CNC發(fā)展歷史和加工原理

cnc基礎(chǔ)知識(shí)

年11月

制模部培訓(xùn)資料第1頁關(guān)鍵詞：模擬信號(hào)電路，NC系統(tǒng)，CNC控制器，柔性加工系統(tǒng)，賠償。自適應(yīng)CNC機(jī)床又稱為數(shù)控機(jī)床（ComputerizedNumericalControl電腦數(shù)值控制，簡(jiǎn)稱為CNC），它是以數(shù)字化信息實(shí)現(xiàn)機(jī)床控制機(jī)電一體化產(chǎn)品，它把刀具和工件之間相對(duì)位置，機(jī)床開啟和停頓，主軸變速，工件松開夾緊，刀具選擇，冷卻泵起停等各種操作和次序動(dòng)作等信息用代碼數(shù)字統(tǒng)計(jì)在控制介質(zhì)上，然后將數(shù)字信息送入數(shù)控裝置或計(jì)算機(jī)，經(jīng)過譯碼，運(yùn)算，發(fā)出指令控制機(jī)床伺服系統(tǒng)或其它執(zhí)行元件，使機(jī)床加工出所需工件。第2頁二戰(zhàn)后，制造業(yè)生產(chǎn)大部分是依靠人工操作，工人看懂圖紙后，手工操作機(jī)床，加工零件，用這種方式生產(chǎn)產(chǎn)品，成本高，效率低，質(zhì)量也得不到確保。在20世紀(jì)40年代末期，美國(guó)有一位工程師帕森斯（JohnParsons）構(gòu)思了一個(gè)方法，在一張硬紙卡上打孔來表示需要加工零件幾何形狀，利用著一張硬卡來控制機(jī)床動(dòng)作，在當(dāng)初，這只是一個(gè)構(gòu)思。1948年，帕森斯向美國(guó)空軍展示了他這種想法，美國(guó)空軍看后，表示極大興趣，因?yàn)槊绹?guó)空軍正在尋找一個(gè)先進(jìn)加工方法，希望處理飛機(jī)外型樣板加工問題，因?yàn)闃影逍螤顝?fù)雜，精度要求高，普通設(shè)備難以適應(yīng)，美國(guó)空軍馬上委托及贊助美國(guó)麻省理工學(xué)院（MIT）進(jìn)行研究，開發(fā)這部第3頁硬卡紙來控制機(jī)床，終于在1952年，麻省理工學(xué)院和帕森斯企業(yè)合作，成功研制出了第一臺(tái)示范機(jī)，到了1960年較為簡(jiǎn)單和經(jīng)濟(jì)點(diǎn)位控制鉆床，和直線控制數(shù)控銑床得到了較快發(fā)展使數(shù)控機(jī)床在制造業(yè)各部門逐步取得推廣。第4頁CNC加工歷史已經(jīng)經(jīng)歷了長(zhǎng)達(dá)半個(gè)多世紀(jì)，NC系統(tǒng)也由最早模擬信號(hào)電路控制發(fā)展為極其復(fù)雜集成加工系統(tǒng)，編程方式也有手工發(fā)展成為智能化、強(qiáng)大CAD/CAM集成系統(tǒng)。就我國(guó)而言，數(shù)控技術(shù)發(fā)展是比較遲緩，對(duì)于國(guó)內(nèi)大多數(shù)車間來說。設(shè)備比較落后，人員技術(shù)水平和觀念落后表現(xiàn)為加工質(zhì)量和加工效率低下，經(jīng)常拖延交貨期。1、第一代NC系統(tǒng)是在1951年引入，其控制單元主要有各種閥門和模擬電路組成，1952年第一臺(tái)數(shù)控機(jī)床誕生，已經(jīng)從銑床或車床發(fā)展到加工中心，成為當(dāng)代制造業(yè)關(guān)鍵設(shè)備。2、第二代NC系統(tǒng)于1959年產(chǎn)生，其主要有單個(gè)晶體管和其它部件組成。第5頁3、1965年引入了第三代NC系統(tǒng)，其首次采取集成電路板。4、實(shí)際上，在1964年已經(jīng)研制出來了第四代NC系統(tǒng)，即我們非常熟悉計(jì)算機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)（CNC控制系統(tǒng)）。5、1975年，NC系統(tǒng)采取了強(qiáng)大微處理器，這就是第五代NC系統(tǒng)。6、第六代NC系統(tǒng)采取了現(xiàn)行集成制造系統(tǒng)（MIS）+DNC+柔性加工系統(tǒng)（FMS）二、NC系統(tǒng)升級(jí)過程：點(diǎn)到NC——外形加工——自動(dòng)換刀功效——計(jì)算機(jī)數(shù)字控制（CNC）——DNC功效——集成加工系統(tǒng)（CAD/CAM集成）第6頁三、CNC機(jī)床制造工業(yè)中應(yīng)用，主要有：（1）鉆削（2）沖壓（3）點(diǎn)焊（4）電火花加工（5）鏜削（6）銑削（7）CMM四、CNC機(jī)床加工工作原理數(shù)控機(jī)床是一個(gè)利用數(shù)控技術(shù)、準(zhǔn)確按照事先安排工藝流程，實(shí)現(xiàn)要求加工動(dòng)作金屬切削機(jī)床。它是由控制介質(zhì)、計(jì)算機(jī)數(shù)控裝置、伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、輔助裝置、反饋裝置和適應(yīng)控制裝置部分組成；數(shù)控機(jī)床加工工件時(shí)，完全依據(jù)計(jì)算機(jī)發(fā)出指令自動(dòng)進(jìn)行加工，不允許頻繁測(cè)量和進(jìn)行手動(dòng)賠償，這就要求機(jī)床含有較高靜剛度和動(dòng)剛度，同時(shí)要提升結(jié)構(gòu)熱穩(wěn)定性，提升機(jī)械進(jìn)給系統(tǒng)剛度并消除其中間隙，消除爬行。這么能夠有效防止振動(dòng)，熱變形、爬行和間隙影響加工工件精度。

第7頁計(jì)算機(jī)逐條執(zhí)行程序,依據(jù)程序給出指令進(jìn)行運(yùn)算并把運(yùn)算結(jié)果送給伺服系統(tǒng)或進(jìn)行對(duì)三條軸脈沖馬達(dá)開關(guān)量控制.簡(jiǎn)單地說吧,假設(shè)給X馬達(dá)輸入一個(gè)單位脈沖,X馬達(dá)會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)并帶開工作臺(tái)向X軸正向移動(dòng)0.01mm，給Y馬達(dá)輸入十個(gè)單位脈沖，工作臺(tái)Y軸就會(huì)正向移0.1mm,那么計(jì)算機(jī)運(yùn)算程序最終目標(biāo)就是對(duì)不一樣馬達(dá)在不一樣時(shí)間段（微秒算）輸入不一樣脈沖。五、采取NC加工優(yōu)缺點(diǎn)：1、其優(yōu)點(diǎn)主要表現(xiàn)在：第8頁（1）零件加工精度高；（2）降低刀具和夾具成本；（3）降低工件搬運(yùn)成本；（4）縮短加工時(shí)間（5）對(duì)操作者技能要求降低；（6）提升加工能力：（7）縮短交貨時(shí)間（8）使無人加工已經(jīng)成為可能；其缺點(diǎn)表現(xiàn)為：（1）數(shù)控機(jī)床費(fèi)用較高設(shè)備精巧、控制系統(tǒng)復(fù)雜；（2）有專門三維程序設(shè)計(jì)軟件，對(duì)于編程而言要求有較高敬業(yè)精神和技術(shù)水平。（3）每小時(shí)運(yùn)做成本較高。到當(dāng)前為止，數(shù)控系統(tǒng)日趨成熟，比較著名數(shù)控系統(tǒng)如：FANUC、Siemens、Cincinnati、Maho、Fedio等廠商系統(tǒng)，先進(jìn)數(shù)控機(jī)床如瑞士產(chǎn)米克郎（MIKRON），臺(tái)灣產(chǎn)永進(jìn)高速機(jī)、新虎將（GENTIGER）大力機(jī)、麗偉、日產(chǎn)OKK，牧野（MAKINO），雅士達(dá)（YASDA）、FANUC（發(fā)那科）、MAZAK（馬扎克）、東芝、森精機(jī)、江黑、

第9頁OKUMA、三菱（MITSUBISHI）、弟兄機(jī)、德國(guó)西門子、必勝佳、羅德斯等一些著名品牌，我國(guó)從1958年開始進(jìn)行數(shù)控系統(tǒng)研制和發(fā)展，經(jīng)過“六五”引進(jìn)國(guó)外技術(shù)，“七五”消化吸收、“八五”國(guó)家組織科學(xué)攻關(guān)，“九五”產(chǎn)業(yè)化攻關(guān)，使我國(guó)數(shù)控技術(shù)得到較大發(fā)展。不過與國(guó)外先進(jìn)產(chǎn)品相比，依然存在較大差距，這是因?yàn)闅W美日等先進(jìn)工業(yè)國(guó)家于80年代先后完成了數(shù)控機(jī)床產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程，其中一些國(guó)家致力于科技創(chuàng)新和新產(chǎn)品研發(fā)，引導(dǎo)著數(shù)控機(jī)床技術(shù)發(fā)展，如美國(guó)英格索爾企業(yè)和德國(guó)惠勒喜樂企業(yè)對(duì)與汽車工業(yè)和航天工業(yè)高速數(shù)控銑床發(fā)展，日本牧野企業(yè)對(duì)高效精密加工中心做貢獻(xiàn)，德國(guó)瓦德里希企業(yè)在重型龍門五面加工銑床方面開發(fā)，以及日本馬扎克企業(yè)研發(fā)車銑中心對(duì)高第10頁效復(fù)合加工推進(jìn)等，相比之下，我國(guó)大部分機(jī)床產(chǎn)品在技術(shù)上仍處于跟蹤階段。而加工中心關(guān)鍵裝置——控制系統(tǒng)，因?yàn)楫a(chǎn)品市場(chǎng)壟斷所致，當(dāng)前都是封閉式，用戶不能對(duì)系統(tǒng)功效進(jìn)行維護(hù)、修改、增刪，造成功效大量浪費(fèi)，同時(shí)加工中心軟/硬件也是固定，升級(jí)和更新成本巨大。這就造成首先功效閑置，另首先新技術(shù)無法集成尷尬局面。國(guó)內(nèi)外加工中心主要技術(shù)指標(biāo)對(duì)比：第11頁五軸聯(lián)動(dòng)加工中心代表當(dāng)今世界機(jī)床最新水平，當(dāng)前國(guó)內(nèi)一些企業(yè)已研發(fā)成功并投入國(guó)內(nèi)市場(chǎng)。其中桂林機(jī)床股份有限企業(yè)研制成功XK系列五軸聯(lián)動(dòng)五面體加工數(shù)控龍門銑床；沈陽數(shù)控機(jī)床廠SSK280——5/五軸聯(lián)動(dòng)車銑中心。江蘇多棱機(jī)床股份有限企業(yè)XH2725/5X——10橋式五軸聯(lián)動(dòng)加工中心，濟(jì)南第一機(jī)床集團(tuán)企業(yè)研制成功MJ——860DT數(shù)控車床，采取雙液壓臥式回輪刀架，面對(duì)面同軸安裝四軸控制，國(guó)內(nèi)外經(jīng)典機(jī)床聚集：第12頁米克朗---高速銑削領(lǐng)域教授第13頁第14頁第15頁第16頁第17頁第18頁第19頁第20頁第21頁第22頁第23頁第24頁第25頁第26頁第27頁日本牧野第28頁第29頁第30頁德國(guó)羅德斯第31頁第32頁第33頁第34頁第35頁第36頁第37頁第38頁第39頁機(jī)床和刀具所謂數(shù)控加工，主要是指統(tǒng)計(jì)在煤體上數(shù)字信息對(duì)機(jī)床實(shí)施控制，使它自動(dòng)實(shí)施要求加工任務(wù)，所以編制數(shù)控加工程序是十分關(guān)鍵一環(huán)。理想加工程序不但能確保加工出符合設(shè)計(jì)要求合格零件，同時(shí)可使數(shù)控機(jī)床功效得到合理應(yīng)用和充分發(fā)揮及安全可靠工作。數(shù)控技術(shù)發(fā)展勢(shì)必促使CAM技術(shù)深入提升，CAM軟件也在不停更新和換代，以適應(yīng)未來發(fā)展趨勢(shì)，編程軟件從MASTERCAM、POWERMILL、SOLDWORK、CIMATRON、PRO—ENGINEER、WORKNC、CATIA、UNIGRAPHICS等不停發(fā)展和壯大起來。數(shù)控編程主要經(jīng)歷了兩個(gè)階段，即從基于點(diǎn)、線、面、體刀軌生成方法向智能化編程。所以數(shù)控技術(shù)發(fā)展離不開數(shù)控機(jī)床發(fā)展。

1927年德國(guó)首先研制出硬質(zhì)合金刀具，切削速度比高速刀具提升了2~5倍，為了適應(yīng)切削速度提升需要，機(jī)床主軸速度、功率、剛性也隨之增大，制造技術(shù)向前飛速發(fā)展，制造業(yè)巨大改變，產(chǎn)品更新?lián)Q代，生產(chǎn)方式從大批量生產(chǎn)多品種、小批量生產(chǎn)方式轉(zhuǎn)移，要求開發(fā)各種適應(yīng)不一樣加工需要、高速高效、低成本數(shù)控機(jī)床，第40頁并大幅度地降低維護(hù)費(fèi)用，同時(shí)要求開發(fā)出新一代數(shù)控系統(tǒng)，含有強(qiáng)大數(shù)控功效和方便網(wǎng)絡(luò)通訊功效，以適應(yīng)未來車間面向任務(wù)和定單生產(chǎn)組織和管理模式，高速切削技術(shù)是當(dāng)前加工技術(shù)新發(fā)展方向之一，高速加工機(jī)床與普通機(jī)床相比，有：（1）高速回轉(zhuǎn)主軸：采取主軸——電機(jī)一體化主軸部件，實(shí)現(xiàn)無中間步驟直接傳動(dòng)，每分鐘可達(dá)數(shù)萬轉(zhuǎn)，技術(shù)重點(diǎn)是在應(yīng)用各種不一樣主軸軸承及主軸冷卻和潤(rùn)滑方式來到達(dá)更高載荷值；（2）高速直線移動(dòng)部件：采取直線電機(jī)，取消中間運(yùn)動(dòng)步驟，到達(dá)較高進(jìn)給和較高進(jìn)給加速度（3）高速刀具系統(tǒng)。主軸和刀具連接，要保持較高剛度和精度（4）高速控制器系統(tǒng)。（5）高速加工機(jī)床主軸功率特征第41頁何為高速加工？起源（1）60多年前，德國(guó)一位金屬切削學(xué)家Salomon博士，發(fā)表了一則相關(guān)高速加工論文，內(nèi)容提到：（2）伴隨切削線速度增加，溫度及刀具磨損會(huì)猛烈增加(這便是傳統(tǒng)加工加工理念)（3）當(dāng)切削線速度到達(dá)某臨界值時(shí)，切削溫度及切削力會(huì)減小，后又伴隨切削速度增加而急劇增加。(這便是高速加工加工理念)第42頁傳統(tǒng)加工區(qū)DeathValley死區(qū)高速加工區(qū)T=切削應(yīng)力 To=刀具應(yīng)力上限 V=切削速度第43頁高速加工定義依據(jù)1992年國(guó)際生產(chǎn)工程研究會(huì)(CIRP)年會(huì)主題匯報(bào)定義，高速切削通常指切削速度超出傳統(tǒng)切削速度5－10倍切削加工。所以，依據(jù)加工材料不一樣和加工方式不一樣，高速切削切削速度范圍也不一樣。1050200切削速度vc[m/min]青銅,紅銅鑄鐵鋼鈦鎳合金鋁合金纖維,塑料轉(zhuǎn)變HSMSource:PTW,TechnicalUniversityDarmstadt第44頁為何刀具熱應(yīng)力在高速加工時(shí)會(huì)下降？在高速加工時(shí)，因切削速度快，切削時(shí)切削區(qū)會(huì)產(chǎn)生高溫，使鐵屑溫度上升，造成切削阻力下降切削時(shí)高溫會(huì)快速經(jīng)過鐵屑帶離工件及刀具第45頁第46頁第47頁高速加工有著不一樣于傳統(tǒng)加工特殊加工工藝要求，而數(shù)控加工數(shù)控指令包含了全部工藝過程，故應(yīng)用于高速加工數(shù)控自動(dòng)編程系統(tǒng)--CAM系統(tǒng)必須能夠滿足對(duì)應(yīng)特殊要求。（1）CAM系統(tǒng)應(yīng)含有很高計(jì)算編程速度高速加工中采取非常小進(jìn)給量與切深，故對(duì)NC程序要求比對(duì)傳統(tǒng)系統(tǒng)NC程序要求要嚴(yán)格得多，要求計(jì)算速度要快且方便、節(jié)約編程時(shí)間等。另外，快編程速度使操作人員能夠?qū)Ω鞣N加工工藝策略進(jìn)行比較，方便采取最正確工藝方案，并對(duì)刀具軌跡進(jìn)行編輯、優(yōu)化，以到達(dá)最正確加工效率。（2）

全程自動(dòng)防過切處理能力及自動(dòng)刀柄干涉檢驗(yàn)高速加工以高出傳統(tǒng)加工近10倍切削速度加工，一旦發(fā)生過切,

其后果不堪構(gòu)想，故CAM系統(tǒng)必須含有全程自動(dòng)防過切處理能力。傳統(tǒng)曲面CAM系統(tǒng)是局部加工概念，極輕易發(fā)生過切現(xiàn)象，普通都是靠人工選擇干預(yù)方法來預(yù)防，

極難確保過切防護(hù)安全性，只有經(jīng)過新一代、智能化、面向?qū)ο驝AM系統(tǒng)，才能實(shí)現(xiàn)防過切處理全部由系統(tǒng)自動(dòng)完成，才能真正確保其安全性。

高速加工主要特征之一就是能夠使用較小直徑刀具加工模具細(xì)節(jié)結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)能夠自動(dòng)提醒最短夾刀長(zhǎng)度并自動(dòng)進(jìn)行刀具干涉檢驗(yàn)，這對(duì)于高速加工非常主要。（3）進(jìn)給率優(yōu)化處理功效為了能夠確保最大切削效率，并確保在高速切削時(shí)加工安全性，應(yīng)依據(jù)加工瞬時(shí)余量大小，由CAM系統(tǒng)自動(dòng)對(duì)進(jìn)給率進(jìn)行優(yōu)化處理。（4）符合高速加工要求豐富加工策略與傳統(tǒng)方式相比，高速加工對(duì)加工工藝走刀方式有著特殊要求，因而要求CAM系統(tǒng)能夠滿足這些特定工藝要求。第48頁A、應(yīng)防止刀具軌跡中走刀方向突然改變，以防止因局部過切而造成刀具或設(shè)備損壞。B、

應(yīng)保持刀具軌跡平穩(wěn)，防止突然加速或減速。C、下刀或行間過渡部分最好采取斜式下刀或圓弧下刀，防止垂直下刀直接靠近工件材料。D、行切端點(diǎn)采取圓弧連接，防止直線連接。E、除非情況必須如此，不然仍應(yīng)防止全力寬切削。F、殘余量加工或清根加工是提升加工效率主要伎倆，普通應(yīng)采取屢次加工或采取系列刀具從大到小分次加工，直至到達(dá)所需尺寸，防止用小刀一次加工完成。