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大学课程设计

目录

前言

第一章 数控技术的发展状况和发展趋势

1.1 数控技术发展状况……………………………………3

1.2 数控技术的发展趋势…………………………………5

第二章 数控编程基础知识

2.1 数控编程的内容………………………………………8

2.2 数控编程的方法………………………………………9

2.3 数控专业基本编程指令………………………………10

2.4 数控编程的应用………………………………………14

第三章 数控车加工工艺

3.1 数控加工工艺分析主要内容…………………………15

3.2 数控加工内容及加工方法的选择……………………16

3.3 数控加工中刀具选择与切削用量的确定……………18

第四章 切削用量的选择和选择原则

4.1 切削用量的选择………………………………………20

4.2 切削用量的选择原则…………………………………21

第五章 典型零件加工

5.1 零件图加工工艺………………………………………23

5.2 编程……………………………………………………25

5.3机床的操作……………………………………………26

结论…………………………………………………………27

致谢…………………………………………………………28

参考文献……………………………………………………28

前言

数控技术及数控机床在当今机械制造业中的重要地位和巨大效益，显示了其在国家基础工业现代化中的战略性作用，并已成为传统机械制造工业提升改造和实现自动化、柔性化、集成化生产的重要手段和标志。

数控技术及数控机床的广泛应用，给机械制造业的产业结构、产品种类和档次以及生产方式带来了革命性的变化。

数控机床是现代加工车间最重要的装备。

它的发展是信息技术（IT）与制造技术（MT）结合发展的结果。

现代的CAD/CMD、FMS、CIMS、敏捷制造和智能制造技术，都是建立在数控技术之上的。

掌握现代数控技术是现代机械类专业学生必不可少的。

中国数控技术和产业经过40多年的发展，从无到有，从引进消化到拥有自己独立的自主版权，取得了相当大的进步。

但回顾这几十年的发展，可以看到我们在数控领域的进步主要还是按国外一些模式，按部就班地发展，真正创新的成分不多。

这种局面在发展初期的起步阶段，是无可非议的。

但到了世界数控强手如林的今天和知识经济即将登上舞台的新世纪，这一常规途径就很难行通了。

例如，在国外模拟伺服快过时时，我们开始搞模拟伺服，还没等我们占稳市场，技术上就已经落后了；在国外将脉冲驱动的数字式伺服打入我国市场时，我们就跟着搞这类的数字伺服，我们老是跟在别人后面走，按国外已有控制和驱动模式来开发国产数控系统，在技术上难免要滞后，再加上国外公司在我国境内设立研究所和生产力，实行就地开发、就地生产和就地销售，使我们的产品在性能价格比上已越来越无多大优势，因此要进一步扩大市场占有率，难度自然就很大了。

为改变这种现状，我们必须深刻理解和认真落实“科学技术是第一生产力”的伟大论断，大力加强数控领域的科技创新，努力研究具有中国特色的实用先进数控技术，逐步建立自己独立的、先进的技术体系。

在此基础上大力发展符合中国国情的数控产品，从而形成从数控系统、数控功能部件到种类齐全的数控机床整机的完整的产业体系。

这样，才不会被国外牵着鼻子，永远受别人的制约，才有可能用先进、实用的数控产品去收复国内市场，打开国际市场，使中国的数控技术和数控产业在21世纪走在世界的前列。

第一章 数控技术的发展状况和发展趋势

1.1国内外数控技术发展状况

世界制造业在20世纪末的十几年中经历了几次反复，曾一度几乎快成为夕阳工业，所以美国人首先提出了要振兴现代制造业。

90年代的全世界数控机床制造业都经过重大改组。

如美国、德国等几大制造商都经过较大变动，从90年代初开始已出现明显的回升，在全世界制造业形成新的技术更新浪潮。

如德国机床行业从2000年至今已接受3个月以后的订货合同，生产任务饱满。

   20世纪人类社会最伟大的科技成果是计算机的发明与应用，计算机及控制技术在机械制造设备中的应用是世纪内制造业发展的最重大的技术进步。

自从1952年美国第1台数控铣床问世至今已经历了50个年头。

数控设备包括：

车、铣、加工中心、镗、磨、冲压、电加工以及各类专机，形成庞大的数控制造设备家族，每年全世界的产量有10～20万台，产值上百亿美元。

   世界制造业在20世纪末的十几年中经历了几次反复，曾一度几乎快成为夕阳工业，所以美国人首先提出了要振兴现代制造业。

90年代的全世界数控机床制造业都经过重大改组。

如美国、德国等几大制造商都经过较大变动，从90年代初开始已出现明显的回升，在全世界制造业形成新的技术更新浪潮。

如德国机床行业从2000年至今已接受3个月以后的订货合同，生产任务饱满。

   我国数控机床制造业在80年代曾有过高速发展的阶段，许多机床厂从传统产品实现向数控化产品的转型。

但总的来说，技术水平不高，质量不佳，所以在90年代初期面临国家经济由计划性经济向市场经济转移调整，经历了几年最困难的萧条时期，那时生产能力降到50％，库存超过4个月。

从1995年“九五”以后国家从扩大内需启动机床市场，加强限制进口数控设备的审批，投资重点支持关键数控系统、设备、技术攻关，对数控设备生产起到了很大的促进作用，尤其是在1999年以后，国家向国防工业及关键民用工业部门投入大量技改资金，使数控设备制造市场一派繁荣。

从2000年8月份的上海数控机床展览会和2001年4月北京国际机床展览会上，也可以看到多品种产品的繁荣景象。

但也反映了下列问题：

（1）低技术水平的产品竞争激烈，互相靠压价促销；

（2）高技术水平、全功能产品主要靠进口；

（3）配套的高质量功能部件、数控系统附件主要靠进口；

（4）应用技术水平较低，联网技术没有完全推广使用；

（5）自行开发能力较差，相对有较高技术水平的产品主要靠引进图纸、合资生产或进口件组装。

   当今世界工业国家数控机床的拥有量反映了这个国家的经济能力和国防实力。

目前我国是全世界机床拥有量最多的国家（近300万台），但我们的机床数控化率仅达到1．9％左右，这与西方工业国家一般能达到20％的差距太大。

日本不到80万台的机床却有近10倍于我国的制造能力。

数控化率低，已有数控机床利用率、开动率低，这是发展我国21世纪制造业必须首先解决的最主要问题。

每年我们国产全功能数控机床3000～4000台，日本1年产5万多台数控机床，每年我们花十几亿美元进口7000～9000台数控机床，即使这样我国制造业也很难把行业中数控化率大幅度提上去。

因此，国家计委、经贸委从“八五”、“九五”就提出数控化改造的方针，在“九五”期间，我协会也曾做过调研。

当时提出数控化改造的设备可达8～10万台，需投入80～100亿资金，但得到的经济效益将是投入的5～10倍以上。

因此，这两年来承担数控化改造的企业公司大量涌现，甚至还有美国公司加入。

“十五”刚刚开始，国防科工委就明确提出了在军工企业中投入6．8亿元，用于对1．2～1．8万台机床的数控化改造。

数控技术经过50年的2个阶段和6代的发展：

第1阶段：

硬件数控（NC）

第1代：

1952年的电子管

第2代：

1959年晶体管分离元件

第3代：

1965年的小规模集成电路

第2阶段：

软件数控（CNC）

第4代：

1970年的小型计算机

第5代：

1974年的微处理器

第6代：

1990年基于个人PC机（PC－BASEO）

第6代的系统优点主要有：

（1）元器件集成度高，可靠性好，性能高，可靠性已可达到5万小时以上；

（2）基于PC平台，技术进步快，升级换代容易；

（3）提供了开放式基础，可供利用的软、硬件资源丰富，使数控功能扩展到很宽的领域（如CAD、CAM、CAPP，连接网卡、声卡、打印机、摄影机等）；

（4）对数控系统生产厂来说，提供了优良的开发环境，简化了硬件。

目前，国际上最大的数控系统生产厂是日本FANUC公司，1年生产5万套以上系统，占世界市场约40％左右，其次是德国的西门子公司约占15％以上，再次是德海德汉尔，西班牙发格，意大利菲地亚，法国的NUM，日本的三菱、安川。

国产数控系统厂家主要有华中数控、北京航天机床数控集团、北京凯恩帝、北京凯奇、沈阳艺天、广州数控、南京新方达、成都广泰等，国产数控生产厂家规模都较小，年产都还没有超过300～400套。

近10年数控机床为适应加工技术发展，在以下几个技术领域都有巨大进步。

（1）高速化

   由于高速加工技术普及，机床普遍提高各方面速度，车床主轴转速由3000～4000r／min提高到8000～10000r／min，铣床和加工中心主轴转速由4000～8000r／min提高到12000r／min、24000r／min、40000r／min以上快速移动速度由过去的10～20m／min提高到48m／min、60m／min、80m／min、120m／min在提高速度的同时要求提高运动部件起动的加速度，其已由过去一般机床的0．5G（重力加速度）提高到1．5～2G，最高可达15G，直线电机在机床上开始使用，主轴上大量采用内装式主轴电机。

（2）高精度化

   数控机床的定位精度已由一般的0．01～0．02mm提高到0．008mm左右，亚微米级机床达到0．0005mm左右，纳米级机床达到0．005～0．01μm，最小分辨率为1nm（0．000001mm）的数控系统和机床已有产品。

数控中两轴以上插补技术大大提高，纳米级插补使两轴联动出的圆弧都可以达到1μ的圆度，插补前多程序段预读，大大提高插补质量，并可进行自动拐角处理等。

（3）复合加工、新结构机床大量出现

如5轴5面体复合加工机床，5轴5联动加工各类异形零件。

也派生出各新颖的机床结构，包括6轴虚拟轴机床，串并联铰链机床等。

采用特殊机械结构，数控的特殊运算方式，特殊编程要求。

（4）使用各种高效特殊功能的刀具使数控机床“如虎添翼”。

如内冷钻头由于使高压冷却液直接冷却钻头切削刃和排除切屑，在钻深孔时大大提高效率。

加工钢件切削速度能达1000m／min，加工铝件能达5000m／min。

（5）数控机床的开放性和联网管理，已是使用数控机床的基本要求，它不仅是提高数控机床开动率、生产率的必要手段，而且是企业合理化、最佳化利用这些制造手段的方法。

因此，计算机集成制造、网络制造、异地诊断、虚拟制造、异行工程等等各种新技术都在数控机床基础上发展起来，这必然成为21世纪制造业发展的一个主要潮流。

1.2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〔1～8〕。

1.2.1高速、高精加工技术及装备的新趋

效率、质量是先进制造技术的体。

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，快速为100m/min，加速度达2g，主轴转速已达60000r/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10μm提高到5μm，精密级加工中心则从3～5μm，提高到1～1.5μm，并且超精密加工精度已开始进入纳米级（0.01μm）。

  在可靠性方面，国外数控装置的MTBF值已达6000h以上，伺服系统的MTBF值达到30000h以上，表现出非常高的可靠性。

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。

1.2.25轴联动加工

 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。

1.2.3智能化、开放式、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（TheNextGenerationWork-Station/MachineControl）、欧共体的OSACA（Op

和复合加工机床enSystemArchitectureforControlwithinAutomationSystems）、日本的OSEC（OpenSystemEnvironmentforController），中国的ONC（OpenNumericalControlSystem）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）公司展出的“CyberProductionCenter”（智能生产控制中心，简称CPC）；日本大隈（Okuma）机床公司展出“ITplaza”（信息技术广场，简称IT广场）；德国西门子（Siemens）公司展出的OpenManufacturingEnvironment（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。

第二章  数控编程基础知识

2.1数控编程的内容

2.1.1分析零件图样和制定工艺方案

这项工作的内容包括：

对零件图样进行分析，明确加工的内容和要求；确定加工方案；选择适合的数控机床；选择或设计刀具和夹具；确定合理的走刀路线及选择合理的切削用量等。

这一工作要求编程人员能够对零件图样的技术特性、几何形状、尺寸及工艺要求进行分析，并结合数控机床使用的基础知识，如数控机床的规格、性能、数控系统的功能等，确定加工方法和加工路线。

2.1.2数学处理

在确定了工艺方案后，就需要根据零件的几何尺寸、加工路线等，计算刀具中心运动轨迹，以获得刀位数据。

数控系统一般均具有直线插补与圆弧插补功能，对于加工由圆弧和直线组成的较简单的平面零件，只需要计算出零件轮廓上相邻几何元素交点或切点的坐标值，得出各几何元素的起点、终点、圆弧的圆心坐标值等，就能满足编程要求。

当零件的几何形状与控制系统的插补功能不一致时，就需要进行较复杂的数值计算，一般需要使用计算机辅助计算，否则难以完成。

2.1.3编写零件加工程序

在完成上述工艺处理及数值计算工作后，即可编写零件加工程序。

程序编制人员使用数控系统的程序指令，按照规定的程序格式，逐段编写加工程序。

2.1.4程序检验

将编写好的加工程序输入数控系统，就可控制数控机床的加工工作。

一般在正式加工之前，要对程序进行检验。

通常可采用机床空运转的方式，来检查机床动作和运动轨迹的正确性，以检验程序。

在具有图形模拟显示功能的数控机床上，可通过显示走刀轨迹或模拟刀具对工件的切削过程，对程序进行检查。

对于形状复杂和要求高的零件，也可采用铝件、塑料或石蜡等易切材料进行试切来检验程序。

通过检查试件，不仅可确认程序是否正确，还可知道加工精度是否符合要求。

若能采用与被加工零件材料相同的材料进行试切，则更能反映实际加工效果，当发现加工的零件不符合加工技术要求时，可修改程序或采取尺寸补偿等措施。

2.2编程的方法

 数控编程方法可以分为两类：

一类是手工编程，另一类是自动编程。

2.2.1手工编程 

  手工编程是指编制零件数控加工程序的各个步骤，即从零件图纸分析、工艺决策、确定加工路线和工艺参数、计算刀位轨迹坐标数据、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。

  对于点位加工或几何形状不太复杂的轮廓加工，几何计算较简单，程序段不多，手工编程即可实现。

如简单阶梯轴的车削加工，一般不需要复杂的坐标计算，往往可以由技术人员根据工序图纸数据，直接编写数控加工程序。

但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，数值计算则相当繁琐，工作量大，容易出错，且很难校对，采用手工编程是难以完成的。

 2.2.2自动编程 

  自动编程是采用计算机辅助数控编程技术实现的，需要一套专门的数控编程软件，现代数控编程软件主要分为以批处理命令方式为主的各种类型的语言编程系统和交互式CAD／CAM集成化编程系统。

  APT是一种自动编程工具（AutomaticallyProgrammedTool）的简称，是对工件、刀具的几何形状及刀具相对于工件的运动等进行定义时所用的一种接近于英语的符号语言。

在编程时编程人员依据零件图样，以APT语言的形式表达出加工的全部内容，再把用APT语言书写的零件加工程序输入计算机，经APT语言编程系统编译产生刀位文件（CLDATAfile），通过后置处理后，生成数控系统能接受的零件数控加工程序的过程，称为APT语言自动编程。

  采用APT语言自动编程时，计算机（或编程机）代替程序编制人员完成了繁琐的数值计算工作，并省去了编写程序单的工作量，因而可将编程效率提高数倍到数十倍，同时解决了手工编程中无法解决的许多复杂零件的编程难题。

  交互式CAD/CAM集成系统自动编程是现代CAD/CAM集成系统中常用的方法，在编程时编程人员首先利用计算机辅助设计（CAD）或自动编程软件本身的零件造型功能，构建出零件几何形状，然后对零件图样进行工艺分析，确定加工方案，其后还需利用软件的计算机辅助制造（CAM）功能，完成工艺方案的制订、切削用量的选择、刀具及其参数的设定，自动计算并生成刀位轨迹文件，利用后置处理功能生成指定数控系统用的加工程序。

因此我们把这种自动编程方式称为图形交互式自动编程。

这种自动编程系统是一种CAD与CAM高度结合的自动编程系统。

  集成化数控编程的主要特点：

零件的几何形状可在零件设计阶段采用CAD/CAM集成系统的几何设计模块在图形交互方式下进行定义、显示和修改，最终得到零件的几何模型。

编程操作都是在屏幕菜单及命令驱动等图形交互方式下完成的，具有形象、直观和高效等优点。

2.3数控专业基本编程指令

1、快速定位G00

格式：

G00X（U）_Z（W）_

说明：

X、Z：

为绝对编程时，快速定位终点在工件坐标系中的坐标；U、W：

为增量编程时，快速定位终点相对于起点的位移量；G00指令刀具相对于工件以各轴预先设定的速度，从当前位置快速移动到程序段指令的定位目标点。

G00指令中的快移速度由机床参数“快移进给速度”对各轴分别设定，不能用F规定。

G00一般用于加工前快速定位或加工后快速退刀。

快移速度可由面板上的快速修调按钮修正。

G00为模态功能，可由G01、G02、G03或G32功能注销。

注意：

在执行G00指令时，由于各轴以各自速度移动，不能保证各轴同时到达终点，因而联动直线轴的合成轨迹不一定是直线。

操作者必须格外小心，以免刀具与工件发生碰撞。

常见的做法是，将X轴移动到安全位置，再放心地执行G00指令。

2、直线插补G01

格式：

G01X（U）_Z（W）_F_；

说明：

X、Z：

为绝对编程时终点在工件坐标系中的坐标；U、W：

为增量编程时终点相对于起点的位移量；F_：

合成进给速度。

G01指令刀具以联动的方式，按F规定的合成进给速度，从当前位置按线性路线（联动直线轴的合成轨迹为直线）移动到程序段指令的终点。

G01是模态代码，可由G00、G02、G03或G32功能注销。

3、圆弧进给G02/G03

格式：

G02X（U）_Z（W）_I_K_F

说明：

G02/G03指令刀具，按顺时针/逆时针进行圆弧加工。

圆弧插补G02/G03的判断，是在加工平面内，根据其插补时的旋转方向为顺时针/逆时针来区分的。

加工平面为观察者迎着Y轴的指向，所面对的平面。

G02：

顺时针圆弧插补

G03：

逆时针圆弧插补

X、Z：

为绝对编程时，圆弧终点在工件坐标系中的坐标；

U、W：

为增量编程时，圆弧终点相对于圆弧起点的位移量；

I、K：

圆心相对于圆弧起点的增加量（等于圆心的坐标减去