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第一章概述第一章概述第一节数控技术的现状及发展趋势第二节高速加工技术的现状及发展趋势第三节五轴数控加工技术的现状及发展趋势第一节数控技术的现状及发展趋势一、数控技术的基本概念和特点数控技术是指用数字或数字代码的形式来实现控制的一门技术，简称NC（NumericalControl）。1.加工精度高2.生产效率高3.适应范围广4.劳动强度低5.有利于生产管理二、数控技术的发展从1952年美国麻省理工学院研制出第一台试验性数控系统开始，数控技术已走过了五十多年历程。三、数控设备的发展第一节数控技术的现状及发展趋势1.数控机床的产生2.数控设备的发展1)高速化。2)高精度化。3)复合加工、新结构机床大量出现，如五轴五面体复合加工机床，五轴五联动加工各类异形零件。4)使用各种高效特殊功能的刀具使数控机床“如虎添翼”。5)数控机床的开放性和联网管理已是使用数控机床的基本要求，它不仅是提高数控机床开动率、生产率的必要手段，而且是企业合理化、最佳化利用这些制造手段的方法。四、数控技术的现状1.开放式系统结构第一节数控技术的现状及发展趋势(1)CNC+PC主板把一块PC主板插入传统的CNC机器中，PC主板主要运行程序实时控制，CNC主要运行以坐标轴运动为主的实时控制。(2)PC+运动控制板把运动控制板插入PC机的标准插槽中作实时控制用，而PC机主要作非实时控制。2.软件伺服驱动技术1)无温漂，稳定性好。2)基于数值计算，精度高。3)通过参数设定，调整减少。4)容易做成ASIC电路。1)电动机容量、最高转速、环境条件受到限制。2)换向器、电刷维护不方便。第一节数控技术的现状及发展趋势3.CNC系统的联网(1)工厂管理级一般由Internet网组成。(2)车间单元控制级一般由DNC功能进行控制。(3)现场设备级现场设备级与车间单元控制级及信息集成系统主要完成底层设备的运行控制、I/O控制、连线控制、通信联网、在线设备状态监测及现场设备生产、运行数据的采集、存储、统计等功能，保证现场设备高质量完成生产任务，并将现场设备生产运行数据信息传送到工厂管理层，向工厂管理层提供数据；同时，也可接受工厂管理层下达的生产管理及调度命令并执行之。4.功能不断发展和扩大(1)开放性系统可通过光纤与PC机连接，采用Window兼容软件和开发环境。第一节数控技术的现状及发展趋势(2)高速高精加工的智能控制功能系统可预算出多程序段刀具轨迹，并进行预处理。(3)高级复杂的功能15i/150i系统既可进行各种数学的插补，如直线、圆弧、螺旋线、渐开线、螺旋渐开线、样条等插补，也可以进行NURBS插补。(4)强大的联网通信功能1)工厂干线或控制层通信网络。2)设备层通信网络。3)通过RS-485接口传送I/O信号。(5)高速的内装PMC(有的厂商称为PLC)1)梯形图和顺序程序由专用的PMC处理器控制，这种结构可进行快速大规模顺序控制。第一节数控技术的现状及发展趋势2)基本PMC指令执行时间为0.085ps，最大步数为32000步。3)可以用C语言编程。4)可在PC机上进行程序开发。(6)先进的操作性和维修性1)具有触摸面板，容易操作。2)可采用存储卡改变输入输出。五、数控技术的发展趋势1.高精度2.高速度3.柔性化4.智能化5.网络化第二节高速加工技术的现状及发展趋势一、高速加工的基本概念根据1992年国际生产工程研究会（CIRP）年会主题报告的定义，高速切削通常指切削速度超过传统切削速度5~10倍的切削加工。图1-1高速机床CNC控制技术第二节高速加工技术的现状及发展趋势1)速度快、稳定性高的控制系统。2)精确的刀具路径编程。3)高速、高刚性、同轴度高的刀具系统。4)快速、精准的装夹系统。(1)加工效率高采用高速切削技术能使整体加工效率提高几倍乃至几十倍，这将使加工成本相应降低。(2)加工精度高高速切削具有较高的材料去除率并能相应减小切削力。(3)表面质量好高速切削时的切削力变化幅度小，与主轴转速有关的激振频率也远远高于切削工艺系统的高阶固有频率，因此切削振动对加工质量的影响很小。第二节高速加工技术的现状及发展趋势(4)加工能耗低且节省制造资源高速切削时，单位功率所切削的材料体积显著增加。(5)可以加工各种难加工材料例如，航空和动力部门大量采用的镍基合金和钛合金，这类材料强度大、硬度高、耐冲击，加工中容易硬化，切削温度高，刀具磨损严重，因此在普通加工中一般采用很低的切削速度。图1-2萨洛蒙(Salomon)曲线a)切削温度与切削速度的关系b)切削力与切削速度的关系第二节高速加工技术的现状及发展趋势二、高速加工技术的发展过程1931年德国工程师卡尔·萨洛蒙（CarlSalomon）博士首次提出了有关高速切削的概念。图1-3萨洛蒙对各种金属“切削速度与切削温度关系”的实验曲线和推论曲线第二节高速加工技术的现状及发展趋势1)机床的大小和类型。2)可提供的切削动力。3)使用的切削刀具。4)被切削的材料。5)切削速度、进给速度和切削深度。1)机床、刀具和工件的刚度。2)机床所能够变化的速度范围。3)可变化的切削条件，如切削深度、冷却方式等。4)切削刀具材料。5)所切削材料的种类及其物理特性。6)刀具形状和几何角度。第二节高速加工技术的现状及发展趋势7)对切削的一些其他特殊要求，包括切削速度、刀具寿命、表面粗糙度、切削功在残余应力和热方面的影响等。(1)在高速切削方面的结论在超高速条件下，高强度材料可以切削，切削速度可高达73000m/min；高速钢刀具可在这一速度下切削高强度材料；加工合金材料的脆性失效现象高速下并没有发生；高速下实验结果和通常的加工曲线计算的结果不一样；超高速切削可提高工件的表面质量；高速切削的金属加工切除率可高达普通切削的240倍。第二节高速加工技术的现状及发展趋势(2)在刀具磨损方面的结论在切削速度为500m/min的条件下切削经过热处理的材料时，刀具的磨损最小；切削速度的变化对退火钢的加工影响不大；切削速度从9144m/min增加到45700m/min时，每切除单位金属，刀具磨损量会下降75％~95％；切削铝合金的速度达到35500m/min时，没有测量到刀具磨损；刀具的磨损形式和加工的材料以及材料的热处理方法有关。(3)在切削力方面的结论水平力和垂直力虽然比理论值大，但是仍在可控制的范围内；在大多数情况下，垂直力比水平力大，这和理论分析的结果相反；峰值切削力只增加了33％~70％，而不是预计的500％，而且使用的平均力还会减小；在高速切削下，剪切角增加而导致剪切力减小。三、高速加工技术的研究现状第二节高速加工技术的现状及发展趋势由于高强度、高熔点刀具材料和超高速主轴的研制成功，直线电动机伺服驱动系统的应用以及高速机床其他配套技术的日益完善，为高速切削技术的普及应用创造了良好的条件。表1-1几种典型的高速加工中心主要参数四、高速加工技术的发展趋势对于高速切削技术的未来发展，高速加工领域非常著名的美国肯纳金属公司（Kennametal）在对过去10年的发展总结的基础上，对未来的技术发展作了以下预测：第二节高速加工技术的现状及发展趋势1.机床结构的变化2.提高机床进给速度的同时保持机床精度3.快换主轴4.高、低速度的主轴共存5.改善轴承技术6.改进刀具和主轴的接触条件7.更好的动平衡技术8.高速冷却系统第三节五轴数控加工技术的现状及发展趋势一、多轴加工的基本概念和过程1.多轴加工的基本概念2.多轴加工的特点和过程图1-4三轴加工的情况第三节五轴数控加工技术的现状及发展趋势图1-5多轴加工的情况(1)零件的三维CAD设计绝大多数的多轴加工零件都需要用CAM第三节五轴数控加工技术的现状及发展趋势来自动编程，而要用CAM编程的前提是要有三维零件模型。(2)自动编程(3)程序调入机床在计算机上做好NC程序后，通过USB口，或者通信串口，或者网络接口把程序输入机床系统。(4)毛坯装夹到机床如果是单件加工，可以用普通的压板和螺栓固定，工件的方位靠打表来校准；如果是批量加工，最好先做专用夹具，这样可以节省装夹时间，提高产品的一致性。(5)建立工件坐标系多轴机床工件坐标系的原点一般都设置在回转轴线的交点上，有时也可以建立在工作台面甚至夹具上的某个特殊点。第三节五轴数控加工技术的现状及发展趋势(6)设置机床参数普通的机床参数的设置跟三轴的一样，但有了旋转轴，机床上有关旋转轴的参数必须设置，比如旋转轴的正转反转、角度值的意义，特别是有摆轴的摆长设置等。(7)刀具装入刀库许多加工都会用到多把刀具，对于多轴的加工中心，必须把程序中用到的所有刀具按顺序装入刀库，这样就可以一次装夹完成所有工序，加工出合格的零件。(8)自动加工在正式加工前，最好用易加工的材料如木头或塑料作为毛坯，检查加工轨迹是否正确，整个程序是否合理等。二、四轴联动加工的特点四轴联动机床，就是在三个线性坐标轴（X，Y，Z）的基础上增加一个旋转轴或者摆动轴，有两种基本机床结构，如下所述。第三节五轴数控加工技术的现状及发展趋势(1)摆头结构主轴装在摆头上，摆头可以摆动一定的角度，并且可以和三个线性轴联动。(2)旋转工作台结构在XY平面工作台上再增加一个旋转工作台，工件安装在旋转工作台上并可随工作台旋转任意角度。三、五轴联动加工的特点五轴联动机床，就是在三个线性坐标轴（X，Y，Z）的基础上再增加两个旋转坐标轴，有三种基本机床结构。(1)双转台结构五轴联动机床两个旋转轴均属转台类，B轴旋转平面为YZ平面，C轴旋转平面为XY平面。第三节五轴数控加工技术的现状及发展趋势图1-6双转台五轴机床五个坐标轴之间的关系第三节五轴数控加工技术的现状及发展趋势图1-7双转台五轴机床加工整体小叶轮(2)单转台单摆头五轴联动机床旋转轴B为摆头，第三节五轴数控加工技术的现状及发展趋势旋转平面为ZX平面；旋转轴C为转台，旋转平面为XY平面。图1-8单转台单摆头五轴机床五个坐标轴之间的关系第三节五轴数控加工技术的现状及发展趋势图1-9单转台单摆头五轴机床加工维纳斯雕像(3)双摆头五轴联动机床两个旋转轴均属摆头类，第三节五轴数控加工技术的现状及发展趋势B轴旋转平面为ZX平面，C轴旋转平面为XY平面。图1-10双摆头五轴机床五个坐标轴之间的关系第三节五轴数控加工技术的现状及发展趋势图1-11双摆头五轴机床球面刻字加工四、五轴加工技术的应用现状第三节五轴数控加工技术的现状及发展趋势五轴加工技术首先是应用在具有复杂曲面的零件加工上，特别在解决叶轮、叶片、船用螺旋桨、大型柴油机曲轴等方面具有独特的优势。五、五轴加工技术的发展与未来现在五轴加工中心逐渐成为机械加工业中最主要的设备，它加工范围广，使用量大，近年来在品种、性能、功能方面有很大的发展。