精品数控铣床零件加工工艺设计.docx
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精品数控铣床零件加工工艺设计
数控铣床零件加工工艺设计
湖南铁路科技职业技术学院
毕业论文
题目：
数控铣床零件加工工艺设计
系部：
机械工程系
专业：
机电一体化
姓名：
刘潇
指导教师：
刘炜
摘要
随着科学技术飞速发展和经济竞争的日趋激烈，机械产品的更新速度越来越快，数控加工技术作为先进生产力的代表，在机械及相关行业领域发挥着重要的作用，机械制造的竞争，其实质是数控技术的竞争。
数控编程技术是数控技术重要的组成部分。
从数控机床诞生之日起，数控编程技术就受到了广泛关注，成为CAD/CAM系统的重要组成部分。
以数控编程中的加工工艺分析及设计为出发点，着力分析零件图，从数控加工的实际角度出发，以数控加工的实际生产为基础，以掌握数控加工工艺为目标，在了解数控加工铣削基础、数控铣床刀具的选用、数控加工工件的定位与装夹、拟定加工方案、确定加工路线和加工内容以及对一些特殊的工艺问题处理的基础上，控制数控编程过程中的误差，从而大大缩短了加工时间，提高了效率，降低了成本。
本文主要研究了轮廓和孔的数控铣削工艺、工装以及在此基础上的数控铣床的程序编制。
侧重于设计该零件的数控加工夹具，主要设计内容有：
完成该零件的工艺规程（包括工艺简卡、工序卡和数控刀具卡）和主要工序的工装设计。
并绘制零件图。
用G代码编制该零件的数控加工程序。
关键词：
FANUC、数控加工、数控编程
摘要…………………………………………………………………………2
目录…………………………………………………………………………3
引言…………………………………………………………………………4
1.数控加工中心…………………………………………4
2.FANUC系统…………………………………………………………………7
2.1.1步进电机介绍………………………………………………………4
2.1.2步进电机分类………………………………………………………4
2.1.3步进电机技术指标……………………………………………………4
2.1.4步进电机工作原理…………………………………………………5
2.2单片机的选择及功能特性………………………………………………7
2.3单片机控制步进电机的原理……………………………………………9
3步进电机驱动实现……………………………………………………………10
3.1简介………………………………………………………………………10
3.2驱动选择…………………………………………………………………10
3.3系统基本方案的确定…………………………………………………10
4硬件电路设计………………………………………………………………12
4.1单片机控制步进电机……………………………………………………12
4.2显示电路与键盘的选择…………………………………………………13
5软件的设计……………………………………………………………………17
5.1显示子程序的设计………………………………………………………17
5.2键盘子程序的设计………………………………………………………18
5.3驱动程序流程的设计……………………………………………………19
5.4正反转程序流程图………………………………………………………20
6附录（程序代码）……………………………………………………………21
结束语…………………………………………………………………………34
致谢………………………………………………………………………35
参考文献………………………………………………………………………35
引言
毕业实践工作对于每一个即将毕业的毕业生来说都是非常重要的,它对我们以后走上工作岗位很有帮助。
对于我们机电一体化专业来说，在以后的工作中经常要与机械打交道，在这里，我以数控技术为例，对它进行系统的讲述。
毕业论文可以把以前所学的知识加以综合运用，起到巩固学到的知识的作用，从而提高分析，解决问题的能力。
因此，认真的完成毕业论文是很有必要的。
毕业论文是我们完成专业教学计划的最后一个极为重要的实践性教学环节，是使我们综合运用所学过的基本课程，基本知识与基本技能去解决专业范围内的工程技术问题而进行的一次基本训练。
我们在完成毕业论文的同时，也培养了我们正确使用技术资料，国家标准，有关手册，图册等工具书，进行设计计算，数据处理，编写技术文件等方面的工作能力，也为我们以后的工作打下坚实的基础，所以我们要认真对待这次综合能力运用的机会！
本文基于FANUC0imate系统对简单轮廓——直线、圆弧组成的轮廓，直接用数控系统的G代码编程，进行零件加工的阐述。
1.数控加工中心
数控加工中心是目前世界上产量最高、应用最广泛的数控机床之一。
它的综合加工能力较强，工件一次装夹后能完成较多的加工内容，加工精度较高，就中等加工难度的批量工件，其效率是普通设备的5～10倍，特别是它能完成许多普通设备不能完成的加工，对形状较复杂，精度要求高的单件加工或中小批量多品种生产更为适用。
数控加工中心是一种功能较全的数控加工机床。
它把铣削、镗削、钻削、攻螺纹和切削螺纹等功能集中在一台设备上，使其具有多种工艺手段。
加工中心设置有刀库，刀库中存放着不同数量的各种刀具或检具，在加工过程中由程序自动选用和更换。
这是它与数控铣床、数控镗床的主要区别。
加工中心是一种综合加工能力较强的设备，工件一次装夹后能完成较多的加工步骤，加工精度较高，就中等加工难度的批量工件，其效率是普通设备的5～10倍，特别是它能完成许多普通设备不能完成的加工。
加工中心对形状较复杂，精度要求高的单件加工或中小批量多品种生产更为适用。
特别是对于必需采用工装和专机设备来保证产品质量和效率的工件，采用加工中心加工，可以省去工装和专机。
这会为新产品的研制和改型换代节省大量的时间和费用，从而使企业具有较强的竞争能力。
数控加工中心是一种带有刀库并能自动更换刀具，对工件能够在一定的范围内进行多种加工操作的数控机床。
XH714D立式加工中心
在加工中心上加工零件的特点是：
被加工零件经过一次装夹后，数控系统能控制机床按不同的工序自动选择和更换刀具；自动改变机床主轴转速、进给量和刀具相对工件的运动轨迹及其它辅助功能，连续地对工件各加工面自动地进行钻孔、锪孔、铰孔、镗孔、攻螺纹、铣削等多工序加工。
由于加工中心能集中地、自动地完成多种工序，避免了人为的操作误差、减少了工件装夹、测量和机床的调整时间及工件周转、搬运和存放时间，大大提高了加工效率和加工精度，所以具有良好的经济效益。
加工中心按主轴在空间的位置可分为立式加工中心与卧式加工中心。
在数控加工中心，目前的编程方法通常有两种：
①简单轮廓——直线、圆弧组成的轮廓，直接用数控系统的G代码编程。
②复杂轮廓——三维曲面轮廓，在计算机中用自动编程软件（CAD/CAM）画出三维图形，根据曲面类型设定各种相应的参数，自动生成数控加工程序。
以上两种编程方法基本上能满足数控加工的要求。
但加工函数方程曲线轮廓时就很困难，因为早期的铣床数控系统不具备函数运算功能，直接用G代码不能编制出函数方程曲线的加工程序，（版本较低的）CAD/CAM软件通常也不具备直接由方程输入图形的功能。
所以切削函数方程曲线轮廓，目前通常使用的方法是：
根据图纸要求，算出曲线上各点的坐标，再根据算出的坐标值用直线或圆弧指令代码编制程序，手工输入系统进行加工。
2.FANUC系统
2.1FANUC数控加工系统简介
FANUC公司创建于1956年，1959年首先推出了电液步进电机，在后来的若干年中逐步发展并完善了以硬件为主的开环数控系统。
进入70年代，微电子技术、功率电子技术，尤其是计算技术得到了飞速发展，FANUC公司毅然舍弃了使其发家的电液步进电机数控产品，一方面从GETTES公司引进直流伺服电机制造技术。
1976年FANUC公司研制成功数控系统5，随时后又与SIEMENS公司联合研制了具有先进水平的数控系统7，从这时起，FANUC公司逐步发展成为世界上最大的专业数控系统生产厂家，产品日新月异，年年翻新。
1979年研制出数控系统6，它是具备一般功能和部分高级功能的中档CNC系统，6M适合于铣床和加工中心；6T适合于车床。
与过去机型比较，使用了大容量磁泡存储器，专用于大规模集成电路，元件总数减少了30%。
它还备有用户自己制作的特有变量型子程序的用户宏程序。
1980年在系统6的基础上同时向抵挡和高档两个方向发展，研制了系统3和系统9。
系统3是在系统6的基础上简化而形成的，体积小，成本低，容易组成机电一体化系统，适用于小型、廉价的机床。
系统9是在系统6的基础上强化而形成的具备有高级性能的可变软件型CNC系统。
通过变换软件可适应任何不同用途，尤其适合于加工复杂而昂贵的航空部件、要求高度可靠的多轴联动重型数控机床。
1984年FANUC公司又推出新型系列产品数控10系统、11系统和12系统。
该系列产品在硬件方面做了较大改进，凡是能够集成的都作成大规模集成电路，其中包含了8000个门电路的专用大规模集成电路芯片有3种，其引出脚竟多达179个，另外的专用大规模集成电路芯片有4种，厚膜电路芯片22种；还有32位的高速处理器、4兆比特的磁泡存储器等，元件数比前期同类产品又减少30%。
由于该系列采用了光导纤维技术，使过去在数控装置与机床以及控制面板之间的几百根电缆大幅度减少，提高了抗干扰性和可靠性。
该系统在DNC方面能够实现主计算机与机床、工作台、机械手、搬运车等之间的各类数据的双向传送。
它的PLC装置使用了独特的无触点、无极性输出和大电流、高电压输出电路，能促使强电柜的半导体化。
此外PLC的编程不仅可以使用梯形图语言，还可以使用PASCAL语言，便于用户自己开发软件。
数控系统10、11、12还充实了专用宏功能、自动计划功能、自动刀具补偿功能、刀具寿命管理、彩色图形显示CRT等。
1985年FANUC公司又推出了数控系统0，它的目标是体积小、价格代，适用于机电一体化的小型机床，因此它与适用于中、大型的系统10、11、12一起组成了这一时期的全新系列产品。
在硬件组成以最少的元件数量发挥最高的效能为宗旨，采用了最新型高速高集成度处理器，共有专用大规模集成电路芯片6种，其中4种为低功耗CMOS专用大规模集成电路，专用的厚膜电路3种。
三轴控制系统的主控制电路包括输入、输出接口、PMC（ProgrammableMachineControl）和CRT电路等都在一块大型印制电路板上，与操作面板CRT组成一体。
系统0的主要特点有：
彩色图形显示、会话菜单式编程、专用宏功能、多种语言（汉、德、法）显示、目录返回功能等。
FANUC公司推出数控系统0以来，得到了各国用户的高度评价，成为世界范围内用户最多的数控系统之一。
1987年FANUC公司又成功研制出数控系统15，被称之为划时代的人工智能型数控系统，它应用了MMC（ManMachineControl）、CNC、PMC的新概念。
系统15采用了高速度、高精度、高效率加工的数字伺服单元，数字主轴单元和纯电子式绝对位置检出器，还增加了MAP（ManufacturingAutomaticProtocol）、窗口功能等。
FANUC公司是生产数控系统和工业机器人的著名厂家，该公司自60年代生产数控系统以来，已经开发出40多种的系列产品。
FANUC公司目前生产的数控装置有F0、F10/F11/F12、F15、F16、F18系列。
F00/F100/F110/F120/F150系列是在F0/F10/F12/F15的基础上加了MMC功能，即CNC、PMC、MMC三位一体的CNC。
FANUC公司数控系统的产品特点
（1）结构上长期采用大板结构，但在新的产品中已采用模块化结构。
（2）采用专用LSI，以提高集成度、可靠性，减小体积和降低成本。
（3）产品应用范围广。
每一CNC装置上可配多种上控制软件，适用于多种机床。
（4）不断采用新工艺、新技术。
如表面安装技术SMT、多层印制电路板、光导纤维电缆等。
（5）CNC装置体积减小，采用面板装配式、内装式PMC（可编程机床控制器）
（6）在插补、加减速成、补偿、自动编程、图形显示、通信、控制和诊断方面不断增加新的功能：
插补功能：
除直线、圆弧、螺旋线插补外，还有假想轴插补、极其坐标插补、圆锥面插补、指数函数插补、样条插补等。
切削进给的自动加减速功能：
除插补后直线加减速，还插补前加减速。
补偿功能：
除螺距误差补偿、丝杠反向间隙补偿之外，还有坡度补偿线性度补偿以及各新的刀具补偿功能。
故障诊断功能：
采用人工智能，系统具有推理软件，以知识库为根据查找故障原因。
（7）CNC装置面向用户开放的功能。
以用户特订宏程序、MMC等功能来实现。
（8）支持多种语言显示。
如日、英、德、汉、意、法、荷、西班牙、瑞典、挪威、丹麦语等。
（9）备有多种外设。
如FANUCPPR，FANUCFACard，FANUCFLOPYCASSETE，FANUCPROGRAMFILEMate等。
（10）已推出MAP（制造自动化协议）接口，使CNC通过该接口实现与上一级计算机通信。
（11）现已形成多种版本。
FANUC系统早期有3系列系统及6系列系统，现有0系列、10/11/12系列、15、16、18、21系列等，而应用最广的是FANUC0系列系统。
FANUC系统的0系列型号划分及适用范围
0D系列：
0—TD用于车床
0—MD用于铣床及小型加工中心
0—GCD用于圆柱磨床
0—GSD用于平面磨床
0—PD用于冲床
0C系统：
0—TC用于普通车床、自动车床
0—MC用于铣床、钻床、加工中心
0—GCC用于内、外磨床
0—GSC用于平面磨床
0—TTC用于双刀架、4轴车床
POWERMATE0：
用于2轴小型车床
0i系列：
0i—MA用于加工中心、铣床
0i—TA用于车床，可控制4轴
16i用于最大8轴，6轴联动
18i用于最大6轴，4轴联动
160/18MC用于加工中心、铣床、平面磨床
160/18TC用于车床、磨床
160/18DMC用于加工中心、铣床、平面磨床的开放式CNC系统、
160/180TC用于车床、圆柱磨床的开放式CNC系统
2.2G代码
代码分组意义格式
G0001快速进给、定位G00X--Y--Z-
G01直线插补G01X--Y--Z—
G02圆弧插补CW（顺时针）XY平面内的圆弧：
ZX平面的圆弧：
YZ平面的圆弧：
G03圆弧插补CCW（逆时针）
G0400暂停G04[P|X]单位秒，增量状态单位毫秒，无参数状态表示停止
G1517取消极坐标指令G15取消极坐标方式
G16极坐标指令GxxGyyG16开始极坐标指令
G00IP_极坐标指令
Gxx：
极坐标指令的平面选择（G17，G18，G19）
Gyy：
G90指定工件坐标系的零点为极坐标的原点
G91指定当前位置作为极坐标的原点
IP：
指定极坐标系选择平面的轴地址及其值
第1轴：
极坐标半径
第2轴：
极角
G1702XY平面G17选择XY平面；
G18选择XZ平面；
G19选择YZ平面。
G18ZX平面
G19YZ平面
G2006英制输入
G21米制输入
G2800回归参考点G28X--Y--Z—
G29由参考点回归G29X--Y--Z—
G4007刀具半径补偿取消G40
G41左半径补偿
G42右半径补偿
G4308刀具长度补偿+
G44刀具长度补偿－
G49刀具长度补偿取消G49
G5011取消缩放G50缩放取消
G51比例缩放G51X_Y_Z_P_：
缩放开始
X_Y_Z_：
比例缩放中心坐标的绝对值指令
P_：
缩放比例
G51X_Y_Z_I_J_K_：
缩放开始
X_Y_Z_：
比例缩放中心坐标值的绝对值指令
I_J_K_：
X，Y，Z各轴对应的缩放比例
G5200设定局部坐标系G52IP_：
设定局部坐标系
G52IP0：
取消局部坐标系
IP：
局部坐标系原点
G53机械坐标系选择G53X--Y--Z—
G5414选择工作坐标系1GXX
G55选择工作坐标系2
G56选择工作坐标系3
G57选择工作坐标系4
G58选择工作坐标系5
G59选择工作坐标系6
G6816坐标系旋转（G17/G18/G19）G68a_b_R_：
坐标系开始旋转
G17/G18/G19：
平面选择，在其上包含旋转的形状
a_b_：
与指令坐标平面相应的X，Y，Z中的两个轴的绝对指令，在G68后面指定旋转中心
R_：
角度位移，正值表示逆时针旋转。
根据指令的G代码（G90或G91）确定绝对值或增量值
最小输入增量单位：
0.001deg
有效数据范围：
-360.000到360.000
G69取消坐标轴旋转G69：
坐标轴旋转取消指令
G7309深孔钻削固定循环G73X--Y--Z--R--Q--F—
G74左螺纹攻螺纹固定循环G74X--Y--Z--R--P--F—
G76精镗固定循环G76X--Y--Z--R--Q--F—
G9003绝对方式指定GXX
G91相对方式指定
G9200工作坐标系的变更G92X--Y--Z—
G9810返回固定循环初始点GXX
G99返回固定循环R点
G8009固定循环取消
G81钻削固定循环、钻中心孔G81X--Y--Z--R--F—
G82钻削固定循环、锪孔G82X--Y--Z--R--P--F—
G83深孔钻削固定循环G83X--Y--Z--R--Q--F—
G84攻螺纹固定循环G84X--Y--Z--R--F—
G85镗削固定循环G85X--Y--Z--R--F—
G86退刀形镗削固定循环G86X--Y--Z--R--P--F—
G88镗削固定循环G88X--Y--Z--R--P--F—
G89镗削固定循环G89X--Y--Z--R--P--F--
2.3M代码
M03主轴正转
M03S1000主轴以每分钟1000的速度正转
M04主轴逆转
M05主轴停止
M10M14。
M08主轴切削液开
M11M15主轴切削液停
M25托盘上升
M85工件计数器加一个
M19主轴定位
M99循环程式
M30程序结束
M00暂停
3.零件图工艺分析
3.1零件结构和加工工艺要求分析
该零件图主要由平面、孔系及外轮廓组成，内孔表面的加工方法有钻孔、扩孔、铰孔、镗孔、拉孔、磨孔及光加工方法选择原则，中间¢12孔的尺寸公差为H7，表面粗糙度要求较高，可采用钻孔，铰孔方案。
平面轮廓常采用的加工方法有数控轮廓铣加工。
在本设计中，平面与外轮廓表面粗糙度要求Ra6.3mm,可采用粗铣——精铣方案。
选择以上方法完全可以保证尺寸、形状精度和表面粗糙度要求。
零件图
3.2基准的选择
3.2.1粗基准的选择
粗基准选择应当满足以下要求：
（1）粗基准的选择应以加工表面为粗基准。
目的是为了保证加工面与不加工面的相互位置关系精度。
如果工件上表面上有好几个不需加工的表面，则应选择其中与加工表面的相互位置精度要求较高的表面作为粗基准。
以求壁厚均匀、外形对称、少装夹等。
（2）选择加工余量要求均匀的重要表面作为粗基准。
例如：
机床床身导轨面是其余量要求均匀的重要表面。
因而在加工时选择导轨面作为粗基准，加工床身的底面，再以底面作为精基准加工导轨面。
这样就能保证均匀地去掉较少的余量，使表层保留而细致的组织，以增加耐磨性。
（3）应选择加工余量最小的表面作为粗基准。
可以保证该面有足够的加工余量。
（4）应尽可能选择平整、光洁、面积足够大的表面作为粗基准，以保证定位准确夹紧可靠。
有浇口、冒口、飞边、毛刺的表面不宜选作粗基准，必要时需经初加工。
（5）粗基准应避免重复使用，因为粗基准的表面大多数是粗糙不规则的。
多次使用难以保证表面间的位置精度。
为了满足上述要求，基准选择以后钢板弹簧吊耳大外圆端面作为粗基准，先以后钢板弹簧吊耳大外圆端面互为基准加工出端面，再以端面定位加工出工艺孔。
在后续工序中除个别工序外均用端面和工艺孔定位加工其他孔与平面。
3.2.2精基准的选择
精基准的选择主要考虑基准重合的问题，当设计基准与工序基准不重合时，应当进行尺寸换算。
3.3毛坯和材料的选择
毛坯是根据图纸而确定大小，根据本设计图纸选择毛坯大小为100X100X40的毛坯。
选材不当是材料方面导致失效的主要原因。
问题出在材料上，但责任在设计者身上。
最常见的情况是，设计者仅根据材料的常规性能指标作出决定，而这些指标根本不能反映材料对所发生的那种类型失效的抗力。
另一种情况是，尽管预先对零件的失效形式有较准确的估计，并提出了相应的性能指标作为选材的依据，但由于考虑到其它因素（如经济性、加工性能等），使得所选材料的性能数据不合要求，因而导致了失效。
材料本身的缺陷也是导致零件失效的一个重要原因，常见的缺陷是夹杂物过多，过大，杂质元素太多，或者有夹层、折叠等宏观缺陷。
所以材料为45#钢。
3.4加工路线的设计
由于生产类型为大批生产，应尽量使工序集中来提高生产率，除此之外，还应降低生产成本。
为此，设计了两套工艺路线，分别如表1和表2所示。
表1工艺路线方案一
工序1
粗加工定位基准面（底面）
工序2
钻，扩，铰¢12H7孔
工序3
粗、精加工上表面
工序4
外轮廓铣削
工序5
终检
表2工艺路线方案二
工序1
粗加工定位基准面（底面）
工序2
粗、精加工上表面
工序3
钻，扩，铰¢12H7孔
工序4
外轮廓铣削
工序5
终检
按照基面先行、先面后孔、先主后次、先粗后精的原则确定加工顺序，我选择第2种。
3.5刀具选择
刀具的选择是数控加工中重要的工艺内容之一，它不仅影响机床的加工效率，而且直接影响加工质量。
编程时，选择刀具通常要考虑机床的加工能力、工序内容、工件材料等因素。
与传统的加工方法相比，数控加工对刀具的要求更高，不仅要求精度高、刚度高、耐用度高，而且要求尺寸稳定、安装调整方便。
这就要求采用新型优质材料制造数控加工刀具，并优选刀具参数。
选取刀具时，要使刀具的尺寸与被加工工件的表面尺寸和形状相适应。
生产中，平面零件周边轮廓的加工，常采用立铣刀，铣削平面时应选硬质合金刀片铣刀；加工凸台、凹槽时，选高速钢立铣刀，对一些主体型面和斜角轮廓形的加工，常采用球头铣刀、环形铣刀、鼓形刀、锥形刀和盘形刀。
曲面加工常采用球头铣刀，但加工曲面较低平坦部位时，刀具以球头顶端刃切削，切削条件较差，因而采用环形铣刀。
表2本设计中刀具的选择：
序号
刀具编号
刀具规格名称
数量
加工表面
刀尖半径/mm
备注
1
T01
¢125mm硬质合金端面铣刀
1
铣削上下表面
0.5
2
T02
¢10.5钻头
1
钻¢12H7的孔
3
T03
¢20铰刀
1
铰孔
4
T04
升级会员 