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| 數控加工 | |
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數控加工，是指在數控機床上進行零件加工的一種工藝方法，數控機床加工與傳統機床加工的工藝規程從總體上說是一致的，但也發生了明顯的變化。用數字信息控制零件和刀具位移的機械加工方法。它是解決零件品種多變、批量小、形狀複雜、精度要求高等問題和實現高效率和自動化加工的有效途徑。
簡介
數控加工，是指在數控機床上進行零件加工的一種工藝方法，數控機床加工與傳統機床加工的工藝規程從總體上說是一致的，但也發生了明顯的變化。用數字信息控制零件和刀具位移的機械加工方法。它是解決零件品種多變、批量小、形狀複雜、精度高等問題和實現高效化和自動化加工的有效途徑。
概況
數控技術起源於航空工業的需要，20世紀40年代後期，美國一家直升機公司提出了數控機床的初始設想，1952年美國麻省理工學院研製出三坐標數控銑床。50年代中期這種數控銑床已用於加工飛機零件。60年代，數控系統和程序編制工作日益成熟和完善，數控機床已被用於各個工業部門，但航空航天工業始終是數控機床的最大用戶。
一些大的航空工廠配有數百台數控機床，其中以切削機床為主。數控加工的零件有飛機和火箭的整體壁板、大梁、蒙皮、隔框、螺旋槳以及航空發動機的機匣、軸、盤、葉片的模具型腔和液體火箭發動機燃燒室的特型腔面等。[1]
數控機床發展的初期是以連續軌跡的數控機床為主，連續軌跡控制又稱輪廓控制，要求刀具相對於零件按規定軌跡運動。以後又大力發展點位控制數控機床。點位控制是指刀具從某一點向另一點移動，只要最後能準確地到達目標而不管移動路線如何。[2]
特點和效益
數控機床一開始就選定具有複雜型面的飛機零件作為加工對象，解決普通的加工方法難以解決的關鍵。數控加工的最大特點是用穿孔帶(或磁帶)控制機床進行自動加工。由于飛機、火箭和發動機零件各有不同的特點：飛機和火箭的零、構件尺寸大、型面複雜；發動機零、構件尺寸小、精度高。因此飛機、火箭製造部門和發動機製造部門所選用的數控機床有所不同。在飛機和火箭製造中以採用連續控制的大型數控銑床為主，而在發動機製造中既採用連續控制的數控機床，也採用點位控制的數控機床（如數控鑽床、數控鏜床、加工中心等）。
數控加工有下列優點：
①大量減少工裝數量，加工形狀複雜的零件不需要複雜的工裝。如要改變零件的形狀和尺寸，只需要修改零件加工程序，適用於新產品研製和改型。
②加工質量穩定，加工精度高，重複精度高，適應飛行器的加工要求。
③多品種、小批量生產情況下生產效率較高，能減少生產準備、機床調整和工序檢驗的時間，而且由於使用最佳切削量而減少了切削時間。
④可加工常規方法難於加工的複雜型面，甚至能加工一些無法觀測的加工部位。
數控加工的缺點是機床設備費用昂貴，要求維修人員具有較高水平。
發展
為了提高生產自動化程度，縮短編程時間和降低數控加工成本，在航空航天工業中還發展和使用了一系列先進的數控加工技術。如計算機數控，即用小型或微型計算機代替數控系統中的控制器，並用存貯在計算機中的軟件執行計算和控制功能，這種軟連接的計算機數控系統正在逐步取代初始態的數控系統。
直接數控是用一台計算機直接控制多台數控機床，很適合于飛行器的小批量短周期生產。理想的控制系統是可連續改變加工參數的自適應控制系統，雖然系統本身很複雜，造價昂貴，但可以提高加工效率和質量。數控的發展除在硬件方面對數控系統和機床的改善外，還有另一個重要方面就是軟件的發展。
計算機輔助編程(也叫自動編程)就是由程序員用數控語言寫出程序後，將它輸入到計算機中進行翻譯，最後由計算機自動輸出穿孔帶或磁帶。用得比較廣泛的數控語言是 APT語言。它大體上分為主處理程序和後置處理程序。前者對程序員書寫的程序加以翻譯，算出刀具軌跡；後者把刀具軌跡編成數控機床的零件加工程序。
基本過程
數控加工，就是泛指在數控機床上進行零件加工的工藝過程。數控機床是一種用計算機來控制的機床，用來控制機床的計算機，不管是專用計算機、還是通用計算機都統稱為數控系統。數控機床的運動和輔助動作均受控於數控系統發出的指令。而數控系統的指令是由程序員根據工件的材質、加工要求、機床的特性和系統所規定的指令格式(數控語言或符號)編制的。數控系統根據程序指令向伺服裝置和其它功能部件發出運行或終斷信息來控制機床的各種運動。當零件的加工程序結束時，機床便會自動停止。任何一種數控機床，在其數控系統中若沒有輸入程序指令，數控機床就不能工作。
機床的受控動作大致包括機床的起動、停止；主軸的啟停、旋轉方向和轉速的變換；進給運動的方向、速度、方式；刀具的選擇、長度和半徑的補償；刀具的更換，冷卻液的開起、關閉等。
加工工藝
數控加工程序編制方法有手工(人工)編程和自動編程之分。手工編程，程序的全部內容是由人工按數控系統所規定的指令格式編寫的。自動編程即計算機編程，可分為以語言和繪畫為基礎的自動編程方法。但是，無論是採用何種自動編程方法，都需要有相應配套的硬件和軟件。
可見，實現數控加工編程是關鍵。但光有編程是不行的，數控加工還包括編程前必須要做的一系列準備工作及編程後的善後處理工作。一般來說數控加工工藝主要包括的內容如下：
(1) 選擇並確定進行數控加工的零件及內容；
(2) 對零件圖紙進行數控加工的工藝分析；
(3) 數控加工的工藝設計；
(4) 對零件圖紙的數學處理；
(5) 編寫加工程序單；
(6) 按程序單製作控制介質；
(7) 程序的校驗與修改；
(8) 首件試加工與現場問題處理；
(9) 數控加工工藝文件的定型與歸檔。
工藝分析
被加工零件的數控加工工藝性問題涉及面很廣，下面結合編程的可能性和方便性提出一些必須分析和審查的主要內容。
尺寸標註應符合數控加工的特點
在數控編程中，所有點、線、面的尺寸和位置都是以編程原點為基準的。因此零件圖上最好直接給出坐標尺寸，或儘量以同一基準引注尺寸。
幾何要素的條件應完整、準確
在程序編制中，編程人員必須充分掌握構成零件輪廓的幾何要素參數及各幾何要素間的關係。因為在自動編程時要對零件輪廓的所有幾何元素進行定義，手工編程時要計算出每個節點的坐標，無論哪一點不明確或不確定，編程都無法進行。但由於零件設計人員在設計過程中考慮不周或被忽略，常常出現參數不全或不清楚，如圓弧與直線、圓弧與圓弧是相切還是相交或相離。所以在審查與分析圖紙時，一定要仔細，發現問題及時與設計人員聯繫。
定位基準可靠
在數控加工中，加工工序往往較集中，以同一基準定位十分重要。因此往往需要設置一些輔助基準，或在毛坯上增加一些工藝凸台。
統一幾何類型或尺寸
零件的外形、內腔最好採用統一的幾何類型或尺寸，這樣可以減少換刀次數，還可能應用控制程序或專用程序以縮短程序長度。零件的形狀儘可能對稱，便於利用數控機床的鏡向加工功能來編程，以節省編程時間。
零件裝夾
定位安裝的基本原則
在數控機床上加工零件時，定位安裝的基本原則是合理選擇定位基準和夾緊方案。在選擇時應注意以下幾點：
1、力求設計、工藝和編程計算的基準統一。
2、儘量減少裝夾次數，儘可能在一次定位裝夾後，加工出全部待加工表面。
3、避免採用占機人工調整式加工方案，以充分發揮數控機床的效能。
選擇夾具的基本原則
數控加工的特點對夾具提出了兩個基本要求：一是要保證夾具的坐標方向與機床的坐標方向相對固定；二是要協調零件和機床坐標系的尺寸關係。除此之外，還要考慮以下幾點：
1、當零件加工批量不大時，應儘量採用組合夾具、可調式夾具及其他通用夾具，以縮短生產準備時間、節省生產費用。
2、在成批生產時才考慮採用專用夾具，並力求結構簡單。
3、零件的裝卸要快速、方便、可靠，以縮短機床的停頓時間。
4、夾具上各零部件應不妨礙機床對零件各表面的加工，即夾具要開敞，其定位、夾緊機構元件不能影響加工中的走刀（如產生碰撞等）。
加工誤差
數控加工誤差△數加是由編程誤差△編、機床誤差△機、定位誤差△定、對刀誤差△刀等誤差綜合形成。
即：△數加=f(△編+△機+△定+△刀)
其中：
1、編程誤差△編由逼近誤差δ、圓整誤差組成。逼近誤差δ是在用直線段或圓弧段去逼近非圓曲線的過程中產生，如圖1.43所示。圓整誤差是在數據處理時，將坐標值四捨五入圓整成整數脈衝當量值而產生的誤差。脈衝當量是指每個單位脈衝對應坐標軸的位移量。普通精度級的數控機床，一般脈衝當量值為0.01mm；較精密數控機床的脈衝當量值為0.005mm或0.001mm等。
2、機床誤差△機由數控系統誤差、進給系統誤差等原因產生。
3、定位誤差△定是當工件在夾具上定位、夾具在機床上定位時產生的。
4、對刀誤差△刀是在確定刀具與工件的相對位置時產生。
數控編程
程序結構 程序段是可作為一個單位來處理的連續的字組，它實際是數控加工程序中的一段程序。零件加工程序的主體由若干個程序段組成。多數程序段是用來指令機床完成或執行某一動作。程序段是由尺寸字、非尺寸字和程序段結束指令構成。在書寫和打印時，每個程序段一般占一行，在屏幕顯示程序時也是如此。
程序格式
常規加工程序由開始符(單列一段)、程序名(單列一段)、程序主體和程序結束指令(一般單列一段)組成。程序的最後還有一個程序結束符。程序開始符與程序結束符是同一個字符：在ISO代碼中是%，在EIA代碼中是ER。程序結束指令可用M02(程序結來)或M30（紙帶結束）。現在的數控機床一般都使用存儲式的程序運行，此時M02與M30的共同點是:在完成了所在程序段其它所有指令之後，用以停止主軸、冷卻液和進給，並使控制系統復位。M02與M30在有些機床(系統)上使用時是完全等效的，而在另一些機床(系統)上使用有如下不同：用M02結束程序場合，自動運行結束後光標停在程序結束處；而用M3O結束程序運行場合，自動運行結束後光標和屏幕顯示能自動返回到程序開頭處，一按啟動鈕就可以再次運行程序。雖然M02與M30允許與其它程序字合用一個程序段，但最好還是將其單列一段，或者只與順序號共用一個程序段。
程序名位於程序主體之前、程序開始符之後，它一般獨占一行。程序名有兩種形式:一種是以規定的英文字(多用O)打頭、後面緊跟若干位數字組成。數字的最多允許位數由說明書規定，常見的是兩位和四位兩種。這種形式的程序名也可稱作程序號。另一種形式是，程序名由英文字、數字或英文、數字混合組成，中間還可以加入「—」號。這種形式使用戶命名程序比較靈活，例如在LC30型數控車床上加工零件圖號為215的法蘭第三道工序的程序，可命名為LC30-FIANGE-215-3，這就給使用、存儲和檢索等帶來很大方便。程序名用哪種形式是由數控系統決定的。
程序段格式
程序段中字、字符和數據的安排形式的規則稱為程序段格式(block format)。數控歷史上曾經用過固定順序格式和分隔符(HT或TAB)程序段格式。這兩種程序段格式己經過時，目前國內外都廣泛採用字地址可變程序段格式，又稱為字地址格式。在這種格式中，程序字長是不固定的，程序字的個數也是可變的，絕大多數數控系統允許程序字的順序是任意排列的，故屬於可變程序段格式。但是，在大多數場合，為了書寫、輸入、檢查和校對的方便，程序字在程序段中習慣按一定的順序排列。
數控機床的編程說明書中用詳細格式來分類規定程序編制的細節：程序編制所用字符、程序段中程序字的順序及字長等。例如:
/ NO3 G02 X+053 Y+053 I0 J+053 F031 S04 T04 M03 LF
上例詳細格式分類說明如下：N03為程序段序號；G02表示加工的軌跡為順時針圓弧；X+053、Y+053表示所加工圓弧的終點坐標；I0、J+053表示所加工圓弧的圓心坐標；F031為加工進給速度；S04為主軸轉速；T04為所使用刀具的刀號；M03為輔助功能指令；LF程序段結束指令；/為跳步選擇指令。跳步選擇指令的作用是:在程序不變的前提下，操作者可以對程序中的有跳步選擇指令的程序段作出執行或不執行的選擇。選擇的方法，通常是通過操作面板上的跳步選擇開關扳向ON或OFF，來實現不執行或執行有「/」的程序段。
主程序與子程序
編制加工程序有時會遇到這種情況：一組程序段在一個程序中多次出現，或者在幾個程序要使用它。我們可以把這組程序段摘出來，命名後單獨儲存，這組程序段就是子程序。子程序是可由適當的機床控制指令調用的一段加工程序，它在加工中一般具有獨立意義。調用第一層子程序的指令所在的加工程序叫做主程序。調子程序的指令也是一個程序段，它一般由子程序調用指令、子程序名稱和調用次數等組成，具體規則和格式隨系統而別，例如同樣是「調用55號子程序一次」，FANUC系統用「M98 P55。」，而美國A-B公司系統用「P55x」。
子程序可以嵌套，即一層套一層。上一層與下一層的關係，跟主程序與第一層子程序的關係相同。最多可以套多少層，由具體的數控系統決定。子程序的形式和組成與主程序大體相同：第一行是子程序號(名)，最後一行則是「子程序結束」指令，它們之間是子程序主體。不過，主程序結束指令作用是結束主程序、讓數控系統復位，其指令已經標準化，各系統都用M02或M30；而子程序結束指令作用是結束子程序、返回主程序或上一層子程序，其指令各系統不統一，如FANUC系統用M99、西門子系統用M17，美國A-B公司的系統用M02等。
在數控加工程序中可以使用用戶宏(程序)。所謂宏程序就是含有變量的子程序，在程序中調用宏程序的指令稱為用戶宏指令，系統可以使用用戶宏程序的功能叫做用戶宏功能。執行時只需寫出用戶宏命令，就可以執行其用戶宏功能。
用戶宏的最大特徵是：
●可以在用戶宏中使用變量；
●可以使用演算式、轉向語句及多種函數
●可以用用戶宏命令對變量進行賦值。
數控機床採用成組技術進行零件的加工，可擴大批量、減少編程量、提高經濟效益。在成組加工中，將零件進行分類，對這一類零件編制加工程序，而不需要對每一個零件都編一個程序。在加工同一類零件只是尺寸不同時，使用用戶宏的主要方便之處是可以用變量代替具體數值，到實際加工時，只需將此零件的實際尺寸數值用用戶宏命令賦與變量即可。