《機械CADCAM》課件第5章

第5章數(shù)字化制造基礎5.1數(shù)控技術與數(shù)控機床5.2數(shù)控加工與編程5.3DNC與FMS技術5.4快速成型制造習題與思考題

5.1數(shù)控技術與數(shù)控機床5.1.1數(shù)控技術的基本概念數(shù)字控制(NumericalControl，NC)技術簡稱數(shù)控技術，是用數(shù)字化信息對控制對象加以控制的一種自動控制技術。采用數(shù)控技術的控制系統(tǒng)可以對數(shù)字化控制信息進行諸如邏輯運算、數(shù)學運算等復雜的信息處理工作，特別是可用軟件來改變信息處理的方式或過程。因此，數(shù)控技術被廣泛應用于機械運動的軌跡控制和開關量控制中，如機床、機器人的控制等。數(shù)字控制的對象是多種多樣的，數(shù)控機床是最早的數(shù)控對象，也是最典型的數(shù)控設備。數(shù)控機床是采用了數(shù)控技術的機床，或者說是裝備了數(shù)控系統(tǒng)的機床。世界上第一臺數(shù)控機床于1952年由美國帕森茲公司(ParsonsCo．)與麻省理工學院(MIT)合作研制成功，開創(chuàng)了世界數(shù)控機床發(fā)展的先河。隨后，數(shù)控機床便在世界各國迅速發(fā)展起來。經(jīng)過50多年的發(fā)展，數(shù)控技術在各個方面都有了長足的進步，數(shù)控機床的效率、精度、柔性和可靠性進一步提高，品種規(guī)格系列化，門類擴展齊全，F(xiàn)MC、FMS也已進入實用階段。數(shù)控技術和數(shù)控機床已成為國家工業(yè)現(xiàn)代化和國民經(jīng)濟建設中的基礎與關鍵裝備。5.1.2數(shù)控機床的組成及分類

1．數(shù)控機床的組成數(shù)控機床的種類繁多，但其一般組成如圖5.1所示。

1)信息載體信息載體又稱控制介質(zhì)，用于記錄數(shù)控機床上加工一個零件所必需的各種信息，以便控制機床運動，實現(xiàn)零件的加工。常用的信息載體有磁盤、光盤、磁帶等?，F(xiàn)代數(shù)控機床也可用數(shù)控系統(tǒng)操作面板上的人機界面直接輸入零件加工程序。圖5.1數(shù)控機床的組成

2)數(shù)控系統(tǒng)數(shù)控系統(tǒng)是數(shù)控機床的控制系統(tǒng)，由硬件和控制軟件組成。硬件包括計算機、CRT顯示器、鍵盤、面板、機床接口等。數(shù)控系統(tǒng)的主要功能是實現(xiàn)數(shù)字化的零件程序輸入與存儲、數(shù)據(jù)的變換、插補運算以及各種控制功能。

3)伺服系統(tǒng)伺服系統(tǒng)是數(shù)控系統(tǒng)的執(zhí)行部分，也是數(shù)控機床執(zhí)行機構的驅(qū)動部件和動力來源，由速度控制單元、位置控制單元、伺服驅(qū)動電機等組成。數(shù)控機床的伺服驅(qū)動要求有好的快速響應性能，能靈敏而準確地跟蹤由數(shù)控系統(tǒng)發(fā)送來的數(shù)字指令信號。

4)主機主機是數(shù)控機床的機械構造實體，包括床身、立柱、主軸、進給機構等機械部件，它與普通機床的差別，主要在于機械結構與功能部件的不同，由此形成數(shù)控機床構造上的特色。

5)輔助裝置數(shù)控機床的輔助裝置是指數(shù)控機床的一些必要的配套部件，包括液壓和氣動裝置、排屑裝置、交換工作臺、數(shù)控轉(zhuǎn)臺和數(shù)控分度頭，還包括刀具及監(jiān)控檢測等裝置。

2．數(shù)控機床的分類數(shù)控機床的種類很多，為了便于了解和研究，可從不同的角度對其進行分類。

1)按機床的運動軌跡和控制系統(tǒng)的特點分類

(1)點位控制機床。點位控制只控制機床移動部件的終點位置，而不管移動時所走的軌跡如何，同時在移動過程中不進行加工。這種控制方式適合于一些進行孔加工的數(shù)控機床。點位控制的功能是獲得精確的孔系坐標定位，如圖5.2所示。數(shù)控鉆床、數(shù)控坐標鏜床均采用點位控制。圖5.2點位控制

(2)輪廓控制的數(shù)控機床。輪廓控制能夠?qū)蓚€或兩個以上運動坐標的位移及速度進行連續(xù)控制，因而可以進行曲線或曲面零件的切削加工。常見的這類機床有兩坐標及兩坐標以上的數(shù)控車床、數(shù)控銑床、加工中心等。輪廓控制按照同時控制(可聯(lián)動)的軸數(shù)，可以分為兩軸控制、2.5軸控制、三軸控制、四軸控制和五軸控制等。兩軸控制是指機床可以同時控制兩個坐標軸，如圖5.3所示為同時控制X、Y坐標的兩軸控制曲線輪廓加工。三軸控制是指同時控制X、Y、Z三個坐標軸，這樣刀具在空間的任意方向都可移動，能夠進行三維的立體加工，如圖5.4所示。圖5.3兩軸控制

圖5.4三軸聯(lián)動控制四軸控制是指同時控制四個坐標運動，即在三個移動坐標之外，再加一個旋轉(zhuǎn)坐標。同時控制四個坐標X、Y、Z、A進行加工的零件如圖5.5所示。圖5.5四軸聯(lián)動控制

五軸控制是一種很重要的加工形式。五軸是指除了直線坐標X、Y、Z以外，再加上圍繞這些直線坐標旋轉(zhuǎn)的A、B、C中的任意兩個坐標，形成同時控制的5個坐標，這時刀具可以指向空間中的任意方向，如圖5.6所示。五軸聯(lián)動加工特別適合于加工透平葉片、機翼等具有復雜曲面的零件。圖5.6五軸聯(lián)動控制

2)按控制伺服系統(tǒng)類型分類數(shù)控機床按控制伺服系統(tǒng)可分為開環(huán)控制、閉環(huán)控制和半閉環(huán)控制。

3)按加工方式分類

(1)金屬切削類數(shù)控機床：如數(shù)控車床、加工中心、數(shù)控鉆床、數(shù)控磨床、數(shù)控鏜床等。

(2)金屬成型類數(shù)控機床：如數(shù)控折彎機、數(shù)控彎管機、數(shù)控回轉(zhuǎn)頭壓力機等。

(3)數(shù)控特種加工機床：如數(shù)控線切割機床、數(shù)控電火花加工機床、數(shù)控激光加工機床等。

(4)其他類型的數(shù)控機床和設備：如火焰切割機、數(shù)控三坐標測量機等。圖5.7所示為數(shù)控車床(圖(a))和數(shù)控立式加工中心(圖(b))。圖5.7數(shù)控車床和立式加工中心5.1.3數(shù)控機床的特點數(shù)控機床以其精度高、效率高、能適應小批量復雜零件的加工等特點，在機械制造中得到了廣泛的應用。概括起來，數(shù)控機床有以下幾方面的特點：

(1)可以加工具有復雜型面的工件。數(shù)控機床能完成很多普通機床難以完成或不能加工的復雜型面的零件加工。在航空航天等領域以及復雜型面的模具加工、蝸輪葉片等加工方面得到了廣泛的應用。

(2)加工精度高，質(zhì)量穩(wěn)定。數(shù)控機床本身的精度比普通機床高，在數(shù)控機床加工過程中是按照程序自動加工的，消除了操作者的人為誤差，工件的加工精度由數(shù)控機床保證。

(3)生產(chǎn)率高。數(shù)控加工可以有效地減少零件的加工時間和輔助時間。通過合理選擇切削用量，充分發(fā)揮刀具的切削性能，可以減少零件的加工時間；加工零件改變時，只需更換加工程序，節(jié)省了準備和調(diào)整時間，有效地提高了生產(chǎn)效率。如使用具有自動換刀功能的加工中心，可一次裝夾工件而完成多道工序的連續(xù)加工，生產(chǎn)效率的提高更為顯著。

(4)改善勞動條件。數(shù)控機床在加工程序啟動后，就能自動連續(xù)加工，直至工件加工完畢，自動停車，這簡化了工人的操作，使工人操作時的緊張程度大為減輕。此外，數(shù)控機床一般是封閉式加工，既清潔又安全，勞動條件得到了改善。

(5)有利于生產(chǎn)管理。使用數(shù)控機床加工，能準確地計劃零件的加工工時，簡化了檢驗工作，減輕了工夾具、半成品的管理工作，減少因誤操作而造成廢品和損壞刀具的可能性。這些都有利于生產(chǎn)管理水平的提高。

(6)數(shù)控加工是CAD/CAM技術和先進制造技術的基礎。數(shù)控加工作為數(shù)字化制造的手段與CAD/CAM技術的有機結合，已成為現(xiàn)代集成制造技術的重要基礎。5.2數(shù)控加工與編程5.2.1數(shù)控加工的基本概念數(shù)控加工過程是指按給定的零件加工要求進行數(shù)控加工的全過程。該過程主要包括：根據(jù)零件圖及工藝要求用曲線和曲面表達工件加工輪廓；選擇合適的加工方式和工藝參數(shù)；生成刀具運動軌跡；產(chǎn)生數(shù)控代碼；輸入數(shù)控系統(tǒng)，完成零件的加工。

1．數(shù)控加工的基本過程數(shù)控加工的基本過程如圖5.8所示。圖5.8數(shù)控加工的過程

(1)分析零件圖及其結構工藝，明確加工內(nèi)容及技術要求，確定數(shù)控加工方案、工藝參數(shù)和工藝裝備等。

(2)用規(guī)定的程序代碼和格式編寫零件加工程序，或用CAD/CAM軟件直接生成零件的加工程序文件。

(3)輸入加工程序，對加工程序進行校驗和修改。

(4)通過對機床的正確操作來運行程序，完成零件的加工。

2．數(shù)控加工的主要對象由數(shù)控加工的特點可以看出，適于數(shù)控加工的零件包括：

(1)多品種、單件小批量生產(chǎn)的零件或新產(chǎn)品試制中的零件。

(2)幾何形狀復雜、精度及表面粗糙度要求高的零件。

(3)加工過程中需要進行多工序加工的零件。

(4)用普通機床加工時需要昂貴工裝設備(工具、夾具和模具)的零件。5.2.2數(shù)控編程的概念數(shù)控機床是按照事先編制好的零件數(shù)控加工程序自動進行加工的。編制和生成數(shù)控機床所用的零件數(shù)控加工程序的過程，稱為數(shù)控編程(NCProgramming)或零件編程(PartProgramming)。一般來說，數(shù)控加工編程的主要過程是在分析零件的幾何特征、技術要求等的基礎上，確定合理的加工方法和加工路線，再通過計算得到刀具走刀數(shù)據(jù)文件，最終形成加工程序代碼的。

1．數(shù)控加工程序的基本格式數(shù)控加工程序的程序樣本如下所示：

N10G92X0Y0Z1.2

N30G90G00X-5.5Y-6S300M03

N40Z-1.2M08

N120G01X5.5Y5

N140X0Y0

N150M02

理想的加工程序不僅應保證加工出符合圖樣要求的合格工件，同時應能使數(shù)控機床的功能得到合理的應用與充分的發(fā)揮，以使數(shù)控機床能安全可靠及高效地工作。

2．數(shù)控加工編程中的坐標系統(tǒng)

1)機床坐標系在數(shù)控加工中，為了精確控制機床移動部件的運動，需要建立坐標系。在此坐標系中，刀具沿相應的坐標軸移動即可完成加工零件所需的運動。國際標準化組織對數(shù)控機床的坐標軸名稱及其運動的正、負方向作了統(tǒng)一規(guī)定，公布了ISO841標準。我國也于1982年頒布了相應標準JB3051—82《數(shù)控機床坐標和運動方向的命名》。數(shù)控機床上采用的坐標系是右手直角笛卡爾坐標系。如圖5.9所示，X、Y、Z直線進給坐標系按右手定則規(guī)定，而圍繞X、Y、Z軸旋轉(zhuǎn)的圓周進給坐標軸A、B、C則按右手螺旋定則判定。圖5.9直角笛卡爾坐標系

(1)機床坐標系的規(guī)定。在確定機床坐標軸時，一般先確定Z軸，然后確定X軸和Y軸，最后確定其它軸。機床各坐標軸及其正方向的確定原則是：①Z軸。以平行于機床主軸的刀具運動坐標為Z軸，若有多根主軸，則可選垂直于工件裝夾面的主軸為主要主軸，Z坐標則平行于該主軸軸線。若沒有主軸，則規(guī)定垂直于工件裝夾表面的坐標軸為Z軸。Z軸正方向是使刀具遠離工件的方向。②X軸。X軸為水平方向、垂直于Z軸且平行于工件的裝夾面。在工件旋轉(zhuǎn)的機床(如車床、磨床)上，X軸的運動方向是徑向的，與橫向?qū)к壠叫?。刀具離開工件旋轉(zhuǎn)中心的方向是正方向。對于刀具旋轉(zhuǎn)的機床，若Z軸為水平方向(如臥式銑床、鏜床)，則沿刀具主軸后端向工件方向看，右手平伸出的方向為X軸正向；若Z軸為垂直方向(如立式銑床、鏜床)，則從刀具主軸向床身立柱方向看，右手平伸出的方向為X軸正向。③Y軸。在確定了X、Z軸的正方向后，即可按右手定則定出Y軸正方向。圖5.10是機床坐標系示例。圖5.10機床坐標系示例

(2)機床相對運動的規(guī)定。為了方便和統(tǒng)一，無論機床在實際加工中是工件運動還是刀具運動，在進行編程計算時，一律都是假定工件不動，按刀具相對運動的坐標來編程。

2)工件坐標系工件坐標系又稱編程坐標系，是編程時用來定義工件形狀和刀具相對工件運動的坐標系。為保證編程與機床加工的一致性，工件坐標系也采用右手笛卡爾坐標系。工件裝夾到機床上時，必須使工件坐標系與機床坐標系的坐標軸方向保持一致。工件坐標系的原點稱為工件原點或編程原點，其位置由編程者確定。

3．數(shù)控編程的特征點

1)機床原點與參考點機床原點就是機床坐標系的原點，它是機床上一個固定的點，由制造廠家確定。數(shù)控車床的機床原點大多確定在主軸前端面的中心，數(shù)控銑床的機床原點多定在進給行程范圍的正極限點處，但也有的設置在機床工作臺中心，使用前可查閱機床用戶手冊。參考點是確立機床坐標系的參照點。用于對機床工作臺(或滑板)與刀具相對運動的測量系統(tǒng)中進行定標與控制的點，一般都設定在各軸正向行程極限點的位置上。該位置是在每個軸上用擋塊和限位開關精確地預先調(diào)整好的，它相對于機床原點的坐標是一個已知的固定值。每次開機啟動后，或當機床因意外斷電、緊急制動等原因停機而重新啟動時，都應該先讓各軸返回參考點，進行一次位置校準，以消除上次運動所帶來的位置誤差。

2)工件原點工件坐標系的坐標原點即為工件原點。車床的工件原點一般設在主軸中心線上，大多確定在工件的左端面或右端面。銑床的工件原點一般設在工件外輪廓的某一個角上或工件對稱中心處，進刀深度方向上的零點大多取在工件表面。對于形狀較復雜的工件，有時為編程方便可根據(jù)需要通過相應的程序指令隨時改變新的工件原點；對于在一個工作臺上裝夾并加工多個工件的情況，在機床功能允許的條件下，可分別設定工件原點并獨立地編程，再通過工件原點預置的方法在機床上分別設定各自的工件坐標系。機床原點、機床參考點、工件原點的示例如圖5.11所示。圖5.11機床原點、參考點、工作原點的示例

3)對刀點對刀點就是在數(shù)控加工時，刀具相對于工件運動的起點，程序就是從這一點開始執(zhí)行的。對刀點也可以稱為“程序起點”或“起刀點”。編制程序時，應首先考慮對刀點的位置選擇。對刀點選定的原則如下：

(1)選定的對刀點位置應使程序編制簡單。

(2)對刀點在機床上找正容易。

(3)加工過程中檢查方便。

(4)引起的加工誤差小。對刀點可以設在被加工零件上，也可以設在夾具上，但是必須與零件的定位基準有一定的坐標尺寸聯(lián)系，這樣才能確定機床坐標系與工件坐標系的相互關系。對刀點不僅是程序的起點，而且往往又是程序的終點，因此，在批量生產(chǎn)中要考慮對刀的重復精度。通常，對刀的重復精度在絕對坐標系統(tǒng)的數(shù)控機床上可由對刀點距機床原點的坐標值來校核，在相對坐標系統(tǒng)的數(shù)控機床上則經(jīng)常需人工檢查對刀精度。

4)原點偏置數(shù)控機床一般都要求機床在回零操作后(即令機床回到機床原點或機床參考點之后)才能啟動。機床參考點和機床原點之間的偏移值存放在機床控制器中?；亓悴僮骱?，機床控制系統(tǒng)進行初始化，即設置機床運動坐標X、Y、Z、A、B、C等的顯示(計數(shù)器)為零。當工件在機床上固定后，工件原點與機床參考點的偏移量必須通過測量來確定?，F(xiàn)代數(shù)控系統(tǒng)一般都配有工件測量頭，在手動操作下能準確地測量該偏移量，并存入G54～G59原點偏置寄存器中，供數(shù)控系統(tǒng)計算原點偏移。在沒有工件測量頭的情況下，工件原點位置的測量要靠對刀的方式進行。對于多個工件原點的偏移，采用G54～G59原點偏置寄存器存儲所有工件原點與機床參考點的偏移量，然后可在程序中方便地直接調(diào)用G54～G59進行原點偏移。對于編程人員而言，一般只需知道工件坐標系的原點即可進行程序編制，而不必過多地考慮機床原點、機床參考點以及所選用的數(shù)控機床型號等。但對于機床操作者來說，必須十分清楚所選用數(shù)控機床的上述各原點及其之間的偏移關系(必須參考機床用戶手冊和編程手冊)。

4．絕對坐標與增量(相對)坐標如果刀具(或機床)運動位置的坐標值是相對于固定的坐標原點給出的，則稱為絕對坐標。該坐標系統(tǒng)稱為絕對坐標系統(tǒng)。如圖5.12所示，A、B點的坐標均是以固定的坐標原點計算的，其坐標值為：XA=20，YA?=?25，XB=70，YB=?60。圖5.12絕對坐標與增量坐標如果刀具(或機床)運動位置的坐標值是相對于前一位置而不是相對于固定的坐標原點給出的，則稱為增量坐標。該坐標系統(tǒng)稱為增量坐標系統(tǒng)，常使用代碼表中的第二坐標U、V、W表示。U、V、W分別與X、Y、Z平行且同向。在圖5.12中，若B的坐標是相對于前面的A點給出的，則其增量坐標為：UB=50，VB=?35

5．刀具運動軌跡刀具運動軌跡是系統(tǒng)按給定工藝要求對被加工圖形進行切削時刀具相對于工件表面的行進路線。刀具軌跡依加工表面的種類而變化，如在平面銑削加工中，有以下幾種典型的刀具軌跡(如圖5.13所示)：

(1)雙向來回運動軌跡(Zig-Zag)。

(2)單向運動軌跡(Zig)。

(3)跟隨零件邊界運動軌跡(FollowPeriphery)。

(4)輪廓運動軌跡(FollowProfile)。圖5.13典型的刀具軌跡5.2.3數(shù)控編程的步驟與方法

1．數(shù)控編程步驟數(shù)控加工編程的主要過程包括：分析零件的幾何特征和技術要求，確定合理的加工方法和加工路線，計算刀具走刀數(shù)據(jù)，最終形成數(shù)控加工程序代碼。其具體步驟如圖5.14所示。圖5.14數(shù)控機床程序編制的步驟

(1)確定加工工藝過程。主要內(nèi)容：確定加工方案，選擇適合的數(shù)控機床、工件裝夾方法及夾具，選擇刀具，確定合理的走刀路線，選擇合理的切削用量等。

(2)刀具運動軌跡坐標計算。根據(jù)零件的幾何尺寸和加工路線，計算刀具中心運動軌跡，獲得刀位數(shù)據(jù)。一般的數(shù)控系統(tǒng)均具有直線插補與圓弧插補的功能。對于加工由圓弧與直線組成的較簡單的平面零件，只需計算出零件輪廓的相鄰幾何元素的交點或切點(即基點)的坐標值，即可得出各幾何元素的起點、終點、圓弧的圓心等坐標值。對于較復雜的零件或當零件的幾何形狀與控制系統(tǒng)的插補功能不一致時，需要進行較復雜的數(shù)值計算完成用直線段或圓弧段的逼近運算。對于自由曲線、自由曲面加工程序的編制，一般需使用計算機輔助計算，否則難以完成。

(3)編寫零件加工程序單。根據(jù)上述工藝處理及數(shù)值計算的結果，編寫零件加工程序單。程序編制人員需使用數(shù)控系統(tǒng)規(guī)定格式的程序指令，逐段編寫零件加工程序單。

(4)程序的校驗與試切。加工程序通常需要經(jīng)過校驗和試切檢查后，才能用于正式加工。通過程序校驗來檢查機床動作和運動軌跡的正確性。在具有圖形顯示功能的數(shù)控機床上，可通過顯示走刀軌跡進行程序檢查。對于重要的復雜零件，可采用鋁件或石臘等易切材料進行試切，確認程序的正確性和加工精度是否符合要求，當發(fā)現(xiàn)工件不符合要求時，可修改程序或采取尺寸補償?shù)却胧?/p>

2．數(shù)控編程方法數(shù)控加工程序的編制方法主要有兩種：手工編制程序(ManualProgramming)和計算機輔助數(shù)控編程(ComputerAidedProgramming)，后者也稱為數(shù)控自動編程，正如前面所介紹的，也就是狹義的CAM。

1)手工編程手工編程是指主要由人工來完成數(shù)控編程中各個階段的工作。手工編程耗費時間較長，容易出現(xiàn)錯誤，無法勝任復雜形狀零件的編程。據(jù)國外資料統(tǒng)計，當采用手工編程時，一段程序的編寫時間與其在機床上運行加工的實際時間之比，平均約為30?:?1，而數(shù)控機床不能開動的原因中有20%~30%是由于加工程序編制困難，編程時間過長所致。

2)計算機數(shù)控自動編程計算機數(shù)控自動編程是指在編程過程中，除了分析零件圖樣和制定工藝方案由人工進行外，其余工作均由計算機輔助完成。現(xiàn)代主流的數(shù)控自動編程軟件是CAD/CAM集成數(shù)控編程。利用該系統(tǒng)編程相對于人工程序編制的繁瑣過程，可提高編程效率幾十倍乃至上百倍，解決了手工編程無法解決的許多復雜零件的編程難題。5.2.4數(shù)控加工工藝

1．數(shù)控加工工藝處理的內(nèi)容

1)工藝分析和確定加工方案對被加工零件圖紙進行工藝分析，明確加工內(nèi)容和技術要求，在此基礎上確定零件的加工方案，劃分和安排加工工序。零件圖上尺寸標注的方法應適應數(shù)控加工的特點。在數(shù)控加工零件圖上，應以同一基準引注尺寸或直接給出坐標尺寸。這種標注方法既便于編程，也便于尺寸之間的相互協(xié)調(diào)，這給保持設計基準、工藝基準、檢測基準與編程原點設置的一致性方面帶來很大方便。由于一般的零件圖的尺寸標注常采用局部分散的標注方法，給數(shù)控加工安排帶來許多不便，因此，在工藝分析時，可將分散標注法改為同一基準引注尺寸或直接給出坐標尺寸的標注法。

2)確定裝夾方法和對刀點在數(shù)控機床上加工零件時，定位安裝的基本原則與普通機床相同，也要合理選擇定位基準和夾緊方案。為了提高數(shù)控機床的效率，在確定定位基準與夾緊方案時應力求設計、工藝與編程計算的基準統(tǒng)一，并盡量減少裝夾次數(shù)，盡可能在一次定位裝夾后加工出全部待加工表面。

3)加工方案的確定和加工路線零件上比較精確表面的加工，常常需通過粗加工、半精加工和精加工來逐步達到要求。因此，對這些表面的加工，應正確確定從毛坯到最終成型的加工方案。確定加工方案時，首先應根據(jù)主要表面的精度和表面粗糙度的要求，確定其加工路線。加工路線是指加工過程中刀具運動的軌跡路線，也稱為走刀路線。選擇走刀路線時應考慮以下事項：

(1)保證零件的加工精度及表面粗糙度。

(2)取最佳路線，即盡量縮短走刀路線，減少空行程，提高生產(chǎn)率，并保證安全可靠。

(3)有利于數(shù)值計算，減少程序段和編程工作量。同時，應避免在輪廓加工中的進給停頓，防止刀具進給停頓在零件表面而留下刀痕。

4)選擇刀具選擇刀具時通常要考慮機床的加工能力、工序內(nèi)容、工件材料等因素。數(shù)控加工要求刀具精度高、剛度好、耐用度高，并且尺寸穩(wěn)定、安裝調(diào)整方便。數(shù)控車床的加工刀具可分為外圓、內(nèi)圓、內(nèi)嵌式刀具，如圖5.15所示。數(shù)控銑床和加工中心常用的刀具有球頭銑刀、環(huán)形銑刀、面銑刀、盤形刀等。圖5.16所示為常用的銑刀。圖5.15數(shù)控車床的加工刀具(a)外圓車刀；(b)內(nèi)圓車刀；(c)內(nèi)嵌式刀具圖5.16常用的銑刀

5)切削用量的確定切削用量包括主軸轉(zhuǎn)速、背吃刀量、進給速度等。對于不同的加工方法，需要選擇不同的切削用量。合理選擇切削用量的原則是：粗加工時，一般以提高生產(chǎn)率為主，但也應考慮經(jīng)濟性和加工成本；半精加工和精加工時，應在保證加工質(zhì)量的前提下，兼顧切削效率、經(jīng)濟性和加工成本。具體數(shù)值應根據(jù)機床說明書、切削用量手冊，并結合經(jīng)驗而定。

(1)吃刀量(單位為mm)：主要根據(jù)機床、夾具、刀具和工件的剛度來決定。在剛度允許的情況下，應以最少的進給次數(shù)切除加工余量，最好一次切凈余量，以便提高生產(chǎn)效率。在數(shù)控機床上，精加工余量可小于普通機床，一般取0.2～0.5?mm。

(2)主軸轉(zhuǎn)速n(單位為r/min)：主要根據(jù)允許的切削速度vc(單位為m/min)選取。其值為：n?=?1000vcπD式中：vc——切削速度，由刀具的耐用度決定。

D——工件或刀具直徑(單位為mm)。主軸轉(zhuǎn)速n要根據(jù)計算值在機床說明書中選取對應的標準值，并填入程序單中。

(3)進給速度f(單位為mm/min或mm/r)：主要根據(jù)零件的加工精度和表面粗糙度要求以及刀具、工件的材料性質(zhì)選取。當加工精度和表面粗糙度要求高時，進給量數(shù)值應選小些，一般在20～50mm/min范圍內(nèi)選取。最大進給量則受機床剛度和進給系統(tǒng)的性能限制，并與脈沖當量有關。

6)確定編程中的工藝指令程序編制中的工藝指令大體上分為兩大類。一類是準備性工藝指令(G指令)。這類指令是為插補運算做準備的工藝指令。另一類是輔助性工藝指令。這類指令與插補運算無關，如主軸的啟動、停止、正/反轉(zhuǎn)、冷卻液開、關等指令，是根據(jù)機床的需要予以規(guī)定的。

7)確定程序編制中的誤差程序編制中的誤差ΔP由三部分組成：ΔP=f(Δa，Δb，Δc)式中：Δa——逼近誤差，即采用近似計算方法逼近零件輪廓時產(chǎn)生的誤差。

Δb——插補誤差，即采用插補段(直線、圓弧等)逼近零件輪廓曲線時產(chǎn)生的誤差。

Δc——圓整誤差，即在編程數(shù)據(jù)處理時，把小數(shù)圓整成脈沖數(shù)而產(chǎn)生的誤差。在零件圖中給出的零件公差，分配給編程的只是一小部分，因為數(shù)控機床的加工誤差還包括控制系統(tǒng)誤差、伺服系統(tǒng)誤差、零件的定位誤差、對刀誤差以及刀具和機床彈性變形誤差等，其中伺服系統(tǒng)誤差和零件定位誤差是主要的。故一般取編程誤差ΔP為允許公差的1/5～1/10。5.2.5常用數(shù)控程序指令代碼在數(shù)控加工程序中，主要用到準備功能G指令、輔助功能M指令、進給功能F指令、主軸功能S指令和刀具功能T指令。其中G、M指令用于描述工藝過程的各種操作和運動特征；G、M指令分別由地址符G、M及二位數(shù)字組成，數(shù)字為00～99，所以共有100種G指令和100種M指令。

1．G指令

G指令用來規(guī)定刀具和工件的相對運動軌跡(即插補功能)、機床坐標系、坐標平面、刀具補償和坐標偏置等多種加工操作。目前國際上廣泛采用ISO—1056—1975E標準的G、M指令，我國機械工業(yè)部制定的標準JB/T3208—1999與國際標準等效。表5.1是我國JB/T3208—1999標準G指令的功能定義表。表5.1

JB/T3208—1999標準G指令表(常用部分)G代碼功能G代碼功能G00快速運動點定位G43刀具位置補償(+)G01直線插補G44刀具位置補償(-)G02/G03順/逆時針方向圓弧插補G40刀具位置補償注銷G17X、Y平面選擇G54～G59工件坐標系設定G18Z、Y平面選擇G81～G89鏜孔、鉆孔、攻絲G19Y、Z平面選擇G90絕對坐標編程G41刀具半徑左補償G91相對坐標編程G42刀具半徑右補償G92坐標值預置

2．F、S、T指令

(1)?F指令表示刀具中心運動時的進給速度。F指令由F和其后的若干數(shù)字組成，數(shù)字的單位取決于每個系統(tǒng)所采用的進給速度指定方法。具體內(nèi)容見所用機床編程說明書。

(2)?S指令表示機床主軸的轉(zhuǎn)速。S指令由S和其后的若干數(shù)字組成，例如S1000，表示主軸轉(zhuǎn)速為1000r/min。

(3)用T指令編程時，程序由T和數(shù)字組成，有TXX和TXXXX兩種格式，數(shù)字的位數(shù)由所用數(shù)控系統(tǒng)決定，T后面的數(shù)字用來指定刀具號和刀具補償號。例如：T04表示選擇4號刀；T0404表示選擇4號刀及4號偏置值。

3．M指令

M指令是控制數(shù)控機床“開、關”功能的指令，主要用于完成加工操作時的輔助動作，如指定主軸的旋轉(zhuǎn)方向、啟動、停止，冷卻液的開或關，工件或刀具的夾緊和松開，刀具的更換等功能。M指令由地址符M和其后的兩位數(shù)字組成，包括M00～M99共100種。我國JB/T3208—1999標準規(guī)定了M指令。其中最常用的部分M指令的功能定義見表5.2。表5.2JB/T3208—1999標準M指令的功能定義(常用部分)M代碼功能M代碼功能M00程序停止M07/M08冷卻液開M01計劃停止M09冷卻液關M02程序結束M10夾緊M03/M04主軸順/逆時針方向旋轉(zhuǎn)M11松開M05主軸停轉(zhuǎn)M30紙帶結束M06換刀特別要強調(diào)的是：由于數(shù)控機床的廠家很多，每個廠家使用的G功能、M功能與ISO標準也不完全相同，因此，對于某一臺數(shù)控機床，編程時需參考機床制造廠的編程說明書，根據(jù)機床說明書的規(guī)定進行編程。5.2.6數(shù)控手工編程舉例由于數(shù)控手工編程只能完成一些簡單的零件數(shù)控程序編制，因此解決各種復雜零件編程的根本出路是采用數(shù)控自動編程，即CAD/CAM數(shù)控編程。在此，我們通過一個實例介紹手工編程，其目的是讓大家對數(shù)控編程的過程有初步的了解。例：手工編制在數(shù)控銑床上精銑圖5.17所示零件型腔內(nèi)壁的數(shù)控程序。設工件零點為O點，采用刀具右補償?？紤]到A點的工藝性，取切入點A1(65，40)，切出點A2(60，45)。刀具中心軌跡為“P→A1→B→C→D→E→F→G→H→I→J→K→A2→P”。選用?f8的立銑刀，主軸轉(zhuǎn)速為2500?r/min，進給速度為150?m/min，刀具偏置地址為D0l，并存入刀具半徑4，程序名為O111。圖5.17加工零件圖數(shù)控參考程序：O111N10G92X0Y0Z100M03S2500;N20G00X80Y60Z2;N30G01Z-3F150;N40G42G01X65Y40D01;N50X30;程序名設置工件零點，主軸以2500?r/min正轉(zhuǎn)刀具快速移至(80，60，2)刀具工進至深3?mm處建立右刀補P→A1直線插補A1→BN60G02X20Y50I0J10:N70G01Y80;N80G02X30X90I10J0;N90G01X90;N100G02X120Y60I0J-30;N110G01Y20;N120G02X110Y10I10J0;圓弧插補B→C直線插補C→D圓弧插補D→E直線插補E→F圓弧插補F→G直線插補G→H圓弧插補H→IN130G01X70;N140G02X60Y20I0J10;N150G01Y45;N160G40G01X80Y60;N170G00Z100M05;N180X0Y0M02;直線插補I→J圓弧插補J→K直線插補K→A2取消刀補A2→P刀具Z向快退，主軸停轉(zhuǎn)刀具回起始點，程序結束5.3DNC與FMS技術5.3.1DNC技術

1．DNC概述

DNC有兩重含義：一是“DirectNumericalControl(直接數(shù)字控制)”，意為“將一群數(shù)控機床與零件數(shù)控加工程序存儲器連接起來，可以根據(jù)要求直接將程序傳送給對應的機床”；二是“DistributedNumericalControl(分布式數(shù)字控制)”，意為“將數(shù)控編程和生產(chǎn)管理計算機與多個數(shù)控系統(tǒng)構成分布式系統(tǒng)，實現(xiàn)用一臺計算機控制多臺數(shù)控機床”。

DNC概念從“直接數(shù)控”到“分布式數(shù)控”，其本質(zhì)也發(fā)生了變化，“分布式數(shù)控”表明可用一臺計算機控制多臺數(shù)控機床。這樣，機械加工從單機自動化的模式可擴展到柔性生產(chǎn)線及計算機集成制造系統(tǒng)。從通信角度而言，可以在CNC系統(tǒng)增加DNC接口，形成制造通信網(wǎng)絡。通過DNC形成網(wǎng)絡后可以實現(xiàn)的功能包括：零件程序的上傳或下載；讀、寫CNC的數(shù)據(jù)；PLC數(shù)據(jù)的傳送；存儲器操作控制；系統(tǒng)狀態(tài)采集和遠程控制等。更高檔次的DNC還可以對CAD/CAM以及CNC的程序進行傳送和分級管理。

DNC技術還可使CNC與通信網(wǎng)絡聯(lián)系在一起以傳遞維修數(shù)據(jù)，實現(xiàn)用戶與NC生產(chǎn)廠直接通信，大大提高了服務質(zhì)量和效率。

2．DNC技術的功能現(xiàn)代DNC技術的典型功能包括：

1)支持數(shù)控程序的雙向傳輸

DNC的雙向傳輸功能可以在機床端操作整個過程。數(shù)控程序可以從機床端自動上載到計算機中，計算機能自動地為收到的程序文件命名，也可以在機床上為所要發(fā)送的文件命名；當機床端調(diào)用計算機內(nèi)的數(shù)控程序時，機床操作者只需從機床向計算機發(fā)送一個文件請求命令，計算機接收到請求后，在本地硬盤中查找相應的文件，并自動將該數(shù)控程序發(fā)送給機床，操作者無需在機床和計算機之間奔波，節(jié)省了操作時間。

2)支持多臺數(shù)控機床的并行在線加工機床在線加工是指機床一邊加工，一邊接收計算機發(fā)送的數(shù)控程序。在線加工可以有效解決數(shù)控系統(tǒng)存儲量有限的問題，即使是很長的數(shù)控程序，也可以連續(xù)不斷地送入數(shù)控系統(tǒng)中。傳統(tǒng)的DNC系統(tǒng)可以支持一臺機床的在線加工，而現(xiàn)代DNC系統(tǒng)可以同時與多臺機床在線。如美國XpertDNC系統(tǒng)可以控制多達128臺數(shù)控機床。

3)支持子程序在線調(diào)用現(xiàn)代DNC系統(tǒng)支持計算機內(nèi)數(shù)控子程序的在線調(diào)用，使得數(shù)控程序的結構更合理，在線調(diào)用更為方便。操作時，實際系統(tǒng)只要調(diào)用數(shù)控加工主程序，系統(tǒng)就可以自動在運行中調(diào)用相應的子程序，并進行在線加工。

4)傳輸距離不受限制基于Web的通信技術，通信服務器可放置在任一地方，操作者可通過互聯(lián)網(wǎng)完成對數(shù)控程序的傳輸和管理工作，或查看車間內(nèi)任一臺機床的當前工作狀態(tài)。

5)斷點續(xù)傳功能斷點續(xù)傳是指數(shù)控程序被中斷而后又重新開始時不必從程序的開始再次運行，也不必將程序已運行的部分刪除，而是根據(jù)要求從程序的某行或某一坐標點重新開始執(zhí)行。斷點續(xù)傳在數(shù)控加工中非常有用，例如，加工過程中發(fā)現(xiàn)刀具磨損或者刀片脫落，操作者需要將機床停下進行換刀處理；加工過程因停電等原因突然中斷，電源恢復后需要重新開始加工等。

3．DNC系統(tǒng)的結構與組成

DNC的結構形式有多種，用戶可根據(jù)工廠所需的自動化程度、加工零件的工藝要求、系統(tǒng)目標等確定DNC的結構形式。

DNC系統(tǒng)的一般結構如圖5.18所示。DNC系統(tǒng)實質(zhì)上是一種分級分布式控制系統(tǒng)，其組成包括硬件和軟件部分。其硬件由以下幾部分組成：圖5.18DNC系統(tǒng)的一般結構

(1)中央計算機。中央計算機完成數(shù)據(jù)管理、數(shù)控自動編程、數(shù)控程序管理、生產(chǎn)計劃與調(diào)度以及機床控制等任務。

(2)數(shù)控機床。數(shù)控機床的控制系統(tǒng)應具有RS-232等串行接口，這些接口設施為計算機直接控制數(shù)控機床提供了必要的硬件環(huán)境。

(3)通信線路。通信線路一般用電纜和雙絞線。

DNC系統(tǒng)的軟件主要涉及通信、生產(chǎn)管理、零件數(shù)控程序自動編程等多方面。生產(chǎn)管理的目標是通過對制造過程中物流的合理計劃、調(diào)度與控制，減少工件在系統(tǒng)中的“空閑時間”，提高數(shù)控機床的利用率。圖5.19為車間級DNC的解決方案。圖中虛線框內(nèi)為車間網(wǎng)絡環(huán)境，虛線框上方為企業(yè)局域網(wǎng)，也可通過企業(yè)網(wǎng)與遠程服務器連接。為實現(xiàn)車間多臺數(shù)控機床的DNC控制，車間中可以設置一個或多個集線器(HUB)。為實現(xiàn)數(shù)控機床與集線器的連接，在接線中串接串口轉(zhuǎn)換器。串口轉(zhuǎn)換器的功能是將數(shù)控機床的通信接口轉(zhuǎn)換為符合網(wǎng)線接頭的RJ-45接口。圖5.19車間級DNC的解決方案為保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，從?shù)控機床到串口轉(zhuǎn)換器之間應采用屏蔽電纜。DNC服務器是安裝了DNC管理軟件(包括DNC參數(shù)設置、作業(yè)管理等)的計算機，它通過集線器與數(shù)控機床通信，并利用TCP/IP協(xié)議與企業(yè)局域網(wǎng)連接。利用DNC管理軟件，機床操作者可以通過機床的控制面板直接調(diào)用所需的數(shù)控程序。數(shù)控程序可以存放在DNC服務器中，也可以存放在企業(yè)其他的計算機或服務器中。通常，DNC管理采用客戶機/服務器模式。除實現(xiàn)數(shù)控程序傳輸外，DNC服務器還具有控制同時通信接口的數(shù)目、客戶機數(shù)目及核實登錄人員的身份和權限等功能。現(xiàn)代DNC技術實現(xiàn)了數(shù)控機床與企業(yè)局域網(wǎng)之間的直接通信和產(chǎn)品加工信息的快速傳遞，也為提高數(shù)控加工質(zhì)量、提升車間的管理水平提供了有效的技術支撐。5.3.2柔性制造系統(tǒng)

1967年，英國莫林斯公司首次根據(jù)威廉森提出的FMS基本概念研制了“系統(tǒng)24”。其主要設備是六臺模塊化結構的多工序數(shù)控機床，目標是在無人看管條件下實現(xiàn)晝夜24小時連續(xù)加工。但最終由于經(jīng)濟和技術上的困難，“系統(tǒng)24”未全部建成。同年，美國的懷特·森斯特蘭公司建成OmnilineⅠ系統(tǒng)，它由八臺加工中心和兩臺多軸鉆床組成，工件被裝在托盤上的夾具中，按固定順序以一定節(jié)拍在各機床間傳送和進行加工。這種柔性自動化設備適于在少品種、大批量生產(chǎn)中使用，在形式上與傳統(tǒng)的自動生產(chǎn)線相似，所以也叫柔性自動線。日本、前蘇聯(lián)、德國等也都在20世紀60年代末至70年代初，先后開展了FMS的研制工作。

20世紀70年代末期，F(xiàn)MS在技術上和數(shù)量上都有較大發(fā)展，80年代初期已進入實用階段，其中以由3～5臺設備組成的FMS為最多，但也有規(guī)模更龐大的系統(tǒng)投入使用。

1982年，日本發(fā)那科公司建成自動化電機加工車間，該車間由60個柔性制造單元(包括50個工業(yè)機器人)和一個立體倉庫組成，另有兩臺自動引導臺車傳送毛坯和工件，此外還有一個無人化電機裝配車間，它們都能連續(xù)24小時運轉(zhuǎn)。柔性制造系統(tǒng)的公認特征是：由一個物料運輸系統(tǒng)將所有設備連接起來，這些設備不限于切削加工設備，也可以是電加工、激光加工、熱處理、沖壓剪切設備以及裝配、檢驗等設備，可以進行沒有固定加工順序和無節(jié)拍的隨機自動制造，如圖5.20所示。圖5.20柔性制造系統(tǒng)

1．柔性制造系統(tǒng)的組成柔性制造系統(tǒng)的主要組成有：①計算機控制系統(tǒng)；②數(shù)控加工系統(tǒng)；③自動化物流系統(tǒng)。這三部分相互以技術集成為基礎進行有機組合，以實現(xiàn)系統(tǒng)的柔性，所以FMS是一種集成化的制造系統(tǒng)，如圖5.21所示。此外，在FMS中，排屑、去毛刺、清洗等工作設備都要納入系統(tǒng)的管理與自動控制范圍之內(nèi)。圖5.21柔性制造系統(tǒng)

1)計算機控制系統(tǒng)

FMS的計算機控制系統(tǒng)具有如下職能：

(1)機床控制。FMS中的機床通常采用CNC機床，以便與計算機控制的其它部分相配合。大多數(shù)FMS按DNC方式工作。

(2)生產(chǎn)控制。根據(jù)輸入到計算機中的數(shù)據(jù)決定被加工零件組合和每種零件進入系統(tǒng)的速率。所輸入的數(shù)據(jù)包括每種零件的年產(chǎn)量、毛坯數(shù)量以及工件托盤數(shù)量等。計算機確定工件托盤運輸規(guī)劃，并告知工人裝上所需的毛坯。

(3)運輸控制?？刂乒ぜ氤善坊虺善吩谙到y(tǒng)內(nèi)的運輸、停留與裝卸。

(4)工件運輸監(jiān)控。計算機必須監(jiān)控每個工件托盤的狀態(tài)及每個待加工工件的狀態(tài)。

(5)刀具監(jiān)控。它包括監(jiān)控每一把刀具的當前位置和刀具壽命兩個方面。

(6)系統(tǒng)工況監(jiān)控報告。計算機可以提供管理所需的各種報告。

2)數(shù)控加工系統(tǒng)數(shù)控加工系統(tǒng)多數(shù)是由CNC機床按DNC的控制方式構成的。系統(tǒng)中的機床有互補和互替兩種配置原則?；パa是指在系統(tǒng)中配置有完成不同工序的機床，彼此互相補充而不能代替，一個工件順次通過這些機床進行加工?；ヌ媸侵冈谙到y(tǒng)中配置有相同的機床，一臺機床有故障則另一臺機床可以代替加工，以免整個系統(tǒng)停工等待。當然，一個系統(tǒng)的機床設備也可以按這兩種方式混合配置，這要根據(jù)預期的生產(chǎn)性質(zhì)來確定。

3)物流系統(tǒng)物流系統(tǒng)包括刀具和工件兩個物流系統(tǒng)。

(1)刀具系統(tǒng)設有中央刀庫，由機器人在中央和各機床的刀庫之間進行輸送和交換刀具。而刀具的備制和預調(diào)一般都不包括在自動監(jiān)控的范圍之內(nèi)。刀具的數(shù)目要少，必須標準化和系列化，并有較長的刀具壽命。系統(tǒng)應有監(jiān)控刀具壽命和刀具故障的功能。對刀具壽命的監(jiān)控目前多采用定時換刀的方法，即記錄每一把刀具的使用時間，達到預定的使用壽命后即強行更換。還有一種直接檢測刀具磨損情況更換刀具的方法，由于這一技術不成熟，還沒有在生產(chǎn)中得到應用。

(2)工件系統(tǒng)包括工件、夾具的輸送、裝卸以及倉儲等裝置。在FMS中工件和夾具的存儲倉庫多為立體倉庫，由倉庫計算機進行控制和管理。其控制功能有：記錄在庫貨物的名稱、貨位、數(shù)量、重量以及入庫時間等內(nèi)容；接受中央計算機的出、入庫指令，控制堆垛機和輸送車的運動；監(jiān)督異常情況和故障報警等。各設備之間的輸送路線以直線往復方式居多，輸送設備中使用最多的是有軌小車和使用靈活的無軌小車。無軌小車又稱自動引導小車(AutomatedGuideVehicles，AGV)。小車上有托盤交換臺，工件放在托盤上，托盤由交換臺推上機床的工作臺，以便對工件進行加工；加工好的工件連同托盤拉回到小車的交換臺上，送裝卸工位，由人工卸下并裝上新的待加工件。小車的行走路線常用電纜或光電引導。柔性制造系統(tǒng)的加工對象很廣，其加工對象的品種為5～300種，生產(chǎn)批量為10～100件，年產(chǎn)量約為2000～30000件。使用柔性制造系統(tǒng)的行業(yè)主要集中在汽車、飛機、機床以及某些家用電器行業(yè)。由于減少了零部件的存放、運輸以及等待時間，因而柔性制造系統(tǒng)可以提高生產(chǎn)率至原來的1.5倍以上，并使生產(chǎn)周期縮短一半以上，從而減少了在制品，縮短了資金周轉(zhuǎn)期。由于采用了裝夾、測量、工況監(jiān)視、質(zhì)量控制等功能，因此機床的利用率由單機使用的50%提高到了70%～90%，而且加工質(zhì)量穩(wěn)定。5.3.3柔性制造單元柔性制造單元(FlexibleManufacturingCell，F(xiàn)MC)由中心控制計算機、加工中心與自動交換工件裝置所組成，是一種能獨立運行并具有機械加工、物料搬運、監(jiān)控功能的以單元為獨立整體的加工設備。柔性制造單元是為了使機械制造企業(yè)能迅速適應市場的需求，對外界不斷變化的條件有高度的適應性而發(fā)展起來的。這里，柔性的通用定義是指適應生產(chǎn)條件變化的能力。

1976年，日本發(fā)那科公司展出了由加工中心和工業(yè)機器人組成的柔性制造單元(簡稱FMC)。柔性制造單元一般由1～2臺數(shù)控機床與物料傳送裝置組成，有獨立的工件儲存站和單元控制系統(tǒng)，能在機床上自動裝卸工件，甚至自動檢測工件，可實現(xiàn)有限工序的連續(xù)生產(chǎn)，適于在多品種小批量生產(chǎn)中應用。在柔性制造單元中，中心控制計算機負責作業(yè)調(diào)度、自動檢測與工況自動監(jiān)控等功能；工件裝在自動交換工件裝置(工作臺)上，在中心控制計算機的控制下傳送到加工中心；加工中心接收中心控制計算機傳送來的數(shù)控程序而對工件進行加工，并將工況數(shù)據(jù)如工件尺寸自動檢測和補償、刀具損壞和壽命監(jiān)控等送中心控制計算機處理。柔性制造單元可以作為組成柔性制造系統(tǒng)的基礎，也可以作為獨立的自動化加工設備。由于柔性制造單元自成體系，占地面積小，成本低且功能完善，加工適應范圍廣，故有廉價小型柔性制造系統(tǒng)之稱。5.4快速成型制造隨著CAD/CAM的迅速發(fā)展應運而生的快速成型技術(RP)被認為是近20年來制造領域的一個重大成果。RP技術綜合了CAD/CAM、數(shù)控技術、激光技術及材料科學技術，可以自動、直接、快速、精確地將設計思想轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂幸欢üδ艿脑土慵瑥亩梢詫Ξa(chǎn)品設計進行快速評估、修改及功能試驗，對縮短新產(chǎn)品的開發(fā)周期、降低開發(fā)費用具有重要的意義。近年來，該技術迅速在工業(yè)造型、制造、建筑、藝術、醫(yī)學、航空航天、考古和影視等領域得到廣泛應用。5.4.1概述

1．快速成型的概念傳統(tǒng)的制造技術按工件表面形狀的形成過程分為切削加工和變形加工兩類，其基本特征是在表面形狀的成型過程中，工件材料保持不變或不斷被切除減少。而快速成型技術則按離散/堆積成型的原理提出了一種全新的制造概念，即在制造過程中工件材料既沒有變形，也沒有被切除，而是通過不斷地增加工件材料來獲取所要求的工件形狀?？焖俪尚椭圃旒夹g因其顯著的特點而有過不同的名稱術語，用的最多的有：①快速原型(RapidPrototypingManufacturing)。該名稱起源于RPM技術應用的初期，所用的造型材料主要為樹脂。由于樹脂的強度和剛度遠遠不及金屬材料，因而只能制造出滿足幾何形狀要求的原型零件而得此術語。目前，除了可以制造原型零件外，也可以使用各種功能材料制造出滿足要求的功能零件。②分層制造(LayerManufacturing)。這一概念源于RPM技術，是指一層層地建造模型。除此之外還有直接CAD制造(DirectCADManufacturing)、材料增長制造(MaterialIncreaseManufacturing)、自由實體制造(SolidFreeformFabrication)、即時制造(InstantManufacturing)、桌面制造系統(tǒng)等術語，它們都是根據(jù)快速成型制造技術的特點從不同的角度加以定義的。

2．快速成型制造技術的產(chǎn)生與發(fā)展

RP技術最早出現(xiàn)在制造技術并不發(fā)達的19世紀。早在1892年，Blanther主張用分層方法制作三維地圖模型。20世紀70年代末到80年代初期，美國3M公司的AlanJ.Hebert(1978年)、日本的小玉秀男(1980年)、美國UVP公司的CharlesW.Hull(l982年)和日本的丸谷洋二(1983年)，在不同的地點各自獨立地提出了RP的概念，即利用連續(xù)層的選區(qū)固化產(chǎn)生三維實體的新思想。

CharlesW.Hull在UVP的繼續(xù)支持下，完成了一個能自動建造零件的稱之為Stereo-LithographyApparatus(SLA)的完整系統(tǒng)SLA-l，這是RP發(fā)展的一個里程碑。此后，其它的成型原理及相應的快速成型機也相繼開發(fā)成功，先后出現(xiàn)了十幾種不同的快速成型技術，其中SLA、LOM、SLS和FDM等幾種技術目前仍然是快速成型技術的主流。自20世紀90年代起，國內(nèi)逐漸開展了RP技術和系統(tǒng)的研究和開發(fā)，清華大學、西安交通大學、華中科技大學等高校在RP技術和設備的研究和開發(fā)方面已取得了較好的成果，所開發(fā)的部分快速成型系統(tǒng)已商品化。5.4.2快速成型技術原理快速成型技術(RP技術)是一種用材料逐層或逐點堆積出零件的制造方法。其基本原理是在CAD/CAM技術的支持下，采用粘接、熔接、聚合作用或化學反應等手段，有選擇地固化液體(或粘接固體材料)，快速地制作出所要求的零部件。其特點是不斷地把材料按照需要添加到未完成的工件上，直到零件制造完畢為止，即所謂的“使材料生長而不是去掉的制造過程”。分層加工法彌補了現(xiàn)存的、傳統(tǒng)的材料切削加工方法的不足，可以節(jié)省大量的時間，所以稱為快速成型。分層制造原理是RP技術的共同幾何物理基礎。從幾何上講，可將任意復雜的三維實體沿某一確定的方向用一系列平行截面依次截為一定厚度的若干個層面，而將這些層面疊加起來又可復原原先的三維實體。該原理過程如圖5.22所示。依據(jù)這一原理，在實際操作中可根據(jù)三維CAD模型，對其進行分層切片，從而得到各層截面的輪廓。依照這樣的截面輪廓，用計算機控制激光束固化一層層的液態(tài)光敏樹脂(或切割一層層的紙，或燒結一層層的粉末材料，或利用某種熱源有選擇性地噴射出一層層熱熔材料)，從而形成各層截面并逐步疊加成三維產(chǎn)品。圖5.22分層制造的基本原理

RP原理的實質(zhì)是將復雜的三維加工分解成兩維加工的疊加，所以也稱為分層制造(LayerManufacturing)。這一原理解決了制造過程中的幾何干涉問題，使制造不受零件復雜程度的限制。其主要技術特點是：

(1)快速性。由于快速成型是建立在高度技術集成的基礎之上的，因此從CAD設計到原型零件的加工完成，一般只需幾個小時至幾十個小時，比傳統(tǒng)的成型方法速度快得多。這使得快速成型技術尤其適合于新產(chǎn)品的開發(fā)與管理。

(2)自由成型制造。其含義是制造過程不受復雜三維形狀所限制，與零件的復雜程度和制造成本基本無關。

(3)高度柔性。高度柔性是指在原型制造中僅需改變CAD模型、重新調(diào)整和設置參數(shù)，即可生產(chǎn)出不同形狀的零件模型。

(4)材料的廣泛性。材料的廣泛性是指制造原型所用的材料不受限制?？焖俪尚图夹g可以制造樹脂類、塑料類原型，還可以制造出紙類、石蠟類、復合材料以及金屬材料和陶瓷材料的原型。5.4.3快速成型的方法快速成型的方法有很多種，下面介紹實際應用中較為成熟的幾種方法。

1．光固化立體成型光固化立體成型(Stereo-LithographyApparatus，SLA)也稱立體印刷或光刻成型。SLA的基本原理和步驟是：首先利用CAD軟件對三維物體造型；然后利用分層軟件根據(jù)精度要求對三維模型進行切片處理，得到一系列二維平面模型數(shù)據(jù)；接著將感光聚合材料(如光敏樹脂)置于容器中，在計算機控制下的紫外激光以預定的零件各分層截面的輪廓為軌跡對液態(tài)樹脂逐點掃描，使被掃描區(qū)的樹脂薄層產(chǎn)生光聚合反應，從而形成一薄層截面的固化層。當一層固化完畢，移動工作臺托板下沉，在原先固化好的樹脂表面再敷上一層新的液體樹脂，以便進行下一層掃描固化，新固化的一層牢固地粘在前一層上；如此重復循環(huán)直至整個零件制造完畢。這種方法的特點是精度高、表面質(zhì)量好，能制造出復雜的表面精細的零件，是人們經(jīng)常采用的方法。其原理如圖5.23所示。

2．層片物件制造法層片物件制造(LaminatedObjectManufacturing，LOM)法利用CO2激光束或切刀切割相應的橫截面得到連續(xù)的層片材料來構造三維物體。其制作過程為：CAD模型產(chǎn)生由三維模型的橫截面數(shù)據(jù)描述的輪廓資料(厚度等于用來制作三維物體材料的厚度)；再由系統(tǒng)將該數(shù)據(jù)資料描述的輪廓(二維投影)印上結合劑，用CO2激光束或切刀切出這個二維輪廓；然后由排列系統(tǒng)將它置于熱壓機下，加上高壓使結合劑熔化并粘貼成型；如此循環(huán)往復直到完成整個模型。最后將不需要的材料剝離，即可得到所需零件原型。同時，可對其作表面處理，如打磨、噴油和拋光等。圖5.24是根據(jù)這種方法利用紙張產(chǎn)生原型的制造過程示意圖，除了紙張外，還可用塑料片。圖5.23SLA法原理圖5.24LOM法原理

3．選擇性激光粉末燒結圖5.25SLS法原理選擇性激光粉末燒結(SelectiveLaserSintering，SLS)法是利用CO2激光束為能源，通過紅外激光束使樹脂、蠟、塑料、陶瓷或金屬等粉末材料燒結、熔解、固化而形成實物零件。成型過程開始時，將粉末材料均勻地鋪到加工平面上，激光束在計算機的控制下通過掃描器以一定的速度和能量密度進行掃描，掃描之處材料粉末燒結成一定厚度的實體片層，未掃描的地方仍保持松散的粉末狀；根據(jù)物體截面厚度移動支撐臺，鋪粉滾筒再次將粉末鋪平后開始新一層的掃描，如此反復直到掃描完所有的層面，如圖5.25所示。最后去掉多余粉末，經(jīng)打磨、烘干等處理便得到零件。圖5.25SLS法原理由于該方法可采用各種不同成分的金屬粉末進行燒結、滲銅等后置處理，因而制成的零件具有與金屬零件相似的機械性能。故SLS法可用于制作EDM電極、金屬零件，并可進行小批量零件生產(chǎn)。

4．熔融沉積造型熔融沉積造型(FusedDepositionModeling，F(xiàn)DM)法先利用CAD軟件產(chǎn)生截面分層數(shù)據(jù)，并生成控制FDM噴嘴移動軌跡的幾何信息；FDM加熱頭把熱塑材料加熱到臨界半流動狀態(tài)，在計算機的控制下噴嘴頭沿CAD確定的運動軌跡將流動狀態(tài)的熔絲材料從噴頭中擠壓出來，經(jīng)凝固形成輪廓形狀的薄層；垂直升降系統(tǒng)再下降到新層進行固化，這樣層層粘接，自上而下堆砌成整個實物，如圖5.26所示。圖5.26FDM法原理快速成型技術的發(fā)展在很大程度上依賴于CAD技術的發(fā)展，尤其是CAD系統(tǒng)的造型精度、二維投影的生成、層片模切面掃描路徑的選擇以及文件的格式轉(zhuǎn)換等。上述幾種RP方法的特點和常用材料見表5.4。表5.4典型的RP方法的特點和材料成型方法速度精度制造成本復雜程度零件大小常用材料市場占有率/%SLA較快較高較高中等中小件熱固光敏樹脂78LOM較慢較高低中等大中件紙、金屬箔、塑料薄膜等6SLS較慢較低較低復雜中小件塑料、金屬、陶瓷粉末7.3FDM較慢較高較低中等中小件石蠟、塑料、低熔點金屬6.1由表中比較可見，任何一種技術都有自己的優(yōu)勢和不足，也有一定的使用場合。原則上，大型實心形狀原型宜采用LOM法，該法成形速度快，材料利用率高。薄壁材料宜采用FDM法，成型速度快，材料利用率接近百分之百，特別適宜做單件塑料樣品。單件小批量鑄件宜采用SLS法直接生成蠟模，由于SLS不需要支撐，因此較適合內(nèi)部復雜的中小型產(chǎn)品。在生成需觀察內(nèi)部結構的原型時，宜采用SLA法。5.4.4快速成型中的切片方法與STL數(shù)據(jù)格式

1．三維模型的切片(Slicing)處理由于快速成型制造是按一層層截面輪廓來進行加工的，因此加工前必須從三維模型上沿成型的高度方向每隔一定的間隔進行切片處理，以獲取截面的輪廓。間隔的大小根據(jù)待成型零件的精度和生產(chǎn)率要求選定，間隔愈小，精度愈高，但成型時間愈長。間隔選取的范圍為0.005～0.5?mm，常用0.1?mm左右。在此取值下能得到相當光滑的成型曲面。切片間隔選定之后，成型時每層疊加的材料厚度則與其相適應。各種快速成形制造系統(tǒng)都帶有切片處理軟件，能自動提取CAD模型的截面輪廓。

2．快速成型的文件格式圖5.27球和圓柱的STL模型快速成型技術的一個關鍵問題是將3D實體描述的零件通過切片等過程轉(zhuǎn)換為成型機能接受的數(shù)據(jù)，生成用來制造三維實體的一組片層。目前快速自動成型領域尚無標準的零件文件格式，美國3Dsystem公司開發(fā)的STL(StereoLithographyinterfacespecification)格式是目前快速成型系統(tǒng)中最常見的一種文件格式。它將三維曲面CAD模型近似成小三角形平面的組合，轉(zhuǎn)換后的STL數(shù)據(jù)模型是一種用許多空間三角形小平面來逼近原CAD實體的數(shù)據(jù)模型。圖5.27所示為球和圓柱形零件的STL模型，可見，三角形(元素)越多，精度越高，但運算時間會增加。圖5.27球和圓柱的STL模型

STL被業(yè)界廣泛認同，目前，典型的CAD軟件系統(tǒng)都有生成STL文件格式的模塊，只需調(diào)用這個模塊，就能將CAD系統(tǒng)構造的三維模型轉(zhuǎn)化為STL格式文件，并在屏幕上顯示出轉(zhuǎn)換后的STL格式模型(即由一系列小三角形平面組成的三維模型)。

3．STL文件格式的規(guī)則以STL表示的零件，如果用圖形來表示，則其外表面是許多雜亂排列的小三角形，每個小三角形都用一個法向量和三個頂點來描述，法向量和頂點都用三維坐標表示。其描述方法如下：

1)共頂點規(guī)則每一個小三角形必須與每個相鄰小三角形平面共有兩個頂點，也就是說，一個小三角形平面的頂點不能落在相鄰的任何一個小三角形的邊上，如圖5.28(a)所示。圖5.28(b)中的A邊的一個頂點落在相鄰小三角形的邊上，違反了共點規(guī)則，應刪除A，或者連接頂點1和2，否則，不能順利地進行切片處理。圖5.28共頂點規(guī)則的示例(a)正確；(b)錯誤

2)取向規(guī)則對于每一個小三角形平面，其法向量必須向外，三個頂點連成的矢量方向按右手法則確定，而且對于相鄰的小三角形平面，不能出現(xiàn)取向矛盾，如圖5.29(a)、(b)所示。根據(jù)這個法則判斷，圖5.29(c)表達錯誤(法向量取向矛盾)。圖5.29取向規(guī)則的示例

(a)正確；(b)正確；(c)錯誤