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【兆恒機(jī)械】高端精密制造的CNC數(shù)控加工技術(shù)

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  • 添加日期:2021年11月18日

數(shù)控技術(shù)的應(yīng)用使傳統(tǒng)的制造業(yè)發(fā)生了質(zhì)的變化,尤其是近年來.微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展給數(shù)控技術(shù)帶來了新的活力。數(shù)控技術(shù)和數(shù)控裝備是各個(gè)國家工業(yè)現(xiàn)代化的重要基礎(chǔ)。

 

數(shù)控機(jī)床是現(xiàn)代制造業(yè)的主流設(shè)備,精密加工的必備裝備,是體現(xiàn)現(xiàn)代機(jī)床技術(shù)水平、現(xiàn)代機(jī)械制造業(yè)工藝水平的重要標(biāo)志,是關(guān)系國計(jì)民生、國防尖端建設(shè)的戰(zhàn)略物資。因此世界上各工業(yè)發(fā)達(dá)國家均采取重大措施來發(fā)展自己的數(shù)控技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)。


CNC 數(shù)控加工
CNC 是英文 Computer Numberical Control 的縮寫,意思是“計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)控制”,簡單地說就是“數(shù)控加工”,在珠江三角洲地區(qū),人們稱為“電腦鑼”。

 

數(shù)控加工是當(dāng)今機(jī)械制造中的先進(jìn)加工技術(shù),是一種具有高效率、高精度與高柔性特點(diǎn)的自動(dòng)化加工方法。它是將要加工工件的數(shù)控程序輸入給機(jī)床,機(jī)床在這些數(shù)據(jù)的控制下自動(dòng)加工出符合人們意愿的工件,以制造出美妙的產(chǎn)品。

 

數(shù)控加工技術(shù)可有效解決像模具這樣復(fù)雜、精密、小批多變的加工問題,充分適應(yīng)了現(xiàn)代化生產(chǎn)的需要。大力發(fā)展數(shù)控加工技術(shù)已成為我國加速發(fā)展經(jīng)濟(jì)、提高自主創(chuàng)新能力的重要途徑。目前我國數(shù)控機(jī)床使用越來越普遍,能熟練掌握數(shù)控機(jī)床編程,是充分發(fā)揮其功能的重要途徑。

 

數(shù)控機(jī)床是典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品,它集微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、測量技術(shù)、傳感器技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)及人工智能技術(shù)等多種先進(jìn)技術(shù)于一體,并與機(jī)械加工工藝緊密結(jié)合,是新一代的機(jī)械制造技術(shù)裝備。

 

CNC 數(shù)控機(jī)床的組成


數(shù)控機(jī)床集機(jī)床、計(jì)算機(jī)、電動(dòng)機(jī)及拖動(dòng)、動(dòng)控制、檢測等技術(shù)為一體的自動(dòng)化設(shè)備。數(shù)控機(jī)床的基本組成包括控制介質(zhì)、數(shù)控裝置、伺服系統(tǒng)、反饋裝置及機(jī)床本體,如圖

 

 

1、控制介質(zhì)

控制介質(zhì)是儲(chǔ)存數(shù)控加工所需要的全部動(dòng)作刀具相對(duì)于工件位置信息的媒介物,它記載著零件的加工程序,因此,控制介質(zhì)就是指將零件加工信息傳送到數(shù)控裝置去的信息載體??刂平橘|(zhì)有多種形式,它隨著數(shù)控裝置類型的不同而不同,常用的有穿孔帶、穿孔卡、磁帶、磁盤等。隨著數(shù)控技術(shù)的發(fā)展,穿孔帶、穿孔卡趨于淘汰,而利用 CAD/CAM 軟件在計(jì)算機(jī)編程,然后通過計(jì)算機(jī)與數(shù)控系統(tǒng)通信,將程序和數(shù)據(jù)直接傳送給數(shù)控裝置的方法應(yīng)用越來越廣泛。

 

2、數(shù)控裝置

數(shù)控裝置是數(shù)控機(jī)床的核心,人們喻為“中樞系統(tǒng)”?,F(xiàn)代數(shù)控機(jī)床都采用計(jì)算機(jī)數(shù)控裝置 CNC。數(shù)控裝置包括輸入裝置及中央處理器(CPU)和輸出裝置等構(gòu)成數(shù)控裝置能完成信息的輸入、存儲(chǔ)、變換、插補(bǔ)運(yùn)算以及實(shí)現(xiàn)各種控制功能。

 

3、伺服系統(tǒng)

伺服系統(tǒng)是接收數(shù)控裝置的指令、驅(qū)動(dòng)機(jī)床執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)部件。包括主軸驅(qū)動(dòng)單元、進(jìn)給驅(qū)動(dòng)單元、主軸電機(jī)和進(jìn)給電機(jī)等。工作時(shí),伺服系統(tǒng)接受數(shù)控系統(tǒng)的指令信息,并按照指令信息的要求與位置、速度反饋信號(hào)相比較后,帶動(dòng)機(jī)床的移動(dòng)部件或執(zhí)行部件動(dòng)作,加工出符合圖紙要求的零件。

 

4、反饋裝置

反饋裝置是由測量元件和相應(yīng)的電路組成,其作用是檢測速度和位移,并將信息反饋回來,構(gòu)成閉環(huán)控制。一些精度要求不高的數(shù)控機(jī)床,沒有反饋裝置,則稱為開環(huán)系統(tǒng)。

 

5、機(jī)床本體

機(jī)床本體是數(shù)控機(jī)床的實(shí)體,是完成實(shí)際切削加工的機(jī)械部分,它包括床身、底座、工作臺(tái)、床鞍、主軸等。

 

CNC 加工工藝的特點(diǎn)


CNC 數(shù)控加工工藝也遵守機(jī)械加工切削規(guī)律,與普通機(jī)床的加工工藝大體相同。由于它是把計(jì)算機(jī)控制技術(shù)應(yīng)用于機(jī)械加工之中的一種自動(dòng)化加工,因而具有加工效率高、精度高等特點(diǎn),加工工藝有其獨(dú)特之處,工序較為復(fù)雜,工步安排較為詳盡周密。

 

CNC 數(shù)控加工工藝包括刀具的選擇、切削參數(shù)的確定及走刀工藝路線的設(shè)計(jì)等內(nèi)容。CNC 數(shù)控加工工藝是數(shù)控編程的基礎(chǔ)及核心,只有工藝合理,才能編出高效率和高質(zhì)量的數(shù)控程序。衡量數(shù)控程序好壞的標(biāo)準(zhǔn)是:最少的加工時(shí)間、最小的刀具損耗及加工出最佳效果的工件。

 

數(shù)控加工工序是工件整體加工工藝的一部分,甚至是一道工序。它要與其他前后工序相互配合,才能最終滿足整體機(jī)器或模具的裝配要求,這樣才能加工出合格的零件。

 

數(shù)控加工工序一般分為粗加工、中粗清角加工、半精加工及精加工等工步。

 

CNC 的數(shù)控編程

數(shù)控編程是從零件圖紙到獲得數(shù)控加工程序的全過程。它的主要任務(wù)是計(jì)算加工走刀中的刀位點(diǎn)(cutter location point 簡稱 CL 點(diǎn))。刀位點(diǎn)一般取為刀具軸線與刀具表面的交點(diǎn),多軸加工中還要給出刀軸矢量。 


數(shù)控機(jī)床是根據(jù)工件圖樣要求及加工工藝過程,將所用刀具及各部件的移動(dòng)量、速度和動(dòng)作先后順序、主軸轉(zhuǎn)速、主軸旋轉(zhuǎn)方向、刀頭夾緊、刀頭松開及冷卻等操作,以規(guī)定的數(shù)控代碼形式編成程序單,輸入到機(jī)床專用計(jì)算機(jī)中。然后,數(shù)控系統(tǒng)根據(jù)輸入的指令進(jìn)行編譯、運(yùn)算和邏輯處理后,輸出各種信號(hào)和指令,控制各部分根據(jù)規(guī)定的位移和有順序的動(dòng)作,加工出各種不同形狀的工件。因此,程序的編制對(duì)于數(shù)控機(jī)床效能的發(fā)揮影響極大。

 

數(shù)控機(jī)床必須把代表各種不同功能的指令代碼以程序的形式輸入數(shù)控裝置,由數(shù)控裝置進(jìn)行運(yùn)算處理,然后發(fā)出脈沖信號(hào)來控制數(shù)控機(jī)床的各個(gè)運(yùn)動(dòng)部件的操作,從而完成零件的切削加工。

 

目前數(shù)控程序有兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn):國際標(biāo)準(zhǔn)化組織的 ISO 和美國電子工業(yè)協(xié)會(huì)的 EIA。我國采用 ISO 代碼。

 

隨著技術(shù)的進(jìn)步,3D 的數(shù)控編程一般很少采用手工編程,而使用商品化的 CAD/CAM 軟件。

 

CAD/CAM 是計(jì)算機(jī)輔助編程系統(tǒng)的核心,主要功能有數(shù)據(jù)的輸入 / 輸出、加工軌跡的計(jì)算及編輯、工藝參數(shù)設(shè)置、加工仿真、數(shù)控程序后處理和數(shù)據(jù)管理等。

 

目前,在我國深受用戶喜歡的、數(shù)控編程功能強(qiáng)大的軟件有 Mastercam、UG、Cimatron、PowerMILL、CAXA 等。各軟件對(duì)于數(shù)控編程的原理、圖形處理方法及加工方法都大同小異,但各有特點(diǎn)。

 

CNC 數(shù)控加工零件的步驟

 

 

1、分析零件圖,了解工件的大致情況(幾何形狀,工件材料,工藝要求等)

2、確定零件的數(shù)控加工工藝(加工的內(nèi)容,加工的路線)

3、進(jìn)行必要的數(shù)值計(jì)算(基點(diǎn)、節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)計(jì)算)

4、編寫程序單(不同機(jī)床會(huì)有所不同,遵守使用手冊(cè))

5、程序校驗(yàn)(將程序輸入機(jī)床,并進(jìn)行圖形模擬,驗(yàn)證編程的正確)

6、對(duì)工件進(jìn)行加工(好的過程控制能很好的節(jié)約時(shí)間和提高加工質(zhì)量)

7、工件驗(yàn)收和質(zhì)量誤差分析(對(duì)工件進(jìn)行檢驗(yàn),合格流入下一道。不合格則通過質(zhì)量分析找出產(chǎn)生誤差原因和糾正方法)。

 

 

數(shù)控機(jī)床的發(fā)展歷史


二戰(zhàn)后,制造業(yè)的生產(chǎn)大部分是依靠人工操作,工人看懂圖紙后,手工操作機(jī)床,加工零件,用這種方式生產(chǎn)產(chǎn)品,成本高,效率低,質(zhì)量也得不到保證。

 

在 20 世紀(jì) 40 年代末期,美國有一位工程師帕森斯(John Parsons)構(gòu)思了一種方法,在一張硬紙卡上打孔來表示需要加工的零件幾何形狀,利用著一張硬卡來控制機(jī)床的動(dòng)作,在當(dāng)時(shí),這只是一種構(gòu)思。

 

1948 年,帕森斯向美國空軍展示了他的這種想法,美國空軍看后,表示極大的興趣,因?yàn)槊绹哲娬趯ふ乙环N先進(jìn)的加工方法,希望解決飛機(jī)外型樣板的加工問題,由于樣板形狀復(fù)雜,精度要求高,一般的設(shè)備難以適應(yīng),美國空軍立即委托及贊助美國麻省理工學(xué)院(MIT)進(jìn)行研究,開發(fā)這部硬卡紙來控制的機(jī)床,終于在 1952 年,麻省理工學(xué)院和帕森斯公司合作,成功的研制出了第一臺(tái)示范機(jī),到了 1960 年較為簡單和經(jīng)濟(jì)的點(diǎn)位控制鉆床,和直線控制數(shù)控銑床得到了較快的發(fā)展使數(shù)控機(jī)床在制造業(yè)各部門逐步獲得推廣。

 

CNC 加工的歷史已經(jīng)經(jīng)歷了長達(dá)半個(gè)多世紀(jì),NC 數(shù)控系統(tǒng)也由最早的模擬信號(hào)電路控制發(fā)展為極其復(fù)雜的集成加工系統(tǒng),編程方式也有手工發(fā)展成為智能化、強(qiáng)大的 CAD/CAM 集成系統(tǒng)。

 

就我國而言,數(shù)控技術(shù)的發(fā)展是比較緩慢的,對(duì)于國內(nèi)的大多數(shù)車間來說。設(shè)備比較落后,人員的技術(shù)水平和觀念落后表現(xiàn)為加工質(zhì)量和加工效率低下,經(jīng)常拖延交貨期。

 

1、第一代 NC 系統(tǒng)是在 1951 年引入的,其控制單元主要有各種閥門和模擬電路組成的,1952 年第一臺(tái)數(shù)控機(jī)床誕生,已經(jīng)從銑床或車床發(fā)展到加工中心,成為現(xiàn)代制造業(yè)的關(guān)鍵設(shè)備。

2、第二代 NC 系統(tǒng)于 1959 年產(chǎn)生的,其主要有單個(gè)的晶體管和其他部件組成。

3、1965 年引入了第三代 NC 系統(tǒng),其首次采用集成電路板。

4、實(shí)際上,在 1964 年已經(jīng)研制出來了第四代 NC 系統(tǒng),即我們非常熟悉的計(jì)算機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)(CNC 控制系統(tǒng))。

5、1975 年,NC 系統(tǒng)采用了強(qiáng)大的微處理器,這就是第五代 NC 系統(tǒng)。

6、第六代 NC 系統(tǒng)采用了現(xiàn)行的集成制造系統(tǒng)(MIS)+DNC+柔性加工系統(tǒng)(FMS)

 

數(shù)控機(jī)床的發(fā)展趨勢(shì)


  1. 高速化

隨著汽車、國防、航空、航天等工業(yè)的高速發(fā)展以及鋁合金等新材料的應(yīng)用,對(duì)數(shù)控機(jī)床加工的高速化要求越來越高。

 

a. 主軸轉(zhuǎn)速:機(jī)床采用電主軸(內(nèi)裝式主軸電機(jī)),主軸最高轉(zhuǎn)速達(dá) 200000r/min; 

b. 進(jìn)給率:在分辨率為 0.01μm 時(shí),最大進(jìn)給率達(dá)到 240m/min 且可獲得復(fù)雜型的精確加工; 

c. 運(yùn)算速度:微處理器的迅速發(fā)展為數(shù)控系統(tǒng)向高速、高精度方向發(fā)展提供了保障,開發(fā)出 CPU 已發(fā)展到 32 位以及 64 位的數(shù)控系統(tǒng),頻率提高到幾百兆赫、上千兆赫。由于運(yùn)算速度的極大提高,使得當(dāng)分辨率為 0.1μm、0.01μm 時(shí)仍能獲得高達(dá) 24~240m/min 的進(jìn)給速度; 

d. 換刀速度:目前國外先進(jìn)加工中心的刀具交換時(shí)間普遍已在 1s 左右,高的已達(dá) 0.5s。德國 Chiron 公司將刀庫設(shè)計(jì)成籃子樣式,以主軸為軸心,刀具在圓周布置,其刀到刀的換刀時(shí)間僅 0.9s。

 

2. 高精度化

數(shù)控機(jī)床精度的要求現(xiàn)在已經(jīng)不局限于靜態(tài)的幾何精度,機(jī)床的運(yùn)動(dòng)精度、熱變形以及對(duì)振動(dòng)的監(jiān)測和補(bǔ)償越來越獲得重視。

 

a. 提高 CNC 系統(tǒng)控制精度:采用高速插補(bǔ)技術(shù),以微小程序段實(shí)現(xiàn)連續(xù)進(jìn)給,使 CNC 控制單位精細(xì)化,并采用高分辨率位置檢測裝置,提 高位置檢測精度,位置伺服系統(tǒng)采用前饋控制與 非線性控制等方法;

b. 采用誤差補(bǔ)償技術(shù):采用反向間隙補(bǔ)償、絲桿螺距誤差補(bǔ)償和刀具誤差補(bǔ)償?shù)燃夹g(shù),對(duì)設(shè)備的熱變形誤差和空間誤差進(jìn)行綜合補(bǔ)償。 

c. 采用網(wǎng)格解碼器檢查和提高加工中心的運(yùn)動(dòng)軌跡精度: 通過仿真預(yù)測機(jī)床的加工精度,以保證機(jī)床的定位精度和重復(fù)定位精度,使其性能長期穩(wěn)定,能夠在不同運(yùn)行條件下完成多種加工任務(wù),并保證零件的加工質(zhì)量。

 

3. 功能復(fù)合化

復(fù)合機(jī)床的含義是指在一臺(tái)機(jī)床上實(shí)現(xiàn)或盡可能完成從毛坯至成品的多種要素加工。根據(jù)其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)可分為工藝復(fù)合型和工序復(fù)合型兩類。加工中心能夠完成 車削、銑削、鉆削、滾齒、磨削、激光熱處理等多種工序,可完成復(fù)雜零件的全部加工。隨著現(xiàn)代機(jī)械加工要求的不斷提高,大量的多軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床越來越受到各 大企業(yè)的歡迎。 

 

4. 控制智能化

隨著人工智能技術(shù)的發(fā)展,為了滿足制造業(yè)生產(chǎn)柔性化、制造自動(dòng)化的發(fā)展需求,數(shù)控機(jī)床的智能化程度在不斷提高。具體體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:

a.  加工過程自適應(yīng)控制技術(shù); 

b. 加工參數(shù)的智能優(yōu)化與選擇; 

c. 智能故障自診斷與自修復(fù)技術(shù); 

d. 智能故障回放和故障仿真技術(shù);

e. 智能化交流伺服驅(qū)動(dòng)裝置; 

 f. 智能 4M 數(shù)控系統(tǒng):在制造過程中, 將測量 、建模、加工、機(jī)器操作四者(即 4M)融合在一個(gè)系統(tǒng)中 。

5. 體系開放化

a. 向未來技術(shù)開放:由于軟硬件接口都遵循公認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議,可采納、吸收和兼容新一代通用軟硬件。  

b. 向用戶特殊要求開放:更新產(chǎn)品、擴(kuò)充功能、提供硬軟件產(chǎn)品的各種組合以滿足特殊應(yīng)用要求;  

c. 數(shù)控標(biāo)準(zhǔn)的建立:標(biāo)準(zhǔn)化的編程語言,既方便用戶 使用,又降低了和操作效率直接有關(guān)的勞動(dòng)消耗。

 

6. 驅(qū)動(dòng)并聯(lián)化

可實(shí)現(xiàn)多坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)數(shù)控加工、裝配和測量多種功能,更能滿足復(fù)雜特種零件的加工,并聯(lián)機(jī)床被認(rèn)為是“自發(fā)明數(shù)控技術(shù)以來在機(jī)床行業(yè)中最有意義的進(jìn)步”和“21 世紀(jì)新一代數(shù)控加工設(shè)備”。

 

7.  極端化(大型化和微型化) 

國防、航空、航天事業(yè)的發(fā)展和能源等基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)裝備的大型化需要大型且性能良好的數(shù)控機(jī)床的支撐。而超精密加工技術(shù)和微納米技術(shù)是 21 世紀(jì)的戰(zhàn)略技 術(shù),需發(fā)展能適應(yīng)微小型尺寸和微納米加工精度的新型制造工藝和裝備。 

 

8.  信息交互網(wǎng)絡(luò)化

既可以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)資源共享,又能實(shí)現(xiàn)數(shù)控機(jī)床的遠(yuǎn)程監(jiān)視、控制、遠(yuǎn)程診斷、維護(hù)。 

 

9. 加工過程綠色化

 近年來不用或少用冷卻液、實(shí)現(xiàn)干切削、半干切削節(jié)能環(huán)保的機(jī)床不斷出現(xiàn), 綠色制造的大趨勢(shì)使各種節(jié)能環(huán)保機(jī)床加速發(fā)展。

 

10. 多媒體技術(shù)的應(yīng)用

多媒體技術(shù)集計(jì)算機(jī)、聲像和通信技術(shù)于一體,使計(jì)算機(jī)具有綜合處理聲音、文字、圖像和視頻信息的能力。可以做到信息處理綜合化、智能化,應(yīng)用于實(shí)時(shí)監(jiān)控 系統(tǒng)和生產(chǎn)現(xiàn)場設(shè)備的故障診斷、生產(chǎn)過程參數(shù)監(jiān)測等,因此有著重大的應(yīng)用價(jià)值。


目前,數(shù)控機(jī)床的發(fā)展日新月異,高速化、高精度化、復(fù)合化、智能化、開放化、并聯(lián)驅(qū)動(dòng)化、網(wǎng)絡(luò)化、極端化、綠色化已成為數(shù)控機(jī)床發(fā)展的趨勢(shì)和方向。