高端精密制造的CNC数控加工技术

传感器技术 2019-03-24 07:00

数控技术的应用使传统的制造业发生了质的变化,尤其是近年来.微电子技术和计算机技术的发展给数控技术带来了新的活力。数控技术和数控装备是各个国家工业现代化的重要基础。


数控机床是现代制造业的主流设备,精密加工的必备装备,是体现现代机床技术水平、现代机械制造业工艺水平的重要标志,是关系国计民生、国防尖端建设的战略物资。因此世界上各工业发达国家均采取重大措施来发展自己的数控技术及其产业。

 


CNC数控加工


CNC是英文Computer Numberical Control的缩写,意思是“计算机数据控制”,简单地说就是“数控加工”,在珠江三角洲地区,人们称为“电脑锣”。


数控加工是当今机械制造中的先进加工技术,是一种具有高效率、高精度与高柔性特点的自动化加工方法。它是将要加工工件的数控程序输入给机床,机床在这些数据的控制下自动加工出符合人们意愿的工件,以制造出美妙的产品。


数控加工技术可有效解决像模具这样复杂、精密、小批多变的加工问题,充分适应了现代化生产的需要。大力发展数控加工技术已成为我国加速发展经济、提高自主创新能力的重要途径。目前我国数控机床使用越来越普遍,能熟练掌握数控机床编程,是充分发挥其功能的重要途径。


数控机床是典型的机电一体化产品,它集微电子技术、计算机技术、测量技术、传感器技术、自动控制技术及人工智能技术等多种先进技术于一体,并与机械加工工艺紧密结合,是新一代的机械制造技术装备。


CNC数控机床的组成


数控机床集机床、计算机、电动机及拖动、动控制、检测等技术为一体的自动化设备。数控机床的基本组成包括控制介质、数控装置、伺服系统、反馈装置及机床本体,如图



1、控制介质


控制介质是储存数控加工所需要的全部动作刀具相对于工件位置信息的媒介物,它记载着零件的加工程序,因此,控制介质就是指将零件加工信息传送到数控装置去的信息载体。控制介质有多种形式,它随着数控装置类型的不同而不同,常用的有穿孔带、穿孔卡、磁带、磁盘等。随着数控技术的发展,穿孔带、穿孔卡趋于淘汰,而利用CAD/CAM软件在计算机编程,然后通过计算机与数控系统通信,将程序和数据直接传送给数控装置的方法应用越来越广泛。


2、数控装置


数控装置是数控机床的核心,人们喻为“中枢系统”。现代数控机床都采用计算机数控装置CNC。数控装置包括输入装置及中央处理器(CPU)和输出装置等构成数控装置能完成信息的输入、存储、变换、插补运算以及实现各种控制功能。


3、伺服系统


伺服系统是接收数控装置的指令、驱动机床执行机构运动的驱动部件。包括主轴驱动单元、进给驱动单元、主轴电机和进给电机等。工作时,伺服系统接受数控系统的指令信息,并按照指令信息的要求与位置、速度反馈信号相比较后,带动机床的移动部件或执行部件动作,加工出符合图纸要求的零件。


4、反馈装置


反馈装置是由测量元件和相应的电路组成,其作用是检测速度和位移,并将信息反馈回来,构成闭环控制。一些精度要求不高的数控机床,没有反馈装置,则称为开环系统。


5、机床本体


机床本体是数控机床的实体,是完成实际切削加工的机械部分,它包括床身、底座、工作台、床鞍、主轴等。


CNC加工工艺的特点


CNC数控加工工艺也遵守机械加工切削规律,与普通机床的加工工艺大体相同。由于它是把计算机控制技术应用于机械加工之中的一种自动化加工,因而具有加工效率高、精度高等特点,加工工艺有其独特之处,工序较为复杂,工步安排较为详尽周密。


CNC数控加工工艺包括刀具的选择、切削参数的确定及走刀工艺路线的设计等内容。CNC数控加工工艺是数控编程的基础及核心,只有工艺合理,才能编出高效率和高质量的数控程序。衡量数控程序好坏的标准是:最少的加工时间、最小的刀具损耗及加工出最佳效果的工件。


数控加工工序是工件整体加工工艺的一部分,甚至是一道工序。它要与其他前后工序相互配合,才能最终满足整体机器或模具的装配要求,这样才能加工出合格的零件。


数控加工工序一般分为粗加工、中粗清角加工、半精加工及精加工等工步。


CNC的数控编程


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(cutter location point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。 


数控机床是根据工件图样要求及加工工艺过程,将所用刀具及各部件的移动量、速度和动作先后顺序、主轴转速、主轴旋转方向、刀头夹紧、刀头松开及冷却等操作,以规定的数控代码形式编成程序单,输入到机床专用计算机中。然后,数控系统根据输入的指令进行编译、运算和逻辑处理后,输出各种信号和指令,控制各部分根据规定的位移和有顺序的动作,加工出各种不同形状的工件。因此,程序的编制对于数控机床效能的发挥影响极大。


数控机床必须把代表各种不同功能的指令代码以程序的形式输入数控装置,由数控装置进行运算处理,然后发出脉冲信号来控制数控机床的各个运动部件的操作,从而完成零件的切削加工。


目前数控程序有两个标准:国际标准化组织的ISO和美国电子工业协会的EIA。我国采用ISO代码。


随着技术的进步,3D的数控编程一般很少采用手工编程,而使用商品化的CAD/CAM软件。


CAD/CAM是计算机辅助编程系统的核心,主要功能有数据的输入/输出、加工轨迹的计算及编辑、工艺参数设置、加工仿真、数控程序后处理和数据管理等。


目前,在我国深受用户喜欢的、数控编程功能强大的软件有Mastercam、UG、Cimatron、PowerMILL、CAXA等。各软件对于数控编程的原理、图形处理方法及加工方法都大同小异,但各有特点。


CNC数控加工零件的步骤



1、分析零件图,了解工件的大致情况(几何形状,工件材料,工艺要求等)


2、确定零件的数控加工工艺(加工的内容,加工的路线)


3、进行必要的数值计算(基点、节点的坐标计算)


4、编写程序单(不同机床会有所不同,遵守使用手册)


5、程序校验(将程序输入机床,并进行图形模拟,验证编程的正确)


6、对工件进行加工(好的过程控制能很好的节约时间和提高加工质量)


7、工件验收和质量误差分析(对工件进行检验,合格流入下一道。不合格则通过质量分析找出产生误差原因和纠正方法)。


数控机床的发展历史


二战后,制造业的生产大部分是依靠人工操作,工人看懂图纸后,手工操作机床,加工零件,用这种方式生产产品,成本高,效率低,质量也得不到保证。


在20世纪40年代末期,美国有一位工程师帕森斯(John Parsons)构思了一种方法,在一张硬纸卡上打孔来表示需要加工的零件几何形状,利用着一张硬卡来控制机床的动作,在当时,这只是一种构思。


1948年,帕森斯向美国空军展示了他的这种想法,美国空军看后,表示极大的兴趣,因为美国空军正在寻找一种先进的加工方法,希望解决飞机外型样板的加工问题,由于样板形状复杂,精度要求高,一般的设备难以适应,美国空军立即委托及赞助美国麻省理工学院(MIT)进行研究,开发这部硬卡纸来控制的机床,终于在1952年,麻省理工学院和帕森斯公司合作,成功的研制出了第一台示范机,到了1960年较为简单和经济的点位控制钻床,和直线控制数控铣床得到了较快的发展使数控机床在制造业各部门逐步获得推广。


CNC加工的历史已经经历了长达半个多世纪,NC数控系统也由最早的模拟信号电路控制发展为极其复杂的集成加工系统,编程方式也有手工发展成为智能化、强大的CAD/CAM集成系统。


就我国而言,数控技术的发展是比较缓慢的,对于国内的大多数车间来说。设备比较落后,人员的技术水平和观念落后表现为加工质量和加工效率低下,经常拖延交货期。


1、第一代NC系统是在1951年引入的,其控制单元主要有各种阀门和模拟电路组成的,1952年第一台数控机床诞生,已经从铣床或车床发展到加工中心,成为现代制造业的关键设备。


2、第二代NC系统于1959年产生的,其主要有单个的晶体管和其他部件组成。


3、1965年引入了第三代NC系统,其首次采用集成电路板。


4、实际上,在1964年已经研制出来了第四代NC系统,即我们非常熟悉的计算机数字控制系统(CNC控制系统)。


5、1975年,NC系统采用了强大的微处理器,这就是第五代NC系统。


6、第六代NC系统采用了现行的集成制造系统(MIS)+DNC+柔性加工系统(FMS)


数控机床的发展趋势


1. 高速化


随着汽车、国防、航空、航天等工业的高速发展以及铝合金等新材料的应用,对数控机床加工的高速化要求越来越高。


a.主轴转速:机床采用电主轴(内装式主轴电机),主轴最高转速达200000r/min;  


b. 进给率:在分辨率为0.01µm时,最大进给率达到240m/min且可获得复杂型的精确加工;  


c. 运算速度:微处理器的迅速发展为数控系统向高速、高精度方向发展提供了保障,开发出CPU已发展到32位以及64位的数控系统,频率提高到几百兆赫、上千兆赫。由于运算速度的极大提高,使得当分辨率为0.1µm、0.01µm时仍能获得高达24~240m/min的进给速度;  


d. 换刀速度:目前国外先进加工中心的刀具交换时间普遍已在1s左右,高的已达0.5s。德国Chiron公司将刀库设计成篮子样式,以主轴为轴心,刀具在圆周布置,其刀到刀的换刀时间仅0.9s。


2. 高精度化


数控机床精度的要求现在已经不局限于静态的几何精度,机床的运动精度、热变形以及对振动的监测和补偿越来越获得重视。


a. 提高CNC系统控制精度:采用高速插补技术,以微小程序段实现连续进给,使CNC控制单位精细化,并采用高分辨率位置检测装置,提 高位置检测精度,位置伺服系统采用前馈控制与 非线性控制等方法;


b. 采用误差补偿技术:采用反向间隙补偿、丝杆螺距误差补偿和刀具误差补偿等技术,对设备的热变形误差和空间误差进行综合补偿。 


c. 采用网格解码器检查和提高加工中心的运动轨迹精度: 通过仿真预测机床的加工精度,以保证机床的定位精度和重复定位精度,使其性能长期稳定,能够在不同运行条件下完成多种加工任务,并保证零件的加工质量。


3. 功能复合化

    

复合机床的含义是指在一台机床上实现或尽可能完成从毛坯至成品的多种要素加工。根据其结构特点可分为工艺复合型和工序复合型两类。 加工中心能够完成 车削、铣削、钻削、滚齿、磨削、激光热处理等多种工序,可完成复杂零件的全部加工。随着现代机械加工要求的不断提高,大量的多轴联动数控机床越来越受到各 大企业的欢迎。  


4. 控制智能化


随着人工智能技术的发展,为了满足制造业生产柔性化、制造自动化的发展需求,数控机床的智能化程度在不断提高。具体体现在以下几个方面:

a.  加工过程自适应控制技术;  

b. 加工参数的智能优化与选择;  

c. 智能故障自诊断与自修复技术; 

d. 智能故障回放和故障仿真技术;

e. 智能化交流伺服驱动装置;  

 f. 智能4M数控系统:在制造过程中, 将测量 、建模、加工、机器操作四者(即4M)融合在一个系统中 。


5. 体系开放化


a. 向未来技术开放:由于软硬件接口都遵循公认的标准协议,可采纳、吸收和兼容新一代通用软硬件。  


b. 向用户特殊要求开放:更新产品、扩充功能、提供硬软件产品的各种组合以满足特殊应用要求;  


c. 数控标准的建立:标准化的编程语言,既方便用户 使用,又降低了和操作效率直接有关的劳动消耗。


6. 驱动并联化

    

可实现多坐标联动数控加工、装配和测量多种功能,更能满足复杂特种零件的加工,并联机床被认为是“自发明数控技术以来在机床行业中最有意义的进步”和“21世纪新一代数控加工设备”。


7.  极端化(大型化和微型化) 


国防、航空、航天事业的发展和能源等基础产业装备的大型化需要大型且性能良好的数控机床的支撑。而超精密加工技术和微纳米技术是21世纪的战略技 术,需发展能适应微小型尺寸和微纳米加工精度的新型制造工艺和装备。 


8.  信息交互网络化


既可以实现网络资源共享,又能实现数控机床的远程监视、控制、远程诊断、维护。 

 

9. 加工过程绿色化


 近年来不用或少用冷却液、实现干切削、半干切削节能环保的机床不断出现, 绿色制造的大趋势使各种节能环保机床加速发展。


10. 多媒体技术的应用

多媒体技术集计算机、声像和通信技术于一体,使计算机具有综合处理声音、文字、图像和视频信息的能力。可以做到信息处理综合化、智能化,应用于实时监控 系统和生产现场设备的故障诊断、生产过程参数监测等,因此有着重大的应用价值。


最后,我们来围观一下德国制造的数控艺术吧!



流量计作为高精度的计量检测设备,其制造工艺也必然要求精密加工,上海康汇生产的U-How®康汇容积式旋转活塞流量计,其阀座腔体、活塞转子等部件,均通过CNC数控机床精密加工而成,保证了部件的尺寸精准和设备整体的精度标准。


U-How®康汇燃油流量计


U-How®康汇流量计是上海康汇实业发展有限公司,根据旋转活塞式工作原理自主研发生产的,具有测量流速低、量程宽、精度高、结构简单、工作安全可靠等特点的高精度流量传感器。


工作原理


旋转活塞式流量计,是属于容积式流量计,它基于活塞与计量室一直保持的相切密封状态。并有一个固定的偏心距计量元件活塞,在压差的作用下,对活塞产生转动力矩,使活塞做偏心旋转运动,活塞的转数正比于流体的流量,通过记数机构记录出活塞转数,即可测得流体总流量。


旋转活塞式流量计进出口由隔板隔开。当被测流体从进口进入计量室,这时进出口形成压差,迫使活塞逆时针旋转如图a所示。流体连续流入,迫使活塞转动如图b所示,形成二个半月牙腔体,在压差作用下迫使活塞转动如图c,V2流体从出口排出,使活塞转动如图d所示,在压差作用下转动,活塞每转一周迸出的流体等于V1+V2的和。


工作原理图

 


流量计爆炸图:


结构尺寸图:


PDFM4D

PDFM8D


PDFM8DB


产品参数


1、机械部分:


型号

PDFM

4D

PDFM

8D

PDFM

8Db

液压连接器

M14

x1.5

M14

x1.5

M16/22

x1.5

最大工作压力 

(MPa)

2.5

2.5

2.5

测量范围    

(l/h)

1~

80

20~

200

80~

320

精度   (﹪)

±1

±1

±1

重复率 (﹪)

±0.2

±0.2

±0.2

测量室体积   

(ml)

5

12.44

12.44

内置滤网尺寸

(mm)

0.125

0.15

0.15

工作温度

(℃)

﹣20

~80

﹣20

~80

﹣20

~80

存储温度

(℃)

﹣40

~100

﹣40

~100

﹣40

~100


2、电子部分:


型号尺寸

KHDQ

工作电压     (V)

9~40

输出接口

RS485/RS232

数据线

2×0.75

工作温度    (℃)

﹣20~80

存储温度    (℃)

﹣40~100

 

测量介质:


可测量轻质和中质油料,如:汽油、柴油、煤油、石脑油、润滑油


产品资质


1. 发明专利:ZL201020504169.8流量传感器


2. 国家汽车质量监督检验中心车辆检测报告


3. 交通部委托北京计量院精度检测报告



油耗监控解决方案


应用对象


1.发动机:


火车、汽车、工程车、拖拉机、发电机组及内河或近海航行的船舶中测量各类动力机器的燃油消耗量,及各种较重液体的装卸计量和管道过液计量。


2.燃烧器:


车载锅炉、移动锅炉等设备的燃油消耗计量。


数据采集方式


通过采集流量计脉冲数据的方式,以RS485/RS232对接设备单位的系统集成


解决方案





实施案例


某大型石油集团:

吊管机、移动电站、多功能车、弯管机、空压机等


某大型采油厂:

锅炉车、清蜡车、超导车、水泥车、吊车等;


港口:

龙门吊、堆高机、正面吊、装载机等


其它:

轮胎胎压油耗测试;驾驶员驾驶技术比武;发动机性能标定


空压机



锅炉车





U-How®康汇燃油流量计

联系人           汪先生

电话:18964834582




传感器技术 制造业的未来是智能化,智能化的基础就是传感器; 互联网的方向是物联网,物联网的基石也是传感器; 关注传感器技术,获得技术资讯、产品应用、市场机会,掌握最黑科技,为中国工业导航。
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