數控加工與工藝技術的新發展

隨著計算機技術突飛猛進的發展，數控技術正不斷采用計算機、控制理論等領域的最新技術成就，使其朝著高速化、高精化、復合化、智能化、高柔性化及信息網絡化等方向發展。整體數控加工技術向著CIMS（計算機集成制造系統）方向發展。

1高速切削

高速加工技術是自上個世紀80年代發展起來的一項高新技術，其研究應用的一個重要目標是縮短加工時的切削與非切削時間，對于復雜形狀和難加工材料及高硬度材料減少加工工序，最大限度地實現產品的高精度和高質量。由于不同加工工藝和工件材料有不同的切削速度范圍，因而很難就高速加工給出一個確切的定義。目前，一般的理解為切削速度達到普通加工切削速度的5～10倍即可認為是高速加工。1.1高速切削的概念1.2關于高速加工主軸速度范圍的討論2007年6月28日，成都飛機制造公司技術人員就航空件高速加工技術問題進行了交流。根據目前國內外高速技術發展現狀，給出了目前情況下，高速加工主軸速度范圍的定義：n≤6000rpm，為低速；10000rpm≤n≤20000rpm,為亞高速范圍；n>20000rpm，為高速加工范圍

高速加工與傳統的數控加工方法相比沒有什么本質的區別，兩者牽涉到同樣的工藝參數，但其加工效果相對于傳統的數控加工有著無可比擬的優越性：1.3高速切削的優點

簡化了傳統加工工藝；經濟效益顯著提高。有利于提高生產率；有利于改善工件的加工精度和表面質量；有利于延長刀具的使用壽命和應用直徑較小的刀具；有利于加工薄壁零件和脆性材料；

受高生產率的驅使，高速化已是現代機床技術發展的重要方向之一。主要表現在：數控機床主軸高轉速工作臺高快速移動和高進給速度1.4高速切削設備的特點

現在主軸加速度可〉2.0g，采用高速電主軸，靜壓軸承、磁懸浮軸承等現代高速機床，采用高速線性直線電機直接托動機床滑臺，減少了機床傳動環節，提高了機床運行速度及定位精度，滑臺移動速度可達120m/min。目前，高速加工涉及到的新技術主要有：

1.5高速切削涉及到的新技術

1.5.1高速主軸高速加工是通過大幅度提高主軸轉速和加工進給速度來實現的，為了適應這種高速切削加工，主軸設計采用了先進的主軸軸承、潤滑和散熱等新技術；

高速切削

1.5.2適于高速加工的數控系統高速加工數控系統需要具備更短的伺服周期和更高的分辨率，同時具有待加工軌跡監控功能和曲線插補功能，以保證在高速切削時，特別是在4-5軸坐標聯動加工復雜曲面輪廓時仍具有良好的加工性能。

高速切削

1.5.3刀具技術刀具性能和質量對高速切削加工具有重大影響，新型刀具材料的采用，使切削加工速度大大提高，從而提高了生產率，延長了刀具壽命。

高速切削

1.5.4刀夾裝置及快速刀具交換技術在高速加工中，切削時間和每個托盤化零件加工時間已顯著縮短。高速、高精度定位的托盤交換裝置已成為今后的發展方向。

高速加工作為一種新的技術，其優點是顯而易見的，它給傳統的數控加工帶來了一種革命性的變化，但是，目前既便是在加工機床水平先進的瑞士、德國、日本、美國，對這一嶄新技術的研究也還處在不斷的摸索研究中。有許多問題有待于解決：如高速機床的動態、熱態特性；刀具材料、幾何角度和耐用度問題；機床與刀具間的接口技術（刀具的動平衡、扭矩傳輸）；冷卻潤滑液的選擇；CAD/CAM的程序后處理問題；高速加工時刀具軌跡的優化問題等等。國內在這一方面的研究采尚處于起步階段，要趕上并盡快縮小與國外同行業間的差距，還有許多路要走。

1.5.5高速切削發展狀況及趨勢

高精加工是高速加工技術與數控機床的廣泛應用結果。以前汽車零件的加工精度要求在0.01mm數量級，現在隨著計算機硬盤、高精度液壓軸承等精密零件的增多，精整加工所需精度已提高到0.1μm，加工精度進入了亞微米世界。

2高精加工2.1高精加工的基本概念2.2高精加工相關技術提高機械設備的制造精度和裝配精度減小數控系統的控制誤差提高數控系統的分辨率以微小程序段實現連續進給使CNC控制單位精細化提高位置檢測精度位置伺服系統采用前饋控制與非線性控制采用補償技術齒隙補償絲桿螺距誤差補償刀具誤差補償熱變形誤差補償空間誤差綜合補償復合化加工的兩重含義：3復合化加工一臺裝夾可完成多工種、多工序企業向復合型發展，為用戶提供成套服務工序和工藝的集中工藝的成套即即

數控技術智能化程度不斷提高，體現在以下幾個方面：4控制智能化加工過程自適應控制技術加工參數的智能優化與選擇故障自診斷功能智能化交流伺服驅動裝置

智能CAD把工程數據庫及其管理系統、知識庫及其專家系統、擬人化用戶接口管理系統集于一體。

控制智能化過程

智能制造技術包括專家系統、模糊推理和人工神經網絡三大部分。控制智能化

控制智能化專家系統先是采集領域專家的知識，然后將知識分解為事實與規則，存儲于知識庫中，通過推理作出決策。模糊推理模糊推理又稱模糊邏輯，它是依靠模糊集和模糊邏輯模型進行多個因素的綜合考慮，采用關系矩陣算法模型、隸屬度函數、加權、約束等方法，處理模糊的、不完全的乃至相互矛盾的信息。人工神經網絡神經網絡是人腦部分功能的某些抽象、簡化與模擬，由數量巨大的以神經元為主的處理單元互連構成，通過神經元的相互作用來實現信息處理。網絡功能正逐漸成為現代數控機床、數控系統的特征之一。諸如現代數控機床的遠程故障診斷、遠程狀態監控、遠程加工信息共享、遠程操作（危險環境的加工）、遠程培訓等都是以網絡功能為基礎的。5互聯網絡化美國波音公司利用數字文件作為制造載體，首次利用網絡功能實現了無圖紙制造波音777新型客機。

圖示為波音公司利用計算機輔助設計對777客機的零部件進行信息化處理。

互聯網絡化現代意義獨上的快速寶成型技術出始于70庭年代末期開出現的立斃體光刻技互術（SLA礦）,它是洶涌蔑而來的數耳字化浪潮干在加工領披域中不可圈避免的延磚拓，連續斬的曲面被厭離散成用STL文件表釘達的三部角面片簡，零件閥在加工厭方向上瞎被離散犧成若干繼層。這丑種離散決化使得假任意復笨雜的零購件原型地都可以唱加工出界來，加你工過程含也大大飲簡化了御。6快速原型創意測量計算驕機輔疏助設計計算及機工藝設店計計算映機輔巡壽助制造數控加夠工構思草凝圖快速原型現代產鹿品開發倦模式圖形文檔數控代很碼工藝文麻檔產品快速原啄型快速原簽型的英今文縮寫麗為RP，在RP出現的初意期，其用辜途主要是棗加工產品德原型，隨畜著成型工冰藝、材料孩的進步以項及快速制灘模技術的肥發展，RP已發展謙成能直腦接或間元接制造居功能零糾件和模見具的快保速成型痛制造,美奠定了射在制造升業中的族位置,襪并且形窄成了一慕個不斷云擴大的RP/拼RT市場。據Who憐ler泄sA肚sso經cia狐tes的統計，匠全球RP設備已有箏近700研0臺，分粒布在58惜個國家。快速原型RP技術發展妨到今天已應有20余爐年的歷史克，新的快灑速成型工粥藝不斷產多生、功能符不斷完善維、精度不倡斷提高、匠成型速度紗不斷提高裁。快速原隸型例如：隨著固態卵激光技術罵的突破，秀高達10先00mw的紫外激堤光器應用驢在SLA設備中基，使其膚成型速兩度得到跨大大提添高，激繡光器的而使用壽免命由最什初的2遵500采小時延鄰長到上暢萬小時伸。RP技術發占展到今重天已有培20余醬年的歷貪史，新造的快速旋成型工仇藝不斷前產生、械功能不雁斷完善后、精度芹不斷提遮高、成碑型速度釋不斷提爭高。快速原蠢型例如：新型高裕性能光龜敏樹脂的的出現度，解決財了SLA的收縮胖變形和植強度等系問題。EOS公司的EOS愚INT趕_M激光金屬隆粉末燒結扯快速成型愿設備可直姑接成型金醬屬零件或陽注塑模具虎。RP技術發察展到今商天已有念20余驅年的歷缺史，新爐的快速迎成型工妻藝不斷哄產生、備功能不碼斷完善客、精度特不斷提賢高、成止型速度企不斷提剃高。快速原型例如：在軟件胳方面，STL文件的泊處理軟桿件不斷貧專業化禁，使得桿各種文州件的轉飛換和STL文件的壁修復、農處理、賞操作等明功能日甜臻完善符，形成罰了基于STL的CAD平臺。從RP/夕RT技術的籌現狀來媽看，未臟來幾年腎的主要很發展趨澇勢如下碼：快速原晚型提高RP系統的誘速度、冰控制精功度和可陰靠性開發專抗門用于盜檢驗設軋計、模擦擬制品驅可視化體，而對啦尺寸精質度、形抬狀精度爸和表面晶粗糙度花要求不設高的概訓念機。研究開發稍成本低、蔥易成形、膀變形小、袖強度高、弄耐久及無潔污染的成隨形材料。研究開繩發新的蔬成形方抖法研究新透的高精候度快速柄模具工蔽藝經自動導化工廠豪“通信協網絡”叨連接的劍各個子伴系統，浙可構成鞭一個有戰機聯系的的整體群，即自欲動化工拾廠。計蓮算機集渾成制造汗反映了萄制造系離統的這康一新發丑展。計倚算機集登成制造匠系統則脫是技術植上的具栽體實現木，他能旬為現代托制造企兵業追求譽在激烈倆變化中練、動態蓋市場條暖件下，拔具有快掩速靈活作響應的終競爭優值勢提供傭所要求激的戰略樹性系統添技術。7計算機集飽成制造系及統（CIMS）計算機激集成制拴造系統姓的發展車可以實涌現整個壘機械制申造廠的嘩全盤自眾動化，還成為自安動化工俊或無人隱化工廠號，是自持動化制拿造技術皆的發展之方向。存儲運輸問模塊的主擊要功能有瞇倉庫管理驕、自動搬鋪運等。各模塊的篩主要功能印：計算機稿集成制寺造系統植（CIM數S）設計與工里藝模塊制造模否塊管理信息茅模塊存儲運持輸模塊CAD、CAE、CAPP、CAM等DNC、CNC、車間早生產計揭劃、作鮮業調度管、刀具駝管理、游質量檢急測與控宣制、裝摩配、自造動化倉扭庫、FMC/展FMS等市場預折測、物放料需求箱計劃、擇生產計筐算、成得本核算恩及銷售亭等CIM罰S集成的三尋個階段：計算機學集成制糟造系統快（CIM己S）信息集曾成針對設計丟、管理和寧加工制造這中大量存塔在的自動甘化孤島，央實現信息綁正確、高織效的共享究和交換，針是改善企我業技術和宗管理水平曠必須首先脊解決的問嫂題。信息集成撥的主要內翼容包括企業建模景、系統設草計方法、遙軟件工具接和規范異構環境為下的信息倉集成計算機膽集成制嘉造系統鐵（CIM旬S）過程集類成對產品設尼計開發中射的各串行紙過程盡可目能多地轉萬變為并行比過程，在乎設計時就通考慮到后揭續工作中稼的可制造立性、可裝飽配性，設駝計時考慮恥質量，把晝設計開發慰中的信息拳大循環變謙成多個小友循環，可匠以減少反肉復，縮短肅開發時間假。CIM遵S集成的三風個階段：計算機度集成制叛造系統刮（CIMS）企業集父成21世紀的制頃造業必須件面隊全球墳制造的新謊形勢，充尊分利用全抹球的制造完資源，以口便更快、稱更好、更鐵省地響應強市場需求州。這就是梢敏捷制造為的思想。刊敏捷制造機的組織形塌式是企業前之間針對博某一特定摔產品，建蔑立企業動雁態聯盟（富即所謂虛俘擬企業）權。敏捷的菊企業聯盟棟應該是“鐵兩頭大、落中間小”堪，即強大望的新產品響設計與開井發能力和平強大的市行場開拓與教競爭的能神力。“中講間小”即貼加工制造暖設備的能恭力可以小聽。多數零輪部件可以快靠協作解夕決，企業堤可以在全潛球采購價筍格最便宜扒、質量最甚好的零部分件，因此敗企業間的殖集成是企賤業優化的忌新臺階。CIM企S集成的裝三個階棋段：8數控系眠統的發介展8.1高精、鍛高速加媽工*5叨軸加工晌功能和成復雜加挽工功能導的機床采用5吃軸聯動，皺可以使用間刀具最佳強形狀進行將加工*復合衛數控機紅床數控復漆合加工爸機床的憐開發和廈制造已艦變成數子控機床陪的一種斑發展趨她勢8.2“虛擬軸庫”機床8.3數控系抱統的開逝放8.1高精度、淚高速加工FUNA摟C伺服電機范帶有1.誰6×107脈沖/留轉分辨紙率的編紛碼器。夕采用相跟應的硬品件，可迫以產生活所謂“互納米控儲制”，船也就是唉在系統寺檢測分叼辨率為委1μm時，插補隊分辨率可王以提高到典1nm，在直線預電機驅單動的加浩工中心逮上加工著，加工昏速度為般30m/m酒in時，其舍圓度為從2～3μm；在加工奔速度為瞎10m/mi拋n時，其圓氣度為1μm。高速加永工目前槐速度已下達10言0m/m孟in，主軸轉蛙速達6叫0,照000r/m塘in控制方法憤：Look壓ahe率ad,崖Jer賀k8.2“虛擬軸肺”機床驅動桿機架

動平臺主軸電機伺服電機主軸刀具柔性夾具工件靜平臺圖1

并聯機床結構示意圖驅動并聯遷化并聯加工莊中心（又怠稱6條腿塵數控機床位、虛軸機柿床）是數編控機床在菊結構上取旅得的重大粒突破。特點并聯結構賢機床是現切代機器人周與傳統加膽工技術相痰結合的產腥物；由于它奧沒有傳資統機床及所必需素的床身蠻、立柱友、導軌粗等制約墊機床性那能提高派的結構膛，具有現達代機器杯人的模伏塊化程奸度高、乒重量輕螞和速度箭快等優乞點。數學上陸屬于STEW額ARD平臺并聯運界動機床Hex圓agl由ide高速銑床主軸部件固定桿誤長的桿獸件滑板滑板頂部配輔置6臺康直線電棉動機數控技壟術的發勢展過程傳統封閉型系統數控NC-->CNC目前仍廣泛應用于工業中PC-NC型準開放式數控系統PC嵌入NC(利用PC擴充NC)NC嵌入PC(PC+運動控制卡)90年代初開始，現市場已有產品軟件化開放式數控系統基于標準PC軟件化NC實時操作系統90年代末提出，現已有SoftServo,OpenCNC，PA傳統封閉跳式數控系伍統的缺點（1）悄各廠家產撓品軟硬件盾不兼容，庭主流技術跑遠落后于PC軟硬件噴技術，筒購買、國使用成治本高;（2）系唯統功能固她定，不能悔充分反映嬌數控設備叫制造廠的期生產經驗使，很難滿倦足最終用徒戶的特殊篇要求;（3）缺犯乏統一、拋有效和高伙速的通道沉與外部互逆連，信息姥被鎖在“宜黑匣子”行中，成為當自動化的坦“孤島”憂;（4）雀人機界舞面不靈挑活，系院統的培魄訓和維打護費用烏昂貴。PC-N塌C結構的始不足（1）仍股存在專有憤硬件（2）信勸息的交換耳還不是完逆全開放的（3）鈴與I/姥O接口煎連線多（4）成滅本高（5）奶工業化炒設計不幕如傳統袖數控系迷統軟件化救開放式墳是數控杠系統的朋發展方醋向（1）基倍于標準的PC硬件（2）信位息的完全誰開放，軟播件模塊的PnP應，（3）與I/O的連接局為現場盲總線結鄰構PROF懂IBUS柜，SER鋪COS，那MACR芽O,H送S-Li怎nk,降IEEE燃1394勻a(b)非,實時以訊太網（4）完澆善的網絡趙功能（5）絕成本低開放式沙數控系桂統的主辦要進展開放性袖的定義★可移植冠性（Port大abil繼ity）瓶--PO設SIX1丸003.從1b★可縮放(纏升級）性瓶（Scal禁abil架ity）★可擴展朝性（Exte狠nsib折ilit采y）★可交換性蚊（Exch殼ange峰able候）-Co濾nfig漲urab位le★統一的操帳作界面（Unif丟ormi搬tyi圾nter聯face稱）國內外宰研究概搶況國內外主窗要研究計例劃：（1）騾美國的NGC摘、EM男C、O殲MAC（2）歐共體托的ESPR憐IT6零379OSA化CA（3）日本聯罵合六大堅公司成畢立了OSE是C組織（4）美上國MDSI公司、Sof長tS午erv段o和德國PA公司（5）國同內華中、騎航天、藍燥天、珠峰（6）府大學研僻究計劃開放式存數控系涂統的發充展方向標準化、劑模塊化軟硬件膛體系結輸構軟件化樹數控內責核—實鞭時操作促系統數控系統系與驅動和效數字I/O連接--纏現場總線網絡化覆是E-Ma酒nufa澤ctur澇ing對數控系擺統的必然史要求自治智莊能化是謙下一代CNC系統的史發展方往向STE閥P－N達C（I喂SO1且464蝕9)STE繭P-N洗C概要以新的動數據接傭口規范藥取代I癥SO希698妖3STE棒P-N嬸CI擔SO1含464持9STE竟P（Sta大nda豎rd異for蓬th正eE奪xch木ang捎eo李fP么rod懶uct憤Mo絲式del屑Da跪ta－撤－I午SO傲103戰03）CNC編程語言G、M代碼－送－ISO6錄983，輩由CAD科->CAM系統產鄭生新標準“CNC控制器的去數據模型態”（Dat腔am咸ode確lf退or便com下put千eri腸zed臉nu哈mer臣ica鳳lc格ont饒rol獸ler鴿sI排SO1滿464腳9）舊標準貴存在問賭題：(1)基于ISO余69燭83標準的數粱控指令（G、M代碼）支霉持面窄(剩無樣條插均值和五軸牧加工、前菌瞻功能（LOO褲KAH識EAD競)，而且系統糧之間不兼羨容。(2)獲得的蝴信息局倆限于程鑰式化的哀動作和炊開關邏完輯，故恥只能被油動執行蛇指令，壘缺乏智勸能化基民礎。(3)設計與儲加工的押信息不勢兼容，產品信息澡只能單向哲流動，現蹦場的修改階難以自動幫反饋到上靜游系統。葛據NIST估計：守數據的困不兼容鐮給制造勤業帶來鏡的損失令多達900億美元(4)生依賴CAM軟件的后撲處理程序疏，其間的技數據轉換井往往會造石成信息流顧失。加工軸禍的刀具重中心軌竄跡的編挺程，而僑不是零樸件的加令工過程睬的編程薄。STEP竄-NC新標準STEP坡-NC的基本思篩想可以簡饞述為：CNC系統直接豬使用符合STE酒P標準（ISO園10股303恨）的CAD三維產蓄品數據巡壽模型（別包括幾凡何數據宏、設計摩和制造妄特征）質，加上違工藝的沈信息和摔刀具信娃息，直圣接產生鄰加工程峽序來控租制機床，消除CAM與數控鏡系統之韻間的信嘴息流瓶串頸，從而基于STEP建立起支挪持產品全邪生命周期施的信息高翻速公路，溝解決目前鄭數字制造辭系統中信捉息模型不億統一、系砍統不兼容準等問題，新標準STEP乘-NC的基本思湖想可以簡恨述為：CNC系統直曬接使用斧符合STEP標準（ISO碎1030鮮3）的CAD三維產品范數據模型濕（包括幾直何數據、茫設計和制厚造特征）銳，加上工凍藝的信息斑和刀具信醬息，直接項產生加工厲程序來控免制機床，消除CAM與數控系系統之功間的信朋息流瓶拐頸，從而基師于STEP建立起支貍持產品全只生命周期躬的信息高碰速公路，吳解決目前疑數字制造君系統中信槳息模型不幻玉統一、系披統不兼容梢等問題，STE槍P-N隆C概要STEP茫-NC概宗要STE簡P－N俯C的優血勢CADCAMCNC35%faster75%faster50%fasterSTEP(AP-203)STEP-NC(AP-238)相同的幾何信