数控机床加工的原理.docx
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数控机床加工的原理
第一章引言
制造业是国民经济的基础,它的发展程度突出反映了一个国家、地区的经济实力和综合国力,人民的生活水平和生活质量,国防能力和社会发展程度。
近年来,工业发达国家和一些新兴工业化国家已把发展制造业作为一项极其重要的发展战略和政策,投入巨大的财力、人力和物力,进行先进制造技术的研究。
先进制造技术逐步成为国家中长期发展的重大关键技术和经济增长的根本动力。
数控加工技术是先进制造技术的重要组成部分和基础之一,在数控机床上加工非圆曲面和其它复杂曲面一直是数控加工的难题,而市场竞争日益激烈,要求加工周期越来越短,如何提高这些复杂零件的加工效率和加工质量已成为数控加工技术的一个重要课题。
1．1数控技术的现状
数控技术是用数字程序控制数控机床实现自动加工的技术。
它综合了应用数学、计算机、通讯、微电子、自动控制、传感测试、机械制造等多门技术。
自上世纪50年代第一台数控机床诞生以来,经历半个多世纪的发展,数控系统由最初的电子管、晶体管、集成电路到超大规模集成电路,尤其自20世纪80年代以来,数控装置广泛采用32位到64位CPU组成的微处理器,极大地提高了系统的集成度,使体积缩小,机构模块化；驱动装置广泛采用交流伺服、数字化；CNC系统人工智能化,并有多种通信功能,数控系统可靠性不断提高。
近年,随着计算机技术的迅猛发展,不同层次的开放式数控系统应运而生,目前正朝标准化开放体系结构前进。
1．2发展数控技术的目的和重要性
数控技术和数控装备是制造工业现代化的重要基础。
这个基础直接影响国家的经济发展和综合国力,关系到国家的战略地位。
因此,世界各工业发达国家均采取特别措施来发展自己的数控技术与其产业。
我国数控技术虽然起步晚,但国家非常重视。
近年来,我国数控机床制造业取得了快速发展,数控机床的产量以年超过30﹪的速度递增,数控机床的可供品种达1500余种,20##产量预计10万台。
目前全国在役数控机床20多万台。
充分发挥数控机床在制造业中的作用,需要大量的数控机床编程和加工人才,尤其是对复杂零件的编程与加工,各行业急需大批这样高水平人才。
1．3设计的目的和要求
在数控车床上加工常规零件,如圆柱面、圆锥面、圆弧面,现在系统已比较成熟,但在加工非圆曲面和其它的复杂曲面就缺乏统一性、成熟性和系统性。
本文通过对复杂零件的工艺设计和非圆曲面的刀具轨迹优化算法设计,编制出复杂零件的加工程序,并利用此程序对零件进行加工。
第二章数控机床加工的原理
在数控机床上自动加工零件,首先根据被加工零件的图样,将工件的形状、尺寸与技术要求数字化,采用手工或计算机按运动顺序和所用数控机床规定的指令代码与程序格式编制加工程序。
并将该程序输入到数控系统,系统读出信息,并送入数字控制装置。
数控装置就依照指令上的代码进行一系列的处理和运算,变成脉冲信号,并将其输入驱动装置,驱动机床主运动、进给运动与辅助运动,并使其相互协调来实现对零件的自动加工。
CNC系统对数控机床的控制分为"轨迹控制"和"逻辑控制"。
2．1轨迹控制
轨迹控制是对机床各坐标轴的速度和位置控制,它通过插补实现。
实际加工中零件的形状各式各样,有由直线、圆弧组成的零件轮廓；也有由诸如自由曲线、曲面、方程曲线和曲面体构成的零件轮廓。
对这些复杂的零件轮廓最终还是要用直线和圆弧进行逼近以便数控加工。
插补计算就是对数控系统输入基本数据〔如直线的起点、终点坐标,圆弧的起点、终点与圆心坐标等〕,运用一定的算法计算,并根据计算结果向相应的坐标发出进给指令,对应着每一个进给指令,机床在相应的坐标方向上移动一定距离,最终将工件加工出所需的轮廓形状。
数控系统中最常用的插补方法是逐点比较法。
2.1.1逐点比较法直线插补
如图2-1所示,设直线OA为第一象限的直线,起点为坐标原点O〔0,0〕,终点为A〔Xe,Ye〕,P〔Xi,Yj〕为加工点。
令：
Fi,j=XeYj-XiYe。
根据加工点位置的不同有以下三种情况：
（1）如Fi,j=0,则点P在直线OA上；
（2）如Fi,j＞0,则点P在直线OA上方；
（3）
如Fi,j＜0,则点P在直线OA下方；
图2-1逐点比较法第一象限直线插补
为了逼近直线,规定Fi,j≥0时,刀具向+X方向进给一步〔一个脉冲当量〕；Fi,j＜0时,刀具向+Y方向进给一步。
每走一步利用递推公式计算出新加工点的Fi,j值,以决定下一步进给方向。
总步数J=Xe+Ye,每走一步J减1,当J为0时刀具到达直线终点,插补结束。
第一象限的直线插补算法流程图如
图2-2所示。
图2-2第一象限直线插补算法流程图
其它三个象限的直线插补可根据相同原理得到其插补计算方法。
根据以上算法,每个象限可设计一个子程序。
下面是第一象限的子程序,其它象限只须加以修改即可。
该程序用MCS-51指令编写,电机采用步进电机,采用8255并行接口的A、B两端口进行控制。
图2-3是直线插补程序的流程图。
存分配表见表2-1。
图2-3直线插补流程图
表2-1存分配表
存单元地址
存放容
28H
终点坐标SE值
29H
终点坐标SE值
2AH
插补值X
2BH
插补值Y
2CH
偏差值A
70H
控制电机正、反转的控制字
14H
计数器
直线插补的程序清单如下：
ORG2300H
MAIN：
MOVSP,#60H；主程序开始
MOVR0,#T8255；8255初始化
MOVA,#80H
MOVR0,A
LOP4：
MOV28H,#0C8H；Xe
MOV29H,#0C8H；Ye
MOV2AH,#00H；X
MOV2BH,#00H；Y
MOV2EH,#00H；F
MOV70H,#0AH
LOP3：
MOVA,2EH
ACC.7,LOP1
MOVA,70H
SETBACC.0
CLRACC.2
MOV70H,A；OB+X
LCALLMOTR；调环行分配器,x方向走一步
LCALLDELAG
MOVA,2EH
SUBBA,29H；F-Ye
INC2AH；X+1
AJMPLOP2
LOP1：
MOVA,70H
SETBACC.2
CLRACC.0
MOV70H,A；OF+Y
LCALLMOTR；Y方向走一步
LCALLDELAY
MOVA,2EH
ADDA,28H；F+Xe
INC2BH；Y+1
LOP2：
MOV2EH,A
MOVA,28H
CJNEA,2AH,LOP3；Xe=X？
ST：
MOVR0,#T8255；关8255
MOVA,#00H
MOVXR0,A
LJMPST
2.1.2逐点比较法圆弧插补
如图2-4所示,设逆圆弧AB在第一象限,原点为圆心O,起点A〔Xo,Yo〕,终点B〔Xe,Ye〕,半径为R,瞬时加工点为P〔Xi,Yj〕,令Fi,j=Xi2+Yj2-R2。
根据加工点位置的不同有以下三种情况：
（1）如Fi,j=0,则点P在圆弧AB上；
（2）如Fi,j＞0,则点P在圆弧AB外侧；
（3）如Fi,j＜0,则点P在圆弧AB侧；
图2-4逐点比较法第一象限圆弧插补
为了逼近圆弧,规定Fi,j≥0时,刀具向-X方向进给一步〔一个脉冲当量〕；Fi,j＜0时,刀具向+Y方向进给一步。
每走一步利用递推公式计算出新加工点的Fi,j值,以决定下一步进给方向。
总步数J=|Xe-Xo|+|Ye-Yo|,每走一步J减1,当J为0时刀具到达圆弧终点,插补结束。
第一象限的逆圆弧插补算法流程图如图2-5所示。
图2-5第一象限逆圆弧插补算法流程图
对于第一象限的顺圆与其第二、三、四象限的顺逆圆弧插补,可根据相同原理得到其插补计算方法。
根据以上算法,每个象限可设计顺、逆圆弧两个子程序。
下面是第一象限逆圆的子程序,其它象限只须加以修改即可。
该程序用MCS-51指令编写,电机采用步进电机,采用8255并行接口的A、B两端口进行控制。
图2-6是圆弧插补程序的流程图。
程序清单如下：
XLEQU18H
XHEQU19H
YLEQU28H
YHEQU29H
XeLEQU1AH
XeHEQU1BH
YeLEQU2AH
YeHEQU2BH
FLEQU2CH
FHEQU2DH
ORG2400H
图2-6是圆弧插补程序的流程图
MAIN：
MOVSP,#60H
MOVR0,#0EBH
MOVA,#80H
MOVXR0,A
LCALLDSUP；调装码子程序
MOVR5,#11H
MOVR6,#21H
MOV70H,#08H
MOVXL,#80H；XL
MOVXH,#0CH；XH
MOVYeL,#00H；YeL
MOVYeH,#00H；YeH
MOVXeH,#00H；XeH
MOVXeL,#00H；XeL
MOVYL,#00H；YL
MOVYH,#00H；YH
MOVFL,#00H；FL
MOVFH,#00H；FH
MOV1CH,#00H
MOV1DH,#00H
LOOP3：
MOVA,FH
JNBACC.7.LOOP1
MOVA,70H
SETBACC.2
CLRACC.0
MOV70H,A；OC+Y
LCALLMOTR
LCALLDELAY
MOVR1,#28H；YL
MOVR0,#1CH
MOVR7,#02H
LCALLCHFZ；2*Y
ADD：
CLRC
MOVA,FL
ADDCA,1CH
MOVFL,A
MOVA,FH
ADDCA,1DH；F+2Y
MOVFH,A
CLRC
MOVA,YL
ADDA,#01H
MOV28H,A
MOVA,YH
ADDCA,#00H
MOVYH,A；Y+1
CLRC
MOVA,FL
ADDA,01H
MOVFL,A；F+2Y+1
MOVA,FH
ADDCA,00H
MOVFH,A
AJMPLOOP2
LOOP1：
MOVA,70H
SETBACC.0
MOV70H,A；09-X
LCALLMOTR
LCALLDELAY
MOVR1,#18H；XL
MOVR0,1CH
MOVR7,02H
LCALLCHFZ；2*X
SUB：
CLRC
MOVA,FL
SUBBA,1CH
MOVFL,A
MOVA,FH
SUBBA,1DH
MOVFH,A；F-2X
CLRC
MOVA,XL
MOVXH,A；X-1
CLRC
MOVA,FL
ADDA,#01H
MOVFL,A
MOVA,FH
ADDCA,00H
MOVFH,A；F-2X+1
LOOP2：
MOVA,YH
CJNEA,YEH,LOOP3A；YH=YEH？
MOVA,YL
CJNEA,YEH,LOOP3A；YL=YEH？
STMOVP0,0EBH
MOVA,00H
MOVXR0,A
AJMPST
LOOP3AAJMPLOOP3
END；主程序结束
ORG2500H
CHFZ：
PUSHPSW；双字节乘2子程序
PUSHA
PUSHB
PUSHC
MOVR2,00H
SHIOMOVA,R1
MOVB,#02H
PUSHPSW
MULAB
POPPSW
ADDCA,R2
MOVR0,A
MOVR2,B
INCR0
INCR1
DJNZR7,SHIO
POPB
POPA
POPPSW
RET
2.1.3对非圆曲线面加工的程序设计
非圆曲线的加工编程采用等距离逼近法。
图2-7非圆曲线的程序设计
如图2-7所示,按曲线的一个坐标轴把曲线平均分成若干段,每一段为一个步距△X,利用曲线方程分别计算出各点的Y值,把这些点依次用直线连接起来,就可以获得一个逼近曲线的折线。
步距越小折线越接近曲线。
此算法可用C语言的循环指令来实现,程序设计的流程图如图2-8所示。
2．2逻辑控制
逻辑控制由PLC〔可编程序控制器〕来完成。
在数控机床运行过程中,以CNC部和机床各行程开关、传感器、按钮、继电器等开关信号状态为条件,按预先规定的逻辑关系对主轴的启停、换向、刀具的更换、工件的夹紧、松开、液压、冷却、润滑系统的运行进行控制。
使系统有条不紊地协调工作。
图2-8非圆曲线的程序设计流程图
第三章编程与加工
3．1复杂零件的编程和加工方法
以图3-1所示的零件为例,进行编程和加工。
图3-1零件图
3．2图样分析
该工件是一个组合件：
分零件1和零件2两个零件,它们的空间立体形状分别如图3-2和图3-3所示。
这两个零件有两种装配形式：
一种是零件1的右端和零件2的左端装配在一起,空间立体形状如图3-4所示；另一种是零件1的左端和零件2的右端装配在一起,空间立体形状如图3-5所示。
两个零件除各有很高的加工要求外,对两种装配形式还各有装配尺寸和形位公差要求。
两零件形状复杂,要求也很高,属于典型的复杂零件。
图3-2零件1立体图
图3-3零件2立体图
图3-4左端配合立体图
图3-5右端配合立体图
零件1的主要加工部分包括4段圆柱外径,1段双曲面,1段椭圆面,1外圆面和1段抛物面相切。
1个外槽两个圆柱径。
一个公制螺纹与端面。
位置公差有六个：
锥面、椭圆面相对于Ø60㎜圆柱的跳动,圆弧面相对于Ø44㎜孔的跳动。
Ø60㎜的左端面相对于Ø60㎜圆柱的垂直度,右端面相对于Ø44圆柱面的垂直度。
Ø44㎜的孔相对于Ø60㎜外圆的同轴度。
这些位置公差相互间有牵连。
既是决定加工顺序的重要根据。
也是装夹找正的重点。
表面粗糙度在各种孔和外圆弧回转面等处均为Ra1.6um。
毛坯为Ø75×140㎜棒料,材质为45#钢。
零件2的主要加工部分包括3段外圆柱面,1段双偏心外圆柱面,1个抛物线面,1段圆柱面,两个圆锥径,1段变螺距螺纹与端面。
位置公差有4个：
抛物线面相对于圆柱面轮廓跳动,抛物线面和Ø44㎜圆柱面之间的端面相对于Ø38㎜孔的垂直度,Ø44㎜圆柱相对于Ø38㎜孔的同轴度,圆锥面相对于Ø38㎜孔的跳动。
表面粗糙度在各种孔和外圆弧回转面等处均为Ra1.6um。
毛坯为Ø75×57㎜棒料,材质为45#钢。
零件1和零件2装配起来〔两种装配形式〕有轮廓跳动误差要求,总长也有要求。
3．3工艺分析
根据以上对图样的分析,加工此零件有两种方案可供选择。
方案一：
将两个零件分别加工出来再装配到一起,此方案虽然编程和操作简单一些,但是装配后的跳动要求很难保证；方案二：
为了使加工出的零件符合图样要求,就必须作如下工艺处理：
一是在零件1单独加工时,把两段相切的弧面、1段椭圆面和Ø47.676㎜圆柱外径留着先不车出；二是在零件2单独加工时,抛物线面、Ø60㎜外圆柱与双偏心留着也不车出,把Ø34㎜的小外圆柱车到Ø36-0.15-0.25㎜并车出M36×1.5的公制螺纹；三是将两个零件用螺纹装配在一起车上述留着未加工的外形部分；四是分体后将零件2的外螺纹车掉,即把小外径车到Ø340-0.025㎜。
此方案虽然编程和操作麻烦一些,但是装配后的跳动要求就很容易保证。
下面以方案二对零件进行编程和加工。
方案二是两个零件各加工两道工序,再装配在一起加工共同的第三道工序,拆分后零件2再加工3道工序,图3-6为方案二的流程框图。
图3-6方案二的流程框图
3．4加工准备与编程
3．4．1零件1的第一道工序
1、加工准备
这到工序的装夹方式和加工部位〔图中阴影部分〕如图3-7所示。
图3-7
装夹方式：
用三爪卡盘夹住毛坯一端,悬伸长度为103㎜。
加工步骤依次为：
〔1〕用1号车刀车端面；〔2〕用1号车刀粗、精车外圆；〔3〕用2号切槽刀分别车两处槽；〔4〕卸下工件。
2、加工程序与说明如下表：
程序
说明
O0011;
程序号,Z向原点选择在零件外端面中心
N01M03S800;
主轴正转,转速800转/分
N02T0101;
调用1号刀具1号刀补
N03G00X85Z0M08;
快速到达准备点,开切削液
N04G01X0F0.2;
车端面
N05G00X80Z3;
快速到达G73循环点
N06G73U37W0R26;
固定形状外圆粗加工复合循环
N07G73P8Q25U1W0.2F0.3;
N08G42G00X0;
指定形状开始,调用刀具半径右补偿
N09G01Z0;
N10#1=-2;
双曲线Z向起始位置
N11IF[#1LT-10]GOTO16;
条件转移语句
N12#2=SQRT[#1*#1-4];
循环体
N13G01X[2*#2]Z[#1+2];
N14#1=#1-0.5;
循环步距
N15GOTO11;
无条件转移语句
N16G01X24Z-10;
定位到双曲线的终点
N17Z-18;
N18X27.;
N19X38Z-33;
N20Z-41;
N21X60;
N22Z-54.7;
N23X72;
N24Z-96;
N25X79Z-100;
指定形状结束
N26G70P8Q25S1200F0.1;
外圆精加工循环,设定精车转速和进给量
N27G40GOOX100Z100;
快速退到换刀点,取消刀具半径补偿
N28T0202;
调用2号刀具2号刀补
N29M03S600;
主轴正转,车槽转速600转/分
N30GOOX74Z-54.5;
快速到达切槽第1刀起点
N31G01X54F0.12;
切槽第1刀
N32G00X60.5;
退刀
N33Z-54;
快速到达切槽第2刀起点
N34G01X54;
切槽第2刀
N35G04X1;
槽底暂停1秒
N36G00X74;
退刀
N37Z-90.5;
快速到达切槽第3刀起点
N38G01X62F0.12;
切槽第3刀
N39G04X1;
槽底暂停1秒
N40G00X74;
退刀
N41Z-87.5;
快速到达切槽第4刀起点
N42G01X62;
切槽第4刀
N43G04X1;
槽底暂停1秒
N44G00X74;
退刀
N45Z-84.5;
快速到达切槽第5刀起点
N46G01X62;
切槽第5刀
N47G04X1;
槽底暂停1秒
N48G00X74;
退刀
N49Z-81.5;
快速到达切槽第6刀起点
N50G01X62;
切槽第6刀
N51G04X1;
槽底暂停1秒
N52G00X100;
退刀
N53G00Z100;
退刀
N54M05M09;
主轴停止,关冷却液
N55M30;
程序结束
3．4．2零件1的第二道工序
1、加工准备
这到工序的装夹方式和加工部位〔图中阴影部分〕如图3-8所示。
装夹方式：
把上道工序的工件调头用三爪卡盘夹住Ø72㎜已加工外圆,悬伸长度为64㎜。
加工步骤依次为：
〔1〕用1号车刀粗车外圆与端面；〔2〕用7号Ø25的麻花钻头钻底孔；〔3〕用5号孔车刀粗、精车孔；〔4〕用6号螺纹车刀车M36×1.5的螺纹；〔5〕卸下工件。
图3-8
2、加工程序与说明如下表：
程序
说明
O0012;
程序号,Z向原点选择在零件外端面中心
N01M03S800;
主轴正转,转速800转/分
N02T0101;
调用1号刀具1号刀补
N03G00X85Z4M08;
快速到达G71循环点,开切削液
N04G71U2R1;
外圆粗加工复合循环
N05G71P6Q10U0W0.2F0.4;
N06G00X25;
指定形状开始
N07G01Z0;
N08X60;
N09X70Z-13.82;
N10Z-42.5;
指定形状结束
N11G00X100Z200;
快速退到换刀点
N12M03S230;
主轴正转,钻孔转速230转/分
N13T0707;
调用7号麻花钻头7号刀补
N14G00X0Z5;
快速到达钻孔起点
N15G01Z-45F0.1;
钻孔
N16G00Z100;
Z向退出钻头
N17G00X100;
快速退到换刀点
N18M03S1000;
主轴正转,车端面转速1000转/分
N19T0505;
调用5号孔车刀5号刀补
N20G00X64Z0;
快速到达准备点
N21G01X25F0.15;
车端面
N22G00Z1;
快速到达G71循环点
N23G71U1R1;
孔粗加工复合循环
N24G71P25QU-0.8W0.1F0.3;
N25G41G00X48.62;
指定形状开始,调用刀具半径左补偿
N26G01Z0;
N27X44Z-3;
N28Z-10;
N29X37.7;
N30X34.7Z-11.5;
N31Z-31;
N32X34;
N33Z-37;
N34X25;
指定形状结束
N35G70P25Q34S1500F0.15;
孔精加工循环,设定精车转速和进给量
N36G40G00X100Z100;
快速退到换刀点,取消刀具半径补偿
N37M03S1000;
主轴正转,车螺纹转速1000转/分
N38T0606;
调用6号螺纹车刀6号刀补
N39G00X30Z5;
快速到达准备点
N40Z-7;
快速到达G76循环点
N41G76P010060Q100R0.1;
螺纹切削复合循环
N42G76X36Z-30P812Q400F1.5;
N43G00Z100;
Z向退出刀具
N44X100Z250;
快速退到换刀点
N45M05M09;
主轴停止,关冷却液
N46M30;
程序结束
3．4．3零件2的第一道工序
1、加工准备
这到工序的装夹方式和加工部位〔图中阴影部分〕如图3-9所示。
图3-9
装夹方式：
用三爪卡盘夹住毛坯一端,悬伸长度为36.5㎜。
加工步骤依次为：
〔1〕用1号车刀粗车外圆与端面；〔2〕用2号切槽刀分别车两处槽；〔3〕用7号Ø20的麻花钻头钻底孔；〔4〕用5号孔车刀粗、精车孔；〔5〕
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