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数控技术的基本知识和现代数控的发展方向哈尔滨工业大学机电学院数控技术研究室2004年5月12日 第一部分数控技术的基本概念 1 1数控与数控机床1 概念 数控 数字控制 NC NumericalControl 以数字化信息对机床运动及加工过程进行控制的一种方法 NC已成为数控加工的专用术语 数控技术 用数控机床 数控设备 进行自动化加工的一种技术 它综合应用了多种学科的知识 数控机床 是实现柔性自动化的关键设备 是柔性自动生产系统的基本单元 数控技术是现代先进制造技术的基础 其技术水平和普及程度是衡量国家综合国和工业现代化程度的重要标志 CNC与CAD CAM CAPP 关系 通讯 CAD 计算机辅助设计 ComputerAidedDesign CAM 计算机辅助制造 ComputerAidedMaunfacturng CAE 计算机辅助工程 ComputerAidedEngineering CADCAMCAE范畴划分 CNC与现代先进制造系统关系 CNC用在制造系统中CNC DNC FMC FMS CIMS FA并行工程 敏捷制造 数字化制造 智能制造 网络制造 绿色制造 纳米制造 高速加工等等 2 数控技术产生的原因 高精度 高效率 刚性自动化不能满足的要求 手工 小规模 大规模生产 柔性自动化 多品种 变批量 复杂零件的加工 多坐标加工 计算机技术的发展 3 数控技术的发展历史 1952年 第一代电子管数控系统 1959年 第二代晶体管数控系统 随之出现刀库 机械手 加工中心 1960年 第三代集成电路数控系统 硬逻辑数控系统 称为NC 1970年 第四代小型计算机数控 CNC 1974年 第五代微型计算机数控 MNC 统称CNC 1980年后 FMS FMC CIMS 开放式数控 openNC 系统 智能制造系统 IMS 大发展 1990年后 高速加工 纳米制造 1 2数控机床的工作原理1 机床数字控制的原理将被加工零件图纸上的几何信息和工艺信息用规定的代码和格式编写成加工程序 然后将程序输入数控装置 按照程序的要求 经过信息处理 分配 使各坐标以最小位移量为单位移动 其合成运动实现了刀具与工件的相对运动 完成零件的加工 最小位移量的合成运动是机床数字控制的基本原理 即轨迹控制原理 插补原理 点位控制 严格控制点到点的距离 不严格要求路径 运动中不加工 轮廓控制 加工平面曲线 空间曲线 空间曲面时 需要多坐标联动 以平面 两维 的任意曲线L为例 要求刀具 沿 逼近 曲线轨迹运动 进行切削加工 如图1 2所示 将曲线L分割成 l0 l1 l2 li等线段 用直线 或圆弧 代替 逼近 这些线段 当逼近误差 相当小时 这些折线段之和就接近了曲线 轮廓控制也称连续轨迹控制 它的特点是不仅对坐标的移动量进行控制 而且对各坐标的速度及它们之间的比率都要进行严格控制 以便加工出给定的轨迹 图1 2轮廓控制 这种在允许的误差范围内 用沿曲线逼近函数的最小单位移动量合成的分段运动 小线段 小圆弧 代替任意曲线运动 以得出所需要的运动轨迹 是数控的基本构思之一 插补 Interpolation 是用被加工轨迹的有限信息 如起点和终点之间 计算插进刀具运动的许多中间点 进行数据点的密化工作 然后用已知线型 如直线 圆弧等 逼近 插补有二层意义 基本线型的形成及如何分段逼近 基本线型 由插补指令完成 如直线插补 圆弧插补 抛物线插补 螺旋线插补 极坐标插补 圆柱插补 样条插补 曲面直接插补 纳米插补 光顺插补等 插补指令越多 越能实现复杂型面的加工 分段逼近 按允许的误差 弦线逼近 割线逼近 切线逼近 插补分类 基准脉冲插补 数据采样插补 主要方法 基点和节点基点 在数控加工图纸中 基本线型的交点称为 节点 轮廓轨迹上的插入点 逼近线型与轮廓轨迹的交点 为什么补用数学函数直接插补 计算费时间 不能满足实时控制的要求 有的被加工轮廓用列表点表示的 没用数学公式 数控加工时运动不能突变 要满足加速度的要求 2 数控机床的控制 轨迹控制 开关量控制1 3数控机床的组成及分类1 数控机床的组成 数控系统 I 0接口 CNC装置 伺服系统 PLC 机械主机 主运动机构 进给运动机构 辅助机构 床身等 图3数控机床的组成 2 数控机床的应用1 多品种变批量 单件小批量的自动化2 柔性加工和柔性自动化 小批量而又轮番生产的零件 几何形状复杂的零件 在加工过程中必须进行多种工序加工的零件 切削余量大的零件 必须严格控制公差 公差带范围很小 的零件 工艺设计会经常变化的零件 贵重零件 需全部检测的零件 等等 3 数控机床的分类1 按控制运动的轨迹特点分类 点位控制数控机床 直线控制数控机床 单轴数控 轮廓控制的数控机床 分为两坐标联动 2 5坐标联动 三坐标联动 四坐标联动 五坐标联动等数控机床 五坐标联动是关键技术 2 按伺服系统的控制类型分类 开环控制的数控机床 全闭环控制的数控机床 半闭环控制的数控机床3 按工艺方法分类 金属切削类数控机床 数控车床 数控铣床 数控钻床 数控磨床 数控镗床以及加工中心等 金属成型类及特种加工类数控机床4 按功能水平分类 高 中 低档 亦称经济型 5 按驱动方式分类 步进式 直流伺服 交流伺服 交流模拟 交流数字 6 按组成和功能 开放式数控 智能数控 第二部分数控机床控制系统 CNC 2 1CNC系统的组成CNC系统由 数控装置 伺服系统 和系统程序组成 数控装置 专用计算机 硬件和软件组成 伺服系统 检测装置 驱动装置和伺服电机组成 2 1 1数控装置的硬件组成及功能1 数控装置的硬件包括 微机基本系统 CPU 总线 存储器 I O设备等数控接口组件 进给轴位置控制接口组件 主轴控制接口组件手摇脉冲发生器接口组件等 接口 人机界面接口 通讯接口 机电接口辅助功能 M 控制接口等2 硬件功能 与软件一起接收输入信息 程序 经过译码 轨迹计算 速度计算 补偿计算 加 减处理和插补运算 给各个坐标的伺服驱动器分配速度 位移指令 完成数控加工任务 3 硬件具体组成 微机基本系统 人机界面接口 键盘 显示器 操作面板 手摇脉冲发生器 通讯接口 RS232 RS485串行接口 网络接口 进给轴位置控制接口 主轴控制接口 辅助功能 M指令 控制接口 图4单CPU数控装置 2 1 2数控装置软件的基本组成和功能软件由控制功能程序 管理功能程序组成1 控制功能程序 实时性强 用于进给坐标的位置控制 中断完成 译码 预处理 刀补和速度处理 插补 位控 2 管理功能程序 实时性稍差 但要保证控制软件数据的供给传递 具体见图 图5数控装置软件组成 2 2CNC系统的技术性能指标1 CPU的性能 8 16 32 64位 主频十多GHz 精减指令集芯片 RISC 提供高的速度和丰富的软硬件资源 2 系统具有高分辨率 保证高精度 超精密加工 进给系统100万脉冲 每转 1600万脉冲 每转 FANUC0i 分辨率为0 001mm 速度最高可达到100m 240m min 超精密加工时分辨率0 1 m 甚至0 01 m 速度为24m min 或更高 3 系统的控制功能 1 多轴联动 多坐标控制2 多种函数的插补3 多种程序输入功能4 信息转换功能5 补偿功能6 多种加工方式选择7 具有故障自诊断功能8 显示功能4 伺服驱动系统的性能 5 数控系统内PLC功能6 系统的通讯和联网功7 系统的开放性8 可靠性2 3怎样选择CNC系统2 3 1选择原则1 名牌厂家 FANUC SIEMENS AB CINCINNATI NUM HP FAG GE FANUC 三菱 华中数控 广州数控 航天数控 蓝天数控 北京FANUC 上海开通数控 南京方达数控 威海华东数控 南京清华数控 2 系统的系列FANUC FANUC 0TD 0MD 0C 0i 15 15i 16 16i 18 18i 21 21i 160 180 210 160i 180i 210i F30i SIEMENS SIEMENS 802S 802D 810D 840D 3 基本功能 选择功能4 分辨率 设定单位 速度 联动轴数 5 高速高精度系统的特殊指令功能6 价格 维修 2 3 2高速高精密数控机床的CNC系统1 数控装置的特殊功能 纳米精加工插补 Nanointerpolation 光顺插补 高精度 纳米 轮廓控制 5轴加工功能 NURBS插补 前视功能 预测及反复控制 法线方向及缓曲线法线方向控制 精细加 减速功能 切削进给插补前 后的直线加 减速功能 切削进给插补前 后的铃型 或叫鼓型 加 减速 插补型螺距误差补偿 双向螺距误差补偿 直线度补偿 插补型直线度补偿 丰富的宏指令 循环指令 完善的自诊断 参数设置 动态图形显示 高速缓存 I O外部设备控制和联网功能等 接外部补偿的功能 2 对驱动控制及伺服电机的特殊要求 光纤通讯的三环 电流 速度 位置 全闭环控制交流数字伺服系统 高响应的矢量控制功能 FANUC系统称为 HRV HighResponseVector高响应向量控制 双位置反馈控制 特殊制造的高响应高精度电机 且具有平稳运行的低速性能 第三部分数控机床的结构及设计3 1机床本体机床本体也称主机 它包括 主运动部件 主轴箱及主轴 进给运动部件 进给传动件 工作台 刀架 导轨等 基础部件 支撑部件 如 底座 床身 立柱等 特殊部件 刀库 自动换刀装置和托盘交换装置等 现在包括CNC装置 各个部件都看做功能部件 专门生产 3 2数控机床主机的特点 主运动 及进给坐标轴都由单独的伺服电机驱动 传动链短 结构比较简单 运动关系由计算机来协调控制 采用高效传动件 精密滚珠丝杠 直线滚动导轨副 精密齿条 蜗母条 静压 磁浮导轨等 机械结构应具有较高的静态特性 动态刚度 阻尼精度 耐磨性以及抗热变形性能 在加工中心上还具备有刀库和自动交换刀具的机械手 配套设施齐全 如 冷却 自动排屑 防护 可靠的润滑 对刀仪等 3 3主机的设计3 3 1总体设计1 总体方案 布局外观 精度 性能 静动态特性 刚度特性摩擦特性 热特性 2 参数 功率 扭矩 转速 行程 速度 3 机电匹配 机电分工 电机和控制系统的选择 3 3 2主传动系统设计1 传动系统 2 电主轴 3 自动卡盘 4 动力刀架 3 3 3进给传动系统设计1 开环 半闭环 全闭环 2 传动方案 3 高效传动件的设计 选择 计算 机电匹配 4 直线电机系统 3 3 4其它系统的设计1 数控回转工作台 2 换刀机械手 3 刀库 刀具系统 4 冷却 排屑系统 第四部分数控技术的发展方向4 1数控技术总的发展趋势当代 数控技术的典型应用是FMC FMS CIMS 其发展方向是高速化 高精度化 高效加工 多功能化 小型化 复合化 开放化和智能化以及数控标准的发展 目前的动向是 开放式数控系统 高速加工系统 4 2新的数控标准STEP NC 4 2 1STEP NC标准的产生及概念1 产生 数控发展已50多年了 编程还在采用G M代码 地址字的程序格式 ISO6983 它是面向运动和开关控制的语言 限制了CNC系统的开放性和智能化发展的需要 使CNC与CAM技术之间形成了瓶颈 体现不出IT技术与MT技术的结合 CAD CAM CAE PDM 限制了制造业的发展 为此国际标准化组织ISO制定了 产品模型数据交换标准 STEP StandardfortheExchangeofProductModelData ISO10303 产品模型数据转换标准STEP 是面向对象的数据模型 将此扩展到数控领域 形成了STEP NC新标准 ISO 14649 2 STEP NC数据模型 STEP NC为 新型的CNC控制器数据模型 标准 它是从CAM到CNC的数据模型 STEP STEP NC是中性的 采用面向对象的语言 EXPRESS 以面向对象的形式将产品的设计信息与制造信息联系起来 STEP NC数控系统能进行CAD CAM与CNC一体化的加工 STEP NC为CNC系统重新规定CAD CAM与CNC之间的接口 可以进行数据交换 要求CNC系统直接使用符合STEP标准的CAD三维产品数据模型 包括工件几何数据 设置 制造特征信息 工艺信息和刀具信息 而直接产生的加工程序用来控制机床 3 STEP NC研制情况 STEP NC是当前世界各国正在开展的研究项目 欧洲 美国 SuperModel项目 韩国 日本 DigitalSater项目 都在积极的进行 而且关于STEP NC的研究已取得了实质性的进展 法那科 西门子数控系统公司都宣布将执行STEP NC标准 4 2 2STEP NC标准的内容STEP NC定义了一个新的应用协议AP 238 作为CAM与CNC之间数据交换的具体规范 1 AP 238AP 238包括从产品概念到成品 零件 全过程所需的全部信息 其中有 三维几何信息 AP 203 AP214 特征信息 AP 224 工艺信息 如车 铣 放电加工等 AP 219 检测信息 AP 219等等 2 STEP NC标准 草案 内容 有关基本规则与铣削加工的标准 草案 已完成 包括 基本概念和规则 Part1 通用数据 Part10 数控铣削加工工艺 Part11 刀具 铣削刀具 Part111 等 正在制定的STEP NC标准有 数控车削加工 Part12 放电加工 Part13 木材和玻璃加工 Part14 检测 Part15 等 3 标准通用数据包括二大部分 工件 Workpiece 指成品 和工作计划 Workplan 工件上需去除的材料的区域由一系列加工特征 Machining feature 定义 工作计划包括若干工作步骤 Workingstep 工作步骤将具体的加工特征 如平面 复杂曲面 孔等 与具体的操作 Machining operation 联系起来 操作 operation 本身是ISO 14649定义的一个面向的概念 涉及加工方法 刀具 刀轨 工艺策略等 4 2 3STEP NC数控程序结构1 STEP NC数控程序编制的原则 采用了ISO 10303数据格式和面向特征的编程原则 以工作步骤为加工流程的的基本单位 将特征与技术信息联系到一起 每个工作步骤只定义一个具体操作 干什么 如何干 只能用一种刀具和一种策略 2 程序结构 程序结构分为文件头和数据段 文件头以HEADER为标记 主要说明文件名 编程者 日期以及注释等 数据以DATA开始 包含了加工零件所需的所有信息和操作任务 根据规定 首先要有一个PROJECT语句 其后的内容可分为三部分 工作与可执行语句 Executable 包括工作步骤 一般NC功能如信息显示等 流程控制 技术描述 刀具 机床功能 加工策略等 几何描述 几何数据 加工特征等 ENDSEC为程序结束标志 3 例子 西门子公司开发的 其中的斜体为特意加入的说明 HEADER 文件头部开始语句 ENDSEC 文件头部分结束DATA 数据段开始 1 PROJECT Workplan 10 1规划由工作计划 10完成 10 Workplan 20 35 10包括 20工步 35工步 20 Machining Workingstep 21 feature 22 Machining 20为加工工步 包括 21加工特征 22加工操作 21 Roundhole HoleM6 被加工的是M6 圆周孔 22 Drilling Tool technology Machine functions 钻削加工 刀具 工艺 机床功能 35 Machining Workingstep 35为加工工步 其它加工工步ENDSEC 程序结束 数据段 说明 文件程序名 编者 日期 注释 4 STEP NC特点 废弃了传统的数控程序 无后置处理 无G M代码 ISO14649的目标为 改进CAD CAM系统与CNC控制器之间的连接 数据传递 不采用刀具运动编程 而采用工作步骤面向对象的概念 工作步骤相应于高级特征和过程参数 CNC对工作步骤解析为坐标的运动和刀具的动作 数据模块必须包括所有的复杂级别 从加工时 指令的CAD几何数据到离散值的简单轴运动 CNC程序设想可以放在新开发的CNC控制器上 也可能放在分离的支持和改进现有CNC控制器的高级系统上 包括各种网络 对于数控程序的新标准将提供机床操作者更多的柔性 功能 统计表的编辑定义 相关控制和几何过程的修正 新标准允许操作者因为专用机床和技术 而执行专门的功能 对于最终用户新的标准提供统一的编程格式 使程序准备更快 更廉价 较少的后置处理 而且更标准化 在数控编程级CAD CAM系统和NC系统之间的数据交换将更方便 4 2 3STEP NC为计算机数控 CNC 提供的发展空间STEP NC的发展使得STEP标准扩展到自动化加工的底层设备 建立了一条贯穿整个制造过程的高速公路 将影响相关的CAX技术 CAD CAPP CAM CAE PDM ERP等 刀具 机床 夹具 先进生产模式等 主要有以下几方面 数控编程界面 数控系统的开放性 数控系统的智能化 CAM和CNC之间的功能重新划分 嵌入式CAM 加工质量和效率 CNC改变被动执行者的地位 数据共享与网络制造 4 3开放式数控 OPENCNC 4 3 1开放数控的产生和发展 1 产生的原因 当今的CNC控制器是个黑匣子 封闭保密 制造厂和用户不能把特殊加工工艺 管理经验和操作技能等放进去 要求透 明 因此需要开放结构的数控系统 现在的CNC技术 其核心为CNC控制器和驱动技术 及结构为专用的软硬件 远落后于PC的主流技术 升级困难 各厂家产品不兼容 成本高 用户界面不灵活 网络功能弱 系统维护培训昂贵 2 发展情况 美国 OMAC1981年 国防部为了减少军备制造对日本控制系统的依赖性 开始了一项名为 下一代控制器 NGC 的计划 并成立了 美国国家科学制造中心 该计划于1991年终止 完成了 开放式系统体系结构标准 SOSAS 1995年 在NGC的基础上 由美国国防部资助又开始了由20个公司合作的 OASAY 计划 目的是建立8个控制器并在6个不同的系统平台上测试这8个控制器 1994年美国汽车工业为了解决自身发展过程中碰到的一系列问题 由克莱斯勒 福特和通用三家大汽车公司开始了一项名为 开放式模块化体系结构控制器 OMAC OpenModularArchitectureControls 的计划 欧洲 OSACA1992年在欧洲 启动了一项 自动化系统中控制器的开放系统体系结构 OSACA OpenSystemArchitectureforControlswithinAutomationSystems 的联合计划 由22家欧州的机床生产商 控制开发商 控制集成商和研究机构参加 后来扩大到27名会员 日本 OSEC1995年日本六家公司 东芝机器制造公司 丰田机器厂 MAZAK公司 日本IBM 三菱电子公司和SML公司共同实施了 控制器开放系统环境计划 OSEC OpenSystemEnvironmentforControllers 的计划 OMAC OSACA OSEC是在当前开放式控制系统领域内有很大影响的三个计划 这几大开放数控系统计划正在执行中 已有了自己的标准和样机产品 4 3 2开放性 开放式数控系统 不但要求模块化 网络化 标准化 用户界面 图形显示 动态仿真 数控编程 故障诊断 网络通讯 而且对实时性和可靠性要求很高 其特点 可移植性 在保持应用模块功能的情况下 不需任何变化就可以应用到不同的平台上 可扩展性 不同的模块能运行于一个平台 而不出现冲突 互操作性 模块在一起工作时 表现为相互协调 可以根据定义相互交换数据 可维护性 用户修方便 统一的人机界面 4 3 3结构 目前开放的数控系统结构有3种 基于PC的CNC系统 软数控 SoftCNC 以PC机为平台 数控功能由软件模块实现 但要决实时性的问题 运动执行通过伺服卡传递数据 由伺服系统驱动坐标轴电机 全方位开放 基于PC的CNC系统 软数控 SoftCNC 以PC机为平台 数控功能由软件模块实现 但要决实时性的问题 运动执行通过伺服卡传递数据 由伺服系统驱动坐标轴电机 全方位开放 PC嵌入式 把一块多轴运动控制卡插入传统的PC中 运动卡运行以坐标轴运动为主的实时控制 作为数控功能运行 PC作为人机接口平台 易实现 研究单位和高校 PC CNC 融合系统 专业厂家认为CNC系统最主要功能是高速 高精加工和可靠性 向PC在的死机现象是不允许的 已生产的大量CNC系统在体系结构上变化 对维修和可靠性不利 故采取了 增加一块PC板 提供键盘 使PC与CNC联系在一起的方案 可界面开放 提高人机界面的功能 专业CNC系统厂家 如fanuc siemens等 现在都这样做 4 4CNC控制器的发展趋势4 4 1多坐标 多通道控制 FANUC30i MODELA 十个通道 40个轴 32个进给轴 8个主轴 联动轴数24 每通道 3个PMC通道 最大I O点数4096 4096 PMC基本命令速度25ns 最大预读程序段 1000段 适合作为大型自动机床 复合机床 多头机床的控制器 4 4 2高速高精 低速高精加工功能1 新功能 前馈控制 补偿由于反馈滞后所产生的误差 提高加工精度 进给率和加减速曲线控制 减少加减速滞后所产生的误差 前瞻控制 在程序执行前 对运动数据进行计算处理和多段缓冲 从而控制刀具以很小的误差进行高速运动 平滑运行的高精度轮廓控制 对指令的实时识别 最佳的控制速度 加速度 加加速度 使加工保持最佳状态 数字滤波器技术 用以消除机械谐振 提高伺服系统的位置增益 高精高速进给伺服系统 高精高速主轴伺服系统 高增益的驱动器 控制单元 电机 提高编码器的分辨率 1600万 转 直线伺服电机驱动 提高进给刚度 对于直线电机 设计数字滤波器以避免直接驱动机械带来的多点谐振 主轴采用交流同步伺服电机驱动时 高增益控制 无齿槽效应高分辨率电机 使主轴低速时转矩大 精度高 采用交流异步高分辨率伺服电机驱动时 高速度高精度 纳米控制 在系统检测分辨率为1 m时 插补分辨率为1nm 采取措施 CNC内部计算以纳米或更小的单位计算 使误最小化 高精度的交流数字伺服控制 很高的电流检测精度 相应的硬件 RISC芯片 纳米平滑功能 以纳米为单位评估原始曲线 圆整指令公差 使加工自由曲面时 减小或消除程序段之间出现的条纹 NURBS插补 2 NURBS插补简介1 概述 高速加工CNC控制器具有NURBS插补功能 可以接受CAM 软件传来的BURBS格式的刀位轨迹数据 进行BURBS插补加工 在CAM软件的刀位轨迹计算时 直接输出定义NURBS曲线的 控制点 权重 节点 然后通过后处理译成机床CNC系统可识别的G代码 CNC以插补速率对原始的NURBS曲线进行插补加工 常规的CAM后置处理提供二种插补 直线插补和圆弧插补 常用线性插补逼近 高速加工设备出现了NURBS曲线插补 这使CNC系统具备了能自动进行NURBS格式定义的加工域生成的能力 各种插补比较如下 图4 4 1NURBS曲线的插补方式 2 NURBS插补的优点 与线性插补相比 CAM输出的NURBS插补的刀位文件大为缩短 只有其1 10 1 100 由于高速铣采用小的刀具 小的切削量和窄的公差带 如公差带设置为 0 002mm或更小 按照常规的插补方法 这个程序的长度会很大 可能达到100MB以上 许多机床的CNC控制器不能接受 NURBS插补比采用近似分段的直线和圆弧插补更为准确 刀位轨迹更加平滑 NURBS插补速率快 精度高 例如 GEFanucNURBS插补采样周期为1ms 加工处曲率半径为50mm 产生的法向加速度为0 2g 以18 8m min的高速进行加工 计算 一个插补周期的轮廓步长L fT 18 8m 1000 min 60 1000 0 313mm插补误差e Ft 2 8r 0 3132 8 50 0 0002448mm 0 245 m 改变高速切削的表面质量 得到平滑精确的表面 如采用内 外公差 Intol Outtol 会得到更加平滑的刀具轨迹 NURBS插补可缩短加工时间 由于机床存在惯性 在用直线插补时 存在直线拐角处的拐角运动 为了避免冲击 机床一般按平滑规律进行加减速处理 这样每到一拐角就要降低速度 然后再加速 而NURBS插补是光滑的 能在加速度允许的范围内以最大速度进行加工 有的专家认为 提高数控加工质量 速度的最好办法之一是高速加工技术和NURBS插补的结合3 NURBS格式输出的系统模型NURBS插补由CAD CAM CNC的过程见下图 4 NURBS插补指令的格式 G6 2P K X Y Z R 在UG中 如果选择了NURBS选项后 要回答三个问题 分段的NURBS曲线是否联接成一条曲线 角度公差控制 两个NURBS曲线的切线的夹角 为了光滑选为5 或更小 拟合公差控制 目前支持NURBS功能的CNC系统有 FANUC系统的15B 16C 16iMA 18i Seimens Heidenhain Makino Fidia等 4 4 3五轴加工和复杂加工功能 五轴加工工艺合理 对三维曲面加工可充分利用刀具的最佳几何形状进行切削 在复杂形状的高速高精加工中 可以提高效率提高光洁度 五轴加工的机械配置有刀具旋转方式 工作台旋转方式及它们的混合方式 五轴加工功能要满足各种配置 功能为 刀具轴方向的长度补偿 五轴加工刀具中心点控制 五轴加工刀具半径补偿 三维圆弧插补 可以指定倾斜平面内的圆弧 五轴加工刀具中心点控制 倾斜加工指令 五轴加工用手动进刀 4 4 4数控智能 环保 安全技术1 智能1 智能技术 随着人工智能在计算机领域的不断渗透和发展 数控系统的智能化将不断提高 主要为 应用自适应控制 AdaptiveControl 技术数控系统检测加工过程中的一些重要信息 并自动调整系统的有关参数 达到改进系统运行状态的目的 引入专家系统指导加工将熟练工人和专家的经验 加工的一般规律与特殊规律存入系统中 以工艺参数数据库为支撑 建立具有人工智能的专家系统 当前已开发出模糊逻辑控制和带自学习功能的人工神经网络的数控系统和其它数控加工系统 引入故障诊断专家系统 智能化伺服驱动装置可以通过自动识别负载而自动调整参数 使驱动系统获得最佳的运行状态 2 智能技术应用机床的智能化不仅可实现远程诊断 远程服务 而且使机床融合了信息技术和管理技术 日本Mazak公司的Integrexe系列车铣中心为五轴联动 X Y Z B C 可通过开放式CNC系统与公司的e塔式信息中心交换数据 从局域网下载零件图纸 加工程序 对零件加工过程进行监控 录像 以便对加工中心出现的问题进行检查分析 机床采用的信息技术为操作者和管理者提供了广泛支持 包括 显示生产进度 用CCD摄像头和特有的结构监控 辅助操作者改善机床的操作 使机床由报警状态快速恢复正常 显示加工完成情况报告 通过移动电话 机床报警通知 时间显示 加工完成时间 要求维护保养通知等等 机床还有指纹识别系统 机床可进行车 铣 钻 热处理 磨等加工 意大利的板材加工线编程系统采用三维图像自动编程 并进行成型工艺仿真 监控机床的使用状况 预警维护保养 还可以计算工时 成本 交货期 通过远程通讯解决用户编程中的难题 2 环保环境保护越来越受到重视 节地 节能 低噪声 干切削 无液压 免润滑 MQL MinimumQuitLiquid 是今后数控机床发展的新特点 机床普遍采用即坚固美观 又方便操作的全封闭活动罩门 防止切削液飞溅和形成油雾 安装油雾分离器使排除的只是不含油的雾 在切削加工中 作为重要环保措施的干切削 是指在加工过程中不使用或极少使用冷却润滑液 干切削的技术措施 刀具采用耐热性和散热性良好的涂层材料 无润滑的解决办法是 采用润滑性能优异的涂层物质 设计有利于断屑和排屑的刀具形状和几何参数 许多机数控床实现了干切削 特别是齿轮加工机床很多都 是干切削的 干式切削要解决的问题是刀具寿命 切屑的及时排走和价格问题 3 安全安全分三个层次 操作者 机床和工件 人的安全是通过带电子锁的全封闭罩 甚至是防弹玻璃 和双手操作按钮来保证 在突然停电或遇突发故障时 刀具会迅速与工件分离 保证机床安全 工件的安全通过传感器和安全开关来保证 4 4 5复合数控功能1 定义 复合加工是指在同一机械上 可以进行多种工艺的加工 如一圆柱体各部位加工 在一台机床上车削外圆 镗内孔 铣圆柱面上的沟槽等 可提高生产率 该机床上要有进行复合加工功能的控制系统 如 车铣加工中心 铣车加工中心 的数控系统是铣 车等功能的复合 2 车铣复合中心车铣复合中心是由车削中心衍生出的车铣复合中心 在数控车床的托板上增加大功率 高转速的电主轴动力头 电主轴头除了随托板作X Z轴运动外 还作垂直于X Z平面的Y轴运动和绕Y轴回转的B轴运动 从而达到了车铣复合 奥地利WFL公司的Millturn系列 9轴数控车铣复合中心 是一种集车削中心 五轴加工中心 深孔钻和三坐标测量机的所有功能复合 整机可以进行车 铣 钻 镗 插 滚齿等各种操作 7轴两个五轴联动数控车床 该机结构为卧式双主轴 单刀塔 双面布置的两个主轴每个都可作C轴旋转和Z轴运动 刀塔作X轴Y轴运动和B轴旋转 刀塔上可配24把刀具 两个主轴头可分别与刀塔实现五轴联动 7轴排刀数控车床 其为卧式双主轴刀排式布局 双主轴均带C轴控制 两个主轴分别配置动力刀排 实现七轴控制 3 铣车中心铣车中心已系为主 带有车的功能 瑞士的铣车中心是在立式加工中心上带棒料自动送料器 以棒料为坯料复合了车削功能 主轴最高转速为20000r min 机床X Y Z A B等多轴可控 德国的Stama 美国的Saas也有铣车中心 数控滚 磨机 蜗杆 成型磨齿机及集自动上下料 检测 刀具对中 磨齿及修正砂轮于一体的磨齿机均为复合机床 复合数控机床还有 卧式镗铣和深孔钻的复合机床 板材冲和激光切割 或等离子切割 火焰切割 的复合机床 4 4 6进网通讯功能 以太网 现场总线 无线通讯技术 PC CNC对多台机床进行集中监控和管理需要通过网络通信 传送程序 监控加工状态 传送维修数据 进行远程控制操作和诊断 传送CAD CAM数据 现代的网络制造系统要求CNC系统有很强的网络通讯功能 4 4 7高可靠性 高安全性 采取措施 采用光纤通讯 减少电缆连接 采用纠错码 ECC 采用双检措施 在CNC内嵌入多个处理器冗余的监控伺服电机 主轴电机 与安全相关的I O信号 并使用急停与相关的I O电路 使系统安全的运行和停止 4 4 8控制器的开放性 开放式数控系统 前面已介绍 要注意几点 要保证实时性 不是现在的PC机拿来就能用 开放性和可靠性时是有矛盾的 注意解决它们之间的关系 开放是有层次的 按模块或组件 不能无限开放 4 4 9STEP NC数控系统 有两种方案 一是增加STEP NC程序的编译器 二是重新设计开放式CNC系统 这样才能以STEP NC标准编制的程序 进行CAD CAM与CNC一体化的加工 4 5伺服驱动技术的发展4 5 1全数字化伺服系统的组成 数字系统的进给控制 传动系统及控制方案图 4 5 2新发展的主要技术伺服驱动技术是数控技术的重要组成部分 与数控装置相配合 伺服系统的静态和动态特性直接影响机床的位移速度 定位精度和加工精度 现在 直流伺服系统被交流数字伺服系统所取代 伺服电机的位置 速度及电流环都实现了数字化 并采用了新的控制理论 实现了不受机械负荷变动影响的高速响应系统 前馈控制技术 过去的伺服系统 是把检测器信号与位置指令的差值乘以位置环增益作为速度指令 这种控制方式总是存在着跟踪滞后误差 这使得在加工拐角及圆弧时加工精度恶化 所谓前馈控制 就是在原来的控制系统上加上速度指令的控制方式 这样使伺服系统的跟踪滞后误差大大减小 2 机械静止摩擦的非线性控制技术 对于一些具有较大静止摩擦的数控机床 新型数字伺服系统具有补偿机床驱动系统静摩擦的非线性摩擦的非线性控制功能 3 伺服系统的位置环和速度环 包括电流环 均采用数字闭环 软件计算 数字调解等 为适应不同类型的机床 不同精度和不同速度的要求 预先调整加 减速性能或自动调整加 减速性能 4 采用高分辨的位置检测装置 高分辨率的脉冲编码器 内有微处理器组成的细分电路 使得分辨率大大提高 增量位置检测为10000p r 脉冲数 每转 以上 绝对位置检测为1000000p r 16000000以上 5 补偿技术得到了发展和应用 现代数控系统都具有补偿功能 可以对伺服系统进行多种补偿 如丝杠螺距误差补偿 齿侧间隙补偿 轴向运动误差补偿 空间误差补偿和热变形补偿等 6 采用光栅尺的全闭环系统7 矢量控制技术 4 6机械结构技术为适应数数控技术的发展 机械结构也发生了很大的变化 为缩小体积 减少占地面积 更多地采用机电一体化结构 为了提高自动化程度 而采用自动交换刀具 自动交换工件 主轴立 卧自动转换 工作台立 卧自动转换 主轴带C轴控制 万能回转铣头 以及 数控夹盘 数控回转工作台 动力刀架 和 数控夹具 等 为了提高数控机床的动态特性 伺服系统和主机进行很好的机电匹配 同时主机也借助计算机进行模块化 优化设计 4 6 1设计思想的发展机床是工作母机 机床制造必须连续不断的开发新思想 满足用户对产品制造质量和效率日益提高地要求 单纯优化现有工艺和一再提高机床的功率是远远不够的 在新的驱动技术和运动学领域的新开发 轻型化的新材料 环保生产 机床安全 精度和测试技术 微型制造和微型装卸技术等方面的研究值得注意 机床的运动分配和运动设计已经打破传统的金切机床分类 不管是工件旋转还是刀具旋转为主运动 只要工件和刀具之间有相对运动就行 并要求这种布置为最佳 机床的动力头在同一台机床上有时作传统意义上的主轴使用 有时又作动力刀具的旋转轴使用 在同一次装夹的情况下 上一工步工件旋转作为主运动 下一步则是工件的进给运动 以 完全加工 的理念进行工序复合和功能复合 4 6 2机床功能部件1 电主轴 驱动 轴承 润滑 冷却 本体 动平衡 减轻重量 电机 交流同步 额定转速下 横扭矩 交流异步 高速性好 2 直接驱动 旋转直接驱动 直线直接驱动 旋转直接驱动 力距电机 低速大扭矩 直线直接驱动 直线电机 已解决漏磁和发热问题 加速度可达3个g3 滚动部件 滚珠丝杠副 直线滚动导轨 精紧自润滑滚珠丝杠 加速度可达2g 4 数控刀架 数控刀架形式多样 德国 意大利 刀架的控制和驱动采用伺服电机或液压系统 回转180 的时间安已缩短到0 5s 刀架 品种繁多 可以为各种数控车床 车削加工中心配套 5 铣头 为数控铣床 加工中心 车铣中心等配套的各式各样铣头 车铣中心用的B轴铣头 可在210 范围内摆角进行高精度铣切加工 数控铣床 加工中心用的二坐标铣头能A B轴 立 卧二用 摆角 可加工任意空间面 6 数控转台 已有了二坐标数控转台 具有连续分度和鼠牙盘分度二种形式 它具有双耳轴 平台能倾转 转台上配备交换工作台接收装置 7 刀库 刀库容量增大 大容量 刀位不动的 货架式 刀库用工业机器人取放 的刀具 圆柱形立体刀库 德国 在圆柱内可容纳500把刀 圆柱中心的工业机器人按程序预选 取放 并传递给机床主轴 框架式刀库 瑞士 该刀库每个模块可容纳96把刀具 模块外形1 8 1 2 25m 可以层层叠加扩展容量 刀库内机械手按程序抓放刀后 先传递给一个作为 二传手 的接接模块 再对机床换刀 数控刀架形式多样 德国 意大利 刀架的控制和驱动采用伺服电机或液压系统 回转180 的时间安已缩短到0 5s 刀架 品种繁多 可以为各种数控车床 车削加工中心配套 8 棒料自动送料器 9 润滑系统 排屑系统等等 10 高速多轴转塔头塔头的主轴有2 3 6 8个等多种 转速最高可达12000 18000r min 功率4 50kW 4 6 3并联机床进入实用阶段并联机床自94年在美国芝加哥国际机床展览会上面市以来 有了很大发展 结构紧凑而且增大了工作空间 机床刚度和工作精度进一步提高 已进入实用阶段 主要用于汽车业 航空业和模具业 在加工中心和可移动FMC中也采用了并联结构 有六杆 三杆 立式 卧式并联机床 结构形式为并联 串联和混合结构 可采用直线电机和电主轴 并联机床的工作台有固定台 可交换台 水平分度台 滑座床身等多种 现已达到的最高精度 定位精度为 5 m 重复定位精度为 1 5 m 过去并联机床的最大问题是精度不如传统结构机床 其原因一是坐标轴 支杆 的位置精度不高 二是由于热效应和切削力引起的变形 现在杆内除装有滚珠丝杠外 还有检测杆自身长度的测量系统 通过补偿校正运动精度 4 6 4数控激光加工领域有了新的进展激光加工机床有 用于板材下料的激光切割中心 激光龙门铣切机床 可以五轴联动 激光雕刻机床 激光加工中心 三个光学轴 三个机械轴 高速铣切和激光加工复合机床 功率 精细加工为 几百瓦 切割等为几千瓦 激光器有 CO2激光器 固体激光器YAG 准分子激光器 冷切削 激光加工工艺方法 激光铣切 激光雕刻铣切 激光焊接 激光表面处理 激光打孔 激光切割等 激光铣切的进一步发展 有可能取代部分电加工机床 激光加工范围 激光束能 激光束直径 0 04MM 0 1MM 几乎对所用材料都能加工 如精密膜具和工件加工 膜型制造 珠宝加工 薄片加工 刀具加工 陶瓷的精细雕刻 这是一般铣削和电火花加工所不能比拟的 加工精度 10 m 表面粗糙度 1 m 4 6 5成套 成线制造装备 4 6 6工业机器人技术融入数控机床 促进成套技术向自动化方向发展 4 7编程技术的发展4 7 1数控编程技术的发展数控编程技术是实现数控加工的主要环节 发展趋势 由手工编程发展到自动编程 由APT语言形式发展到自CAD CAM自动编程 此外还有下面特点 1 脱机编程发展到在线编程 传统的编程是脱机进行的 由人工 计算机以及采用编程机来完成 然后再输入给数控装置 现代的CNC装置有很强的存储和运算能力 把很多自动编程机具有的功能 移植到数控装置的计算机中来 在人工操作键盘和彩色显示器的作用下 在线的以人机对话方式进行编程 并具有前台操作 后台编程的功能 2 具有机械加工技术中的特殊工艺和组合工艺方法的程序编制功能 除了具有圆切削 固定循环和图形循环外 还有宏程序设计 子程序设计功能 会话式自动编程 蓝图编程和实物编程 功能 3 编程系统由只能处理几何信息发展到几何信息和工艺信息同时处理的新阶段 新型的CNC系统中装入了小型工艺数据库 使得在线程序编制过程中可以自动选择最佳切削用量和适合的刀具 4 7 2基于CAD CAM软件的交互图形自动编程4 7 2 1CAD CAM软件数控编程简介交互图形编程的实现是以CAD技术为前提 编程的核心是刀位点的计算 对于复杂零件 其数控加工刀位点的人工计算十分困难 而CAD三维造型包含了数控编程所需要的完整的零件表面几何信息 计算机软件可针对这些几何信息进行数控加工的刀位自动计算 绝大部分数控编程软件 CAM 都具有CAD功能 因此称为CAD CAM一体化软件 基于CAD CAM软件的交互图形编程技术与CAD技术相比较要简单的多 其实现过程基本固定 其操作简单易学 然而对经验依赖较强 目前 市场上流行的CAD CAM软件种类较 多 均具备了交互图形编程的功能 操作大同小异 4 7 2 2常用CAD CAM软件简介 1 UG Unigraphich 为EDS公司产品 是世界上处于领先地位的最著名的几种大型CAD CAM软件之一 2 PRO E同上 3 Cimatrom为1982年成立的以色列Cimatrom公司产品该软件具有功能齐全 操作方便 学习简单 经济实用的特点 受到小型加工企业的欢迎 在我国有广泛的应用 4 MasterCAM为美国CNCSoftware公司研制开发的CAD CAM系统 它与Cimatrom相识 也是一种简单易学经济实用的小型CAD CAM软件 5 CATIA等6 POWERMILL等 4 7 2 3基本实现过程1 CAD CAM交互图形编程的过程和内容 2 包括内容 1 CAD造型是交互式自动编程的基础 编程人员需要掌握一定的三维造型技术 零件造型 装配图 工程图 2 加工工艺分析和规划 加工对象及区域规划 加工工艺路线规划 加工工艺和加工方式确定 3 参数设置 加工对象 刀具设置 加工工艺参数设置 切削方式设置 4 刀位轨迹计算 5 仿真校验 6 后处理 3 编程的质量判定标准为 程序是正确的 完备 如不存在加工残留区域 零件加工质量稳定 误差控制 包括插补误差 残留高度控制等 程序的稳定性好可读性好 易于调试和修改 例如 要改变非圆曲线的逼近步长或曲面的走刀行距 只需修改某一个参数即可 而不必修改整个程序 当刀具半径变化或零件安装位置改变 不需改变程序 充分发挥系统功能 使程序最短 例如 系统有型腔宏指令 一条指令可以编出一个铣腔程序 若弃之不用 改为一刀一刀的描述 则势必造成程序冗长 程序的通用性好 若有系列零件 则只需编一种 其余只要修改关键尺寸 程序即可使用 加工效率 即在保证加工精度的前提下 加工程序的执行时间越少越好 安全性 指程序对可能出现的让刀 漏刀 撞刀及过切等不良现象的防范措施和效果 工艺性 包括进退刀的设置 刀具选择 加工工艺规划 加工流程及余量分配 切削方式 刀位轨迹形式选择 接刀痕迹控制及其他各种工艺参数 如进给速度 主轴转速 切削方向 背吃刀量等 的设置等 编程成本低 运行成本要低 后续加工成本低 4 用CAM编制程序的优化由于数控系统及机床各异 尽管有专用后置处理或万能后置处理 CAM的后置处理功能还时比较弱 与机床CNC数控系统功能相比 仍有相当差距 对用CAM编制的程序应该进行优化 若能既充分发挥CAM的优点 又能避免其不足 还能充分发挥数控系统的功能和操作者的实践经验 就需要对CAM编制的零件加工程序进行优化 使之编出一个高水准的零件加工程序 优化加工程序建议从以下几方面考虑 4 1发挥系统刀具半径补偿功能 4 2以圆弧插补功能代替直线逼近 4 3利用系统的简化编程功能 系统提供了大量的简化编程功能 如 固定循环 刀具补偿 轮廓直接编程 比例缩放和镜象 坐标旋转 典型形状 圆周 矩阵 孔位描述计算 规则形状 圆形 矩形 挖腔 不规则形状挖腔 带孤岛型挖腔等功能 若CAM的后置处理 能按这些功能处理出零件加工程序 则可大大缩短程序 例如曲面加工 只编出一个象限的加工程序 利用系统的镜象功能加工其余象限 则程序为原来的1 4 在链轮等重复形状的轮廓加工中 用CAM编出一个形状的轮廓 其余用旋转功能 程序缩短的更可观 又如矩形腔的挖腔程序 多刀多层切削程序较长 若能处理成挖腔宏指令 则只需一段程序便能完成整个挖腔加工 4 4发挥系统空间刀具半径补偿功能 4 5利用系统的用户宏程序功能 缩短非圆曲线轮廓 空间曲线甚至曲面的加工程序 4 6利用子程序功能简化编程 用CAM编制子程序加工程序 由数控系统编制主程序和子程序调用功能 子程序中有大量的数值计算工作量 由CAM来完成 主程序多调用指令用手工编程 这样程序灵活