Die Geschichte der CNC-Maschinen

CNC bedeutet wörtlich Computer-Numerische Steuerung. Im weitesten Sinne kann jede computernumerisch gesteuerte Maschine als a bezeichnet werden CNC-Maschine. Zum Beispiel CNC-Stanzmaschinen, CNC-Laserschneidmaschinen usw. In diesem Artikel geht es um die Geschichte der CNC-Fräsmaschinen bzw. Bearbeitungszentren. In der verarbeitenden Industrie gibt es keinen bestimmten Werkzeugmaschinentyp. Wenn nur von CNC die Rede ist, sind damit CNC-Fräsmaschinen (Bearbeitungszentren) gemeint.

Vor dem Aufkommen der CNC-Maschine, bereits im 15. Jahrhundert, erschienen frühe Werkzeugmaschinen, 1774 in Großbritannien John Wilkinson Erfand eine Art Rohrbohrmaschine, die als weltweit erste echte Werkzeugmaschine gilt und die Probleme bei der Zylinderverarbeitung der Wattdampfmaschine löste. Im 18. Jahrhundert tauchten nacheinander verschiedene Arten von Werkzeugmaschinen auf, und eine rasante Entwicklung wie Gewindedrehmaschinen, Portalwerkzeugmaschinen, Horizontalfräsmaschinen, Wälzfräsmaschinen usw. war für die industrielle Revolution und die Etablierung der modernen Industrie entscheidend die Grundlage für die Herstellung von Werkzeugen.

Die erste CNC-Maschine

Der Ursprung der Sache liegt in der Bearbeitung der Tragflächenkurve. Unterschiedliche Tragflächenkurven weisen bei verschiedenen Fluggeschwindigkeiten unterschiedliche Auftriebs-, Widerstands-, Strömungsabrisswinkel usw. auf. Die Bearbeitung von Rotorblättern oder Flugzeugflügeln mit spezifischen Profilkurven und -formen war eine große Herausforderung. Die Herstellung solch komplizierter Teile mit einer manuellen Fräsmaschine ist mühsam und ungenau.

Die Geschichte beginnt mit John T. Parsons, ein Ingenieur und Erfinder, dem als Pionier des Konzepts der numerischen Steuerung zugeschrieben wird. Im Jahr 1949 entwickelte Parsons zusammen mit seinem Mitarbeiter Frank Stulen ein System, das Folgendes nutzte Lochkarten um die Bewegungen von Werkzeugmaschinen zu steuern. Dieses System legte den Grundstein für das, was später als Computer Numerische Steuerung (CNC) bekannt wurde.

Lochkarten

Andererseits wurde die Lochkarte erstmals 1725 erfunden Basile Bouchon, ein französischer Weber, der eine Methode zur Steuerung eines Webstuhls durch eine Reihe gestanzter Löcher mithilfe von auf einem Papierband codierten Daten erfand. Obwohl bahnbrechend, war die Methode fragil und erforderte immer noch einen Bediener. Im Jahr 1805 übernahm Joseph Marie Jacquard das Konzept, verbesserte und vereinfachte es jedoch, indem er robustere Karten nacheinander stanzte, um den Vorgang zu automatisieren.

MIT, das Massachusetts Institute of Technology, spielte eine bedeutende Rolle in der Geschichte. Parsons, ein Absolvent des MIT, arbeitete mit dem Servomechanisms Laboratory der Universität zusammen, um sein numerisches Steuerungssystem weiterzuentwickeln und zu verfeinern. Gemeinsam führten sie Forschungen und Experimente durch, um die Fähigkeiten und Funktionalität von NC-Maschinen zu verbessern.

Mit der Unterstützung und dem Fachwissen des MIT verfeinerte Parsons sein numerisches Steuerungssystem weiter und erzielte so bedeutende Fortschritte auf diesem Gebiet. Die Partnerschaft zwischen Parsons und MIT führte zur Gründung des ersten kommerziellen NC-Werkzeugmaschinenunternehmens, der Parsons Corporation.

Die damalige NC-Maschine (Numerical Control) ist noch keine CNC-Maschine (Computer Numerical Control). Die Computersysteme der 1940er und 1950er Jahre verwendeten Lochkarten als primäre Eingabemethode. Die Bediener erstellten Programme und Daten auf Lochkarten, die dann zur Verarbeitung in den Computer eingegeben wurden. Deshalb hieß die „automatische“ Maschine damals „NC“ und nicht „CNC“. In den späten 1950er und frühen 1960er Jahren begannen Tastaturen und Bildschirme, auch Konsolen oder Terminals genannt, Lochkarten für bestimmte Aufgaben zu ersetzen.

Der Begriff „CNC“ selbst wurde in den 1970er Jahren häufiger verwendet, als die Computertechnologie und Miniaturisierung ein Niveau erreichten, das die direkte Integration von Computern in Werkzeugmaschinen ermöglichte. Diese Integration stellte einen bedeutenden Meilenstein in der Geschichte der CNC-Maschinen dar, führte zu ihrer weiten Verbreitung und revolutionierte die Fertigungsindustrie.

Die Entwicklungsgeschichte von CNC-Maschinen

Frühe Entwicklungen (1940er-1950er):

Das Konzept der Numerical Control (NC) nahm 1949 Gestalt an, als John T. Parsons, ein früher Computerpionier, es während eines Forschungsprojekts der Air Force am MIT entwickelte. Ziel des Projekts war es, motorisierte Achsen für die Herstellung von Hubschrauberblättern und Flugzeughäuten zu entwickeln.

Die Parsons Corporation in Traverse City, Michigan, ging der MIT-Zusammenarbeit voraus, indem sie einen IBM 602A-Multiplikator zur Berechnung der Tragflächenkoordinaten verwendete. Die Daten wurden dann mithilfe von Lochkarten in einen Schweizer Stichbohrer eingespeist. Dies markierte die Anfänge der CNC-Maschinenprogrammierung.

1952 stellte Richard Kegg in Zusammenarbeit mit dem MIT die Cincinnati Hydro-Tel vor, eine Konturfräsmaschine mit vertikaler Spindel. Der kommerzielle Start erfolgte mit einem Patent für ein „Motorgesteuertes Gerät mit Positioniermaschine“. Der erste Prototyp nutzte ein achtspaltiges Papierband, einen Bandleser und ein elektronisches Vakuumröhren-Steuerungssystem und bereitete damit die Voraussetzungen für zukünftige Fortschritte.

In den 1940er und 1950er Jahren nutzten die ersten CNC-Maschinen Lochstreifen, eine Technologie, die häufig in der Telekommunikation und Datenspeicherung eingesetzt wird. Dies wurde später durch analoge Computertechnologien ersetzt. In den 1960er und 1970er Jahren entstanden digitale Technologien, die zu automatisierten und effizienteren Produktionsabläufen führten.

Parsons erhielt Anerkennung für seine frühen Beiträge. 1968 wurde er mit dem ersten Joseph Marie Jacquard Memorial Award der Numerical Control Society geehrt. Die Society of Manufacturing Engineers verlieh ihm 1975 außerdem eine Ehrenplakette, in der sie ihn zum „Vater der zweiten industriellen Revolution“ ernannte.

Wegweisende CNC-Technologie (1950er-1960er Jahre):

In den 1950er Jahren leistete das Massachusetts Institute of Technology (MIT) Pionierarbeit für weitere Fortschritte in der numerischen Steuerungstechnologie. John T. Parsons entwickelte zusammen mit dem MIT-Ingenieur Frank L. Stulen das Konzept des „numerisch gesteuerten Fräsens“ und baute die erste Fräsmaschine, die durch auf einer Lochkarte gespeicherte Daten gesteuert wurde.

CNC entsteht (1960er-1970er Jahre):

Dank der elektronischen Steuerung sind solche Szenarien heute höchst unwahrscheinlich und die Ergebnisse der CNC-Bearbeitung sind vorhersehbarer. CNC-Maschinen sind vielseitig einsetzbar und können mit verschiedenen Materialien arbeiten, darunter Metalle, Holz, Kunststoffe, Glasfaser und Schaumstoff.

Darüber hinaus wurden innovative Bearbeitungstechniken basierend auf den Prinzipien der CNC-Bearbeitung entwickelt. Zu diesen Methoden gehören die Elektronenstrahlbearbeitung, die elektrische Entladungsbearbeitung und die fotochemische Bearbeitung. Die Wahl der Technik hängt oft vom Material ab, das im Massenproduktionsprozess verwendet wird. Darüber hinaus sind Laser-, Autogen-, Wasserstrahl- und Plasmaschneidmaschinen in der Industrie weit verbreitet.

Branchenakzeptanz (1980er-1990er Jahre):

In den 1980er und 1990er Jahren setzte sich die CNC-Technologie in der Fertigungsindustrie weit verbreitet durch. Die Entwicklung von Mikroprozessoren, verbesserte Software und die zunehmende Erschwinglichkeit von Computern machten CNC-Maschinen für kleinere Unternehmen zugänglicher. CNC-Maschinen ersetzten zunehmend traditionelle manuelle und mechanisch automatisierte Maschinen und boten eine höhere Genauigkeit, Wiederholbarkeit und Flexibilität.

Fortschritte in der Automatisierung (2000er-2010er):

Das 21. Jahrhundert brachte weitere Fortschritte in der CNC-Technologie. Bearbeitungszentren, Drehmaschinen und andere CNC-Maschinen wurden zunehmend in Robotersysteme integriert, um die Automatisierung zu verbessern. Diese Integration ermöglichte eine „Lights-out“-Fertigung, bei der Maschinen über längere Zeiträume unbeaufsichtigt laufen konnten, was die Produktivität steigerte und die Arbeitskosten senkte.

Ein wichtiger Wendepunkt im Verlauf der Entwicklung

Lassen Sie uns auf den magischen Prozess zurückblicken. Aufgrund der CNC-Werkzeugmaschinen und der CNC-Technologie sind zu Beginn mehrere wichtige Funktionen entstanden – digitale Steuerungsideen und -methoden, Kombination aus „Software und Hardware“, „Mechanik, Elektrik und Steuerung“. „Information“ ist eine multidisziplinäre Schnittstelle, und daher stehen die daraus resultierenden großen Fortschritte bei CNC-Werkzeugmaschinen und CNC-Technologie in direktem Zusammenhang mit der Entwicklung der elektronischen Technologie und der Informationstechnologie (Abbildung 2).

Das früheste numerische Steuergerät ist die Verwendung elektronischer Vakuumröhren, die eine Recheneinheit bilden. Im 20. Jahrhundert wurde die Kristallröhre Ende der 40er Jahre erfunden, Ende der 50er Jahre integrierte Schaltkreise eingeführt und Anfang der 60er Jahre auf den Markt gebracht Verwendung integrierter Schaltkreise und hochintegrierter Schaltkreise elektronischer Digitalcomputer, Computer in der arithmetischen Rechenleistung, Miniaturisierung und Zuverlässigkeit von Durchbrüchen bei der Entwicklung numerischer Steuerungsmaschinen für die Entwicklung der erster Wendepunkt — Digitale Steuerung (NC), basierend auf diskreten Komponenten, bis hin zur computergestützten numerischen Steuerung (CNC), CNC-Werkzeugmaschinen haben begonnen, in die tatsächlichen industriellen Produktionsanwendungen Einzug zu halten.

In den 1980er Jahren brachte IBM einen persönlichen Mikrocomputer (Personal Computer, PC) mit einem 16-Bit-Mikroprozessor auf den Markt, der das brachte zweiter Wendepunkt bis hin zur CNC-Werkzeugmaschinentechnik – von der Vergangenheit über die Entwicklung von Spezialherstellern von CNC-Geräten (einschließlich Hard- und Software) bis hin zum Einsatz universeller PC-basierter Computer. Auf dem Weg zur Verwendung einer universellen PC-basierten numerischen Computersteuerung wurde gleichzeitig die offene Struktur des CNC-Systems geboren, die die CNC-Technologie auf ein höheres Maß an Digitalisierung, Netzwerkentwicklung, Hochgeschwindigkeitswerkzeugmaschinen und Werkzeugmaschinen mit virtuellen Achsen beförderte. Verbundwerkstoffverarbeitungsmaschinen und andere neue Technologien, schnelle Iteration und Anwendung.

Seit dem 21. Jahrhundert beginnt auch die intelligente CNC-Technologie zu sprießen, derzeit mit der Entwicklung einer neuen Generation von Informationstechnologie und einer neuen Generation von Technologien für künstliche Intelligenz, intelligenter Sensorik, Internet der Dinge, Big Data, digitalen Zwillingen und Cyber-Physical Systeme, Cloud Computing und künstliche Intelligenz sowie andere neue Technologien mit der Tiefe der Kombination von numerischer Steuerungstechnologie und CNC-Technologie werden einen neuen Wendepunkt einläuten oder sogar einen neuen Sprung bedeuten – in Richtung der cyber-physikalischen Fusion der neuen Technologie. –Auf dem Weg zur cyber-physischen Fusion einer neuen Generation intelligenter CNC [4].

Die Entwicklung der Schlüssel- und Kerntechnologien von CNC-Werkzeugmaschinen

1. Struktur von CNC-Werkzeugmaschinen

Die Werkzeugmaschinenstruktur besteht hauptsächlich aus zwei Hauptteilen: den festen Teilen der Werkzeugmaschine (wie Basis, Bett, Säule, Spindelstock usw.) und dem beweglichen Teil, der das Werkstück und das Werkzeug trägt, die heute allgemein als „Werkzeugmaschine“ bezeichnet werden Grundteile und Funktionsteile der Werkzeugmaschine.

Am Beispiel des üblichen Drehens und Fräsens ist die Entwicklung einer typischen Struktur einer CNC-Werkzeugmaschine in Abbildung 3 dargestellt.

CNC-Drehmaschinenstruktur vom frühen 2-Achsen-Vorschub-Flachbett, 2-Achsen-Vorschub-Schrägbett und anderen klassischen Strukturen bis hin zum 4-Achsen-Vorschub und Doppelwerkzeughalter, Mehrspindel- und Mehrwerkzeughalter für rotierende Teile wie z -Effiziente Struktur des Drehbearbeitungszentrums und Weiterentwicklung komplexer Teile zur Anpassung an die multifunktionale Dreh- und Fräsmaschine „eine komplett spannende (Doneinone)“-Multifunktions-Dreh- und Fräsmaschine. „Struktur eines multifunktionalen Dreh- und Fräsverbundbearbeitungszentrums.

CNC-Fräsmaschinenstruktur von Anfang an hauptsächlich realisierte Koordinatenachsenverbindung und Spindelbewegungsfunktion der klassischen vertikalen/horizontalen Fräsmaschinenstruktur, die Entwicklung der 3-Achsen-Verbindungsstruktur eines vertikalen/horizontalen Fräsbearbeitungszentrums mit Werkzeugmagazin und automatischem Werkzeugwechsler, mit der Austausch des Arbeitstisches der vertikalen/horizontalen Fräsbearbeitungszentrumsstruktur, um der Nachfrage nach hocheffizienter Bearbeitung komplexer Strukturteile gerecht zu werden, und Entstehung einer 4-Achsen-Verbindungs- und 5-Achsen-Verbindungsfräsbearbeitungszentrumsstruktur, gefolgt vom Fräsen / Struktur eines Bearbeitungszentrums zum Bohren, um die komplexen Teile „einmal gespannt, alles fertig (eins in einem)“ zu erfüllen. Multifunktionale Struktur eines komplexen Bearbeitungszentrums zum Drehen und Fräsen. Um der Nachfrage nach hocheffizienter Bearbeitung komplexer Strukturteile gerecht zu werden, sind 4-Achsen- und 5-Achsen-Fräsbearbeitungszentren entstanden, und dann die Struktur multifunktionaler Fräs-/Drehbearbeitungszentren mit Fräsen/Bohren als Hauptfunktion und Dreh-/Bohrfunktion wurde schnell entwickelt und angewendet.

Im Entwicklungsprozess der 5-Achsen-Verbindung wurde das Konzept einer parallelen virtuellen Achse vom Roboter in die CNC-Werkzeugmaschine eingeführt, und es entstanden parallele oder seriell-parallele Kombinationen von 5-Achsen-Verbindungsformen, deren praktische Anwendung jedoch begrenzt ist . Derzeit wird in derselben CNC-Werkzeugmaschine die Funktion „additive Bearbeitung + spanende Bearbeitung“ zum Hinzufügen und Subtrahieren von Materialien bei der gemischten Verarbeitung erreicht (Hybride additive-subtraktive Fertigung) Die neue Struktur der Werkzeugmaschine ist in die praktische Entwicklungsphase eingetreten.

Im Zuge der Weiterentwicklung des Strukturentwicklungsprozesses für CNC-Werkzeugmaschinen wurden auch das Strukturlayout (Konfigurationsplan, Optimierungsdesign) für CNC-Werkzeugmaschinen, die Materialauswahl und andere Aspekte der Technologie weiter vorangetrieben.

Um die Anforderungen an hohe Präzision, hohe Steifigkeit, gute thermische Stabilität, lange Lebensdauer und hohe Präzisionsbeständigkeit sowie eine umweltfreundliche und angenehme Maschinenstruktur zu erfüllen, haben Forscher das Design des Schwerpunktantriebs (Drive at the Center of Gravity, DCG) vorgeschlagen , Box-in-the-Box (BIB), Direktantrieb (IB), Direktantriebstechnologie (DDT), Wärmeausgleichsdesign und -kompensation, vollständig symmetrisches Strukturdesign und andere Designprinzipien und -technologien; in der strukturellen Gestaltung von Werkzeugmaschinen und der Optimierung der Gesamtstruktur von Teilen und Komponenten, Optimierung der Finite-Elemente-Analyse, Leichtbaukonstruktion, Optimierung der Strukturtopologie, Optimierung der bionischen Struktur und andere Methoden;

Durch die Übernahme des Konzepts und der Methode virtueller Werkzeugmaschinen wird der Entwurfs- und Herstellungszyklus von CNC-Werkzeugmaschinen erheblich verkürzt. Das Bettstrukturmaterial von CNC-Werkzeugmaschinen hat sich von Gusseisen und Stahlguss zu immer mehr Harzbeton (Mineralguss, Kunstmarmor), Kunstgranit und anderen Materialien entwickelt. Darüber hinaus wurden auch Stahlfaserbeton, Kohlefaserverbundwerkstoffe, Schaummetall und andere neue Strukturmaterialien eingesetzt.

Neue Materialien, neue optimierte Strukturen und neue Herstellungsprozessmethoden werden in Zukunft dazu führen, dass die Struktur von CNC-Werkzeugmaschinen leichter wird und eine bessere statische und dynamische Steifigkeit und Stabilität aufweist.

2. Spindel- und Vorschubservoantriebstechnologie

Die Aufgabe der Spindel besteht darin, das Schneidwerkzeug oder Schleifwerkzeug (Bohren/Fräsen/Schleifen) oder das Werkstück (Drehen) mit einer bestimmten Drehzahl anzutreiben und die zum Schneiden und Bearbeiten erforderliche Kraft und das Drehmoment auf das Schneidwerkzeug (Schleifwerkzeug) zu übertragen am Werkstück, um einen Materialabtrag zu erreichen. Der Entwicklungsprozess der CNC-Werkzeugmaschinenspindel umfasst einen nicht geschwindigkeitsgeregelten Wechselstrommotor durch die mechanische Spindel des Spindelkastenantriebs, die Motor- und Spindelintegration der Spindel, eine Hochgeschwindigkeitsspindel, eine Hochgeschwindigkeitsspindel mit hoher Steifigkeit und hohem Drehmoment sowie eine intelligente Spindel , und so weiter.

Servoantrieb der Vorschubachse der Werkzeugmaschine aus Schrittmotoren, elektrohydraulischem Proportionalservo, Thyristorstromwandler und PWM-Steuerung des Gleichstrommotorservos und anderen Formen der Entwicklung, um nun zum Mainstream-Wechselstrommotorservo mit Vektorsteuerung und dem Dual-Motor-Schwerpunktantrieb zu werden ( DCG), Linearmotor/Torquemotor-Direktantrieb und andere Formen der Entwicklung, aber auch mehr übernimmt mit der Positionsschleife, Geschwindigkeitsschleife, Stromschleife und „Feed-Forward + Filterung“ die vollständige Regelung mit geschlossenem Regelkreis, um eine Bewegungssteuerung mit hoher Geschwindigkeit zu ermöglichen Geschwindigkeit, hohe Genauigkeit und hohe Dynamik für jede Achse.

Darüber hinaus ist der Servosteuerungsmodus von der analogen Steuerung über den Hybridsteuerungsmodus „Analog + Digital“ die Entwicklung eines volldigitalen Feld-Industriebus-Steuerungsmodus, wie z. B. serieller Echtzeit-Kommunikationsprotokollbus (SERCOS) und Echtzeit Ethernet-Bus für Steuerungsautomatisierungstechnik (Ether CAT), Prozessfeldbus (PROFIBUS) usw.

Die Entwicklung von Sandvorschubantrieben für NC-Werkzeugmaschinenspindeln ist in Abbildung 4 dargestellt.

3. Numerisches Steuergerät

Das CNC-Gerät ist der Mittelpunkt der CNC-Werkzeugmaschinensteuerung. Wie bereits erwähnt, folgt das CNC-Gerät eng der Entwicklung der elektronischen Technologie, Computertechnologie und Informationstechnologie. Der Entwicklungsprozess kann in 7 Generationen unterteilt werden (Abbildung 5). Die 1., 2. und 3. Generation verwenden diskrete Röhrenkomponenten, Transistoren bzw. integrierte Schaltkreise in den frühen Phasen der Entwicklung von CNC-Geräten, Volumen und Stromverbrauch. geringe Zuverlässigkeit, schlechte Praktikabilität.

Generation 4 für den Einsatz kleiner elektronischer digitaler Computer-CNC-Geräte. Im Vergleich zu früheren Generationen ist die Hardwareplattform kompakter, Spezialisierung und Zuverlässigkeit wurden erheblich verbessert, und die CNC-Technologie wurde in die numerische Computersteuerung der neuen Spur integriert, so dass die CNC-Werkzeugmaschinen Betreten Sie die praktische Phase und beschleunigen Sie die Iteration und Entwicklung. Dies ist der erste Wendepunkt für die Entwicklung von CNC-Werkzeugmaschinen, direkter numerischer Steuerung (DNC), flexiblen Fertigungssystemen (FMS) und anderen Konzepten und Systemen.

Mit der Reife der Mikro-Zentralprozessor-Technologie mit ultragroßen integrierten Schaltkreisen wird die 5. Generation von CNC-Geräten auf Mikroprozessor-Hardware oder Einplatinencomputern als Hardwareplattform basieren, was das Hardwarevolumen und die Hardwarekosten weiter reduziert. Dennoch sind die Kompatibilität und Offenheit der Hardwarestruktur mangelhaft.

In den 1980er Jahren wurden persönliche Mikrocomputer (PCs) in die 6. CNC-Generation übernommen und markierten damit den zweiten Wendepunkt in der Entwicklung von CNC-Maschinen.

Unter Nutzung der ausgereiften Software-/Hardwareplattform des PCs, der umfangreichen Anwendungsressourcen und der gemeinsamen Netzwerkschnittstellen verlagerte sich die Forschung und Entwicklung numerischer Steuergeräte auf Softwarealgorithmen, um verschiedene Funktionen zu realisieren, d Kontrollstufe.

Mit der Entwicklung von Industrie 4.0 kommt die 7. Generation intelligenter CNC-Geräte und intelligenter Werkzeugmaschinen zu uns, die intelligente Sensorik, das Internet der Dinge/Industrielles Internet, Big Data, Cloud Computing, künstliche Intelligenz, digitale Zwillinge und Cyber-Physical Systems integrieren Dies wird einen neuen Wendepunkt in der Entwicklung der CNC-Technologie bedeuten und möglicherweise sogar eine neue Revolution mit sich bringen.

4. Mehrachsige Verknüpfungs- und Spurinterpolationstechnologie

Die Mehrachsgestänge-Steuerungstechnologie ist eine der Kerntechnologien der CNC-Werkzeugmaschinensteuerung. Die Vorschubachse der CNC-Werkzeugmaschine (einschließlich linearer Koordinatenvorschubachse und rotierender Koordinatenvorschubachse) unter der Steuerung des CNC-Geräts, die den Programmanweisungen folgt und gleichzeitig die Bewegung durchführt, wird als mehrachsige Verbindungssteuerung bezeichnet.

Hochwertige CNC-Werkzeugmaschinen verfügen im Allgemeinen über eine 3-Achsen- oder mehr als 3-Achsen-Verbindungssteuerungsfunktion, meist 4-Achsen-Verbindung oder 5-Achsen-Verbindung. Die Bewegung jeder Vorschubachse wird im Allgemeinen durch den Motor unter der Steuerung des Servoantriebs realisiert.

Daher bilden leistungsstarke Achsvorschub-Servogeräte die physikalische Grundlage für die Realisierung einer mehrachsigen Gestängesteuerung. Die mehrachsige Gestängesteuerung basiert auf dem CNC-Bearbeitungsprogramm, um die Trajektorie (d. h. den Werkzeugweg) durch Trajektorieninterpolation und Echtzeitsteuerung in jedem Servosteuerungszyklus anzugeben, um die Gestängeachse des Betriebs der inkrementellen, Echtzeitsteuerung der Verknüpfung aller Koordinatenachsen.

Auch die Trajektorieninterpolation ist eine der Kerntechnologien der CNC-Werkzeugmaschinensteuerung. Bei der Realisierung eines Interpolations-Rechengeräts (oder Softwaremoduls), das als Interpolator bezeichnet wird, nutzen moderne CNC-Werkzeugmaschinen im Allgemeinen digitale Computer über Software, um eine Trajektorieninterpolation zu erreichen. Der Entwicklungsprozess der Trajektorieninterpolationstechnologie ist in Abbildung 6 dargestellt.

Aus Sicht der realisierten Interpolationsfunktion ist die 2-Achsen-Verknüpfung von Ebenenpunktsteuerung, Ebenengeraden und Bogeninterpolation die einfachste Interpolationsfunktion;

Die 2.5-Achsen-Verbindungsinterpolation verfügt nur über eine 2-Achsen-Verbindungssteuerung, und ihre dritte Achse kann nur eine Nichtverbindungssteuerung mit den anderen 2 Achsen realisieren, sodass die Verbindungsinterpolation 3D-Kurven und gekrümmte Oberflächen verarbeiten kann, aber die Effizienz und die Anpassungsfähigkeit sind gering ist arm;

3-Achsen-Verbindungsinterpolation zusätzlich zur Realisierung der Ebenen- und Raumlinearinterpolation, Bogeninterpolationsfunktion, hochwertiges CNC-System verfügt auch über Spiralinterpolation, Parabolinterpolation und andere Funktionen;

Die 5-Achsen-Verbindungsinterpolation kann effizient und bequem sein, um eine Vielzahl komplexer Kurven- und Oberflächeninterpolationsfunktionen zu erreichen, und die Weiterentwicklung der Spline-Interpolation sowie erweiterte Geschwindigkeit, Beschleunigung, Beschleunigungsänderungsrate (Jerk) und andere Steuerfunktionen sind die Kerntechnologie der Hochgeschwindigkeits-, Hochpräzisions- und Hochdynamikreaktion auf die Kerntechnologie der Verarbeitung.

Der Autor geht davon aus, dass zukünftige CNC-Geräte auch die Funktion der freien Oberflächen-Direktinterpolation (SDI) entwickeln werden und voraussichtlich mit der auf künstlicher Intelligenz und digitalen Zwillingen basierenden Werkzeugwegplanung unter Berücksichtigung des mehrachsigen Verknüpfungsdynamikmodells kombiniert werden die Bahnfehler- und Geschwindigkeitseinschränkungen, um die Werkzeugweggenerierung und optimale Steuerung der mehrachsigen, mehrachsigen Direktbearbeitung zu erreichen, die durch das 3D-Modell gesteuert wird. Optimal gesteuerte Direktinterpolation der Mehrachsverknüpfung.

Fortschritte in der Bearbeitungseffizienz und -genauigkeit

Der kontinuierliche Fortschritt und die Anwendung fortschrittlicher Fertigungstechnologien haben die Bearbeitungszeit erheblich verkürzt und die Bearbeitungseffizienz verbessert. Abb. 7a ist ein häufig zitiertes Kurvendiagramm, das den Fortschritt der Entwicklung fortschrittlicher Fertigungstechnologien und der Bearbeitungszeit (Effizienz) darstellt. Aufgrund des Entwicklungstrends wird einerseits von 1960 bis 2020 die Gesamtbearbeitungszeit (einschließlich Schnittzeit, Nebenzeit und Vorbereitungszeit) in der Fertigungsproduktion auf 16 % der ursprünglichen Bearbeitungszeit, also der Bearbeitungseffizienz, reduziert ist deutlich gestiegen; Andererseits konvergiert das Verhältnis von „Schnittzeit, Hilfszeit und Vorbereitungszeit“ allmählich.

Um die Bearbeitungseffizienz in Zukunft zu verbessern, sollten wir uns daher nicht nur auf die Optimierung und Verbesserung der Prozessmethoden und die Erhöhung des Automatisierungsgrades konzentrieren, sondern auch die Wartezeit unter dem Gesichtspunkt der Digitalisierung, Vernetzung und Intelligenz der Produktion effektiv verkürzen Management. Abbildung 7b zeigt, dass verschiedene Werkzeugmaschinen von Taniguchi aus den 1980er Jahren bis 2020 die prognostizierte Bearbeitungsgenauigkeit erreichen können. Es ist ersichtlich, dass die Technologieentwicklung verschiedener Bearbeitungsmethoden und Werkzeugmaschinen (oder Geräte) zu einer kontinuierlichen Verbesserung der Bearbeitungsgenauigkeit geführt hat, der Bearbeitungsbereich jedoch bereits Anders als im Bereich der Herstellung integrierter Schaltkreise gibt es keinen kurzen Zyklus, der wirksam sein kann Mooresches Gesetz (IC kann die Anzahl der Transistoren alle 18 bis 24 Stunden aufnehmen), die Anzahl der Transistoren alle 18 bis 24 Stunden. (Die Anzahl der Transistoren, die auf dem IC untergebracht werden können, erhöht sich alle 1 bis 18 Monate um den Faktor 24), und seine Genauigkeitsverbesserung ist ein langer Prozess der Technologieakkumulation und kontinuierlichen Iteration (z. B. Präzisionsbearbeitung zur Verbesserung um eine Größenordnung). Genauigkeit seit mehr als 1 Jahren).

Aktuelle Trends und Zukunftsaussichten:

Im Hinblick auf den wichtigsten zukünftigen Entwicklungstrend ist der Autor der Ansicht, dass die CNC-Werkzeugmaschinentechnologie den Entwicklungstrend von hoher Leistung, Multifunktionalität, individueller Anpassung, Intelligenz und Umweltfreundlichkeit darstellt, nämlich:

1. Hochleistung

Bei der Entwicklung von CNC-Werkzeugmaschinen wurde eine höhere Bearbeitungsgenauigkeit, Schnittgeschwindigkeit, Produktivität und Zuverlässigkeit angestrebt. Zukünftige CNC-Werkzeugmaschinen werden durch die Maschinenstruktur, fortschrittliche Steuerungssysteme, effiziente mathematische Algorithmen usw. weiter optimiert, um eine schnelle und hochpräzise direkte Interpolation komplexer gekrümmter Oberflächen und eine hohe dynamische Reaktion der Servosteuerung zu erreichen; durch die digitale virtuelle Simulation, Optimierung des statischen und dynamischen Steifigkeitsdesigns, thermische Stabilitätskontrolle, dynamische Online-Kompensation und andere Technologien, um die Zuverlässigkeit und Genauigkeit der Retention erheblich zu verbessern.

2. Multifunktional

CNC-Werkzeugmaschinen reichen von verschiedenen Verbundschneidverfahren (z. B. Fräsen, Fräsen und Schleifen) bis hin zur Kombination verschiedener Formverfahren (z. B. additive Fertigung, Herstellung mit Materialreduzierung und anderen Fertigungsmethoden wie einer Kombination von Formverfahren oder gemischten Verfahren). und Roboter, „Maschine-Maschine“-Fusion und synergistische und andere Entwicklungsrichtungen;

Von der traditionellen seriellen Prozesskette „CAD-CAM-CNC“ zum 3D-Volumenmodell basierend auf der einstufigen Verarbeitungsrichtung „CAD + CAM + CNC integriert“;

Vom „Maschine-Maschine“-Verbindungsnetzwerk bis zur „Mensch-Maschine-Objekt“-Verbindung unterstützt Edge/Cloud Computing die Verarbeitungsrichtung großer Datenmengen.

3. Anpassung

Je nach Benutzerbedarf, in der Maschinenstruktur, der Systemkonfiguration, der professionellen Programmierung, den Schneidwerkzeugen, der Messung auf der Maschine usw., um eine kundenspezifische Entwicklung bereitzustellen, im Bearbeitungsprozess, den Schneidparametern, der Fehlerdiagnose, dem Betrieb und der Wartung usw., um sie bereitzustellen maßgeschneiderte Dienstleistungen. Modulares Design, rekonfigurierbare Konfiguration, Netzwerkzusammenarbeit, softwaredefinierte Fertigung, mobile Fertigung und andere Technologien bieten technische Unterstützung für die Umsetzung individueller Anpassungen.

4. Intelligent

Mithilfe von Sensoren und Standardkommunikationsschnittstellen können Sie Signale und Daten zum Zustand der Werkzeugmaschine und zum Bearbeitungsprozess wahrnehmen und erfassen, durch Transformationsverarbeitung, Modellierungsanalyse und Data Mining aus dem Bearbeitungsprozess lernen, Informationen und Befehle zur Unterstützung einer optimalen Entscheidungsfindung bilden und realisieren Überwachung, Prognose und Steuerung der Werkzeugmaschine und des Bearbeitungsprozesses, um den Anforderungen einer hochwertigen, hocheffizienten, flexiblen und adaptiven Bearbeitung gerecht zu werden.

„Wahrnehmung, Verbindung, Lernen, Entscheidungsfindung, Anpassungsfähigkeit“ werden zu den wichtigsten Funktionsmerkmalen intelligenter CNC-Werkzeugmaschinen, der Verarbeitung großer Datenmengen, des industriellen Internets der Dinge, digitaler Zwillinge, Edge Computing/Cloud Computing, Deep Learning usw ein kraftvoller Impuls für die zukünftige Entwicklung und den Fortschritt der intelligenten Werkzeugmaschinentechnologie sein.

(5) Ökologisierung. Technologie für zukünftige nachhaltige Entwicklungsanforderungen mit umweltfreundlichem Design, leichter Struktur, energiesparender und umweltfreundlicher Herstellung, optimalem Energieeffizienzmanagement, sauberer Schneidtechnologie, Mensch-Maschine-Schnittstelle und umweltfreundlichen Dienstleistungen für den Produktlebenszyklus.

Aufbauend auf Rapid Prototyping

Im Laufe der Jahre hat sich die Sichtweise auf Rapid Prototyping verändert, ihre Wurzeln lassen sich jedoch bis zu den frühesten numerischen Lochstreifensteuerungssystemen zurückverfolgen. Vor dieser Innovation mussten alle Teile manuell bearbeitet werden, was die Einführung von Lochstreifensystemen zu einer revolutionären Entwicklung machte. In der heutigen Welt stehen zahlreiche Prototyping-Optionen zur Verfügung, die jeweils von Faktoren wie der Materialauswahl, der Kosteneffizienz und der Komplexität der CNC-Teile abhängen.

Trotz der Verbreitung alternativer Methoden erfreuen sich CNC-Maschinen mit ihrer Vielzahl an Werkzeugen und Drehachsen weiterhin großer Beliebtheit und Nützlichkeit. Das Aufkommen des 3D-Drucks hat jedoch bestimmte Einschränkungen dieser traditionellen Systeme deutlich gemacht. 3D-Drucker sind in der Lage, komplizierte Teile, einschließlich ihrer internen Komponenten, herzustellen. Während die Materialauswahl je nach Anwendungsfall eingeschränkt sein kann, bleiben CNC-Systeme insbesondere für die Entwicklung von Prototypen die bevorzugte Wahl.

Vorteile von CNC-Maschinen

Die fortschrittliche CNC-Bearbeitung bietet modernen Unternehmen zahlreiche Vorteile. Lassen Sie uns die verschiedenen Möglichkeiten erkunden, wie fortschrittliche CNC-Maschinen der heutigen Industrie zugute kommen:

3D-Imaging

Die Verfügbarkeit von CAD-Programmen ermöglicht es Einzelpersonen, unabhängig von ihrer Fertigungskompetenz Prototypen zu erstellen. Anstatt umfassende Kenntnisse auf diesem Gebiet zu benötigen, müssen Ingenieure lediglich ihre Designidee im Computer nachbilden, damit die CNC-Maschine sie zum Leben erweckt. Durch die Beibehaltung des Entwurfs im digitalen Format können etwaige Änderungen an der Form des Teils schnell umgesetzt werden, indem die Computerverarbeitung für ein neues Modell wiederholt wird.

Produktionskapazitäten für kleine und große Serien

Mit CNC-Maschinen können Unternehmen Aufträge abwickeln, die vom einzelnen Stück zu Testzwecken bis hin zu Großprojekten reichen. Diese Vielseitigkeit ermöglicht es einem Unternehmen, zunächst einen einzelnen Prototyp mithilfe der CNC-Bearbeitung zu erstellen. Sobald das Modell physischen Tests unterzogen wurde und alle erforderlichen endgültigen Designanpassungen vorgenommen wurden, kann die endgültige Version schnell in die Großserienproduktion übergehen.

Hochwertige Materialien

Die Verfügbarkeit einer breiten Palette von Materialien für die CNC-Bearbeitung bietet einen weiteren wesentlichen Vorteil dieses Prozesses. Bei American Micro Industries verwenden wir verschiedene Materialien wie Phenolharze, Hartschaum, Kunststoffe und Schnitzschaum. Innerhalb jeder Materialkategorie stehen spezifische Typen zur Verfügung, sodass Sie denjenigen auswählen können, der den gewünschten Eigenschaften für Ihr Projekt am besten entspricht. Zu den bearbeiteten Teilen aus diesen Materialien gehören häufig Gehäuse für elektronische Geräte, Isolierungen und Prototypen. Die vielfältige Auswahl an Materialoptionen erweitert das Spektrum der Teile, die durch CNC-Bearbeitung erstellt werden können.

Nutzen Sie die heutige CNC-Technologie

Im Laufe der Jahrzehnte hat die CNC-Maschinentechnologie eine bemerkenswerte Entwicklung durchlaufen und sich von stanzbetriebenen Geräten zu computergesteuerten Maschinen entwickelt. Trotz dieser Fortschritte sind die Kernvorteile gleich geblieben: Unternehmen profitieren von automatisierter Präzision mit deutlich geringeren Fehlerquoten im Vergleich zu dem, was menschliche Metallarbeiter erreichen könnten, und das alles bei gleichzeitig höherem Durchsatz. Darüber hinaus ist die Geschichte der CNC-Technologie noch lange nicht am Ende angelangt, da weitere Fortschritte in Sicht sind.

Heutzutage bieten CNC-Maschinen eine größere Vorhersehbarkeit als ihre Vorgänger. Frühere Modelle waren auf rotierende Motoren und nockenbetätigte Steuerstufen angewiesen, was das Risiko von Fehlern birgt und zu unvorhersehbaren Ergebnissen führt, wenn das Rückkopplungskabel bricht. Bei den heutigen elektronisch gesteuerten Maschinen sind solche unkontrollierbaren Situationen höchst unwahrscheinlich. Dadurch können sich Unternehmen darauf verlassen, dass CNC-Maschinen stets die erwarteten Ergebnisse liefern.

Fortschrittliche Softwaretools ermöglichen es Unternehmen jetzt, 3D-Modelle zu erstellen und präzise Zeichnungen für jedes Projekt zu erstellen. CNC-Maschinen nutzen diese digitalen Designs, um Prototypen aus Materialien höchster Qualität anzufertigen und sie mit außergewöhnlicher Präzision zum Leben zu erwecken.

Durch die Veränderungen in der NC- und CNC-Technologie haben sich Genauigkeit, Präzision und Geschwindigkeit von CNC-Maschinen erheblich verbessert. Es besteht jedoch noch Raum für weitere Verbesserungen. Da Ingenieure CNC-Maschinen immer weiter verfeinern, werden wahrscheinlich immer mehr Unternehmen die Vorteile der CNC-Bearbeitung für ihre Projekte erkennen und nutzen.