数控加工技术及其最新进展

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,数控加工与工艺技术的新发展,随着计算机技术突飞猛进的发展，数控技术正不断采用计算机、控制理论等领域的最新技术成就，使其朝着高速化、高精化、复合化、智能化、高柔性化及信息网络化等方向发展。整体数控加工技术向着,CIMS,（计算机集成制造系统）方向发展。,1,高速切削,高速加工技术是自上个世纪80年代发展起来的一项高新技术，其研究应用的一个重要目标是缩短加工时的切削与非切削时间，对于复杂形状和难加工材料及高硬度材料减少加工工序，最大限度地实现产品的高精度和高质量。由于不同加工工艺和工件材料有不同的切削速度范围，因而很难就高速加工给出一个确切的定义。目前，一般的理解为切削速度达到普通加工切削速度的510倍即可认为是高速加工。,1.1,高速切削的概念,1.2,关于高速加工主轴速度范围的讨论,2007,年,6,月,28,日，成都飞机制造公司技术人员就航空件高速加工技术问题进行了交流。根据目前国内外高速技术发展现状，给出了目前情况下，高速加工主轴速度范围的定义：,n6000rpm,，为,低速；,10000 rpm,n20000rpm,为亚高速范围；,n 20000rpm,，为高速加工范围,高速加工与传统的数控加工方法相比没有什么本质的区别，两者牵涉到同样的工艺参数，但其加工效果相对于传统的数控加工有着无可比拟的优越性：,1.3,高速切削的优点,简化了传统加工工艺；,经济效益显著提高。,有利于提高生产率；,有利于改善工件的加工精度和表面质量；,有利于延长刀具的使用寿命和应用直径较小的刀具；,有利于加工薄壁零件和脆性材料；,受高生产率的驱使，高速化已是现代机床技术发展的重要方向之一。主要表现在：,数控机床主轴高转速,工作台高快速移动和高进给速度,1.4,高速切削设备的特点,现在主轴加速度可,2.0g,，采用高速电主轴，静压轴承、磁悬浮轴承等,现代高速机床，采用高速线性直线电机直接托动机床滑台，减少了机床传动环节，提高了机床运行速度及定位精度，滑台移动速度可达,120m/min,。,目前，高速加工涉及到的新技术主要有：,1.5,高速切削涉及到的新技术,1.5.1,高速主轴,高速加工是通过大幅度提高主轴转速和加工进给速度来实现的，为了适应这种高速切削加工，主轴设计采用了先进的主轴轴承、润滑和散热等新技术；,高速切削,1.5.2,适于高速加工的数控系统,高速加工数控系统需要具备更短的伺服周期和更高的分辨率，同时具有待加工轨迹监控功能和曲线插补功能，以保证在高速切削时，特别是在4-5轴坐标联动加工复杂曲面轮廓时仍具有良好的加工性能。,高速切削,1.5.3,刀具技术,刀具性能和质量对高速切削加工具有重大影响，新型刀具材料的采用，使切削加工速度大大提高，从而提高了生产率，延长了刀具寿命。,高速切削,1.5.4,刀夹装置及快速刀具交换技术,在高速加工中，切削时间和每个托盘化零件加工时间已显著缩短。高速、高精度定位的托盘交换装置已成为今后的发展方向。,高速加工作为一种新的技术，其优点是显而易见的，它给传统的数控加工带来了一种革命性的变化，但是，目前既便是在加工机床水平先进的瑞士、德国、日本、美国，对这一崭新技术的研究也还处在不断的摸索研究中。有许多问题有待于解决：如高速机床的动态、热态特性；刀具材料、几何角度和耐用度问题；机床与刀具间的接口技术（刀具的动平衡、扭矩传输）；冷却润滑液的选择；,CAD/CAM,的程序后处理问题；高速加工时刀具轨迹的优化问题等等。国内在这一方面的研究采尚处于起步阶段，要赶上并尽快缩小与国外同行业间的差距，还有许多路要走。,1.5.5,高速切削发展状况及趋势,高精加工是高速加工技术与数控机床的广泛应用结果。以前汽车零件的加工精度要求在,0.01mm,数量级，现在随着计算机硬盘、高精度液压轴承等精密零件的增多，精整加工所需精度已提高到,0.1m,，加工精度进入了亚微米世界。,2,高精加工,2.1,高精加工的基本概念,2.2,高精加工相关技术,提高机械设备的制造精度和装配精度,减小数控系统,的控制误差,提高数控系统的分辨率,以微小程序段实现连续进给,使,CNC,控制单位精细化,提高位置检测精度,位置伺服系统采用前馈控制与非线性控制,采用补偿技术,齿隙补偿,丝杆螺距误差补偿,刀具误差补偿,热变形误差补偿,空间误差综合补偿,复合化加工的两重含义：,3,复合化加工,一台装夹可完成多工种、多工序,企业向复合型发展，为用户提供成套服务,工序和工艺的集中,工艺的,成套,即,即,数控技术智能化程度不断提高，体现在以下几个方面：,4,控制智能化,加工过程自适应控制技术,加工参数的智能优化与选择,故障自诊断功能,智能化交流伺服驱动装置,智能,CAD,把工程数据库及其管理系统、知识库及其专家系统、拟人化用户接口管理系统集于一体。,控制智能化过程,智能制造技术 包括专家系统、模糊推理和人工神经网络三大部分。,控制智能化,控制智能化,专家,系统,先是采集领域专家的知识，然后将知识分解为事实与规则，存储于知识库中，通过推理作出决策。,模糊,推理,模糊推理又称模糊逻辑，它是依靠模糊集和模糊逻辑模型进行多个因素的综合考虑，采用关系矩阵算法模型、隶属度函数、加权、约束等方法，处理模糊的、不完全的乃至相互矛盾的信息。,人工神经网络,神经网络是人脑部分功能的某些抽象、简化与模拟，由数量巨大的以神经元为主的处理单元互连构成，通过神经元的相互作用来实现信息处理。,网络功能正逐渐成为现代数控机床、数控系统的特征之一。诸如现代数控机床的远程故障诊断、远程状态监控、远程加工信息共享、远程操作（危险环境的加工）、远程培训等都是以网络功能为基础的。,5,互联网络化,美国波音公司利用数字文件作为制造载体，首次利用网络功能实现了无图纸制造波音,777,新型客机。,图示为波音公司利用计算机辅助设计对,777,客机的零部件进行信息化处理。,互联网络化,现代意义上的快速成型技术始于70年代末期出现的立体光刻技术（,SLA）,它是汹涌而来的数字化浪潮在加工领域中不可避免的延拓，连续的曲面被离散成用,STL,文件表达的三角面片，零件在加工方向上被离散成若干层。这种离散化使得任意复杂的零件原型都可以加工出来，加工过程也大大简化了。,6,快速原型,创意,测量,计 算 机辅助设计,计 算 机工艺设计,计 算 机辅助制造,数控加工,构思草图,快速原型,现代产品开发模式,图形文档,数控代码,工艺文档,产 品,快速原型,快速原型的英文缩写为,RP，,在,RP,出现的初期，其用途主要是加工产品原型，随着成型工艺、材料的进步以及快速制模技术的发展，,RP,已发展成能直接或间接制造功能零件和模具的快速成型制造,奠定了在制造业中的位置,并且形成了一个不断扩大的,RP/RT,市场。据,Wholers Associates,的统计，全球,RP,设备已有近7000台，分布在58个国家。,快速原型,RP,技术发展到今天已有20余年的历史，新的快速成型工艺不断产生、功能不断完善、精度不断提高、成型速度不断提高。,快速原型,例如：,随着固态激光技术的突破，高达1000,mw,的紫外激光器应用在,SLA,设备中，使其成型速度得到大大提高，激光器的使用寿命由最初的2500小时延长到上万小时。,RP,技术发展到今天已有20余年的历史，新的快速成型工艺不断产生、功能不断完善、精度不断提高、成型速度不断提高。,快速原型,例如：,新型高性能光敏树脂的出现，解决了,SLA,的收缩变形和强度等问题。,EOS,公司的,EOSINT_M,激光金属粉末烧结快速成型设备可直接成型金属零件或注塑模具。,RP,技术发展到今天已有20余年的历史，新的快速成型工艺不断产生、功能不断完善、精度不断提高、成型速度不断提高。,快速原型,例如：,在软件方面，,STL,文件的处理软件不断专业化，使得各种文件的转换和,STL,文件的修复、处理、操作等功能日臻完善，形成了基于,STL,的,CAD,平台,。,从,RP/RT,技术的现状来看，未来几年的主要发展趋势如下：,快速原型,提高,RP,系统的速度、控制精度和可靠性,开发专门用于检验设计、模拟制品可视化，而对尺寸精度、形状精度和表面粗糙度要求不高的概念机。,研究开发成本低、易成形、变形小、强度高、耐久及无污染的成形材料。,研究开发新的成形方法,研究新的高精度快速模具工艺,经自动化工厂“通信网络”连接的各个子系统，可构成一个有机联系的整体，即自动化工厂。计算机集成制造反映了制造系统的这一新发展。计算机集成制造系统则是技术上的具体实现，他能为现代制造企业追求在激烈变化中、动态市场条件下，具有快速灵活响应的竞争优势提供所要求的战略性系统技术。,7,计算机集成制造系统（,CIMS,）,计算机集成制造系统的发展可以实现整个机械制造厂的全盘自动化，成为自动化工或无人化工厂，是自动化制造技术的发展方向。,存储运输模块的主要功能有仓库管理、自动搬运等。,各模块的主要功能：,计算机集成制造系统（,CIMS,）,设计与工艺模块,制造模块,管理信息模块,存储运输模块,CAD,、,CAE,、,CAPP,、,CAM,等,DNC,、,CNC,、车间生产计划、作业调度、刀具管理、质量检测与控制、装配、自动化仓库、,FMC/FMS,等,市场预测、物料需求计划、生产计算、成本核算及销售等,CIMS,集成的三个阶段：,计算机集成制造系统（,CIMS,）,信息集成,针对设计、管理和加工制造中大量存在的自动化孤岛，实现信息正确、高效的共享和交换，是改善企业技术和管理水平必须首先解决的问题。,信息集成的主要内容包括,企业建模、系统设计方法、软件工具和规范,异构环境下的信息集成,计算机集成制造系统（,CIMS,）,过程集成,对产品设计开发中的各串行过程尽可能多地转变为并行过程，在设计时就考虑到后续工作中的可制造性、可装配性，设计时考虑质量，把设计开发中的信息大循环变成多个小循环，可以减少反复，缩短开发时间。,CIMS,集成的三个阶段：,计算机集成制造系统（,CIMS,）,企业集成,21,世纪的制造业必须面队全球制造的新形势，充分利用全球的制造资源，以便更快、更好、更省地响应市场需求。这就是敏捷制造的思想。敏捷制造的组织形式是企业之间针对某一特定产品，建立企业动态联盟（即所谓虚拟企业）。敏捷的企业联盟应该是“两头大、中间小”，即强大的新产品设计与开发能力和强大的市场开拓与竞争的能力。“中间小”即加工制造设备的能力可以小。多数零部件可以靠协作解决，企业可以在全球采购价格最便宜、质量最好的零部件，因此企业间的集成是企业优化的新台阶。,CIMS,集成的三个阶段：,8,数控系统的发展,8.1,高精、高速加工,*5 轴加工功能和复杂加工功能的机床,采用5 轴联动，可以使用刀具最佳形状进行加工,*复合数控机床,数控复合加工机床的开发和制造已变成数控机床的一种发展趋势,8.2,“,虚拟轴”机床,8.3,数控系统的开放,8.1,高精度、高速加工,FUNAC,伺服电机带有1.610,7,脉冲/转分辨率的编码器。采用相应的硬件，可以产生所谓“纳米控制”，也就是在系统检测分辨率为1,m,时，插补分辨率可以提高到1,nm，,在直线电机驱动的加工中心上加工，加工速度为30,m/min,时，其圆度为23,m；,在加工速度为10,m/min,时，其圆度为1,m。,高速加工目前速度已达100,m/min，,主轴转速达60, 000,r/min,控制方法：,Look ahead, Jerk,8.2,“,虚拟轴”机床,驱动杆,机架,动平台,主轴电机,伺服电机,主轴,刀具,柔性夹具,工件,静平台,图,1,并联机床结构示意图,驱动并联化,并联加工中心（又称6条腿数控机床、虚轴机床）是数控机床在结构上取得的重大突破,。,特点,并联结构机床是现代机器人与传统加工技术相结合的产物；,由于它没有传统机床所必需的床身、立柱、导轨等制约机床性能提高的结构，,具有现代机器人的模块化程度高、重量轻和速度快等优点。,数学上属于,STEWARD,平台,并联运动机床,Hexaglide,高速铣床,主轴部件,固定杆长的杆件,滑 板,滑 板,顶部配置6台直线电动机,数控技术的发展过程,传统封闭型系统数控,NC-CNC,目前仍广泛应用于工业中,PC-NC,型准开放式数控系统,PC,嵌入,NC(,利用,PC,扩充,NC),NC,嵌入,PC(PC+,运动控制卡),90年代初开始，现市场已有产品,软件化开放式数控系统,基于标准,PC,软件化,NC,实时操作系统,90年代末提出，现已有,SoftServo, OpenCNC，PA,传统封闭式数控系统的缺点,（ 1）各厂家产品软硬件不兼容，主流技术远落后于,PC,软硬件技术，购买、使用成本高;,（2）系统功能固定，不能充分反映数控设备制造厂的生产经验，很难满足最终用户的特殊要求;,（3）缺乏统一、有效和高速的通道与外部互连，信息被锁在“黑匣子”中，成为自动化的“孤岛”;,（4）人机界面不灵活，系统的培训和维护费用昂贵。,PC-NC结构的不足,（1）仍存在专有硬件,（2）信息的交换还不是完全开放的,（3）与I/O接口连线多,（4）成本高,（5）工业化设计不如传统数控系统,软件化开放式是数控系统的发展方向,（1）基于标准的,PC,硬件,（2）信息的完全开放，软件模块的,PnP，,（3）与,I/O,的连接为现场总线结构,PROFIBUS，SERCOS，MACRO, HS-Link, IEEE1394a(b),实时以太网,（4）完善的网络功能,（5）成本低,开放式数控系统的主要进展,开放性的定义,可移植性（,Portability）-POSIX1003.1b,可缩放(升级）性（,Scalability）,可扩展性（,Extensibility）,可交换性（,Exchangeable）-Configurable,统一的操作界面（,Uniformity interface）,国内外研究概况,国内外主要研究计划：,（1）美国的,NGC、EMC、OMAC,（2）,欧共体的,ESPRIT 6379,OSACA,（3）,日本联合六大公司成立了,OSEC,组织,（4）美国,MDSI,公司,、,Soft Servo,和,德国,PA,公司,（5）国内华中、航天、蓝天、珠峰,（6）大学研究计划,开放式数控系统的发展方向,标准化、模块化,软硬件体系结构,软件化数控内核实时操作系统,数控系统与驱动和数字,I/O,连接-现场总线,网络化是,E-Manufacturing,对数控系统的必然要求,自治智能化是下一代,CNC,系统的发展方向,STEPNC（ISO14649),STEP-NC概要,以新的数据接口规范取代ISO 6983,STEP-NC ISO14649,STEP,（,Standard for the Exchange of Product Model Data ISO 10303,）,CNC,编程语言,G、M,代码,ISO6983,， 由,CAD-,CAM,系统产生,新标准“,CNC,控制器的数据模型” （,Data model for computerized numerical controllers ISO14649,）,旧标准存在问题：,(1),基于,ISO 6983,标准的数控指令（,G、M,代码）支持面窄(无样条插值和五轴加工、前瞻功能（,LOOKAHEAD)，,而且系统之间不兼容。,(2),获得的信息局限于程式化的动作和开关逻辑，故只能被动执行指令，缺乏智能化基础。,(3),设计与加工的信息不兼容，,产品信息只能单向流动，现场的修改难以自动反馈到上游系统。据,NIST,估计：数据的不兼容给制造业带来的损失多达,900,亿美元,(4)依赖,CAM,软件的后处理程序，其间的数据转换往往会造成信息流失。,加工轴的刀具中心轨迹的编程，而不是零件的加工过程的编程。,STEP-NC,新标准,STEP-NC,的基本思想可以简述为：,CNC,系统直接使用符合,STEP,标准（,ISO 10303）,的,CAD,三维产品数据模型（包括几何数据、设计和制造特征），加上工艺的信息和刀具信息，直接产生加工程序来控制机床,，,消除,CAM,与数控系统之间的信息流瓶颈，,从而基于,STEP,建立起支持产品全生命周期的信息高速公路，解决目前数字制造系统中信息模型不统一、系统不兼容等问题,，,新标准,STEP-NC,的基本思想可以简述为：,CNC,系统直接使用符合,STEP,标准（,ISO 10303）,的,CAD,三维产品数据模型（包括几何数据、设计和制造特征），加上工艺的信息和刀具信息，直接产生加工程序来控制机床,，,消除,CAM,与数控系统之间的信息流瓶颈,，从而基于,STEP,建立起支持产品全生命周期的信息高速公路，解决目前数字制造系统中信息模型不统一、系统不兼容等问题,，,STEP-NC,概要,STEP-NC概要,STEPNC的优势,CAD,CAM,CNC,35%,faster,75%,faster,50%,faster,STEP,(,AP,-203),STEP-NC,(,AP-238),相同的几何信息,IGES,CAM,POST-PROCESS,RS274D,美国STEP Tools公司曾针对CAD-CAM-CNC链的生产效率进行了分析研究，结果表明，STEP/STEP-NC的运用将使目前的加工工艺规划（CAM）时间减少35%，生产数据的准备（CAD）时间减少75%，加工（CNC）时间减少50%（前图所示）。因此，本研究不仅对于数控技术的发展有一定的理论意义和参考价值，而且对于发展国产数控产业乃至制造业都有着积极的意义。,标准化工作（标准草案,DIS-ISO-14649 ）,已完成：,part 1,（,概要及基本原则），,part 10,（,通用数据模型），,part 11 (,铣削模型,),，,part 111,（,铣削刀具）。,正在制订完善：,part 12（,车削模型），,part 121（,车削刀具），,part 13（,放电加工模型），,part 14 （,木材及玻璃的加工）等,其它,欧洲开发了,第一台原型机,，验证了,STEP-NC,的可行性,美国开发了,STEP-NC,数据库（,Super model,）,韩国对,STEP-NC,条件下智能化数控的框架及其实施策略等进行了研究,STEP-NC,概要,谢谢，请提意见,