CNC的未来

发布时间：2014-03-24 作者：www.cechina.cn

        液压夹具采用增材制造技术
        案例研究：James Tool公司在夹具生产中采用3D打印技术。公司总裁称减材制造过程（机床切割）已经时日无多。
        James Tool Machine & Engineering公司设计并生产多种液压零件夹持设备，广泛应用于航天、汽车和其他高精尖工业领域。其液压夹持零件分部最近开始使用3D打印技术，3D技术是一种增材制造技术。James Tool公司也提供自定义的CNC产品加工和非产品类高精度加工业务。
        James Tool公司的总裁Jeff Toner说道：“几年之前3D打印技术就引起了我们的注意，我们等到这种技术日趋成熟，价格变得可以接受，就立即投资了这种技术。”这种打印机支持工件夹持，还能够帮助估算CNC加工。

 3D打印或者增材制造技术已经融入了James Tool公司夹具设备和其他产品的设计和生产阶段。图像前方是打印出来的零件模型，图像后方是Stratasys Dimension 1200ES型3D打印机。图片来源：James Tool公司

        3D打印是一种增材制造技术，这种技术每次堆砌一层材料，以创建与CAD文件一致的3D结构。James Tool公司的工程师认为这种技术能够彻底改变用户的体验，这种增材制造技术与传统的减材制造技术完全不同，后者是从工件原材料上一点一点切削掉多余的工件部分。
        James Tool公司采购了Stratasys Dimesion 1200ES3D打印机，它可以使用ABS塑料打印10x10x12英寸大小的零件。Toner说道：“仅需两小时我们就可以得到所需的零件，随后就可以进行安装和调试，这还包括了设备的初始校准时间和对本地技术人员的培训时间。”
        Toner说道，在实际的工程和报价过程开始之前，能够通过3D打印过程获取实际的零部件是非常有帮助的，它将这种能力视为对现有客户服务过程的积极扩展。
        Toner说他认为增材制造将会改变加工领域的“游戏规则”。“减材制造过程已经时日无多，越来越多的零件将会是打印出来的而不是使用传统的方法生产出来的。”他将其所在公司规划为增材制造以及其他先进技术领域的引领者。“3D生产技术的未来无可限量，我期待这种技术将会给生产技术带来翻天覆地的变化，创造全新的商业业态。”Toner说，3D打印技术为零件夹具和CNC生产任务节省了大量的工程和报价时间。
        通过小型连锁元件制造庞大结构
        麻省理工学院MIT研究人员发明了一种搭建诸如飞机和桥梁之类的大型构造的新方法——使用小型连锁元件，组装这种连锁构造的机器人系统已经在开发当中。据MIT的研究人员称，新型网状构造连接材料将会给飞机、航空器甚至更大型的结构，例如水坝和堤岸的组装过程带来革命式的变化。这种新方法出现于2013年8月11日《科学》杂志的论文中，由博士后Kenneth Cheung和MIT比特原子中心主任Neil Gershenfeld联合发表。

在实验室中，多孔复合材料样品正在接受强度性能测试。图片来源：Kenneth Gheung 和MIT

        由Cheung和Gershenfeld联合开发的新颖的集合结构构成的零件比现有的超轻材质零件的重量还要轻10倍。而这种新结构还能够被轻松分解和重构——例如维修损伤处或者将零件重新应用于不同的结构。独立的零件可以批量生产，Gershenfeld和Cheung正在开发一种机器人系统用于使用这种零件组装机翼、飞机机身、桥梁或者火箭等其他用途。Gershenfeld说，这种全新设计采用了3个领域的研究成果，纤维复合材料、多孔材料（由多孔结构构成）和增材制造技术（例如3D打印，通过堆砌材料构成零件而非移除材料）。
        增材制造需要CNC的高精度
        减材制造的取代技术将是增材制造或者3D打印技术。对于减材制造，材料是从零件上移除，通常采用计算机数字控制（CNC）辅助实现加工精度。一些增材制造设备的设计并没有采用精密的运动控制，还有一些应用采用了额外的精度保证手段，从而获得了更好的效果。增材制造将不仅仅局限于塑料材质的生产，还将扩展到金属加工领域，包括不锈钢和钛，现在已经在很多场合中用于零件的后期处理。

3D打印机的技术有多种，外形和尺寸也不尽相同；如图所示是Cubify 3D Systems公司的CubeX Duo型打印机。图片来源：CFE Media

        增材加工技术使用多种不同的技术，在复杂程度和尺寸上也不尽相同（甚至已经出现了桌面或者个人3D打印机）。在近期3D打印机展上的低端产品中，配备的用来为电机提供定位反馈的位置传感器是步进电机（通常比伺服电机的精度要低），而且控制和人机界面也比CNC设备的要简单不少。而高端3D打印设备方面已经覆盖了航空器的大尺度零件。具有先进自动化经验的CNC生产厂商在日渐成熟的增材制造市场中将会发现机遇，随着3D打印技术逐步向复杂多材料零件发展，这一市场将会比CNC市场更加广阔。另一个先进自动化的机遇存在于提升打印速度和精度以避免后期处理或者使用材料进行二次加工，先进的材料科学和高精度加工将在一台设备上同时实现。
        采用虚拟现实技术实现CNC机床编程
        机电一体化研究人员证实，未来采用虚拟现实元素设计的CNC设备将允许操作员通过移动身体组织的方式在设备程序中存储运动序列。
        为了实现更加简便的设备编程，想象一下CNC机床能够通过使用虚拟现实技术与操作员实现交互，使编程过程更加简便快速。CNC机床配备各种接口，确保它们的控制和编程过程能够在准备加工程序的过程中使用多种功能给操作人员提供帮助。CNC机床的作业要求操作人员具备较高的技能，特别是一些基本的编程知识。

此图所示为虚拟现实CNC编程接口的输入和输出元件。第一个扫描装置使用了Analog Devices公司的ADIS16405传感器，配备了三分量加速度计、三分量陀螺仪和三分量磁力计。MARG（电磁、角度和重力）方向滤波器在STMicroelectronics 公司的SMT32微型控制器上实现。图片来源：Control Engineering Poland

        机床设备的一种发展趋势是向更加直观和更加便于使用的控制系统发展。基本的编程作业应该简单直观，不会给一般的操作人员带来困难。西波莫瑞工业大学机电一体化中心的研究团队针对这个问题提出了一种解决方案，引入手动控制技术来实现机床设备的编程。操作人员可以通过移动身体组织来手动模拟机床的运动，配备的杠杆用来测量施加的力，根据这个力值为机床控制系统提供正确的运动速度。这种方式使机床组件能够跟随操作人员的动作而运动，有了这种技术，操作人员可以教机床如何运动，独立的运动序列可以存储在设备的程序中。通过使用虚拟现实技术确保可以在离线状态下模仿机床对其进行编程。开发系统中所采用的虚拟现实技术确保操作人员能够在虚拟模型上手动移动机床的部件，对CNC机床进行编程。

CNC 编程系统允许操作人员在工件系统中通过移动虚拟工作台和机床主轴箱来生成刀具的运动轨迹。

        操作人员可以通过抓取生成的3D机床模型部件、移动部件和多种控制手势来实现CNC机床编程（无需编写程序）。手势可以检索保存或者删除轨迹点、更改刀具、生成G代码指令。操作人员可以通过抓住零件外壳并在希望的方向上推动来控制工件尺寸。操作人员抓住并移动机床的虚拟工作台和主轴箱，生成刀具在工件上的运动轨迹。如果刀具运动轨迹终了，还可以浏览加工效果，操作人员可以通过使用OK手势或者举起大拇指来保存设定位置，或者通过拇指向下手势来删除保存的轨迹点。