數控技術的(de)應用使傳統的製造業發生了質的變化,尤其是近年來.微電子技術和計算機技術的(de)發展給數控技術(shù)帶(dài)來了新的活力。數控技術和數控(kòng)裝(zhuāng)備是各個國家工業(yè)現代化的(de)重(chóng)要基礎。
數控機床是現(xiàn)代製(zhì)造業的主流設備,精密加工的必備裝備,是體現現代機床技(jì)術水平、現代機(jī)械(xiè)製造業工藝水平的重要標誌,是關係國計民生、國防尖(jiān)端建設的戰略物資。因此世界上各工業發達國家均采取重大措施來發展(zhǎn)自己(jǐ)的數控技術及其產業。
CNC數控加(jiā)工
CNC是英文Computer Numberical Control的(de)縮寫,意思是“計算機數據控製”,簡單地說就是“數控加(jiā)工”,在珠江(jiāng)三角洲地區,人們稱(chēng)為(wéi)“電腦鑼”。
數控加工是當今機械製造中的先進加工技術,是一(yī)種具有高效率、高精度與高柔性特點的自動化加工方法。它是將要加工工件的數控程序輸(shū)入(rù)給機床,機床在這些數據的控製(zhì)下自動加工出符合人們意願的工件,以製造出美妙的產品。
數控加工技(jì)術可有效解決像模具這樣複雜、精密(mì)、小批多變的加工問題,充分適(shì)應了現代化生產的需要。大力發展數控加工技術已成為我國加速發展經濟、提高自主創新能力的重要途(tú)徑(jìng)。目前我(wǒ)國數控機床使用越來越普遍,能熟練掌握數控機床編(biān)程,是充分發揮其(qí)功能的重要途徑。
數控機床是典型的機電一體化產品,它集微電子技術、計算機技術、測(cè)量技術、傳感器技術、自動控(kòng)製技術及(jí)人工智能技術等多種先進技術於一體(tǐ),並與機械加工工藝緊密結合,是新一代的機械製造(zào)技術裝備。
CNC數控機床的組成(chéng)
數控機床集(jí)機床(chuáng)、計(jì)算機、電動機及拖動(dòng)、動控製、檢測等技術為一體的自動化設備。數控機床的基本組成包括控製介質、數控裝置、伺服係統、反饋裝置及機床本體
1、控製介質
控(kòng)製介質是儲存數控加(jiā)工(gōng)所需(xū)要的全部動作刀具相對於工(gōng)件位置信息的媒介物(wù),它記載著零件的加工程序(xù),因此,控製介質就是指將零件加工信息傳送(sòng)到數控裝置去的信息載體。控製介質有多種形式,它隨著(zhe)數控裝置類型的不同而不同,常用的有穿孔帶、穿(chuān)孔卡、磁帶、磁盤等。隨著數控技術的(de)發展(zhǎn),穿孔帶、穿孔卡趨於淘汰,而利用CAD/CAM軟件在計算機編程,然後通過計算機(jī)與數(shù)控係統通信,將程序和數據直(zhí)接傳送給數(shù)控(kòng)裝置的方法應用越來越廣泛。
2、數控裝置
數控裝置是數控機床的核心,人們喻為“中(zhōng)樞係統”。現代數控機床(chuáng)都采用計算機數控裝置(zhì)CNC。數控裝置包括輸入裝置及中央處理器(CPU)和(hé)輸出裝置等構成數控裝(zhuāng)置能完成信息的輸入、存儲、變換、插補運算以及實現各種控製功能。
3、伺服係(xì)統
伺服(fú)係統是接收(shōu)數控裝置的指令、驅動機床執行機構運動的驅動(dòng)部件。包括主軸驅動單元、進給驅動單元、主軸電機和(hé)進給電機等。工作時,伺服係統接受數控係統的指令信息,並按照指令信息(xī)的要求與位置、速度反饋信號相比較後,帶動機床的移動部件或執行部件動作,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(liàng)元件和相應的電路組成,其作用是檢測速度和(hé)位移(yí),並將信息反饋回來,構成閉環控製。一些精度要求不高的數控(kòng)機床,沒有反(fǎn)饋裝置,則稱為(wéi)開環係統(tǒng)。
5、機床本體
機床本體是數控機床的實體,是完成實際切削加工的機械部分,它包括床(chuáng)身、底座、工作台、床鞍、主軸等。
CNC加工工藝(yì)的特點
CNC數控加工工藝(yì)也遵守機(jī)械加工切削規律,與普通機床的加工工藝大體相同。由於它是把計算機(jī)控製技術應用於(yú)機械加工之中的(de)一種自(zì)動化(huà)加(jiā)工,因而(ér)具有加工效(xiào)率高、精度(dù)高等特點,加工工藝有其(qí)獨特(tè)之處,工序較為複雜,工步安排(pái)較為詳盡周密。
CNC數控加工工藝包括刀具的選擇、切削參數的確(què)定及走(zǒu)刀工藝路線的設計等內容。CNC數控加工工藝是數控編程的基礎及核心,隻(zhī)有工藝合理,才能編出高效率和高質量的數控(kòng)程序。衡量數控程(chéng)序(xù)好壞的標準是(shì):最少的加工時間、最小的刀具損耗及加(jiā)工出最佳效果的(de)工件。
數控加工工序(xù)是工件整體加工(gōng)工藝的一部分,甚至(zhì)是一道工序。它要與其他前後工序相互配(pèi)合(hé),才(cái)能最終(zhōng)滿足整體機器或模具的裝(zhuāng)配要求,這樣(yàng)才能加工出合格的零(líng)件(jiàn)。
數控加工工序一般分為粗(cū)加工、中粗清角加工、半精加工及精加工等工步。
CNC的數控編程
數控(kòng)編程是從零件(jiàn)圖紙到獲得數控加工程序的全過程。它(tā)的主要(yào)任務是(shì)計算加工走刀中的刀位點(cutter locations point簡稱CL點)。刀位點一般取為刀具軸線與(yǔ)刀具表麵的(de)交點(diǎn),多軸加工中還(hái)要給出刀軸矢量(liàng)。
數控機床是根據工件圖樣要求及加工工藝過程(chéng),將所用刀具及各部(bù)件的移動量、速度和動(dòng)作先後順序、主軸轉速、主軸旋轉方向、刀頭夾緊、刀頭(tóu)鬆開及冷卻等操作,以規定的數控代(dài)碼形式(shì)編成程序單,輸入到(dào)機床專用計(jì)算機中。然後,數控係統根據輸入的指令進(jìn)行編(biān)譯、運算和邏輯處理後,輸(shū)出各種信號和(hé)指令,控製各部分根據規定的位移和有順序的動作,加工出各(gè)種不同形狀的工件。因此,程序的編製對於數控機床效能的發揮影響極大。
數控機(jī)床必(bì)須把代表各種不同功能的指令代碼以程序的形式輸(shū)入數控裝置(zhì),由數控(kòng)裝置進行運算處理,然後發出脈衝信(xìn)號來控製數控機床的各個運動部(bù)件的操作,從而(ér)完成零件(jiàn)的切(qiē)削加工。
目前數控程序有兩個標準:國際標準化組織的ISO和美國電子工業協會的EIA。我國采用ISO代碼。
隨著技術的進步,3D的數控(kòng)編程一般很少采用手工編程,而使用商品化的CAD/CAM軟(ruǎn)件。
CAD/CAM是(shì)計算機輔助(zhù)編程(chéng)係統的核(hé)心,主要功能有數據的輸入/輸出、加工(gōng)軌跡的(de)計算及編(biān)輯、工藝參數設(shè)置、加工仿真、數控程序(xù)後處理和數據(jù)管理等。
目前,在我國深受用戶喜歡的、數控編程(chéng)功能強大的軟件有Mastercam、UG、Cimatron、PowerMILL、CAXA等。各軟件對於數控編程的原理、圖形處理方法及加工(gōng)方法都大同小異,但各有特點。
CNC數控加工零(líng)件的步驟
1、分析零件圖,了(le)解工件的大致情況(幾何形狀,工件材料,工藝要求等)
2、確定零件的數控加工工藝(yì)(加工的內(nèi)容,加工的路線)
3、進行必要的數值計(jì)算(基點、節點(diǎn)的坐標計算)
4、編寫程序單(dān)(不同機床會有所不同,遵守使用手冊)
5、程序校(xiào)驗(yàn)(將程序輸入機床,並進行圖形模擬,驗證編程的正確)
6、對工件進行加工(好的(de)過程控製能很(hěn)好的節約時間和提高(gāo)加工質量)
7、工件(jiàn)驗收和質量誤差(chà)分析(xī)(對工件進行檢驗,合格流入下一(yī)道。不合格則通過質量分析找(zhǎo)出產生誤差原因和糾正方(fāng)法(fǎ))。
數控機床的發展曆史(shǐ)
二戰後,製造業的生產大部分是依靠人工操作,工人看懂圖紙後,手工操作機床,加工零件,用這種方式生產產品(pǐn),成(chéng)本(běn)高,效率低,質量也(yě)得不到保證。
在20世紀40年代末期,美(měi)國有一位工程師帕(pà)森斯(John Parsons)構思了一種方法,在一張硬紙卡(kǎ)上(shàng)打孔來表(biǎo)示需要加工的零件幾何(hé)形狀,利用著一張(zhāng)硬卡來控製機床的動(dòng)作,在當時,這隻是一種構思(sī)。
1948年,帕(pà)森斯向美國空軍(jun1)展示了他的這種想法,美國空軍看後,表示極大的興趣,因為美國空軍正在尋找一種先進的加工方法,希望解決飛機(jī)外型樣板的加工問題(tí),由於樣板形狀複雜,精度要求高,一般(bān)的設備(bèi)難(nán)以適應(yīng),美國空軍立即委托及讚(zàn)助美國(guó)麻省理工學院(MIT)進行研究,開發這部硬卡紙來控製的機床,終於在1952年,麻省理工學院和帕森斯公司(sī)合作,成功的研製出了第一台示範機,到了1960年較為簡單(dān)和經濟的點位(wèi)控製(zhì)鑽床,和直線控製數控銑床(chuáng)得到了較快的(de)發展使數控機床在(zài)製造業各部門逐步獲得推廣。
CNC加工的曆史已經經曆了長達(dá)半個多世紀,NC數控係統(tǒng)也由最早的(de)模擬信號電路控製發(fā)展為極其複雜的集成加工係統,編程方式也有手工發展成為智能化、強大的CAD/CAM集成係(xì)統。
就我國而言,數控技術的發展是比較緩慢的,對於國內的大多數(shù)車間(jiān)來說。設備比較落後,人員的技術水平和觀念(niàn)落後表現為加工質量和加工(gōng)效率低下(xià),經常拖延交貨(huò)期。
1、第一代NC係統是在1951年引入的,其控製單元主要有各種閥門和模擬電路組成的,1952年第一台數控機床誕生(shēng),已經從銑床或車床發展到(dào)加工中心,成(chéng)為(wéi)現代(dài)製造業的關鍵設備。
2、第二代NC係統於1959年產生的,其主要有單(dān)個的晶體管和其他部件組成。
3、1965年引入了第三代NC係統,其首次采用集成電路板。
4、實際上,在1964年已經研製出來了(le)第四代NC係統,即我們非(fēi)常熟(shú)悉的計算機數字控製係統(CNC控製係統)。
5、1975年(nián),NC係統采用了強大的微(wēi)處理(lǐ)器,這就是第五(wǔ)代(dài)NC係統。
6、第六代NC係統采用了(le)現行的集(jí)成(chéng)製造係統(MIS)+DNC+柔性加工係統(FMS)
數控機(jī)床的發展趨勢
1. 高速化
隨(suí)著(zhe)汽車、國防、航空、航天等工業的高速發展以及鋁合金等新材料的應用,對(duì)數控機床加工的高速化要求越來越高。
a.主軸轉速:機床采用電主軸(內裝式(shì)主(zhǔ)軸電機),主軸(zhóu)最(zuì)高轉速達200000r/min;
b. 進給率:在分辨率為(wéi)0.01µm時,最大進給率達到240m/min且可獲得複(fù)雜型的精確加工;
c. 運算速度:微處理器的迅速發展為(wéi)數控係統向高速、高精度方向發展提供了保障,開發出CPU已發展到32位以及64位的數控係統,頻率提高到幾百兆赫(hè)、上(shàng)千兆赫。由於運算速度的極大提高(gāo),使得當分辨率(lǜ)為0.1µm、0.01µm時仍能獲得高達24~240m/min的進給(gěi)速度;
d. 換刀速度:目前國外先(xiān)進加工中心的刀具交換時間普遍已在1s左右,高的已達0.5s。德國Chiron公司將刀庫設計成籃子樣式,以主軸為軸心,刀具在圓周布置,其刀到刀的換(huàn)刀時間(jiān)僅(jǐn)0.9s。
2. 高(gāo)精度化
數控機床精度的要求現在已經(jīng)不局限於靜態的幾何精度,機床的運動精度、熱變(biàn)形以及對振動的監測和補償越來(lái)越獲得重(chóng)視。
a. 提高CNC係統控製精度:采用高速插補技術,以微小程序段實現連續(xù)進給,使CNC控製單位精(jīng)細化,並采用(yòng)高分辨率位置檢測(cè)裝(zhuāng)置,提 高位置檢測精度,位置伺服係統采用前饋控製與 非線(xiàn)性控製等方法;
b. 采用誤差補償技術:采用反向間隙補償、絲杆螺距誤差補償和刀具誤差(chà)補償等技術,對設備的熱變形誤差和空間誤差(chà)進(jìn)行綜合補償。
c. 采用網(wǎng)格解碼器檢查和提高加工中心的運動軌(guǐ)跡(jì)精度: 通過仿真預(yù)測機床的加工精度,以保證機床的定位精度和(hé)重複定位精度,使其性能長期穩(wěn)定,能夠在不同運行條件下完成多種加工任務,並保證零件的(de)加工質量。
3. 功能複(fù)合化(huà)
複合機(jī)床的含義是指在一(yī)台機床上實現或盡可(kě)能完成從毛坯至成品的多種要素加工。根(gēn)據其結構(gòu)特點可分為工藝複合型和工序複合型兩類。 加工中心能夠完成(chéng) 車(chē)削、銑削、鑽削、滾齒、磨削、激光熱處理等多種工序,可完成複雜零件的全部加工。隨著現代機械加工要求的不斷提高,大量的多軸聯動數控機床越來越受到各 大企業的歡迎(yíng)。
4. 控製智能化
隨(suí)著人工智能技術的發展,為了滿足製造(zào)業生產柔性化、製造自動化的發展需求,數控機床的智能化程度在不斷(duàn)提高。具(jù)體體現在以下幾個方麵:
a. 加工過程自適應控製技術(shù);
b. 加工參數的智能優化與(yǔ)選擇;
c. 智能故障自診斷與自修(xiū)複(fù)技術;
d. 智能(néng)故(gù)障回放和故障仿真技術;
e. 智能化交流伺(sì)服驅動(dòng)裝置;
f. 智能4M數控係統:在製造過程中(zhōng), 將測量 、建模、加工、機器操作(zuò)四者(即4M)融合(hé)在一個係(xì)統中 。
5. 體係(xì)開放(fàng)化
a. 向未來技術開放:由於軟硬件接口都遵循公認的標準協議,可采納、吸收和兼容新一代通用軟硬件。
b. 向用(yòng)戶(hù)特殊要求開放:更新產品、擴充功能、提供硬軟件產品的各種組合(hé)以滿足特殊應用要求;
c. 數控標準的建立:標(biāo)準化的編程語言,既方(fāng)便用戶 使用,又降低(dī)了和操作效率直接(jiē)有關的勞動消耗。
6. 驅動(dòng)並聯化
可實現多坐(zuò)標聯動數控加工、裝配和測量多種功能,更能滿足複雜特種零(líng)件的加工,並聯機床被認為是“自發明數控技術以來(lái)在機床行業中最有意義(yì)的進步”和“21世紀新一(yī)代數控加工設備”。
7. 極端(duān)化(大型化(huà)和微型化 )
國防、航空、航天事業的發展和能源等基礎產業裝備的大型化需要大型且性能(néng)良(liáng)好的數控機床的支撐(chēng)。而超精密加工(gōng)技(jì)術和微納米技術是21世紀的戰略技 術,需發展能適應微小型尺寸和微納(nà)米加工精度的新型製造工藝和(hé)裝備。
8. 信息交互網絡化
既可以實現網絡資源共享,又能實現數控(kòng)機床的遠程監視、控製、遠程診斷、維護。
9. 加(jiā)工(gōng)過程綠色(sè)化
近(jìn)年來不用(yòng)或少用冷卻液、實現幹(gàn)切削(xuē)、半幹切削節能環保的機床不斷出現, 綠色製造的大趨勢(shì)使各種節能環(huán)保機床加速發展。
10. 多媒體技術的應(yīng)用
多媒體(tǐ)技術(shù)集計算機、聲像(xiàng)和通(tōng)信技術於一體,使計算機具有綜合(hé)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,應用於實時監控 係統和生產現場設備的故障診斷、生產過程參數監測等,因此有著重大的應用價值。
目前,數控機床的發展日新月(yuè)異,高速(sù)化、高精度化(huà)、複合化、智能化、開放化(huà)、並聯驅(qū)動化、網絡化、極端化、綠(lǜ)色(sè)化已成為數控機床發展的趨(qū)勢和方向。