数控加工技术及设备

1 、CAM（计算机辅助制造）技术的历史与发展

计算几何理论的不断完善和数控技术的不断更新是CAM技术持续发展的物质基础，工业界对数控加工技术不断提出需求是CAM技术发展的原动力，CAM软件厂商之间的激烈竞争是CAM技术发展的催化剂。CAM技术从诞生到现在，可以划分为三个阶段：

1.1、加工质量稳定、加工精度高。

最早出现的CAM软件是50年代开发的平面编程系统，60年代发展到具有曲面编程能力的系统，80年代出现了具有图形交互的雕塑曲面编程能力的系统。在数控机床和数控技术出现以前，同一套图纸，在不同的加工车间，产品表面质量差异大，即使是同一个工人，加工相同的零件，其质量也不尽相同。当加工曲线、曲面以及精密孔时，对加工精度的要求就更加迫切了。有了数控机床，加工同一种零件，使用同一段数控代码，加工质量稳定。后来，发展了曲面造型技术，人们设计产品，不再仅仅满足产品的功能需求，开始追求产品的外观和更好的性能，大量使用复杂曲面进行产品设计。因此，产品的加工精度被提到首要地位。

1.2、加工效率高、产品更新换代快。

产品生产的趋势是多品种、小批量，制造业的目标是降低成本、提高质量、缩短制造周期。对制造业，尤其是对模具加工业来说，就是要在保证模具加工精度的前提下，充分利用数控机床的性能，提高加工效率，缩短加工时间，保证产品及时上市。为满足高效率的需求，出现了三轴、四轴、五轴甚至更多联动轴的机床。CAM技术也随之发展。各软件厂商纷纷推出多轴数控加工系统。近年来，绝大多数关于NC的文章都是围绕多轴刀具轨迹生成和干涉检查与修正展开讨论的。这是CAM技术发展的第二个阶段。

1.3、加工的信息化、集成化和智能化 。

在现代社会生产领域中，计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助制造（CAM）、计算机辅助分析（CAE）、计算机辅助质量管理（CAQ）以及将他们有机集成起来的计算机集成制造（CIM）已经成为企业科技进步和实现现代化的标志]。制造业的信息化是大势所趋。

加工的智能化越来越被人们所重视。加工的智能化表现在CAM系统自动生成产品的所有加工阶段的加工代码且自动判断曲面自身的过切和装卡具及机床的碰撞；自动生成所有加工阶段的工序单和工艺单。当生产管理以并行工程的模式组织时，产品设计的修改是随时可能发生的。智能加工系统要实时跟踪产品的设计变化，从而产生相应的刀具轨迹及工艺工序报表。智能加工时当前研究的热点。

制造是产品生产的基本环节，制造业的发展水平影响了产品制造的品质和效率。制造设备的数控化是现代制造业的基本标志。如何发挥数控设备特别是数控铣加工设备的效率是摆在制造业面前的一个重要课题。

2、 当前制造技术领域动向

2.1、先进制造技术

2.1.1、新的企业生产管理方式

经济与科技的发展使制造全球化、信息化，从而改变了制造业的传统观念和生产组织方式。出现了精益生产、敏捷制造、智能制造、虚拟制造、虚拟企业等先进的管理方式和生产方式。新的生产方式的特点：

以技术为中心向以人为中心转移。

从金字塔式的多层次生产管理结构向扁平的网络结构转变。

从传统的顺序工作方式向并行工作方式转变。

从按功能划分部门的固定组织形式向动态的、自主管理的小组工作组织转变。

从符合性质量观向满意性质量观转变。

2.1.2、绿色制造技术

全球环境日趋恶化，自然资源越来越匮乏。地球南极上空的臭氧空洞警示人类，绿色制造是人类可持续发展的必然选择。“生态工厂”和“绿色生产力”等概念和口号以被人们认同。目前，日本将绿色制造作为重点研究技术，投巨资建立试验工厂。香港也在积极推行ISO4000国际环保标准、绿色产品标志及绿色奖励计划，培训清洁生产人才。我国大陆人口众多，资源相对匮乏，环境污染严重，绿色制造技术是我国生产力健康发展的必由之路。

2.1.3、快速制造技术

市场的激烈竞争产生了快速制造技术，出现了很多新的概念和研究领域。最为典型的是并行工程和快速原型制造技术。

并行工程：在产品设计阶段同时进行工艺过程设计，考虑产品整个寿命周期的所有因素，从而大大缩短产品投放市场的时间。

快速原型制造技术：利用三维CAD数据，将一层层的材料堆砌成实物模型，这种技术可大大缩短产品开发周期，给制造也带来根本性变化。

2.1.4、虚拟制造技术[5]

虚拟制造技术是以计算机支持的仿真技术为前提，对设计、加工、装配等工序统一建模，形成虚拟的环境、虚拟的过程、虚拟的产品、虚拟的企业。虚拟制造技术主要包括：（1）虚拟环境技术，（2）虚拟设计技术，（3）加工和装配过程的模拟、仿真技术。虚拟制造技术实际上是一种软技术，其中，产品建模、数据共享和过程仿真是虚拟制造技术的基础。

2.2、加工过程规律的研究

2.2.1、物理规律

刀具的切削过程是非常复杂的，影响因素很多。在铣削加工时，刀具材料性能、刀具类型、刀具几何参数、切削速度、切削深度和进给量等都影响着切削力，从而影响整个工艺系统的变形，最终影响加工精度。为此，需建立相应的几何模型和力学模型，探索简化的加工精度与工件材料性能、刀具参数、切削用量的关系。当前，美国在这方面开展的研究工作较多。

在国外，美国和日本在此方面的研究较早，美国的New Hampshire大学的研究较为深入和系统，发表了多篇论文[7][8][9]。研究主要集中在对三轴到五轴加工受力分析上，最近已将切削力分析的结果用于进给量的自动计算。在西雅图召开的"1997美国科学基金会设计与制造领域受资助者"会议上，Fussell和Jerarel介绍了他们的研究项目"Feedrate Selection for NC Machining Based on Part Tolerance"，但尚未在商品化CAD/CAM系统中得到应用。

另外，刀具在切削时，会有微量磨损，在刀具还未完全报废的使用过程中，利用传感器，及时向电脑程序传输刀具磨损程度、切削区温度变化，从而适时微量调整刀具轨迹的偏置量和切削速度。达到在切削过程中稳定的切削质量控制。

对刀具切削过程的物理规律研究，费用高，需要高校、研究所、工厂甚至国家共同参与。相信在不久的将来，有关刀具切削过程的研究将会取得重大进展。

2.2.2、 几何规律

2.2.2.1、轨迹生成智能化

现代的CAM软件系统，生成轨迹的方式多种多样，名目繁多，各软件系统术语不统一，掌握起来存在困难。工程师们希望给定毛坯和一系列刀具，给定工件材料和待加工轮廓或曲面，能自动生成粗加工、半精加工、精加工、清根轨迹，改变设计面和加工条件，自动更新刀具所有工序的刀具轨迹，即自动编程技术。要求轨迹是高效率的，且在任何位置不发生干涉和碰撞。

2.2.2.2、五轴加工

五轴加工的轨迹生成是国内外研究的重点。从切削效果讲，五轴加工有很多优点，一是切削效率高，二是加工后工件表面精度高，三是可以减少手工打磨量。Vickers和Quan指出，五轴加工比三轴加工可以提高10-20%的生产率。五轴加工的难点是干涉判断困难，因为刀轴实时在变化。

　　五轴加工分为端铣和侧铣。侧铣加工是刀具侧刃与工件表面接触的加工方式，在几何形体的精密加工中有广泛的应用。端铣加工是端刀边缘与工件表面接触的加工方式，加工雕塑曲面一般用端铣加工。

关于五轴加工刀具轨迹生成和刀具干涉等问题，很多学者作了大量研究。Jensen和Anderson引入“局部曲率特性”来计算刀轴定位。Jensen的方法对全局干涉检查作用不大，但可以作为计算刀位点的迭代初始点。Lee引入“瞬间切削轮廓”的概念，以此计算有效刀具半径，然后根据刀具有效半径和当前刀具就可计算刀轴的偏置角。Choi计算五轴刀具轨迹的方法[2]简述为：（1）离散曲面成三角片集，（2）利用竖直平面和三角片集求交得计算刀触点，（3）以刀触点为原点，加工方向和刀触点发矢所在平面为刀位点平面，计算刀位点，（4）干涉检查，修正刀轴矢量。

2.2.2.3、高速加工

近年来，人们逐渐认识到高速切削是提高加工效率的关键技术。高速切削指在主轴转速很高、切削速度很快、切削厚度很小条件下进行数控加工，消除毛坯多余材料完成零件成型的过程。高速加工在航空航天中首先得到广泛应用，因为其多数零件是从原材料中切除80%的多余材料的加工。如今，汽车工业和模具工业也越来越多采用高速加工。例如用小直径立铣刀对模具型腔进行高速铣削，因为效率高，精度高，表面光洁，故可省去后续的电加工和手工研磨等工序，大大加快了新产品的开发周期。

通常，高速切削机床主轴旋转速度为10000~40000rpm，刀具切削速度为50m/min，每层切削厚度应介于0.3-0.5mm之间。这种条件下，刀具切削时对刀具轨迹的平滑性要求很严，以保证刀具移动时的平稳性和安全性，同时提高产品的表面质量。高速切削刀具轨迹除了满足高精度、高效率和计算稳定之外，还必须满足如下特征：（1）不能碰撞任何工件、装卡具等。（2）轨迹必须水平。（3）进给速度随着轨迹的弯曲变化实时调整。（4）刀具轨迹必须平滑。（5）加工之前必须仿真。

3、流行的CAM系统介绍

Unigraphics是高档CAM软件的代表。其加工方式完备，计算准确，实用性强，是航空、汽车、造船行业的首选CAM软件。

CIMATRON90是中档CAM软件的代表。该软件产自以色列。其实用性强，也是航空、汽车、电子、模具行业的广泛应用的CAM软件。

MasterCAM是低档CAM软件的代表。主要应用在中小企业的模具行业。

CAXA-ME是国内CAM软件的代表。主要面向中小企业。

4 工业界对CAM软件的新需求

4.1 、支持虚拟企业生产组织方式

以美国PTC公司的Pro/Engineer为代表的CAD系统，基本上反映了当前CAD技术的现状。以参数化特征技术为基础的零件设计、变量几何为基础的总体设计的CAD系统逐渐走向成熟和繁荣。Pro/Engineer，UG，CATIA等高档产品Cimatron，Solidwork，Solidedge等中低档产品竞争异常激烈，国内的多家CAD软件厂商也正处于紧锣密鼓的开发之中，如CAXA、华中、浙大大天、高华、金银花等。可以说，CAD系统和市场逐渐稳定。同样，为制造业服务的CAM技术也随之发展和变化。由于市场的国际化，全球竞争要求产品的制造过程具有高速度和低成本。产品更新的速度越来越快，市场需求朝着小批量、个性化方向发展。传统的小而全的企业模式已越来越丧失竞争力，各种形式的合作开发、生产和销售方式应运而生。因此，异地设计、异地编程、异地加工越来越被众多企业采用。虚拟制造技术也应运而生。虚拟技术是应用计算机技术，对产品的设计、加工、装配等工序统一建模，形成虚拟的的生产过程，从而产生了虚拟的产品、虚拟的企业。虚拟制造技术使得厂家可以在不同的城市甚至不同的国家通过Internet/Intranet进行设计、加工，共享同一产品模型，从而大大提高效率，降低成本。

由于产品设计、造型工作由多个厂家协同完成，而各个厂商由于不同的国家标准、使用习惯、员工素质、企业模式等原因，采用的软件工具千差万别，有工作站版的，有微机版的。因此，要求各企业之间能够交换和共享数据。采用的数据交换包括国际标准STEP以及事实上的行业标准，如IGES，DXF，VDA，SAT等。因此，需要软件支持国际标准和事实行业标准，能接收来自任何系统的CAD数据。

4.2、支持采用数控机床进行标准化加工。

企业追求产品的质量，在有了CAD/CAE/CAM工具的条件下，生产组织管理就是关键了。加工的标准化是生产组织管理的重要一环。粗加工、半精加工、精加工，各工序的加工余量、加工速度、切削量都有严格的规定。CAM软件要能以有效的方式支持加工的标准化。

4.3、支持智能化加工

CAM技术及系统在完成了对复杂曲面按精度无干涉加工以后，人们希望CAM系统能做更多的事情。当今所有的CAM系统，都得依靠编程工程师按照一定得步骤，生成刀具轨迹。刀具轨迹的干涉与否，与工程师对软件的熟练程度和认真程度有关，CAM系统不允许工程师犯任何小错误，否则，刀具轨迹很可能出现干涉现象。即使出现了干涉，系统也不会自动提示。工程师希望所有的刀具轨迹都是正确且优化的。

当前，CAM软件功能越来越复杂、掌握起来很困难。例如有的软件，仅粗加工一项就有十几种方法。工程师需要理解软件厂商设置的每个功能，更重要的，理解这些功能需要学习计算几何或微分几何的相关知识。因此，人们期望CAM系统具有智能，能自动生成各个工序的刀具轨迹及各种工艺工序报表。

4.4、支持并行工程

近年来，各个大企业为了快速响应市场变化，纷纷以并行工程的方式展开生产，产品模型不仅在创意阶段、设计阶段甚至在加工阶段都可能做修改。因此，CAM系统必须支持并行工程。

5 CAM技术的发展方向

5.1、 智能化

5.1.1、 生成刀具轨迹的智能化。

自动生成粗加工、半精加工、精加工、补加工的刀具轨迹。

当CAD数据改变时，自动更新各加工工序的刀具轨迹。

当某工序的加工参数改变，自动改变刀具轨迹。

5.1.2、 产生工艺流程的智能化。

自动产生加工工艺文件和工序文件。

工艺文件和工序文件自动随工序的改变而改变。

5.2、 集成化

　　1） CAM与CAD的集成。

2） 向CIMS发展。

即通过计算机及软件，将企业的全部生产活动，包括设计、制造、管理及整个物流与信息流有机地集成，构成一个完整的生产系统，从而获得更高的效率。

5.3、 网络化

5.3.1、 共享网络资源

实现共享程序、数据、资源。

5.3.2 、平衡负载

　　较闲的电脑分担较繁重电脑的工作。

把需要图形计算的工作放在高速计算机上。　　

5.3.3 、提高系统性能价格比

用若干PC机、工作站或小型机代替价格昂贵的大型机，共同完成要在大型机上才能完成的工作。

6 数控机床的主要组成部分和基本工作过程

6.1、数控机床的组成

数控机床一般由数控系统、包含伺服电动机和检测反馈装置的伺服系统、主控制系统、强电控制柜、机床本体和各类辅助装置组成。

6.1.1、数控系统

它是机床实现自动加工的核心。主要有操作系统、主控制系统、可编程控制器、各类输入输出接口等组成。其中操作系统由显示器和操纵键盘组成，显示器有数码管、CRT、液晶等多种形式。主控制系统与计算机主板有所类同，主要由CPU、存储器、控制器等组成。数控系统所控制的一般对象是位置、角度、速度等机械量，以及温度、压力、流量等物理量，其控制方式又可分为数据运算处理控制和时序逻辑控制两大类，其中主控制器内的插补运算模块就是根据所读入的零件程序，通过译码、编译等信息处理后，进行相应的刀具差补运算，并通过与各坐标伺服系统的位置、速度反馈信号比较，从而控制机床各个坐标轴的位移。而时序逻辑控制通常由可编程控制器PLC来完成，它根据机床加工过程中的各个动作要求进行协调，按各检测信号进行逻辑判断，从而控制机床各个部件有条不紊地按序工作。

6.1.2、伺服系统

它是数控系统与机床本体之间的电传动联系环节。主要由伺服电动机、驱动控制系统及位置检测反馈装置等组成。伺服电动机是系统的执行元件，驱动控制系统则是伺服电动机的动力源。数控系统发出的指令信号与位置检测反馈信号比较后作为位移指令，再经驱动控制系统功率放大后，驱动电动机运转，从而通过机械传动装置拖动工作台或刀架运动。

6.1.3、主传动系统

它是机床切削加工时传递转矩的部件之一。一般分为齿轮有级变速和电气无级变速两种类型。较高档的数控机床都要求实现无级调速，以满足各种加工工艺的要求，它主要由主轴驱动控制系统、主轴电动机以及主轴机械传动机构等组成。

6.1.4、强电控制柜

它是用来安装机床强电控制的各种电气元器件，除了提供数控、伺服等一类弱电控制系统的输入电源，以及各种短路、过载、欠压等电气保护外，主要在可编程控制器PLC的输出接口与机床各类辅助装置的电气执行元器件之间起桥梁联结作用，即控制机床辅助装置的各种交流电动机、液压系统电磁阀或电磁离合器等，主要起到扩展节点数和扩大触点容量等作用。另外，它也与机床操作台的有关手控按钮连接。强电控制柜由各种中间继电器、接触器、变压器、电源开关、接线端子和各类电气保护元器件等构成。它与一般的普通机床电气类似，但为了提高对弱电控制系统的抗干扰性，要求各类频繁启动或切换的电动机、接触器等电磁感应器件中均应必须并接RC阻容吸收器；对各种检测信号的输入均要求用屏蔽电缆连接。

6.1.5、辅助装置

它主要包括ATC刀具自动交换机构、APC工件夹紧放松机构、回转工作台、液压控制系统、润滑系统、切削液装置、排屑装置、过载与限位保护功能等部分。机床加工功能与类型不同，所包含的部分也不同。

6.1.6、机床本体

它指的是数控机床机械结构实体。它与传统的普通机床相比较，同样由主传动机构、进给传动机构、工作台、床身以及立柱等部分组成，但数控机床的整体布局、外观造型、传动机构、刀具系统及操作机构等方面都发生了很大的变化。这种变化的目的是为了满足数控技术的要求和充分发挥数控机床的特点，归纳起来有以下几点：

1） 采用高性能主传动及主轴部件。具有传递功率大、刚度高、抗振性能好及热变形小等优点。

2） 进给传动采用高效传动件。具有传动链短、结构简单、传动精度高等特点，一般采用滚珠丝杠副、直线滚动导轨副等。

3） 有较完善的刀具自动交换和管理系统。工件在加工中心类机床上一次安装后，能自动地或者接近完成工件各类的加工工序。

4） 有工件自动交换、工件夹紧与放松结构。比如在加工中心类机床上采用工作台自动交换机构。

5） 床身机架具有很高的动、静刚度。

6） 采用全封闭罩壳。由于数控机床是自动完成加工，为了操作安全等一般采用移门结构的全封闭罩壳，对机床加工部位进行全封闭。

6.2、数控机床的基本工作过程

首先根据零件图样，结合加工工艺进行程序编制，然后通过键盘或其他输入设备输入，送入数控系统后再经过调试、修改，最后把它储存起来。加工时就按所编程序进行有关数据信息处理，一方面通过差补运算器进行加工轨迹运算处理，从而控制伺服系统驱动机床各坐标轴，使刀具与工件的相对位置按照被加工零件的形状轨迹进行运动，并通过位置检测反馈以确保其位移精度。另一方面按照加工要求等，通过PLC控制主轴及其他辅助装置协调工作，如主轴变速、主轴齿轮换档、适时进行ATC刀具自动交换、APC工件自动交换、工件夹紧与放松、润滑系统定时开停、切削液按要求开关，必要时过载或限位保护起作用，控制机床运动迅速停止。

数控机床通过程序调试、试切削后，进入正常批量加工时，操作者一般只要进行工件上下料装卸，再按一下程序自动循环按钮，机床就能自动完成整个加工过程。

对于零件程序编制分为手动编程和自动编程。手动编程是指编程员根据加工图样和工艺，采用数控程序指令（目前一般都采用ISO数控标准代码）和指定格式进行程序编写，然后通过操作键盘送入数控系统内，再进行调试、修改等。对于自动编程，目前已较多地采用了计算机CAD/CAM图形交互式自动编程，通过计算机有关处理后，自动生成的数控程序，可通过接口直接输入数控系统内。目前一般的程序介质主要有三种:

(1) 纸带 需要利用纸带穿孔机和光电阅读机进行程序纸带制作和输送。

(2) 磁带 即采用录音机进行程序输入、输出。

(3) 软盘 即计算机软盘，需借助于软驱进行程序输入、输出。

这里需要特别说明的是，由于目前一般都采用微处理机数控系统，系统内容内容量已大大增加，数控系统内存ROM中本身就有编程软件，实现了在线编程，并且零件程序也能较多地直接保存在数控系统内存ROM中。对于程序存储介质的使用，主要是指某一数控机床所加工的零件品种较多时，为了工厂均衡生产的需要，把某些暂时不用的零件程序保存在程序介质中，等以后要用时再输入，即程序介质只起到外存储器的作用。它与以前硬线联接的NC数控机床对程序介质的使用要求是有本质区别的，以前要求数控机床与程序介质同步运行来加工零件。

数控加工技术及设备- 制造业的未来