零件的加工方法与编程改进.docx
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零件的加工方法与编程改进
常州机电职业技术学院
毕业设计（论文）
作者：
马金海学号：
41360125
系部：
电气工程系
专业：
数控设备应用与维护
题目：
零件的加工方法与编程改进
校内指导教师：
夏怡
企业指导教师：
评阅者：
2015年7月
摘要
随着科学技术和社会生产的发展，机械产品的形状和结构不断改进，对零件的加工质量要求越来越高，零件的形状越来越复杂，传统的机械加工方法已无法达到零件加工的要求，迫切需要新的加工方法。
其中,作为传统数控加工编程语言的数控G代码,形式繁琐,易于出错,编程、查错过程耗时严重,且已不足应对一些特殊零件的加工要求。
其次分析了零件的组成、表面粗糙度、尺寸精度分析、编制了工艺卡片和零件的加工程序。
本文研究了几种数控编程方法与其功能实现方案,在特殊场合应用能够起到简化加工程序、缩短加工编程时间、提高加工效率和增加加工柔性化的作用。
最后，构建了实验平台,测试其性能与数控加工编程方法，基本达到该次设计的要求。
关键词：
数控设备，数控编程，数控加工。
目录
摘要…………………………………………………………………………….…….2
第一章前言………………………………………………………………..…….…4
1.1本课题研究的意义………………………………………………………………4
1.2本课题目前的现状………………………………………………………………8
1.3本课题研究的目标………………………………………………………………9
1.4完成本课题的可行性分析………………………………………………………10
第二章件的工艺分析………………………………………………………………12
2.1零件图……………………………………………………………………….……12
2.2零件的结构分析…………………………………………………………….……12
2.3零件的加工工艺过程………………………………………………………….…13
2.4零件加工工艺卡片…………………………………………………………….…14
第三章数控系统与编程………………………………………………..……….…15
3.1系统设备的选用…………………………………………………………………15
3.2数控机床的简介…………………………………………………………………23
3.3零件表面基点坐标的计算………………………………………………………24
3.4刀具选用…………………………………………………………………………24
3.5零件的加工程序…………………………………………………………………25
第四章结论…………………………………………………………………………27
致谢……………………………………………………………………………..…28
参考文献………………………………………………………………………..……29
前言
1.1本课题研究的意义
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（1T）与制造技术（MT）结合发展的结果。
现代的CAD/CAM、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。
掌握现代数控技术知识是现代机电类专业学生必不可少的。
1.1.1数控机床的概述
数控技术，简称数控（NumericalControl—NC），是利用数字化信息对机械运动及加工过程进行控制的一种方法。
由于现代数控都采用了计算机进行控制，因此，也可以称为计算机数控（ComputerizedNumericalControl—CNC）。
为了对机械运动及加工过程进行数字化信息控制，必须具备相应的硬件和软件。
用来实现数字化信息控制的硬件和软件的整体成为数控系统（NumericalControlSystem），数控系统的核心是数控装置（NumericalController）。
采用数控技术进行控制的机床，称为数控机床（NC机床）。
它是一种综合
应用了计算机技术、自动控制技术、精密测量技术和机床设计等先进技术的典型机电一体化产品，是现代制造技术的基础。
控制机床也是数控技术应用最早、最广泛的领域，因此，数控机床的水平代表了当前数控技术的性能、水平和发展方向。
随着科技发展，为了适应市场需求多变的形势，对现代制造业来说，不仅需要发展车间制造过程的自动化，而且要实现从市场预测、生产决策、产品设计、产品制造直到产品销售的全面自动化。
将这些要求综合、构成的完整的生产制造系统，称为计算机集成制造系统（ComputerIntegratedManufacturingSystem-—CIMS）。
CIMS将一个更长的生产、经营活动进行了有机的集成，实现了更高效益、更高柔性的智能化生产，是当今自动化制造技术发展的最高阶段。
在CIMS中，不仅是生产设备的集成，更主要的是以信息为特征的技术集成和功能集成。
计算机是集成的工具，计算机辅助的自动化单元技术是集成的基础，信息和数据的交换及共享是集成的桥梁，最终形成的产品，可以看成是信息和数据的物质体现。
在数控机床的早期产品中，数控装置是专用的。
近年来，数控装置中的逻辑电路已被计算机所取代，因而实现了控制多样化和多功能化。
从复台化技术的观点来看，增强控制功能，使得操作机床自动化，不是最终目的。
控制功能应达到晟佳控制和自适应控制，为此应增加诊断功能。
通过传感器反馈，实现加工智能化，并保证系统的可靠性。
1.1.2数控机床的组成
1.输入输出装置
入装置的作用是将记录在信息载体上的数控加工程序读入数控系统的内存储器。
目前广泛应用的输入方式是利用数控机床上的通讯接口通过计算机进行数据传输，也可利用网络技术进行远程数据传输。
对于简单的数控加工程序可采用手动数据输入方式，利用数控系统控制面板上的输入键直接将零件的加工程序输入数控系统的内存储器。
2、数控系统
数控系统是数控机床的核心。
其主要作用是对输入的零件加工程序的命令进行信息处理后，输出控制命令到相应的执行部件（如伺服系统、驱动系统、PLC等），完成零件加工程序所要求的工作。
数控系统有硬件和软件组成。
现代数控系统普遍采用通用计算机其主要硬件部分，包括CPU、存储器、系统总线和输入输出接口等。
软件部分主要是主控制系统软件，其控制方式有数据运算处理控制和时序逻辑控制两大类，主控制器内的插补运算模块根据读入的零件加工程序，通过译码、编译等信息处理后，进行相应的轨迹插补运算，并通过与其相应的各坐标伺服系统位置、速度反馈信号比较，进而控制机床的各坐标轴的移动。
时序逻辑控制主要由可编程控制器PLC完成，它根据机床加工过程中的各个动作要求进行协调，按各检测进行逻辑判断，从而控制机床有条不紊地按序工作。
3、可编程逻辑控制系统
可编程逻辑控制系统主要功能是接受可编程控制器PLC输出的主轴变速和换向，启动或停止，刀具选择或更换，分度工作台转位和紧锁，工件夹紧或松夹，切削液的开启或关闭等辅助操作信号。
经功率放大后直接驱动相应的执行元件，完成数控加工自动操作。
4、伺服驱动系统
伺服驱动系统的作用是接受来自数控系统的位置控制信息，捡起转换成相应坐标轴的进给运动和精确定位运动，完成数控机床最后的控制环节，因此，其伺服精度和动态响应特性将直接影响数控机床的加工精度和表面加工质量。
伺服驱动系统包括主轴伺服和进给伺服两个单元。
主轴伺服单元截水沟来自PLC的转向和转速指令，进过功率放大后驱动主轴电动机转动。
进给伺服单元在每个插补周期内接受数控系统的位移指令，经过功率放大后驱动进给电动机转动，同时完成速度控制和反馈控制。
伺服驱动系统的执行器件有功率步进电动机、直流伺服电动机和交流伺服电动机。
5、位置检测系统
位置检测系统的作用是通过传感器检测伺服电动机的转角位移或数控机床工作台的直线位移，并转换成电信号反馈给伺服系统，由伺服系统中的位置比较环节对控制位移量与实际位移量进行比较，根据比较的差值调整控制信号，提高控制精度。
6、机床主体
机床主体指的是数控机床的机械结构部分，是实现零件加工的执行部件。
它主要由主运动部件、进给运动部件、支撑件、特殊装置、刀具和辅助装置等组成。
数控机床的机械结构部分与普通机床相似，但传动结构和变速系统较为简单，在精度、刚度、抗振性等方面要求较高，因而采取了一些特殊结构，如滚珠丝杠副，直线滚动导轨副等。
1.1.3数控机床的结构特点
数控机床与普通机床在总体结构上基本相似，由本身、箱体、导轨、主轴、进给机构及辅助机构组成。
由于其加工的特殊性，数控机床在机械结构上具有如下特点：
（1）采用高性能的主轴伺服驱动装置和进给伺服驱动装置，使机床的传动链缩短，简化机床机械传动系统的结构。
（2）采用具有高刚度、高抗震性及较小热变形的特殊结构，使机床精度、静刚度、动刚度大大提高，从而满足大余量切削和精密加工切削需要。
（3）采用高传动效率、高精度、无间隙的传动装置和传动构件，如滚珠丝杠螺母副、贴塑滑动轨、直线滚动导轨、静压导轨等传动构件。
（4）加工中心具有完善的刀具自动交换装置。
（5）采用移动门结构的全封闭外罩壳，保证了加工操作的安全性。
（6）具有气动、液压、排屑、冷却、润滑等辅助装置。
（1）由于数控车床刀架的两个方向运动分别由两台伺服电动机驱动，所以它的传动链短。
不必使用挂轮、光杠等传动部件，用伺服电动机直接与丝杠联结带动刀架运动。
伺服电动机丝杠间也可以用同步皮带副或齿轮副联结。
（2）多功能数控车床是采用直流或交流主轴控制单元来驱动主轴，按控制指令作无级变速，主轴之间不必用多级齿轮副来进行变速。
为扩大变速范围，现在一般还要通过一级齿轮副，以实现分段无级调速，即使这样，床头箱内的结构已比传统车床简单得多。
数控车床的另一个结构特点是刚度大，这是为了与控制系统的高精度控制相匹配，以便适应高精度的加工。
（3）数控车床的第三个结构特点是轻拖动。
刀架移动一般采用滚珠丝杠副。
滚珠丝杠副是数控车床的关键机械部件之一，滚珠丝杠两端安装的滚动轴承是专用铀承，它的压力角比常用的向心推力球辆承要大得多。
这种专用轴承配对安装，是选配的，最好在轴承出厂时就是成对的。
（4）为了拖动轻便，数控车床的润滑都比较充分，大部分采用油雾自动润滑。
（5）由于数控机床的价格较高、控制系统的寿命较长，所以数控车床的滑动导轨也要求耐磨性好。
数控车床一般采用镶钢导轨，这样机床精度保持的时间就比较长，其使用寿命也可延长许多。
（6）数控车床还具有加工冷却充分、防护较严密等特点，自动运转时一般都处于全封闭或半封闭状态。
（7）数控车床一般还配有自动排屑装置。
1.2本课题目前的现状
下面对我国数控机床的发展现状及技术趋势进行分析剖析，并初步探讨使其能适应多品种、高质量、低成本的市场需要，促进我国数控机床产业的结构调整和技术升级，促进引进国外先进技术的消化吸收与创新，提高产业的国际竞争力。
1.2.1数控机床的发展
世界上第一台数控机床是为了适应航空工业制造复杂曲面工件的需要产生的。
1948年，美国帕森斯公司在研制加工直升机叶片轮廓检验样板的机床史，首先提出利用电子计算机控制机床加工曲线样板的新概念并获得成功。
1952年，美国麻省理工学院和帕森斯公司合作研制成功了世界上第一台具有信息存储和信息处理功能的三坐标立式铣床。
这是一台采用专用计算机进行运算与控制的直线插补轮廓控制数控铣床，专用计算机采用电子管元件，逻辑运算与控制采用硬件连接的电路。
1955年，该类机床进入实用化阶段，在复杂曲面的加工中发挥了重要作用，这就是第一台数控系统。
从那时起40多年来，随着自动控制技术、微电子技术、计算机技术、精密测量技术及机械制造技术的发展，数控机床得到了迅速发展，不断的更新换代。
数控系统的发展经历五代。
1955年，数控系统以电子管组成，体积大，功率消耗大，这是第一台数控系统。
1959年，晶体管元件问世，数控系统中广泛采用晶体管和印刷电路板，从数控系统跨入第二代。
1965年，出现了小规模集成电路，由于其体积小，功耗低，使数控系统的可靠性得到进一步提高数控系统发展到第三代。
以上三代数控机床的控制系统均为硬接线数控系统，称为普通数控系统，及NC系统。
随着计算机技术的发展，出现了以小型计算机代替专用硬接线装置，以控制软件实现数控功能的计算机数控系统，及CNC系统，使数控机床进入第四代。
1970年以后，美国因特尔公司首先开发使用了四位微处理器，1974年，美国、日本等国首先研制出以微处理器为核心的数控系统。
由于中、大规模集成电路的集成度和可靠性高、价格低廉，所以微处理器数控系统得到了广泛应用。
这就是微机数控系统，及MNC系统，从而使数控机床进入第五代。
1.2.2我国数控机床的发展现状
我国数控技术的发展起步于二十世纪五十年代，中国于1958年研制出第一台数控机床，发展过程大致可分为两大阶段。
在1958~1979年间为第一阶段，从1979年至今为第二阶段。
第一阶段中对数控机床特点、发展条件缺乏认识，在人员素质差、基础薄弱、配套件不过关的情况下，一哄而上又一哄而下，曾三起三落、终因表现欠佳，无法用于生产而停顿。
主要存在的问题是盲目性大，缺乏实事求是的科学精神。
在第二阶段从日、德、美、西班牙先后引进数控系统技术，从日、美、德、意、英、法、瑞士、匈、奥、韩国、台湾省共11国（地区）引进数控机床先进技术和合作、合资生产，解决了可靠性、稳定性问题，数控机床开始正式生产和使用，并逐步向前发展。
通过“六五”期间引进数控技术，“七五;期间组织消化吸收“科技攻关”，我国数控技术和数控产业取得了相当大的成绩。
特别是最近几年，我国数控产业发展迅速，1998～2004年国产数控机床产量和消费量的年平均增长率分别为39.3%和34.9%。
尽管如此，进口机床的发展势头依然强劲，从2002年开始，中国连续三年成为世界机床消费第一大国、机床进口第一大国，2004年中国机床主机消费高达94.6亿美元，国内数控机床制造企业在中高档与大型数控机床的研究开发方面与国外的差距更加明显，70%以上的此类设备和绝大多数的功能部件均依赖进口。
由此可以看出国产数控机床特别是中高档数控机床仍然缺乏市场竞争力，究其原因主要在于国产数控机床的研究开发深度不够、制造水平依然落后、服务意识与能力欠缺、数控,系统生产应用推广不力及数控人才缺乏等。
我们应看清形势，充分认识国产数控机床的不足，努力发展先进技术，加大技术创新与培训服务力度，以缩短与发达国家之问的差距。
1.3本课题研究的目标
（1）掌握各编程指令的意义，编写正确的加工工序；
（2）熟练的的编写程序和应用；
（3）学会对零件加工工艺的制定；
（4）了解机械制造相关知识；
（5）熟悉机床的组成，了解相关的基础知识；
（6）完成设计的工件，顺利毕业。
1.3.1理论方面
1.学会对零件加工工艺的制定。
2.熟悉了数控机床的组成，了解相关控制系统原理。
3.掌握各编程指令的意义，编写正确的加工程序。
4.了解了机械制造相关知识。
5.学会应用或了解关于数控方面的软件。
1.3.2操作方面
1.按照机械制图标准，绘制出零件图。
2.熟练掌握数控机床面板及操作界面的使用。
3..熟悉掌握工件装夹、刀具装夹、刀具刃磨、编程原点找正、对刀等操作方法及步骤
4.熟练掌握零件图纸分析、工艺制定、刀具选择、切削用量选择、程序编写等加工相关内容，并能够进行计算机仿真加工。
5.熟练掌握数控加工过程的完成步骤（从图纸到工件的完整加工过程），并能保证零件加工成型的相对尺寸精度、形状精度、表面的位置精度、表面粗度等其他要求。
6.熟悉数控机床教学安全操作规程。
7.通过数控高级工笔试。
1.4完成本课题的可行性分析
本人通过四年半的理论知识与专业技能的学习，已初步能够独立进行零件的设计、材料分析，工艺的制定，到最终的编程加工。
并且在每学期都要进行维期两个用月的专业技能强化训练，让我们深入感受到理论与实践是相辅相成的。
在实践方面已通过数控车床中级、普车中级、钳工中级的考核，对电工、机床的结构及工件的加工工艺也有一定的了解；并且论文的论题与自己所学专业相对应，并且具有充分的参考资料（如：
《机械制图》、《数控加工编程》、《数控机床》、《机械制造基础》、《金属工艺学》、《机械设计》、《CAD/CAM应用技术》等资料）。
《金属工艺学》此书系统地阐述了钢铁生产、金属材料的性能、金属的结构与结晶、合金的相结构与相图、铁碳合金、钢的热处理、工业用钢、机械加工工艺规程的制定等方面的基本原理和基础知识。
《数控加工编程》此书从三种数控系统SIEMENS、FANUC、华中入手,深入浅出地阐述了零件的分析,尤其十分详细地介绍了如何编程,同时还介绍了编程时的注意点,最后还对加工中心的对刀和其他类型机床作了简要的介绍。
除此之外还有专门的指导老师、教授做辅助综合以上分析相信一定能够顺利地完成最终的设计。
第二章零件的工艺分析
2.1零件图
零件图1-1
2.2零件的结构分析
该零件是由外圆、圆、孔、内螺纹及退刀槽组成。
其中有多个尺寸有较严的尺寸公差和表面粗糙度等要求。
该零件的毛坯材料规格是45#钢，直径为50mm,长度为150mm。
一．零件的形状
该零件是由外圆轮廓和孔组成
外圆轮廓从右到左依次由：
φ36圆、φ20φ40φ48的外圆、退刀槽、。
孔左到右依次由：
M24X2的内螺纹、φ44.73的锥度
二．尺寸分析
1.外圆轮廓尺寸分析：
φ48、40、20的外圆，其上偏差是0.0下偏差是0.039，其表面粗糙度为1.6。
φ36圆，其上偏差为0。
08下偏差为-0。
08，
2盲孔尺寸分析：
φ24的内圆，上偏差为0下偏差为0，其粗糙度为3.2。
M24X2的螺纹。
φ36的外圆，上偏差为0，下偏差为-0.019.
2.3零件的加工工艺过程
表2-1工序卡
工序号
工种
工序内容
加工简图
设备
1
下料
φ50×150
2
三爪卡盘夹持工件一端，伸长为55mm，用麻花钻，钻出43mm深度调头
3
夹住左端，伸出80mm长度用尖刀加工右端φ36的圆盒3个台阶
4
夹住右端零件用尖刀加工左端φ44.73的锥度和台阶然后精加工，
5
用镗孔刀加工左端的内轮廓。
在用螺纹刀加工内螺纹
2.4零件加工工艺卡片
表2-2工艺卡
工序号
工序内容
刀具号
道具型号
主轴转速r/min
进给速度
背吃刀量mm
备注
1
钻30盲孔
麻花钻
300
1.5
2
调头车外圆
T0101
尖刀
1000
F0.3
1.5
3
调头车外圆
T0101
90°刀
1000
F0.3
1.5
4
车内轮廓
T0101
镗孔刀
500
F0.3
1.5
5
车内螺纹
T0101
内三角螺纹刀
450
F0.3
1.5
6
车螺纹
T0101
螺纹刀
400
F0.3
1.5
第三章系统设备与编程
3.1系统设备的选用
3.1.1数控系统概述
是数字控制系统简称，英文名称为NumericalControlSystem，早期是由硬件电路构成的称为硬件数控（HardNC），1970年代以后，硬件电路元件逐步由专用的计算机代替称为计算机数控系统。
计算机数控（Computerizednumericalcontrol,简称CNC）系统是用计算机控制加工功能，实现数值控制的系统。
CNC系统根据计算机存储器中存储的控制程序，执行部分或全部数值控制功能，并配有接口电路和伺服驱动装置的专用计算机系统。
CNC系统由数控程序、输入装置、输出装置、计算机数控装置（CNC装置）、可编程逻辑控制器（PLC）、主轴驱动装置和进给（伺服）驱动装置（包括检测装置）等组成。
CNC系统的核心是CNC装置。
由于使用了计算机，系统具有了软件功能，又用PLC代替了传统的机床电器逻辑控制装置，使系统更小巧，其灵活性、通用性、可靠性更好，易于实现复杂的数控功能，使用、维护也方便，并具有与上位机连接及进行远程通信的功能。
3.1.2数控系统组成
目前世界上的数控系统种类繁多，形式各异，组成结构上都有各自的特点。
这些结构特点来源于系统初始设计的基本要求和工程设计的思路。
例如对点位控制系统和连续轨迹控制系统就有截然不同的要求。
对于T系统和M系统，同样也有很大的区别，前者适用于回转体零件加工，后者适合于异形非回转体的零件加工。
对于不同的生产厂家来说，基于历史发展因素以及各自因地而异的复杂因素的影响，在设计思想上也可能各有千秋。
例如，美国Dynapath系统采用小板结构，便于板子更换和灵活结合，而日本FANUC系统则趋向大板结构，使之有利于系统工作的可靠性，促使系统的平均无故障率不断提高。
然而无论哪种系统，它们的基本原理和构成是十分相似的。
一般整个数控系统由三大部分组成，即控制系统，伺服系统和位置测量系统。
控制系统按加工工件程序进行插补运算，发出控制指令到伺服驱动系统；伺服驱动系统将控制指令放大，由伺服电机驱动机械按要求运动；测量系统检测机械的运动位置或速度，并反馈到控制系统，来修正控制指令。
这三部分有机结合，组成完整的闭环控制的数控系统。
控制系统主要由总线、CPU、电源、存贮器、操作面板和显示屏、位控单元、可编程序控制器逻辑控制单元以及数据输入/输出接口等组成。
最新一代的数控系统还包括一个通讯单元，它可完成CNC、PLC的内部数据通讯和外部高次网络的连接。
伺服驱动系统主要包括伺服驱动装置和电机。
位置测量系统主要是采用长光栅或圆光栅的增量式位移编码器。
硬件结构
数控系统的硬件由数控装置、输入/输出装置、驱动装置和机床电器逻辑控制装置等组成，这四部分之间通过I/O接口互连。
数控装置是数控系统的核心，其软件和硬件来控制各种数控功能的实现。
数控装置的硬件结构按CNC装置中的印制电路板的插接方式可以分为大板结构和功能模块（小板）结构；按CNC装置硬件的制造方式，可以分为专用型结构和个人计算机式结构；按CNC装置中微处理器的个数可以分为单微处理器结构和多微处理器结构。
（1）大板结构和功能模板结构
1）大板结构
大板结构CNC系统的CNC装置由主电路板、位置控制板、PC板、图形控制板、附加I/O板和电源单元等组成。
主电路板是大印制电路版，其它电路板是小板，插在大印制电路板上的插槽内。
这种结构类似于微型计算机的结构。
2）功能模块结构
（2）单微处理器结构和多微处理器结构
1）单微处理器结构
单微处理器结构中，只有一个微处理器，以集中控制、分时处理数控装置的各个任务。
2）多微处理器结构
随着数控系统功能的增加、数控机床的加工速度的提高，单微处理器数控系统已不能满足要求，因此，许多数控系统采用了多微处理器的结构。
若在一个数控系统中有两个或两个以上的微处理器，每个微处理器通过数据总线或通信方式进行连接，共享系统的公用存储器与I/O接口，每个微处理器分担系统的一部分工作，这就是多微处理器系统。
软件结构
CNC软件分为应用软件和系统软件。
CNC系统软件是为实现CNC系统各项功能所编制的专用软件，也叫控制软件，存放在计算机EPROM内存中。
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