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数控加工技术
数控加工技术
1 数控编程及其进展
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进展作一些介绍。
数控编程的差不多概念
数控编程是从零件图纸到获得数控加工程序的全过程。
它的要紧任务是运算加工走刀中的刀位点〔cutter location point简称CL点〕。
刀位点一样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。
数控编程技术的进展概况
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〔Automatically Programmed Tool〕。
其后，APT几经进展，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〕、APT-AC〔Advanced contouring〕（增加切削数据库治理系统）和APT-/SS〔Sculptured Surface〕（增加雕塑曲面加工编程功能）等先进版。
采纳APT语言编制数控程序具有程序简炼，走刀操纵灵活等优点，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：
采纳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。
随后专门快显现了象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向一体化方向进展。
到了80年代，在CAD/CAM一体化概念的基础上，逐步形成了运算机集成制造系统〔CIMS〕及并行工程〔CE〕的概念。
目前，为了适应CIMS及CE进展的需要，数控编程系统正向集成化和智能化方向进展。
在集成化方面，以开发符合STEP〔Standard for the Exchange of Product Model Data〕标准的参数化特点造型系统为主，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进展现状
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。
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、曲面和实体造型进展时期，一直到现在的参数化特点造型。
在二维绘图与三维线框时期，数控加工要紧以点、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。
在曲面和实体造型进展时期，显现了基于实体的加工。
实体加工的加工对象是一个实体〔一样为CSG和B-REP混合表示的〕，它由一些差不多体素经集合运算〔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，而且可用于基于特点的数控编程系统的研究与开发，是特点加工的基础。
实体加工一样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动身，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。
基于特点的NC刀轨生成方法
参数化特点造型已有了一定的进展时期，但基于特点的刀具轨迹生成方法的研究才刚刚开始。
特点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，而转变为直截了当对符合工程技术人员适应的特点进行数控编程，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点的NC代码生成子系统，那个系统的工作原理是：
零件的每个加工过程都能够看成对组成该零件的形状特点组进行加工的总和。
那么对整个形状特点或形状特点组分别加工后即完成了零件的加工。
而每一形状特点或形状特点组的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。
Lee and Chang开发了一种用虚拟边界的方法自动产生凸自由曲面特点刀具轨迹的系统。
那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，如此凸自由曲面特点就被转换成一个凹特点。
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〕、切削多面体特点；〔2〕、切削自由曲面特点；〔3〕、切削相交特点。
Jong-Yun Jung研究了基于特点的非切削刀具轨迹生成问题。
文章把基于特点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。
文章要紧针对几种差不多特点〔孔、内凹、台阶、槽〕，讨论了这些差不多特点的典型走刀路径、刀具选择和加工顺序等，并通过IP〔Inter Programming〕技术幸免重复走刀，以优化非切削刀具轨迹。
另外，Jong-Yun Jong还在他1991年的博士论文中研究了制造特点提取和基于特点的刀具及刀具路径。
特点加工的基础是实体加工，因此也可认为是更高级的实体加工。
但特点加工不同于实体加工，实体加工有它自身的局限性。
特点加工与实体加工要紧有以下几点不同：
从概念上讲，特点是组成零件的功能要素，符合工程技术人员的操作适应，为工程技术人员所熟知；实体是低层的几何对象，是通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，往往要通过粗加工、半精加工、精加工等一系列工步，零件不同的部位一样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。
因此实体加工要紧用于零件的粗加工及半精加工。
而特点加工那么从本质上解决了上述问题；特点加工具有更多的智能。
关于特定的特点可规定某几种固定的加工方法，专门是那些已在STEP标准规定的特点更是如此。
假如我们对所有的标准特点都制定了特定的加工方法，那么对那些由标准特点够成的零件的加工其方便性就可想而知了。
倘假设CAPP系统能提供相应的工艺特点，那么NCP系统就能够大大减少交互输入，具有更多的智能。
而这些实体加工是无法实现的；特点加工有利于实现从CAD、CAPP、NCP及CNC系统的全面集成，实现信息的双向流淌，为CIMS乃至并行工程〔CE〕奠定良好的基础；而实体加工对这些是无能为力的。
现役几个要紧CAD/CAM系统中的NC刀轨生成方法分析
现役CAM的构成及要紧功能
目前比较成熟的CAM系统要紧以两种形式实现CAD/CAM系统集成：
一体化的CAD/CAM系统〔如：
UGII、Euclid、Pro/ENGINEER等〕和相对独立的CAM系统〔如：
Mastercam、Surfcam等〕。
前者以内部统一的数据格式直截了当从CAD系统猎取产品几何模型，而后者要紧通过中性文件从其它CAD系统猎取产品几何模型。
然而，不管是哪种形式的CAM系统，都由五个模块组成，即交互工艺参数输入模块、刀具轨迹生成模块、刀具轨迹编辑模块、三维加工动态仿真模块和后置处理模块。
下面仅就一些闻名的CAD/CAM系统的NC加工方法进行讨论。
UGII加工方法分析
一样认为UGII是业界中最好，最具代表性的数控软件。
其最具特点的是其功能强大的刀具轨迹生成方法。
包括车削、铣削、线切割等完善的加工方法。
其中铣削要紧有以下功能：
Point to Point：
完成各种孔加工；
Panar Mill：
平面铣削。
包括单向行切，双向行切，环切以及轮廓加工等；
Fixed Contour：
固定多轴投影加工。
用投影方法操纵刀具在单张曲面上或多张曲面上的移动，操纵刀具移动的能够是已生成的刀具轨迹，一系列点或一组曲线；
Variable Contour：
可变轴投影加工；
Parameter line：
等参数线加工。
可对单张曲面或多张曲面连续加工；
Zig-Zag Surface：
裁剪面加工；
Rough to Depth：
粗加工。
将毛坯粗加工到指定深度；
Cavity Mill：
多级深度型腔加工。
专门适用于凸模和凹模的粗加工；
Sequential Surface：
曲面交加工。
按照零件面、导动面和检查面的思路对刀具的移动提供最大程度的操纵。
EDS Unigraphics还包括大量的其它方面的功能，那个地点就不一一列举了。
STRATA加工方法分析
STRATA是一个数控编程系统开发环境，它是建立在ACIS几何建模平台上的。
它为用户提供两种编程开发环境，即NC命令语言接口和NC操作C++类库。
它可支持三轴铣削，车削和线切割NC加工，并可支持线框、曲面和实体几何建模。
其NC刀具轨迹生成方法是基于实体模型。
STRATA基于实体的NC刀具轨迹生成类库提供的加工方法包括：
Profile Toolpath：
轮廓加工；
AreaClear Toolpath：
平面区域加工；
SolidProfile Toolpath：
实体轮廓加工；
SolidAreaClear Toolpath：
实体平面区域加工；
SolidFace ToolPath：
实体表面加工；
SolidSlice ToolPath：
实体截平面加工；
Language-based Toolpath：
基于语言的刀具轨迹生成。
其它的CAD/CAM软件，如Euclid, Cimitron, CV,CATIA等的NC功能各有千秋，但其差不多内容大同小异，没有本质区别。
现役CAM系统刀轨生成方法的要紧问题
按照传统的CAD/CAM系统和CNC系统的工作方式，CAM系统以直截了当或间接〔通过中性文件〕的方式从CAD系统猎取产品的几何数据模型。
CAM系统以三维几何模型中的点、线、面、或实体为驱动对象，生成加工刀具轨迹，并以刀具定位文件的形式经后置处理，以NC代码的形式提供给CNC机床，在整个CAD /CAM及CNC系统的运行过程中存在以下几方面的问题：
CAM系统只能从CAD系统猎取产品的低层几何信息，无法自动捕捉产品的几何形状信息和产品高层的功能和语义信息。
因此，整个CAM过程必须在体会丰富的制造工程师的参与下，通过图形交互来完成。
如：
制造工程师必须选择加工对象〔点、线、面或实体〕、约束条件〔装夹、干涉和碰撞等〕、刀具、加工参数〔切削方向、切深、进给量、进给速度等〕。
整个系统的自动化程度较低。
在CAM系统生成的刀具轨迹中，同样也只包含低层的几何信息〔直线和圆弧的几何定位信息〕，以及少量的过程操纵信息〔如进给率、主轴转速、换刀等〕。
因此，下游的CNC系统既无法猎取更高层的设计要求〔如公差、表面光洁度等〕，也无法得到与生成刀具轨迹有关的加工工艺参数。
CAM系统各个模块之间的产品数据不统一，各模块相对独立。
例如刀具定位文件只记录刀具轨迹而不记录相应的加工工艺参数，三维动态仿真只记录刀具轨迹的干涉与碰撞，而不记录与其发生干涉和碰撞的加工对象及相关的加工工艺参数。
CAM系统是一个独立的系统。
CAD系统与CAM系统之间没有统一的产品数据模型，即使是在一体化的集成CAD/CAM系统中，信息的共享也只是单向的和单一的。
CAM系统不能充分明白得和利用CAD系统有关产品的全部信息，专门是与加工有关的特点信息，同样CAD系统也无法猎取CAM系统产生的加工数据信息。
这就给并行工程的实施带来了困难。
3 数控仿真技术
运算机仿确实概念及应用
从工程的角度来看，仿真确实是通过对系统模型的实验去研究一个已有的或设计中的系统。
分析复杂的动态对象，仿真是一种有效的方法，能够减少风险，缩短设计和制造的周期，并节约投资。
运算机仿真确实是借助运算机，利用系统模型对实际系统进行实验研究的过程。
它随着运算机技术的进展而迅速地进展，在仿真中占有越来越重要的地位。
运算机仿确实过程可通过要素间的三个差不多活动来描述：
建模活动是通过对实际系统的观测或检测，在忽略次要因素及不可检测变量的基础上，用物理或数学的方法进行描述，从而获得实际系统的简化近似模型。
那个地点的模型同实际系统的功能与参数之间应具有相似性和对应性。
仿真模型是对系统的数学模型〔简化模型〕进行一定的算法处理，使其成为合适的形式〔如将数值积分变为迭代运算模型〕之后，成为能被运算机同意的〝可运算模型〞。
仿真模型对实际系统来讲是一个二次简化的模型。
仿真实验是指将系统的仿真模型在运算机上运行的过程。
仿真是通过实验来研究实际系统的一种技术，通过仿真技术能够弄清系统内在结构变量和环境条件的阻碍。
运算机仿真技术的进展趋势要紧表现在两个方面：
应用领域的扩大和仿真运算机的智能化。
运算机仿真技术不仅在传统的工程技术领域〔航空、航天、化工等方面〕连续进展，而且扩大到社会经济、生物等许多非工程领域，此外，并行处理、人工智能、知识库和专家系统等技术的进展正阻碍着仿真运算机的进展。
数控加工仿真利用运算机来模拟实际的加工过程，是验证数控加工程序的可靠性和推测切削过程的有力工具，以减少工件的试切，提高生产效率。
数控仿真技术的研究现状
数控机床加工零件是靠数控指令程序操纵完成的。
为确保数控程序的正确性，防止加工过程中干涉和碰撞的发生，在实际生产中，常采纳试切的方法进行检验。
但这种方法费工费料，代价昂贵，使生产成本上升，增加了产品加工时刻和生产周期。
后来又采纳轨迹显示法，即以划针或笔代替刀具，以着色板或纸代替工件来仿真刀具运动轨迹的二维图形〔也能够显示二维半的加工轨迹〕，有相当大的局限性。
关于工件的三维和多维加工，也有用易切削的材料代替工件〔如，石蜡、木料、改性树脂和塑料等〕来检验加工的切削轨迹。
然而，试切要占用数控机床和加工现场。
为此，人们一直在研究能逐步代替试切的运算机仿真方法，并在试切环境的模型化、仿真运算和图形显示等方面取得了重要的进展，目前正向提高模型的精确度、仿真运算实时化和改善图形显示的真实感等方向进展。
从试切环境的模型特点来看，目前NC切削过程仿真分几何仿真和力学仿真两个方面。
几何仿真不考虑切削参数、切削力及其它物理因素的阻碍，只仿真刀具-工件几何体的运动，以验证NC程序的正确性。
它能够减少或排除因程序错误而导致的机床损害、夹具破坏或刀具折断、零件报废等问题；同时能够减少从产品设计到制造的时刻，降低生产成本。
切削过程的力学仿真属于物理仿真范畴，它通过仿真切削过程的动态力学特性来推测刀具破旧、刀具振动、操纵切削参数，从而达到优化切削过程的目的。
几何仿真技术的进展是随着几何建模技术的进展而进展的，包括定性图形显示和定量干涉验证两方面。
目前常用的方法有直截了当实体造型法，基于图像空间的方法和离散矢量求交法。
直截了当实体造型法
这种方法是指工件体与刀具运动所形成的包络体进行实体布尔差运算，工件体的三维模型随着切削过程被不断更新。
Sungurtekin和Velcker开发了一个铣床的模拟系统。
该系统采纳CSG法来记录毛坯的三维模型，利用一些差不多图元如长方体、圆柱体、圆锥体等，和集合运算，专门是并运算，将毛坯和一系列刀具扫描过的区域记录下来，然后应用集合差运算从毛坯中顺序除去扫描过的区域。
所谓被扫过的区域是指切削刀具沿某一轨迹运动时所走过的区域。
在扫描了每段NC代码后显示变化了的毛坯形状。
Kawashima等的接合树法将毛坯和切削区域用接合树〔graftree〕表示，即除了空和满两种结点，边界结点也作为八叉树〔oct-tree〕的叶结点，接合树的数据结构如图2。
边界结点包含半空间，结点物体利用在这些半空间上的CSG操作来表示。
接合树细分的层次由边界结点承诺的半空间个数决定。
逐步的切削仿真利用毛坯和切削区域的差运算来实现。
毛坯的显示采纳了深度缓冲区算法，将毛坯划分为多边形实现毛坯的可视化。
用基于实体造型的方法实现连续更新的毛坯的实时可视化，耗时太长，因此一些基于观看的方法被提出来。
基于图像空间的方法
这种方法用图像空间的消隐算法来实现实体布尔运算。
Van Hook采纳图象空间离散法实现了加工过程的动态图形仿真。
他使用类似图形消隐的z_buffer思想，沿视线方向将毛坯和刀具离散，在每个屏幕象素上毛坯和刀具表示为沿z轴的一个长方体，称为Dexel结构。
刀具切削毛坯的过程简化为沿视线方向上的一维布尔运算，切削过程就变成两者Dexel结构的比较：
CASE 1：
只有毛坯，显示毛坯，break；
CASE 2：
毛坯完全在刀具之后，显示刀具，break；
CASE 3：
刀具切削毛坯前部，更新毛坯的dexel结构，显示刀具，break；
CASE 4：
刀具切削毛坯内部，删除毛坯的dexel结构，显示刀具，break；
CASE 5：
刀具切削毛坯内部，创建新的毛坯dexel结构，显示毛坯，break；
CASE 6：
刀具切削毛坯后部，更新毛坯的dexel结构，显示毛坯，break；
CASE 7：
刀具完全在毛坯之后，显示毛坯，break；
CASE 8：
只有刀具，显示刀具，break。
这种方法将实体布尔运算和图形显示过程合为一体，使仿真图形显示有专门好的实时性。
Hsu和Yang提出了一种有效的三轴铣削的实时仿真方法。
他们使用z_map作为差不多数据结构，记录一个二维网格的每个方块处的毛坯高度，即z向值。
这种数据结构只适用于刀轴z向的三轴铣削仿真。
对每个铣削操作通过改变刀具运动每一点的深度值，专门容易更新z_map值，并更新工件的图形显示。
离散矢量求交法
由于现有的实体造型技术未涉及公差和曲面的偏置表示，而像素空间布尔运算并不精确，使仿真验证有专门大的局限性。
为此Chappel提出了一种基于曲面技术的〝点-矢量〞（point-vector）法。
这种方法将曲面按一定精度离散，用这些离散点来表示该曲面。
以每个离散点的法矢为该点的矢量方向，延长与工件的外表面相交。
通过仿真刀具的切削过程，运算各个离散点沿法矢到刀具的距离s。
设sg和sm分别为曲面加工的内、外偏差，假如sgsm那么漏切。
该方法分为被切削曲面的离散（discretization）、检测点的定位〔location〕和离散点矢量与工件实体的求交（intersection）三个过程。
采纳图像映射的方法显示加工误差图形；零件表面的加工误差能够精确地描写出来。
总体来说，基于实体造型的方法中几何模型的表达与实际加工过程相一致，使得仿确实最终结果与设计产品间的精确比较成为可能；但实体造型的技术要求高，运算量大，在目前的运算机有用环境下较难应用于实时检测和动态模拟。
基于图像空间的方法速度快得多，能够实现实时仿真，但由于原始数据都已转化为像素值，不易进行精确的检测。
离散矢量求交法基于零件的表面处理，能精确描述零件面的加工误差，要紧用于曲面加工的误差检测。
数字操纵机床是用数字代码形式的信息（程序指令），操纵刀具按给定的工作程序、运动速度和轨迹进行自动加工的机床，简称数控机床。
数控机床具有广泛的适应性，加工对象改变时只需要改变输入的程序指令；加工性能比一样自动机床高，能够精确加工复杂型面，因而适合于加工中小批量、改型频繁、精度要求高、形状又较复杂的工件，并能获得良好的经济成效。
随着数控技术的进展，采纳数控系统的机床品种日益增多，有车床、铣床、镗床、钻床、磨床、齿轮加工机床和电火花加工机床等。
此外还有能自动换刀、一次装卡进行多工序加工的加工中心、车削中心等。
1948年，美国帕森斯公司同意美国空军托付，研制飞机螺旋桨叶片轮廓样板的加工设备。
由于样板形状复杂多样，精度要求高，一样加工设备难以适应，因此提出运算机操纵机床的设想。
1949年，该公司在美国麻省理工学院伺服机构研究室的协助下，开始数控机床研究，并于1952年试制成功第一台由大型立式仿形铣床改装而成的三坐标数控铣床，不久即开始正式生产。
当时的数控装置采纳电子管元件，体积庞大，价格昂贵，只在航空工业等少数有专门需要的部门用来加工复杂型面零件；1959年，制成了晶体管元件和印刷电路板，使数控装置进入了第二代，体积缩小，成本有所下降；1960年以后，较为简单和经济的点位操纵数控钻床，和直线操纵数控铣床得到较快进展，使数控机床在机械制造业各部门逐步获得推广。
1965年，显现了第三代的集成电路数控装置，不仅体积小，功率消耗少，且可靠性提高，价格进一步下降，促进了数控机床品种和产量的进展。
60年代末，先后显现了由一台运算机直截了当操纵多台机床的直截了当数控系统（简称DNC），又称群控系统；采纳小型运算机操纵的运算机数控系统（简称CNC）,使数控装置进入了以小型运算机化为特点的第四代。
1974年，研制成功使用微处理器和半导体存贮器的微型运算机数控装置（简称MNC），这是第五代数控系统。
第五代与第三代相比，数控装置的功能扩大了一倍，而体积那么缩小为原先的1/20，价格降低了3/4，可靠性也得到极大的提高。
80年代初，随着运算机软、硬件技术的进展，显现了能进行人机对话式自动编制程序的数控装置；数控装置愈趋小型化，能够直截了当安装在机床上；数控机床的自动化程度进一步提高，具有自动监控刀具破旧和自动检测工件等功能。
数控机床要紧由数控装置、伺服机构和机床主体组成。
输入数控装置的程序指令记录在信息载体上，由程序读入装置接收，或由数控装置的键盘直截了当手动输入。
数控装置包括程序读入装置和由电子线路组成的输入部分、运算部分、操纵部分和输出部分等。
数控装置按所能实现的操纵功能分为点位操纵、直线操纵、连续轨迹操纵三类。
点位操纵是只操纵刀具或工作台从一点移至另一点的准确定位，然后进行定点加工，而点与点之间的路径不需操纵。
采纳这类操纵的有数控钻床、数控镗床和数控坐标镗床等。
直线操纵是除操纵直线轨迹的起点和终点的准确定位外，还要操纵在这两点之间以指定的进给速度进行直线切削。
采纳这类操纵的有平面铣削用的数控铣床，以及阶梯轴车削和磨削用的数控车床和数控磨床等。
连续轨迹操纵（或称轮廓操纵）能够连续操纵两个或两个以上坐标方向的联合运动。
为了使刀具按规定的轨迹加工工件的曲线轮廓，数控装置具有插补运算的功能，使刀具的运动轨迹以最小的误差靠近规定的轮廓曲线，并和谐各坐标方向的运动速度，以便在切削过程中始终保持规定的进给速度。
采纳这类操纵的有能加工曲面用的数控铣床、数控车床、数控磨床和加工中心等。
伺服机构分为开环、半闭环和闭环三种类型。
开环伺服机构是由步进电机驱动线路，和步进电机组成。
每一脉冲信号使步进电机转动一定的角度，通过滚珠丝杠推动工作台移动一定的距离。
这种伺服机构比较简单，工作稳固，容易把握使用，但精度和速度的提高受到限制。
半闭环伺服机构是由比较线路、伺服放大线路、伺服马达、速度检测器和位置检测器组成。
位置检测器装在丝杠或伺服马达的端部，利用丝杠的回转角度间接测出工作台的位置。
常用的伺服马达有宽调速直流电动机、宽调速交流电动机和电液伺服马达。
位置检测器有旋转变压器、光电式脉冲发生器和圆光栅等。
这种伺服机构所能达到的精度、速度和动态特性优于开环伺服机构，为大多数中小
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