普通机床的数控化改造_毕业论文.doc

普通机床的数控化改造 摘 要 数控机床是综合应用计算机、自动控制、自动检测及精密机械 等高新技术的产物。它的出现以及所带来的巨大效益，引起出界各国 科技界和工业界的普遍重视。随着科学技术的迅猛发展，数控机床已 是衡量一个国家机械制造工业水平的重要标志。发展数控机床是当前 我国机械制造业技术改造的必由之路，是未来工厂自动化的基础。 本文主要介绍了数控机床的出现和发展，数控铣床的主体设计及应用 说明。数控编程中代码的应用，及相应代码的格式，数控程序的编制、 程序的格式。 对一个零件的数控编程加工，主要包括： 1 绘制零件图； 2 利用数控软件对零件进行实体造型； 3 对零件造型进行分析； 4 编制数控程序； 5 进行数控加工。 通过对课题任务的分析，先用 aotu cad 把零件图画出来，对零件图 进行分析，确定零件的加工工艺。根据画出的零件图编写程序，对程 序进行检验校核，对确定准确后的程序进行试切和零件加工。 关键词： aotu cad 实体造型 数控加工 目 录 前言 第一章 概 论.1 1.1 数控机床的出现和发展1 1.2 数控 机床的发展趋势1 第二章 零件的加工工艺规程2 2.1 数控 铣床的工艺性分析2 2.2 夹具2 2.3 加工工序的划分. . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 第三章 零件的加工及工艺分析.5 3.1 零件图5 3.2 工艺分析6 第四章 加 工程序的编制.14 4.1 数控程序编制的内容及步骤.14 4.2 数控程序编制的方法.14 总 结16 参考文献.16 致 谢17 前 言 在科学技术迅速发展的当今时代，数控技术已经成功地从手动机床操 作完成了自身的蜕变。我们今天面对着这样的事实，数控工艺已经从 一种传统的手工操作发展到全自动操作，随着相关技术的发展和进步， 不断有新的知识融合在数控中。 数控机床是综合应用计算机、自动控制、自动检测及精密机械等高新 技术的产物，他的出现以及所带来的巨大效益，引起世界各国科技界 和工业界的普遍重视。 随着科学技术的迅猛发展，数控机床已是衡量一个国家制造工业水平 的重要标志。发展数控机床是当前我国机械制造业技术改造的必由之 路，是未来的、工厂自动化的基础。数控机床的大量使用，需要大批 能熟练掌握现代数控机床的 编程、操作和维修的工程技术人员。 如果把数控加工编程比喻为我们生命中的阳光、空气和水，难免会感 到夸张，但毋庸质疑的一点却是：数控加工编程已经深深地溶入了现 代工业经济中，并在其中显现了十分重要、甚至是不可替代的作用。 数控机床是一种高效的自动化加工设备，它严格按照加工程序，自动 的对被加工工件进行加工。我们把从数控系统外部输入的直接用于加 工的程序称为数控加工程序，简称数控程序，它是机床数控系统的应 用软件。数控系统的种类繁多，它们使用的数控程序语言规则和格式 也不尽相同，当针对某一台数控机床编制加工程序时，应该严格按机 床编程手册中的规定进行程序编制。 第一章 概论 1 第一章 概论 1.1 数控机床的出现和发展 数控是数字控制( numerical control )的简称，是近代发展起 来的用数字化信息进行控制的自动控制技术。其含义使用以数值和符 号构成的数字信息自动控制机床的运转，数控机床也称 nc 机床。 随着科学技术的发展，数控系统进过了以下几代的发展： 第一代：1952 年，电子管控制的第一台三坐标联动的铣床； 第二代：1959 年，出现了晶体管控制的“加工中心”； 第三代：1965 年，出现了小规模集成电路。使数控系统的可靠性得 到了进一步的提高； 以上三代数控系统都是采用专用控制硬件逻辑数控系统,称为普通数 控系统，即 nc 系统。 第四代：1967 年以计算机作为控制单元的数控制系统 fms(flexible manufacturing system) ，柔性制造系统； 第五代：1970 年，美国英特尔开发使用了微处理器cnc。 1.2 数控机床的发展趋势 一、数控系统发展趋势 1、采用开放式结构：进线、联网、专用要求。2、向智能化发展。 3、具有自动编程、模糊控制、学习控制、自适应控制、工艺参数自 动生成、三维刀具补偿、运动参数动态补偿，人机界面极为友好，有 故障专家诊断系统。 二、数控机床发展趋势 1、高速、 高效、高精度、高可靠性。 2、模块化、专门化、个性化；智能化、柔性化和集成化。 第二章 零件的加工工艺规程 2 第二章 零件的加工工艺规程 2.1 数控铣床的工艺性分析 数控铣削加工的工艺性分析是编程前的重要工艺准备工作之一，关系 到机械加工的效果和成败，不容忽视。由于数控机床是按照程序来工 作的，因此对零件加工中所有的要求都要体现在加工中，如加工顺序、 加工路线、切削用量、加工余量、刀具的尺寸及是否需要切削液等都 要预先确定好并编入程序中。 数控铣削加工有着自己的特点和适用对象，若要充分发挥数控铣床的 优势和关键作用，就必须正确选择数控铣床类型、数控加工对象与工 序内容。通常将下列加工内容作为数控铣削加工的主要选择对象： 1 工件上的曲线轮廓，特别是有数学表达式给出的非圆曲线与列表曲 线等曲线轮廓。 2 已给出数学模型的空间曲面；如在图中要加工出六边形时，应先在 cad 程序中按其轮廓以缩小的方式画出其图形，至到最后直径小于 20 时。 3 形状复杂、尺寸繁多、划线与检测困难的部位。 4 用通用铣床加工时难以观察、测量和控制进给的内外凹槽。 5 以尺寸协调的高精度孔或面。 6 能在一次安装中顺带铣出来的简单表面或形状。 7 采用数控铣削后能成倍提高生产率，大大减轻体力劳动强度的一般 加工内容。 2.2 夹具 在数控机床上加工零件，由于工序集中往往是在一次装卡中完成全部 第二章 零件的加工工艺规程 3 工序。因此，对零件的定位、夹紧方式要注意以下几个方面。 一、在选用夹具时应综合考虑产品的生产批量、生产效率、质量保证 及经济性等问题。在小批量时应尽量采用组合夹具；当工件批量较大、 精度要求较高时可以考虑设计专用夹具，或采用多工位夹具及气动、 液压夹具。但此类夹具结构较复杂，造价往往较高，而且制造周期较 长。 二、零件定位、夹紧的部位应不妨碍各部位的加工、刀具更换以及重 要部位的测量。尤其要避免刀具与工件、刀具与夹具相撞的现象。 三、夹紧力应力求通过靠近主要支撑点或在支撑点所组成的三角形内。 应力求靠近切削部位，并在刚性较好的地方。尽量不要在被加工孔径 的上方，以减少零件变形。 四、零件的装卡、定位要考虑到重复安装的一致性，以减少对刀时间， 提高同一批零件加工的一致性。一般同一批零件采用同一定位基准， 同一装卡方式。 根据零件图分析，此零件外型规则，被加工部分的各尺寸、形位及凹 凸配合等要求较高。零件结构较为复杂，包含了平面、圆弧，内外轮 廓，挖槽的加工度。工件选用机用平口钳装夹，校正平口钳固定钳口， 使之与工作台 x 轴移动方向平行。在工件下表面与平口钳之间放入精 度较高的平行垫块（垫块厚度与宽度适当），利用木锤或铜棒敲击工 件，使平行垫块不能移动后夹紧工件。 利用寻边器找正工件 x，y 轴零点，该零点位于工件上表面的中心位 置，设置 z 轴零点与机械零点重合。刀具长度补偿利用 z 轴定位器设 定。对于同一把刀具仍调用相等的刀具长度与半径补偿值，但它们设 定的工件坐标系不同。有时也可能不使用刀具长度补偿功能，而根据 不同刀具设定多个工件坐标系零点进行编程加工。 第二章 零件的加工工艺规程 4 2.3 加工工序的划分 在数控机床上特别是在加工中心上加工零件，工序十分集中，但是零 件的粗加工，特别是铸、锻毛坯零件的基准平面、定位面等的加工应 在普通机床上完成之后，再装卡到数控机床上进行加工。这样可以发 挥数控机床的特点，保持数控机床的精度，延长数控机床的使用寿命， 降低数控机床的使用成本。数控机床上加工零件其工序划分的方法有： 一、刀具集中分序法：即按所用刀具划分工序，用同一把刀加工完零 件上所有可以完成的部位，在用第二把刀、第三把刀完成它们可以完 成的其它部位。这种分序法可以减少换刀次数，压缩空程时间，减少 不必要的定位误差。 二、粗、精加工分序法：这种分序法是根据零件的形状、尺寸精度等 因素，按照粗、精加工分开的原则进行分序。粗精加工之间，最好隔 一段时间，以使粗加工后零件的变形得到充分恢复，再进行精加工， 以提高零件的加工精度。 三、按加工部位分序法：即先加工平面、定位面，再加工孔；先加工 简单的几何形状，再加工复杂的几何形状；先加工精度比较低的部位， 再加工精度要求较高的部位。 本设计的数控加工工序：数控加工削铣分 7 次切削进行加工:1、用直 径 10 的铣刀加工零件的四个方角；2、使用直径为 10mm 的铣刀加工 零件中的四方形槽；3、用直径为 10mm 的铣刀加工零件中的直径为 70mm 的圆槽；4、用直径为 10mm 的铣刀加工零件中的六方形；5、选 用直径为 10mm 的铣刀加工零件中直径为 20mm 的圆槽；6、用直径为 6 的铣刀加工零件中的直径为 12mm 的孔；7、用直径为 6 的铣刀加工 零件中直径为 6mm 的圆孔。（见第三章图一） 第二章 零件的加工工艺规程 5 第三章 零件的加工及工艺分析 5 第三章 零件的加工及工艺分析 3.1 零件图 图一 要加工的零件图 第三章 零件的加工及工艺分析 6 3.2 工艺分析 如零件图所示，工件毛坯为 95mm x 95mm x30mm 的零件，材料为 铸铁，要加工成形为中间的槽。 零件加工的工序安排： 1 铣削工件四边上的四个角，使其达到指定的要求。2 加 工零件中的四方槽，使其达到指定的要求。3 加工零件中 直径 70 的圆槽。4 加工零件中的六方形。5 加工零件中 的直径 20 的圆槽。6 换用直径 6 的铣刀，加工直径为 12 的孔。7 工直径为 6 的孔。 一、刀具的选择和切削参数 数控机床，特别是加工中心，其主轴转速较普通机床的主轴转速 高 12 倍，某些特殊用途的数控机床、加工中心主轴转速高达数万 转，因此数控刀具的强度与耐用度至关重要。目前硬质合金涂镀刀具 已广泛用于加工中心，陶瓷刀具与立方氮化硼等刀具也开始在加工中 心上运用。一般说来，数控机床所用刀具应具有较高的耐用度和刚度， 刀具材料抗脆性好，有良好的断屑性能和可调、易更换等特点。 1、面铣削应选用不重磨硬质合金端铣刀或立铣刀。一般采用二次走 刀，第一次走刀最好用端铣刀粗铣，沿工件表面连续走刀。 注意选好每次走刀宽度和铣刀直径，使接刀刀痕不影响精切走刀精度。 因此加工余量大又不均匀时，铣刀直径要选小些。精加工时铣刀直径 要选大些，最好能包容加工面的整个宽度。 2、铣刀和镶硬质合金刀片的端铣刀主要用于加工凸台、凹槽和箱口 面。为了提高槽宽的加工精度，减少铣刀的种类，加工时可采用直径 比槽宽小的铣刀，先铣槽的中间部分，然后用刀具半径补偿功能铣槽 的两边。 第三章 零件的加工及工艺分析 7 3、削平面零件的周边轮廓一般采用立铣刀。 车削用量的选择原则是：车削时，首先考虑选择一个尽可能大的 背吃刀量 ap，其次选择一个较大的进给量 f,最后确定一个合适的切 削进度 v 。增大背吃刀量 ap 可使走刀次数减少，增大进给量 f 有利 于断屑，因此根据以上原则选择粗车切削用量对于提高生产效率，减 少刀具消耗，降低加工成本是有利的。 根据其形状及数值参数可得，在加工外轮廓时，因其拐角的直径 等因素可选择直径为 10 的铣刀，在加工里边的方槽、圆槽、六边 形槽时因其余量较大，因此也要可选用直径为 10 的铣刀。而在加 工阶梯小孔时，因其直径要求，则只能选用直径为 6 的铣刀。挖槽 加工是轮廓加工的扩展，它既要保证轮廓边界，又要将轮廓内的多余 材料铣掉。根据图纸的要求不同，选择合适的刀具型号。根据所挖槽 的不同形状及要求，对于挖槽的编程和加工要选择合适的刀具直径， 刀具直径大小将影响加工效率，刀具直径太大可能使某些转角难以切 削，或由于岛屿的存在形成不必要的加工盲区。如第一节零件图所示 的图形，在加工外轮廓上的四个角及内轮廓时，由于拐角的直径和内 轮廓的加工余量较大，因此选择直径为 10 的铣刀。而在加工里边 的小孔时，则因为其直径的关系，而选用直径为 6 的铣刀。 在铣削外轮廓时，因其要求而要加上刀具补偿命令，而在加工 内轮廓时，运用的是自动循环命令，其自带刀补因此在加工内轮廓时 又得将刀补取消，以免造成过切现象或留下多余的凸台。 刀具选择的结果如下： 第三章 零件的加工及工艺分析 8 表二：刀具的参 数 加工步骤 刀具切削参数 刀具规格 刀具补偿 序 号 加工内容 类型 材 料 主轴转速 r/min 进给速度 mm / min 长度 半径 mm 1 加工零件的四个角 2 加工四方槽 直径 10mm 铣刀 500 h1/t 1d1 5 3 加工直径 70 的圆 槽 4 六方形 5 直径为 20 的圆槽 孔 直径 10mm 铣刀 300 5 6 加工直径为 12 的 孔 7 加工直径为 6 的孔 直径 6mm 铣刀 1000 300 3 二、确定对刀点与换刀点 对于数控机床来说，在加工开始时，确定刀具与工件的相对位置 是很重要的，它是通过对刀点来实现的。 “对刀点”是指通过对刀确 定刀具与工件相对位置的基准点。在程序编制时，不管实际上是刀具 相对工件移动，还是工件相对刀具移动，都把工件看作静止，而刀具 在运动。对刀点往往也是零件的加工原点。 选择对刀点的原则是：1、便于数学处理和简化程序编制。 2、在机床上容易找正，便于确定零件的加工原点的位置。 第三章 零件的加工及工艺分析 9 3、加工过程中便于检查。4、引起的加工误差小。 对刀点可以设在零件上、夹具上或机床上，但必须与零件的定位 基准有已知的准确关系。当对刀精度要求较高时，对刀点应尽量选在 零件的设计基准或工艺基准上。对于以孔定位的零件，可以取孔的中 心作为对刀点。 在程序开头就要设置工件坐标系，大多的数控系统可用 g92 指令 建立工件坐标系，或用 g54g59 指令选择工件坐标系。工件坐标系 一旦建立便一直有效，直到被新的工件坐标系所取代。 根据以上要求，结合本加工零件图，因其为对称的图形，零件的形状 比较规则，所以在选择程序零点的时候，应考虑编程的方便，应选择 零件的中心线为程序的编程零点。 在对刀的时候当零件装夹好以后，一般对刀在零件的右下角上边 点上为对刀原点，在对刀过程中尽量采用点动方式来进行对刀操作， 因为采用点动方式进行对刀其移动最小量可以达到 10 inc，这样能够 精确对刀点的位置，保证零件加工中的精度的要求。 然后在设置 g54 编程时的程序原点时，根据以上分析要以零件的 中心为编程原点，因此在设置 g54 时，应根据对刀原点的坐标通过计 算得出刀具在工件中心位置的坐标，然后输入到 g54 里边。 在换铣刀的时候，应使工件与刀具之间有一个适当的距离，使得在换 刀的时候不至于会发生刀具和工件的碰撞。而且在刀具装好后，使刀 具与工件之间的距离可以使刀具在下步的定位时可以走一个安全距离， 使程序中的刀补及其它的参数能够充分的应用。 三、选择走刀路线 走刀路线是数控加工过程中刀具相对于被加工件的的运动轨迹和 方向。走刀路线的确定非常重要，因为它与零件的加工精度和表面质 第三章 零件的加工及工艺分析 10 量密切相关。 确定走刀路线的一般原则是： 1、保证零件的加工精度和表面粗糙度。2、方便数值计算，减少编程 工作量。3、缩短走刀路线，减少进退刀时间和其他辅助时间。4、尽 量减少程序段数。 在本设计中，根据零件的轮廓要求，应先加工出零件的四个角的形状， 进而按层次加工零件里边的槽。最后换刀再加工零件里边的 6 个小阶梯孔。 另外，在选择走刀路线时还要充分注意以下几种情况： 1、避免引入反向间隙误差 数控机床在反向运动时会出现反向间隙，如果在走刀路线中将反向间 隙带入，就会影响刀具的定位精度，增加工件的定位误差。例如精镗 如下图中所示的四个孔，当孔的位置精度要求较高时，安排镗孔路线 的问题就显得比较重要，安排不当就有可能把坐标轴的反向间隙带入， 直接影响孔的位置精度。这里给出两个方案，方案 a 如图 a）所示， 方案 b 如图 b）所示。 图二 镗铣加工路线图 从图中不难看出，方案 a 中由于孔与、孔的定位方向 第三章 零件的加工及工艺分析 11 相反，x 向的反向间隙会使定位误差增加，而影响孔的位置精度。 在方案 b 中，当加工完孔后并没有直接在孔处定位，而是多 运动了一段距离，然后折回来在孔处定位。这样、孔与 孔的定位方向是一致的，就可以避免引入反向间隙的误差，从而提高 了孔与各孔之间的孔距精度。 2、切入切出路径 在铣削轮廓表面时一般采用立铣刀侧面刃口进行切削，当铣切 外表面轮廓形状时，应安排刀具沿零件轮廓曲线的切向切入工件，并 且在其延长线上加入一段外延距离，以保证零件轮廓的光滑过渡。同 样，在切出零件轮廓时也应从工件曲线的切向延长线上切出。如下图 a。 当铣切内表面轮廓形状时，也应尽量遵循从切向切入的方法，但此时 切入无法外延，最好安排从圆弧过渡到圆弧的加工路线。切出时也应 多安排一段过渡圆弧再退刀，如下图 b。当实在无法沿零件曲线的切 向切入、切出时，铣刀只有沿法线方向切入和切出，在这种情况下， 切入切出点应选在零件轮廓两几何要素的交点上，而且进给过程中要 第三章 零件的加工及工艺分析 12 避免停顿。 图三 铣削外内圆加工路径 为了消除由于系统刚度变化引起进退刀时的痕迹，可采用多次 走刀的方法，减小最后精铣时的余量，以减小切削力。 在切入工件前应该已经完成刀具半径补偿，而不能在切入工件时同时 进行刀具补偿，如下图 a）所示，这样会产生过切现象。 为此，应在切入工件前的切向延长线上另找一点，作为完成刀具 半径补偿点，如上图 b）所示。 在本零件的加工中，在加工外边的四个角中的两个三角形角和凸 面时，按编程的下刀点及刀具的移动轨迹，可以选用刀具左补偿。而 在加工凹面时，因其直径均为 10 而选用的铣刀直径也为 10，所以不 用采用刀补，当确定了下刀点后，直接下刀。 在利用循环加工零件的中间部分时，则不用再在程序中加刀补命令， 只用编写参数值既可。 3、立体轮廓的加工 加工一个曲面时可能采取的三种走刀路线，如下图所示。即沿参 图四 刀具半径补偿点 第三章 零件的加工及工艺分析 13 数曲面的 u 向行切、沿 w 向行切和环切。对于直母线类表面，采用下 图 b）的方案显然更有利，每次沿直线走刀，刀位点计算简单，程序 段少，而且加工过程符合直纹面的形成规律，可以准确保证母线的直 线度。如下图 a）方案的优点是便于在加工后检验型面的准确度。因 此实际生产中最好将以上两种方案结合起来。如下图 c）所示的环切 方案一般应用在内槽加工中，在型面加工中由于编程麻烦，一般不用。 但在加工螺旋桨桨叶一类零件时，工件刚度小，采用从里到外的环切， 有利于减少工件在加工过程中的变形。 图五 三种可能走刀路线 4、内槽加工 第三章 零件的加工及工艺分析 14 内槽是指以封闭曲线为边界的平底凹坑，加工内槽一律使用平底 铣刀刀具边缘部分的圆角半径应符合内槽的图纸要求。内槽的切削分 两步，第一步切内腔，第二步切轮廓。切轮廓通常又分为粗加工和精 加工两步。粗加工时从内槽轮廓线向里平移铣刀半径 r 并且留出精加 工余量 y。由此得出的粗加工刀位线形是计算内腔走刀路线的依据。 切削内腔时，环切和行切在生产中都有应用。两种走刀路线的共同点是都 要切净内腔中的全部面积，不留死角，不伤轮廓，同时尽量减少重复走刀的搭 接量。环切法的刀位点计算复杂，需要一次一次向里收缩轮廓线，应用局限性 稍大。从走刀路线的长短比较，行切法要优于环切法。但在加工小面积内槽时， 环切的程序量要比行切小。 第四章 加工程序的编制 15 第四章 加工程序的编制 4.1 数控程序编制的内容及步骤 数控编程是指从零件图纸到获得数控加工程序的全部工作过程。如图所示： 图七 程序编制步骤 4.2 数控程序编制的方法 一、手工编程 手工编程指主要由人工来完成数控编程中各个阶段的工作加工出图样要求 的零件，如图所示。 第四章 加工程序的编制 16 图八 手工编程步骤 手工编程的特点：耗费时间较长，容易出现错误，无法胜任复杂形状 零件的编程。 二、计算机编程 计算机编程是指在编程过程中，除了分析零件图样和制定工艺方 案由人工进行外，其余工作均由计算机辅助完成。 采用计算机自动编程时，数学处理、编写程序、检验程序等工作 是由计算机自动完成的，由于计算机可自动绘制出刀具中心运动轨迹， 使编程人员可及时检查程序是否正确，需要时可及时修改，以获得正 确的程序。因而，自动编程的特点就在于编程工作效率高，可解决复 杂形状零件的编程难题。 三、程序格式 1、程序段格式：段是可作为一个单位来处理的连续的字组，是数控加工 程序中的一条语句。 在程序段中，必须明确组成程序段的各要素：移动目标：终点坐标 x、y、z ；沿怎样的轨迹移动：准备功能字 g；进给速度：进给功能字 f；切削速度：主轴转速功能字 s；使用刀具：刀具功能字 t；机床辅助动 作：辅助功能字 m 2、加工程序的一般格式：1）程序开始符、结束符 程序开始符