数控加工技术

自从数控加工技术问世以来，它给机械制造业带来了革命性的变化。数控技术已成为制造业实现自动化、柔性化、集成化生产的技术基础，现代的 CAD / CAE / CAPP / CAM，FMS 、CIMS、敏捷制造和智能制造等先进制造技术，都是建立在数控技术之上的。它不仅是提高产品质量和劳动生产率必不可少的物质手段．又是现代各种新兴技术或尖端技术得以存在或发展的“使能技术”。其技术水平高低已成为衡量一个国家工业现代化水平的重要标志。
一、机床数控系统
1．机床数控系统的组成及功能原理
CNC机床数控系统由数控装置、可编程控制器(plc)、进给伺服驱动装置、主轴伺服驱动装置、输入输出接口，以及机床控制面板和人机界面等部分组成。
2．数控系统的硬件结构
数控系统从硬件结构上可分为单CPU结构、多CPU结构及直接采用PC计算机的系统结构。
(1)单CPU结构
(2)多CPU结构 用于处理不同的控制任务。
(3)基于PC微机的CNC系统
3．数控系统的软件组成 ：
CNC系统是一个多任务系统，它通常作为一个独立的控制单元用在自动化生产中。CNC系统的软件结构由一个主控模块与若干功能模块组成。主控模块为用户提供一个友好的系统操作界面，在此界面下系统的各功能模块以菜单的形式被调用。系统的功能模块分为实时控制类模块和非实时管理类模块两大类，如图44所示。实时控制类模块是控制机床运动和动作的软件模块，具有毫秒级甚至更高要求的时间响应；非实时管理类模块没有具体的时间响应要求。
非实时管理类软件模块包括参数输入、系统设置、系统诊断、系统通信、显示处理、以及程序编辑等，这类软件模块可利用PC微机所提供的计算机语言和软件工具来实现。
实时控制类软件模块包括程序译码、刀具补偿、速度处理、运动插补、数据采集以及PLC逻辑控制等。
模块。同样，管理类软件模块也是通过各级中断服务的相互通信来运行的。
4．开放式数控系统
数控系统越来越广泛地应用到各种控制领域，同时也不断地对数控系统软硬件提出了新的要求，其中较为突出是要求数控系统具有开放性，以满足系统技术的快速发展和用户自主 开发的需要。
二、机床伺服系统
1.机床进给伺服系统
机床进给伺服系统一般是由位置控制单元、速度控制单元、伺服电动机单元及检测反馈单元四部分组成，位置控制单元与数控装置做在一起称为伺服单元或驱动器控制单元。
按照伺服系统的结构特点，有开环系统、闭环系统、半闭环系统及混合闭环四种基本结构类型。在机床中常用半闭环结构。此种结构环路中非线性因素较少，容易整定，可以通过各类补偿使控制精度达到较高的水平，而且电气控制部分与执行机械相对独立，系统通用性强。
机床进给伺服系统在经历了开环步进伺服、直流伺服两个阶段之后，现已进入了交流伺服系统阶段。交流电动机具有结构简单、坚固耐用的特点。随着电子器件的小型化和高性能化，以及计算机技术与控制技术的的迅速发展，交流伺服系统得到了广泛的应用。
机床进给伺服系统所用的检测元件主要有旋转变压器和脉冲编码器。
2.机床主轴伺服系统
机床主轴系统与进给系统区别很大，主轴电动机要求有较大的驱动功率、大的无级调速范围、准确定向、定为控制及角度分度控制功能等。
数控机床主轴传动系统和进给传动一样，经历了从普通三相异步电动机传动到直流伺服电动机传动。密遣常用的是交流伺服电动机，交流伺服电动机有笼型异步电动机和永磁式同步电动机两种结构形式，笼型异步电动机是交流主轴伺服电动机的常用结构形式。永磁式同步电动机，当功率很大时，电动机的成本会很高，限制了该电动机在数控机床上的应用。数控机床主轴传动系统性能没有进给伺服系统要求高，对电动机的特性要求也相对的低些。采用交流主轴电动机。
交流主轴电动机的性能要比普通异步电动机高，它要求交流主轴电动机的输出特性曲线(功率与转速关系)在基本速度以下时位于恒转矩区域，而在基本速度以上时位于恒功率区域。
交流主轴控制单元分为模拟式和数字式，国外交流主轴控制单元大多数是数字式的。
三、数控加工编程技术
1.数控加工编程一般步骤
数控加工编程就是根据零件的设计图样，将零件的工艺过程、工艺参数、刀具位移量、位移方向及其他辅助动作(刀具选择、冷却开闭、工件夹紧松开等)，按运动顺序和所用数控系统规定的坐标系和指令代码及格式来编制加工程序单，经校核、试切无误用以完成规定加工任务的一系列指令的过程。这一过程称为数控加工编程。是从零件图和工艺要求分析入手大程序检验合格为止的全部过程。
数控加工编程一般可分为如下的几个步骤：
(1)分析零件图 分析零件图的可加工性、结构合理性，确定加工机床的种类。
(2)工艺处理 在对零件图及技术要求进行分析的基础上，确定加工顺序和加工要求，选择合适的刀具、夹具、切削用量和其他辅助工序的要求，在保证加工精度的前提下应满足工艺方案的合理性和经济性。
(3)数值计算 根据零件的几何形状、加工路线和数控系统的特点，计算基点、节点和刀具中心轨迹数据。
(4)编制零件加工程序单 根据所确定的工艺内容和数值计算结果，按照数控系统所规定的程序指令和程序格式编写零件加工程序单。
(5)输人数控程序 通过键盘输入或磁盘读人，或通过HS232C接口将数控加工程序输人到数控系统。
(6)程序校验 编制好的程序，在生产加工前必须进行程序运行检查。根据检查结果，对程序进行修改和调整，以获得完全满足加工要求的程序为止。
2.计算机辅助数控加工编程
数控加工程序可以由手工编制，但手工编程只能编制那些几何形状不复杂、计算量不大、加工程序不多的简单零件；对于一些复杂零件，如带有非圆曲面、自由曲面的凸轮、模具型腔等，其手工编程变得极为困难。计算机辅助编程技术能较好解决这方面的问题。
(1) 数控语言自动编程
(2) CAD／CAM系统数控编程
1)将零件数控加工编程过程中的几何造型、刀位计算 图形显示和后置处理等作业过程结合在一起，有效地解决了编程的数据来源、图形显示、加工模拟和交互修改问题，弥补了数控语言编程的不足。
2)编程过程是在计算机上直接面向零件的三维实体图形交互进行，不需要用户编制零件加工源程序，用户界面友好，使用简便、直观、准确，便于检查。
3)有利于实现系统的集成，不仅能够实现产品设计(CAD)与数控编程(NCP)的集成，还便于实现与工艺设计(CAPP)、刀夹量具设计等其它生产过程的集成。
3.数控编程系统的进展
(1) 面向车间的编程
(2) 数字化扫描编程
数字化扫描及其相关技术又称为反求工程 (ReverseEngineering，RE)。
四、机床数控技术发展趋势
1．性能发展方面
(1)高速高精高效化
(2)柔性化
(3)工艺复合化和多轴化
(4)实时智能化
2．功能发展方面
(1)用户界面图形化
(2)科学计算可视化
(3)插补和补偿方式多样化
(4)内置高性能PLC
(5)多媒体技术应用
3．体系结构的发展
(1)集成化
(2)模块化
(3)网络化
(4)开放式闭环控制模式