CNC发展历史及加工原理课件

,*,49,东江科技内部培训资料,CNC,发展历史及加工原理,关键词：模拟信号电路，,NC,系统，,CNC,控制器，柔性加工系统，补偿。自适应,CNC,机床又称为数控机床（,Computerized Numerical Control,电脑数值控制，简称为,CNC,），它是以数字化的信息实现机床控制的机电一体化产品，它把刀具和工件之间的相对位置，机床的启动和停止，主轴变速，工件松开夹紧，刀具的选择，冷却泵的起停等各种操作和顺序动作等信息用代码的数字记录在控制介质上，然后将数字信息送入数控装置或计算机，经过译码，运算，发出指令控制机床伺服系统或其它执行元件，使机床加工出所需工件。,二战后，制造业的生产大部分是依靠人工操作，工人看懂图纸后，手工操作机床，加工零件，用这种方式生产产品，成本高，效率低，质量也得不到保证。在,20,世纪,40,年代末期，美国有一位工程师帕森斯（,John Parsons,）构思了一种方法，在一张硬纸卡上打孔来表示需要加工的零件几何形状，利用着一张硬卡来控制机床的动作，在当时，这只是一种构思。,1948,年，帕森斯向美国空军展示了他的这种想法，美国空军看后，表示极大的兴趣，因为美国空军正在寻找一种先进的加工方法，希望解决飞机外型样板的加工问题，由于样板形状复杂，精度要求高，一般的设备难以适应，美国空军立即委托及赞助美国麻省理工学院（,MIT,）进行研究，开发这部,硬卡纸来控制的机床，终于在,1952,年，麻省理工学院和帕森斯公司合作，成功的研制出了第一台示范机，到了,1960,年较为简单和经济的点位控制钻床，和直线控制数控铣床得到了较快的发展使数控机床在制造业各部门逐步获得推广。,CNC,加工的历史已经经历了长达半个多世纪，,NC,系统也由最早的模拟信号电路控制发展为极其复杂的集成加工系统，编程方式也有手工发展成为智能化、强大的,CAD/CAM,集成系统。,就我国而言，数控技术的发展是比较缓慢的，对于国内的大多数车间来说。设备比较落后，人员的技术水平和观念落后表现为加工质量和加工效率低下，经常拖延交货期。,1,、第一代,NC,系统是在,1951,年引入的，其控制单元主要有各种阀门和模拟电路组成的，,1952,年第一台数控机床诞生，已经从铣床或车床发展到加工中心，成为现代制造业的关键设备。,2,、第二代,NC,系统于,1959,年产生的，其主要有单个的晶体管和其他部件组成。,3,、,1965,年引入了第三代,NC,系统，其首次采用集成电路板。,4,、实际上，在,1964,年已经研制出来了第四代,NC,系统，即我们非常熟悉的计算机数字控制系统（,CNC,控制系统）。,5,、,1975,年，,NC,系统采用了强大的微处理器，这就是第五代,NC,系统。,6,、第六代,NC,系统采用了现行的集成制造系统（,MIS,）,+DNC+,柔性加工系统（,FMS,）,二、,NC,系统的升级过程：,点到,NC,外形加工,自动换刀功能,计算机数字控制（,CNC,）,DNC,功能,集成加工系统（,CAD/CAM,集成）,三、,CNC,机床制造工业中的应用，主要有： （,1,）钻削 （,2,）冲压 （,3,）点焊 （,4,）电火花加工,（,5,）镗削 （,6,）铣削 （,7,）,CMM,四、,CNC,机床加工的工作原理,数控机床是一种利用数控技术、准确的按照事先安排的工艺流程，实现规定加工动作的金属切削机床。它是由控制介质、计算机数控装置、伺服驱动系统、辅助装置、反馈装置和适应控制装置部分组成；数控机床加工工件时，完全根据计算机发出的指令自动进行加工，不允许频繁测量和进行手动补偿，这就要求机床具有较高静刚度和动刚度，同时要提高结构的热稳定性，提高机械进给系统的刚度并消除其中间隙，消除爬行。这样可以有效避免振动，热变形、爬行和间隙影响加工工件的精度。,计算机逐条执行程序,根据程序给出的指令进行运算并把运算的结果送给伺服系统或进行对三条轴的脉冲马达的开关的量控制,.,简单地说吧,假设给,X,马达输入一个单位的脉冲,X,马达会转动并带动工作台向,X,轴正向移动,0.01mm,，给,Y,马达输入十个单位的脉冲，工作台的,Y,轴就会正向移,0.1mm,那么计算机运算程序的最终目的就是对不同的马达在不同的时间段（微秒算）输入不同的脉冲。,五、采用,NC,加工的优缺点：,1,、其优点主要表现在：,（,1,）零件的加工精度高； （,2,）减少刀具和夹具的成本； （,3,）减少工件的搬运成本； （,4,）缩短加工时间 （,5,）对操作者的技能要求降低； （,6,）提高加工能力：,（,7,）缩短交货时间 （,8,）使无人加工已经成为可能；,其缺点表现为：,（,1,）数控机床费用较高设备精巧、控制系统复杂 ；,（,2,）有专门的三维程序设计软件，对于编程而言要求有较高 的敬业精神和技术水平。,（,3,）每小时的运做成本较高。,到目前为止，数控系统日趋成熟，比较著名的数控系统如：,FANUC,、,Siemens,、,Cincinnati,、,Maho,、,Fedio,等厂商的系统，先进的数控机床如瑞士产的米克郎（,MIKRON,），台湾产的永进高速机、新虎将（,GENTIGER,）大力机、丽伟、日产,OKK,，牧野（,MAKINO,），雅士达（,YASDA,） 、,FANUC,（发那科）、,MAZAK,（马扎克）、东芝、森精机、江黑、,OKUMA,、三菱（,MITSUBISHI,）、兄弟机、德国的西门子、必胜佳、罗德斯等一些知名品牌，我国从,1958,年开始进行数控系统的研制和发展，经过,“,六五,”,引进国外技术，,“,七五,”,的消化吸收、,“,八五,”,国家组织的科学攻关，,“,九五,”,的产业化攻关，使我国数控技术得到较大的发展。,但是与国外先进的产品相比，仍然存在较大的差距，这是由于欧美日等先进工业国家于,80,年代先后完成了数控机床产业化进程，其中一些国家致力于科技创新和新产品的研发，引导着数控机床技术发展，如美国英格索尔公司和德国惠勒喜乐公司对与汽车工业和航天工业高速数控铣床的发展，日本牧野公司对高效精密加工中心做的贡献，德国瓦德里希公司在重型龙门五面加工铣床方面的开发，以及日本马扎克公司研发的车铣中心对高,效复合加工的推进等，相比之下，我国的大部分机床产品在技术上仍处于跟踪阶段。,而加工中心的核心装置,控制系统，由于产品市场垄断所致，目前都是封闭式的，用户不能对系统功能进行维护、修改、增删，造成功能的大量浪费，同时加工中心的软,/,硬件也是固定，升级和更新的成本巨大。这就造成一方面功能闲置，另一方面新技术无法集成的尴尬局面。,国内外加工中心主要技术指标对比：,五轴联动加工中心代表当今世界机床最新水平，目前国内一些企业已研发成功并投入国内市场。其中桂林机床股份有限公司研制成功的,XK,系列五轴联动五面体加工数控龙门铣床；沈阳数控机床厂,SSK2805/2000,五轴联动车铣中心。江苏多棱机床股份有限公司,XH2725/5X10,桥式五轴联动加工中心，济南第一机床集团公司研制成功的,MJ860DT,数控车床，采用双液压卧式回轮刀架，面对面同轴安装四轴控制，,国内外典型机床汇集：,米克朗,-,高速铣削领域的专家,日本牧野,德国罗德斯,机床和刀具的所谓数控加工，主要是指记录在煤体上的数字信息对机床实施控制，使它自动的实行规定的加工任务，因此编制数控加工程序是十分关键的一环。理想的加工程序不仅能保证加工出符合设计要求的合格零件，同时可使数控机床功能得到合理的应用和充分的发挥及安全可靠的工作。数控技术的发展势必促使,CAM,技术的进一步提升，,CAM,软件也在不断的更新和换代，以适应未来发展的趋势，编程软件从,MASTERCAM,、,POWER MILL,、,SOLDWORK,、,CIMATRON,、,PROENGINEER,、,WORKNC,、,CATIA,、,UNIGRAPHICS,等不断发展和壮大起来。,数控编程主要经历了两个阶段，即从基于点、线、面、体的刀轨生成方法向智能化编程。因此数控技术的发展离不开数控机床的发展。,1927,年德国首先研制出硬质合金的刀具，切削速度比高速刀具提高了,25,倍，为了适应切削速度提高的需要，机床的主轴速度、功率、刚性也随之增大，制造技术向前飞速发展，制造业的巨大变化，产品的更新换代，生产方式从大批量生产多品种、小批量生产方式转移，要求开发各种适应不同加工需要的、高速高效、低成本的数控机床，,并大幅度地降低维护费用，同时要求开发出新一代的数控系统，具有强大的数控功能和方便的网络通讯功能，以适应未来车间面向任务和定单的生产组织和管理模式，,高速切削技术是当前加工技术新的发展方向之一，高速加工机床与普通机床相比，有：,（,1,）高速回转的主轴：采用主轴,电机一体化的主轴部件，实现无中间环节的直接传动，每分钟可达数万转，技术重点是在应用各种不同的主轴轴承及主轴冷却和润滑方式来达到更高的载荷值；,（,2,）高速直线移动部件：采用直线电机，取消中间运动环节，达到较高进给和较高的进给加速度,（,3,）高速刀具系统。主轴和刀具的连接，要保持较高的刚度和精度,（,4,）高速的控制器系统。,（,5,）高速加工机床的主轴功率特性,何为高速加工？,起源,（,1,）,60,多年前，德国一位金属切削学家,S,alomon,博士，发表了一则有关高速加工的论文，内容提到,：,（,2,）随着切削线速度的增加，温度及刀具磨损会剧烈增加,(,这便是传统加工的加工理念,),（,3,）当切削线速度达到某临界值时，切削温度及切削力会减小，后又随着切削速度的增加而急剧增加。,(,这便是高速加工的加工理念,),傳統加工區,Death Valley,死區,高速加工區,T=,切削應力,To=,刀具應力上限,V=,切削速度,高速加工定义,根据,1992,年国际生产工程研究会,(CIRP),年会主题报告的定义，高速切削通常指切削速度超过传统切削速度,5,10,倍的切削加工。因此，根据加工材料的不同和加工方式的不同，高速切削的切削速度范围也不同。,10,50,200,2000,切削速度,v,c,m/min,青铜,红铜,铸铁,钢,钛,镍合金,铝合金,纤维,塑料,转变,HSM,Source: PTW, Technical University Darmstadt,为何刀具热应力在高速加工时会下降？,在高速加工时，因切削速度快，切削时切削区会产生高温，使铁屑温度上升，导致切削阻力下降,切削时的高温会迅速经过铁屑带离工件及刀具,高速加工有着不同于传统加工的特殊的加工工艺要求，而数控加工的数控指令包含了所有的工艺过程，故应用于高速加工的数控自动编程系统,-CAM,系统必须能够满足相应的特殊要求。,（,1,）,CAM,系统应具有很高的计算编程速度,高速加工中采用非常小的进给量与切深，故对,NC,程序的要求比对传统系统的,NC,程序要求要严格得多，要求计算速度要快且方便、节约编程时间等。另外，快的编程速度使操作人员能够对多种加工工艺策略进行比较，以便采取最佳的工艺方案，并对刀具轨迹进行编辑、优化，以达到最佳的加工效率。,（,2,）,全程自动防过切处理能力及自动刀柄干涉检查,高速加工以高出传统加工近,10,倍的切削速度加工，一旦发生过切,其后果不堪设想，故,CAM,系统必须具有全程自动防过切处理能力。传统的曲面,CAM,系统是局部加工的概念，极容易发生过切现象，一般都是靠人工选择干预的办法来防止，,很难保证过切防护的安全性，只有通过新一代的、智能化的、面向对象的,CAM,系统，才能实现防过切处理全部由系统自动完成，才能真正保证其安全性。,高速加工的重要特征之一就是能够使用较小直径的刀具加工模具的细节结构。系统能够自动提示最短夹刀长度并自动进行刀具干涉检查，这对于高速加工非常重要。,（,3,）进给率优化处理功能,为了能够确保最大的切削效率，并保证在高速切削时加工的安全性，应根据加工瞬时余量的大小，由,CAM,系统自动对进给率进行优化处理。,（,4,）符合高速加工要求的丰富的加工策略,与传统方式相比，高速加工对加工工艺走刀方式有着特殊要求，因而要求,CAM,系统能够满足这些特定的工艺要求 。,A,、应避免刀具轨迹中走刀方向的突然变化，以避免因局部过切而造成刀具或设备的损坏。,B,、,应保持刀具轨迹的平稳，避免突然加速或减速。,C,、下刀或行间过渡部分最好采用斜式下刀或圆弧下刀，避免垂直下刀直接接近工件材料。,D,、行切的端点采用圆弧连接，避免直线连接。,E,、除非情况必须如此，否则仍应避免全力宽切削。,F,、残余量加工或清根加工是提高加工效率的重要手段，一般应采用多次加工或采用系列 刀具从大到小分次加工，直至达到所需尺寸，避免用小刀一次加工完成。,G,、刀具轨迹编辑优化功能非常重要，应避免多余空刀，可通过对刀具轨迹的摄像、复制、旋转等操作来避免重复计算。,H,、刀具轨迹裁剪修复功能也很重要，可通过精确裁剪减少空刀提高效率；也可用于零件局部变化编程，仅需编辑修改边际，无需对整个模型重新编程。,高速加工对编程人员的要求与编程方式的改变,采用高速加工设备之后，对编程人员的需求量将会增加，因高速加工工艺要求严格，过切保护更加重要，故需多花时间对,NC,指令进行仿真检验。一般而言，高速加工编程时间比普通加工编程时间要长得多，然而却大大缩短了加工时间。为了保证高速加工设备足够的使用率，需配置更多的,CAM,人员。传统,CAD/CAM,中，,NC,指令的编制是由远离加工现场的,CAD/CAM,工程师来完成的，因编程与加工地点分离，往往因编程人员对现场条件及加工工艺不够清楚而需要对,NC,指令进行反复检验与修改，影响正常使用。随着,CAM,系统智能化水平的提高，已经出现了新一代独立运行的智能化的,CAM,专业系统，如,DELCAM,公司的,PowerMILL,，其主要特点是面向对象的实体加工方式，而非传统的曲面局部加工方式。只需输入并选择加工工艺，即可自动完成编程操作。编程的复杂程度与零件的复杂程度无关，只与加工工艺有关，因而非常易于掌握，只需短时间培训即可掌握使用。在欧美发达国家，为了充分发挥,NC,设备操作人员的优势，缩短加工时间间隔，机侧编程已经成为逐渐流行的发展趋势,