CNC发展历史和加工原理

cnc基础知识

年11月

制模部培训资料第1页关键词：模拟信号电路，NC系统，CNC控制器，柔性加工系统，赔偿。自适应CNC机床又称为数控机床（ComputerizedNumericalControl电脑数值控制，简称为CNC），它是以数字化信息实现机床控制机电一体化产品，它把刀具和工件之间相对位置，机床开启和停顿，主轴变速，工件松开夹紧，刀具选择，冷却泵起停等各种操作和次序动作等信息用代码数字统计在控制介质上，然后将数字信息送入数控装置或计算机，经过译码，运算，发出指令控制机床伺服系统或其它执行元件，使机床加工出所需工件。第2页二战后，制造业生产大部分是依靠人工操作，工人看懂图纸后，手工操作机床，加工零件，用这种方式生产产品，成本高，效率低，质量也得不到确保。在20世纪40年代末期，美国有一位工程师帕森斯（JohnParsons）构思了一个方法，在一张硬纸卡上打孔来表示需要加工零件几何形状，利用着一张硬卡来控制机床动作，在当初，这只是一个构思。1948年，帕森斯向美国空军展示了他这种想法，美国空军看后，表示极大兴趣，因为美国空军正在寻找一个先进加工方法，希望处理飞机外型样板加工问题，因为样板形状复杂，精度要求高，普通设备难以适应，美国空军马上委托及赞助美国麻省理工学院（MIT）进行研究，开发这部第3页硬卡纸来控制机床，终于在1952年，麻省理工学院和帕森斯企业合作，成功研制出了第一台示范机，到了1960年较为简单和经济点位控制钻床，和直线控制数控铣床得到了较快发展使数控机床在制造业各部门逐步取得推广。第4页CNC加工历史已经经历了长达半个多世纪，NC系统也由最早模拟信号电路控制发展为极其复杂集成加工系统，编程方式也有手工发展成为智能化、强大CAD/CAM集成系统。就我国而言，数控技术发展是比较迟缓，对于国内大多数车间来说。设备比较落后，人员技术水平和观念落后表现为加工质量和加工效率低下，经常拖延交货期。1、第一代NC系统是在1951年引入，其控制单元主要有各种阀门和模拟电路组成，1952年第一台数控机床诞生，已经从铣床或车床发展到加工中心，成为当代制造业关键设备。2、第二代NC系统于1959年产生，其主要有单个晶体管和其它部件组成。第5页3、1965年引入了第三代NC系统，其首次采取集成电路板。4、实际上，在1964年已经研制出来了第四代NC系统，即我们非常熟悉计算机数字控制系统（CNC控制系统）。5、1975年，NC系统采取了强大微处理器，这就是第五代NC系统。6、第六代NC系统采取了现行集成制造系统（MIS）+DNC+柔性加工系统（FMS）二、NC系统升级过程：点到NC——外形加工——自动换刀功效——计算机数字控制（CNC）——DNC功效——集成加工系统（CAD/CAM集成）第6页三、CNC机床制造工业中应用，主要有：（1）钻削（2）冲压（3）点焊（4）电火花加工（5）镗削（6）铣削（7）CMM四、CNC机床加工工作原理数控机床是一个利用数控技术、准确按照事先安排工艺流程，实现要求加工动作金属切削机床。它是由控制介质、计算机数控装置、伺服驱动系统、辅助装置、反馈装置和适应控制装置部分组成；数控机床加工工件时，完全依据计算机发出指令自动进行加工，不允许频繁测量和进行手动赔偿，这就要求机床含有较高静刚度和动刚度，同时要提升结构热稳定性，提升机械进给系统刚度并消除其中间隙，消除爬行。这么能够有效防止振动，热变形、爬行和间隙影响加工工件精度。

第7页计算机逐条执行程序,依据程序给出指令进行运算并把运算结果送给伺服系统或进行对三条轴脉冲马达开关量控制.简单地说吧,假设给X马达输入一个单位脉冲,X马达会转动并带开工作台向X轴正向移动0.01mm，给Y马达输入十个单位脉冲，工作台Y轴就会正向移0.1mm,那么计算机运算程序最终目标就是对不一样马达在不一样时间段（微秒算）输入不一样脉冲。五、采取NC加工优缺点：1、其优点主要表现在：第8页（1）零件加工精度高；（2）降低刀具和夹具成本；（3）降低工件搬运成本；（4）缩短加工时间（5）对操作者技能要求降低；（6）提升加工能力：（7）缩短交货时间（8）使无人加工已经成为可能；其缺点表现为：（1）数控机床费用较高设备精巧、控制系统复杂；（2）有专门三维程序设计软件，对于编程而言要求有较高敬业精神和技术水平。（3）每小时运做成本较高。到当前为止，数控系统日趋成熟，比较著名数控系统如：FANUC、Siemens、Cincinnati、Maho、Fedio等厂商系统，先进数控机床如瑞士产米克郎（MIKRON），台湾产永进高速机、新虎将（GENTIGER）大力机、丽伟、日产OKK，牧野（MAKINO），雅士达（YASDA）、FANUC（发那科）、MAZAK（马扎克）、东芝、森精机、江黑、

第9页OKUMA、三菱（MITSUBISHI）、弟兄机、德国西门子、必胜佳、罗德斯等一些著名品牌，我国从1958年开始进行数控系统研制和发展，经过“六五”引进国外技术，“七五”消化吸收、“八五”国家组织科学攻关，“九五”产业化攻关，使我国数控技术得到较大发展。不过与国外先进产品相比，依然存在较大差距，这是因为欧美日等先进工业国家于80年代先后完成了数控机床产业化进程，其中一些国家致力于科技创新和新产品研发，引导着数控机床技术发展，如美国英格索尔企业和德国惠勒喜乐企业对与汽车工业和航天工业高速数控铣床发展，日本牧野企业对高效精密加工中心做贡献，德国瓦德里希企业在重型龙门五面加工铣床方面开发，以及日本马扎克企业研发车铣中心对高第10页效复合加工推进等，相比之下，我国大部分机床产品在技术上仍处于跟踪阶段。而加工中心关键装置——控制系统，因为产品市场垄断所致，当前都是封闭式，用户不能对系统功效进行维护、修改、增删，造成功效大量浪费，同时加工中心软/硬件也是固定，升级和更新成本巨大。这就造成首先功效闲置，另首先新技术无法集成尴尬局面。国内外加工中心主要技术指标对比：第11页五轴联动加工中心代表当今世界机床最新水平，当前国内一些企业已研发成功并投入国内市场。其中桂林机床股份有限企业研制成功XK系列五轴联动五面体加工数控龙门铣床；沈阳数控机床厂SSK280——5/五轴联动车铣中心。江苏多棱机床股份有限企业XH2725/5X——10桥式五轴联动加工中心，济南第一机床集团企业研制成功MJ——860DT数控车床，采取双液压卧式回轮刀架，面对面同轴安装四轴控制，国内外经典机床聚集：第12页米克朗---高速铣削领域教授第13页第14页第15页第16页第17页第18页第19页第20页第21页第22页第23页第24页第25页第26页第27页日本牧野第28页第29页第30页德国罗德斯第31页第32页第33页第34页第35页第36页第37页第38页第39页机床和刀具所谓数控加工，主要是指统计在煤体上数字信息对机床实施控制，使它自动实施要求加工任务，所以编制数控加工程序是十分关键一环。理想加工程序不但能确保加工出符合设计要求合格零件，同时可使数控机床功效得到合理应用和充分发挥及安全可靠工作。数控技术发展势必促使CAM技术深入提升，CAM软件也在不停更新和换代，以适应未来发展趋势，编程软件从MASTERCAM、POWERMILL、SOLDWORK、CIMATRON、PRO—ENGINEER、WORKNC、CATIA、UNIGRAPHICS等不停发展和壮大起来。数控编程主要经历了两个阶段，即从基于点、线、面、体刀轨生成方法向智能化编程。所以数控技术发展离不开数控机床发展。

1927年德国首先研制出硬质合金刀具，切削速度比高速刀具提升了2~5倍，为了适应切削速度提升需要，机床主轴速度、功率、刚性也随之增大，制造技术向前飞速发展，制造业巨大改变，产品更新换代，生产方式从大批量生产多品种、小批量生产方式转移，要求开发各种适应不一样加工需要、高速高效、低成本数控机床，第40页并大幅度地降低维护费用，同时要求开发出新一代数控系统，含有强大数控功效和方便网络通讯功效，以适应未来车间面向任务和定单生产组织和管理模式，高速切削技术是当前加工技术新发展方向之一，高速加工机床与普通机床相比，有：（1）高速回转主轴：采取主轴——电机一体化主轴部件，实现无中间步骤直接传动，每分钟可达数万转，技术重点是在应用各种不一样主轴轴承及主轴冷却和润滑方式来到达更高载荷值；（2）高速直线移动部件：采取直线电机，取消中间运动步骤，到达较高进给和较高进给加速度（3）高速刀具系统。主轴和刀具连接，要保持较高刚度和精度（4）高速控制器系统。（5）高速加工机床主轴功率特征第41页何为高速加工？起源（1）60多年前，德国一位金属切削学家Salomon博士，发表了一则相关高速加工论文，内容提到：（2）伴随切削线速度增加，温度及刀具磨损会猛烈增加(这便是传统加工加工理念)（3）当切削线速度到达某临界值时，切削温度及切削力会减小，后又伴随切削速度增加而急剧增加。(这便是高速加工加工理念)第42页傳統加工區DeathValley死區高速加工區T=切削應力 To=刀具應力上限 V=切削速度第43页高速加工定义依据1992年国际生产工程研究会(CIRP)年会主题汇报定义，高速切削通常指切削速度超出传统切削速度5－10倍切削加工。所以，依据加工材料不一样和加工方式不一样，高速切削切削速度范围也不一样。1050200切削速度vc[m/min]青铜,红铜铸铁钢钛镍合金铝合金纤维,塑料转变HSMSource:PTW,TechnicalUniversityDarmstadt第44页为何刀具热应力在高速加工时会下降？在高速加工时，因切削速度快，切削时切削区会产生高温，使铁屑温度上升，造成切削阻力下降切削时高温会快速经过铁屑带离工件及刀具第45页第46页第47页高速加工有着不一样于传统加工特殊加工工艺要求，而数控加工数控指令包含了全部工艺过程，故应用于高速加工数控自动编程系统--CAM系统必须能够满足对应特殊要求。（1）CAM系统应含有很高计算编程速度高速加工中采取非常小进给量与切深，故对NC程序要求比对传统系统NC程序要求要严格得多，要求计算速度要快且方便、节约编程时间等。另外，快编程速度使操作人员能够对各种加工工艺策略进行比较，方便采取最正确工艺方案，并对刀具轨迹进行编辑、优化，以到达最正确加工效率。（2）

全程自动防过切处理能力及自动刀柄干涉检验高速加工以高出传统加工近10倍切削速度加工，一旦发生过切,

其后果不堪构想，故CAM系统必须含有全程自动防过切处理能力。传统曲面CAM系统是局部加工概念，极轻易发生过切现象，普通都是靠人工选择干预方法来预防，

极难确保过切防护安全性，只有经过新一代、智能化、面向对象CAM系统，才能实现防过切处理全部由系统自动完成，才能真正确保其安全性。

高速加工主要特征之一就是能够使用较小直径刀具加工模具细节结构。系统能够自动提醒最短夹刀长度并自动进行刀具干涉检验，这对于高速加工非常主要。（3）进给率优化处理功效为了能够确保最大切削效率，并确保在高速切削时加工安全性，应依据加工瞬时余量大小，由CAM系统自动对进给率进行优化处理。（4）符合高速加工要求丰富加工策略与传统方式相比，高速加工对加工工艺走刀方式有着特殊要求，因而要求CAM系统能够满足这些特定工艺要求。第48页A、应防止刀具轨迹中走刀方向突然改变，以防止因局部过切而造成刀具或设备损坏。B、

应保持刀具轨迹平稳，防止突然加速或减速。C、下刀或行间过渡部分最好采取斜式下刀或圆弧下刀，防止垂直下刀直接靠近工件材料。D、行切端点采取圆弧连接，防止直线连接。E、除非情况必须如此，不然仍应防止全力宽切削。F、残余量加工或清根加工是提升加工效率主要伎俩，普通应采取屡次加工或采取系列刀具从大到小分次加工，直至到达所需尺寸，防止用小刀一次加工完成。