NC (Numerical Control,數(shù)字控制,簡稱數(shù)控),指用離散的數(shù)字信息控制機械等裝置的運行 ， 只能由操作者自己編程CNCCNC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 ， 其中運算速度更快捷的CPU是CNC技術(shù)發(fā)展的核心 。CPU的改進不僅僅是運算速度的提高 ， 而且速度本身也涉及到了其它方面CNC技術(shù)的改進 。正因為近幾年CNC技術(shù)發(fā)生了如此大的變化 ， 才值得我們對當(dāng)前CNC技術(shù)在模具制造業(yè)的應(yīng)用情況作一個綜述 。
程序塊處理時間及其它由于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)實現(xiàn)的不僅僅是更高的程序處理速度 。事實上 ， 一個能夠以相當(dāng)高的速度處理零件加工程序的系統(tǒng)在運行過程中也有可能象一個低速處理系統(tǒng) ， 因為即使是功能完備的CNC系統(tǒng)也存在著一些潛在的問題 ， 這些問題有可能成為限制加工速度的瓶頸 。目前大多數(shù)模具廠都意識到高速加工需要的不僅僅是較短的加工程序處理時間 。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彎道 。在采用高進給速度加工模具的過程中 ， 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 ， 車手對其他車手動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 ， 動作的連貫性 ， 能否熟練地剎車、加速等對車手的臨場表現(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/減速來代替突然變速 ， 以保證機床的平穩(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)動機的功率類似于CNC的驅(qū)動裝置和電機 ， 賽車的重量可以和機床中運動構(gòu)件的重量相提并論 ， 賽車的剛度和強度則類似于機床的強度和剛度 。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 。過去只有高檔的CNC才能在高速切削的同時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 。過去 ， 限制模具加工最高進給速度的因素是CNC ， 今天則是機床的機械結(jié)構(gòu) 。在機床已處于性能極限的情況下 ， 更好的CNC也不會使性能再提高 。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 該項技術(shù)采用沿曲線插補的方式 ， 而不是采用一系列短直線來擬合曲線 。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軟件都提供了一個選項 ， 即生成NURBS插補格式的零件程序 。同時 ， 功能強大的CNC還提供了五軸插補功能以及與此相關(guān)的特性 。這些性能提高了表面精加工的質(zhì)量 ， 改善了電機運行的平穩(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)向機床主軸傳遞運動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 ， 可使電機運行得更平穩(wěn) 。電機運行的平穩(wěn)使得一些機床能夠在床身振動不加大的前提下 ， 以更高的加速度運行 。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)別開來 ?？偟膩碇v ， CNC就是通過加工軌跡監(jiān)控來實現(xiàn)對程序的預(yù)處理 ， 以此來確保能獲得更優(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)量從兩個到上百個不等 ， 這主要取決于零件程序的最短加工時間和加速/減速的時間常數(shù) 。一般而言 ， 要想滿足加工要求 ， 至少需要十五個待加工軌跡監(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)機床制造商都選擇該系統(tǒng)作為機床的伺服控制系統(tǒng) 。使用該系統(tǒng)后 ， CNC能夠更及時地控制伺服系統(tǒng) ， 而且CNC對機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 ， 從而降低電機溫升 。這樣 ， 不僅可以延長電機的壽命 ， 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 ， 因此通過通訊鏈路 ， CNC可獲得更多的電機和驅(qū)動裝置的工作信息 。這可提高機床的維護性能 。3) 連續(xù)的位置反饋允許在高速進給的情況下進行高精度的加工 。CNC運算速度的加快使得位置反饋的速率成為制約機床運行速度的瓶頸 。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 ， 反饋速度受到信號類型的制約 。采用串行反饋 ， 這一問題將得到很好的解決 。即使機床以很高的速度運行 ， 也可達(dá)到精密的反饋精度 。6. 直線電機 近幾年來 ， 直線電機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 ， Fanuc公司至少已經(jīng)安裝了1000臺直線電機 。GE Fanuc的一些先進技術(shù)使得機床上的直線電機的最大輸出力為15,500N ， 最大加速度為30g 。另一些先進技術(shù)的應(yīng)用使機床的尺寸得以減小 ， 重量得以減輕 ， 冷卻效率大為提高 。所有這些技術(shù)上的進步使直線電機在與旋轉(zhuǎn)電機相比時 ， 優(yōu)勢更強：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)部的動態(tài)制動 。外部附加特性：開放式CNC系統(tǒng) 采用開放式 CNC系統(tǒng)的機床發(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)多種類型的開放式CNC結(jié)構(gòu) 。絕大多數(shù)的開放式系統(tǒng)將標(biāo)準(zhǔn)的PC機的開放性與傳統(tǒng)CNC的功能相結(jié)合 。這樣做最大的好處在于：即使機床的硬件已經(jīng)過時 ， 開放式的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 ， 模具車間使用的開放式CNC系統(tǒng)具有以下這些常用的功能選擇：價格低廉的網(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、刀具序列號閱讀器和/或托盤序列號系統(tǒng)的接口；保存和編輯大量零件程序的功能；存儲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 。最后一點極為重要 。因為模具加工對操作簡單的CNC 的需求越來越大 。在這個概念中 ， 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 ， 不同機床的操作人員必須分開培訓(xùn) ， 因為不同類型的機床 ， 以及不同制造商生產(chǎn)的機床使用的CNC界面都不相同 。開放式CNC系統(tǒng)為整個車間使用同一個CNC控制界面創(chuàng)造了機會 ?，F(xiàn)在 ， 機床的所有者即使不懂C語言 ， 也可以為CNC操作設(shè)計自己的界面了 。此外 ， 開放式系統(tǒng)的控制器允許根據(jù)個人的需要 ， 設(shè)定不同的機器運轉(zhuǎn)方式 。這樣操作者、編程人員和維修者可按自己的要求進行設(shè)置 。在使用時 ， 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面顯示 ， 有助于簡化CNC操作 。五軸加工 在制造復(fù)雜模具的過程中 ， 五軸加工的應(yīng)用變得越來越廣 。使用五軸加工 ， 可以減少加工一個零件所需的工裝或/和機床的數(shù)量 ， 加工過程所需的設(shè)備數(shù)量將被減至最低 ， 與此同時也降低了總的加工時間 。CNC的功能越來越強 ， 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 。對于那些從未使用過五軸加工技術(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：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 ， 這樣經(jīng)過后處理的程序可以在不同機床之間互換使用；提高精加工的質(zhì)量；可用于不同結(jié)構(gòu)的機床 ， 這樣就不必在程序中說明是主軸還是工件在繞中心點轉(zhuǎn)動 。因為這將由CNC 的參數(shù)來解決 。我們可以用球形銑刀的補償?shù)睦觼碚f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 ， 為了準(zhǔn)確地補償球形銑刀的偏置 ， CNC必須能夠在X、Y、Z三個方向動態(tài)地調(diào)整刀具的補償量 。保證刀具切觸點的連續(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 ， 原來Z軸方向的刀具長度偏置將被分成X、Y、Z三個方向的分量 。另外 ， 原來X、Y軸方向的工具直徑偏置也被分為X、Y、Z軸三個方向的分量 。由于在切削工程中 ， 刀具可以沿旋轉(zhuǎn)軸方向做進給運動 ， 所有這些偏置必須動態(tài)更新 ， 以便說明連續(xù)變化的刀具的方位 。CNC另一項被稱為“刀具中心點編程”的特性 ， 允許編程人員定義刀具的路徑和中心點速度 ， CNC通過旋轉(zhuǎn)軸和直線軸方向的命令來保證刀具按照程序運動 。這一特性使得刀具的中心點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 ， 還可以通過再一次后置程序來說明刀具長度的改變 。這種通過使主軸旋轉(zhuǎn)來實現(xiàn)轉(zhuǎn)軸的運動特性簡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 ， 機床也可以獲得旋轉(zhuǎn)運動 。新研制的CNC能夠通過動態(tài)地調(diào)整固定偏置和旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)軸來配合零件的運動 。當(dāng)操作人員采用手動方式來實現(xiàn)機床的慢速進給時 ， 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給 ， 在沒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床的過程中 ， 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床可能會更普遍 。
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