毕业设计轴类零件的编程与加工.docx
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毕业设计轴类零件的编程与加工
设计任务书
设计题目：
轴类零件的编程与加工
设计要求：
1.要求用数控车床加工一个直径是80MM长120MM的圆柱台阶轴，认真分析主要参数及注意事项等。
2.要运用CAD进行绘图，CAXA进行实体造型并进行G代码生成。
3.要选择好刀具，夹具及主要的机床参数。
要保证零件加工时的最佳加工状态。
4.一定要保证零件的表面质量，不能出现零件有损坏的情况。
设计进度：
全部毕业设计时间为八周。
第一周：
确定毕业设计题目和内容，查阅资料；
第二周：
确定整体设计思路；
第三周：
用CAD绘制零件图，选择相应的刀具等；
第四周：
用CAXA进行实体造型并进行G代码生成；
第五－六周：
确定加工工艺，进行数控编程并调试；
第七周：
整理完善设计内容、按照毕业设计规范进行设计报告的撰写。
第八周：
最终确定设计报告和图纸，打印装订，准备毕业答辩和指导教师评阅等。
指导教师（签名）：
______________
摘要
本次设计是进行一个直径是80MM长120MM的圆柱台阶轴进行设计，这个轴上有圆弧、工艺退刀槽、螺纹退刀槽、螺纹及球面构成，材料为45号钢。
其表面参数要求严格，比如：
零件部分表面粗糙度要达到Ra1.6，其余不重要的表面要达到Ra3.2。
这个台阶轴的设计、主要参数、设计要求等都很重要。
通过对课题任务的分析，先用CAD把零件图画出来，对零件图进行分析，确定零件的加工工艺。
然后用CAXA软件生成模型，也就是3D成型图,再对模型进行分析，然后对模型进行仿真，仿真过后，进行后置处理，生成G代码，最后把程序反读，效验G代码，检查程序是否正确，然后定稿。
数控机床是综合应用计算机、自动控制、自动检测及精密机械等高新技术的产物，发展数控机床适当前我国机械制造业技术改造的必由之路，是未来工厂自动化的基础.
关键词：
数控编程，数控加工
1数控的概况
1.1国内外数控系统发展概况
随着计算机技术的高速发展，传统的制造业开始了根本性变革，各工业发达国家投入巨资，对现代制造技术进行研究开发，提出了全新的制造模式。
在现代制造系统中，数控技术是关键技术，它集微电子、计算机、信息处理、自动检测、自动控制等高新技术于一体，具有高精度、高效率、柔性自动化等特点，对制造业实现柔性自动化、集成化、智能化起着举足轻重的作用。
目前，数控技术正在发生根本性变革，由专用型封闭式开环控制模式向通用型开放式实时动态全闭环控制模式发展。
在集成化基础上，数控系统实现了超薄型、超小型化；在智能化基础上，综合了计算机、多媒体、模糊控制、神经网络等多学科技术，数控系统实现了高速、高精、高效控制，加工过程中可以自动修正、调节与补偿各项参数，实现了在线诊断和智能化故障处理；在网络化基础上，CAD/CAM与数控系统集成为一体，机床联网，实现了中央集中控制的群控加工。
长期以来，我国的数控系统为传统的封闭式体系结构，CNC只能作为非智能的机床运动控制器。
加工过程变量根据经验以固定参数形式事先设定，加工程序在实际加工前用手工方式或通过CAD/CAM及自动编程系统进行编制。
CAD/CAM和CNC之间没有反馈控制环节，整个制造过程中CNC只是一个封闭式的开环执行机构。
在复杂环境以及多变条件下，加工过程中的刀具组合、工件材料、主轴转速、进给速率、刀具轨迹、切削深度、步长、加工余量等加工参数，无法在现场环境下根据外部干扰和随机因素实时动态调整，更无法通过反馈控制环节随机修正CAD/CAM中的设定量，因而影响CNC的工作效率和产品加工质量。
由此可见，传统CNC系统的这种固定程序控制模式和封闭式体系结构，限制了CNC向多变量智能化控制发展，已不适应日益复杂的制造过程，因此，对数控技术实行变革势在必行。
1.2数控技术发展趋势
1.2.1性能发展方向
（1）高速高精高效化 速度、精度和效率是机械制造技术的关键性能指标。
由于采用了高速CPU芯片、RISC芯片、多CPU控制系统以及带高分辨率绝对式检测元件的交流数字伺服系统，同时采取了改善机床动态、静态特性等有效措施，机床的高速高精高效化已大大提高。
（2）柔性化 包含两方面：
数控系统本身的柔性，数控系统采用模块化设计，功能覆盖面大，可裁剪性强，便于满足不同用户的需求；群控系统的柔性，同一群控系统能依据不同生产流程的要求，使物料流和信息流自动进行动态调整，从而最大限度地发挥群控系统的效能。
（3）工艺复合性和多轴化 以减少工序、辅助时间为主要目的的复合加工，正朝着多轴、多系列控制功能方向发展。
数控机床的工艺复合化是指工件在一台机床上一次装夹后，通过自动换刀、旋转主轴头或转台等各种措施，完成多工序、多表面的复合加工。
数控技术轴，西门子880系统控制轴数可达24轴。
（4）实时智能化 早期的实时系统通常针对相对简单的理想环境，其作用是如何调度任务，以确保任务在规定期限内完成。
而人工智能则试图用计算模型实现人类的各种智能行为。
科学技术发展到今天，实时系统和人工智能相互结合，人工智能正向着具有实时响应的、更现实的领域发展，而实时系统也朝着具有智能行为的、更加复杂的应用发展，由此产生了实时智能控制这一新的领域。
在数控技术领域，实时智能控制的研究和应用正沿着几个主要分支发展：
自适应控制、模糊控制、神经网络控制、专家控制、学习控制、前馈控制等。
例如在数控系统中配备编程专家系统、故障诊断专家系统、参数自动设定和刀具自动管理及补偿等自适应调节系统，在高速加工时的综合运动控制中引入提前预测和预算功能、动态前馈功能，在压力、温度、位置、速度控制等方面采用模糊控制，使数控系统的控制性能大大提高，从而达到最佳控制的目的。
1.2.2功能发展方向
（1）用户界面图形化 用户界面是数控系统与使用者之间的对话接口。
由于不同用户对界面的要求不同，因而开发用户界面的工作量极大，用户界面成为计算机软件研制中最困难的部分之一。
当前INTERNET、虚拟现实、科学计算可视化及多媒体等技术也对用户界面提出了更高要求。
图形用户界面极大地方便了非专业用户的使用，人们可以通过窗口和菜单进行操作，便于蓝图编程和快速编程、三维彩色立体动态图形显示、图形模拟、图形动态跟踪和仿真、不同方向的视图和局部显示比例缩放功能的实现。
（2）科学计算可视化 科学计算可视化可用于高效处理数据和解释数据，使信息交流不再局限于用文字和语言表达，而可以直接使用图形、图像、动画等可视信息。
可视化技术与虚拟环境技术相结合，进一步拓宽了应用领域，如无图纸设计、虚拟样机技术等，这对缩短产品设计周期、提高产品质量、降低产品成本具有重要意义。
在数控技术领域，可视化技术可用于CAD/CAM，如自动编程设计、参数自动设定、刀具补偿和刀具管理数据的动态处理和显示以及加工过程的可视化仿真演示等。
（3）插补和补偿方式多样化 多种插补方式如直线插补、圆弧插补、圆柱插补、空间椭圆曲面插补、螺纹插补、极坐标插补、2D+2螺旋插补、NANO插补、NURBS插补（非均匀有理B样条插补）、样条插补（A、B、C样条）、多项式插补等。
多种补偿功能如间隙补偿、垂直度补偿、象限误差补偿、螺距和测量系统误差补偿、与速度相关的前馈补偿、温度补偿、带平滑接近和退出以及相反点计算的刀具半径补偿等。
（4）内装高性能PLC 数控系统内装高性能PLC控制模块，可直接用梯形图或高级语言编程，具有直观的在线调试和在线帮助功能。
编程工具中包含用于车床铣床的标准PLC用户程序实例，用户可在标准PLC用户程序基础上进行编辑修改，从而方便地建立自己的应用程序。
（5）多媒体技术应用 多媒体技术集计算机、声像和通信技术于一体，使计算机具有综合处理声音、文字、图像和视频信息的能力。
在数控技术领域，应用多媒体技术可以做到信息处理综合化、智能化，在实时监控系统和生产现场设备的故障诊断、生产过程参数监测等方面有着重大的应用价值。
1.2.3体系结构的发展
（1）集成化 采用高度集成化CPU、RISC芯片和大规模可编程集成电路FPGA、EPLD、CPLD以及专用集成电路ASIC芯片，可提高数控系统的集成度和软硬件运行速度。
应用FPD平板显示技术，可提高显示器性能。
平板显示器具有科技含量高、重量轻、体积小、功耗低、便于携带等优点，可实现超大尺寸显示，成为和CRT抗衡的新兴显示技术，是21世纪显示技术的主流。
应用先进封装和互连技术，将半导体和表面安装技术融为一体。
通过提高集成电路密度、减少互连长度和数量来降低产品价格，改进性能，减小组件尺寸，提高系统的可靠性。
（2）模块化 硬件模块化易于实现数控系统的集成化和标准化。
根据不同的功能需求，将基本模块，如CPU、存储器、位置伺服、PLC、输入输出接口、通讯等模块，作成标准的系列化产品，通过积木方式进行功能裁剪和模块数量的增减，构成不同档次的数控系统。
（3）网络化 机床联网可进行远程控制和无人化操作。
通过机床联网，可在任何一台机床上对其它机床进行编程、设定、操作、运行，不同机床的画面可同时显示在每一台机床的屏幕上。
（4）通用型开放式闭环控制模式 采用通用计算机组成总线式、模块化、开放式、嵌入式体系结构，便于裁剪、扩展和升级，可组成不同档次、不同类型、不同集成程度的数控系统。
闭环控制模式是针对传统的数控系统仅有的专用型单机封闭式开环控制模式提出的。
由于制造过程是一个具有多变量控制和加工工艺综合作用的复杂过程，包含诸如加工尺寸、形状、振动、噪声、温度和热变形等各种变化因素，因此，要实现加工过程的多目标优化，必须采用多变量的闭环控制，在实时加工过程中动态调整加工过程变量。
加工过程中采用开放式通用型实时动态全闭环控制模式，易于将计算机实时智能技术、网络技术、多媒体技术、CAD/CAM、伺服控制、自适应控制、动态数据管理及动态刀具补偿、动态仿真等高新技术融于一体，构成严密的制造过程闭环控制体系，从而实现集成化、智能化、网络化。
1.3智能化新一代PCNC数控系统
当前开发研究适应于复杂制造过程的、具有闭环控制体系结构的、智能化新一代PCNC数控系统已成为可能。
智能化新一代PCNC数控系统将计算机智能技术、网络技术、CAD/CAM、伺服控制、自适应控制、动态数据管理及动态刀具补偿、动态仿真等高新技术融于一体，形成严密的制造过程闭环控制体系。
2零件图及工艺分析
2.1零件图
图2.1零件简图
2.2工艺分析
如图2.1所示，此零件外型规则，被加工部分的各尺寸、形位、表面粗糙度值及凹凸配合等要求较高。
零件结构较为复杂，包含了圆弧，外轮廓，切槽以及三维曲面的加工，且大部分的尺寸均达到IT8--IT7级精度。
工件选用三爪自定心卡盘装夹，由于该零件形状复杂所以把零件分为两步骤完成：
先车基准（零件左端面）→车零件最大外圆ø80→车ø70及台阶面然后调头装夹车ø65台阶轴→车圆锥面→车ø24圆柱→车ø20圆柱以及R10半圆球，以零件右端半圆球的端点做工件坐标系的原点（也是编程原点）。
图2.2是加工工序及每个步骤的注释和注意事项。
图2.2
在程序编制中，编程人员必须充分掌握构成零件轮廓的几何要素参数及各几何要素间的关系。
因为在自动编程时要对零件轮廓的所有几何元素进行定义，手工编程时要计算出每个节点的坐标，无论哪一点不明确或不确定，编程都无法进行。
但由于零件设计人员在设计过程中考虑不周或被忽略，常常出现参数不全或不清楚，如圆弧与直线、圆弧与圆弧是相切还是相交或相离。
所以在审查与分析图纸时，一定要仔细核算，发现问题及时与设计人员联系。
零件的外形最好采用统一的几何类型及尺寸，这样可以减少换刀次数，还可能应用控制程序或专用程序以缩短程序长度。
零件的形状尽可能对称，便于利用数控机床的镜向加工功能来编程，以节省编程时间。
2.3刀具的选择和切削参数
车削用量的选择原则是：
（1）粗车时，首先考虑选择一个尽可能大的背吃刀量ap，其次选择一个较大的进给量f,最后确定一个合适的切削进度v。
增大背吃刀量ap可使走刀次数减少，增大进给量f有利于断屑，因此根据以上原则选择粗车切削用量对于提高生产效率，减少刀具消耗，降低加工成本是有利的。
（2）精车时，加工精度和表面粗糙度要求较高，加工余量不大且均匀，因此选择较小（但不太小）的背吃刀量ap和进给量f，并选用切削性能高的刀具材料和合理的几何参数，以尽可能提高切削速度v。
（3）零件的加工高度H≤（1/4-1/6）RD，以保证刀具有足够的刚度。
切削用量的具体数值应根据机床性能，相关的手册并结合实际经验用模拟方法确定。
同时，使主轴转速、背吃刀量及进给速度三者能相互适应，以形成最佳切削用量。
刀具选择的结果如下：
表2.1刀具的切削参数
加工步骤
刀具切削参数主轴转速
序号
加工内容
刀具规格
n/r.min
进给速度
v
/mm.min
类型
材料
1
粗加工外轮廓
93°外圆偏刀
硬质合金
700
200
2
精加工外轮廓
93°外圆偏刀
630
160
3
切螺纹退刀槽
切槽刀
500
80
4
车M24螺纹
60°普通螺纹车
500
800
图2.1所视四把车刀的装夹位置
2.4夹具的选择与类型
2.4.1夹具的选择
数控加工对夹具主要有两大要求：
一是夹具应具有足够的精度和刚度；二是夹具应有可靠的定位基准。
选用夹具时，通常考虑以下几点：
（1）尽量选用可调整夹具、组合夹具及其它通用夹具，避免采用专用夹具，以缩短生产准备时间。
（2）在成批生产时才考虑采用专用夹具，并力求结构简单。
（3）装卸工件要迅速方便，以减少机床的停机时间。
（4）夹具在机床上安装要准确可靠，以保证工件在正确的位置上加工。
本次设计采用普通的三爪自动定心卡盘，其工作效率高，使用方便、准确度高。
由图2.1所视。
2.4.2夹具的类型
数控车床上的夹具主要有两类：
一类用于盘类或短轴类零件，工件毛坯装夹在带可调卡爪的卡盘（三爪、四爪）中，由卡盘传动旋转；另一类用于轴类零件，毛坯装在主轴顶尖和尾架顶尖间，工件由主轴上的拨动卡盘传动旋转
2.4.4零件的安装
数控机床上零件的安装方法与普通机床一样，要合理选择定位基准和夹紧方案，注意以下两点：
（1）力求设计、工艺与编程计算的基准统一，这样有利于编程时数值计算的简便性和精确性。
（2）尽量减少装夹次数，尽可能在一次定位装夹后，加工出全部待加工表面。
由于本次设计的零件属于短轴类零件，故采用三爪自定心卡盘装夹。
其安装方便、安装精度较高，图2.1所视。
图2.1
3零件的三维造型及编程概述
3.1零件三维图
图3.1零件的三维造型图
3.2数控车削编程概述
3.2.1数控车床的编程特点
在一个程序段中，根据图样上标注的尺寸，可以采用绝对值编程或增量值编程，也可以采用混合编程。
一般情况下，采用自动编程软件编程时，通常采用绝对值编程。
被加工零件的径向尺寸在图样上测量时，一般用直径值表示。
所以采用直径尺寸编程更为方便。
由于车削加工常用棒料或锻料作为毛坯，加工余量较大，为简化编程数控装置常具备不同形式的固定循环，可进行多次重复循环切削。
编程时，认为车刀刀尖是一个点，而实际上为了提高刀具寿命和工件表面质量，车刀刀尖常磨成一个半径不大的圆弧，为提高工件的加工精度，编制圆头到程序时，需要对刀具半径进行补偿。
大多数数控车床都具有刀具半径自动补偿功能（G41、G42），这类数控车床可直接按工件轮廓尺寸编程。
3.2.2数控车床编程中的坐标系
数控车床坐标系统分为机床坐标系和工件坐标系。
1机床坐标系
以机床原点为坐标系原点建立起来的X、Z轴直接坐标系，称为机床坐标系。
车床的机床原点为主轴旋转中心与卡盘后端面之交点。
机床坐标系是制造和调整机床的基础，也是设置工件坐标系的基础，一般不允许随意变动参考点参考点是机床上的一个固定点。
该点是刀具退离到一个固定不变的极限点，其位置由机械挡块和行程开关来确定。
以参考点为原点，坐标方向与机床坐标方向相同所建立的坐标系叫做参考坐标系，在实际使用中通常是以参考坐标系计算坐标值。
②工件坐标系
数控编程时应该首先确定工件坐标系和工件原点。
零件在设计中有设计基准，在加工过程中有工艺基准，同时应尽量将工艺基准与设计基准统一，该基准点通常称为工件原点。
以工件原点为坐标原点建立起来的X、Z轴直角坐标系为工件坐标系。
在车床上工件原点可以选择在工件的左或右端面上，即工件坐标系是将参考坐标系通过对到平移得到的。
3.2.3车床数控系统功能
数控车床常用的功能指令有准备功能G、辅助功能M、刀具功能T、主轴转速功能S和进给功能F。
由于车床种类不同，系统配置也各不相同。
表3.1SIEMENS的SINUMERIK802S/C数控车系统的常用功能指令
功能
代码
功能
代码
路径数据
暂停时间
G4
绝对/增量尺寸
G90，91
程序结束
M02
公制/英制尺寸
G71，G70
主轴运动
半径/直径尺寸
G22，G23
主轴速度
S
可编程零点偏置
G158
旋转方向
M03/M04
可设定零点偏置
G54～G57
G500，G53
主轴速度限制
G25，G26
轴运动
主轴定位
SPOS
快速直线运动
G0
特殊车床功能
进给直线插补
G1
恒速切削
G96/G97
进给圆弧插补
G2/G3
圆弧倒角/直线倒角
CHF/RND
中间点的圆弧插补
G5
刀具及刀具偏置
定螺距螺纹加工
G33
刀具
T
接近固定点
G75
刀具偏置
D
回参考点
G74
刀具半径补偿选择
G41，G42
进给率
F
转角处加工
G450，G451
准确停/连续路径加工
G9，G60，G64
取消刀具半径补偿
G40
在准确停时的段转换
G601/G602
辅助功能
M
3.2.4车削固定循环
对数控车床而言，非一刀加工完成的轮廓表面、加工余量较大的表面，采用循环编程，可以缩短程序段的长度，减少程序所占内存。
各类数控系统复合循环的形式和使用方法相差很大要慎重使用。
3.3数控车自动编程软件CAXA介绍
CAXA数控车基本应用界面如图3.2所示，和其他Windows风格的软件一样，各种应用功能通过菜单条和工具条驱动；状态条指导用户进行操作并提示当前状态和所处位置；绘图区显示绘图操作的结果；同时，绘图区的参数栏为拥护实现各种功能提供数据的互交。
图3.2CAXA数控车基本应用界面
本软件系统可以实现自定义界面布局。
工具条中每一个图标都对应一个菜单命令，点图标和点菜单命令是一样的。
3.3.1窗口布置
CAXA数控车工作窗口分为绘图区、菜单区、工具条、立即菜单、状态区等五部分。
屏幕最大的部分是绘图区，该区用于绘制和修改图形。
菜单位于屏幕的顶部。
工具条分为曲线编辑工具条、曲线生成工具条、标准工具条和显示工具条等。
立即菜单位于屏幕的左侧，曲线生成工具条位于屏幕的右侧，数控车功能工具条位于屏幕的上方，曲线编辑工具条位于绘图区的下方，标准工具条和显示工具条位于菜单栏的下方。
状态栏位于屏幕的底部，指导用户进行操作，并提示当前状态及所处位置。
3.3.2主菜单
菜单条包括系统所有功能项，分类如下：
表3.2CAXA数控车2000的主菜单选项说明
选项
说明
文件
对系统文件进行管理，包括新建、打开、关闭、保存、另存为、数据输入、数据输出、退出等
编辑
对已有的图象进行编辑，包括撤消、恢复、剪切、复制、粘贴、删除、元素不可见、元素可见、元素颜色改变、元素层修改等
显示
设置系统的显示，包括显示工具、全屏显示、视角定位等
应用
在屏幕绘制图形和设置刀具路径，包括各种曲线生成、线面编辑、后置处理、轨迹生成、几何变换等
工具
包括坐标系、查询、点工具、矢量工具、选择集拾取工具、轮廓拾取工具等功能组
设置
设置屏幕上图形显示，包括当前颜色、层设置、拾取过滤设置、自定义等
3.3.3弹出菜单
CAXA数控车2000可通过空格键弹出的菜单作为当前命令状态下的子命令。
在执行不同命令状态下，有不同的子命令组，主要有点有点工具组、矢量工具组、轮廓拾取工具组。
如果子命令是用来设置某种子状态，软件在状态中会显示提示命令。
表3.4CAXA数控车2000的弹出菜单选项说明
选项
说明
点工具
确定当前选取的方式，包括缺省点、屏幕点、端点、中点、圆心、垂足点、切点、最近点、控制点、刀位点和存在点等
矢量工具
确定矢量选取方法，包括直线方向、X轴正方向、X轴负方向、Y轴正方向、Y负方向、Z正方向、Z负方向和端点切矢
选择拾取工具
确定拾取集合的方式，包括拾取添加、拾取所有、拾取取消、取消尾项和取消所有等
轮廓拾取工具
确定拾取方式，包括单个拾取、链拾取和限制拾取等
岛拾取
确定岛拾取方式，包括单个拾取、链拾取和限制链拾取等
3.3.4工具条
CAXA数控车2000提供工具条有标准工具条、显示工具条、曲线生成工具条、数控车功能工具条和曲线编辑工具条。
4零件的加工工艺规程
4.1数控加工工序
数控加工车削分十三次切削进行加工：
1.然后车削端面作为基准。
2.首先进行车削最大外圆ø80。
3.车ø70轴台阶轴
4.车削台阶平面。
5.调头装夹。
6.车削ø65轴。
7.车削椎面。
8.车削ø24圆柱。
9.车削ø20圆柱。
10.车削球面。
11.切螺纹退刀槽。
12.车削工艺槽。
13.加工螺纹M24。
表4.1数控加工工序表
机械厂
产品名称或代号
零件名称
零件图号
轴类零件
轴类零件
001
工艺序号
程序编号
夹具名称
使用设备
001
WK11111
无
数控车床
工步号
工步内容
刀具号
备注
1
车削端面
T01
自动
2
车削最大外圆
T02
自动
3
车削ø70圆柱
T01
自动
4
车削台阶平面
T02
自动
5
调头装夹
手动
6
车削ø65圆柱
T01
自动
7
车削椎面
T01
自动
8
车削ø24圆柱
T01
自动
9
车削ø20圆柱
T01
自动
10
车削球面
T01
自动
11
切螺纹退刀槽
T03
自动
12
车削工艺槽
T03
自动
13
加工螺纹M24
T04
自动
5加工程序及其备注
N10G50S10000；程序开始
N12G00G97S700T01
N14M03
N16M08
N18G00X46.777Z27.753
N20G00X49.807Z0.807
N22G00X44.807Z0.807
N24G00X44.100Z0.100
N26G01X44.100Z-24.100F200
N28G00X44.807Z-23.393
N30G00X49.807Z-23.393
N32G00X49.807Z0.807
N34G00X42.807Z0.807
N36G00X42.100Z0.100
N38G01X42.100Z-24.100F200
N40G00X42.807Z-23.393
N42G00X47.807Z-23.393
N44G00X47.807Z0.807
N46G00X40.807Z0.807
N48G00X40.100Z0.100
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