数控机床机电一体化技术毕业设计论文.docx
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数控机床机电一体化技术毕业设计论文
毕业设计报告
课题：
数控
系部：
电气工程系
专业：
机电一体化技术
班级：
机电081
姓名
学号：
**********
指导老师：
2011．3
摘要——————————————————————————————1
第一章序言——————————————————————————3
第二章数控机床的发展
2.1数控系统的发展—————————————————————————5
2.2机床的发展趋势—————————————————————————6
2.3数控机床加工的特点———————————————————————6
2.4数控机床加工的应用———————————————————————7
第三章数控机床的选择
3.1按加工工艺方法分类——————————————————————8
3.2按控制运动轨迹分类———————————————————————9
3.3按驱动装置的特点分类————————————————————10
第四章刀具的选择与应用
4.1.1合理选择切削用量———————————————————————13
4.1.2合理选择刀具—————————————————————————14
4.1.3合理选择夹具—————————————————————————14
4.1.4确定加工路线—————————————————————————14
4.1.5加工路线与加工余量的联系———————————————————14
4.1.6夹具安装要点—————————————————————————14
第五章数控车床编程基础
5.1数控车床编程基础——————————————————————17
5.1.2数控车编程特点————————————————————————17
5.1.3数控车的坐标系统———————————————————————17
5.1.4直径编程方式—————————————————————————17
5.1.5进刀和退刀方式————————————————————————18
5.1.6绝对编程与增量编程——————————————————————18
5.2数控车床的基本编程方法————————————————————18
5.2.1、坐标系设定—————————————————————————19
5.2.2、基本指令G00，G01、G02、G03、G04、G28———————————19
5.2.3、有关单位设定————————————————————————21
第六章实例编程与工艺
谢辞—————————————————————————————35
参考文献———————————————————————————36
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化发展的高技术密集时代与微电子时代，钢铁、机械、化工等重工业正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，正处于重化工业发展中期。
未来10年将是中国机械行业发展最佳时期。
美国、德国的重化工业发展期延续了18年以上，美国、德国、韩国四国重化工业发展期平均延续了12年，我们估计中国的重化工业发展期将至少延续10年，直到2015年。
因此，在未来10年中，随着中国重化工业进程的推进，中国企业规模、产品技术、质量等都将得到大幅提升，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、床等将受益于产业转移，加快出口进程
关键词:
数控程序刀具机床做标轴
第一章序言
在机械制造工业中并不是所有的产品零件都具有很大的批量，单件与小批量生产的零件（批量在10～100件）约占机械加工总量的80%以上。
尤其是在造船、航天、航空、机床、重型机械以及国防工业更是如此。
为了满足多品种，小批量的自动化生产，迫切需要一种灵活的，通用的，能够适用产品频繁变化的柔性自动化机床。
数控机床就是在这样的背景下诞生与发展起来的。
它为单件、小批量生产的精密复杂零件提供了自动化的加工手段。
根据国家标准ＧＢ／Ｔ８１２９－１９９７，对机床数字控制的定义：
用数字控制的装置（简称数控装置），在运行过程中，不断地引入数字数据，从而对某一生产过程实现自动控制，叫数字控制，简称数控。
用计算机控制加工功能，称计算机数控（computerizednumerical，缩写ＣＮＣ）。
数控机床即使采用了数控技术的机床，或者说装备了数控系统的机床。
从应用来说，数控机床就是将加工过程所需的各种操作（如主轴变速、松加工件、进刀与退刀、开车与停车、选择刀具、供给切削液等）和步骤，以及刀具与工件之间的相对位移量都用数字化的代码来表示，通过控制介质将数字信息送入专用的或通用的计算机，计算机对输入的信息进行处理与运算，发出各种指令来控制机床的伺服系统或其他执行元件，是机床自动加工出所需要的零件。
第二章数控机床的发展
2.1数控系统的发展
从１９５２年第一台数控机床问世后，数控系统已经先后经历了两个阶段和六代的发展，其六代是指电子管、晶体管、集成电路、小型计算机、微处理器和基于工控ＰＣ机的通用CNC系统。
其中前三代为第一阶段，称作为硬件连接数控，简称ＮＣ系统；后三代为第二阶段，乘坐计算机软件数控，简称ＣＮＣ系统。
2.2机床的发展趋势
数控机床总的发展趋势是工序集中、高速、高效、高精度以及方便使用、提高可靠性等。
（1）工序集中20世纪50年代末期，在一般数控机床的基础上开发了数控加工中心，即自备刀具库的自动换刀数控机床。
在加工中心机床上，工件一次装夹后，机床的机械手可以自动更换刀具，连续的对工件进行多种工序加工。
目前，加工中心机床的刀具库容量可达到100多把刀具，自动换刀装置的换刀时间仅需0.5～2秒。
加工中心机床使工序集中在一台机床上完成，减少了由于工序分散，工件多次安装引起的定位误差，提高了加工精度，同时也减少了机床的台数与占地面积，压缩了半成品的库存量，减少了工序间的辅助时间，有效的提高了数控机床的生产效率和数控加工的经济效益。
（2）高速、高效、高精度
高速、高效、高精度是机械加工的目标，数控机床因其价格昂贵，在上述三方面的发展也就更为突出。
（3）方便使用
数控机床制造厂把建立友好的人机界面、提高数控机床的可靠性作为提高竞争能力的主要方面。
1）加工编程方便
手工编程和自动编程已经使用了几十年，有了长足的发展，在手工编程方面，开发了多种加工循环、参数编程和除直线、圆弧以外的各种插补功能，CAD/CAM的研究发展，从技术上来讲可以替代手工编程。
但是一套适用的CAD/CAM软件加上计算机硬件，投资较大，学习、掌握时间较长，对大多数的简单工件很不经济。
近年来，发展起来的图形交互式编程系统（WOP，又称面向车间编程），很受用户欢迎。
这种编程方式不使用G、M代码，而是借助图形菜单，输入整个图形块以及相应参数作为加工指令，形成加工程序，与传统加工时的思维方式类似。
图形交互编程方法在制定标准后，有可能成为各种型号的数控机床统一的编程方法。
2）使用方法
数控机床普遍采用彩色CRT进行人机对话、图形显示和图形模拟的。
有的数控机床将采用说明书、编程指南、润滑指南等存入系统共使用者调阅。
2.3数控机床加工特点
与普通机床相比，数控机床是一种机电一体化的高效自动机床，它具有以下特点。
1.具有广泛的适用性和较高的灵活性。
数控机床更换加工对象，只要重新编制和输入加工程序即可实现加工：
这为单件.小批量多品种生产。
产品改型和新产品试制提供了极大的方便，大大缩短生产准备及试制周期。
2.加工精度高。
质量稳定。
由于数控机床采用了数控伺服系统，通过伺服执行机构使机床产生相应的位移量，可达0.1—1um；另外，数控机床机构刚性和热稳性都很好，制造精度能保证；其自动加工方式避免了操作者的人为操作误差，加工质量稳定，合格率高，同批加工的零件几何尺寸一致性号。
3.加工生产率高
4.可获得良好的经济效率
虽然数控机床分摊到每个零件的设备费高，但是生产效率高，单件小批量生产时节省辅助时间，加工精度稳定，减少废品率。
2.4数控机床的应用
.数控机床的性能特点决定了他的应用范围。
对于数控加工，可按适应程度将加工对象大致分为3类。
1.最适应类
加工精度要求高，形状结构复杂，尤其是具有复杂曲线曲面轮廓的零件，或具有不开畅内腔的零件。
这种零件用普通机床很难加工，很难检测，质量也很难保证
必须在一次装夹中完成铣钻绞或攻丝等多道工序的零件
2.较适合类
价格昂贵，毛坯获得困难，不允许报废的零件。
在普通机床上加工生产效率低，劳动强度大，质量难稳定控制的零件。
用于改型比较供性能测试的零件：
多品种多规格单件小批量生产的零件。
3.不适应类
利用毛坯作为粗基准定位进行加工或定位完全需要人为找正的零件，数控机床无在线检测系统可自动检测凋零零件位置坐标的情况下，加工余量很不稳定的零件。
必须用特定的工艺装备，或依据样板样件加工的零件或加工内容。
第三章数控机床的选择
3.1按加工工艺方法分类
3.1.1．金属切削类数控机床
与传统的车、铣、钻、磨、齿轮加工相对应的数控机床有数控车床、数控铣床、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。
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。
3.3.3．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。
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，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装置和伺服电动机设计成一体，这样，使结构更加紧凑。
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。
第四章刀具的选择与应用
数控车床加工工艺与普通车床的加工工艺类似，但由于数控车床是一次装夹，连续自动加工完成所有车削工序，因而应注意以下几个方面。
4.1.合理选择切削用量
对于高效率的金属切削加工来说，被加工材料、切削工具、切削条件是三大要素。
这些决定着加工时间、刀具寿命和加工质量。
经济有效的加工方式必然是合理的选择了切削条件。
切削条件的三要素：
切削速度、进给量和切深直接引起刀具的损伤。
伴随着切削速度的提高，刀尖温度会上升，会产生机械的、化学的、热的磨损。
切削速度提高20%，刀具寿命会减少1/2。
进给条件与刀具后面磨损关系在极小的范围内产生。
但进给量大，切削温度上升，后面磨损大。
它比切削速度对刀具的影响小。
切深对刀具的影响虽然没有切削速度和进给量大，但在微小切深切削时，被切削材料产生硬化层，同样会影响刀具的寿命。
用户要根据被加工的材料、硬度、切削状态、材料种类、进给量、切深等选择使用的切削速度。
最适合的加工条件的选定是在这些因素的基础上选定的。
有规则的、稳定的磨损达到寿命才是理想的条件。
然而，在实际作业中，刀具寿命的选择与刀具磨损、被加工尺寸变化、表面质量、切削噪声、加工热量等有关。
在确定加工条件时，需要根据实际情况进行研究。
对于不锈钢和耐热合金等难加工材料来说，可以采用冷却剂或选用刚性好的刀刃。
4.2.合理选择刀具
1）粗车时，要选强度高、耐用度好的刀具，以便满足粗车时大背吃刀量、大进给量的要求。
2）精车时，要选精度高、耐用度好的刀具，以保证加工精度的要求。
3）为减少换刀时间和方便对刀，应尽量采用机夹刀和机夹刀片。
4.3.合理选择夹具
1）尽量选用通用夹具装夹工件，避免采用专用夹具；
2）零件定位基准重合，以减少定位误差。
4.4.确定加工路线
加工路线是指数控机床加工过程中，刀具相对零件的运动轨迹和方向。
1）应能保证加工精度和表面粗糙要求；
2）应尽量缩短加工路线，减少刀具空行程时间。
4.5.加工路线与加工余量的联系
目前，在数控车床还未达到普及使用的条件下，一般应把毛坯上过多的余量，特别是含有锻、铸硬皮层的余量安排在普通车床上加工。
如必须用数控车床加工时，则需注意程序的灵活安排。
4.6.夹具安装要点
目前液压卡盘和液压夹紧油缸的连接是靠拉杆实现的，液压卡盘夹紧要点如下：
首先用搬手卸下液压油缸上的螺帽，卸下拉管，并从主轴后端抽出，再用搬手卸下卡盘固定螺钉，即可卸下卡盘。
第五章数控车床编程基础
5.1.1、数控车编程特点
（1）可以采用绝对值编程（用X、Z表示）、增量值编程（用U、W表示）或者二者混合编程。
（2）直径方向（X方向）系统默认为直径编程，也可以采用半径编程，但必须更改系统设定。
（3） X向的脉冲当量应取Z向的一半。
（4）采用固定循环，简化编程。
（5）编程时，常认为车刀刀尖是一个点，而实际上为圆弧，因此，当编制加工程序时，需要考虑对刀具进行半径补偿。
5.1.2、数控车的坐标系统
加工坐标系应与机床坐标系的坐标方向一致，X轴对应径向，Z轴对应轴向，C轴（主轴）的运动方向则以从机床尾架向主轴看，逆时针为＋C向，顺时针为－C向，如图1.1.1所示：
加工坐标系的原点选在便于测量或对刀的基准位置，一般在工件的右端面或左端面上。
图1.1.1数控车床坐标系
5.1.3、直径编程方式
在车削加工的数控程序中，X轴的坐标值取为零件图样上的直径值，如图1.1.2所示：
图中A点的坐标值为（30，80），B点的坐标值为（40，60）。
采用直径尺寸编程与零件图样中的尺寸标注一致，这样可避免尺寸换算过程中可能造成的错误，给编程带来很大方便。
图1.1.2直径编程
5.1.4进刀和退刀方式
对于车削加工，进刀时采用快速走刀接近工件切削起点附近的某个点，再改用切削进给，以减少空走刀的时间，提高加工效率。
切削起点的确定与工件毛坯余量大小有关，应以刀具快速走到该点时刀尖不与工件发生碰撞为原则。
如图1.1.3所示。
图1.1.3切削起始点的确定
5.1.5、绝对编程与增量编程
X、Z表示绝对编程，U、W表示增量编程，允许同一程序段中二者混合使用。
图1.1.4绝对值编程与增量编程
如图1.1.4所示，直线A→B,可用：
绝对:
G01X100.0Z50.0;
相对:
G01U60.0W-100.0;
混用:
G01X100.0W-100.0;
5.2数控车床的基本编程方法
数控车削加工包括内外圆柱面的车削加工、端面车削加工、钻孔加工、螺纹加工、复杂外形轮廓回转面的车削加工等，在分析了数控车床工艺装备和数控车床编程特点的基础上，下面将结合配置FANUC-0i数控系统的数控车床重点讨论数控车床基本编程方法。
5.2.1、坐标系设定
编程格式G50X～Z～
式中X、Z的值是起刀点相对于加工原点的位置。
G50使用方法与G92类似。
在数控车床编程时，所有X坐标值均使用直径值，如图2.1.5所示。
例：
按图1.1.5设置加工坐标的程序段如下：
G50X121.8Z33.9
图1.1.5G50设定加工坐标系
工件坐标系的选择指令G54～G59
图1.1.6G54设定加工坐标系
例如，用G54指令设定如图所示的工件坐标系。
首先设置G54原点偏置寄存器：
G54X0Z85.0；
然后再在程序中调用：
N010G54；
说明：
1、G54～G59是系统预置的六个坐标系，可根据需要选用。
2、G54～G59建立的工件坐标原点是相对于机床原点而言的，在程序运行前已设定好，在程序运行中是无法重置的。
3、G54～G59预置建立的工件坐标原点在机床坐标系中的坐标值可用MDI方式输入，系统自动记忆。
4、使用该组指令前，必须先回参考点。
5、G54～G59为模态指令，可相互注销。
5.2.2、基本指令G00、G01、G02、G03、G04、G28
1．快速点位移动G00
格式：
G00X（U）_Z（W）_；
其中，X（U）_、Z（W）_为目标点坐标值。
2．直线插补G01
格式：
G01X（U）_Z（W）_F_；
其中，X（U）、Z（W）为目标点坐标，F为进给速度。
机床执行G01指令时，如果之前的程序段中无F指令，在该程序段中必须含有F指令。
G01和F都是模态指令。
3．圆弧插补G02、G03
顺时针圆弧插补用G02指令，逆时针圆弧插补用G03指令。
1）用圆弧半径R和终点坐标进行圆弧插补
格式：
G18G02（G03）X（U）_Z（W）_R_F_；
其中：
X（U）和Z（W）为圆弧的终点坐标值，
绝对值编程方式下用X和Z，增量值编程方式下用U和W。
规定圆弧对应的圆心角小于等于180°时，用“＋R”表示；反之，用“－R”表示。
F为加工圆弧时的进给量。
2）用分矢量和终点坐标进行圆弧插补
格式：
G18G02（G03）X（U）_Z（W）_I_K_F_；
其中：
X（U）和Z（W）为圆弧的终点坐标值，绝对值编程方式下用X和Z，增量值编程方式下用U和W。
I、K分别为圆弧的方向矢量在X轴和Z轴上的投影（I为半径值）。
当分矢量的方向与坐标轴的方向不一致时取负号。
如图1.1.7所示，图中所示I和K均为负值。
图1.1.7圆弧指令编程
4．暂停指令G04
格式：
G04X（P）_；
其中，X（P）为暂停时间。
X后用小数表示，单位为秒；
P后用整数表示，单位为毫秒。
如：
G04X2.0表示暂停
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