数控加工技术(数控加工技术的现状和发展趋势)

什么是数控加工技术？

随着科学技术的发展，人们对零件加工质量的要求也越来越高。同时产品改型频繁，在一般机械加工中，单件和中小批量产品占的比重越来越大。

为了保证产品质量，提高生产率和降低成本，要求机床不仅具有较好的通用性和灵活性，而且在加工过程中要具有较高的自动化程度。

数控加工技术就是在这种环境下发展起来的一种由数控机床的数字信息控制，适用于精度高、零件形状复杂的单件和中小批量生产的高效、柔性的自动化加工技术。 数控机床是一种综合了计算机技术、现代控制技术、传感检测技术、信息处理技术、网络通信技术、液压气动技术、光机电等技术的一种高效、柔性加工的机电一体化设备，是现代制造技术的基础。 1　数控机床的组成及数控加工过程 数控机床是指用记录在媒体上的数字信息经数控装置对机床实施控制，使它自动地执行规定加工过程的机床。 1）数控机床的组成 数控机床是按预先编制好的加工程序自动对工件进行加工的。

数控机床通常由机床本体、伺服系统、数控装置和控制介质四部分组成，如图2-61所示。 图2-61　数控机床的组成 （1）控制介质。控制介质又称为信息载体，是将人的操作意图转达给数控机床的一个中间媒体，它载有加工一个零件所必需的全部信息。

常用的控制介质有穿孔带、磁带、磁盘等可以存储指令信息的载体。对于简短的数控加工程序，可通过数控操作面板上的键盘直接输入数控装置。 （2）数控装置。

数控装置是数控机床的中枢，它接收控制介质送来的信息，加以变换和处理后转换成脉冲信号控制机床动作。 （3）伺服系统。伺服系统是连接机床运动部件与数控系统的装置，包括伺服驱动机构和机床的可移动部件。

它是机床数控系统的执行部分，将数控装置发出来的脉冲信号转变为机床部件的运动，使工作台或刀架精确定位或按预期轨迹作严格的相对运动，加工出符合图样要求的零件。 （4）机床本体。机床本体是数控机床的机械部分，除了主传动装置、进给传动装置、床身、工作台和辅助部分等一般部件外，还有特殊部件，如储备刀具的刀库、自动换刀装置和回转工作台等。 2）数控机床零件加工过程 数控机床零件加工过程是操作者首先按照加工图样使之变为制造工艺的内容，在熟悉加工工艺的基础上编制加工程序，用规定的代码和程序格式把人的意志转变为数控机床能接受的信息。

把信息记录在控制媒体（如穿孔带、磁带或磁盘之类的信息输入介质）上，使之成为控制机床的指令。数控装置对输入的信息进行处理之后，向机床各坐标轴的伺服系统发出指令脉冲，驱动机床相应的运动部件，并控制变速、换刀和开停机床等其他动作，自动地加工出符合图样要求的工件。 2　数控机床的分类 数控机床可按工艺用途、运动轨迹、控制方式等分类，这里只介绍按工艺用途分类。数控机床按工艺用途即按加工特性或完成的主要加工工序来分，主要有数控车床（含车削中心）、数控铣床（含铣削中心）、数控镗床、以铣镗为主的加工中心、数控磨床（含磨削中心）、数控钻床（含钻削中心）、数控拉床、数控刨床、数控切断机床、数控齿轮加工机床及数控电火化加工机床（含电加工中心等）。

图2-62为CK50数控车床外观图，其加工范围与普通车床相同，主要加工轴类和盘类等回转类零件。图2-63为XJK125数控铣床外观图，它特别适用于复杂零件的加工，可完成铣削、钻削、镗削的加工。 图2-62　CK50数控车床外观图 图2-63　XJK125数控铣床外观图 加工中心（MC）是对工件进行多工序加工的一种数控机床。它具有刀库和自动换刀装置（ATC）。

工件经一次装夹后，加工中心在数控系统的控制下能按不同工序自动选择和更换刀具；自动改变机床主轴转速、进给量和刀具相对工件的运动轨迹及其他辅助功能；依次完成工件几个面上多工序的加工。因此它减少了工件装夹、测量和机床调整时间，缩短了工件存放、搬运时间，提高了生产率及机床的利用率，是数控机床的重要发展方向。图2-64为JCS-018型加工中心的布局。

其外形类似立式铣床。床身1上有滑座2，作横向运动（y轴方向）。工作台3在滑座上作纵向运动（x轴方向）。

床身后部有框式立柱5。主轴箱9在立柱导轨上作垂直升降运动（z轴方向）。在立柱的左右部是数控装置6，左前部装有刀库7和自动换刀机械手8，左下方安置有润滑装置4。刀库中容有16把刀具，可以完成各种孔加工和铣削加工。

数控操作面板10悬挂在操作者右前方，以便于操作。机床各工作状态显示在面板上。加工中心通常以主轴在加工时的空间位置不同分为卧式、立式和万能加工中心。

图2-64　JCS-018型加工中心布局 1—床身；2—滑座；3—工作台；4—润滑装置；5—立柱；6—数控装置；7—刀库；8—换刀机械手；9—主轴箱；10—操作面板 3　程序编制 所谓程序编制，就是将零件的工艺过程、工艺参数、刀具移动量与方向以及其他辅助动作（换刀、冷却、夹紧等），按运动顺序和所用数控机床给定的指令代码及程序格式编制成一定的表格，这种表格称为“零件加工程序单”，或简称“程序单”，再将程序单中的全部内容记录在控制介质上（如穿孔纸带、磁带等），然后输送给数控装置，从而指挥数控机床加工。这种从分析零件图纸起，到制成数控机床所需要的控制介质的全过程称为程序编制。 一般说来，数控程序编制的步骤为：工艺设计→数值计算→编写零件加工程序单→制备控制介质或程序输入→程序校验和试切。 1）工艺设计 在对零件图进行全面分析的基础上，确定零件的装夹定位方法、加工路线（如对刀点、换刀点、进给路线）、刀具及切削用量（如进给速度、主轴转速、切削宽度和切削深度等）等工艺参数。

2）数值计算 根据零件图和所确定的加工路线，计算出刀具运动轨迹。 一般的数控装置具有直线插补和圆弧插补的功能。对于加工由圆弧、直线组成的简单零件，只需计算出零件轮廓上相邻几何元素的交点或切点（基点）的坐标值，得出直线的起点、终点，圆弧的起点、终点和圆心坐标值。

当零件的形状比较复杂、与数控装置的插补功能不一致时，需要作较复杂的计算。 3）编写零件加工程序单 根据所计算出的刀具运动轨迹坐标值和已确定的切削用。

什么是数控加工技术

数控加工技术概述 2007/04/17 10:06 1数控编程及其发展 数控编程是目前CAD/CAPP/CAM系统中最能明显发挥效益的环节之一，其在实现设计加工自动化、提高加工精度和加工质量、缩短产品研制周期等方面发挥着重要作用。在诸如航空工业、汽车工业等领域有着大量的应用。

由于生产实际的强烈需求，国内外都对数控编程技术进行了广泛的研究，并取得了丰硕成果。

下面就对数控编程及其发展作一些介绍。 1.1数控编程的基本概念 数控编程是从零件图纸到获得数控加工程序的全过程。它的主要任务是计算加工走刀中的刀位点（cutterlocationpoint简称CL点）。刀位点一般取为刀具轴线与刀具表面的交点，多轴加工中还要给出刀轴矢量。

1.2数控编程技术的发展概况 为了解决数控加工中的程序编制问题，50年代，MIT设计了一种专门用于机械零件数控加工程序编制的语言，称为APT（AutomaticallyProgrammedTool）。其后，APT几经发展，形成了诸如APTII、APTIII（立体切削用）、APT（算法改进，增加多坐标曲面加工编程功能）、APTAC（Advancedcontouring）(增加切削数据库管理系统)和APT/SS（SculpturedSurface）(增加雕塑曲面加工编程功能)等先进版。 采用APT语言编制数控程序具有程序简炼，走刀控制灵活等优点，使数控加工编程从面向机床指令的“汇编语言”级，上升到面向几何元素.APT仍有许多不便之处：采用语言定义零件几何形状，难以描述复杂的几何形状，缺乏几何直观性；缺少对零件形状、刀具运动轨迹的直观图形显示和刀具轨迹的验证手段；难以和CAD数据库和CAPP系统有效连接；不容易作到高度的自动化，集成化。

针对APT语言的缺点，1978年，法国达索飞机公司开始开发集三维设计、分析、NC加工一体化的系统，称为为CATIA。随后很快出现了象EUCLID，UGII，INTERGRAPH，Pro/Engineering，MasterCAM及NPU/GNCP等系统，这些系统都有效的解决了几何造型、零件几何形状的显示，交互设计、修改及刀具轨迹生成，走刀过程的仿真显示、验证等问题，推动了CAD和CAM向一体化方向发展。到了80年代，在CAD/CAM一体化概念的基础上，逐步形成了计算机集成制造系统（CIMS）及并行工程（CE）的概念。

目前，为了适应CIMS及CE发展的需要，数控编程系统正向集成化和智能化夫发展。 在集成化方面，以开发符合STEP（StandardfortheExchangeofProductModelData）标准的参数化特征造型系统为主，目前已进行了大量卓有成效的工作，是国内外开发的热点；在智能化方面，工作刚刚开始，还有待我们去努力。 2 NC刀具轨迹生成方法研究发展现状 数控编程的核心工作是生成刀具轨迹，然后将其离散成刀位点，经后置处理产生数控加工程序。

下面就刀具轨迹产生方法作一些介绍。 2.1基于点、线、面和体的NC刀轨生成方法 CAD技术从二维绘图起步，经历了三维线框、曲面和实体造型发展阶段，一直到现在的参数化特征造型。在二维绘图与三维线框阶段，数控加工主要以点、线为驱动对象，如孔加工，轮廓加工，平面区域加工等。这种加工要求操作人员的水平较高，交互复杂。

在曲面和实体造型发展阶段，出现了基于实体的加工。实体加工的加工对象是一个实体（一般为CSG和BREP混合表示的），它由一些基本体素经集合运算（并、交、差运算）而得。实体加工不仅可用于零件的粗加工和半精加工，大面积切削掉余量，提高加工效率，而且可用于基于特征的数控编程系统的研究与开发，是特征加工的基础。 实体加工一般有实体轮廓加工和实体区域加工两种。

实体加工的实现方法为层切法（SLICE），即用一组水平面去切被加工实体，然后对得到的交线产生等距线作为走刀轨迹。本文从系统需要角度出发，在ACIS几何造型平台上实现了这种基于点、线、面和实体的数控加工。 2.2基于特征的NC刀轨生成方法 参数化特征造型已有了一定的发展时期，但基于特征的刀具轨迹生成方法的研究才刚刚开始。特征加工使数控编程人员不在对那些低层次的几何信息（如：点、线、面、实体）进行操作，而转变为直接对符合工程技术人员习惯的特征进行数控编程，大大提高了编程效率。

W.R.Mail和A.J.Mcleod在他们的研究中给出了一个基于特征的NC代码生成子系统，这个系统的工作原理是：零件的每个加工过程都可以看成对组成该零件的形状特征组进行加工的总和。那么对整个形状特征或形状特征组分别加工后即完成了零件的加工。而每一形状特征或形状特征组的NC代码可自动生成。

目前开发的系统只适用于2.5D零件的加工。 LeeandChang开发了一种用虚拟边界的方法自动产生凸自由曲面特征刀具轨迹的系统。这个系统的工作原理是：在凸自由曲面内嵌入一个最小的长方块，这样凸自由曲面特征就被转换成一个凹特征。

最小的长方块与最终产品模型的合并就构成了被称为虚拟模型的一种间接产品模型。刀具轨迹的生成方法分成三步完成：（1）、切削多面体特征；（2）、切削自由曲面特征；（3）、切削相交特征。 JongYunJung研究了基于特征的非切削刀具轨迹生成问题。文章把基于特征的加工轨迹分成轮廓加工和内区域加工两类，并定义了这两类加工的切削方向，通过减少切削刀具轨迹达到整体优化刀具轨迹的目的。

文章主要针对几种基本特征（孔、内凹、台阶、槽），讨论了这些基本特征的典型走刀路径、刀具选择和加工顺序等，并通过IP（InterProgramming）技术避免重复走刀，以优化非切削刀具轨迹。另外，JongYunJong还在他1991年的博士论文中研究了制造特征提取和基于特征的刀具及刀具路径。 特征加工的基础是实体加工，当然也可认为是更高级的实体加工。

但特征加工不同于实体加工，实体加工有它自身的局限性。特征加工与实体加工主要有以下几点不同： 从概念上讲，特征是组成零件的功能要素，符合工程技术人员的操作习惯，为工程技术人员所熟知；实体是低层的几何对象，是经过一系列布尔运算而得到的一个几何体，不带有任何功能语义信息；实体加工往往是对整个零件（实体）的一次性加工。但实际上一个零件不太可能仅用一把刀一次加工完，往往要经过粗加工、半精加工、精加工等一系列工步，零件不同的部位一般要用不同的刀具进行加工；有时一个零件既要用到车削，也要用到铣削。因此实体加工主要用于零件的粗加工及半精加工。

而特征加工则从本质上解决了上述问题；特征加工具有更多的智能。对于特定的特征可规定某几种固定的加工方法，特别是那些已在STEP标准规定的特征更是如此。如果我们对所有的标准特征都制定了特定的加工方法，那么对那些由标准特征够成的零件的加工其方便性就可想而知了。

倘若CAPP系统能提供相应的工艺特征，那么NCP系统就可以大大减少交互输入，具有更多的智能。而这些实体加工是无法实现的； 特征加工有利于实现从CAD、CAPP、NCP及CNC系统的全面集成�。