1、第一章概述第一章概述第一節數控技術的現狀及發展趨勢第二節高速加工技術的現狀及發展趨勢第三節五軸數控加工技術的現狀及發展趨勢第一節數控技術的現狀及發展趨勢一、數控技術的基本概念和特點數控技術是指用數字或數字代碼的形式來實現控制的一門技術，簡稱NC（Numerical Control）。1.加工精度高2.生產效率高3.適應范圍廣4.勞動強度低5.有利于生產管理二、數控技術的發展從1952年美國麻省理工學院研制出第一臺試驗性數控系統開始，數控技術已走過了五十多年歷程。三、數控設備的發展第一節數控技術的現狀及發展趨勢1.數控機床的產生2.數控設備的發展1)高速化。2)高精度化。3)復合加工、新結構機床

2、大量出現，如五軸五面體復合加工機床，五軸五聯動加工各類異形零件。4)使用各種高效特殊功能的刀具使數控機床“如虎添翼”。5)數控機床的開放性和聯網管理已是使用數控機床的基本要求，它不僅是提高數控機床開動率、生產率的必要手段，而且是企業合理化、最佳化利用這些制造手段的方法。四、數控技術的現狀1.開放式系統結構第一節數控技術的現狀及發展趨勢(1)CNC+PC主板把一塊PC主板插入傳統的CNC機器中，PC主板主要運行程序實時控制，CNC主要運行以坐標軸運動為主的實時控制。(2)PC+運動控制板把運動控制板插入PC機的標準插槽中作實時控制用，而PC機主要作非實時控制。2.軟件伺服驅動技術1)無溫漂，穩定

3、性好。2)基于數值計算，精度高。3)通過參數設定，調整減少。4)容易做成ASIC電路。1)電動機容量、最高轉速、環境條件受到限制。2)換向器、電刷維護不方便。第一節數控技術的現狀及發展趨勢3.CNC系統的聯網(1)工廠管理級一般由Internet網組成。(2)車間單元控制級一般由DNC功能進行控制。(3)現場設備級現場設備級與車間單元控制級及信息集成系統主要完成底層設備的運行控制、I/O控制、連線控制、通信聯網、在線設備狀態監測及現場設備生產、運行數據的采集、存儲、統計等功能，保證現場設備高質量完成生產任務，并將現場設備生產運行數據信息傳送到工廠管理層，向工廠管理層提供數據；同時，也可接受工廠

4、管理層下達的生產管理及調度命令并執行之。4.功能不斷發展和擴大(1)開放性系統可通過光纖與PC機連接，采用Window兼容軟件和開發環境。第一節數控技術的現狀及發展趨勢(2)高速高精加工的智能控制功能系統可預算出多程序段刀具軌跡，并進行預處理。(3)高級復雜的功能15i/150i系統既可進行各種數學的插補，如直線、圓弧、螺旋線、漸開線、螺旋漸開線、樣條等插補，也可以進行NURBS插補。(4)強大的聯網通信功能1)工廠干線或控制層通信網絡。2)設備層通信網絡。3)通過RS-485接口傳送I/O信號。(5)高速的內裝PMC(有的廠商稱為PLC)1)梯形圖和順序程序由專用的PMC處理器控制，這種結構

5、可進行快速大規模順序控制。第一節數控技術的現狀及發展趨勢2)基本PMC指令執行時間為0.085ps，最大步數為32000步。3)可以用C語言編程。4)可在PC機上進行程序開發。(6)先進的操作性和維修性1)具有觸摸面板，容易操作。2)可采用存儲卡改變輸入輸出。五、數控技術的發展趨勢1.高精度2.高速度3.柔性化4.智能化5.網絡化第二節高速加工技術的現狀及發展趨勢一、高速加工的基本概念根據1992年國際生產工程研究會（CIRP）年會主題報告的定義，高速切削通常指切削速度超過傳統切削速度510倍的切削加工。圖1-1高速機床CNC控制技術第二節高速加工技術的現狀及發展趨勢1)速度快、穩定性高的控制

6、系統。2)精確的刀具路徑編程。3)高速、高剛性、同軸度高的刀具系統。4)快速、精準的裝夾系統。(1)加工效率高采用高速切削技術能使整體加工效率提高幾倍乃至幾十倍，這將使加工成本相應降低。(2)加工精度高高速切削具有較高的材料去除率并能相應減小切削力。(3)表面質量好高速切削時的切削力變化幅度小，與主軸轉速有關的激振頻率也遠遠高于切削工藝系統的高階固有頻率，因此切削振動對加工質量的影響很小。第二節高速加工技術的現狀及發展趨勢(4)加工能耗低且節省制造資源高速切削時，單位功率所切削的材料體積顯著增加。(5)可以加工各種難加工材料例如，航空和動力部門大量采用的鎳基合金和鈦合金，這類材料強度大、硬度高

7、、耐沖擊，加工中容易硬化，切削溫度高，刀具磨損嚴重，因此在普通加工中一般采用很低的切削速度。圖1-2薩洛蒙(Salomon)曲線a)切削溫度與切削速度的關系b)切削力與切削速度的關系第二節高速加工技術的現狀及發展趨勢二、高速加工技術的發展過程1931年德國工程師卡爾薩洛蒙（Carl Salomon）博士首次提出了有關高速切削的概念。圖1-3薩洛蒙對各種金屬“切削速度與切削溫度關系”的實驗曲線和推論曲線第二節高速加工技術的現狀及發展趨勢1)機床的大小和類型。2)可提供的切削動力。3)使用的切削刀具。4)被切削的材料。5)切削速度、進給速度和切削深度。1)機床、刀具和工件的剛度。2)機床所能夠變化

8、的速度范圍。3)可變化的切削條件，如切削深度、冷卻方式等。4)切削刀具材料。5)所切削材料的種類及其物理特性。6)刀具形狀和幾何角度。第二節高速加工技術的現狀及發展趨勢7)對切削的一些其他特殊要求，包括切削速度、刀具壽命、表面粗糙度、切削功在殘余應力和熱方面的影響等。(1)在高速切削方面的結論在超高速條件下，高強度材料可以切削，切削速度可高達73000m/min；高速鋼刀具可在這一速度下切削高強度材料；加工合金材料的脆性失效現象高速下并沒有發生；高速下實驗結果和通常的加工曲線計算的結果不一樣；超高速切削可提高工件的表面質量；高速切削的金屬加工切除率可高達普通切削的240倍。第二節高速加工技術的

9、現狀及發展趨勢(2)在刀具磨損方面的結論在切削速度為500m/min的條件下切削經過熱處理的材料時，刀具的磨損最小；切削速度的變化對退火鋼的加工影響不大；切削速度從9144m/min增加到45700m/min時，每切除單位金屬，刀具磨損量會下降7595；切削鋁合金的速度達到35500m/min時，沒有測量到刀具磨損；刀具的磨損形式和加工的材料以及材料的熱處理方法有關。(3)在切削力方面的結論水平力和垂直力雖然比理論值大，但是仍在可控制的范圍內；在大多數情況下，垂直力比水平力大，這和理論分析的結果相反；峰值切削力只增加了3370，而不是預計的500，而且使用的平均力還會減小；在高速切削下，剪切角

10、增加而導致剪切力減小。三、高速加工技術的研究現狀第二節高速加工技術的現狀及發展趨勢由于高強度、高熔點刀具材料和超高速主軸的研制成功，直線電動機伺服驅動系統的應用以及高速機床其他配套技術的日益完善，為高速切削技術的普及應用創造了良好的條件。表1-1幾種典型的高速加工中心主要參數四、高速加工技術的發展趨勢對于高速切削技術的未來發展，高速加工領域非常著名的美國肯納金屬公司（Kennametal）在對過去10年的發展總結的基礎上，對未來的技術發展作了以下預測：第二節高速加工技術的現狀及發展趨勢1.機床結構的變化2.提高機床進給速度的同時保持機床精度3.快換主軸4.高、低速度的主軸共存5.改善軸承技術6

11、.改進刀具和主軸的接觸條件7.更好的動平衡技術8.高速冷卻系統第三節五軸數控加工技術的現狀及發展趨勢一、多軸加工的基本概念和過程1.多軸加工的基本概念2.多軸加工的特點和過程圖1-4三軸加工的情況第三節五軸數控加工技術的現狀及發展趨勢圖1-5多軸加工的情況(1)零件的三維CAD設計絕大多數的多軸加工零件都需要用CAM第三節五軸數控加工技術的現狀及發展趨勢來自動編程，而要用CAM編程的前提是要有三維零件模型。(2)自動編程(3)程序調入機床在計算機上做好NC程序后，通過USB口，或者通信串口，或者網絡接口把程序輸入機床系統。(4)毛坯裝夾到機床如果是單件加工，可以用普通的壓板和螺栓固定，工件的方

12、位靠打表來校準；如果是批量加工，最好先做專用夾具，這樣可以節省裝夾時間，提高產品的一致性。(5)建立工件坐標系多軸機床工件坐標系的原點一般都設置在回轉軸線的交點上，有時也可以建立在工作臺面甚至夾具上的某個特殊點。第三節五軸數控加工技術的現狀及發展趨勢(6)設置機床參數普通的機床參數的設置跟三軸的一樣，但有了旋轉軸，機床上有關旋轉軸的參數必須設置，比如旋轉軸的正轉反轉、角度值的意義，特別是有擺軸的擺長設置等。(7)刀具裝入刀庫許多加工都會用到多把刀具，對于多軸的加工中心，必須把程序中用到的所有刀具按順序裝入刀庫，這樣就可以一次裝夾完成所有工序，加工出合格的零件。(8)自動加工在正式加工前，最好用

13、易加工的材料如木頭或塑料作為毛坯，檢查加工軌跡是否正確，整個程序是否合理等。二、四軸聯動加工的特點四軸聯動機床，就是在三個線性坐標軸（X，Y，Z）的基礎上增加一個旋轉軸或者擺動軸，有兩種基本機床結構，如下所述。第三節五軸數控加工技術的現狀及發展趨勢(1)擺頭結構主軸裝在擺頭上，擺頭可以擺動一定的角度，并且可以和三個線性軸聯動。(2)旋轉工作臺結構在XY平面工作臺上再增加一個旋轉工作臺，工件安裝在旋轉工作臺上并可隨工作臺旋轉任意角度。三、五軸聯動加工的特點五軸聯動機床，就是在三個線性坐標軸（X，Y，Z）的基礎上再增加兩個旋轉坐標軸，有三種基本機床結構。(1)雙轉臺結構五軸聯動機床兩個旋轉軸均屬轉

14、臺類，B軸旋轉平面為YZ平面，C軸旋轉平面為XY平面。第三節五軸數控加工技術的現狀及發展趨勢圖1-6雙轉臺五軸機床五個坐標軸之間的關系第三節五軸數控加工技術的現狀及發展趨勢圖1-7雙轉臺五軸機床加工整體小葉輪(2)單轉臺單擺頭五軸聯動機床旋轉軸B為擺頭，第三節五軸數控加工技術的現狀及發展趨勢旋轉平面為ZX平面；旋轉軸C為轉臺，旋轉平面為XY平面。圖1-8單轉臺單擺頭五軸機床五個坐標軸之間的關系第三節五軸數控加工技術的現狀及發展趨勢圖1-9單轉臺單擺頭五軸機床加工維納斯雕像(3)雙擺頭五軸聯動機床兩個旋轉軸均屬擺頭類，第三節五軸數控加工技術的現狀及發展趨勢B軸旋轉平面為ZX平面，C軸旋轉平面為XY平面。圖1