工艺要求、刀具的运动轨迹、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；或关）等，并填写加工工序卡和工艺过程卡； 数控编程：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；及程序格式进行数控编程； 程序传输：程序传输：将编写好的程序通过传输接口，输入到数控

3、机床的数控装置中。调整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的概念 数控加工工艺是采用数控机床加工零件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，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。应用于整个数控加工工艺过程。 1.2 数控加工工艺过程数控加工工艺过程 数控加工工艺过程是利用切削刀具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、在数控机床上直接改变加工对象的形

4、状、尺寸、表面位置、表面状态等，使其成尺寸、表面位置、表面状态等，使其成为成品或半成品的过程。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数控加工工艺设计的主要内容 1.4 数控加工工艺与普通加工工艺的区数控加工工艺与普通加工工艺的区别及特点别及特点 由于数控加工采用了计算机控制系统和数控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、精机床，使得数控加工具有加工自动化程度高、精度高、质量稳定、生成效率高、周期短、设备使度高、质量稳定、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用费用高等特点。在数控加工工艺上也与普通加工工艺

5、具有一定的差异。工工艺具有一定的差异。 二、数控加工与工艺技术的新发展二、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网络化等方向发展。整体数控加工技术向着cims（计算（计算机集成制造系统）方向发展。机集成制造系统）方向发展。 1 高速切削高速切削1.1 高速切削的概念1.2关于高速加工主轴速度

6、范围的讨论v2007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：vn6000rpm，为低速；v10000 rpm n20000rpm,为亚高速范围；vn 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性：效果相对于传统的数控加工有着无可比拟的优越性： 1.4 现在主轴加速度可2.0g

7、，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：目前，高速加工涉及到的新技术主要有： 1.5 高速加工是通过大幅度提高主轴转速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、润滑和散热等新技先进的主轴轴承、润滑和散热等新技术；术； 高速加工数控系统需要具备更短的伺服周期高速加工数控系统需要具备更短的伺服周期

8、和更高的分辨率，同时具有待加工轨迹监控功能和更高的分辨率，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，特别是和曲线插补功能，以保证在高速切削时，特别是在在4-5轴坐标联动加工复杂曲面轮廓时仍具有良好轴坐标联动加工复杂曲面轮廓时仍具有良好的加工性能。的加工性能。 刀具性能和质量对高速切削加工具有重大影响，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，从而提高了生产率，延长了刀具寿命。 在高速加工中，切削时间和每个托盘化零件在高速加工中，切削时间和每个托盘化零件加

9、工时间已显著缩短。高速、高精度定位的托盘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。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、热态多问题有待于解决：如

10、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；传输）；冷却润滑液的选择；cad/cam的程的程序后处理问题；高速加工时刀具轨迹的优化问序后处理问题；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阶段，要赶上并尽快缩小与国外同行业间的差距，还有许多路要走。距，还有许多路要走。 1.5.5 高精加工是高速加工技术与数控机床的广泛高精加工是高速

11、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压轴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 ，加工精度进入了亚微米世界。，加工精度进入了亚微米世界。 2.1 高精加工的基本概念高精加工的基本概念 数控技术智能化程度不断提高，体现在以下几数控技术智能化程度不断提高，体现在以下几个方面：个方面： 智能智能cad把工程数据库及其管理系统、知识库及其专家系统、把工程数据库及其管理系统、知识库及其专家系统、拟

12、人化用户接口管理系统集于一体。拟人化用户接口管理系统集于一体。 智能制造技术智能制造技术 包括专家系统、模糊推理和人工神包括专家系统、模糊推理和人工神经网络三大部分。经网络三大部分。专家专家系统系统模糊模糊推理推理人工神人工神经网络经网络 网络功能正逐渐成为现代数控机床、数控系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、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险环境的加工）、远程培训等都是以网络功能为基础的。础的。美国

13、波音公美国波音公司利用数字司利用数字文件作为制文件作为制造载体，首造载体，首次利用网络次利用网络功能实现了功能实现了无图纸制造无图纸制造波音波音777新型新型客机。客机。 图示为波音公司利用计算机辅助设计对图示为波音公司利用计算机辅助设计对777客机的零部件进行信息化处理。客机的零部件进行信息化处理。 现代意义上的快速成型技术始于现代意义上的快速成型技术始于70年代末期出年代末期出现的立体光刻技术（现的立体光刻技术（sla）,它是汹涌而来的数字化浪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，连续的曲面被离散潮在加工领域中不可避免的延拓，连续的曲面被离散成用成用stl文件表达的三角面片，

14、零件在加工方向上被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。都可以加工出来，加工过程也大大简化了。产产 品品 快速原型的英文缩写为快速原型的英文缩写为rp，在，在rp出现的初期，出现的初期，其用途主要是加工产品原型，随着成型工艺、材料的其用途主要是加工产品原型，随着成型工艺、材料的进步以及快速制模技术的发展，进步以及快速制模技术的发展，rp已发展成能直接或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间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业中

15、的位置造业中的位置,并且形成了一个不断扩大的并且形成了一个不断扩大的rp/rt市场。市场。据据wholers associates 的统计，全球的统计，全球rp设备已有近设备已有近7000台，分布在台，分布在58个国家。个国家。 rp技术发展到今天已有技术发展到今天已有20余年的历史，新的快速成型工余年的历史，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。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。 。 从从rp/rt技术的现状来看，未来几年的主要发展趋势如下：技术的现状来看，未来几年的主要发展趋势如下： 经自动化工厂经自动化工厂“通信网络通信网络”连接

16、的各个子系统，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。提供所要求的战略性系统技术。 存储运输模块的主要功能有仓库管理、自动存储运输模块的主要功能有仓库管理、自动搬运等。搬运等。 cims集成的三

17、个阶段：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

18、m/min，主轴转速达60, 000 r/min控制方法：look ahead, jerk8.2 “虚拟轴”机床驱动杆机架 动平台主轴电机伺服电机主轴刀具柔性夹具工件静平台图 1 并联机床结构示意图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hexaglide 高速铣床数控技术的发展过程传统封闭型系统数控nc-cnc目前仍广泛应用于工业中pc-nc

19、型准开放式数控系统pc嵌入nc(利用pc扩充nc)nc嵌入pc(pc+运动控制卡)90年代初开始，现市场已有产品软件化开放式数控系统基于标准pc软件化nc实时操作系统90年代末提出，现已有softservo, opencnc，pa传统封闭式数控系统的缺点v（ 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;v（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;v（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”;v（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v （1）仍

20、存在专有硬件v （2）信息的交换还不是完全开放的v （3）与i/o接口连线多v （4）成本高v （5）工业化设计不如传统数控系统软件化开放式是数控系统的发展方向v （1）基于标准的pc硬件v （2）信息的完全开放，软件模块的pnp，v （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v（4）完善的网络功能v（5）成本低开放式数控系统的主要进展v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

21、性（exchangeable）-configurable 统一的操作界面（uniformity interface）国内外研究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v标准化、模块化标准化、模块化软硬件体系结构软硬件体系结构 v软件化数控内核软件化数控内核实时操作系统实时操作系统v数控系统与驱动和数字数控系统与驱动和数字i/o连接连接-现场总线现场总线 v

22、网络化是网络化是e-manufacturing对数控系统的必然对数控系统的必然要求要求 v自治智能化是下一代自治智能化是下一代cnc系统的发展方向系统的发展方向 vstepnc（iso14649)step-nc概要v以新的数据接口规范取代iso 6983step-nc iso14649vstep（standard for the exchange of product model data iso 10303）vcnc 编程语言g、m代码iso6983， 由cad-cam系统产生v新标准“cnc 控制器的数据模型” （data model for computerized numerical

23、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），加上工艺的信息和刀具信息，直接产生加工程序来控制机床，消除cam与数控系统之间的信息流瓶颈，从而基于step建立起支持产品全生命周期的信息