毕业设计（论文）论数控机床的应用和发展方向

1、毕业论文毕业论文 论数控机床的应用和发展方向 系 别： 机电系机电系 专 业： 数控技术及应用数控技术及应用 年 级： 学生姓名： 指导教师： 入学日期：2004 年 9 月 论文完整日期：2007 年 4 月 i 摘 要 科技水平的布段发展，使社会生产力得到了空前进步，不断催生 而出的、新的加工制造技术越来越多地运用于生产实践之中，并对社 会进步发挥着巨大的推进作用。数控车床加工就是其中最具代表性的 技术之一。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，它对国计民生的一些重要行业(it、汽车、轻工、医疗等) 的发

2、展起着越来越重要的作用。 本文系统介绍了数控车床的分类、编程特点和功能，在选择数控 车床的原则以及安装与调试，数控车床加工程序的编制将从确定走刀 路线、选择合适的 g 命令等细节出发,分析在数控车削中程序的编制 方法。还有车刀刀尖半径补偿是数控车削加工中的常见问题，就刀尖 半径的影响进行分析，根据不同功能的数控系统进行刀尖半径补偿方 法等进行介绍。介绍了数控车床的振动的原因、影响及分析。虚拟数 控车削物理仿真系统的研究与开发提出了仿真系统的总体框架，建立 了动态物理仿真模型及相关子模型，分析了动态车削过程的影响因素， 阐述了系统开发过程中有关模型构成及工件数据描述等技术性问题。 最后叙述了我国

3、数控车床的现状与发展趋势以及我国与强国的差距， 近几年我国机床工业取得较大进步，但同时，工业发达国家机床工业 技术也在发展。对我国机床工业既要肯定成绩，树立信心，也要认清 差距，实施跨越式发展。 关键词 ：基本知识、编程、数控车床加工、刀尖半径补偿、现 状和发展趋势、 ii 目目 录录 引 言 .1 第 1 章 什么是数控机床 .3 1.1 数控车床的概念.3 1.2 数控加工的概念 .4 第 2 章 数控编程的有关问题和技巧 .8 2.1 数控编程的技巧 .8 2.2 数控编程的特点及例子.11 2.3 数控车削加工中刀尖圆弧半径补偿有关问题.13 第 3 章 数控仿真 .18 3.1 计算

4、机仿真的概念及应用.18 3.2 数控仿真技术的研究现状 .19 3.3 直接实体造型法 .20 3.4 基于图像空间的方法 .21 3.5 离散矢量求交法 .22 第 4 章 数控车床的保养 .24 4.1 概述.24 4.2 正确操作和使用数控系统的步骤.24 4.3 cnc 系统的日常维护 .25 4.4 故障处置.26 第 5 章 数控机床的发展趋势 .28 第 6 章 结语 .36 莱芜职业技术学院毕业论文 引言 1 引 言 我国数控机床产业度过了激情燃烧的岁月，将迎来理性发展的时 代。第十个五年计划是我国数控机床高速发展时期，那么第十一个五 年计划将是数控机床发展的战略机遇期。战略

5、机遇主要表现在：“十 一五”我国国民经济在科学发展观指引下，将更加稳定有序发展；国 务院关于振兴装备制造业的决定，将大大加快我国装备制造业的发展 进程，特别是国家重点支持的一批重大装备的发展，如大型发电、输 变电设备、大型石油化工和煤化工装置、矿山采掘设备、成套轧钢设 备、大型海洋船舶、高速列车、大端面岩石掘进机为代表的工程机械、 民用航空飞机及发动机等，需要提供大批重型、精密、多坐标、高效、 专用数控机床进行加工制造。国家重大装备的发展需求，给数控机床 产业的发展指明了方向。 “十一五”规划的经济发展重点在于实现经济增长方式的转变， 先进制造业是传统制造业的改造方向，传统工业如汽车、机械、家

6、电、 纺织、农机、环保等行业的技术改造，对数控机床的需求继续攀升； 电子信息、生物工程、新能源新材料等高新技术产业的发展又为精密、 高效、专用数控机床开辟了新的需求；从地域发展分析，我国东部产 业的升级、东北等老工业基地的振兴和中西部的开发加快步伐，为数 控机床产业发展提供国内市场；经济全球化，国际资本和产业向中国 的转移、国际技术和人才的交流、中国国际贸易的强劲发展等，为我 国数控机床产业的发展提供了外部环境，使我们处于难得的战略发展 期。所谓战略机遇是指在一个相对较长的时间、相对广阔的空间，对 整个产业发展有重大影响的特殊时期。战略机遇不可多得，抓住战略 莱芜职业技术学院毕业论文 引言 2

7、 机遇，加快发展，是我国数控机床产业取胜之大略。 根据国际数控机床产业发展的趋势和我国“十一五”国民经济发 展要求， “十一五”数控机床产业的重点是：发展大型、精密、高 速数控装备和数控系统及功能部件，改变大型、高精度数控机床大部 分依赖进口的现状，满足机械、航空航天等工业发展。 重点发展关键功能部件和数控系统，为数控机床产品升级奠定基 础。主要发展项目包括中高档数控系统、高速主轴及其伺服单元、高 性能刀库机械手、高速滚珠丝杠和直线导轨副、直线电机、全功能数 控刀架和数控转台、高速防护装置等它本身又是机电一体化的重要组 成部分，是现代机床技术水平的重要标志。数控机床体现了当前世界 机床技术进步

8、的主流，是衡量机械制造工艺水平的重要指标，在柔性 生产和计算机集成制造等先进制造技术中起着重要的基础核心作用。 因此，如何更好的使用数控机床是一个很重要的问题。 3 第 1 章 什么是数控机床 1.1 数控车床的概念 数控是数字控制的简称，英文为 numerical control，简称 nc。目前数控一般是采用通用或专用计算机实现数字程序控制，因此 数控也称为计算机数控(computer numerical control )，简称 cnc，国外一般都称为 cnc，很少再用 nc 这个概念了。下面详细说明 之： 数控(numerical control,nc 数字控制)是指用数字、文字和符

9、号组成的数字指令来实现一台或多台机械设备动作控制的技术。它所 控制的通常是位置、角度、速度等机械量和与机械能量流向有关的开 关量。数控的产生依赖于数据载体和二进制形式数据运算的出现。 1908 年，穿孔的金属薄片互换式数据载体问世；19 世纪末，以纸为 数据载体并具有辅助功能的控制系统被发明；1938 年，香农在美国 麻省理工学院进行了数据快速运算和传输，奠定了现代计算机，包括 计算机数字控制系统的基础。数控技术是与机床控制密切结合发展起 来的。1952 年，第一台数控机床问世，成为世界机械工业史上一件 划时代的事件，推动了自动化的发展。 现在，数控技术也叫计算机数控技术(computer n

10、umerical control )，目前它是采用计算机实现数字程序控制的技术。这种技 术用计算机按事先存贮的控制程序来执行对设备的控制功能。由于采 用计算机替代原先用硬件逻辑电路组成的数控装置，使输入数据的存 贮、处理、运算、逻辑判断等各种控制机能的实现，均可通过计算机 4 软件来完成。 2003 年开始，中国就成了全球最大的机床消费国，也是世界上最大 的数控机床进口国。目前正在提高机械加工设备的数控化率，1999 年，我们国家机械加工设备数控华率是 58，目前预计是 1520之间。 1.2 数控加工的概念 数控机床的工作原理就是将加工过程所需的各种操作（如主轴变 速、工件的松开与夹紧、进刀

11、与退刀、开车与停车、自动关停冷却液） 和步骤以及工件的形状尺寸用数字化的代码表示，通过控制介质（如 穿孔纸带或磁盘等）将数字信息送入数控装置，数控装置对输入的信 息进行处理与运算，发出各种控制信号，控制机床的伺服系统或其他 驱动元件，使机床自动加工出所需要的工件。所以，数控加工的关键 是加工数据和工艺参数的获取，即数控编程。数控加工一般包括以下 几个内容： (1) 对图纸进行分析，确定需要数控加工的部分； (2) 利用图形软件（如caxa制造工程师）对需要数控加工的部分 造型； (3) 根据加工条件，选择合适的加工参数，生成加工轨迹（包括 粗加工、半精加工、精加工轨迹）； (4) 轨迹的仿真检

12、验； (5) 生成g代码； (6) 传给机床加工。 1. 数控机床的特点 5 (1) 具有高度柔性 在数控机床上加工零件，主要取决于加工程序，它与普通机床不 同，不必制造、更换许多工具、夹具，不需要经常调整机床。因此， 数控机床适用于零件频繁更换的场合。也就是适合单件、小批生产及 新产品的开发，缩短了生产准备周期，节省了大量工艺设备的费用。 (2) 加工精度高 数控机床的加工精度，一般可达到0.0050.1mm，数控机床是按 数字信号形式控制的，数控装置每输出一个脉冲信号，则机床移动部 件移动一个脉冲当量（一般为0.001mm），而且机床进给传动链的反 向间隙与丝杠螺距平均误差可由数控装置进行

13、补偿，因此，数控机床 定位精度比较高。 (3) 加工质量稳定、可靠 加工同一批零件，在同一机床，在相同加工条件下，使用相同刀 具和加工程序，刀具的走刀轨迹完全相同，零件的一致性好，质量稳 定。 (4) 生产率高 数控机床可有效地减少零件的加工时间和辅助时间，数控机床的 主轴转速和进给量的范围大，允许机床进行大切削量的强力切削，数 控机床目前正进入高速加工时代，数控机床移动部件的快速移动和定 位及高速切削加工，减少了半成品的工序间周转时间，提高了生产效 率。 (5) 改善劳动条件 数控机床加工前经调整好后，输入程序并启动，机床就能自动连 续的进行加工，直至加工结束。操作者主要是程序的输入、编辑、

14、装 卸零件、刀具准备、加工状态的观测，零件的检验等工作，劳动强度 6 极大降低，机床操作者的劳动趋于智力型工作。另外，机床一般是封 闭式加工，即清洁，又安全。 (6) 利于生产管理现代化 数控机床的加工，可预先精确估计加工时间，所使用的刀具、夹 具可进行规范化、现代化管理。数控机床使用数字信号与标准代码为 控制信息，易于实现加工信息的标准化，目前已与计算机辅助设计与 制造（cad/cam）有机地结合起来，是现代集成制造技术的基础。 使用数控机床之前，应仔细阅读机床使用说明书以及其他有关资 料，以便正确操作使用机床，并注意以下几点： 2. 数控机床使用中应注意的事项 (1) 机床操作、维修人员必

15、须是掌握相应机床专业知识的专业人 员或经过技术培训的人员，且必须按安全操作规程及安全操作规定操 作机床； (2) 非专业人员不得打开电柜门，打开电柜门前必须确认已经关 掉了机床总电源开关。只有专业维修人员才允许打开电柜门，进行通 电检修； (3) 除一些供用户使用并可以改动的参数外，其它系统参数、主 轴参数、伺服参数等，用户不能私自修改，否则将给操作者带来设备、 工件、人身等伤害； (4) 修改参数后，进行第一次加工时，机床在不装刀具和工件的 情况下用机床锁住、单程序段等方式进行试运行，确认机床正常后再 使用机床； (5) 机床的plc程序是机床制造商按机床需要设计的，不需要修 改。不正确的修

16、改，操作机床可能造成机床的损坏，甚至伤害操作者； 7 (6) 建议机床连续运行最多24小时，如果连续运行时间太长会影 响电气系统和部分机械器件的寿命，从而会影响机床的精度； (7) 机床全部连接器、接头等，不允许带电拔、插操作，否则将 引起严重的后果。 8 第 2 章 数控编程的有关问题和技巧 2.1 数控编程的技巧 控车床虽然加工柔性比普通车床优越，但单就某一种零件的生产效率 而言，与普通车床还存在一定的差距。因此，提高数控车床的效率便 成为关键，而合理运用编程技巧，编制高效率的加工程序，对提高机 床效率往往具有意想不到的效果。 1. 灵活设置参考点 biejing-fanuc power

17、mate o数控车床共有二根轴，即主轴z和 刀具轴x。棒料中心为坐标系原点，各刀接近棒料时，坐标值减小， 称之为进刀；反之，坐标值增大，称为退刀。当退到刀具开始时位置 时，刀具停止，此位置称为参考点。参考点是编程中一个非常重要的 概念，每执行完一次自动循环，刀具都必须返回到这个位置，准备下 一次循环。因此，在执行程序前，必须调整刀具及主轴的实际位置与 坐标数值保持一致。然而，参考点的实际位置并不是固定不变的，编 程人员可以根据零件的直径、所用的刀具的种类、数量调整参考点的 位置，缩短刀具的空行程。从而提高效率。 2. 化零为整法 在低压电器中，存在大量的短销轴类零件，其长径比大约为 23，直径

18、多在3mm以下。由于零件几何尺寸较小，普通仪表车床难以 装夹，无法保证质量。如果按照常规方法编程，在每一次循环中只加 工一个零件，由于轴向尺寸较短，造成机床主轴滑块在床身导轨局部 频繁往复，弹簧夹头夹紧机构动作频繁。长时间工作之后，便会造成 9 机床导轨局部过度磨损，影响机床的加工精度，严重的甚至会造成机 床报废。而弹簧夹头夹紧机构的频繁动作，则会导致控制电器的损坏。 要解决以上问题，必须加大主轴送进长度和弹簧夹头夹紧机构的动作 间隔，同时不能降低生产率。由此设想是否可以在一次加工循环中加 工数个零件，则主轴送进长度为单件零件长度的数倍 ，甚至可达主 轴最大运行距离，而弹簧夹头夹紧机构的动作时

19、间间隔相应延长为原 来的数倍。更重要的是，原来单件零件的辅助时间分摊在数个零件上， 每个零件的辅助时间大为缩短，从而提高了生产效率。为了实现这一 设想，我联想到电脑程序设计中主程序和子程序的概念，如果将涉及 零件几何尺寸的命令字段放在一个子程序中，而将有关机床控制的命 令字段及切断零件的命令字段放在主程序中，每加工一个零件时，由 主程序通过调用子程序命令调用一次子程序，加工完成后，跳转回主 程序。需要加工几个零件便调用几次子程序，十分有利于增减每次循 环加工零件的数目。通过这种方式编制的加工程序也比较简洁明了， 便于修改、维护。值得注意的是，由于子程序的各项参数在每次调用 中都保持不变，而主轴

20、的坐标时刻在变化，为与主程序相适应，在子 程序中必须采用相对编程语句。 3. 减少刀具空行程 在biejing-fanuc power mate o数控车床中，刀具的运动是依靠 步进电动机来带动的，尽管在程序命令中有快速点定位命令g00，但 与普通车床的进给方式相比，依然显得效率不高。因此，要想提高机 床效率，必须提高刀具的运行效率。刀具的空行程是指刀具接近工件 和切削完毕后退回参考点所运行的距离。只要减少刀具空行程，就可 以提高刀具的运行效率。（对于点位控制的数控车床，只要求定位精 度较高，定位过程可尽可能快，而刀具相对工件的运动路线是无关紧 10 要的。）在机床调整方面，要将刀具的初始位置

21、安排在尽可能靠近棒 料的地方。在程序方面，要根据零件的结构，使用尽可能少的刀具加 工零件使刀具在安装时彼此尽可能分散，在很接近棒料时彼此就不会 发生干涉；另一方面，由于刀具实际的初始位置已经与原来发生了变 化，必须在程序中对刀具的参考点位置进行修改，使之与实际情况相 符，与此同时再配合快速点定位命令，就可以将刀具的空行程控制在 最小范围内从而提高机床加工效率。 4. 优化参数，平衡刀具负荷，减少刀具磨损 由于零件结构的千变万化，有可能导致刀具切削负荷的不平衡。 而由于自身几何形状的差异导致不同刀具在刚度、强度方面存在较大 差异，例如：正外圆刀与切断刀之间，正外圆刀与反外圆刀之间。如 果在编程时

22、不考虑这些差异。用强度、刚度弱的刀具承受较大的切削 载荷，就会导致刀具的非正常磨损甚至损坏，而零件的加工质量达不 到要求。因此编程时必须分析零件结构，用强度、刚度较高的刀具承 受较大的切削载荷，用强度、刚度小的刀具承受较小的切削载荷，使 不同的刀具都可以采用合理的切削用量，具有大体相近的寿命，减少 磨刀及更换刀具的次数。 本文总结的一些具体结论仅适用于biejing-fanuc power mate o 数控车床，但是它表现的编程思想具有普遍意义。要编制合理高效的 加工程序，必须要熟悉所使用机床的程序语言并能加以灵活运用，了 解机床的主参数，深入分析零件的结构特点、材料特性及加工工艺等。 bi

23、ejing-fanuc power mate o数控车床指令包括g、m、s、t。其 中指令为准备功能指令，m指令为辅助功能指令，s为主轴转速控制指 令，t为刀具选择指令。下表列出了部分常用的指令代码及含义。 11 代码符号 代码含义 代码符号 代码含义 g90 绝对值输入 g31 等导程螺纹切削 g91 相对值输入 g32 跳步功能 g00 快速点定位 m02、m03 程序结束 g01 直线插补 m00 程序停机 g02、g03 顺圆和逆圆插补 m01 选择停机 g28 自动返回参考点 m98 调用子程序 g04 暂停 m99 子程序结束 2.2 数控编程的特点及例子 例1 试编制加工图1示零

24、件的零件程序 毛坯直径为25mm，长度为50mm. 1、根据零件图，选用 cnc 车床加工，用三爪卡盘夹紧工件 2、先加工 r8.5，长 22.5 的外圆，分粗，精加工三次，再加工 12 r2.5 逆圆弧， 最后加工 r2.5 顺圆弧 3、程序原点 选为 b 点， 座标为(x15，z5 ) 4、刀具 外圆车刀（左偏刀） 切削用量：s800 - 粗加工 s1000 精加工、圆弧加工 f1000 - 快速定位运动 f80 - 直线切削加工 f40 - 圆弧加工 5、程序清单如下 n1 g71 ; mm 为单位 n2 g90 ;绝对方式编程 n3 g50 x15 z5 ；加工起点，距编程原点距离 1

25、3 n4 g00 x13 z0.5 f1000 t1 s800；快速接近工件 n5 g73 d0 3 ；粗加工, 循环 3 次 n6 g91 ；改用相对编程 n7 g00 x-1 z0 f1000 t1 s800； n8 g01 x0 z-25.5 f80 t1 s800； n9 g00 x0 z25.5 f1000 ；原路退回 n10 g06;循环结束 n11 g73 d0 2 ;精加工，循环两次 n12 g00 x-1 z0 s1000；吃刀1mm n13 g01 x0 z-23 f80 ； n14 g00 x0.5 z0 ；避开工件 n15 g00 x0 z23 ；退回 n16 g06

26、； n17 g90 ； n18 g00 x8.6 z-22.4 ；快点定位 n19 g01 x8.5 z-22.5 f100；靠近加工点 n20 g03 x10 z-25 r2.5 ccw f40；逆圆加工 n21 g02 x12.5 z-27.5 r2.5 cw f40 ;顺圆加工 n22 g00 x15 z0 ；退刀 机电专业技术网 n23 g00 x15 z5 ；退回程序原点 n24 m05 ;主轴停止 n25 m02 ;程序结束 14 2.32.3 数控车削加工中刀尖圆弧半径补偿有关问题 数控车削加工中刀尖圆弧半径补偿有关问题：摘要：车刀刀尖 半径补偿是数控车削加工中的常见问题，本文就

27、刀尖半径的影响进 行分析，根据不同功能的数控系统进行刀尖半径补偿方法等进行介绍。 编制数控车床加工程序时，理论上是将车刀刀尖看成一个点，如 图 1a 所示的 p 点就是理论刀尖。但为了提高刀具的使用寿命和降低 加工工件的表面粗糙度，通常将刀尖磨成半径不大的圆弧（一般圆弧 半径 r 是 0.41.6 之间） ，如图 1b 所示 x 向和 z 向的交点 p 称为假 想刀尖，该点是编程时确定加工轨迹的点，数控系统控制该点的运动 轨迹。然而实际切削时起作用的切削刃是圆弧的切点 a、b，它们是 实际切削加工时形成工件表面的点。很显然假想刀尖点 p 与实际切 削点 a、b 是不同点，所以如果在数控加工或数

28、控编程时不对刀尖圆 角半径进行补偿，仅按照工件轮廓进行编制的程序来加工，势必会产 生加工误差。 (a) (b) 图 1 圆头刀假想刀尖 15 2.3.1 假想刀尖的轨迹分析与偏置值计算 用圆头车刀进行车削加工时，实际切削点 a 和 b 分别决定了 x 向和 z 向的加工尺寸。如图 2 所示，车削圆柱面或端面（它们的母 线与坐标轴 z 或 x 平行）时，p 点的轨迹与工件轮廓线重合；车削 锥面或圆弧面（它们的母线与坐标轴 z 或 x 不平行）时，p 点的轨 迹与工件轮廓线不重合，因此下面就车削锥面和圆弧面进行讨论： 图 2 刀尖圆弧半径的影响 1、加工圆锥面的误差分析与偏置值计算 如图 3a 所

29、示，假想刀尖 p 点沿工件轮廓 cd 移动，如果按照轮 廓线 cd 编程，用圆角车刀进行实际切削，必然产生 cdd1c1 的残 留误差。因此，实际加工时，圆头车刀的实际切削点要移至轮廓线 cd，沿 cd 移动，如图 3b 所示，这样才能消除残留高度。这时假想 刀尖的轨迹 c2d2 与轮廓线 cd 在 x 向相差 x，z 向相差 z。设刀 具的半径为 r，可以求出： 16 图 3 圆头车刀加工圆锥面 2、加工圆弧面的误差分析与偏置值计算 圆头车刀加工圆弧面和加工圆锥面基本相似。如图 4 是加工 1/4 凸凹圆弧，cd 为工件轮廓线，o 点为圆心，半径为 r，刀具与圆弧 轮廓起点、终点的切削点分别

30、为 c 和 d，对应假想刀尖为 c1 和 d1。对图 4a 所示凸圆弧加工情况，圆弧 c1d1 为假想刀尖轨迹，o1 点为圆心，半径为（r+r） ；对图 4b 所示凹圆弧加工情况，圆弧 c2d2 为假想刀尖轨迹，其圆心是 o2 点，半径为（r-r） 。如果按假 想刀尖轨迹编程，则要以图中所示的圆弧 c1d1 或 c2d2（虚线）有 关参数进行程序编制。 17 图 4 圆头车刀加工 90凸凹圆弧 2.3.2 刀尖圆角半径补偿方法 现代数控系统一般都有刀具圆角半径补偿器，具有刀尖圆弧半径 补偿功能（即 g41 左补偿和 g42 右补偿功能） ，对于这类数控车床， 编程员可直接根据零件轮廓形状进行编

31、程，编程时可假设刀具圆角半 径为零，在数控加工前必须在数控机床上的相应刀具补偿号输入刀具 圆弧半径值，加工过程中，数控系统根据加工程序和刀具圆弧半径自 动计算假想刀尖轨迹，进行刀具圆角半径补偿，完成零件的加工。刀 具半径变化时，不需修改加工程序，只需修改相应刀号补偿号刀具圆 弧半径值即可。需要注意的是：有些具有 g41、g42 功能的数控系统， 除了输入刀头圆角半径外，还应输入假想刀尖相对于圆头刀中心的位 置，这是由于内、外圆车刀或左、右偏刀的刀尖位置不同。 当数控车床的数控系统具有刀具长度补偿器时，直接根据零件轮 廓形状进行编程，加工前在机床的刀具长度补偿器输入上述的 x 和 z 的值，在加

32、工时调用相应刀具的补偿号即可。 对于有些不具备补偿功能经济型数控系统的车床可直接按照假想 18 刀尖的轨迹进行编程，即在编程时给出假想刀尖的轨迹，如图 3b 和 图 4 所示的虚线轨迹进行编程。如果采用手工编程计算相当复杂，通 常可利用计算机绘图软件（如 autocad、caxa 电子图版等）先画出工 件轮廓，再根据刀尖圆角半径大小绘制相应假想刀尖轨迹，通过软件 查出有关点的坐标来进行编程；对于较复杂的工件也可以利用计算机 辅助编程（cam） ，如用 caxa 数控车软件进行编程时，刀尖半径补偿 有两种方式：编程时考虑半径补偿和由机床进行半径补偿，对于有些 不具备补偿功能数控系统应该采用编程时

33、考虑半径补偿，根据给出的 刀尖半径和零件轮廓会自动计算出假想刀尖轨迹，通过软件后置处理 生成假想刀尖轨迹的加工程序。对于这类数控系统当刀具磨损、重磨、 或更换新刀具而使刀尖半径变化时，需要重新计算假想刀尖轨迹，并 修改加工程序，既复杂烦琐，又不易保证加工精度。 结束语：以上通过车刀刀尖半径对加工工件的影响的分析可知， 要保证零件加工精度，在数控加工尤其精加工一定要进行车刀刀尖半 径补偿。由于目前数控系统的功能参差不齐，针对不同类型数控系统， 在实际应用中采取方法也不同，有些在编程时就要考虑半径补偿，有 些可在机床中进行半径补偿。 19 第 3 章 数控仿真 3.1 计算机仿真的概念及应用 从工

34、程的角度来看，仿真就是通过对系统模型的实验去研究一 个已有的或设计中的系统。分析复杂的动态对象，仿真是一种有效的 方法，可以减少风险，缩短设计和制造的周期，并节约投资。计算机 仿真就是借助计算机，利用系统模型对实际系统进行实验研究的过程。 它随着计算机技术的发展而迅速地发展，在仿真中占有越来越重要的 地位。计算机仿真的过程可通过图 1 所示的要素间的三个基本活动来 描述： 建模活动是通过对实际系统的观测或检测，在忽略次要因素及 不可检测变量的基础上，用物理或数学的方法进行描述，从而获得实 际系统的简化近似模型。这里的模型同实际系统的功能与参数之间应 具有相似性和对应性。 仿真模型是对系统的数学

35、模型（简化模型）进行一定的算法处 理，使其成为合适的形式（如将数值积分变为迭代运算模型）之后， 成为能被计算机接受的“可计算模型”。仿真模型对实际系统来讲是 一个二次简化的模型。 仿真实验是指将系统的仿真模型在计算机上运行的过程。仿真 是通过实验来研究实际系统的一种技术，通过仿真技术可以弄清系统 内在结构变量和环境条件的影响。 计算机仿真技术的发展趋势主要表现在两个方面：应用领域的 扩大和仿真计算机的智能化。计算机仿真技术不仅在传统的工程技术 20 领域（航空、航天、化工等方面）继续发展，而且扩大到社会经济、 生物等许多非工程领域，此外，并行处理、人工智能、知识库和专家 系统等技术的发展正影响

36、着仿真计算机的发展。 数控加工仿真利用计算机来模拟实际的加工过程，是验证数控加 工程序的可靠性和预测切削过程的有力工具，以减少工件的试切，提 高生产效率。 3.2 数控仿真技术的研究现状 数控机床加工零件是靠数控指令程序控制完成的。为确保数控程 序的正确性，防止加工过程中干涉和碰撞的发生，在实际生产中，常 采用试切的方法进行检验。但这种方法费工费料，代价昂贵，使生产 成本上升，增加了产品加工时间和生产周期。后来又采用轨迹显示法， 即以划针或笔代替刀具，以着色板或纸代替工件来仿真刀具运动轨迹 的二维图形（也可以显示二维半的加工轨迹），有相当大的局限性。 对于工件的三维和多维加工，也有用易切削的材

37、料代替工件（如，石 蜡、木料、改性树脂和塑料等）来检验加工的切削轨迹。但是，试切 要占用数控机床和加工现场。为此，人们一直在研究能逐步代替试切 的计算机仿真方法，并在试切环境的模型化、仿真计算和图形显示等 方面取得了重要的进展，目前正向提高模型的精确度、仿真计算实时 化和改善图形显示的真实感等方向发展。 从试切环境的模型特点来看，目前 nc 切削过程仿真分几何仿真 和力学仿真两个方面。几何仿真不考虑切削参数、切削力及其它物理 因素的影响，只仿真刀具工件几何体的运动，以验证 nc 程序的正确 性。它可以减少或消除因程序错误而导致的机床损伤、夹具破坏或刀 21 具折断、零件报废等问题；同时可以减少

38、从产品设计到制造的时间， 降低生产成本。切削过程的力学仿真属于物理仿真范畴，它通过仿真 切削过程的动态力学特性来预测刀具破损、刀具振动、控制切削参数， 从而达到优化切削过程的目的。 几何仿真技术的发展是随着几何建模技术的发展而发展的，包括 定性图形显示和定量干涉验证两方面。目前常用的方法有直接实体造 型法，基于图像空间的方法和离散矢量求交法。 3.3 直接实体造型法 这种方法是指工件体与刀具运动所形成的包络体进行实体布尔差 运算，工件体的三维模型随着切削过程被不断更新。sungurtekin 和 velcker 开发了一个铣床的模拟系统。该系统采用 csg 法来记录毛坯 的三维模型，利用一些基

39、本图元如长方体、圆柱体、圆锥体等，和集 合运算，特别是并运算，将毛坯和一系列刀具扫描过的区域记录下来， 然后应用集合差运算从毛坯中顺序除去扫描过的区域。所谓被扫过的 区域是指切削刀具沿某一轨迹运动时所走过的区域。在扫描了每段 nc 代码后显示变化了的毛坯形状。 kawashima 等的接合树法将毛坯和切削区域用接合树 （graftree）表示，即除了空和满两种结点，边界结点也作为八叉树 （octtree）的叶结点。边界结点包含半空间，结点物体利用在这些 半空间上的 csg 操作来表示。接合树细分的层次由边界结点允许的半 空间个数决定。逐步的切削仿真利用毛坯和切削区域的差运算来实现。 毛坯的显示

40、采用了深度缓冲区算法，将毛坯划分为多边形实现毛坯的 可视化。 22 用基于实体造型的方法实现连续更新的毛坯的实时可视化，耗时 太长，于是一些基于观察的方法被提出来。 3.4 基于图像空间的方法 这种方法用图像空间的消隐算法来实现实体布尔运算。vanhook 采用图象空间离散法实现了加工过程的动态图形仿真。他使用类似图 形消隐的 zbuffer 思想，沿视线方向将毛坯和刀具离散，在每个屏幕 象素上毛坯和刀具表示为沿 z 轴的一个长方体，称为 dexel 结构。刀 具切削毛坯的过程简化为沿视线方向上的一维布尔运算，见图 3，切 削过程就变成两者 dexel 结构的比较： case1：只有毛坯，显示

41、毛坯，break； case2：毛坯完全在刀具之后，显示刀具，break； case3：刀具切削毛坯前部，更新毛坯的 dexel 结构，显示刀具， break； case4：刀具切削毛坯内部，删除毛坯的 dexel 结构，显示刀具， break； case5：刀具切削毛坯内部，创建新的毛坯 dexel 结构，显示 毛坯，break； case6：刀具切削毛坯后部，更新毛坯的 dexel 结构，显示毛坯， break； case7：刀具完全在毛坯之后，显示毛坯，break； case8：只有刀具，显示刀具，break。 这种方法将实体布尔运算和图形显示过程合为一体，使仿真图 形显示有很好的实时性

42、。 23 hsu 和 yang 提出了一种有效的三轴铣削的实时仿真方法。他们 使用 zmap 作为基本数据结构，记录一个二维网格的每个方块处的毛 坯高度，即 z 向值。这种数据结构只适用于刀轴 z 向的三轴铣削仿真。 对每个铣削操作通过改变刀具运动每一点的深度值，很容易更新 zmap 值，并更新工件的图形显示。 3.5 离散矢量求交法 由于现有的实体造型技术未涉及公差和曲面的偏置表示，而像 素空间布尔运算并不精确，使仿真验证有很大的局限性。为此 chappel 提出了一种基于曲面技术的“点矢量”(pointvector)法。 这种方法将曲面按一定精度离散，用这些离散点来表示该曲面。以每 个离散

43、点的法矢为该点的矢量方向，延长与工件的外表面相交。通过 仿真刀具的切削过程，计算各个离散点沿法矢到刀具的距离 s。 设 sg 和 sm 分别为曲面加工的内、外偏差，如果 sgssm 说明 加工处在误差范围内，ssm 则漏切。该方法分为被切削曲面的离散 (discretization)、检测点的定位（location）和离散点矢量与工件 实体的求交(intersection)三个过程。采用图像映射的方法显示加工 误差图形；零件表面的加工误差可以精确地描写出来。 总体来说，基于实体造型的方法中几何模型的表达与实际加工过 程相一致，使得仿真的最终结果与设计产品间的精确比较成为可能； 但实体造型的技术

44、要求高，计算量大，在目前的计算机实用环境下较 难应用于实时检测和动态模拟。基于图像空间的方法速度快得多，能 够实现实时仿真，但由于原始数据都已转化为像素值，不易进行精确 的检测。离散矢量求交法基于零件的表面处理，能精确描述零件面的 24 加工误差，主要用于曲面加工的误差检测。 25 第 4 章 数控车床的保养 数控机床的保养与维修 4.1 概述 数控机床的维修概念，不能单纯局限于数控系统发生故障时，如 何排除故障和及时修复，使数控系统尽早投入使用，还应包括正确使 用和日常保养等。 4.2 正确操作和使用数控系统的步骤 （1）数控系统通电前的检查 1）检查cnc装置内的各个印刷线路板是否紧固，各

45、个插头有无松 动。 2）认真检查cnc装置与外界之间的全部连接电缆是否按随机提供 的连接手册的规定，正确而可靠地连接。 3）交流输入电源的连接是否符合cnc装置规定的要求。 4）确认cnc装置内的各种硬件设定是否符合cnc装置的要求。 只有经过上述检查，cnc装置才能投入通电运行。 （2）数控系统通电后的检查 1）首先要检查数控装置中各个风扇是否正常运转。 2）确认各个印刷线路或模块上的直流电源是否正常，是否在允 许的波动范围之内。 3）进一步确认cnc装置的各种参数。 26 4）当数控装置与机床联机通电时，应在接通电源的同时，作为 按压紧急停止按钮的准备，以备出现紧急情况时随时切断电源。 5

46、）用手动以低速给移动各个轴，观察机床移动方向的显示是否 正确。 6）进行几次返回机床基准点的动作，用来检查数控机床是否有 返回基准点功能，以及每次返回基准点的位置是否完全一致。 7）cnc装置的功能测试。 4.3 cnc 系统的日常维护 1）制订cnc系统的日常维护的规章制度。 2）应尽量少开数控柜和强电柜的门。 3）定时清理数控装置的散热通风系统。 4）cnc系统的输入/输出装置的定期维护。 5）定期检查和更换直流电机电刷。 6）经常监视cnc装置用的电网电压。 7）存储器用电池的定期更换。 8）cnc系统长期不用时的维护。 9）备用印刷线路板的维护。对于已购置的备用印刷线路板应定 期装到c

47、nc装置上通电运行一段时间，以防损坏。 10）做好维修前期的准备工作： 技术准备：维修人员应在平时充分了解系统的性能。 工具准备：作为最终用户，维修工具只需准备一些常规的仪器 设备，如交流电压表，直流电压表，可能用指针式的也可以是数字式 的，测量误差在2%范围内即可。万用表也是一种常用的仪表。 27 备件准备：一旦由于cnc系统的部件或元器件损坏，使系统发 生故障。为能及时排除故障，用户应准备一些常用的备件。 4.4 故障处置 一旦cnc系统发生故障，系统操作人员应采取急停措施，停止系 统运行，保护好现场。 （1）故障的表现 系统发生故障的工作方式 工作方式有：tape（纸带方式）、mdi（手

48、动数据输入方式）、 memory（存储器方式）、edit（编辑）、handle（手轮）、jog（点 动）方式。 mdi/dpl（手动数据输入/显示）。 系统状态显示有时系统发生故障时却没有报警，此时需要通过 诊断画面观察系统所处的状态。 定位误差超差情况。 在crt上的报警及报警号。 刀具轨迹出现误差时的速度。 （2）故障的频繁程度 故障发生的时间及频率。 加工同类工件时，发生故障的概率。 故障发生的方式，判别是否与进给速度、换刀方式或是与螺纹 切削有关。 出现故障的程序段。 （3）故障的重复性 28 将引起故障的程序段重复执行多次进行观察，来考察故障的重 复性。 将该程序段的编程值与系统内的

49、实际数值进行比较，确认两者 是否有差异。 本系统以前是否发生过同样故障？ （4）外界状况 环境温度。 周围的振动源。 系统的安装位置检查，出故障时是否受到阳光的直射等。 切削液、润滑油是否飞溅到了系统柜、系统柜里是否进水，受 到水的浸渍（如暖气漏水）等。 输入电压调查，输入电源是否有波动、电压值等。 29 第 5 章 数控机床的发展趋势 数控技术的发展趋势 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，他对国计民生的一些重要行业（it、汽车、轻工、医疗等）的发 展起着越来越重要的作用，因为这些行业所需装备的数字化已是

50、现代 发展的大趋势。从目前世界上数控技术及其装备发展的趋势来看，其 主要研究热点有以下几个方面14 。 1 高速、高精加工技术及装备的新趋势 效率、质量是先进制造技术的主体。高速、高精加工技术可极大 地提高效率，提高产品的质量和档次，缩短生产周期和提高市场竞争 能力。为此日本先端技术研究会将其列为 5 大现代制造技术之一，国 际生产工程学会（cirp）将其确定为 21 世纪的中心研究方向之一。 在轿车工业领域，年产 30 万辆的生产节拍是 40 秒/辆，而且多 品种加工是轿车装备必须解决的重点问题之一；在航空和宇航工业领 域，其加工的零部件多为薄壁和薄筋，刚度很差，材料为铝或铝合金， 只有在高

51、切削速度和切削力很小的情况下，才能对这些筋、壁进行加 工。近来采用大型整体铝合金坯料“掏空”的方法来制造机翼、机身 等大型零件来替代多个零件通过众多的铆钉、螺钉和其他联结方式拼 装，使构件的强度、刚度和可靠性得到提高。这些都对加工装备提出 了高速、高精和高柔性的要求。 从 emo2001 展会情况来看，高速加工中心进给速度可达 80m/min，甚至更高，空运行速度可达 100m/min 左右。目前世界上许 30 多汽车厂，包括我国的上海通用汽车公司，已经采用以高速加工中心 组成的生产线部分替代组合机床。美国 cincinnati 公司的 hypermach 机床进给速度最大达 60m/min，

52、快速为 100m/min，加速度 达 2g，主轴转速已达 60 000r/min。加工一薄壁飞机零件，只用 30min，而同样的零件在一般高速铣床加工需 3h，在普通铣床加工需 8h；德国 dmg 公司的双主轴车床的主轴速度及加速度分别达 12*!000r/mm 和 1g。 在加工精度方面，近 10 年来，普通级数控机床的加工精度已由 10m 提高到 5m，精密级加工中心则从 35m，提高到 11.5m，并且超精密加工精度已开始进入纳米级(0.01m)。 在可靠性方面，国外数控装置的 mtbf 值已达 6 000h 以上，伺服 系统的 mtbf 值达到 30000h 以上，表现出非常高的可靠性

53、。 为了实现高速、高精加工，与之配套的功能部件如电主轴、直线电机 得到了快速的发展，应用领域进一步扩大。 2. 5 轴联动加工和复合加工机床快速发展 采用 5 轴联动对三维曲面零件的加工，可用刀具最佳几何形状进 行切削，不仅光洁度高，而且效率也大幅度提高。一般认为，1 台 5 轴联动机床的效率可以等于 2 台 3 轴联动机床，特别是使用立方氮化 硼等超硬材料铣刀进行高速铣削淬硬钢零件时，5 轴联动加工可比 3 轴联动加工发挥更高的效益。但过去因 5 轴联动数控系统、主机结构 复杂等原因，其价格要比 3 轴联动数控机床高出数倍，加之编程技术 难度较大，制约了 5 轴联动机床的发展。 当前由于电主

54、轴的出现，使得实现 5 轴联动加工的复合主轴头结 构大为简化，其制造难度和成本大幅度降低，数控系统的价格差距缩 小。因此促进了复合主轴头类型 5 轴联动机床和复合加工机床（含 5 31 面加工机床）的发展。 在 emo2001 展会上，新日本工机的 5 面加工机床采用复合主轴头， 可实现 4 个垂直平面的加工和任意角度的加工，使得 5 面加工和 5 轴 加工可在同一台机床上实现，还可实现倾斜面和倒锥孔的加工。德国 dmg 公司展出 dmuvoution 系列加工中心，可在一次装夹下 5 面加工 和 5 轴联动加工，可由 cnc 系统控制或 cad/cam 直接或间接控制。 3. 智能化、开放式

55、、网络化成为当代数控系统发展的主要趋势 21 世纪的数控装备将是具有一定智能化的系统，智能化的内容 包括在数控系统中的各个方面：为追求加工效率和加工质量方面的智 能化，如加工过程的自适应控制，工艺参数自动生成；为提高驱动性 能及使用连接方便的智能化，如前馈控制、电机参数的自适应运算、 自动识别负载自动选定模型、自整定等；简化编程、简化操作方面的 智能化，如智能化的自动编程、智能化的人机界面等；还有智能诊断、 智能监控方面的内容、方便系统的诊断及维修等。 为解决传统的数控系统封闭性和数控应用软件的产业化生产存在 的问题。目前许多国家对开放式数控系统进行研究，如美国的 ngc(the next g

56、eneration work-station/machine control)、欧共 体的 osaca(open system architecture for control within automation systems)、日本的 osec(open system environment for controller)，中国的 onc(open numerical control system)等。数 控系统开放化已经成为数控系统的未来之路。所谓开放式数控系统就 是数控系统的开发可以在统一的运行平台上，面向机床厂家和最终用 户，通过改变、增加或剪裁结构对象（数控功能） ，形成系列化，并

57、 可方便地将用户的特殊应用和技术诀窍集成到控制系统中，快速实现 不同品种、不同档次的开放式数控系统，形成具有鲜明个性的名牌产 32 品。目前开放式数控系统的体系结构规范、通信规范、配置规范、运 行平台、数控系统功能库以及数控系统功能软件开发工具等是当前研 究的核心。 网络化数控装备是近两年国际著名机床博览会的一个新亮点。数 控装备的网络化将极大地满足生产线、制造系统、制造企业对信息集 成的需求，也是实现新的制造模式如敏捷制造、虚拟企业、全球制造 的基础单元。国内外一些著名数控机床和数控系统制造公司都在近两 年推出了相关的新概念和样机，如在 emo2001 展中，日本山崎马扎克 （mazak)公

58、司展出的“cyberproduction center” （智能生产控制中 心，简称 cpc)；日本大隈（okuma）机床公司展出“it plaza” （信 息技术广场，简称 it 广场)；德国西门子(siemens)公司展出的 open manufacturing environment（开放制造环境，简称 ome）等，反映 了数控机床加工向网络化方向发展的趋势。 4. 重视新技术标准、规范的建立 （1） 关于数控系统设计开发规范 如前所述，开放式数控系统有更好的通用性、柔性、适应性、扩 展性，美国、欧共体和日本等国纷纷实施战略发展计划，并进行开放 式体系结构数控系统规范(omac、osac

59、a、osec)的研究和制定，世界 3 个最大的经济体在短期内进行了几乎相同的科学计划和规范的制定， 预示了数控技术的一个新的变革时期的来临。我国在 2000 年也开始 进行中国的 onc 数控系统的规范框架的研究和制定。 （2） 关于数控标准 数控标准是制造业信息化发展的一种趋势。数控技术诞生后的 50 年间的信息交换都是基于 iso6983 标准，即采用 g，m 代码描述如 何（how）加工，其本质特征是面向加工过程，显然，他已越来越不 33 能满足现代数控技术高速发展的需要。为此，国际上正在研究和制定 一种新的 cnc 系统标准 iso14649（stepnc)，其目的是提供一种不 依赖于

60、具体系统的中性机制，能够描述产品整个生命周期内的统一数 据模型，从而实现整个制造过程，乃至各个工业领域产品信息的标准 化。 step-nc 的出现可能是数控技术领域的一次革命，对于数控技术 的发展乃至整个制造业，将产生深远的影响。首先，step-nc 提出一 种崭新的制造理念，传统的制造理念中，nc 加工程序都集中在单个 计算机上。而在新标准下，nc 程序可以分散在互联网上，这正是数 控技术开放式、网络化发展的方向。其次，step-nc 数控系统还可大 大减少加工图纸（约 75） 、加工程序编制时间（约 35）和加工时 间（约 50） 。 目前，欧美国家非常重视 step-nc 的研究，欧洲发