NC
(Numerical Control,數(shù)字控制,簡(jiǎn)稱數(shù)控),指用離散的數(shù)字信息控制機(jī)械等裝置的運(yùn)行，只能由操作者自己編程。
CNC
CNC技術(shù)應(yīng)用
CNC技術(shù)的發(fā)展相當(dāng)迅速，這大大提高了模具加工的生產(chǎn)率，其中運(yùn)算速度更快捷的CPU是CNC技術(shù)發(fā)展的核心。CPU的改進(jìn)不僅僅是運(yùn)算速度的提高，而且速度本身也涉及到了其它方面CNC技術(shù)的改進(jìn)。正因?yàn)榻鼛啄闏NC技術(shù)發(fā)生了如此大的變化，才值得我們對(duì)當(dāng)前CNC技術(shù)在模具制造業(yè)的應(yīng)用情況作一個(gè)綜述。
程序塊處理時(shí)間及其它由于CPU處理速度的提高，以及CNC制造商將高速度CPU應(yīng)用到高度集成化的CNC系統(tǒng)中， CNC的性能有了顯著的改善。反應(yīng)更快、更靈敏的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的不僅僅是更高的程序處理速度。事實(shí)上，一個(gè)能夠以相當(dāng)高的速度處理零件加工程序的系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中也有可能象一個(gè)低速處理系統(tǒng)，因?yàn)榧词故枪δ芡陚涞腃NC系統(tǒng)也存在著一些潛在的問(wèn)題，這些問(wèn)題有可能成為限制加工速度的瓶頸。
目前大多數(shù)模具廠都意識(shí)到高速加工需要的不僅僅是較短的加工程序處理時(shí)間。在很多方面，這種情況和賽車的駕駛很相似。速度最快的賽車就一定能贏得比賽嗎？即使是一個(gè)偶爾才觀看車賽的觀眾都知道除速度以外，還有許多因素影響著比賽的結(jié)果。
首先，車手對(duì)于賽道的了解程度很重要：他必須知道何處有急轉(zhuǎn)彎，以便能恰如其分地減速，從而安全高效地通過(guò)彎道。在采用高進(jìn)給速度加工模具的過(guò)程中，CNC中的待加工軌跡監(jiān)控技術(shù)可預(yù)先獲取銳曲線出現(xiàn)的信息，這一功能起著同樣的作用。
同樣的，車手對(duì)其他車手動(dòng)作以及不可確定因素的反應(yīng)靈敏程度與CNC中的伺服反饋的次數(shù)類似。CNC中伺服反饋主要包括位置反饋、速度反饋和電流反饋。
當(dāng)車手駕車?yán)@賽道行駛時(shí)，動(dòng)作的連貫性，能否熟練地剎車、加速等對(duì)車手的臨場(chǎng)表現(xiàn)有著非常重要的影響。同樣地，CNC系統(tǒng)的鐘形加速/減速和待加工軌跡監(jiān)控功能利用緩慢加速/減速來(lái)代替突然變速，以保證機(jī)床的平穩(wěn)加速。
除此以外，賽車和CNC系統(tǒng)還有其它相似的地方。賽車發(fā)動(dòng)機(jī)的功率類似于CNC的驅(qū)動(dòng)裝置和電機(jī)，賽車的重量可以和機(jī)床中運(yùn)動(dòng)構(gòu)件的重量相提并論，賽車的剛度和強(qiáng)度則類似于機(jī)床的強(qiáng)度和剛度。CNC修正特定路徑誤差的能力與車手具備的將賽車控制在車道內(nèi)的能力極其相似。
另一個(gè)與目前CNC相似的情況是，那些速度不是最快的賽車往往需要技術(shù)全面的車手。過(guò)去只有高檔的CNC才能在高速切削的同時(shí)保證較高的加工精度。如今，中、低檔的CNC所具備的功能也有可能令人滿意地完成工作。雖然高檔CNC具備目前所能獲得的最佳性能，但也存在著這種可能，即你所使用的低檔CNC具有與同類產(chǎn)品中高檔CNC一樣的加工特性。過(guò)去，限制模具加工最高進(jìn)給速度的因素是CNC，今天則是機(jī)床的機(jī)械結(jié)構(gòu)。在機(jī)床已處于性能極限的情況下，更好的CNC也不會(huì)使性能再提高。
CNC系統(tǒng)的內(nèi)在特性
以下是目前模具加工過(guò)程中的一些基本的CNC特性：
1. 曲線曲面的非均勻有理B樣條(NURBS)插補(bǔ)
該項(xiàng)技術(shù)采用沿曲線插補(bǔ)的方式，而不是采用一系列短直線來(lái)擬合曲線。這一技術(shù)的應(yīng)用已經(jīng)相當(dāng)普遍。許多模具行業(yè)目前使用的CAM軟件都提供了一個(gè)選項(xiàng)，即生成NURBS插補(bǔ)格式的零件程序。同時(shí)，功能強(qiáng)大的CNC還提供了五軸插補(bǔ)功能以及與此相關(guān)的特性。這些性能提高了表面精加工的質(zhì)量，改善了電機(jī)運(yùn)行的平穩(wěn)度，提高了切削速度，并使零件加工程序更小。
2. 更小的指令單位
大多數(shù)的CNC系統(tǒng)向機(jī)床主軸傳遞運(yùn)動(dòng)和定位指令的單位不小于1微米。在充分利用CPU處理能力提高這一優(yōu)勢(shì)后，一些CNC系統(tǒng)的最小指令單位甚至可達(dá)到1納米(0.000001mm)。在指令單位縮小1000倍后，可獲得更高的加工精度，可使電機(jī)運(yùn)行得更平穩(wěn)。電機(jī)運(yùn)行的平穩(wěn)使得一些機(jī)床能夠在床身振動(dòng)不加大的前提下，以更高的加速度運(yùn)行。
3. 鐘形曲線加速/減速
也稱作為S曲線加速/減速，或爬行控制。與使用直線加速方式相比，這種方式可使機(jī)床獲得更好的加速效果。與其它加速方式相比，也包括直線方式和指數(shù)方式，采用鐘形曲線方式可獲得更小的定位誤差。
4. 待加工軌跡監(jiān)控
這一技術(shù)已被廣泛使用，該技術(shù)具有眾多性能差異，使其在低檔控制系統(tǒng)中的工作方式與高檔控制系統(tǒng)中的工作方式得以區(qū)別開(kāi)來(lái)。總的來(lái)講， CNC就是通過(guò)加工軌跡監(jiān)控來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)程序的預(yù)處理，以此來(lái)確保能獲得更優(yōu)異的加速/減速控制。根據(jù)不同的CNC的性能，待加工軌跡監(jiān)控所需的程序塊數(shù)量從兩個(gè)到上百個(gè)不等，這主要取決于零件程序的最短加工時(shí)間和加速/減速的時(shí)間常數(shù)。一般而言，要想滿足加工要求，至少需要十五個(gè)待加工軌跡監(jiān)控程序塊。
5. 數(shù)字伺服控制
數(shù)字伺服系統(tǒng)的發(fā)展如此迅速，以至于大多數(shù)機(jī)床制造商都選擇該系統(tǒng)作為機(jī)床的伺服控制系統(tǒng)。使用該系統(tǒng)后，CNC能夠更及時(shí)地控制伺服系統(tǒng)，而且CNC對(duì)機(jī)床的控制也變得更精確。
數(shù)字伺服系統(tǒng)的作用如下：
1) 將提高電流環(huán)路的采樣速度，再加上電流環(huán)控制的改善，從而降低電機(jī)溫升。這樣，不僅可以延長(zhǎng)電機(jī)的壽命，還可以減少傳遞到滾珠絲杠的熱量，從而提高絲杠的精度。除此之外，采樣速度的加快還可以提高速度回路的增益，這些都有助于提高機(jī)床的整體性能。
2) 由于許多新的CNC使用高速序列與伺服回路相連，因此通過(guò)通訊鏈路，CNC可獲得更多的電機(jī)和驅(qū)動(dòng)裝置的工作信息。這可提高機(jī)床的維護(hù)性能。
3) 連續(xù)的位置反饋允許在高速進(jìn)給的情況下進(jìn)行高精度的加工。CNC運(yùn)算速度的加快使得位置反饋的速率成為制約機(jī)床運(yùn)行速度的瓶頸。在傳統(tǒng)的反饋方式中，隨著CNC和電子設(shè)備的外部編碼器的采樣速度的變化，反饋速度受到信號(hào)類型的制約。采用串行反饋，這一問(wèn)題將得到很好的解決。即使機(jī)床以很高的速度運(yùn)行，也可達(dá)到精密的反饋精度。
6. 直線電機(jī)
近幾年來(lái)，直線電機(jī)的工作性能和歡迎度有了顯著的提高，所以很多加工中心采用了這一裝置。至今，F(xiàn)anuc公司至少已經(jīng)安裝了1000臺(tái)直線電機(jī)。GE Fanuc的一些先進(jìn)技術(shù)使得機(jī)床上的直線電機(jī)的最大輸出力為15,500N，最大加速度為30g。另一些先進(jìn)技術(shù)的應(yīng)用使機(jī)床的尺寸得以減小，重量得以減輕，冷卻效率大為提高。所有這些技術(shù)上的進(jìn)步使直線電機(jī)在與旋轉(zhuǎn)電機(jī)相比時(shí)，優(yōu)勢(shì)更強(qiáng)：更高的加/減速率；更準(zhǔn)確的定位控制，更高的剛度；更高的可靠性；內(nèi)部的動(dòng)態(tài)制動(dòng)。
外部附加特性：開(kāi)放式CNC系統(tǒng)
采用開(kāi)放式 CNC系統(tǒng)的機(jī)床發(fā)展非常迅速。目前可供選擇的通訊系統(tǒng)的通訊速度都較高，因而出現(xiàn)多種類型的開(kāi)放式CNC結(jié)構(gòu)。絕大多數(shù)的開(kāi)放式系統(tǒng)將標(biāo)準(zhǔn)的PC機(jī)的開(kāi)放性與傳統(tǒng)CNC的功能相結(jié)合。這樣做最大的好處在于：即使機(jī)床的硬件已經(jīng)過(guò)時(shí)，開(kāi)放式的CNC仍然允許其性能隨現(xiàn)有技術(shù)和加工要求改變。借助于其它軟件，還可以向開(kāi)放式CNC中添加其它功能。這些性能可以是與模具加工密切相關(guān)的，也可以是與模具加工關(guān)系不大的。通常情況下，模具車間使用的開(kāi)放式CNC系統(tǒng)具有以下這些常用的功能選擇：
價(jià)格低廉的網(wǎng)絡(luò)通訊；
以太網(wǎng)；
自適應(yīng)控制功能；
可供連接條形碼閱讀器、刀具序列號(hào)閱讀器和/或托盤(pán)序列號(hào)系統(tǒng)的接口；
保存和編輯大量零件程序的功能；
存儲(chǔ)程序控制信息的采集；
文件處理功能；
CAD/CAM技術(shù)的集成和車間規(guī)劃；
通用的操作界面。
最后一點(diǎn)極為重要。因?yàn)槟＞呒庸?duì)操作簡(jiǎn)單的CNC 的需求越來(lái)越大。在這個(gè)概念中，最重要就是不同的CNC具有相同的操作界面。就一般情況而言，不同機(jī)床的操作人員必須分開(kāi)培訓(xùn)，因?yàn)椴煌愋偷臋C(jī)床，以及不同制造商生產(chǎn)的機(jī)床使用的CNC界面都不相同。開(kāi)放式CNC系統(tǒng)為整個(gè)車間使用同一個(gè)CNC控制界面創(chuàng)造了機(jī)會(huì)。
現(xiàn)在，機(jī)床的所有者即使不懂C語(yǔ)言，也可以為CNC操作設(shè)計(jì)自己的界面了。此外，開(kāi)放式系統(tǒng)的控制器允許根據(jù)個(gè)人的需要，設(shè)定不同的機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)方式。這樣操作者、編程人員和維修者可按自己的要求進(jìn)行設(shè)置。在使用時(shí)，屏幕上只出現(xiàn)他們需要的特定信息。采用這樣的方式可減少不必要的頁(yè)面顯示，有助于簡(jiǎn)化CNC操作。
五軸加工
在制造復(fù)雜模具的過(guò)程中，五軸加工的應(yīng)用變得越來(lái)越廣。使用五軸加工，可以減少加工一個(gè)零件所需的工裝或/和機(jī)床的數(shù)量，加工過(guò)程所需的設(shè)備數(shù)量將被減至最低，與此同時(shí)也降低了總的加工時(shí)間。CNC的功能越來(lái)越強(qiáng)，這使得CNC制造商能夠提供更多的五軸特性。
從前只有高檔CNC才具備的功能，如今也被用在中檔產(chǎn)品上。對(duì)于那些從未使用過(guò)五軸加工技術(shù)的廠家而言，這些特性的應(yīng)用使得五軸加工變得更簡(jiǎn)單。將目前的CNC技術(shù)用于五軸加工，使得五軸加工具備以下優(yōu)勢(shì)：
減少專用工具的需求；
允許在完成零件程序后再設(shè)定刀具的偏置；
支持通用程序的設(shè)計(jì)，這樣經(jīng)過(guò)后處理的程序可以在不同機(jī)床之間互換使用；
提高精加工的質(zhì)量；
可用于不同結(jié)構(gòu)的機(jī)床，這樣就不必在程序中說(shuō)明是主軸還是工件在繞中心點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)。因?yàn)檫@將由CNC 的參數(shù)來(lái)解決。
我們可以用球形銑刀的補(bǔ)償?shù)睦觼?lái)說(shuō)明為何五軸特別適用于模具加工。在零件和刀具繞中樞軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，為了準(zhǔn)確地補(bǔ)償球形銑刀的偏置，CNC必須能夠在X、Y、Z三個(gè)方向動(dòng)態(tài)地調(diào)整刀具的補(bǔ)償量。保證刀具切觸點(diǎn)的連續(xù)，有利于提高精加工的質(zhì)量。
此外，五軸CNC的用途還表現(xiàn)在：與繞主軸旋轉(zhuǎn)刀具相關(guān)的特性，與繞主軸旋轉(zhuǎn)零件相關(guān)的特性，以及允許操作者采用手動(dòng)方式改變刀具矢量的特性。
當(dāng)采用刀具的中軸線作為回轉(zhuǎn)軸線時(shí)，原來(lái)Z軸方向的刀具長(zhǎng)度偏置將被分成X、Y、Z三個(gè)方向的分量。另外，原來(lái)X、Y軸方向的工具直徑偏置也被分為X、Y、Z軸三個(gè)方向的分量。由于在切削工程中，刀具可以沿旋轉(zhuǎn)軸方向做進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，所有這些偏置必須動(dòng)態(tài)更新，以便說(shuō)明連續(xù)變化的刀具的方位。
CNC另一項(xiàng)被稱為“刀具中心點(diǎn)編程”的特性，允許編程人員定義刀具的路徑和中心點(diǎn)速度，CNC通過(guò)旋轉(zhuǎn)軸和直線軸方向的命令來(lái)保證刀具按照程序運(yùn)動(dòng)。這一特性使得刀具的中心點(diǎn)不再隨刀具的變化而變化，這也意味著：在五軸加工中可以象三軸加工一樣直接輸入刀具的偏置，還可以通過(guò)再一次后置程序來(lái)說(shuō)明刀具長(zhǎng)度的改變。這種通過(guò)使主軸旋轉(zhuǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)軸的運(yùn)動(dòng)特性簡(jiǎn)化了刀具的編程后置處理。
利用同樣的功能，使工件繞中樞軸旋，機(jī)床也可以獲得旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。新研制的CNC能夠通過(guò)動(dòng)態(tài)地調(diào)整固定偏置和旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)軸來(lái)配合零件的運(yùn)動(dòng)。當(dāng)操作人員采用手動(dòng)方式來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)床的慢速進(jìn)給時(shí)，CNC系統(tǒng)同樣起著重要的作用。新研制的CNC系統(tǒng)同樣允許軸沿著刀具向量的方向緩慢進(jìn)給，在沒(méi)有刀尖位置變化的前提下，還允許改變刀尖向量的方向(參看上面的插圖)。
這些特性使得操作人員在使用五軸加工機(jī)床的過(guò)程中，能夠很容易地使用目前在模具業(yè)廣泛使用的3+2編程法。然而，隨著新的五軸加工功能的逐漸發(fā)展和這種功能逐浙被接受，真正的五軸模具加工機(jī)床可能會(huì)更普遍。
