（机械设计及理论专业论文）数控纵切车床cadcam自动编程系统的方案设计.pdf

叫川入学颂l 毕业沦之 数控纵切车床c a d c a m 自动编程系统的方案设计 机械设计及理论 学生：李斌指导教师：姚进 计算机辅助自动编程技术是利用计算机辅助产生数控程序解决长期以来 数控机床高速高效的加工能力和手工编制数控程序复杂繁琐、效率低、易出错 的基本矛盾。尤其是针对加工工艺特殊、数控程序复杂的数控纵切自动车床， 采用计算机辅助自动编程技术对简化数控机床操作、提高零件加工效率有重要 作用。 本文以成都宁江机床集团“图形化交互式c k a l l l 2 数控纵切自动车床编程 软件系统”项目为背景，深入研究了数控纵切自动车床的结构特点和其各种加 工工艺，归纳出编制数控纵切自动车床加工程序的主要步骤和要点，并介绍了 成都宁江机床集团开发的c k a l l l 2 型数控纵切自动车床的结构和加工工艺。 在纵切自动车床加工工艺的基础上，结合前人关于针对回转体零件自动编 程系统零件信息模型的设计，本文设计出一种具自身特点的适合纵切自动车床 加工工艺的零件信息模型，利用特征技术构造出零件信息模型的特征分类和层 次结构，同时利用面向对象技术实现了零件信息模型的类设计和体系设计，并 通过一个典型类的介绍阐述了系统零件信息模型的实现。 以零件信息模型的数据信息为基础，详细论述了整个系统的方案设计，总 体介绍了系统设计方案的处理用户零件信息模块，工艺分析模块，生出数控代 码模块，模拟数控代码模块，管理文件信息模块等各个组成部分，以及各个部 分内部和相互之问的信息传输模式。然后，详细分析了系统设计方案关键部分 工艺分析子系统的设计过程。根据纵切自动车床的加工工艺和编程流程，将工 四川大学硕卜唪业论文 艺分析子系统划分为获取分析零件工艺信息郝分，选择加工刀具部分，制定工 艺参数部分等3 大模块，并深入分析了零件毛坯选取、管理零件工艺信息、优 化零件工艺信息、管理加工刀具、规划加工工序、选择加工刀具、管理加工工 艺参数、制定加工工艺参数等各个子部分的设计方案，阐述了整个系统方案的 设计过程和工作原理。 根据上述系统设计方案，已经开发出图形化交互式c k a l l l 2 数控纵切自动 车床编程软件系统。通过实际零件加工的例子，全面介绍整个系统的应用。结 果表明，数控纵切自动车床数的c a d c a m 自动编程系统的成功开发，简化了此 类数控机床程序的编制，提高了零件加工效率。 关键字：数控自动编程纵切自动车床c a d c a m 特征技术产品信息模型 四川大学硕十毕业论文 p l a nd e s i g no fc a d c a ma u t o m a t i c p r o g r a m m i n gs y s t e m f o rn u m e r i c a lc o n t r o ls w i s sl a t h e m e c h a n i c a ld e s i g na n dt h e o r y p o s t g r a d u a t e ：b i nl is u p e r v i s o r ：y a oj i n t h ec o m p u t e ra i d e da u t o m a t i cp r o g r a m m i n gt e c h n i q u ei st om a k eu s eo f c o m p u t e r t o p r o d u c en u m e r i c a ic o n t r o lp r o g r a m s oa st os o l v et h eb a s i c c o n t r a d i c t i o no f t h en u m e r i c a lc o n t r o lm a c h i n e sh i g h s p e e da n dh i g h - e f f i c i e n c ya n d t h ec o m p l e x ，l o w l ye f f i c i e n ta n dt h em i s t a k a b l em a n u a lp r o c e d u r e i ti sm o r e i m p o r t a n tf o rt h en u m e r i c a lc o n t r o ls w i s sl a t h ew h i c hh a ss p e c i a lp r o c e s s i n gc r a f t a n dc o m p l e 】【n u m e r i c a lc o n t r o lp f o g r a mt os i m p l i f yt h en u m e r i c a lc o n t r o lm a c h i n e o p e r a t i o na n dt oe n h a n c ep a r t sp r o c e s s i n ge f f i c i e n c y b a s e do nt h ep r o j e c t g r a p h i c si n t e r a c t i v ea u t o m a t i cp r o g r a m m i n gs o f t w a r e s y s t e mf o rc k a l l1 2n u m e r i c a lc o n t r o ls w i s sl a t h e ”o fc h e n g d un i n 西i a n g m a c h i n et o o lg r o u p ，t h es t r u c t u r a lc h a r a c t e r i s t i ca n dt h ep r o c e s s i n gc r a f to f n u m e r i c a lc o n t r o ls w i s sl a t h ea r cd e e p l ys t u d i e d , t h em a i ns t e p sa n dt h ei m p o r t a n t p o i m st op r o g r a mt h en u m e r i c a lc o n t r o lp r o c e d u r ea r cs u m m e dl l p b e s i d e st h et r a i t o f c k a l l l 2n u m e r i c a lc o n t r o ls w i s sl a t h ei si n t r o d u c e d w i t ht h ep r e d e c e s s o r s d e s i g no fp a r ti n f o r m a t i o nm o d e la b o u tr o t a r yp a r t s o n ek i n do fp a r ti n f o r m a t i o nm o d e lw i t hi t so w nc h a r a c t e r i s t i ct h a ts u i t sf o rs w i s s l a t h ep a r t si sd e s i g n e d t h ef e a t u r et e c h n o l o g yi su s e dt os e tt h ep a r tf e a t u r e c l a s s i f i c a t i o na n dt h ep a r ts y s t e m a tt h es a m et i m e ，t h eo b j e c t - o r i e n t e dt e c h n o l o g y i su s e dt or e a l i z et h e p a r tc l a s s e s a n dt h e p a r ti n f o r m a t i o nm o d e l ，w h i c hi s e l a b o r a t e dt h r o u g hat y p i c a lp a r tc l a s s u s i n gt h ep a r ti n f o r m a t i o nm o d e l ，t h ee n t i r es y s t e mw h i c hi n c l u d e sp r o c e s s i n g u s e rp a r t si n f o r m a t i o nm o d u l e ，c r a f ta n a l y s i sm o d u l e ，c r e a t i n gn u m e r i c a lc o n t r o l 四川大学硕士毕业论文 c o d em o d t l l e ，s i m u l a t i n gn u m e r i c a lc o n t r o lc o d em o d u l e ，m a n a g i n gf i l e si n f o r m a t i o n m o d d ea n dt h es y s t e md e s i g na n di n f o r m a t i o nt r a n s m i s s i o nm o d e lb e t w e e n m o d u l e sa l ed i s c u s s e di nd e t a i l i ns u c c e s s i o n ，t h ec o r ep a r to f t h ed e s i g np l a n - c r a f t a n a l y s i ss u b s y s t e mi sa n a l y z e d a c c o r d i n gt ot h es w i s sl a t h ep r o c e s s i n gc r a f ta n d p r o g r a m m i n gs t e p s ，t h es u b s y s t e m i sd i v i d e di n t ot h r e em o d u l e ss u c ha sg e t t i n gp a r t c r a f ti n f o r m a t i o n , s e l e c t i n gt o o l sa n ds e t t i n gc r a f tp a r a m e t e r s m o m o v e rv i ad e e p l y d i s c u s s i n gt h ed e s i g no ft h es u b s e c t i o n s , s u c ha sp a r tr o u g hs e l e c t i o n , c r a f t i n f o r m a t i o n m a n a g e m e n t , c r a f t i n f o r m a t i o n o p t i m i z a t i o n ，p r o c e s s i n g t o o l m a n a g e m e n t ，p r o c e s s i n gp r o c e d u r el a y o u t , p r o c e s s i n g t o o ls e l e c t i o n , c r a f t p a r a m e t e r sm a n a g e m e n ta n dc r a f tp a r a m e t e r ss e l e c t i o n , t h es y s t e mw o r kp r i n c i p l ei s i l l u s t r a t e d a c c o r d i n g t ot h ea b o v e m e n t i o n e ds y s t e md e s i g np r o j e c t , t h eg r a p h i c s i n t e r a c t i v ea u t o m a t i cp r o g r a m m i n gs o t t w a r es y s t e mf o rc k a l11 2n u m e r i c a l c o n t r o ls w i s sl a t h ei sa l r e a d yd e v e l o p e d t h es y s t e ma p p l i c a t i o ni si n t r o d u c e db y a na c t u a lp a r tp r o c e s s i n g i ti si n d i c a t e dt h a tt h es o f t w a r es y s t e md e v e l o p e dg r e a t l y s i m p t i f i e st h en u m e r i c a lc o n t r o lm a c h i n ep r o c e d u r ea n di m p r o v e sp a r t sp r o c e s s i n g e f f i c i e n c y k e yw o r d s ：n u m e r i c a lc o n t r o la u t o m a t i cp r o g r a m m i n g ，s w i s sl a t h e ，c a d c a m ， f e a t u r et e c h n o l o g y ，p r o d u c ti n f o r m a t i o nm o d e l 网川夫学颂 + 毕业论文 1 1 数控技术概述 第一章前言 数控技术是用数字信息对机械运动和工作过程进行控制的技术，它是集 传统的机械制造技术、计算机技术、现代控制技术、传感检测技术，网络通 信技术和光机电技术等于一体的现代制造业的基础技术，具有高精度，高效 率、柔性自动化等特点，对制造业实现柔性自动化、集成化和智能化起着举 足轻重的作用。数控装备则是以数控技术为代表的新技术对传统制造产业和 新兴制造业的渗透形成的机电一体化产品【屹】。数控技术是制造自动化的关键 基础，是现代制造装备的灵魂核心，是国家工业和国防工业现代化的重要手 段，关系到国家战略地位，体现国家综合国力水平，其水平的高低和数控装 备的拥有量的多少是衡量一个国家工业现代化的重要标志【l 硼。 当今世界各国制造业广泛采用数控技术，以提高制造能力和水平，提高 对动态多变市场的适应能力和竞争能力。此外，世界上各工业发达国家还将 数控技术及数控装备列为国家的战略物资，不仅采取重大措施来发展自己的 数控技术及其产业，而且在“高精尖”数控关键技术和装备方面对我国实行 封锁和限制政策。总之，大力发展以数控技术为核心的先进制造技术已成为 世界各发达国家加速经济发展、提高综合国力和国家地位的重要途径【”l 。 制造业不但成为工业化的象征，而且由于信息技术的渗透，使制造业犹 如朝阳产业具有广阔的发展天地。数控技术是先进制造技术的核心，是制造 业实现自动化、网络化、柔性化、集成化的基础。数控技术的应用不但给传 统制造业带来了革命性的变化，使制造业成为工业化的象征，而且随着数控 技术的不断发展和应用领域的扩大，它对汽车、轻工和医疗等行业的发展起 着越来越重要的作用【1 4 j 。 数控技术对传统机械制造业的渗透产生了机电一体化产品一数控机床。 四川大学硕士毕业论文 数控机床是以数控系统为代表的新技术对传统机械制造产业的渗透形成 的机电一体化产品。其技术范围覆盖很多领域如：机械制造技术，信息处理、 加工、传输技术，自动控制技术，伺服驱动技术，传感器技术，软件技术等。 数控机床及由数控机床组成的柔性化制造系统是改造传统机械加工装备产 业、构建数字化企业的重要基础，它的发展备受人们关注。数控机床以其卓 越的柔性自动化的性能、优异而稳定的精度、灵捷而多样化的功能引起世人 瞩目，它开创了机械产品向机电一体化发展的先河，因此数控技术成为先进 制造技术中的一项核心技术。另一方面，通过持续的开发研究以及对信息技 术的深化应用促进了数控机床性能和质量的进一步提升，使数控机床成为国 民经济和国防建设发展的重要制造装备【1 6 】。 数控机床的发展在很大程度上取决于数控系统的性能和水平，而数控系 统的发展及其技术基础离不开微电子技术和计算机技术。随着计算机及其软 硬件技术的飞速发展，数控系统的硬件平台趋于一致化。我国的数控系统经 过“六五”期间的引进，“七五”期间的数控系统开发，。八五”期间的数控 应用技术研究以及“九五”期间的数控系统软件开发应用，已逐步形成了以 航天数控、蓝天数控、华中数控和中华数控为主的数控系统产业口 r l 。 在数控加工中，输入n c 或c n c 机床执行一个确定的加工任务的一系列指 令，称为零件程序或数控程序( n cp r o g r a m ) 。生成用数控机床进行零件加工 的数控程序的过程称为数控编程( ( n cp r o g r a m m i n g ) ，数控编程是应用数控机 床进行零件加工的必要 筘提。它的主要任务是计算加工走刀中的刀位点，提 供刀具运动的起点，终点和运动轨迹。数控机床程序编制的方法有2 种：即 手工编程( m a n u a lp r o g r a m m i n g ) 和自动编程( a u t o m a t i c a l l yp r o g r a m m i n g ) 【嘲。 手工编程：编制零件数控加工程序的各个步骤，即从零件图样分析、工艺 处理、确定加工路线和工艺参数、几何计算、编写零件的数控加工程序单直 至程序的检验，均由人工来完成。对于点位加工和几何形状不太复杂的零件， 数控编程计算较简单，程序段不多，手工编程即可实现。但是对轮廓形状不 是由简单的直线，圆弧组成的复杂零件，特别是空间复杂曲面零件，以及几 何元素虽不复杂但程序量很大的零件，计算及编写程序则相当繁琐，工作量 2 四i l l 大学硕士毕业论文 大，容易出错，且很难校对，采用手工编程是难以完成的。因此，为了有效 地解决各种模具及复杂零件的加工问题，采用手工编程已不能满足要求，而 必须采用自动编程方法1 1 8 】。 自动编程：即使用计算机进行数控机床程序编制工作。目前国内外普遍采 用的自动数控编程的方法为图形交互式自动编程( 如m a s t e r c a m 、p r o e 、u g 、 c i m a t r o n 、c a x a 等) ，即利用计算机辅助设计( c a d ) 软件的图形编程功能， 将零件的几何图形绘制到计算机上，形成零件的图形文件，或者直接调用由 c a d 系统完成的产品设计文件中的零件图形文件，然后再直接调用计算机内 相应的数控编程模块，进行刀具轨迹处理，由计算机自动对零件加工轨迹的 每一节点上进行运算和数学处理，再经相应的后置处理，自动生成数控加工 程序，并同时在计算机上动态地显示其刀具的加工轨迹图形。系统从c a d 数 据库获取零件的几何信息，从c a p p 数据库获取零件加工过程的工艺信息，然 后调用n c 源程序生成器生成数控源程序。经后置处理后自动生成数控加工程 序，并同时进行动态仿真。如果正确无误，则将加工程序指令直接送到n c 机床加工。在这里程序编制工作的大部分或全部由计算机来完成【1 8 1 。 在实际的数控加工中，尽管待加工的零件是真三维的，但大多数的“加 工对象”却是“二维”的，即刀具在一次切削加工过程中始终在某一坐标平 面内运动。对于二维加工对象的数控编程，手工编程是十分重要的，即使是 采用a p t 语言自动编程和专用的c a d c a l l 系统编程，同样需要手工编程基础。 但是对于轮廓形状不是由简单的直线、圆弧组成的复杂零件，特别是空间曲 面零件以及程序量很大，计算相当繁琐易出错，难校对的零件，还有一些立 体的曲面型工件，其数值计算更是复杂而难度大，手工编制程序是难以完成 的，甚至是无法实现的。因此为缩短生产周期，提高生产效率，较少出错率， 解决各种复杂零件的加工问题，而必须采用“自动编程”方法。 由于手工编程的复杂、低效、易出错、无法处理空间多轴联动加工等局 限性，以及今年来个人计算机性能的飞速发展和c a d c a m 辅助自动编程技术 的逐步成熟，c a d c a m 辅助自动编程将是以后零件数控加工的主要编程方式。 3 四川大学硕t 毕业论文 1 2c a d ，c a m 集成辅助数控自动编程技术发展概况 自1 9 4 6 年第一台电子计算机在美国诞生以来人们就不断地将计算机技 术引入机械设计、制造领域。c a d c a m 技术，即计算机辅助设计与制造 ( c a d c a m ，c o m p u t e r - a i d e dd e s i g n c o m p u t e r a i d e dm a n u f a c t u r i n g ) ，指的 是以人为本，以计算机为主要辅助手段来进行产品的设计和制造c a d 解决的 是设计问题，c a m 则是利用c a d 中建立的零件模型信息，再给予工艺信息和 参数，自动生成n c 代码，通过数控机床加工零件，完成传统机床难以达到的 高难度、高精度的加工。c a d 中建立的模型是c a m 的基础【1 1 1 。 1 9 5 2 年，美国的p e r s o n 公司与麻省理工学院( m i t ) 合作研制出了的世界 上第一台数控机床，从那时起为了解决了数控机床的编程问题，人们就利用 电子计算机的高速计算能力开发自动编程技术。经过多年的发展逐步形成了 当i 葑的c a d c a m 集辅助数控自动编程技术。 1 2 1 国外数控自动编程技术发展概况 5 0 年代，麻省理工学院设计了一种专门用于机械零件数控加工的程序编 制的语占，称为a p t 。在相当长时期内，以a p t 语言为基础的计算机辅助数 控编程得到极大的发展和应用。 6 0 年代，麻省理工组织美国各大飞机公司共同开发了a p t i i 及a p t i i 。 7 0 年代，他们基于a p t - i l l 开发出a p t i v 。a p t - a c 同时，人们还开发出一些a p t 衍生语言，如a d a p t 。e x a p t , e ) 【a p _ p l u s ， h a p t ，f a p t ，i f a 町，m o d a p r ，h z a p t 等 但是，由于a p t 语言是开发的比较早的数控编程语言，它的应用也存在 一些问题。首先，由于当时的计算机图形处理功能有限，零件的设计与加工 之间必须用图样来传递数据，阻碍了设计与制造的一体化，且很容易出错。 其次，必须在零件图样的基础上由人工先编制出零件加工原程序，其程序编 四i i 大学硬毕业论文 制过程比较复杂且不易掌握，编制过程不便于阶段性检查。第三，a p t 语言 缺少对零件形状、刀具运动轨迹的直观图形的显示和刀具轨迹的验证手段。 因此其应用还足有一定的局限性【1 1 l 。 由于计算机技术发展十分迅速，计算机的图形处理能力有了很大增强， 因而，种可以直接将零件的几何图形信息自动转化为数控加工程序的计算 机辅助编程技术一“c a d c a m 辅助自动编程”便产生了。它是通过专用的计 算机软件来实现，这种软件通常是以机械计算机辅助设计( c a d ) 软件为基础， 利用c a d 软件的图形编制功能将零件的几何图形绘制到计算机上，形成零件 的图形文件，然后调用数控编程模块，采用人机交互的方式指定被加工的部 位，再输入相应的加工参数，计算机便可自动进行必要的数学处理并编制出 数控加工程序。由于其具有速度快、精度高、直观性好、使用简便、便于检 验等优点，因此已经成为国内外先进的c a d c a l l 软件所普遍采用的数控编程 方法。它实质上是一个集成化的c a d c a m 系统，一般由几何造型、刀具轨迹 编辑、刀位验证、后置处理、计算机图形显示、数据库管理等几个方面1 1 1 】。 主要典型c a d c 腿集成系统的有： 1 9 7 2 年，美国洛克希德加里福尼亚飞机公司开发出的c a d c a m 系统，具 有计算机辅助设计绘图和数控编程一体化功能。 1 9 7 8 年，法国达索飞机公司开发并不断发展的c a t i a 系统，具有三维设 计分析与数控编程一体化功能，目前已成为应用最广泛的c a d c a m 集成软件 之一，在航空和汽车工业具有广泛的应用。 1 9 8 3 年，美国的m c d o n n e l ld o u g l a sa u t o m a t i o n ( b p 现在的u n i g r a p h i c s s o l u t i o n s 公司) 开发并不断发展的u gi i c a d c 心系统，是目前应用最为广 泛的c a d c a m 集成软件之一。 从8 0 年代以后，各种不同的c a d c a m 集成数控编程系统如雨后春笋般地 发展起来，典型的有m a s t e r c a m , p r o e n g i n e e r ，还有e u c l i d ，s u r f c a m ， c i m a t r o n 等。其中m a s t e r c a m 是美国c n cs o f t w a r e 公司开发的一套计算机 辅助制造的c 删c m l 系统，是近年来相继推出的c a d c a j l 软件中较为成功的 一种，目前己广泛应用于机械、航空、航天工业、汽车工业，尤其是在各种 各样的模具制造也中发挥了重要作用。 5 四川大学硕 毕业论史 9 0 年代中期以后，c a d c a ! m 集成数控编程系统迅速朝集成化、智能化、 网络化、并行化和虚拟化方向发展。综合前期和目前集成数控编成系统的发 展情况和方向，大多数人认为其今后的发展趋势大致是： 集成数控编程系统的模块化。发展多模块化、多功能的编程系统。 发展具有工艺处理能力的数控编程系统。系统应具有很强的工艺分析能 力，工艺处理能力。 发展图形编制系统，即图形交互式自动编程系统。 测量编程加工一体化系统。由数控测量机测得的零件数据可直接送往数 控程序编制系统，处理成数控加工指令，然后通过与数控机床的直接通讯， 将零件加工指令输入到数控系统，控制数控机床加工出和被测零件相同的零 件。 1 2 。2 国内数控自动编程技术发展概况 我国数控加工及编程技术的研究起步较晚，其研究始于航空工业的p c l 数控加工自动编程系统s k c - i 。在此基础上，以后又发展了s k c 一2 ，s k c - 3 和 c k m 2 5 1 数控加工绘图语言，这些系统没有图形功能，并且以2 坐标和2 5 坐 标加工为主。我国从“七五”开始有计划有组织地研究和应用c a d c a l 4 技术， 引进成套的c a d c a m 系统，首先应用在大型军工企业，航天航空领域也开始 应用，虽然这些软件功能很强，但价格昂贵，难以在我国推广普及。“八五” 又引进了大量的c a d c 埘软件，如：e u c l i d - i s ，u g ，c a d d s ，i - d e a s ， p r o e n g i n e e r 等，以这些软件为基础，进行了一些二次开发工作，也取得了 一些应用成功，但进展比较缓慢。 我国在引用c a d c a m 系统的同时，也开展了自行研制工作。2 0 世纪8 0 年代以后，首先在航空工业开始集成化的数控编程系统的研究和开发工作， 如西北工业大学成功研制成功的能进行曲面的3 5 轴加工的p n u g n c 图形编 程系统；北京航空航天大学与第二汽车制造厂合作完成的汽车模具、气道内 复杂型腔模具的三轴加工软件，与3 3 1 厂合作进行了发动机叶轮的加工；华 6 四川大学硕士毕业论文 中理工大学1 9 8 9 年在微机上开发完成的适用于三维n c 加工的软件h z a p t ： 中京公司和北京航空航天大学合作研制的唐龙c a d c a m 系统，以北京机床所 为核心的j c s 机床开发的c k t 8 1 s 车削c a d c a m 一体化系统等。 到了2 0 世纪9 0 年代，响应国家开发自主产权的c a d c a m 的号召，开始 了自行研制c a d c a m 软件的工作，并取得了一些成果，如：由北京由清华大学 和广东科龙( 容声) 集团联合研制的高华c a d 、由北京北航海尔软件有限公司 ( 原北京航空航天大学华正软件研究所) 研制的c a x a 电子图板和c a x a i e 制造 工程师、由浙江大天电子信息工程有限公司开发的基于特征的参数化造型系 统g s c a d 9 8 、由广州红地技术有限公司和北京航空航天大学联合开发的基于 s t e p 标准的c a d c a m 系统金银花( l o n i c e r a ) 。由华中理工大学机械学院开发 的具有自主版权的基于微机平台的c a d 和图纸管理软件开目c a d 、南京航空 航天大学自行研制开发的超人2 0 0 0c a d c a m 系统等，其中有一些系统已经接 近世界水平【墉】。 虽然我国的数控技术己开展多年，并取得了一定的成效，但始终末取得 较大的突破。从总体来看，先进的是点，落后的是面，我国的数控加工及数 控编程与世界先进水平相比，约有l o - 1 5 年的差距，差距主要包涵以下几个 方面 4 2 1 ： 数控技术的硬件基础落后：主机、图形显示终端、加工的高精度、高速 的、多轴联动的数控加工机床，由于国外的有关战略政策限制了对我国的进 口，所以有关的外部设备还处于仿制阶段，部分关键器件尚需要引进。虽然 有些单位在这方面取得了不少成功，但和国际水平相比还相差很大。 c a d c a m 支撑的软件体系尚未形成：虽然我国有一些专门从事c a d c a m 软件开放的专业化公司，并且取得了一定的成绩，但和国外的商品化软件相 比，在可靠性和功能上还相差很大，大部分开发都从底层开始，造成了大量 的资源浪费，而通用的一些专业化的c a d c a m 模块的产品提供商还没有，如： 提供c a d 数据转换的组件化产品、专门负责图形显示的组件模块等。 c a d c a m 软件关键技术落后：当前国外的先进的c a d c a m 系统己采用了 人工智能技术、特征造型产品模型等新技术，而我国研究的重点却仍然是几 何造型技术、图形数控编程及数据交换、存储技术，这些国外的技术早己成熟。 7 朋川入学硕十毕业论文 因此，发展我国c a d c a m 软件我们还有很长的路要走，但是要时刻记住， 开发软件的最终目的是应用c a d c a m 技术，提高企业的设计和制造水平，所 以，c a d c a m 软件不仅要水平高，有自己的特色，更要能够市场化，从市场 中收回投入，从而能够根据用户的需求不断地更新发展软件。 1 3 本课题的来源目的和主要研究内容 1 3 1 本课题的来源和目的 前面提到的多种c a d c a m 集成数控编程系统尽管是由不同的公司开发 的，偏重点有所不同，但总体上说它们多属于通用型的计算机辅助数控编程 软件。因此在开发中他们考虑的是绝大部分经常性的应用，可以对大多数常 见结构的零件进行几何造型，几何造型功能强大，在后置处理方面，对通用 性强的刀具、数控机床参数可以由程序编制者进行选择。因此在许多加工行 业这些c a d c a m 集成系统得到了广泛的应用。但同时价格昂贵，使用复杂需 要经过专门学习培训才能很好的掌握。 但是，任何c a d c a m 应用软件都不是万能的，它在不同的专业领域里有 不同的内容。特别是针对各种使用专用数控设备加工的零件，如仪器仪表中 的各种精密零部件的加工等，任何一个通用c a d c a m 软件都不能解决所有的 问题。解决这些特殊问题必须采用由各个行业、各企业单位自己组织开发针 对专用数控机床的c a d c a m 自动编程系统。 根据我国国情，专有数控机床如数控纵切自动车床的很多使用者为中小 型厂家，由于生产规模、经营资金等各方面的原因，目前都是采用对照设计 图纸，直接在数控纵切车床上手工编制加工程序的方式，容易出错效率很低。 如果能给这些使用者提供一套c a d c a m 集成的自动编程系统，用户使用c a d 系统输入加工零件信息，c a m 系统自动生成数控加工程序，必然会大大简化 数控纵切自动车床的程序编制，提高生产加工效率。 8 四川大学硕十毕业论文 本文研究的数控纵切自动车床的c a d c a m 自动编程系统的设计方案，就 是解决这一问题的产品。 “数控纵切自动车床的c a d c a m 自动编程系统”是四川大学制造学院和 成都宁江机床集团合作开发的一套针对成都宁江机床集c k a ii1 2 数控纵切自 动车床的图形化交互式c a d c a m 集成自动编程系统。 本系统包括了一般c a d c 删集成系统的主要部分，包括几何造型、刀具 选择、工艺分析、刀具轨迹生成、后置处理、加工仿真模拟、数据信息管理 等主要功能。极大简化了c k a i i1 2 型数控机床的操作，具有针对性强，操作 简单，功能全面的特点。 1 3 2 本课题的主要研究内容 本课题组在仔细研究分析了成都宁江机床集团的c k a i i l 2 型纵切数控机 床的加工特点，加工工艺以及加工零件之后。设计出一种符合数控纵切自动 车床的零件信息数据模型，并在此基础上实现了符合数控纵切自动车床特点 的c a d c 瞒自动编程系统。本论文的主要研究内容是： 1 ) 分析研究了数控纵切自动车床的结构特点和独特加工工艺，并归纳总结 了其与普通数控车床的不同之处。 2 ) 针对数控纵切自动车床加工的零件，采用特征技术设计并实现一种新式 的零件信息模型，并利用面向对象技术实现了此零件信息模型易于扩展 添加的信息体系。 3 ) 根据系统产品信息模型，提出参数化交互式图形零件造型系统的总体设 计方案。 4 ) 针对数控纵切自动车床的加工工艺，研究系统自动分析和人工经验输入 相结合的方式产生加工工艺。 5 ) 针对数控纵切自动车床的加工工艺，研究系统自动分析和人工经验选择 加工刀具。 6 ) 通过加工实例介绍由总体方案开发完成的数控纵切自动车床的c a d c a m 9 1 0 四川大学硕十毕业论文 第二章数控纵切自动车床及其零件加工程序 数控纵切自动车床是种高精度、高效率的自动化车床，是大批量生产 仪器仪表类零件不可缺少的设备。这种车床广泛用于钟表及钟表元件、照相 机，气象海洋仪器及各种仪表厂中。例如，在手表零件中约有4 0 - 6 0 的零 件，都是在此车床上进行加工的口“。随着仪器仪表制造工业的迅速发展，数 控纵切自动车床的需要量猛增。为了编制合理高效的数控程序使这种数控车 床在生产中能够允分发挥作用，首先就必须全面系统地了解并掌握其工作原 理和加工工艺。 2 1 数控纵切自动车床 2 1 1 单轴纵切自动车床概述 7 单轴纵切自动车床足以主轴箱纵向移动实现进给的自动车床。由于它是 瑞士人于1 8 7 2 年发明和最早发展起来的，世人称为“瑞士型自动车床”；又 由于它的各种运动是靠凸轮控制的，因此又称为凸轮程序控制单轴纵切自动 车床1 2 0 1 。 这类机床的基本原理是：主轴内弹簧夹头夹持棒料旋转，主轴箱作纵向 移动，完成纵向切削；径向分布的五把刀作径向移动，完成径向切削；机床 的各种运动为棒料进给、夹头的夹紧和松开、进刀与退刀、附件的进退等， 均出装在分配轴上的一套凸轮和机床上的杠杆相互配合，实现凸轮程序控制 的连续重复加工。一根棒料加工完毕才自动停车，装上新的棒料，再进行连 续重复加i 2 0 。 1 ) 这类机床的特点 四川大学硕士毕业论文 棒料纵向进给通过中心导套，刀具切削点紧靠导向套口端，消除了零件 在刀具切削压力作用下的变形；能用两把刀具先后同时车削至尺寸要求；分 配轴转一转即完成一个或二个零件的加工；加工零件精度、效率高、机床自 动化程度高；适合于精密细长轴类零件的大批量生产。 2 ) 机床的功能 能完成车削圆柱、圆锥、成形切削、切槽、切断等工作。配以附属装置， 可完成钻孔、铰孔、镗孔、攻铰螺纹、铣稽、铣扁、横钻孔等等工序。它广 泛用于手表、钟表、照相机、计算机告办公室设备、视听设备、电气接插件、 液压气动元件、仪器仪表、家用器具、玩具等行业。 3 ) 这类机床的缺点 机械结构复杂，凸轮制造技术高，需要专用设备和熟练的技术工人；调 整时间长，要求高；分配轴一转3 6 0 度范围内不能安排更多的工序，所以加 工形状较为复杂的零件时，需进行二次加工；不适合于中小批量生产。 凸轮程序控制单轴纵切自动车床由于它的特点，经过i 0 0 多年的发展和 完善，得以广泛应用，然而它的持点又限制了它的应用范围。但是t l6 0 - 7 0 年代以来，电子技术、电子计算机的发展相机械的高度结合，使这类机床焕 发了青春，由凸轮程序控制变成了n c 、c n c 控制的瑞士型自动车床。1 9 6 5 年， 日本西铁城( c i t i z e n ) 公司首先开始研制，1 9 7 0 年上市销售的d - 1 6 型数控纵 切自动车床，开创了数控纵切自动车床的新时代。经过2 0 多年的发展，原来 生产凸轮程序控制单轴纵切自动车床的厂家基本上都在生产数控纵切自动车 床。目前世界上主要生产厂家有：日本c i t i z e n 、星精密( s t a r ) 、津上制作 所、野村精机、阿支玛希麻莫托、大和精机；瑞士托努斯一贝齐勒( t o r n o s b e c h l e r ) 公司，法国b e c n e t 、m a n i _ = r h i n ；德国s t r 0 哪公司。 4 ) 数控纵切自动车床的发展经历了如下三个阶段 a ) n c 装置代替凸轮程序控制 以西铁城公司和星精密公司为例。1 9 6 6 年，西铁城公司开发了世界上第 一台数控纵切自动车床，1 9 7 5 年完成了d 系列，即：d 一7 、d 一1 0 、d - - 1 6 。 其中i ) - 1 6 在1 9 7 2 年原民主德国展览会上获金奖。星精密公司于1 9 7 6 年开发 了s n c 系列的产品，即： s n c 一一8 、s n c l o 、s n c 1 5 、s n c 一2 5 。在这 】2 四i i i 大学硕士毕业论文 期间，数控纵切自动车床继承了单轴纵切自动车床的传统结构，所不同的是： 采用步进电机分别驱动滚珠丝杠，实现主轴箱纵向移动；驱动减速蜗轮副， 带动一个标准凸轮旋转；刀架杠杆系统分别各有小油缸，接受数控指令，选 择刀具，接通和切断刀具运动。这样不因零件的改变而专门设计、制造一套 新凸轮。它的缺点是：只能单刀加工，不能多刀或联合加工，刀具切削刚性 差，切削速度和进给速度低；各刀架交替加工时，后一刀架必须等分配轴反 转后，断开前一刀架的传动和退刀，后一刀架才能进刀切削，交替时问长， 空程损失大，结构复杂：编程和调整时，刀具选择受制约的因素多。 b ) 改进机床结构完善机床功能 1 9 7 4 一1 9 8 3 年的1 0 年间，c i t i z e n 在第一阶段的基础上，在保留瑞士型 自动车床特点的情况下，通过改进结构，完成了c i n c 0 m 系列，即：f 1 2 、 f 1 6 、f 2 0 、f 2 5 、f 3 2 。刀架结构采用了独持的倾斜式双转塔刀架。每个 转塔具有五个工位，其中一个转塔刀架可装回转刀具，可进行横钻孔、 攻丝、铣槽、铣扁平面、铣键槽和和钻偏心孔等加工。一个转塔刀架切 削零件，另一个转塔刀架预选刀具。这样既增强了刀具刚性，又缩短 了换刀时间，可以一次切削成形，提高生产效率。采用了发那克( f a n u c ) 公司的3 系统和6 系统数控装置，性能好，可靠性高，提高了刀具的进 给速度和切削速度。应用了许多新技术，如钻头断裂自动检测( 直径0 3 咖 以上) 和刀具损坏a e 传感器，自动计测和热补偿。 c ) 采用先进的c n c 装置和发展全功能型产品 全功能型的代表产品有星精密公司的刖c 系列，如k n c - 1 2 、k n c - 1 6 、 斟c 一2 5 、k n c 一3 2 ；西铁城公司的e 系列产品，即e 1 6 、e 2 0 、e 2 5 、5 3 2 和瑞士 托努斯一贝齐勒公司的t o r l 0 0 、t o r 2 0 0 等。这些产品功能最完善，适应性最 强，控制轴数可多达六轴六联动和混流加工。 全功能型的c n c 纵切自动车床，除具有普及型的持点外，而且精度高， 上料方式是自动上料十自动搬运车。其特点如下： 控制轴数的自由组合：采用3 2 位微处理器的c n c 装置，运算速度和处理 速度快，储存量大，与1 6 位c p u 比，功能远远优于普及型。有两轴转塔，可 实现“多轴多系统混流控制”。也就是说，可任意调换二根袖和两个转塔的 1 3 四- i i 大学顼十l # 业论文 组合控制，扩大了同时加工能力，缩短了空转时间。 同步重叠控制功能：同步重叠控制功能指的是：当一个转塔刀架加工时， 另一个转塔刀架进行异形加工，需要z 轴作纵向移动，由于第二个转塔刀架 带有附加纵向控制功能，这样可实现重叠控制。 具有各种检查功能：程序上机检查功能一用手动进给刻度正反运行程序。 模拟零件移动、检查干涉功能一从画面表示主轴实际移动运转情况，主轴正 反运转，检查程序是否正确；时间计测功能一图砸表示三套系统的加工时间， 从小选择最佳加工程序和组合加工程序；机床状态记 乙功能表示一故障停 机时，程序储存并表示出来。 5 ) 数控纵切自动车床的发展趋势 简化传统机构提高主轴速度：为了缩短加工时间，提高效率，结构趋向 传统化，减少些功能，降低制造成本。主轴速度、移动速度、换刀速度向 高速化、快速化方向发展。 柔性化：现代市场的特点是产品更新快、供货期短、多品种、小批量。 因此，要求机床具有更大柔性，用类似模块化功能部件组成不同功能的机床 或用改