数控加工技术及其最新进展

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5～10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：n≤6000rpm，为低速；10000rpm≤n≤20000rpm,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；受高生产率的的驱使，高速速化已是现代代机床技术发发展的重要方方向之一。主主要表现在：：数控机床主轴轴高转速工作台高快速速移动和高进进给速度1.4高速切削设备备的特点现在主轴加速速度可〉2.0g，采用高速电电主轴，静压压轴承、磁悬悬浮轴承等现代高速机床床，采用高速速线性直线电电机直接托动动机床滑台，，减少了机床床传动环节，，提高了机床床运行速度及及定位精度，，滑台移动速速度可达120m/min。目前，高速加加工涉及到的的新技术主要要有：1.5高速切削涉涉及到的新新技术1.5.1高速主轴高速加工是是通过大幅幅度提高主主轴转速和和加工进给给速度来实实现的，为为了适应这这种高速切切削加工，，主轴设计计采用了先先进的主轴轴轴承、润润滑和散热热等新技术术；高速切削1.5.2适于高速加加工的数控控系统高速加工数数控系统需需要具备更更短的伺服服周期和更更高的分辨辨率，同时时具有待加加工轨迹监监控功能和和曲线插补补功能，以以保证在高高速切削时时，特别是是在4-5轴坐标联联动加工复复杂曲面轮轮廓时仍具具有良好的的加工性能能。高速切削1.5.3刀具技术刀具性能和和质量对高高速切削加加工具有重重大影响，，新型刀具具材料的采采用，使切切削加工速速度大大提提高，从而而提高了生生产率，延延长了刀具具寿命。高速切削1.5.4刀夹装置及及快速刀具具交换技术术在高速加工工中，切削削时间和每每个托盘化化零件加工工时间已显显著缩短。。高速、高高精度定位位的托盘交交换装置已已成为今后后的发展方方向。高速加工作作为一种新新的技术，，其优点是是显而易见见的，它给给传统的数数控加工带带来了一种种革命性的的变化，但但是，目前前既便是在在加工机床床水平先进进的瑞士、、德国、日日本、美国国，对这一一崭新技术术的研究也也还处在不不断的摸索索研究中。。有许多问问题有待于于解决：如如高速机床床的动态、、热态特性性；刀具材材料、几何何角度和耐耐用度问题题；机床与与刀具间的的接口技术术（刀具的的动平衡、、扭矩传输输）；冷却却润滑液的的选择；CAD/CAM的程序后处处理问题；；高速加工工时刀具轨轨迹的优化化问题等等等。国内在在这一方面面的研究采采尚处于起起步阶段，，要赶上并并尽快缩小小与国外同同行业间的的差距，还还有许多路路要走。1.5.5高速切削发发展状况及及趋势高精加工是是高速加工工技术与数数控机床的的广泛应用用结果。以以前汽车零零件的加工工精度要求求在0.01mm数量级，现现在随着计计算机硬盘盘、高精度度液压轴承承等精密零零件的增多多，精整加加工所需精精度已提高高到0.1μm，加工精度度进入了亚亚微米世界界。2高精加工2.1高精加工的的基本概念念2.2高精加工相相关技术提高机械设设备的制造造精度和装装配精度减小数控系系统的控制误差差提高数控系系统的分辨辨率以微小程序序段实现连连续进给使CNC控制单位精精细化提高位置检检测精度位置伺服系系统采用前前馈控制与与非线性控控制采用补偿技技术齿隙补偿丝杆螺距误误差补偿刀具误差补补偿热变形误差差补偿空间误差综综合补偿复合化加工工的两重含含义：3复合化加工工一台装夹可可完成多工工种、多工工序企业向复合合型发展，，为用户提提供成套服服务工序和工艺艺的集中工艺的成套即即数控技术智智能化程度度不断提高高，体现在在以下几个个方面：4控制智能化化加工过程自自适应控制制技术加工参数的的智能优化化与选择故障自诊断断功能智能化交流流伺服驱动动装置智能CAD把工程数据据库及其管管理系统、、知识库及及其专家系系统、拟人人化用户接接口管理系系统集于一一体。控制智能化化过程智能制造技技术包括括专家系统统、模糊推推理和人工工神经网络络三大部分分。控制智能化化控制智能化化专家系统先是采集领领域专家的的知识，然然后将知识识分解为事事实与规则则，存储于于知识库中中，通过推推理作出决决策。模糊推理模糊推理又又称模糊逻逻辑，它是是依靠模糊糊集和模糊糊逻辑模型型进行多个个因素的综综合考虑，，采用关系系矩阵算法法模型、隶隶属度函数数、加权、、约束等方方法，处理理模糊的、、不完全的的乃至相互互矛盾的信信息。人工神经网网络神经网络是是人脑部分分功能的某某些抽象、、简化与模模拟，由数数量巨大的的以神经元元为主的处处理单元互互连构成，，通过神经经元的相互互作用来实实现信息处处理。网络功能正正逐渐成为为现代数控控机床、数数控系统的的特征之一一。诸如现现代数控机机床的远程程故障诊断断、远程状状态监控、、远程加工工信息共享享、远程操操作（危险险环境的加加工）、远远程培训等等都是以网网络功能为为基础的。。5互联网络化化美国波音公公司利用数数字文件作作为制造载载体，首次次利用网络络功能实现现了无图纸纸制造波音音777新型客机。。图示为波音音公司利用用计算机辅辅助设计对对777客机的零部部件进行信信息化处理理。互联网络化化现代意义上上的快速成成型技术始始于70年年代末期出出现的立体体光刻技术术（SLA）,它是汹涌而而来的数字字化浪潮在在加工领域域中不可避避免的延拓拓，连续的的曲面被离离散成用STL文件表达的的三角面片片，零件在在加工方向向上被离散散成若干层层。这种离离散化使得得任意复杂杂的零件原原型都可以以加工出来来，加工过过程也大大大简化了。。6快速原型创意测量计算机机辅助设计计计算机机工艺设计计计算机机辅助制造造数控加工构思草图快速原型现代产品开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的英文缩写写为RP，在RP出现的初期期，其用途途主要是加加工产品原原型，随着着成型工艺艺、材料的的进步以及及快速制模模技术的发发展，RP已发展成能能直接或间间接制造功功能零件和和模具的快快速成型制制造,奠定定了在制造造业中的位位置,并且且形成了一一个不断扩扩大的RP/RT市场。据WholersAssociates的统计，全全球RP设备已有近近7000台，分布布在58个个国家。快速原型RP技术发展到到今天已有有20余年年的历史，，新的快速速成型工艺艺不断产生生、功能不不断完善、、精度不断断提高、成成型速度不不断提高。。快速原型例如：随着固态激激光技术的的突破，高高达1000mw的紫外激光光器应用在在SLA设备中，使使其成型速速度得到大大大提高，，激光器的的使用寿命命由最初的的2500小时延长长到上万小小时。RP技术发展到到今天已有有20余年年的历史，，新的快速速成型工艺艺不断产生生、功能不不断完善、、精度不断断提高、成成型速度不不断提高。。快速原型例如：新型高性能能光敏树脂脂的出现，，解决了SLA的收缩变形形和强度等等问题。EOS公司的EOSINT_M激光金属粉粉末烧结快快速成型设设备可直接接成型金属属零件或注注塑模具。。RP技术发展到到今天已有有20余年年的历史，，新的快速速成型工艺艺不断产生生、功能不不断完善、、精度不断断提高、成成型速度不不断提高。。快速原型例如：在软件方面面，STL文件的处理理软件不断断专业化，，使得各种种文件的转转换和STL文件的修复复、处理、、操作等功功能日臻完完善，形成成了基于STL的CAD平台。从RP/RT技术的现状状来看，未未来几年的的主要发展展趋势如下下：快速原型提高RP系统的速度度、控制精精度和可靠靠性开发专门用用于检验设设计、模拟拟制品可视视化，而对对尺寸精度度、形状精精度和表面面粗糙度要要求不高的的概念机。。研究开发成成本低、易易成形、变变形小、强强度高、耐耐久及无污污染的成形形材料。研究开发新新的成形方方法研究新的高高精度快速速模具工艺艺经自动化工工厂“通信信网络”连连接的各个个子系统，，可构成一一个有机联联系的整体体，即自动动化工厂。。计算机集集成制造反反映了制造造系统的这这一新发展展。计算机机集成制造造系统则是是技术上的的具体实现现，他能为为现代制造造企业追求求在激烈变变化中、动动态市场条条件下，具具有快速灵灵活响应的的竞争优势势提供所要要求的战略略性系统技技术。7计算机集成成制造系统统（CIMS）计算机集成成制造系统统的发展可可以实现整整个机械制制造厂的全全盘自动化化，成为自自动化工或或无人化工工厂，是自自动化制造造技术的发发展方向。。存储运输模模块的主要要功能有仓仓库管理、、自动搬运运等。各模块的主主要功能：：计算机集成成制造系统统（CIMS）设计与工艺艺模块制造模块管理信息模模块存储运输模模块CAD、CAE、CAPP、CAM等DNC、CNC、车间生产产计划、作作业调度、、刀具管理理、质量检检测与控制制、装配、、自动化仓仓库、FMC/FMS等市场预测、、物料需求求计划、生生产计算、、成本核算算及销售等等CIMS集成的三个个阶段：计算机集成成制造系统统（CIMS）信息集成针对设计、、管理和加加工制造中中大量存在在的自动化化孤岛，实实现信息正正确、高效效的共享和和交换，是是改善企业业技术和管管理水平必必须首先解解决的问题题。信息集成的的主要内容容包括企业建模、、系统设计计方法、软软件工具和和规范异构环境下下的信息集集成计算机集成成制造系统统（CIMS）过程集成对产品设计计开发中的的各串行过过程尽可能能多地转变变为并行过过程，在设设计时就考考虑到后续续工作中的的可制造性性、可装配配性，设计计时考虑质质量，把设设计开发中中的信息大大循环变成成多个小循循环，可以以减少反复复，缩短开开发时间。。CIMS集成的三个个阶段：计算机集成成制造系统统（CIMS）企业集成21世纪的制造造业必须面面队全球制制造的新形形势，充分分利用全球球的制造资资源，以便便更快、更更好、更省省地响应市市场需求。。这就是敏敏捷制造的的思想。敏敏捷制造的的组织形式式是企业之之间针对某某一特定产产品，建立立企业动态态联盟（即即所谓虚拟拟企业）。。敏捷的企企业联盟应应该是“两两头大、中中间小”，，即强大的的新产品设设计与开发发能力和强强大的市场场开拓与竞竞争的能力力。“中间间小”即加加工制造设设备的能力力可以小。。多数零部部件可以靠靠协作解决决，企业可可以在全球球采购价格格最便宜、、质量最好好的零部件件，因此企企业间的集集成是企业业优化的新新台阶。CIMS集成的三个个阶段：8数控系统的的发展8.1高精、高速速加工*5轴加加工功能和和复杂加工工功能的机机床采用5轴轴联动，可可以使用刀刀具最佳形形状进行加加工*复合数控控机床数控复合加加工机床的的开发和制制造已变成成数控机床床的一种发发展趋势8.2“虚拟轴”机机床8.3数控系统的的开放8.1高精度、高高速加工FUNAC伺服电机带带有1.6×107脉冲/转分辨率的的编码器。。采用相应应的硬件，，可以产生生所谓“纳纳米控制””，也就是是在系统检检测分辨率率为1μm时，插补分分辨率可以以提高到1nm，在直线电机机驱动的加加工中心上上加工，加加工速度为为30m/min时，其圆度度为2～3μm；在加工速度度为10m/min时，其圆度度为1μm。高速加工目目前速度已已达100m/min，主轴转速达达60,000r/min控制方法：：Lookahead,Jerk8.2“虚拟轴”机机床驱动杆机架

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化并联加工中中心（又称称6条腿数数控机床、、虚轴机床床）是数控控机床在结结构上取得得的重大突突破。特点并联结构机机床是现代代机器人与与传统加工工技术相结结合的产物物；由于它没有有传统机床床所必需的的床身、立立柱、导轨轨等制约机机床性能提提高的结构构，具有现代机机器人的模模块化程度度高、重量量轻和速度度快等优点点。数学上属于于STEWARD平台并联运动机机床Hexaglide高速铣床主轴部件固定杆长的的杆件滑板滑板顶部配置6台直线电电动机数控技术的的发展过程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传统封闭式式数控系统统的缺点（1）各各厂家产品品软硬件不不兼容，主主流技术远远落后于PC软硬件技术术，购买、、使用成本本高;（2）系统统功能固定定，不能充充分反映数数控设备制制造厂的生生产经验，，很难满足足最终用户户的特殊要要求;（3）缺乏乏统一、有有效和高速速的通道与与外部互连连，信息被被锁在“黑黑匣子”中中，成为自自动化的““孤岛”;（4）人机机界面不灵灵活，系统统的培训和和维护费用用昂贵。PC-NC结构构的不足足（1）仍仍存在专专有硬件件（2）信信息的交交换还不不是完全全开放的的（3）与与I/O接口连连线多（4）成成本高（5）工工业化设设计不如如传统数数控系统统软件化开开放式是是数控系系统的发发展方向向（1）基基于标准准的PC硬件（2）信信息的完完全开放放，软件件模块的的PnP，，（3）与与I/O的连接为为现场总总线结构构PROFIBUS，SERCOS，，MACRO,HS-Link,IEEE1394a(b),实时以太太网（4）完完善的网网络功能能（5）成成本低开放式数数控系统统的主要要进展开放性的的定义★可移植性性（Portability）--POSIX1003.1b★可缩放(升级））性（Scalability）★可扩展性性（Extensibility）★可交换性性（Exchangeable））-Configurable★统一的操操作界面面（Uniformityinterface）国内外研研究概况况国内外主主要研究究计划：：（1）美美国的NGC、、EMC、OMAC（2）欧共体的的ESPRIT6379OSACA（3）日本联合合六大公公司成立立了OSEC组织（4）美美国MDSI公司、SoftServo和德国PA公司（5）国国内华中中、航天天、蓝天天、珠峰峰（6）大大学研究究计划开放式数数控系统统的发展展方向标准化、、模块化化软硬件体体系结构构软件化数数控内核核—实时时操作系系统数控系统统与驱动动和数字字I/O连接--现场总总线网络化是是E-Manufacturing对数控系系统的必必然要求求自治智能能化是下下一代CNC系统的发发展方向向STEP－NC（ISO14649)STEP-NC概要以新的数数据接口口规范取取代ISO6983STEP-NCISO14649STEP（StandardfortheExchangeofProductModelData－－－ISO10303）CNC编程语言言G、M代码－－－ISO6983，由由CAD->CAM系统产生生新标准““CNC控制器的的数据模模型”（（DatamodelforcomputerizednumericalcontrollersISO14649）旧标准存存在问题题：(1)基于ISO6983标准的数数控指令令（G、M代码）支支持面窄窄(无样样条插值值和五轴轴加工、、前瞻功功能（LOOKAHEAD)，而且系统统之间不不兼容。。(2)获得的信信息局限限于程式式化的动动作和开开关逻辑辑，故只只能被动动执行指指令，缺缺乏智能能化基础础。(3)设计与加加工的信信息不兼兼容，产品信息息只能单单向流动动，现场场的修改改难以自自动反馈馈到上游游系统。。据NIST估计：数数据的不不兼容给给制造业业带来的的损失多多达900亿美元(4)依依赖CAM软件的后后处理程程序，其其间的数数据转换换往往会会造成信信息流失失。加工轴的的刀具中中心轨迹迹的编程程，而不不是零件件的加工工过程的的编程。。STEP-NC新标准STEP-NC的基本思思想可以以简述为为：CNC系统直接接使用符符合STEP标准（ISO10303））的CAD三维产品品数据模模型（包包括几何何数据、、设计和和制造特特征），，加上工工艺的信信息和刀刀具信息息，直接接产生加加工程序序来控制制机床，消除CAM与数控系系统之间间的信息息流瓶颈颈，从而基于于STEP建立起支支持产品品全生命命周期的的信息高高速公路路，解决决目前数数字制造造系统中中信息模模型不统统一、系系统不兼兼容等问问题，新标准STEP-NC的基本思思想可以以简述为为：CNC系统直接接使用符符合STEP标准（ISO10303））的CAD三维产品品数据模模型（包包括几何何数据、、设计