工艺夹具毕业设计22法兰盘的设计

山东淄博职业学院毕业设计论文纸 第 1 页 共 页 装 订 线 编号 淄博职业学院（机械与汽车工程系） 毕 业 论 文 论文题目 : 法兰盘的设计 系 （部） 机械与汽车工程系 专 业 数控技术 班 级 D05 数控一班 学 号 0501230115 学生姓名 李恩 指导教师 孙翰英 职 称 教授 200 8 年 3 月 山东淄博职业学院毕业设计论文纸 第 1 页 共 页 装 订 线 目 录 摘要 . （ 1） 第一章 概述 . （ 4） 1.1 数控加工的特点 . （ 4） 1.2 数控机床 . （ 4） 1.3 数控加工 . （ 4） 1.4 数控编程系统 .（ 5 ） 1.5 CAD/CAM 系统 （ 6） 1.6 CAXA 制造工程师进行自动编程的基本步骤 （ ） 1.7 数控技术发展趋势、数控编程技术、 数控技术现状与趋势 . （） 第二章 一种可用于仿真系统开发的平台 ACIS . （ 6） 2.1 ACIS 概述 . （ 6） 2.2 ACIS 的功能及其在仿真系统开发中的应用 . （ 8） 第二章 数控仿真系统加工环境模块的开发 . （ 9） 1.1 数控加工的相关知识 . （ 9） 1.2 数控仿真系统加工环境的定义 . （ 10） 1.3 加工环境模块的开发 . （ 11） 第三章 其他方面（ 18） 第四章 总结与展望 . （ 21） 致谢 . （ 22） 参考文献 . （ 23） 山东淄博职业学院毕业设计论文纸 第 1 页 共 页 装 订 线 摘 要 此次设计 是基于 FANUC-OM 系统 的典型零件的编程与加工。 数控技术及数控机床在当今机械制造业中的重要地位和巨大效益，显示了其在国家基础工业现代化中的战略性作用，并已成为传统机 械制造工业提升改造和实现自动化、柔性化、集成化生产的重要手段和标志。数控技术及数控机床的广泛应用，给机械制造业的产业结构、产品种类和档次以及生产方式带来了革命性的变化。 数控机床是现代加工车间最重要的装备。它的发展是信息技术 (1T)与制造技术 (MT)结合发展的结果。 现代的 CAD/CAM、 FMS、CIMS、敏捷制造和智能制造技术，都是建立在数控技 术之上的。 掌握现代数控技术知识是现代机电类专业学生必不可少的。 本次 设计内容介绍了 数控加工的特点、加工工艺分析以 及数控编程的一般步骤 。并 利用 CAXA 制造工程师软件完成零件的三维造型，进行加工轨迹设计，实现加工仿真。利用 宇龙仿真软件完成仿真加工。利用 CAD/CAM 软件及 G 代码指令进行手工编程。 关键词 ： 数控技术 CAXA 制造工程师 三维造型 仿真加工 手工编程 自动编程 山东淄博职业学院毕业设计论文纸 第 1 页 共 页 装 订 线 第一章 概 述 1.1 数控加工的特点 数控加工，也称之为 NC（ Numerical Control）加工，是以数值与符号构成的信息，控制机床实现自动运转。数控加工经历了半个世纪的发展已成为应用于当代各个制造领域的先进制造技术。数控加工的最大特征有两点：一是可以极大地提高精度，包括加工质量精度及加工时间误差精度；二是加工质量的重复性，可以稳定加工质量，保持加工零件质量的一致。也就是说加工零件的质量及加工时间是由数控程序决定而不是由机床操作人员决定的。数控加工具有如下优点： （ 1） 提高生产效率； （ 2） 不需熟练的机床操作人员； （ 3） 提高加工精度并且保持加工质量； （ 4） 可以减少工装卡具； （ 5） 可以减少各工序间的周转，原来需要用多道 工序完成的工件，数控加工一次装夹完成加工，缩短加工周期，提高生产效率； （ 6） 容易进行加工过程管理； （ 7） 可以减少检查工作量； （ 8） 可以降低废、次品率； （ 9） 便于设计变更，加工设定柔性； （ 19） 容易实现操作过程的自动化，一个人可以操作多台机床； （ 11） 操作容易，极大减轻体力劳动强度 随着制造设备的数控化率不断提高，数控加工技术在我国得到日益广泛的使用，在模具行业，掌握数控技术与否及加工过程中的数控化率的高低已成为企业是否具有竞争力的象征。数控加工技术应用的关键在于计算机辅助设计和制造（ CAD/CAM）系统的质量。 1.2 数控机床 20 世纪 40 年代末，美国开始研究数控机床， 1952 年，美国麻省理工学院（ MIT）伺服机构实验室成功研制出第一台数控铣床，并于 1957 年投入使用。这是制造技术发展过程中的一个重大突破，标志着制造领域中数控加工时代开始。数控加工是现代制造技术的基础，这一发明对于制造行业而言，具有划时代的意义和深远的影响。世界上主要工业发达国家都十分重视数控加工技术的研究的发展。我国于是 1958 年开始研制数控机床，成功试制出配有电子数控系统的数控机床， 1965 年开始批量生产配有晶体管数控系统的三坐标数控铣床。经过几十年的发展，目前的 数控机床已经在工业界得到广泛应用，在模具制造行业的应用尤为普及。 数控机床种类繁多，模具制造常用数控加工机床有：数控铣床、数控电火花成型机床、数控电火花线切割机床、数控磨床和数控车床。数控机床通常由控制系统、伺服系统、检测系统、机械传动系统及其它辅助系统组成。控制系统用于数控机床的运算、管理和控制，通过输入介质得到数据，对这山东淄博职业学院毕业设计论文纸 第 1 页 共 页 装 订 线 些数据进行解释和运算并对机床产生作用；伺服系统根据控制系统的指令驱动机床，使刀具和零件执行数控代码规定的运动；检测系统则是用来检测机床执行件（工作台、转台、滑板等）的位移和速度变化量，并 将检测结果反馈到输入端，与输入指令进行比较，根据其差别调整机床运动；机床传动系统是由进给伺服驱动元件至机床执行件之间的机械进给传动装置；辅助系统种类繁多，如：固定循环（能进行重复加工）、自动换刀（可交换指定的刀具）、传动间隙补偿（补偿机械传动系统产生的间隙误差）等等。 1.3 数控加工 数控加工是将待加工零件进行数字化表达，数控机床按数字量控制刀具和零件的运动，从而实现零件加工的过程。 被加工零件采用线架、曲面、实体等几何体来表示， CAM 系统在零件几何体基础上生成刀具轨迹，经过后处理生成加工代码，将加工代码 通过传输介质传给数控机床，数控机床按数字量控制刀具运动，完成零件加工。其过程如下图所示： 【零件信息】【 CAD 系统造型】【 CAM 系统生成加工代码】【数控机床】【零件】 （ 1）零件数据准备：系统自设计和造型功能或通过数据接口传入 CAD 数据，如 STEP， IGES， SAT， DXF， X-T 等；在实际的数控加工中，零件数据不仅仅来自图纸，特别在广泛采用 Internet 网的今天，零件数据往往通过测量或通过标准数据接口传输等方式得到。 （ 2）确定粗加工、半精加工和精加工方案。 （ 3）生成各加工步骤的刀具轨迹。 （ 4）刀具轨迹仿真。 （ 5）后期处理输出加工代码。 （ 6）输出数控加工工艺技术文件。 （ 7）传给机床实现加工。 1.4 数控编程系统 数控加工机床与编程技术两者的发展是紧密相关的。数控加工机床的性能提升推动了编程技术的发展，而编程手段的提高也促进了数控加工机床的发展，二者相互依赖。现代数控技术下在向高精度、高效率、高柔性和智能化方向发展，而编程方式也越来越丰富。 数控编程可分为机内编程和机外编程。机内编程指利用数控机床本身提供的交互功能进行编程，机外编程则是脱离数控机床本身在其他设备上进行编程。机内编程的方式 随机床的不同而异，可以以“手工”的形式分行输入控制代码（手工编程）、交互方式输入控制代码（会话编程）、图形方式输入控制代码（图形编程），甚至可以语音方式输入控制代码（语音编程）或通过高级语言方式输入控制代码（高级语言编程）。但机内编程一般来说只适用于简单形体，而且效率较低。机外编程也可以分成手工编程、计算机辅助APT 编程和 CAD/CAM 编程等方式。机外编程由于其可以脱离数控机床进行数控编程，相对机内编程来说效率较高，是普遍采用的方式。随着编程技术的发展，机外编程处理能力不断增强，已可以进行十分复杂形体的灵敏 控山东淄博职业学院毕业设计论文纸 第 1 页 共 页 装 订 线 加工编程。 随着微电子技术和 CAD 技术的发展，自动编程系统也逐渐过渡到以图形交互为基础的与 CAD 集成的 CAD/CAM 系统为主的编程方法。与以前的语言型自动编程系统相比， CAD/CAM 集成系统可以提供单一准确的产品几何模型，几何模型的产生和处理手段灵活、多样、方便，可以实现设计、制造一体化。虽然数控编程的方式多种多样，毋庸置疑，目前占主导地位的是采用 CAD/CAM 数控编程系统进行编程。 1.5 CAD/CAM系统 20 世纪 90 年代以前，市场上销售的 CAD/CAM 软件基本上为国外的软件系统。 90 年代以后国内在 CAD/CAM 技术研究和软件开发方面进行了卓有成效的工作，尤其是在以 PC 机动性平台的软件系统。其功能已能与国外同类软件相当，并在操作性、本地化服务方面具有优势。 一个好的数控编程系统，已经不是一种仅仅是绘图，做轨迹，出加工代码，他还是一种先进的加工工艺的综合，先进加工经验的记录，继承，和发展。 北航海尔软件公司经过多年来的不懈努力，推出了 CAXA 制造工程师数控编程系统。这套系统集 CAD、 CAM 于一体，功能强大、易学易用、工艺性好、代码质量高，现在已经在全国上千家企业的使用，并受到好评，不但降低了投入成本，而 且提高了经济效益。 CAXA 制造工程师数编程系统，现正在一个更高的起点上腾飞。 （国产） CAD/CAM 软件 山东淄博职业学院毕业设计论文纸 第 1 页 共 页 装 订 线 1.6 利用 CAXA 制造工程师 CAD/CAM 系统进行自动编程的基本步骤 山东淄博职业学院毕业设计论文纸 第 1 页 共 页 装 订 线 CAM 系统的编程基本步骤如下： 理解二维图纸或其它的模型数据 建立加工模型或通过数据接口读入 确定加工工艺（装卡、刀具等） 生成刀具轨迹 加工仿真 后期处理生成 NC 代码 输出加工代码 现在分别予以说明。 1.6.1、 加工工艺的确定 加工工艺的确定目前主要依靠人工进行，其主要内容有： 核准加 工零件的尺寸、公差和精度要求 确定装夹位置 选择刀具 确定加工路线 选定工艺参数 1.6.2、 加工模型建立 利用 CAM 系统提供的图形生成和编辑功能将零件的被加工部位绘制计算机屏幕上。作为计算机自动生成刀具轨迹的依据。 加工模型的建立是通过人机交互方式进行的。被加工零件一般用工程图的形式表达在图纸上，用户可根据图纸建立三维加工模型。针对这种需求，CAM 系统应提供强大几何建模功能，不仅应能生成常用的直线和圆弧，还应提供复杂的样条曲线、组合曲线、各种规则的和不规则的曲面等的造型方法，并提供种过渡、裁剪、几何变换等 编辑手段。 被加工零件数据也可能由其他 CAD/CAM 系统传入，因此 CAM 系统针对此类需求应提供标准的数据接口，如 DXF、 IGES、 STEP 等。由于分工越来越细，企业之间的协作越来越频繁，这种形式目前越来越普遍。 被加工零件的外形不可能是由测量机测量得到，针对此类的需求， CAM系统应提供读入测量数据的功能，按一定的格式给出的数据，系统自动生成零件的外形曲面。 1.6.3、 刀具轨迹生成 建立了加工模型后，即可利用 CAXA 制造工程师系统提供的多种形式的刀具轨迹生成功能进行数控编程。 CAXA 制造工程师中提供了十余种 加工轨迹生成的方法。用户可以根据所要加工工件的形状特点、不同的工艺要求和山东淄博职业学院毕业设计论文纸 第 1 页 共 页 装 订 线 精度要求，灵活的选用系统中提供的各种加工方式和加工参数等，方便快速地生成所需要的刀具轨迹即刀具的切削路径。 CAXA 制造工程师在研制过程中深入工厂车间并有自己的实验基地，它不仅集成了北航多年科研方面的成果，也集成了工厂中的加工工艺经验，它是二者的完美结合。在 CAXA 制造工程师中做刀具轨迹，已经不是一种单纯的数值计算，而是工厂中数控加工经验的生动体现，也是你个人加工经验的积累，它人加工经验的继承， 为满足特殊的工艺需要， CAXA 制造工程师能 够对已生成的刀具轨迹进行编辑。 CAXA 制造工程师还可通过模拟仿真检验生成的刀具轨迹的正确性和是否有过切产生。并可通过代码较核，用图形方法检验加工代码的正确性。 1.6.4、 后期 G 代码生成 在屏幕上用图形形式显示的刀具轨迹要变成可以控制机床的代码，需进行所谓后期处理。后期处理的目的是形成数控指令文件，也就是平我们经常说的 G 代码程序或 NC 程序。 CAXA 制造工程师提供的后期处理功能是非常灵活的，它可以通过用户自己修改某些设置而适用各自的机床要求。用户按机床规定的格式进行定制，即可方便地生成和特定机床相匹配的加工代码。 1.6.5、 加工代码输出 生成数控指令之后，可通过计算机的标准接口与机床直接连通。 CAXA制造工程师可以提供我们自己开发的通信软件，完成通过计算机的串口或并口与机床连接，将数控加工代码传输到数控机床，控制机床各坐标的伺服系统，驱动机床。 随着我们国家加工制造业的迅猛发展，数控加工技术得到空前广泛的应用， CAXA 的 CAD/CAM 软件得到了日益广泛的普及和应用。我们相信当你认识了 CAXA 制造工程师以后， CAXA 制造工程师一定会走到你的身边，成为你身边的不可多得的造型能手，忠实可靠的编程高手，数控加工工艺的良师益友。 1.7 数控技术发展趋势、数控编程技术、数控技术现状与趋势 1.7.1、数控系统体系结构向基于 PC 的全数字化开放体系结构方向发展 1 基于 PC 的开放式数控系统已得到广泛认可，具有强大的生命力 从两次机床展上可以看到，著名厂商的高档数控系统都以基于 PC 的开放数控系统为主流。 SINUMERIK 840Di sl 是基于 PC 的数控系统，其软件系统 MMC(人机通信 )软件系统、 NC(数字控制 )软件系统、 PLC(可编程逻辑控制 )软件系统和通信及驱动接口软 件 中的 MMC 软件系统采用 Windows NT 或 XP 操作系统。机床制造商可以按照自己的特殊操作方式和理念，利用 Windows 技术改变人机界面 (HMI)。其开放式系统理念的一个重要特点是， 可以在数控核心部分，使用标准的开发工具对用户指定的系统循环和功能宏进行调整。 FANUC 16i/18i/21i/30i 系列是具有网络功能的超小型、超薄型高档 CNC 系山东淄博职业学院毕业设计论文纸 第 1 页 共 页 装 订 线 统，其硬件结构采用 CNC 内建 PC 型式， NC 卡完成高实时性要求的数控运 算和 PLC 控制功能， PC 完成操作界面、编程、数据管理、网络等相对弱实时性要求功能。操作系统采用 Windows 2000/XP 或 Windows CE。备有 C 语言执行程序、嵌入式宏执行程序等各类功能。 CNC 系统与主计算机的连接接口采用高速串行总线 (HSSB)。 FANUC 300i/310i/320i 系列采用 Windows CE 作为操作系统，并提供动态链接库函数供用户二次开发。 HEIDENHAIN 公司推出的最新一代 TNC 控制器 iTNC 530 采用全新的微处理器结构，具有非常强大的计算能力，可控制 12 轴，控制器本身包含主机单元和控制单元两个部分。主机单元采用 Intel 处理器以及 AGP 图形显示卡，并带有各类数据通信接口 (Ethernet/RS232/RS422/USB 等 )，是典型的基于 PC 的系统，如图 1 所示。 图 1 基于 PC 的 iTNC 530 系统 FAGOR 公司最高档数控系统 CNC8070 是 CNC 技术与 PC 技术的结晶，是与 PC 兼容的数控系统，采用 Pentium CPU，可运行 WINDOWS 和 MS-DOS，可控制 16 轴 +3 电子手轮 +2 主轴，可运行 VISUAL BASIC， VISUAL C+，程序段处理时间 1ms， PLC 可达 1024 输入点 /1024 输出点，执行时间 1ms/1k指令，具有以太网、 CAN、 SERCOS 通讯接 口，可选用 10V 模拟量接口。 能在基于 PC 的体系结构上设计出世界顶级数控系统，说明基于 PC 结构的开放数控系统具有很强的生命力。 图 2 FANUC CNC 单元与伺服单元和 I/O 的连接 2 全数字化是未来数控系统发展的必然趋势 山东淄博职业学院毕业设计论文纸 第 1 页 共 页 装 订 线 全数字化不仅包括数控单元到伺服接口以及伺服系统内部是数字的，而且还应该包括测量单元的数字化。因此，现场总线、编码器到伺服的数字化接口、驱动单元内部三环 (位置环、速度环及电流环 )数字化，是数控系统全数字化的重要标志。 1) 编码器到伺服的接口数字化也必将获得发展 编码器到伺服驱动的数字化接口虽然只在 Heidenhain 的系统中得以实现，但作为全数字化数控系统的 必要构成环节，未来将获得更多发展。图 3 所示为Heidenhain 通过 EnDae2.2 协议连接的编码器和伺服驱动。 图 3 Heidenhain 以 EnDae2.2 协议连接编码器和伺服 2) 驱动单元三环全数字化是全数字化的重要内容 三环 (位置环 /速度环 /电流环 )数字化是全数字化的重要内容。 HEIDENHAIN iTNC 530 控制单元最新的设计中集成了控制系统所有伺服控制回路 (位置环/速度环 /电流环 )，所有伺服计算都在 DSP(数字信号处理器 )中完成。测量组件的反 馈均集成在控制单元上，包含位置反馈和速度反馈。 3 多通道软件体系结构是适应整合数控机床的不二选择 针对制造业对整合数控机床 (即 融合工业机器人、影像处理系统和精密物料搬运各项功能的机械，不仅能完成通常的加工功能，而且还具备自动测量、自动上下料、自动换刀、自动误差补偿、自动 诊断和联网等功能 )的巿场需求，各著名数控系统厂纷纷将多轴 (包括多主轴 )多通道控制、轴同步控制、轴叠加控制、轴混合控制、信道协同等功能列为新的研究 点。同步控制可以令不同通道的运动轴按照某种时序关系或某种条件达到同步，混合控制可让一个轴的混合命令在各通道之间进行交换，阀加控制能把一个轴的移动 命令叠加到属于另一通道的另一个轴上去。 如 Fanuc 30i 系统，具有 10 通道，八根主轴，可控进给轴数达 32 根，可联动控制进给轴数达 24 个，能同时运行十个独立的数控加工程序， 具有轴同步、混合、叠加控 制等功能。基于此系统， FANUC 公司推出了四个搬运机器人、一套天车输送线、外加两部六腿切削加工机器人的整合加工系统。整山东淄博职业学院毕业设计论文纸 第 1 页 共 页 装 订 线 个系统动作协调、有序，衔接 顺畅，体现了典型的多通道数控系统的特徵。 1.7.2、网络化功能已从单一的数据传输向网络监控、维护与管理方向发展 1 以太网接口已成为数控系统与外部计算机联网通讯的主要选择，零件程序等数据文件的快速网络传输已成为数控系统的基本功能 著名系统厂的数控系统均具备强大的网络功能，并将以太网接口作为数控系统的基本配置或选择配置，实现与外部计 算机的联网通讯。 SIEMENS 840D 采用 SINDNC 软件模块可将 SINUMERIK 系统快速、简单和经济地添加到标准的以太网网络中，并与 Windows PC 和 UNIX 工作站之间建立稳定的连接，还可以使用标准 CF 卡进行程序与数据的传输。集成的以太网功能保证了数控系统文档与计算机之间的快速传输，其满 量程的传输速率是标准串行口的 100 倍。 FANUC 16i/18i/21i/30i 系列 CNC 系统与企业主计算机之间的接口协议采用DNC1 或 DNC2。 DNC1 是 FANUC 自行开发的实现 CNC 与主计算 机之间传 送数据信息的一种通讯协议及通讯指令库，一台计算机可连 16 台 CNC 机床。 DNC2 功能与 DNC1 基本相同，但通讯协议不同，用的是欧洲常用的 LSV2 协议，一台计算机可连 8 台 CNC 机床，通讯速率最快为 19Kb/秒。此外， FANUC 系统还提供了两种以太网口： PCMCIA 卡和内埋的以太网 板。PCMCIA 局域网卡可临时插入显示装置侧的插槽，用于连接 PC 机，传送数据，调整机床参数或作一些维护，用完后即可拔下；高速以太网板 (100 Mbps)是装在 CNC 系统内部的，因此可长期与主机连结，用于传输零件程序和检查机床工作状态 。 HEIDENHAIN iTNC530所配备的 “高速以太网 ”通讯接口能以 100Mbit/s的速率传输程序数据。 Rexroth 公司的数控系统在各个层面上采用通用通讯机制：外部计算机级，基于工业 PC 的开放式体系结构，提供了简单有效的外围计算机通讯方 法，如以太网 TCP/IP， OPC 以及 COM/DCOM 的 Windows 访问机制； HMI 级基于 Windows XP 或 Windows CE.NET 等操作系统，使用如 Microsoft network等标准网络，轻松实现数据交换； I/O 级使用诸如 PROFIBUS-DP 或 DeviceNet等世界通用标准，连接传感器等 I/O 设备；驱 动级使用诸如 SERCOS 等国际标准接口，以获得高的动态特性和精度。 山东淄博职业学院毕业设计论文纸 第 1 页 共 页 装 订 线 图 4 FANUC 16i/18i/21i/30i 系列 CNC 的网络接口 图 5 FANUC CNC 的网络监控、维护与管理 2 加工过程的网络监控允许对整个工厂进行网络管理，远程网络服务使系统厂和用户双双受益 数控系统有了网络功能后，可方便实现其网络监控、维护与管理。 SIEMENS 基于 internet 的 “ePS”(电子产品服务 )软件方案，可以通过互联网访问 Sinumerik 810D/840D/840Di 控制系统，通过其 CM(Condition Monitoring状态监控 )系统在线连续监控数控系统的轴状态、 PLC 状态等，并评估机床状况、分析相关的机床参数，实现远程诊断、维修服务，防 止早期故障引起的意外停机，减少检修停工期，增强可靠性，提升机床有效性，提高生产率，降低维护费用。 FANUC 系统通过高速以太网板，实现对机床侧运行状态实时的集中监控；通过工厂网络， CNC 可同时连接到机床和办公室，这种连接允许对整个工厂 进行管理，以提高生产率；通过互联网，在工厂外或家里，亦可远程监控机床工作状态；使用机床远程诊断软件包，机床制造商能方便地构建 远程机床维护系统，不 用去现场即可检查故障 (问题 )产生的原因 (状况 )，减少停机时间，机床制造商还可提高服务效率。 FANUC 通过运行于 PC 上CIMPLICITY i CELL 软件包，可实现多台联网 CNC 的管理。 1.7.3、高速高精度控制是数控技术发展的永恒主题 1 高速、高精度已成为高档数控机床的主要特徵 速度和精度是数控机床的两个重要指标，它直接关系到加工效率和产品质量。高速、高精度数控机床是多品种、变批量加工环境下保持高效与柔性统一的必要工具。为此，国际知名数控机床和系统制造商从未停止对高速高精度 控制的追求。 山东淄博职业学院毕业设计论文纸 第 1 页 共 页 装 订 线 在速度方面，目前数控机床运动的加速度已提高到 2 3g，快速移动速度提高到 150 200m/min。在这些高速高精度数控机床中，有一部分是利用直接驱动技术，但随着滚珠丝杠技术的发展，大导程高精度的滚珠丝杠也已大量应用到高速高精度数控机床中， 实现了加速度 1 1.5g，快速移动速度 120150m/min。为了能够优化金属切削的加工过程，现代化的加工将越来越多地采用高性能切削 (High Performance Cutting)。 HPC 技术不仅要求提高切削速度 (即提高主轴转速 )，而且要求提高刀具的 进给速度。目前生产效率低的问题，不单在于刀具的切削速度低， 也不单在于刀具的进给速度低，而在于针对给定的材料和其它条件，如何将刀具切削速度和进给速度有机地结合起来，以实现高性能切削 (HPC)。除了从软的方 面得到高性能切削外，人们还从硬的方面追求高速切削 (HSC)，如提高刀具的切削硬度，提高机床主轴的旋转速度，尤其是提高机床主轴在高速下的切削功率和 旋转扭矩，这些指标对生产过程的经济性也有着举足轻重的影响，它可以使金属切削加工更快、更好、更经济。 在精度方面，精密数控机床的机械加工精度已从道级 (0.01mm)提升到微米级(0.001mm)。超精密数控机床的微细切削和磨削加工精度可稳定达 0.05m 左右，形状精度可达 0.01m 左右。 数控机床的高速、高精要求，对数控系统的高速高精控制算法、高速高精动态特性控制技术等提出了更高的要求。 2 数控系统高速、高精度控制的主要措施 各著名数控系统厂商对高速高精性能的追求始终是坚持不懈的，根据自身特点，各自采取了提高高速高精性能的各种措施。 1) FANUC 公司 FANUC 公司一直走在数控技术的前沿，并不断提出新的概念来引导数控技术的发展，除纳米插补，纳米 CNC 系统等概念外，在高速高精方面又推出了以下较新的技术： HRV(高响应矢量 )4 控制技术 HRV4 继承并发展了 HRV3 的优点，是纳米数控系统高速高精伺服控制，并可减少电机发热。其特点为：在任何时刻，均采用纳米层次的位置指令；超高速伺服控制处理器； ai 高分辨率的脉冲编码器 (16 million/rev)；防止机械振颤的 HRV 滤波器。 山东淄博职业学院毕业设计论文纸 第 1 页 共 页 装 订 线 图 6 HRV4 可获取更高的转速和更小的电流 MTC(Machine Tip Control) 为了控制机床在加工点处的振颤， FANUC 研究了机床顶部控制 (MTC)和加速率传感单元用于检测加工点处的加速率。采用 MTC 后可明显减小机床振颤。 图 7 HRV4 更小的温升 反向间隙加速功能 由于存在反向间隙，在高速加工时会导致响应滞后，引起象限尖峰，并影响加工精度。采用反向间隙加速功能后将显著改善象限尖峰，提高加工精度。 图 8 反向间隙加速功能 MPC(Machining Point Control加工点控制 ) 采用 MPC 功能，可在加工点处抑止振颤，获得更高的加工精度。 山东淄博职业学院毕业设计论文纸 第 1 页 共 页 装 订 线 图 9 MPC 功能 2) SIEMENS 公司 西门子公司对高速高精度位置控制的本质有着精辟的理解：通过避免机床振颤来优化工件表面的加工质量；通过增加对加加速度控制能力，提高机床动态响应能力；通过增加加速度提高加工速度等。 2) HEIDENHAIN 公司 号称在欧洲数控系统销售第一的 HEIDENHAIN 公司，由于多年来从事精密模具加工，对加工速度及精度的提升有着深刻、独到的见解。 HEIDENHAIN公司研究了不同分辨率的码盘对扭矩脉动的影响，并提出了使用高分辨率的编码器有利于减小转矩脉动的影响。另外， HEIDENHAIN 还对机床运行时间和丝杠温升变形规律进行研究。 综上所述，各数控系统厂商对高速高精度控制的理解基本上是相同的，而且对动态精度的提高非常重视，所采取的主要措施体现在以下方面。 1) 高速下的平滑控制 通过对运动速度、加速 度、加加速度的优化，减少机床振颤，使加工更加平稳，获得更高的加工表面质量。如 HEIDENHAIN 采用高分辨率的反馈器件减小转矩脉动， FANUC 利用 MPC 技术减少机床振颤。 2) 提高系统的快速响应能力 提高系统的快速响应能力不仅是高速加工的前提，也是保证精度的有利措施。如 FANUC 采用 HRV4，反向间隙加速等方式减少因响应滞后带来的误差。 3) 提高数据分辨率 以纳米级的分辨率参与到各个环节，如： FANUC 系统的纳米插补技术。 山东淄博职业学院毕业设计论文纸 第 1 页 共 页 装 订 线 图 10 不同分辨率下的脉动扭矩 1.7.4、智能化控制是提高数控加工效率的有效手段 由于数控加工过程是一个具有多变量控制和加工工艺综合作用的复杂过程，包含诸如加工尺寸、形状、振动、噪声、温度和热变形等各种变化因素，为实现加工过程的多目标优化，数控机床应能根据切削条件的变化，基于多信息融合下的重构优化、智能决策，实时动态调节工作参数，使加工过程能保持最佳工作 状态，从而得到较高的加工精度和较小的表面粗糙度，同时也能提高刀具的使用寿命和设备的生产效率。 在芝加哥 IMTS2006 上，加拿大英属哥伦比亚大学 Yusuf Altintas 教授展示的切削参数优化系统，采用现代测试技术检测机床的各项运行参数和动态参数，并结合 CAD/CAM 技 术，经过优化计算，合理地将刀具参数、机床参数以及被加工材料性能参数结合起来，得到刀具轨迹和运行参数，极大地提山东淄博职业学院毕业设计论文纸 第 1 页 共 页 装 订 线 高了切削加工的效率和刀具的使用寿命。 据介绍北美几大飞机制造企业和汽车企业应用了他的智能切削系统后，平均切削效率提高了 8 倍，平均 刀具寿命提高了 20 倍。 1.7.5、 CAD/CAM 与 CNC 的集成已成为扩展数控系统功能的重要途径 国际主流数控系统厂商在研制最新数控系统的同时，都非常注重对CAD/CAM/CNC 集成技术的开发，并明确的将图形化、集成式的编程系统作为扩展数控系统功能、提高数控系统人机交互方式友好性的重要途径。SIEMENS 的 Shop Turn、 Shop Mill 车间级集成式编程系统， FANUC 公司的集成式编程系统， HEIDENHAIN 公司的对话框式集成编程系统等，都已成为各公司历次展会宣传的重点。 1.7.6、 高速、 高精加工技术及装备的新趋势 效率、质量是先进制造技术的主体。高速、高精加工技术可极大地提高效率，提高产品的质量和档次，缩短生产周期和提高市场竞争能力。为此日本先端技术研究会将其列为 5 大现代制造技术之一，国际生产工程学会（ CIRP）将其确定为 21 世纪的中心研究方向之一。 在轿车工业领域，年产 30 万辆的生产节拍是 40 秒 /辆，而且多品种加工是轿车装备必须解决的重点问题之一；在航空和宇航工业领域，其加工的零部件多为薄壁和薄筋，刚度很差，材料为铝或铝合金，只有在高切削速度和切削力很小的情况下，才能对这些筋、壁进行加工 。近来采用大型整体铝合金坯料“掏空”的方法来制造机翼、机身等大型零件来替代多个零件通过众多的铆钉、螺钉和其他联结方式拼装，使构件的强度、刚度和可靠性得到提高。这些都对加工装备提出了高速、高精和高柔性的要求。 从 EMO2001 展会情况来看，高速加工中心进给速度可达 80m/min，甚至更高，空运行速度可达 100m/min 左右。目前世界上许多汽车厂，包括我国的上海通用汽车公司，已经采用以高速加工中心组成的生产线部分替代组合机床。美国 CINCINNATI 公司的 HyperMach 机床进给速度最大达 60m/min，快速 为 100m/min，加速度达 2g，主轴转速已达 60 000r/min。加工一薄壁飞机零件，只用 30min，而同样的零件在一般高速铣床加工需 3h，在普通铣床加工需 8h；德国 DMG 公司的双主轴车床的主轴速度及加速度分别达12*!000r/mm 和 1g。 在加工精度方面，近 10 年来，普通级数控机床的加工精度已由 10 m 提高到 5 m，精密级加工中心则从 3 5 m，提高到 1 1.5 m，并且超精密加工精度已开始进入纳米级 (0.01 m)。 在可靠性方面，国外数控装置的 MTBF 值已达 6 000h 以上，伺服系统的MTBF 值达到 30000h 以上，表现出非常高的可靠性。 为了实现高速、高精加工，与之配套的功能部件如电主轴、直线电机得到了快速的发展，应用领域进一步扩大。 1.7.7、 轴联动加工和复合加工机床快速发展 采用 5 轴联动对三维曲面零件的加工，可用刀具最佳几何形状进行切削，不山东淄博职业学院毕业设计论文纸 第 1 页 共 页 装 订 线 仅光洁度高，而且效率也大幅度提高。一般认为， 1 台 5 轴联动机床的效率可以等于 2 台 3