数控技术毕业论文数控技术的前景与应用

1、济南工程职业技术学院 毕 业 论 文 论文题目 数控技术的前景与应用 姓 名 学 号 专 业 数控技术 班 级 数控 0801 指导老师 完成时间 2011 年 4 月 26 号 济南工程职业技术学院毕业设计论文 1 摘要 世界制造业转移，中国正在逐步成为世界加工厂。美国、德国、韩国等国家已经 进入工业发展化的高技术密集时代与微电子时代，钢铁、机械、化工等重工业逐渐向 发展中国家转移。我国目前经济发展已经过了发展初期，正处于重工业发展中期。 未来 10 年将是中国机械行业发展最佳时期。美国、德国的重工业发展期延续了 18 年以上。美国、德国、韩国和日本四国重工业发展期平均延续了 12 年。我们

2、估计中 国的重工业发展期将至少再延续 5 年，直到 2016 年。因此，在未来的 5 年中，随着中 国重工业进程的推进，中国企业规模、产品技术、质量等都将得到大幅提高，国产机 械产品国际竞争力增强，逐步替代进口，并加速出口。目前，机械行业中部分子行业 如船舶、铁路、集装箱及集装箱起重机制造等已经受益于国际间的产业转移，并将持 续受益；电站设备、工程机械、车床等将受益于产业转移，加快出口进程。 关键词：数控 工业化发展 刀具 机床 济南工程职业技术学院毕业设计论文 2 目 录 一一 数控机床概述数控机床概述.3 二二 数控机床的特点数控机床的特点.4 三三 数控机床的分类数控机床的分类.6 3.

3、1 按加工工艺方法分类.6 3.1.1 金属切削类数控机床.6 3.1.2 特种加工类数控机床.6 3.1.3 板材加工类数控机床.6 3.2 按控制运动轨迹分类 .7 3.2.1 点位控制数控机床.7 3.2.2 直线控制数控机床.7 3.2.3 轮廓控制数控机床.7 3.3 按驱动装置的特点分类 .8 3.3.1 开环控制数控机床.8 3.3.2 闭环控制数控机床.8 3.3.3 半闭环控制数控机床.9 3.3.4 混合控制数控机床.9 3.4 加工中心 .10 3.5 加工语言 .11 3.6 技术发展趋势 .11 四 典型轴类零件的加工.13 4.1 零件图工艺分析.13 4.2 选择

4、设备.14 4.3 确定零件的定位基准和装夹方式.14 4.4 确定加工顺序及进给路线.14 4.5 刀具选择.15 4.6 切削用量选择.15 4.7 零件粗精加工程序(faunctd 系统) .16 小结小结.19- 参考文献参考文献.20 后记后记.21 济南工程职业技术学院毕业设计论文 3 一 数控机床概述 数控机床是数字控制机床（computer numerical control machine tools）的简称，是 一种装有程序控制系统的自动化机床。该控制系统能够逻辑地处理具有控制编码或其 他符号指令规定的程序，并将其译码，从而使机床动作数控折弯机并加工零件。 二 数控机床的特

5、点 数控机床的操作和监控全部在这个数控单元中完成，它是数控机床的大脑。与普 通机床相比，数控机床有如下特点： 加工精度高，具有稳定的加工质量； 可进行多坐标的联动，能加工形状复杂的零件； 加工零件改变时，一般只需要更改数控程序，可节省生产准备时间； 数控折弯机 机床本身的精度高、刚性大,可选择有利的加工用量，生产率高（一般为普通机 床的 35 倍）； 机床自动化程度高，可以减轻劳动强度； 对操作人员的素质要求较高，对维修人员的技术要求更高。 数控机床一般由下列几个部分组成： 济南工程职业技术学院毕业设计论文 4 主机，他是数控机床的主题，包括机床身、立柱、主轴、进给机构等机械 部件。他是用于完

6、成各种切削加工的机械部件。 数控机床 数控装置，是数控机床的核心，包括硬件（印刷电路板、crt 显示器、键盒、纸 带阅读机等）以及相应的软件，用于输入数字化的零件程序，并完成输入信息的存储、 数据的变换、插补运算以及实现各种控制功能。 驱动装置，他是数控机床执行机构的驱动部件，包括主轴驱动单元、进给 单元、主轴电机及进给电机等。他在数控装置的控制下通过电气或电液伺服系统实现 主轴和进给驱动。当几个进给联动时，可以完成定位、直线、平面曲线和空间曲线的 加工。 辅助装置，指数控机床的一些必要的配套部件，用以保证数控机床的运行， 如冷却、排屑、润滑、照明、监测等。它包括液压和气动装置、排屑装置、交换

7、工作 台、数控转台和数控分度头，还包括刀具及监控检测装置等。 编程及其他附属设备，可用来在机外进行零件的程序编制、存储等。 自从 1952 年美国麻省理工学院研制出世界上第一台数控机床以来，数控机床 在制造工业，特别是在汽车、航空航天、以及军事工业中被广泛地应用，数控技术无 论在硬件和软件方面，都有飞速发展。 济南工程职业技术学院毕业设计论文 5 三 数控机床的分类 3.1 按加工工艺方法分类 3.1.1 金属切削类数控机床 数控钻床、数控磨床、数控齿轮加工机床等。尽管这些数控机床在加工工艺方法 上存在很大差别，具体的控制方式也各不相同，但机床的动作和运动都是数字化控制 的，具有较高的与传统的

8、车、铣、钻、磨、齿轮加工相对应的数控机床有数控车床、 数控铣床、生产率和自动化程度。 在普通数控机床加装一个刀库和换刀装置就成为数控加工中心机床。加工中心机 床进一步提高了普通数控机床的自动化程度和生产效率。例如铣、镗、钻加工中心， 它是在数控铣床基础上增加了一个容量较大的刀库和自动换刀装置形成的，工件一次 装夹后，可以对箱体零件的四面甚至五面大部分加工工序进行铣、镗、钻、扩、铰以 及攻螺纹等多工序加工，特别适合箱体类零件的加工。加工中心机床可以有效地避免 由于工件多次安装造成的定位误差，减少了机床的台数和占地面积，缩短了辅助时间， 大大提高了生产效率和加工质量。 3.1.2 特种加工类数控机

9、床 除了切削加工数控机床以外，数控技术也大量用于数控电火花线切割机床、数控 电火花成型机床、数控等离子弧切割机床、数控火焰切割机床以及数控激光加工机床 等。 3.1.3 板材加工类数控机床 常见的应用于金属板材加工的数控机床有数控压力机、数控剪板机和数控折弯机 等。 近年来，其它机械设备中也大量采用了数控技术，如数控多坐标测量机、自动绘 图机及工业机器人等。 济南工程职业技术学院毕业设计论文 6 3.2 按控制运动轨迹分类 3.2.1 点位控制数控机床 位置的精确定位，在移动和定位过程中不进行任何加工。机床数控系统只控制行 程终点的坐标值，不控制点与点之间的运动轨迹，因此几个坐标轴之间的运动无

10、任何 联系。可以几个坐标同时向目标点运动，也可以各个坐标单独依次运动。 这类数控机床主要有数控坐标镗床、数控钻床、数控冲床、数控点焊机等。点位 控制数控机床的数控装置称为点位数控装置。 3.2.2 直线控制数控机床 直线控制数控机床可控制刀具或工作台以适当的进给速度，沿着平行于坐标轴的 方向进行直线移动和切削加工，进给速度根据切削条件可在一定范围内变化。 直线控制的简易数控车床，只有两个坐标轴，可加工阶梯轴。直线控制的数控铣 床，有三个坐标轴，可用于平面的铣削加工。现代组合机床采用数控进给伺服系统， 驱动动力头带有多轴箱的轴向进给进行钻镗加工，它也可算是一种直线控制数控机床。 数控镗铣床、加工

11、中心等机床，它的各个坐标方向的进给运动的速度能在一定范 围内进行调整，兼有点位和直线控制加工的功能，这类机床应该称为点位/直线控制的 数控机床。 3.2.3 轮廓控制数控机床 轮廓控制数控机床能够对两个或两个以上运动的位移及速度进行连续相关的控制， 使合成的平面或空间的运动轨迹能满足零件轮廓的要求。它不仅能控制机床移动部件 济南工程职业技术学院毕业设计论文 7 的起点与终点坐标，而且能控制整个加工轮廓每一点的速度和位移，将工件加工成要 求的轮廓形状。 常用的数控车床、数控铣床、数控磨床就是典型的轮廓控制数控机床。数控火焰 切割机、电火花加工机床以及数控绘图机等也采用了轮廓控制系统。轮廓控制系统

12、的 结构要比点位/直线控系统更为复杂，在加工过程中需要不断进行插补运算，然后进行 相应的速度与位移控制。 现在计算机数控装置的控制功能均由软件实现，增加轮廓控制功能不会带来成本 的增加。因此，除少数专用控制系统外，现代计算机数控装置都具有轮廓控制功能。 3.3 按驱动装置的特点分类 3.3.1 开环控制数控机床 这类控制的数控机床是其控制系统没有位置检测元件，伺服驱动部件通常为反应 式步进电动机或混合式伺服步进电动机。数控系统每发出一个进给指令，经驱动电路 功率放大后，驱动步进电机旋转一个角度，再经过齿轮减速装置带动丝杠旋转，通过 丝杠螺母机构转换为移动部件的直线位移。移动部件的移动速度与位移

13、量是由输入脉 冲的频率与脉冲数所决定的。此类数控机床的信息流是单向的，即进给脉冲发出去后， 实际移动值不再反馈回来，所以称为开环控制数控机床。 开环控制系统的数控机床结构简单，成本较低。但是，系统对移动部件的实际位 移量不进行监测，也不能进行误差校正。因此，步进电动机的失步、步距角误差、齿 轮与丝杠等传动误差都将影响被加工零件的精度。开环控制系统仅适用于加工精度要 求不很高的中小型数控机床，特别是简易经济型数控机床。 济南工程职业技术学院毕业设计论文 8 3.3.2 闭环控制数控机床 接对工作台的实际位移进行检测，将测量的实际位移值反馈到数控装置中，与输 入的指令位移值进行比较，用差值对机床进

14、行控制，使移动部件按照实际需要的位移 量运动，最终实现移动部件的精确运动和定位。从理论上讲，闭环系统的运动精度主 要取决于检测装置的检测精度，也与传动链的误差无关，因此其控制精度高。图 1-3 所示的为闭环控制数控机床的系统框图。图中 a 为速度传感器、c 为直线位移传感器。 当位移指令值发送到位置比较电路时，若工作台没有移动，则没有反馈量，指令值使 得伺服电动机转动，通过 a 将速度反馈信号送到速度控制电路，通过 c 将工作台实际 位移量反馈回去，在位置比较电路中与位移指令值相比较，用比较后得到的差值进行 位置控制，直至差值为零时为止。这类控制的数控机床，因把机床工作台纳入了控制 环节，故称

15、为闭环控制数控机床。 闭环控制数控机床的定位精度高，但调试和维修都较困难，系统复杂，成本高。 3.3.3 半闭环控制数控机床 半闭环控制数控机床是在伺服电动机的轴或数控机床的传动丝杠上装有角位移电 流检测装置（如光电编码器等），通过检测丝杠的转角间接地检测移动部件的实际位 移，然后反馈到数控装置中去，并对误差进行修正。通过测速元件 a 和光电编码盘 b 可间接检测出伺服电动机的转速，从而推算出工作台的实际位移量，将此值与指令值 进行比较，用差值来实现控制。由于工作台没有包括在控制回路中，因而称为半闭环 控制数控机床。 半闭环控制数控系统的调试比较方便，并且具有很好的稳定性。目前大多将角度 检测

16、装置和伺服电动机设计成一体，这样，使结构更加紧凑。 济南工程职业技术学院毕业设计论文 9 3.3.4 混合控制数控机床 将以上三类数控机床的特点结合起来，就形成了混合控制数控机床。混合控制数 控机床特别适用于大型或重型数控机床，因为大型或重型数控机床需要较高的进给速 度与相当高的精度，其传动链惯量与力矩大，如果只采用全闭环控制，机床传动链和 工作台全部置于控制闭环中，闭环调试比较复杂。混合控制系统又分为两种形式： （1）开环补偿型。它的基本控制选用步进电动机的开环伺服机构，另外附加一个 校正电路。用装在工作台的直线位移测量元件的反馈信号校正机械系统的误差。 （2）半闭环补偿型。它是用半闭环控制

17、方式取得高精度控制，再用装在工作台上 的直线位移测量元件实现全闭环修正，以获得高速度与高精度的统一。其中 a 是速度 测量元件（如测速发电机），b 是角度测量元件，c 是直线位移测量元件。 3.4 加工中心 第一台加工中心是 1958 年由美国卡尼-特雷克公司首先研制成功的。它在数 控卧式镗铣床的基础上增加 数控机床 济南工程职业技术学院毕业设计论文 10 了自动换刀装置，从而实现了工件一次装夹后即可进行铣削、钻削、镗削、铰削 和攻丝等多种工序的集中加工。加工中心是带有刀库和自动换刀装置的一种高度自动 化的多功能数控机床。工件在加工中心上经一次装夹后，能对两个以上的表面完成多 种工序的加工，并

18、且有多种换刀或选刀功能，从而使生产效率大大提高。 加工中心按其加工工序分为镗铣和车削两大类，按控制轴数可分为三轴、四 轴和五轴加工中心。 3.5 加工语言 分为 atl 语言和 nc 语言。 atl 语言由 cam 软件产生，用来描述刀具运行轨迹的一种说明性语言，并且可 在 cam 软件里逐行进行加工仿真模拟。nc 语言由后置处理器产生，是实际输入机床的 加工语言。 nc 程序也可以直接在数控机床上编写。主要有 g 代码（加工代码），m 代码 （辅助功能），t 代码（刀具），s,f（主轴转速和切屑速度）等。 实际加工可以有在线加工和普通加工两类。 普通加工就是用机床内存中已有的 nc 程序来进

19、行加工，可以连续加工也可以 单步加工。 在线加工就是把计算机连接到机床上，直接加工，这种情况下，万一出现意 外，很难直接做出反应，只能通过按急停按钮。 济南工程职业技术学院毕业设计论文 11 3.6 技术发展趋势 高速、精密、复合、智能和绿色是数控机床技术发展的总趋势，近几年来， 在实用化和产业化等方面取得可喜成绩。主要表现在： 1. 机床复合技术进一步扩展随着数控机床技术进步，复合加工技术日趋成熟， 包括铣-车复合、车铣复 五轴联动加工中心 合、车-镗-钻-齿轮加工等复合，车磨复合，成形复合加工、特种复合加工等，复 合加工的精度和效率大大提高。“一台机床就是一个加工厂”、“一次装卡，完全加

20、工”等理念正在被更多人接受，复合加工机床发展正呈现多样化的态势。 2.智能化技术有新突破数控机床的智能化技术有新的突破，在数控系统的性 能上得到了较多体现。如：自动调整干涉防碰撞功能、断电后工件自动退出安全区断 电保护功能、加工零件检测和自动补偿学习功能、高精度加工零件智能化参数选用功 能、加工过程自动消除机床震动等功能进入了实用化阶段，智能化提升了机床的功能 和品质。 3.机器人使柔性化组合效率更高机器人与主机的柔性化组合得到广泛应用， 使得柔性线更加灵活、功能进一步扩展、柔性线进一步缩短、效率更高。机器人与加 工中心、车铣复合机床、磨床、齿轮加工机床、工具磨床、电加工机床、锯床、冲压 机床

21、、激光加工机床、水切割机床等组成多种形式的柔性单元和柔性生产线已经开始 应用。 济南工程职业技术学院毕业设计论文 12 4.精密加工技术有了新进展数控金切机床的加工精度已从原来的丝级 （0.01mm）提升到目前的微米级（0.001mm），有些品种已达到 0.05m 左右。超精密 数控机床的微细切削和磨削加工，精度可稳定达到 0.05m 左右，形状精度可达 0.01m 左右。采用光、电、化学等能源的特种加工精度可达到纳米级（0.001m）。 通过机床结构设计优化、机床零部件的超精加工和精密装配、采用高精度的全闭环控 制及温度、振动等动态误差补偿技术，提高机床加工的几何精度，降低形位误差、表 面粗

22、糙度等，从而进入亚微米、纳米级超精加工时代。 5.功能部件性能不断提高功能部件不断向高速度、高精度、大功率和智能化 方向发展，并取得成熟的应用。全数字交流伺服电机和驱动装置，高技术含量的电主 轴、力矩电机、直线电机，高性能的直线滚动组件，高精度主轴单元等功能部件推广 应用，极大的提高数控机床的技术水平。 四 典型轴类零件的加工 典型轴类零件，零件材料为 45 钢，无热处理和硬度要求，试对该零件进行数控车 削工艺分析。 图 1 典型轴类零件 济南工程职业技术学院毕业设计论文 13 4.1 零件图工艺分析 该零件表面由圆柱、圆锥、顺圆弧、逆圆弧及螺纹等表面组成。其中多个直径尺 寸有较严的尺寸精度和

23、表面粗糙度等要求；球面 s50的尺寸公差还兼有控制该球面 形状（线轮廓）误差的作用。尺寸标注完整，轮廓描述清楚。零件材料为 45 钢，无热 处理和硬度要求。 通过上述分析，可采用以下几点工艺措施。 对图样上给定的几个精度要求较高的尺寸，因其公差数值较小，故编程时不必 取平均值，而全部取其基本尺寸即可。 在轮廓曲线上，有三处为圆弧，其中两处为既过象限又改变进给方向的轮廓曲 线，因此在加工时应进行机械间隙补偿，以保证轮廓曲线的准确性。 为便于装夹，坯件左端应预先车出夹持部分（双点画线部分），右端面也应先 粗车出并钻好中心孔。毛坯选 60棒料。 4.2 选择设备 根据被加工零件的外形和材料等条件，选

24、用 tnd360 数控车床。 4.3 确定零件的定位基准和装夹方式 定位基准 确定坯料轴线和左端大端面（设计基准）为定位基准。 装夹方法 左端采用三爪自定心卡盘定心夹紧，右端采用活动顶尖支承的装夹方 式。 济南工程职业技术学院毕业设计论文 14 4.4 确定加工顺序及进给路线 加工顺序按由粗到精、由近到远（由右到左）的原则确定。即先从右到左进行粗 车（留 0.25精车余量），然后从右到左进行精车，最后车削螺纹。 tnd360 数控车床具有粗车循环和车螺纹循环功能，只要正确使用编程指令，机床 数控系统就会自动确定其进给路线，因此，该零件的粗车循环和车螺纹循环不需要人 为确定其进给路线（但精车的进

25、给路线需要人为确定）。该零件从右到左沿零件表面 轮廓精车进给。 4.5 刀具选择 选用 5中心钻钻削中心孔。 粗车及平端面选用 900 硬质合金右偏刀，为防止副后刀面与工件轮廓干涉（可 用作图法检验），副偏角不宜太小，选 =350。 精车选用 900 硬质合金右偏刀，车螺纹选用硬质合金 600 外螺纹车刀，刀尖圆 弧半径应小于轮廓最小圆角半径，取 r=0.150.2。 将所选定的刀具参数填入数控加工刀具卡片中（见表 1），以便编程和操作管理。 表 1 数控加工刀具卡片 产品名称或代号 零件名称典型轴零件图号 序号刀具号刀具规格名称数量加工表面备注 1t01 5 中心钻 1 钻 5 mm 中心孔

26、 2t02硬质合金 900 外圆车刀1 车端面及粗车轮廓右偏刀 2t03硬质合金 900 外圆车刀 精车轮廓右偏刀 3t04硬质合金 600 外螺纹车刀 车螺纹 编制 审核 批准 共 页第 页 济南工程职业技术学院毕业设计论文 15 4.6 切削用量选择 背吃刀量的选择 轮廓粗车循环时选 ap=3 ，精车 ap=0.25；螺纹粗车时选 ap= 0.4 ，逐刀减少，精车 ap=0.1。 主轴转速的选择 车直线和圆弧时，选粗车切削速度vc=90m/min、精车切削速度 vc=120m/min，然后利用公式vc=dn/1000 计算主轴转速n（粗车直径d=60 ，精车 工件直径取平均值）：粗车 50

27、0r/min、精车 1200 r/min。车螺纹时，参照式（5-1） 计算主轴转速n =320 r/min. 进给速度的选择 选择粗车、精车每转进给量，再根据加工的实际情况确定粗车 每转进给量为 0.4/r，精车每转进给量为 0.15/r，最后根据公式vf = nf计算粗 车、精车进给速度分别为 200 /min 和 180 /min。 综合前面分析的各项内容，并将其填入表 2 所示的数控加工工艺卡片。此表是编 制加工程序的主要依据和操作人员配合数控程序进行数控加工的指导性文件。主要内 容包括：工步顺序、工步内容、各工步所用的刀具及切削用量等。 表 2 典型轴类零件数控加工工艺卡片 产品名称或

28、代号零件名称零件图号 单位名称 典型轴 工序号程序编号夹具名称使用设备车间 001 三爪卡盘和活动顶尖tnd360 数控车床 工步号工步内容刀具号刀具规格/ mm 主轴转速 /r.m1 进给速度 /mm.m1 背吃刀量/ mm 备注 1 平端面 t022525500 手动 2 钻中心孔 t015950 手动 3 粗车轮廓 t022525500200 4.7 零件粗精加工程序(faunctd 系统) n0010 g50 x150.0 z200.0; n0020 g00 x60.0 z1.0 s320 t0202 m08 m03; 济南工程职业技术学院毕业设计论文 16 n0030 g71 p00

29、40 q0050 u1.0 w0.5 d4.0 ; n0040 g00 x24.0 s320; g00 x24.0 s320; g01 x29.85 w2.925 f0.15; w16.15; x26.0. w1.925; w5; x36.0 w10.0; w10.0; g02 x30.0 z9.0 i12.0 k9.0; g02 x40.0 z69.0 i20.0 k15.0; g03 x40.0 z99.0 i20.0 k15.0; g02 x34.0 z108.0 i12.0 k9.0; g01 w5.0; x56.0 w41.0; n0050 w11.0; n0055 g00 x150.0 z200.0 m05 t0200 m09; n0056 t0303 m08 m03; n0060 g70 p0040 q0050; n0070 g00 x150.0 z200.0 m05 t0300 m09; n0080 t0404 s320 m03 m08; 济南工程职业技术学院毕业设计论文 17 n0090 g00 x36.0 z3.0; n0100 g92 x29.05 z22.0 f3.0; n0110 x29.05; n0120 x28.75; n0130 x2