STEP—NC新型的数控系统.doc

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1、摘 要数控机床是现代加工车间最重要的装备.本文概述数控机床控制器的发展趋势.随着信息技术(1T)和制造技术(MT)的发展，出现了更多功能、更高性能的控制器，诸如多坐标、多系统(通道)的控制；具有高精、高速、5轴加工功能和复杂加工、数控复合机床、进网通信、高可靠性和安全性等功能.为了增加操作和使用系统的可操作性和可移植性，控制器开放已经成为潮流.数字制造要求数控系统建立在一个全新的信息技术基础结构之上，容易利用网络传递加工制造信息，进行CADCAM与CNC一体化的加工制造.这就出现了STEPNC新型的数控系统. 关键词：数控，发展趋势，功能，性能，开放性，STEPNC I目录第1章 CNC控制器

2、的性能进一步提高11.1 多坐标、多系统控制11. 2 高精、高速加工功能113 5轴加工和复杂加工功能314 数控复台功能315 进网通信功能416 高可靠性和安全性功能4第2章 控制器的开放6第3章 高速加工技术的应用和发展前景103.1高速电主轴103.2高速加工的要求123.3高速加工技术的应用和发展趋势13第4章 基于高速加工的效率与设备选型174.1高速加工的效率174.2高速加工设备选型18第5章 数控技术和装备发展趋势及对策265.1 数控技术的发展趋势275.3 对我国数控技术和产业化发展的战略思考345.3.2 发展策略34参考文献40 第1章 CNC控制器的性能进一步提高

3、第1章 CNC控制器的性能进一步提高数控机床是现代加工车间最重要的装备.它的发展是信息技术(1T)与制造技术(MT)结合发展的结果.最近20年来，信息技术的急剧发展大大激发和增加了制造系统的上层智能功能；下一个20年，智能将延伸到工厂的车间底层，控制器将具有更高性能和更多功能；由于控制器的柔性，单台机床将变得更加灵活和精巧；可以广泛地进行通信；方便地进行集成和重构；对过程进行测量，预示结果，诊断故障，避免事故；并按照科学的模式进行加工，达到最佳的生产效率.下面是一些关于控制器最新的发展情况.1.1 多坐标、多系统控制 比如FANUC最新的高档控制器11S30iMODEL A系统，最大控制系统数

4、为10个系统(通道)，最多轴数和最大主轴配置数为40轴，其中进给轴32轴，主轴为8轴，最大同时控制轴数为24轴系统.最大PMC系统为3个系统.最大IO点数为4096点4096点，PMC基本命令速度为25ns.最大可预读程序段：1000段.这是当前世界配置最高的数控系统.由于具有多轴多系统配置，因此特别适合大型自动机床，复合机床，多头机床等的需要.1. 2 高精、高速加工功能 这是CNC系统最重要的功能，由于有了这个功能，使制造技术(MT)大大地向前发展了.数控机床采用计算机控制，可以保证加工的零件具有很高的精度重复性.但为了得到一定的功能，输入控制器的信号要经过一系列处理，不可避免地要失真、延

5、时.因此在高速加工时，要保持高的加工精度就要采取一定的措施减少失真、延时.高精、高速的加工，除了机械设计和制造要保证能实现目标外，对CNC系统的要求主要是处理速度快、控制精度高.采用前馈控制，以补偿由于伺服滞后所产生的误差，提高加工精度.适当控制进给率和采用恰当的加减速曲线可以减少加减速滞后所产生的误差.“前瞻”控制在程序执行前对运动数据进行计算、处理和多段缓冲，从而控制刀具按高速运动，而且误差很小.对于机床平滑运行的高精度轮廓控制，采用对指令形式的实时识别，可以最佳地控制速度、加速度和加加速度，因而使加工总是保持在最佳状态.为了防止扰动，开发数字滤波器的技术，以消除机械的谐振，提高伺服系统的

6、位置增益.高精进给和主轴的伺服系统对高速、高精和高效十分重要.目前主要从以下几方面提高其性能.减少电机和驱动器以及控制单元的大小，提高编码器的分辨率；直线移动轴可以来用直线伺服电机驱动；减少机械传动链，提高刚度，提高精度.当主轴电机采用同步电机时，它非常适用于齿轮机床的系统，齿轮机床有时需要很低的主轴速度，但精度很高.比如，FANUC伺服电机的设计体积小，采用高增益控制，伺服电机是无齿槽效应的电机，带有16xlo脉冲转分辨率的编码器.伺服控制采用交流数字伺服控制，具有很高电流检测精度，采用相应的硬件，可以产生所谓“纳米控制”，也就是在系统检测分辨率为1岭m时，插补分辨率可以达到1nm；它使在C

7、NC内部的计算误差最小化，每次内部计算以纳米或更小的单位，大大提高了加工的质量.对于控制直线电机，设计数字滤波器以避免直接驱动机械带来的多点谐振特性，联合这些功能，机床刀具的运动就可以准确地按照着指令执行.对于加工具有自由曲面的模具，会在程序段之间出现条纹，为了解决这个问题，FANUC开发了“纳米平滑”功能，圆整CNC指令的公差，以“纳米”为单位评估原始曲线，并对其进行NURBS插补.这些性能满足了机床“高速高精”以及“低速高精”的要求.13 5轴加工和复杂加工功能 由于5轴加工工艺合理，相对于3维曲面加工，它可以充分利用刀具的最佳几何形状进行切削，在复杂形状的高速高精加工中可以提高效率，提高

8、光洁度.因此得到越来越广泛的应用.5轴加工的机械其配置主要有刀具旋转方式、工作台旋转方式和这两种的混合方式.因此5轴加工功能要能满足各种配置的要求.根据5轴加工的特点，把它们，比如TCP(刀具中心控制)，刀具半径补偿等功能，应用到不同机械配置的5轴加工机床.14 数控复台功能 为了提高生产率，数控复合加工机床的开发和制造已变成数控机床的一种发展趋势.复合加工机床是指在同一机械上可以进行多种工艺的加工，如在一台机床上可以进行车加工、铣加工、锤加工等，比如，一个圆柱体要进行圆柱表面的车削、锤子L、还要求在圆柱面上铣沟槽，这些加工都要求在同一台数控机床上完成.这样就能大大提高生产率.因此，对于数控复

9、合机床，百先需要增加可以用于进行复合加工功能的控制系统，比如铣床需要增加螺锥线功能、螺旋线功能、维圆弧功能、刀具中心点控制等，另外，刀具补偿功能也需要既有车加工又有铣加工的功能.除此以外，这种机床还经常需要高速加工.15 进网通信功能 为了通过PC或数控系统本身对多台机床进行集中监控和管理，系统需要通过网络进行通信.以便传递程序，监控加工状态.除此以外，网络功能还可以传送维修数据，对系统进行远程控制、操作和诊断；传送CADCAM数据.CNC具有现场通信网络功能，就可以在CNC与伺服装置之间，CNC与Io控制之间传递控制、监控和诊断数据.目前主要采用以太网以及现场总线.随着技术的发展，应用无线技

10、术也已经出现.无线技术可以使信息到达几乎是任何地方.16 高可靠性和安全性功能 CNC系统与数控机床一起，工作在底层车间，经受恶劣的环境，如：温度，湿度，振动，油雾，粉尘的影响，同时又要求连续工作；因此对可靠性要求特别高，除了可靠性设计、制造工艺等措施外，现代数控系统的可靠性主要采取以下措施：采用光纤，减少电缆连接，比如FANUC的数控系统通过光纤连接CNC和伺服放大器，以串行高速的方式从CNC到多个伺服放大器传递大量的数据.采用纠错码(ECC：EnorCorrecting Code)传送数据，随着软件高速处理大量数据，也要求对微处理器、存储器和LSI的处理速度大大提高.由于这些安装在CNC的

11、印刷板上的高速电子元器件进行高速读、写和传递数据时，由IC驱动的信号波形变为滞后，在这样的状况下，不采用模拟电路处理的方法时，导致不能正确地传递数字信号.另外，在最新电子元件低压供电时，降低了电路低抗噪音的运行范围.为此，CNC电路将采取更先进的纠错码传递数据.ECC是一种领前的高可靠性技术，通过把ECC加到数据上以传送各种不同型式的数据，使系统更可靠.采用双检安全(Dual Check Say)措施.“双检安全”与欧洲安全标准(EN9541)一致.它的原理是在CNC内嵌人多个处理器冗余地监控伺服电机和主轴电机以及与安全相关的I0信号并使用急停与相关的I0电路使系统安全地运行和停止.如下图所示

12、：39 第2章 控制器的开放第2章 控制器的开放 当出现NC机床以后，制造厂家就希望能打开NC系统这个黑盒子，部分或全部地代替机床设计师和操作者的大脑，具有一定的智能，能把特殊的加工工艺、管理经验和操作技能放进NC系统，同时也希望它具有图形交互、诊断等功能.这就需要商用的数控系统具有友好的人机界面和提供给用户的开发平台.要求NC控制器透明以使机床制造商和最终用户可以自由地执行自己的思想.于是产生了开放结构的数控系统. IEEE“开放系统技术委员会”定义“开放结构”为：“开放系统所执行的应用可以运行在多家制造者不同的平台；并可以与其他系统的应用具有互操作性，且呈现与用户交互协同(1EEElo03

13、0).”也可以用下列的性能指标评估控制器的开放性.比如应用模块为AM：移植性：在保持应用模块(AM)的功能下，不需任何变化就可以应用到不同的平台.扩展性：不同的AM能运行在一个平台而不出现冲突.互操作性：AM在一起工作时表现为相互协同，可以根据定义相互交换数据.缩放性：按照用户的需要，AM的功能、性能和硬件的规模可以伸缩. 开放结构的控制器(oAC)使控制器销售商、机床制造商和最终用户可以从柔性和敏捷生产中获得较大利益.其主要目标是在标准化环境下采用开放的接口使操作方便，成本降低和柔性增加.这样的系统能力被广泛接受.软件可以重复使用，用户可以按照给定的配置设计他们的控制器. 控制系统的开放体系

14、结构由于考虑到对实时和可靠性要求很严格，因此是高度复杂的系统.其特点是基于PC，相互链接的关键结构为系统组件和接口，系统组件由软件模块和硬件模块所组成.在开放系统中，各个组件和接口还可以在制造过程中实现增加智能的优点.对于控制的复杂性，这些系统的硬件和软件是基本的工具.控制的接口可以分成两组：内部和外部的接口.外部接口：这些接口连接系统和监控单元以及子单元、用户.它们可以分为编程接口和通信接口.NC与PIC编程接口采用国家或国际标准，如RS一274、DIN66025、或IEC6l1313.通讯接口也强烈地受标准的影响.现场总线系统，如SERCOS，P凹肋us或Device Net用作驱动和IO

15、的接口.I，AN(局网LocalArea Network)网络主要基于以太网和TCPIP与监控系统连系的接口.内部接口：用于组件间的互相作用和数据交换，以形成控制系统的核心.在这方面，一个重要的性能是支持实时机构.为了得到可重构和白适应的控制，控制系统的内部结构基于平台的概念.由于软件组件中无法知道专用硬件的详情，因而主要的目标是建立一个可定义的但是在软件组件间进行柔性的通讯方法.应用编程接口(APl)保证了这些需要.控制系统的全部功能被分为几个包，模块化的软件组件通过被定义的API互相作用. 根据1999年美国机器人工业论坛的资料，当年美国机器人全部装机的系统是机器人本身价值的35倍，也就是

16、如果有l0亿美元机器人的市场，等于增加20到40亿美元的附加值，如果其中25归因于软件集成的原因引起的，再认为如果通过标准化的开发和应用，采用开放体系结构的控制器使其中降低50；那么在采用开放控制器后，每年潜在的价值就可以节省2亿5千万到5亿美元. 目前，开放的数控系统结构主要有3种形式：基于PC的CNC系统，这种系统以PC机为平台，开发数控系统的各种功能，通过伺服卡传送数据，控制坐标轴电机的运动.这类系统有时也称为Soft NC，这样的系统容易做到全方位开放.PC嵌入式：这种系统的基本结构为：CNC十PC主板，即把一块CNC板插入传统的PC机器中，CNC主要运行以坐标轴运动为主的实时控制，或

17、且CNC作为数控功能运行，而PC板作为用户的人机接口平台.PC十CNC：目前主流NC系统生产厂家认为NC系统最主要的性能是可靠性，像PC机存在的死机现象是不允许的.而系统功能首先追求的仍然是高精高速的加工.加上这些厂家长期已经生产大量的NC系统；体系结构的变化会对他们原系统的维修服务和可靠性产生不良的影响.因此不把开放结构作为主要的产品，仍然大量生产原结构的NC系统.为了增加开放性，主流NC系统生产厂家往往在不变化原系统基本结构的基础上增加一块PC板，提供键盘使用户能把PC和CNC联系在一起，大大提高了人机界面的功能，比较典型的如FANUC的150i160i180i210j系统.有些厂家也把这

18、种装置称为融合系统(fusion system).由于它工作可靠，界面开放，越来越受到机床制造商的欢迎.成为NC技术的发展，它基于STEP，并把STEP扩展到NC，形成“STEPNC”.开发和推广这个标准的首要目的是实现不同的CAXA系统通过标准的个性文件来进行数据交换.当前，企业之间的专业分工趋向越来越明显.一个汽车总装厂往往有好几百个零部件供应商，这些企业可能采用不同的CAD系统，数据交换的工作量非常大.采用CAD系统之间点对点的交换方式是不可取的.只有通过一种统计表的方式来表达数据，统计表的文件格式来输入和输出数据才有可能实现大量的数据交换.STEP体系结构可归纳为采用ExPRESS的语

19、言(ExPRESS是一种信息建模语言)，具有三层结构(应用层、逻辑层、物理层).也可以认为STEP的核心是一个工程定义的数据库，这些定义可以组成不同的应用协议，引1用于各产业需要的产品模块.数据库包括几何、拓扑、公差、关系、属性、装配、配置和其他的特性.而新的产品模块在需要增加时可以不断加入. “CNC控制器的数据模型”(以下称STEPNC)是NC的数据从CAM到CNC的数据模型，它解决现行的NC程序缺乏通用性及移植性的问题.使“STEPNC”产品模型数据用作直接机床的输人已经发展成具有实际的意义.这种“STEPNC”是无G和M代码，无后置处理的NC.ISol4649标准的目标为：(1)改进C

20、ADCAM系统与CNC控制器间的联接；保证“STEPNC”能在CADCAM之间传递数据.不是采用刀具的运动，而是采用工作步骤面向对象的概念，以改进IS06893的缺点.工作步骤相应于高级特征和过程的参数.CNC可以对工作步骤解析为坐标的运动和刀具的动作.(2)数据模块必须包括所有的复杂级别(从加工时指令的CAD几何数据到带离散值的简单轴运动).(3)NC程序设想可以放在新开发的CNC控制器上，但是它也可能放在分离的支持和改进现有NC控制器的高级系统上(包括各种网络).(4)对于NC程序的新标准将提供机床操作者更多的柔性、功能、统计表的编程定义和相关控制和几何过程的修正.(5)新标准允许MTB的

21、操作者由于他的专用机床和技术而执行专门的功能.(6)对于最终用户新的标准提供统一的编程，更快、更廉价的程序准备和由于统一的编程格式导致的低成本.(7)较少的后置处理而且更标准化.在NC编程级，CADCAM系统和NC系统之间的数据交换将更方便. 第3章 高速加工技术的应用和发展前景第3章 高速加工技术的应用和发展前景目前国际上对高速加工尚无明确、统一的定义.一般认为，凡切削速度、进给速度高于常规值510倍以上，可称为高速加工.目前适用于进行高速切削的加工中心，其主轴转速一般都在10000r/min以上，有的可高达60000100000r/min，主轴轴承的dn值高达210的6次方，主轴电机功率1

22、580kW.不同行业对进给量和快速行程速度有不同的要求，大约在30100m/min的范围内变化.除了具有上述高速性能外，加工中心的主轴和工作台还应具备极高的加速度性能，主轴从启动到最高转速(或相反)只用12s的时间，工作台的加(减)速度要达到(110)g(g=9.81m/s2).上述运动指标都比目前普通数控机床高510倍以上.近年来，国内外各工业部门，特别是航空航天、汽车工业、模具工业和摩托车工业等对高速加工中心的需求量与日俱增，美、日、德、瑞士和意大利等工业发达国家已生产多种商品化产品；高速加工技术与一般加工方法相比有以下优点：(1)加工时间大幅度缩短，只有原来的1/4左右，意味着一台用于高

23、速加工的高速机床可以代替4台普通CNC机床；(2)高速加工时，机床的激振频率很高，远离“机床刀具工件”工艺系统的固有频率，工作平稳，振动小，所以其加工表面质量很高，无需再进行其它表面处理工序；(3)单位时间的材料切除率可增加6倍，故生产率极高；(4)切削力可减少80%以上，尤其是径向切削力大幅度降低，零件变形小，加工时基本不产生热量，所以特别有利于薄壁细筋件的加工；(5)高速加工采用小直径刀具、小切深、小切宽和快速多次走刀来提高效率，而传统的加工一般采用大直径刀具、大切深、大切宽；(6)高速机床的投资回收快，可缩短交货期，减少车间占地面积，减少工人数量.一般来说，高速加工中心都是全数控机床和高

24、精度机床，其传动和结构的最大特点是实现了机床的“零传动”.这种传动方式的主要特点是，取消了从驱动电机至工作部件(主轴、工作台等)之间的一切中间机械传动环节(皮带、齿轮、滚珠丝杠、螺母等)，把传动链的长度缩小为零.零传动不但大大简化了机床的传动与结构，而且还显著地提高了机床动态灵敏度、加工精度和工作可靠性，是一种新型的传动方式. 3.1高速电主轴电主轴是高速加工中心的主要部件，其机械结构虽不复杂，但要求的加工精度极高，关键零件的材质和热处理要求都较严格，是一种机电一体化的高科技产品，整个部件必须在恒温、洁净的环境中进行装配和调校.其性能参数和制造质量的高低，在很大程度上决定了整台高速加工中心的加

25、工速度、工作精度和生产效率.电主轴是一套组件，它包括电主轴本身及其附件：电主轴、高频变频装置、油雾润滑器、冷却装置、内置编码器及换刀装置等目前国外较流行的电主轴参数如下：机床类型额定扭矩(Nm)转速(r/min)刀柄钻铣床0.021040000150000HSK E25/E32，SK120或弹簧夹头小型加工中心4702000060000HSK E32/E40/E50/E63/A63中型加工中心162001200030000HSK E50/E63/A63/A80/A100龙门加工中心70300800024000HSK A63/A80/A100电主轴所融合的技术包括：高速轴承技术：电主轴通常采用复

26、合陶瓷轴承，特点是耐磨、耐热，其寿命是传统轴承的几倍，有时也采用电磁悬浮轴承或静压轴承，内外圈不接触，理论上寿命无限长.高速电机技术：电主轴是电机与主轴融合在一起的产物，电机的转子即为主轴的旋转部分，理论上可以把电主轴看作一台高速电机，其关键技术是高速度下的动平衡.润滑：电主轴的润滑一般采用定时定量油气润滑；也可采用脂润滑，但相应的速度要打折扣.所谓定时，就是每隔一定的时间间隔注一次油，所谓定量，就是通过一个称为定量阀的器件，精确地控制每次润滑油的注油量.而油气润滑指的是润滑在压缩空气的携带下，被吹入陶瓷轴承.油量控制很关键，太少，起不到润滑作用；太多，在轴承高速旋转时会因油的阻力而发热.冷却

27、装置：为了尽快给高速运行的电主轴散热，通常对电主轴的外壁通以循环冷却剂，冷却装置的作用是保持冷却剂的温度.内置脉冲编码器：为了实现自动换刀以及刚性攻丝，电主轴内置一脉冲编码器，以实现准确的相位控制以及与进给的配合.自动换刀装置:为了适应加工中心，电主轴配备了能进行自动换刀的装置，包括碟簧、刀具拉紧油缸.高速刀具的装夹方式:广泛采用HSK、SKI等高速刀柄.高频变频装置:要实现电主轴每分钟几万甚至十几万转的转速，必须采用高频变频装置来驱动电主轴的内置高速电机，变频器的输出频率甚至需要达几千赫芝.目前世界各工业发达国家不惜代价，纷纷投入巨资，配备精良的加工与测试设备，建立专门的电主轴生产基地，实现

28、电主轴的系列化、专业化生产.国外比较著名的电主轴生产厂商有：德国的GMN，瑞士的FISCHER、IBAG和STEP TEC，美国的PRECISE，日本的NHK和KOYO以及意大利的GAMFIOR和FOEMAT等.直线电机高速进给单元由于滚珠丝杠系统的组成元件多(伺服电机、传动齿轮、丝杠、滚珠、螺母、支架等)，传动链长，滚珠丝杠又是一种细而长的非刚性传动元件，当运动速度要求较高时，由于滚珠丝杠传动惯量大、扭矩刚度低、传动误差大、摩擦磨损严重、弹性变形引起爬行、反向死区引起非残性误差等一系列缺陷，从而影响加工中心动态性能.目前，一般滚珠丝杠的最大速度为2030m/min，加速度(0.10.3)g，

29、远远不能满足.3.2高速加工的要求1993年，德国ExcellO公司在汉诺威国际机床博览会上首次展出世界第一台带有直线电机驱动工作台的HSC 240型高速加工中心，该加工中心采用德国Indramat开发的感应式直线电机.该机床最高主轴转速为24000r/min，工作台最大进给速度为60m/min.与此同时，美国Ingersoll公司在HVM 800型高速加工中心上，采用了美国Anorad公司开发的永磁式直线电机，其最高主轴转速为20000r/min，工作台最大进给速度76.2m/min. 直线电机进给驱动有如下优点：(1)速度高.直线电机直接驱动工作台，无任何中间机械传动元件，无旋转运动，不受

30、离心力的作用，容易实现高速直线运动，目前最大进给速度可达80120m/min.(2)加速度大.直线电机的启动推力大，结构简单、重量轻，运动变换时的过渡过程短，可实现灵敏的加速和减速，其加速度可达(210)g.(3)定位精度高.直线电机进给系统，用光栅尺作为位置测量元件，采用闭环控制，通过反馈对工作台的位移精度进行精确的控制，因而刚度高，定位精度高达0.10.01m.(4)行程不受限制.直线电机的次级是一段一段地连续铺在机床床身上，次级铺到哪里，初期(工作台)就可运动到哪里，不管行程多远，对整个系统的刚度不会有任何影响.如最近美国Cincinnati Milacron公司为航空工业生产了一台Hy

31、perMach大型高速加工中心，主轴转速60000r/min，主电机功率80kW.采用了直线电机，其x轴行程长达46m，工作台最高进给速度60m/min，快速行程100m/min，加速度2g.在该机床上加工一个大型薄壁飞机零件只需30分钟；而同样的零件在一般高速铣床上加工，耗时3小时；在普通数控铣床上加工，则需8小时.作为加工中心进给系统的一种新的驱动方式直线电机，只有几年的历史，目前在设计、制造和应用等方面还存在一些问题，如防磁问题、直线电机散热问题、工作台的结构轻化问题、高速导轨结构类型的选择问题、直线电机驱动与闭环控制系统等，而且成本也较高，这一系列问题都有待进一步研究解决.尽管如此，直

32、线电机在高速加工中心上的应用，已呈现出滚珠丝杠所无法比拟的诸多优点，并有望成为21世纪高速加工中心进给系统的基本传动方式.3.3高速加工技术的应用和发展趋势正如前面所谈到的，高速加工具有生产率高、切削力小、工件热变形小及加工精度和表面质量高等几大优点，而且在近10年来，由于高速机床、高速刀具和其它关键技术的迅速发展，高速加工在国内外得到了广泛的应用.3.3.1高速加工技术的应用 航空航天工业减轻重量对于航空航天器有着极其重要的意义.在飞机工业中，主要采取两个措施来减轻零部件的重量：即零部件尽量采用铝合金、铝钛合金或纤维增强塑料等轻质材料制造；把过去由几十个、甚至几百个零件通过铆接或焊接起来的组

33、合构件，合并成一个带有大量薄壁和细筋的复杂零件，用“整体制造法”制造.即从一个实心的整体毛坯中，切除和淘空85%以上的多余材料加工而成.由于切削余量很大，如果采用普通方法加工，则切削工时长，生产效率低，不能满足飞机产品更新换代的要求.采用“整体制造法”有三个优点：用高速加工来加工这类带有大量薄壁、细筋的复杂轻合金构件，其材料切除率高达100180cm3/min，为常规加工的3倍以上，大大压缩了切削工时；飞机上的零件数量可减少40%以上，省去了原来组合构件的装配和铆焊工序，节省了大量的装配、调校工时和制造工模夹具的时间，减少了占用的生产面积，减轻了飞机部件的重量，扩大了柔性生产的能力，减少了部件

34、之间的结合面，提高了飞机飞行的安全性.如加工一全长为3.35有的部位壁厚不到1mm的大型薄壁飞机构件，该构件以往由500多个零件组装而成，以前加工这个组合构件的生产周期为3个月.现用一块整体毛坯，通过高速加工来制造这个零件，其生产周期不足两周，生产效率提高6倍以上.航空和动力部门大量采用镍基合金(如Incomel718)和钛合金(TiAl6V4)来制造飞机和发动机零件.这些材料强度大、硬度高、耐冲击、加工中易硬化、切削温度高、刀具磨损严重，是一类难加工材料，过去一般采用很低的切削用量.如采用高速切削，则切削速度可提高到1001000m/min，为常规切削速度的10倍左右，不但大幅度提高了生产效

35、率，而且还有效地减少了刀具磨损，提高了零件的表面加工质量.3.3.2汽车、摩托车工业近10年来，新建的汽车、摩托车生产线多半采用由多台加工中心和数控机床组成的柔性生产线，它能适应产品不断更新的要求，但由于是单轴顺序加工，生产效率没有多轴、多面、并行加工的组合机床自动线高.高速加工技术就是采用高速加工中心和其它高速数控机床组成高速柔性生产线.这种生产线集“高柔性”与“高效率”于一体，既可满足产品不断更新换代的要求，做到一次投资，长期受益，又有接近于组合机床刚性自动线的生产效率.从而打破了汽车生产中有关“经济规模”的传统观念，实现了多品种、中小批量的高效生产.如美国Ford汽车公司和Ingerso

36、ll机床公司合作，寻求能兼顾柔性和效率的汽车生产线方案.经过多年的努力，研制成HVM800型卧式加工中心，同时采用高速电主轴和直线电机，主轴最高转速为24000r/min，工作台最大进给达76.2m/min，即不到1秒钟工作台可行程1m，瞬间完成一个工作行程.用这种高速加工中心组成的柔性生产线加工汽车发动机零件，其生产率与组合机床自动线相当，但建线投入要减少40%.换产的准备时间也快得多，主要工作是编制软件，而不是大量制造工夹具，现已成为一条名符其实的敏捷制造生产线.我国汽车工业近年来也开始用高速加工中心组成柔性生产线取代组合机床刚性自动线.3.3.3模具工业大多数模具都是由高硬度、耐磨性能好

37、的合金材料(经热处理)制造，加工难度很大.以往广泛采用电火花(EDM)加工成形，然而这是一种靠放电烧蚀的微切削加工方式，生产效率极低.用高速铣削代替电加工是加快模具开发速度、提高模具制造质量的一个新方法.用高速铣削加工模具，不仅可用高转速，大进给，而且粗、精加工一次完成，大大提高了生产效率.采用高速切削加工淬硬钢模具，硬度60HRC以上，表面粗糙度Ra0.6m，达到了磨削加工的水平，效率比电加工高数倍，不仅节省了大量的修光时间，还可代替绝大部分的电加工工序.模具型腔通常采用小直径球头立铣刀进行高速硬铣削，要求机床的最高主轴转速高达2000040000r/min，但进给速度要求不是太高，一般采用

38、进给速度30m/min，为防止加工时发生颤振，机床必须具有足够的刚度.除此而外，高速加工还可用于快速成形、光学精密零件和仪器仪表的高速加工.3.3.4高速加工技术的发展趋势作为面向21世纪的一项先进制造技术高速加工，将继续克服当前存在的某些技术障碍，在以下几个方面将会得到更快的发展.扩大材料加工范围:从铝合金加工扩大到钢材的高速加工，解决钢件高速加工存在的技术难点.用干式切削替代湿式切削.解决高速加工使用大量冷却液造成对自然环境的污染问题，进一步研究开发适用于干式切削的新型刀具材料，研究开发干式切削加工中心.进一步改善高速机床的驱动和控制技术，开发快速的CAD/CAM系统和实用的编程软件，以满

39、足实际生产的需要.研究高速机床的安全防护和远程监控技术.确保高速加工的生产安全.改善研究和试验条件，继续深入开发高速切削机理的理论研究、仿真研究和虚拟研究，进一步弄清高速切削过程的物理本质和变化规律，建立高速切削数据库，指导用户正确使用已有高速机床，充分发挥高速加工中心的效能.加工中心图形如下： 第4章 基于高速加工的效率与设备选型第4章 基于高速加工的效率与设备选型高速切削（High Speed Cutting）和高速加工（High Speed Machining）分别简称HSC和HSM，是近十年来迅速崛起的一项先进制造技术.由于高速切削技术使汽车、模具、飞机、轻工和信息等行业的生产率和制造

40、量显著提高，加工工艺及装备更新换代，因此如同数控技术一样，高速切削和高速加工已成为20世纪机械制造业一场影响深远的技术革命.目前，适应HSC要求的高速加工中心和其他高速数控机床在发达国家已呈普及趋势.高速切削的起源可追溯到20世纪20年代末期.德国的切削物理学家萨洛蒙（Carl Salomon）博士于1929年进行了超高速模拟实验.1931年4月发表了著名的超高速切削理论，提出了高速切削假设.萨洛蒙指出：在常规的切削速度范围内，切削温度随着切削速度的增大而提高.对于每一种工件材料，存在一个速度范围，在这个速度范围内，由于切削温度太高，任何刀具都无法承受，切削加工不可能进行.但是，当切削速度再增

41、大，超过这个速度范围以后，切削温度反而降低.同时，切削力也会大幅度下降.按照他的假设，在具有一定速度的高速区进行切削加工，会有比较低的切削温度和比较小的切削力，不仅有可能用现有的刀具进行超高速切削，从而大幅度地减少切削时间，成倍地提高机床的生产率，而且还将给切削过程带来一系列的优良特性.4.1高速加工的效率1.高速加工提高了产品加工的速度 对于精加工，从材料去除速度而言，高速加工比一般加工快四倍以上，普通数控机床精加工时一般进给速度在3米-6米/每分钟，而高速机床一般在15米-60米/每分钟，大家知道一般产品加工大部时间花在精加工，对粗加工而言高速加工采取了非常小的切深，但时间范围内的切削量还

42、是比普通数控机床加工快几倍. 2.高速加工可获得高质量的加工表面 因高速加工采取了极小的进给量与切深，故可获得很高的表面质量，有时甚至可以省去钳工修光的工序，因表面质量的提高又省去了修光及点火花等工序所需的时间，再则在高速加工速度范围内，切削温度降低，同时切削力也会大幅度下降，使加工的产品不会因切削力 与切削温度影响加工精度.3.简化了加工工序 传统铣削加工只能在淬火之前进行，因淬火造成的变形必须要经手工修整或采用电加工最终成形.现在则可以通过高速加工完成，省去了电极材料、电极加工编程及加工，以及电加工过程所需所有费用，而且不会出现电加工所导致的表面硬化.另外，由于高速加工切削量减少，便可使用

43、更小直径的刀具对更小的圆角半径及模具细节进行加工，节省了部分加工或手工修整工艺.减少人工修光时间及工艺的简化对缩短生产周期的贡献甚至可超过高速加工速度提高而产生的价值，崎立GRAND68A曾经使用6个毫米的刀加工出深度50mm直径0.2mm的小园柱，普通数控机床是无法做到的. 4.使模具修复过程变得更加方便 模具在使用过程中往往需要多次修复，以延长使用寿命，过去主要是靠电加工来完成，如果采用高速加工可以更快地完成该工作，而且可使用原NC程序，无需重新编制，且能做到精确无误.4.2高速加工设备选型 交流CAD/CAM/CAE软件安装使用技巧及 高速加工对机床的要求主轴速度应能达到15000400

44、00r/min进给速度应达1560m/min；快速移动速度达30-90m/min；加速度为1g；高刚性的机械结构；高稳定、高刚度、冷却良好的高速主轴；精确的热补偿系统；高速处理能力的控制系统（线性插补5-20Microns或NURBS插补功能）； 具有预处理能力的控制系统.刀夹、刀具的加速度小于3g；刀具的径向跳动小于0.015mm.4.2.1 高速主轴目前，高速机床普遍采用电主轴，由于没有中间传动环节，俗称“内藏式电主轴”，电主轴是一种智能型功能部件，不但转速高、功率大，还有一系列主轴温升与振动等机床运行参数的功能.决定电主轴性能的优良重要部份在轴承，电主轴采用的轴承主要有滚动轴承、流体静压

45、轴承和磁悬浮轴承.目前国内主要应用陶瓷滚动轴承，STA公司采用德国GMN公司的轴承生产的电主轴是一款性能优良的产品，其旋转精度和刚度都相当高.目前常使用CYTEC，意大利FAEMAT，瑞士IBAG等厂家的电主轴. 国内用户在购买机床时一般应注重主轴的参数，主轴一般有转速、功率、扭矩三个基本重要参数，不能一味追求高转速、高功率就是好，应根据机床的大小，进给速度，NC控制系统整体进行搭配，如果你的机床主轴6万转/每分钟，进给速度才6米/每分钟，怎能谈得上高速机床.主轴的高速旋转切削产生大量的热，在没有快速的移动下，切削热大量传导给工件，致使产品热变型，无法对铝等易热变型的材料加工，这就好比我们的一

46、支手指头在一根点燃的蜡烛上移动，当我们的手指头移动的速度够快的话，始终感觉不到手指头会痛.一般转速快，功率一样的情况下，扭矩会小，扭矩小了对加工的时间内切削去除量有很大的影响，那么要有同样的时间内去除量，功率必须大，大功率的电主轴相当贵，对于初次购买高速机床不是很好的选择.我们购买高速机床时应选主轴转速大约16000-30000转/每分钟为宜，功率10KW-20KW，扭力5NM-20 NM.高速主轴还有重要的一点是刀具接口，应选用HSK型接口，中型机床一般HSK-40E、HSK-50E，大机床一般采用HSKA63BT和其它刀具接口目前市场上很难达到2万转以上的参数特性.4.2.2机床结构和进给

47、系统为了响应每分钟15-60m/min的进给速度，那么必须还需要一套好的进给系统.目前很多文章介绍高速机床使用直线电机做为传动，直线电机是一种优良的传动设备，价格很贵，使用量不多，总的传动统必须高的加速度，高传导性，零间隙，使用滚珠丝杆必须有高的DN值、大镙矩、高加速度、良好的冷却系统.崎立GRAND680B采用空调冷却水对丝杆、轴承进行严格温升控制，实现30米进给，温升控制在30,使丝杆轴承大量延升寿命. 高速机床的结构一般采用龙门式结构,米汉纳铸铁,特殊箱型结构及加大助式设计,使机台具有超强刚性,确保重切削时之抗扭曲力与极佳之吸震能力.使机床可获得最佳的承载能力.采用双墙式结构支撑横梁，横

48、梁在墙式支撑上可进行快速进给运动, 双墙式支撑的横梁要求在两面墙上采用双动力的驱动,双驱动时要保证两边进给的同步性.由于采用龙门式结构比立柱式更容易实现高速运动且结构简单,一些小型加工中心也做成龙门式结构.高速机床的床身和工作台必须有高的动、静刚度和抗振性;好的精度保持性; 更好的抗热变形能力.在材料上,高性能的加工中心大多应用高强度密烘(Mehanna)铸铁.同时,过去仅用于精密机床的聚合物混凝土、大理石已经开始用于高性能加工中心.大理石聚合物混凝土整体铸造的床身的振动性能和铸铁材料比较,其谐振峰值小得多,且共振频率略向前移. 高速进给系统是高速数控机床的关键部件之一.随着高速加工技术和高速