專題論文--數(shù)控五軸技術(shù)及數(shù)控編程

附錄 1 專題部分 數(shù)控五軸技術(shù)及數(shù)控編程 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，制造技術(shù)的進步，以及社會對產(chǎn)品質(zhì)量和品種多樣化的要求越來越加強烈。中、小批量生產(chǎn)的比重明顯增加，要求現(xiàn)代數(shù)控機床成為一種高效率、高質(zhì)量、高柔性和低成本的新一代制造設(shè)備。同時，為了滿足制造業(yè)向更高層次發(fā)展，為柔性制造單元，柔性制造系統(tǒng)，以及計算機集成制造系統(tǒng)提供基礎(chǔ)設(shè)備，也要求數(shù)控機床向更高水平發(fā)展。這些要求主要由數(shù)字控制技術(shù)的發(fā)展來實現(xiàn)。數(shù)控技術(shù)體現(xiàn)在數(shù)控裝置、伺服驅(qū)動系統(tǒng)、程序編制、機床主機和檢測監(jiān)控系統(tǒng)等方面。 一、數(shù)控加工技術(shù) 近代，大工業(yè)生 產(chǎn)大量采用了剛性自動化。在汽車工業(yè)、拖拉機以及輕工業(yè)消費品生產(chǎn)方面。采用了大量的組合機床自動線、流水線；在標準件生產(chǎn)中采用了凸輪控制的專用機床和自動機床。這類機床適合于大批量生產(chǎn)，但是建立制造過程很難，所以更換產(chǎn)品，修改工藝要較長的時間和比較多的費用。 由于產(chǎn)品多樣化和產(chǎn)品更新，解決單件，小批量生產(chǎn)自動化迫在眉睫。航空、宇航、造船、電子等工藝對解決復(fù)雜型零件加工和高精度零件加工要求越來越高。這就使剛性自動化不能滿足要求，柔性加工和柔性自動化也就迅速發(fā)展起來。 數(shù)控機床是新型的自動化機床，它具有廣泛通用性和很 高的自動化程度。數(shù)控機床是實現(xiàn)柔性自動化最重要的裝置，是發(fā)展柔性生產(chǎn)的基礎(chǔ)。數(shù)控機床在下面一些零件的加工中，更能顯示出它的優(yōu)越性。它們是： 1）批量小而又多次生產(chǎn)的零件； 2）幾何形狀復(fù)雜的零件； 3）在加工過程中必須進行多種加工零件；4）切削余量大的零件； 5）必須控制公差（即公差帶范圍?。┑牧慵?6）工藝設(shè)計會變化的零件； 7）加工過程中的錯誤回造成嚴重浪費的貴重零件； 8）需全部檢測的零件，等等。 數(shù)控加工技術(shù)的特點： 1、提高生產(chǎn)率。數(shù)控機床能縮短生產(chǎn)準備時間，增加切削加工時間的比較。采用最佳切削參數(shù)和最佳走刀 路線能縮短加工時間，從而提高生產(chǎn)率。 2、穩(wěn)定產(chǎn)品質(zhì)量。采用數(shù)控機床可以提高零件的加工精度，穩(wěn)定產(chǎn)品質(zhì)量。它是按照程序自動加工不需要人工干預(yù)，而且加工精度還利用軟件進行校正及補償，因此，可以獲得比機床本身精度還要高的加工精度及重復(fù)精度。 3、有廣泛的適應(yīng)性和較大的靈活性。通過改變程序，就可以加工新品種的零件。能夠完成很多普通機床難以完成，或者根本不能加工的復(fù)雜型面的零件的加工。 4、可以實現(xiàn)一機多用。一些數(shù)控機床，例如加工中心，可以自動換刀。一次裝卡后，幾乎能完成零件的全部加工部位的加工，節(jié)省了設(shè)備和廠房面 積。 5、提高經(jīng)濟效益?？梢赃M行精確的成本計算和生產(chǎn)進度安排，減少在制品，加速資金周轉(zhuǎn)，提高經(jīng)濟效益。 6、不需要專用夾具。采用普通的通用夾具就能滿足數(shù)控加工的要求，節(jié)省了專用夾具設(shè)計制造和存放的費用。 7、大大地減輕了工人的勞動強度。 數(shù)控機床是具有廣泛的通用性而又具有很高自動化程度的全新型機床。它的控制系統(tǒng)不僅能控制機床各種動作的先后順序，還能控制機床運動部件的運動速度，以及刀具相對工件的運動軌跡。數(shù)控機床是計算機輔助設(shè)計和制造，群控，柔性制造系統(tǒng)，計算機集成制造系統(tǒng)等柔性加工和柔性制造系統(tǒng)的基礎(chǔ)。 但 是，數(shù)控機床的初投資及維修技術(shù)等費用較高，要求管理及操作人員的素質(zhì)也較高。合理地選擇及使用數(shù)控機床，可以降低企業(yè)的生產(chǎn)成本，提高經(jīng)濟效益和競爭能力。 二、五軸加工技術(shù) 五軸加工是在數(shù)控鏜或數(shù)控銑的基礎(chǔ)上，增加了自動換刀裝置，使工件在一次裝夾后，可以連續(xù)對工件自動進行鉆孔、擴控、鉸孔、攻螺紋、銑削等多加工的機床。加工中心一般帶有自動分度回轉(zhuǎn)工作臺或主軸箱可自動改變角度，從而使工件一次裝夾后，自動完成多個平面或多個角度位置的多工序加工，工序高度集中；加工中心能自動改變主軸轉(zhuǎn)速、進給量和刀具相對工件的運動軌跡；加 工中心如果帶有交換工作臺，工件在工作位置的工作臺上進行加工的同時，可在裝卸位置的工作臺上裝卸工件，工作效率高。 五軸數(shù)控 加工技術(shù) 可以在一次裝夾中完成工件的全部 機械 加工工序，滿足從粗加工到精加工的全部加工要求，即適用于單件小批量生產(chǎn)也適用于大批量生產(chǎn)，減少了加工時間和生產(chǎn)費用，提高了 數(shù)控 設(shè)備的生產(chǎn)能力和經(jīng)濟性。 目前國際上五軸高速切削加工技術(shù)主要應(yīng)用于汽車工業(yè)、模具行業(yè)、航空航天行業(yè)，尤其是在加工復(fù)雜曲面的領(lǐng)域、工件本身或刀具系統(tǒng)剛性要求較高的加工領(lǐng)域，顯示了強大的功能。國內(nèi)五軸高速切削加工技術(shù)的研究與應(yīng)用始于 20世紀 90 年代，應(yīng)用于模具、航空航天和汽車工業(yè)。但采用的高速切削 床、高速切削刀具和 件等以進口為主。 數(shù)控五軸高速切削加工作為模具制造 中最為重要的一項先進制造技術(shù)，是集高效、優(yōu)質(zhì)、低耗于一身的先進制造技術(shù)。在常規(guī)切削加工中備受困惑的一系列問題通過五軸高速切削加工的應(yīng)用得到了解決。其切削速度和進給速度比傳統(tǒng)的切削加工速度高，切削機理發(fā)生了根本的變化。與傳統(tǒng)切削加工相比，切削加工發(fā)生了本質(zhì)的飛躍。其單位功率的金屬切除率提高了 30% 40%、切削力降低了30%、刀具的切削壽命提高了 70%、留于工件的切削熱大幅度降低、低階切削振動幾乎消失。隨著切削速度的提高，單位時間毛坯材料的去除率增加，切削時間減少，加工效率提高。縮短了產(chǎn)品的制造周期，增加了產(chǎn) 品的市場競爭力。同時高速加工的小量快進使切削力減少，切屑的高速排除，減少了工件的切削力和熱應(yīng)力變形，提高了剛性差和薄壁零件切削加工的可能性。另外，由于切削力的降低，轉(zhuǎn)速的提高使切削系統(tǒng)的工作頻率遠離機床的低階固有頻率，而工件的表面粗糙度對低階頻率最為敏感，由此降低了表面粗糙度。在模具的高淬硬剛件（ 45 65的加工過程中，采用高速切削可以取代電加工和磨削拋光的工序。避免了電極的制造和費時的電加工時間，大幅度減少了鉗工的打磨與拋光量。一些市場上越來越需要的薄壁模具工件，高速銑削可順利完成。而且在高速銑削 具一次裝夾可完成多工步加工。 1、五軸高速加工切削的優(yōu)點 五軸高速加工切削系統(tǒng)主要由高速加工中心、高性能的刀具夾持系統(tǒng)、高速切削刀具、安全可靠的高速切削 件系統(tǒng)，因此五軸高速加工是一項大的系統(tǒng)工程。隨著切削刀具技術(shù)的進步，高速加工已應(yīng)用于加工合金鋼（硬度大于30廣泛地應(yīng)用在汽車和電子元件產(chǎn)品中的沖壓模，注射模零件。高速加工的定義依賴于被加工的工件材料的類型。例如，高速加工合金鋼采用的切削速度為 500m/這一速度在加工鋁合金是常采用順銑。 2、五軸高速銑削加工機床 五軸超高速切削技術(shù)是切削技術(shù)是切削加工的方向，也是時代發(fā)展的產(chǎn)物。高速切削技術(shù)是切削加工技術(shù)的主要發(fā)展方向之一，它隨著 術(shù)、微電子技術(shù)、新材料和新結(jié)構(gòu)等基礎(chǔ)技術(shù)的發(fā)展而邁尚更高的臺階。然而高速切削技術(shù)自身也存在著一些急待解決的問題，如高硬度材料的切削機理、刀具在載荷變化過程中的破損、建立高速切削數(shù)據(jù)庫、開發(fā)適用于高速切削加工狀態(tài)的監(jiān)控技術(shù)和綠色制造技術(shù)等等。同時高速切削所用的 床，車、銑、鉆等刀具， 格昂貴，使得高速切削投資大，這在一定程度上制約 了高速切削技術(shù)的推廣應(yīng)用。高速切削的高效應(yīng)用要求機床系統(tǒng)中的部件都必須先進，主要表現(xiàn)在以下幾個方面： a、機床結(jié)構(gòu)的剛性。提供高速進給的驅(qū)動器（快進速度約 40m/3D 輪廓加工速度為 10m/能夠 10m/s 的加速度和減速度。 b、主軸和刀柄的剛性。 10000 50000 轉(zhuǎn) /轉(zhuǎn)速，通過主軸壓縮空氣或冷卻系統(tǒng)控制刀柄和主軸間的軸向間隙不大于 c、控制單元 2 和 4 位并行處理器，高的數(shù)據(jù)傳輸率，能夠自動加減速。 d、可靠性與加工工藝。提高機床的利用率和無人操作的可靠性，工 藝模型有助于對切削條件和刀具壽命之間關(guān)系的理解。 常見國內(nèi)外五軸高速加工中心與傳統(tǒng)普通數(shù)控機床相比，其機床結(jié)構(gòu)、加工速度和性能更優(yōu)秀，如德國的 速加工中心，采用直線電機和電主軸，其主軸轉(zhuǎn)速達到 30000 轉(zhuǎn) /給速度達到 120m/速度超過 1g（重力加速度）。五軸高速機床要求高的主軸單元和冷卻系統(tǒng)、高剛性的機床結(jié)構(gòu)、安全裝置和監(jiān)控系統(tǒng)、以及優(yōu)良的靜動力特性等，其技術(shù)含量高，機床制造難度大等特點。目前國內(nèi)的高速機床其性能與國外相比還存在一定的差距。 三、數(shù)控編程 數(shù)控機床是按照事先編制 好的工程序自動對工件進行加工的高效自動化設(shè)備。在數(shù)控機床上加工零件時，要把加工零件的全部工藝過程、工藝參數(shù)和位移數(shù)據(jù)，以信息的形式記率在控制介質(zhì)上，用控制介質(zhì)上的信息來控制機床，實現(xiàn)零件的全部加工過程。這里，我們把從零件圖紙到獲得數(shù)控機床所需控制介質(zhì)的全部過程，稱為程序編制。 程序編制是數(shù)控加工的一項重要、工作，理想的加工程序不僅應(yīng)保證加工出符合圖紙要求的合格工件，同時應(yīng)該能使數(shù)控機床的功能得到合理的應(yīng)用與充分的發(fā)揮，以使數(shù)控機床安全可靠及高效地工作。 數(shù)控機床程序編制的內(nèi)容主要包括：分析零件圖紙、工藝處理 、數(shù)學(xué)處理、編寫程序單、制備控制介質(zhì)及程序校驗。其具體步驟與要求如下： 1、分析零件圖紙 首先要分析零件圖紙。根據(jù)零件的材料、形狀、尺寸、精度、毛坯形狀和熱處理要求等確定加工方案，選擇合適的數(shù)控機床。 2、工藝處理 工藝處理涉及問題較多，需要考慮如下幾點： 1）確定加工方案 此時應(yīng)按照能充分發(fā)揮數(shù)控機床功能的原則，使用合適的數(shù)控機床，確定合理的加工方法。 2）刀具工夾具的設(shè)計和選擇 數(shù)控加工用刀具由加工方法、切削用量及其它與加工有關(guān)的因素來確定。數(shù)控機床具有刀具補償功能和自動換刀功能。 數(shù)控加工一般不需 要專用的復(fù)雜的夾具。在設(shè)計和選擇夾具時，應(yīng)特別注意要迅速完成工件的定位和夾緊過程，以減少輔助時間。使用組合夾具，生產(chǎn)準備周期短，夾具零件可以反復(fù)使用，經(jīng)濟效益好。此外，所用夾具應(yīng)便于安裝，便于協(xié)調(diào)工件和機床坐標系的尺寸關(guān)系。 3）選擇對刀點 程序編制時正確地選擇對刀點是很重要的?！皩Φ饵c”是程序執(zhí)行的起點，也稱“程序原點”。對刀點的選擇原則是：所選對刀點，應(yīng)使程序編制簡單；對刀點應(yīng)選擇在容易找正、并在加工過程中便于檢查的位置；引起的加工誤差小。 對刀點可以設(shè)置在被加工零件上，也可以設(shè)置在夾具或機床上。為了 提高零件的加工精度，對刀點應(yīng)盡量設(shè)置在零件的設(shè)計基礎(chǔ)或工藝基準上。 4）確定加工路線 加工路線的選擇主要應(yīng)該考慮：盡量縮短走刀路線，減少空走刀行程，提高生產(chǎn)率；保證加工零件的精度和表面粗糙度的要求；有利于簡化數(shù)值計算，減少程序段的數(shù)目和編程工作量。 5）確定切削用量 切削用量即切削深度和寬度，主軸轉(zhuǎn)速及進給速度等。切削用量的具體數(shù)值應(yīng)根據(jù)數(shù)控機床使用說明書的規(guī)定，被加工工件材料，加工工序以及其它工藝要求，并結(jié)合實際經(jīng)驗來確定。 3、數(shù)學(xué)處理 在工藝處理工作完成后，根據(jù)零件的幾何尺寸，加工路線，計算數(shù)控機 床所需的輸入數(shù)據(jù)。一般數(shù)控系統(tǒng)都具有直線插補、圓弧插補和刀具補償功能。對于加工由直線和圓弧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（稱為基點）的坐標值。對于較復(fù)雜的零件或零件的集合形狀與數(shù)控系統(tǒng)的插補功能不一致時，就需要進行較復(fù)雜的數(shù)值計算。 4、編寫零件加工程序單 在完成工藝處理和數(shù)值計算工作后，可以編寫零件加工程序單，編寫人員根據(jù)所使用數(shù)控系統(tǒng)的指令、程序段格式，逐段編寫零件加工程序。編程人員要了解數(shù)控機床的性能、程序指令代碼以及數(shù)控機床加工零件的過程，才能編寫出正確的加工程 序。 5、制備控制介質(zhì)及程序檢驗 程序編好后，需制作控制介質(zhì)?？刂平橘|(zhì)有穿孔紙帶、穿孔卡、磁帶、軟磁盤和硬磁盤等。早期為穿孔紙帶，現(xiàn)在已被磁盤所代替。但是，規(guī)定的穿孔紙帶代碼標準沒有變。 在單件和多品種小批量產(chǎn)品生產(chǎn)模式下，產(chǎn)品品種復(fù)雜多樣，個性化要求高，沒有統(tǒng)一的流程。數(shù)控加工技術(shù)在這種生產(chǎn)模式中日益發(fā)揮巨大作用人。數(shù)控加工技術(shù)不僅可以提高產(chǎn)品的加工精度和品質(zhì)，而且可以大大縮短產(chǎn)品的生產(chǎn)周期。一般來講，數(shù)控加工技術(shù)中包括了數(shù)控加工機床、數(shù)控編程軟件和數(shù)控設(shè)備管理軟件。數(shù)控編程軟件（ 軟件）在提高機床 加工精度和加工效率方面起著至關(guān)重要的作用。從目前數(shù)控加工設(shè)備的普及和發(fā) 展情況來看，數(shù)控編程軟件要具有如下特性。 軟件要操作簡單，易學(xué)易用 隨著國內(nèi)企業(yè)數(shù)控設(shè)備使用的不斷普及，對數(shù)控編程人員的需求量也不斷增加。那種需要長時間培訓(xùn)才能要輸入或設(shè)置很多選項，過多的操作會給編程人員帶來很大的壓力，也帶 來了更多的出錯幾率。因此，操作簡單、易學(xué)易用是數(shù)控編程軟件普及的關(guān)鍵。要做到操作簡單，易學(xué)易用不僅僅是軟件界面的問題，更多涉及到的是軟件的智能化處理算法。 軟件產(chǎn)生的刀具軌跡要保證高速、高精度和高效率 數(shù)控加工技術(shù)是提高產(chǎn)品生產(chǎn)效率，縮短生產(chǎn)周期的關(guān)鍵手段。高速不僅僅是要求編程軟件支持高速加工機床，也要求編程軟件產(chǎn)生的刀具軌跡能夠發(fā)揮普通數(shù)控機床的最高切削速度。在保證高精度的前提下盡量減少空走刀和重復(fù)走刀。這樣才能縮短加工時間。畢竟在中國市場上普通數(shù)控機床還占絕大多數(shù)，讓這些機床充分發(fā)揮加工能力是關(guān)鍵。 軟件要匹配各種數(shù)控系統(tǒng) 在中國市場上，存在著各種各樣的數(shù)控機床。因此，機床控制系統(tǒng)也是五花八門的，這就要求數(shù)控編程軟件要能夠匹配各種機床控制系統(tǒng)。 軟件要能與整個生產(chǎn)流程集成 隨著中國 企業(yè)的信息化程度不斷加深，數(shù)控