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什么是数控技术?编辑本段回目录

数控技术是指用数字、文字和符号组成的数字指令来实现一台或多台机械设备动作控制的技术。它所控制的通常是位置、角度、速度等机械量和与机械能量流向有关的开关量。数控的产生依赖于数据载体和二进制形式数据运算的出现。1908年,穿孔的金属薄片互换式数据载体问世;19世纪末,以纸为数据载体并具有辅助功能的控制系统被发明;1938年,香农在美国麻省理工学院进行了数据快速运算和传输,奠定了现代计算机,包括计算机数字控制系统的基础。数控技术是与机床控制密切结合发展起来的。1952年,第一台数控机床问世,成为世界机械工业史上一件划时代的事件,推动了自动化的发展。
现在,数控技术也叫计算机数控技术,目前它是采用计算机实现数字程序控制的技术。这种技术用计算机按事先存贮的控制程序来执行对设备的控制功能。由于采用计算机替代原先用硬件逻辑电路组成的数控装置,使输入数据的存贮、处理、运算、逻辑判断等各种控制机能的实现,均可通过计算机软件来完成。

数控技术的发展趋势编辑本段回目录


数控技术的应用不但给传统制造业带来了革命性的变化,使制造业成为工业化的象征,而且随着数控技术的不断发展和应用领域的扩大,他对国计民生的一些重要行业(IT、汽车、轻工医疗等)的发展起着越来越重要的作用,因为这些行业所需装备的数字化已是现代发展的大趋势。从目前世界上数控技术及其装备发展的趋势来看,其主要研究热点有以下几个方面。

1.高速、高精加工技术及装备的新趋势
    效率、质量是先进制造技术的主体。高速、高精加工技术可极大地提高效率,提高产品的质量和档次,缩短生产周期和提高市场竞争能力。为此日本先端技术研究会将其列为5大现代制造技术之一,国际生产工程学会(CIRP)将其确定为21世纪的中心研究方向之一。
    在轿车工业领域,年产30万辆的生产节拍是40秒/辆,而且多品种加工是轿车装备必须解决的重点问题之一;在航空和宇航工业领域,其加工的零部件多为薄壁和薄筋,刚度很差,材料为铝或铝合金,只有在高切削速度和切削力很小的情况下,才能对这些筋、壁进行加工。近来采用大型整体铝合金坯料“掏空”的方法来制造机翼、机身等大型零件来替代多个零件通过众多的铆钉、螺钉和其他联结方式拼装,使构件的强度、刚度和可靠性得到提高。这些都对加工装备提出了高速、高精和高柔性的要求。
    从EMO2001展会情况来看,高速加工中心进给速度可达80m/min,甚至更高,空运行速度可达100m/min左右。目前世界上许多汽车厂,包括我国的上海通用汽车公司,已经采用以高速加工中心组成的生产线部分替代组合机床。美国CINCINNATI公司的HyperMach机床进给速度最大达60m/min,快速为100m/min,加速度达2g,主轴转速已达60000r/min。加工一薄壁飞机零件,只用30min,而同样的零件在一般高速铣床加工需3h,在普通铣床加工需8h;德国DMG公司的双主轴车床的主轴速度及加速度分别达12*!000r/mm和1g。
    在加工精度方面,近10年来,普通级数控机床的加工精度已由10μm提高到5μm,精密级加工中心则从3~5μm,提高到1~1.5μm,并且超精密加工精度已开始进入纳米级(0.01μm)。
    在可靠性方面,国外数控装置的MTBF值已达6 000h以上,伺服系统的MTBF值达到30000h以上,表现出非常高的可靠性。
    为了实现高速、高精加工,与之配套的功能部件如电主轴、直线电机得到了快速的发展,应用领域进一步扩大。

2. 5轴联动加工和复合加工机床快速发展
    采用5轴联动对三维曲面零件的加工,可用刀具最佳几何形状进行切削,不仅光洁度高,而且效率也大幅度提高。一般认为,1台5轴联动机床的效率可以等于2台3轴联动机床,特别是使用立方氮化硼等超硬材料铣刀进行高速铣削淬硬钢零件时,5轴联动加工可比3轴联动加工发挥更高的效益。但过去因5轴联动数控系统、主机结构复杂等原因,其价格要比3轴联动数控机床高出数倍,加之编程技术难度较大,制约了5轴联动机床的发展。
    当前由于电主轴的出现,使得实现5轴联动加工的复合主轴头结构大为简化,其制造难度和成本大幅度降低,数控系统的价格差距缩小。因此促进了复合主轴头类型5轴联动机床和复合加工机床(含5面加工机床)的发展。
    在EMO2001展会上,新日本工机的5面加工机床采用复合主轴头,可实现4个垂直平面的加工和任意角度的加工,使得5面加工和5轴加工可在同一台机床上实现,还可实现倾斜面和倒锥孔的加工。德国DMG公司展出DMUVoution系列加工中心,可在一次装夹下5面加工和5轴联动加工,可由CNC系统控制或CAD/CAM直接或间接控制。  

3. 智能化、开放式、网络化成为当代数控系统发展的主要趋势
    21世纪的数控装备将是具有一定智能化的系统,智能化的内容包括在数控系统中的各个方面:为追求加工效率和加工质量方面的智能化,如加工过程的自适应控制,工艺参数自动生成;为提高驱动性能及使用连接方便的智能化,如前馈控制、电机参数的自适应运算、自动识别负载自动选定模型、自整定等;简化编程、简化操作方面的智能化,如智能化的自动编程、智能化的人机界面等;还有智能诊断、智能监控方面的内容、方便系统的诊断及维修等。
    为解决传统的数控系统封闭性和数控应用软件的产业化生产存在的问题。目前许多国家对开放式数控系统进行研究,如美国NGC(The Next Generation Work-Station/Machine Control)、欧共体的OSACA(Open System Architecture for Control within Automation Systems)、日本的OSEC(Open System Environment for Controller),中国的ONC(Open Numerical Control System)等。数控系统开放化已经成为数控系统的未来之路。所谓开放式数控系统就是数控系统的开发可以在统一的运行平台上,面向机床厂家和最终用户,通过改变、增加或剪裁结构对象(数控功能),形成系列化,并可方便地将用户的特殊应用和技术诀窍集成到控制系统中,快速实现不同品种、不同档次的开放式数控系统,形成具有鲜明个性的名牌产品。目前开放式数控系统的体系结构规范、通信规范、配置规范、运行平台、数控系统功能库以及数控系统功能软件开发工具等是当前研究的核心。
    网络化数控装备是近两年国际著名机床博览会的一个新亮点。数控装备的网络化将极大地满足生产线、制造系统、制造企业对信息集成的需求,也是实现新的制造模式如敏捷制造、虚拟企业、全球制造的基础单元。国内外一些著名数控机床和数控系统制造公司都在近两年推出了相关的新概念和样机,如在EMO2001展中,日本山崎马扎克(Mazak)公司展出的“CyberProduction Center”(智能生产控制中心,简称CPC);日本大隈(Okuma)机床公司展出“IT plaza”(信息技术广场,简称IT广场);德国西门子(Siemens)公司展出的Open Manufacturing Environment(开放制造环境,简称OME)等,反映了数控机床加工向网络化方向发展的趋势。

4. 重视新技术标准、规范的建立

(1) 关于数控系统设计开发规范

    如前所述,开放式数控系统有更好的通用性、柔性、适应性、扩展性,美国、欧共体和日本等国纷纷实施战略发展计划,并进行开放式体系结构数控系统规范(OMAC、OSACA、OSEC)的研究和制定,世界3个最大的经济体在短期内进行了几乎相同的科学计划和规范的制定,预示了数控技术的一个新的变革时期的来临。我国在2000年也开始进行中国的ONC数控系统的规范框架的研究和制定。

(2) 关于数控标准

    数控标准是制造业信息化发展的一种趋势。数控技术诞生后的50年间的信息交换都是基于ISO6983标准,即采用G,M代码描述如何(how)加工,其本质特征是面向加工过程,显然,他已越来越不能满足现代数控技术高速发展的需要。为此,国际上正在研究和制定一种新的CNC系统标准ISO14649(STEP-NC),其目的是提供一种不依赖于具体系统的中性机制,能够描述产品整个生命周期内的统一数据模型,从而实现整个制造过程,乃至各个工业领域产品信息的标准化。

    STEP-NC的出现可能是数控技术领域的一次革命,对于数控技术的发展乃至整个制造业,将产生深远的影响。首先,STEP-NC提出一种崭新的制造理念,传统的制造理念中,NC加工程序都集中在单个计算机上。而在新标准下,NC程序可以分散在互联网上,这正是数控技术开放式、网络化发展的方向。其次,STEP-NC数控系统还可大大减少加工图纸(约75%)、加工程序编制时间(约35%)和加工时间(约50%)。

    目前,欧美国家非常重视STEP-NC的研究,欧洲发起了STEP-NC的IMS计划(1999.1.1~2001.12.31)。参加这项计划的有来自欧洲和日本的20个CAD/CAM/CAPP/CNC用户、厂商和学术机构。美国的STEP Tools公司是全球范围内制造业数据交换软件的开发者,他已经开发了用作数控机床加工信息交换的超级模型(Super Model),其目标是用统一的规范描述所有加工过程。目前这种新的数据交换格式已经在配备了SIEMENS、FIDIA以及欧洲OSACA-NC数控系统的原型样机上进行了验证。   


数控机床程序编制编辑本段回目录


一.数控机床编程的方法

     数控机床程序编制的方法有三种:即手工编程、自动编程和CAD/CAM 。

1. 手工编程

     由人工完成零件图样分析、工艺处理、数值计算、书写程序清单直到程序的输入和检验。适用于点位加工或几何形状不太复杂的零件,但是,非常费时,且编制复杂零件时,容易出错。

2. 自动编程

     使用计算机或程编机,完成零件程序的编制的过程,对于复杂的零件很方便。

3. CAD/CAM

     利用CAD/CAM软件,实现造型及图象自动编程。最为典型的软件是Master CAM,其可以完成铣削二坐标、三坐标、四坐标和五坐标、车削、线切割的编程,此类软件虽然功能单一,但简单易学,价格较低,仍是目前中小企业的选择。

二.数控机床程序编制的内容和步骤

1. 数控机床编程的主要内容

     分析零件图样、确定加工工艺过程、进行数学处理、编写程序清单、制作控制介质、进行程序检查、输入程序以及工件试切。

2. 数控机床的步骤

1) 分析零件图样和工艺处理
     根据图样对零件的几何形状尺寸,技术要求进行分析,明确加工的内容及要求,决定加工方案、确定加工顺序、设计夹具、选择刀具、确定合理的走刀路线及选择合理的切削用量等。
同时还应发挥数控系统的功能和数控机床本身的能力,正确选择对刀点,切入方式,尽量减少诸如换刀、转位等辅助时间。

2) 数学处理
     编程前,根据零件的几何特征,先建立一个工件坐标系,根据零件图纸的要求,制定加工路,在建立的工件坐标系上,首先计算出刀具的运动轨迹。对于形状比较简单的零件(如直线和圆弧组成的零件),只需计算出几何元素的起点、终点、圆弧的圆心、两几何元素的交点或切点的坐标值。

3) 编写零件程序清单
     加工路线和工艺参数确定以后,根据数控系统规定的指定代码及程序段格式,编写零件程序清单。

4) 程序输入
5) 程序校验与首件试切

三.数控加工程序的结构

1. 程序的构成:由多个程序段组成。

O0001;O(FANUC-O,AB8400-P,SINUMERIK8M-%)机能指定程序号,每个程序号对应一个加工零件。
N010 G92 X0 Y0;分号表示程序段结束
N020 G90 G00 X50 Y60;
...;可以调用子程序。
N150 M05;
N160 M02;

2. 程序段格式:

1) 字地址格式:如N020 G90 G00 X50 Y60;
     最常用的格式,现代数控机床都采用它。地址N为程序段号,地址G和数字90构成字地址为准备功能,...。

2) 可变程序段格式:如B2000 B3000 B B6000;
     使用分割符B各开各个字,若没有数据,分割符不能省去。常见于数控线切割机床,另外,还有3B编程等格式。

3) 固定顺序程序段格式:如00701+02500-13400153002;
     比较少见。其中的数据严格按照顺序和长度排列,不得有误,上面程序段的意思是:N007 G01 X+02500 Y-13400 F15 S30 M02;

零件图的数学处理

     零件图的数学处理主要是计算零件加工轨迹的尺寸,即计算零件加工轮廓的基点和节点的坐标,或刀具中心轮廓的基点和节点的坐标,以便编制加工程序。

一.基点坐标的计算

     一般数控机床只有直线和圆弧插补功能。对于由直线和圆弧组成的平面轮廓,编程时数值计算的主要任务是求各基点的坐标。

1. 基点的含义  

     构成零件轮廓的不同几何素线的交点或切点称为基点。基点可以直接作为其运动轨迹的起点或终点。

2. 直接计算的内容

     根据填写加工程序单的要求,基点直接计算的内容有:每条运动轨迹的起点和终点在选定坐标系中的坐标,圆弧运动轨迹的圆心坐标值。

     基点直接计算的方法比较简单,一般可根据零件图样所给的已知条件用人工完成。即依据零件图样上给定的尺寸运用代数、三角、几何或解析几何的有关知识,直接计算出数值。在计算时,要注意小数点后的位数要留够,以保证足够的精度。

二.节点坐标的计算

     对于一些平面轮廓是非圆方程曲线Y=F(X)组成,如渐开线、阿基米德螺线等,只能用能够加工的直线和圆弧去逼近它们。这时数值计算的任务就是计算节点的坐标。

1. 节点的定义

     当采用不具备非圆曲线插补功能的数控机床加工非圆曲线轮廓的零件时,在加工程序的编制工作中,常用多个直线段或圆弧去近似代替非圆曲线,这称为拟合处理。拟合线段的交点或切点称为节点。

2. 节点坐标的计算

     节点坐标的计算难度和工作量都较大,故常通过计算机完成,必要时也可由人工计算,常用的有直线逼近法(等间距法、等步长法、和等误差法)和圆弧逼近法。

     有人用AutoCAD绘图,然后捕获坐标点,在精度允许的范围内,也是一个简易而有效的方法.

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标签: 数控技术

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