螺纹轴零件的数控加工工艺与编程0.docx

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螺纹轴零件的数控加工工艺与编程0

螺纹轴零件的数控加工工艺与编程

1、相关定义

1.1、制造资源定义

制造资源是企业完成产品整个生命周期所有生产活动的物理元素的总称,贯穿于产品的生产全过程[44]。

随着计算机集成制造系统（CIMS）、并行工程（CE）、虚拟制造（VM）和敏捷制造（AM）等技术的不断发展,计算机在制造业应用的不断深入。

制造资源的组织、管理、计划和控制以及制造资源自身的约束等,都影响着生产计划、产品设计、过程设计和制造控制等环节。

制造资源作为工艺过程设计的重要组成部分,既提供对产品设计、工艺过程设计和制造的支持,又存在着对它们的约束。

一方面,产品设计、工艺过程设计和制造需要了解企业资源的制造能力、资源的类型、加工精度和范围等加工约束信息以及资源的分布情况等;24另一方面,科学合理地利用现有制造资源组织生产过程,生产高质量、低成本又能满足用户要求的产品,是现代企业管理的目标所在。

进行工艺设计的实质是把待加工的工件信息与制造资源所提供的制造能力进行匹配、作用的过程。

1.2、定义加工刀具

在MTB环境中对加工所需的刀具装配模型（刀具和刀柄等）进行运动模型的定义,方法与机床运动模型的定义类似。

如果不提供刀具运动模型,系统可以根据加工模块中的刀具参数自动创建一个加工刀具,因此,这一步不是必须的。

本文刀具由于是从UG刀具库中直接选取的,所以刀具模型也采用系统自动生成的。

1.3、定义机床运动

机床运动学是关于机床各轴运动的。

机床运动变量定义事件生成器所涉及的机床运动信息,UG/Post就是用这些机床运动变量作处理的。

事件处理文件定义机床运动变量,机床运动变量定义如何把刀轨坐标X、Y、Z、I、J、K转换成机床坐标X、Y、Z、B、C。

机床运动变量还定义机床的基本类型,如车、铣或线切割[4]。

对于特殊机床来说,其运动参数设置往往无法在UG/PostBuilder中完成,这时候就需要用户直接在事件处理文件中进行手工定义。

对于五轴机床来说,在用户自定义机床运动的时候,主要涉及到以下几方面的工作:

（1）定义旋转轴的中心位置:

通常有两种方法来定义轴的旋转中心位置,一种是偏置量法,另一种是坐标法。

偏置量法是用旋转轴的中心位置点相对于其参考点的偏置量来确定旋转轴中心位置。

其中,对于不同轴来说其参考点对象也有所不同,对于第4轴来说,其参考点为机床的零点。

对于第5轴来说其参考点为第4轴的旋转中心。

在UG事件处理文件中用两个数组变量（mom_kin_4th_axis_center_offset和mom_kin_5th_axis_center_offset）来存储这两个轴的中心偏置量,设置格式如下:

61setmom_kin_4th_axis_center_offset（0）“0.0”setmom_kin_4th_axis_center_offset

（1）“0.0”setmom_kin_4th_axis_center_offset

（2）“0.0”setmom_kin_5th_axis_center_offset（0）“0.0”setmom_kin_5th_axis_center_offset

（1）“0.0”setmom_kin_5th_axis_center_offset

（2）“0.0”坐标法则是用旋转轴中心点在机床坐标系中的矢量坐标值来确定旋转轴中心点位置的。

同样,在UG事件处理文件中用另外两个数组变量（mom_kin_4th_axis_point和mom_kin_5th_axis_point）来存贮这些数值,如图5.19所示,设置格式如下:

setmom_kin_4th_axis_point（0）“-685.15”setmom_kin_4th_axis_point

（1）“0.0”setmom_kin_4th_axis_point

（2）“-1055.92”setmom_kin_5th_axis_point（0）“-151.79”setmom_kin_5th_axis_point

（1）“0.0”setmom_kin_5th_axis_point

（2）“-739.56”

（2）定义轴的旋转平面在UG中定义轴的旋转平面分为两种情况:

第一种情况是指轴的旋转平面在机床坐标系的主平面内,这时直接选择相应的旋转平面即可;另一种情况是指轴的旋转平面不在机床坐标系主平面内,这时必须把旋转平面设定为”NONE”,而用方向或角度来定义旋转轴的方向。

设置格式如下:

setmom_kin_4th_axis_plane“NONE”setmom_kin_5th_axis_plane“NONE”用方向余弦定义轴的旋转平面:

setmom_kin_4th_axis_vector（0）“1”setmom_kin_4th_axis_vector

（1）“0”setmom_kin_4th_axis_vector

（2）“1”setmom_kin_5th_axis_vector（0）“0”setmom_kin_5th_axis_vector

（1）“0”setmom_kin_5th_axis_vector

（2）“1”用角度定义轴的旋转平面:

setmom_kin_4th_axis_angles（0）“270.0”62setmom_kin_4th_axis_angles

（1）“45.0”setmom_kin_5th_axis_angles（0）“0.0”setmom_kin_5th_axis_angles

（1）“0.0”（3）定义轴的旋转方向在UG中,轴的转向有standard和reverse两种,控制如何把刀轴方向的I、J、K数据转换成转角。

每一个转轴或者摆轴都要确定转向,或是标准,或是反向,设置格式如下:

setmom_kin_4th_axis_rotation“Standard”setmom_kin_5th_axis_rotation“Standard”图5.19dmu_70_v运动模型Fig5.19dmu_70_vkinematicmodel63第六章基于UG的加工过程仿真零件程序的检验方法有几种,方法之一是在正式加工前让机床”空运行”,空运行只能对机床运动是否正确及有无干涉碰撞做粗略的估计;而若采用实物”试切”的方法,则可对加工过程是否正常及加工结果是否满足要求作出较准确的判断。

但试切是一项费时昂贵的工作,其效率很低且需增加生产成本,此外试切过程的安全性也得不到保障。

在计算机上利用三维图形技术对数控加工过程进行模拟仿真,可以快速、安全和有效地对NC程序的正确性进行较准确的评估,并可根据仿真结果对NC程序迅速地进行修改,免除反复的试切过程,降低材料消耗和生产成本,提高工作效率。

因此,数控加工过程的计算机仿真是NC程序的高效、安全和有效的检验方法。

随着当前计算机图形技术的发展,数控加工仿真系统已能对复杂的加工运动过程进行几何仿真,并出现了一些商品化的数控加工仿真软件,如UG、VERICUT、NCV等。

这些仿真软件可在计算机上对加工中机床、刀具的切削运动和工件余量去除过程获得真实感的动态显示,并进行过切与欠切、机床和夹具系统与刀具的碰撞检验,在计算机上实现快捷有效的零件程序检验。

此外,有些仿真软件还可进行简单的切削负荷和速度优化检验。

除几何仿真外,对加工过程的物理仿真研究也已开始得到关注。

物理仿真基于加工过程中的切削力、切削热和机床动态特性等,在计算机上进行材料切除率、机床、刀具及夹具系统的力、热变形和动态变化的模拟,实现切削用量的优化和加工误差的预测补偿,提高加工效率和质量。

但由于加工过程的机理特性十分复杂,还有待人们的进一步探索研究[1]。

1.4、--多轴数控机床的坐标系定义

机床绝对坐标系:

机床制造商设置在机床上的一个特殊的物理位置,它使得机床与控制系统同步,建立测量机床运动的起始点,称为机床绝对零点。

机床绝对坐标系以机床绝对零点为原点建立起来的一个固有坐标系。

工件坐标系:

编程时人为规定的坐标系,为方便编程由编程人员在数控编程过程中定义在工件上的某一个特定点为原点的坐标系。

如图2.3五轴数控机床坐标系所示。

图2.3五轴数控机床坐标系Fig.2.3Five-axisNCmachinecoordinatesystem2-3多轴数控加工常用刀具分析在多轴数控加工和三轴数控加工一样,加工工艺中刀具类型和大小的选择以及切削用量的确定是重要内容之一。

它影响着数控机床的加工效率,还直接影响加工质量。

8河北工业大学工程硕士学位论文

1.5、定义文件

定义文件主要包含与特定机床相关的静态信息。

因为机床的多样性,至少每类机床需要一个定义文件。

大多数NC机床使用地址（Address）这一概念来描述控制机床的各个参数。

比如,X地址用来存储机床移动时终点的X坐标值。

NC程序中的每个命令行通过改变地址的值来达到改变机床状态的目的,而机床加工工件的过程实际上就是一系列机床状态发生改变的过程。

UG/Post实现了一定的机制,使用定义文件中的信息来格式化NC指令。

正如事件处理器一样,UG/Post的这种机制本质上也是由TCL语言来实现的,只不过是TCL语言核心的扩展。

定义文件包含下列内容:

（1）一般的机床信息,如机床是铣床还是车床,是三轴还是五轴等;

（2）机床支持的地址,如X、Y、Z、A、B、C、T、M等;（3）每个地址的属性,如格式、最大值、最小值等;（4）模块,它们描述多个地址如何组合在一起来完成一个机床动作。

比如,命令G01X[Xval]Y[Yval]Z[Zval]完成一个直线移动。

1.6、数控加工仿真技术的定义

数控加工仿真就是利用计算机技术通过图形、数字等形式对机械加工的加工环境和加工过程进行3D模拟,以达到判断和验证数控加工程序正确性和合理性的目的。

数控仿真加工技术是实现虚拟制造的一项重要支撑技术,也是先进机械制造技术的重要组成部分。

通过仿真数控加工的过程,可以减少数控程序的调试时间,节省数控加工的试切费用,提高机床的安全性及加工效率[26-29]。

1.7、加工工艺模型定义

加工工艺建模就是用适当的建模方法将加工工艺过程抽象的表达出来,通过研究加工工艺过程的各个环节,对加工工艺过程进行分析、综合及优化。

建立加工工艺模型的目的:

（1）更好地理解和表达加工工艺过程,支持对加工工艺过程的分析和综合。

（2）验证理论分析的结果是否正确,解决理论分析难以解决的问题。

（3）指导CAPP系统的开发。

建立加工工艺模型的意义是:

加工工艺模型是对加工工艺过程的抽象及简化表示,是抽取了加工工艺过程的本性特质,忽略掉或精简掉一些次要的、非本质的影响因素后的对象表示法。

它使加工工艺规划具有更简单的形式,容易实现计算机编程[1]。

3

1.8、机床建模的概念

⑴组件与组件树在VERICUT软件中,每一项功能可以表示不同的组件,通过建立相应的组建,最后,实现与之相呼应的仿真加工刀具路径[47-49]。

⑵实体模型的建立在VERICUT软件中我们可以建立机床的实体模型,然后选择相应的加工叶轮所用到的材料、刀具、切削参数等等,从而组装各部件。

1.9、Agent的定义

起源于人工智能领域的”Agent”术语因其在不同的应用领域而具有不同的含义,所以至今学术界仍没有一个统一的定义。

一种比较普遍的观点认为:

Ageni是一种通过传感器感知其周围的环境,并能通过执行某些动作作用于该环境的实体。

目前国内学术界对Agent也没有公认的译法,国内文献中常翻译为智能体、主体、代理等。

我国学者蔡自兴建议音译为”艾真体”。

在本文中直接使用”Ageni”这个单词,不对其进行翻译。

一般而言可以认为Ageni是一类在特定环境下能感知环境,并能灵活、自主地运行以实现一系列设计目标的、自主的计算实体和程序〔川。

我国学者杨鲤等人提出了最小Agent的概念〔,2〕,认为一个Ageni的最基本特性应包括反应性、自治性、面向目标性和针对环境性。

尽管不同的研究者和研究机构对Agent给出了不同的定义,但最经典和最广泛被人们所接受的是wooldrigge和Jennings等人给出的弱定义〔‘3,和强定义〔‘4,。

其中弱定义极大地拓展了Ageni的应用领域,也是目前用的最广的一种定义,本文也采用这一定义。

根据弱定义,Agent是一个具有自治性、反应性、预动性、社会性的软硬件系统。

因此,Agent必须具有以下四个基本特征〔‘,8、g]:

自治性:

也称为自主性,是指Ageni在一定程度上不需要外界的干预而能够控制自己的行为和内部状态。

这是Ageni最基本的属性,是Ageni区别于对象、过第2章Agent与MAs基本理论程的一个重要特征。

反应性:

也称为交互性,是指Agent能够通过感知器感知周围的环境,并能对环境的动态变化做出及时的反应,以满足设计目标。

社会性:

Agent处于多个Agent构成的环境中,Agent能够通过某种途径与其他Agent相互交换信息和通信,以协调彼此的行为,共同完成特定的任务。

主动性:

也称为预动性,是指Agent能根据自己的内部状态,主动地感知环境或根据自己的目标主动执行某些动作。

而强定义则认为Ageni不仅具有上述特征,而且具有某些人类的特征,例如具有情感、信念、愿望、意图等。

在不同的应用领域Agent还可以具有其他一些特征。

所以Agent除了具有四个基本特征以外,还可能具有以下特征〔’、日〕:

适应性:

或称为开放性,是指Agent能够感知到周围环境的变化,并改变自身的某些状态以适应环境的变化,能够通过学习不断的完善自己。

因此当有新的Agent加入到原有系统中时,不必对原有的Agent系统重新设计,Agent通过感知和学习能够进化自身,适应新的环境。

协作性:

Agent能够与其他Agent相互协作共同完成单个Agent无法完成的复杂的任务,这是Agent社会性的一个具体体现。

目标性:

Agent不只是能够对周围的环境变化做出反应,而且能够根据自己要实现的目标而采取主动的行为。

这一特性体现了Ageni具有某些人类的特征。

持续性:

Agent是有生命周期的,在生命周期内,各Agent自主运行,不随任务的完成而立即结束,只是忙闲状态的变化。

理智性:

Ageni对环境的变化采取理性的动作和行为,以不故意损害自身利益和集体利益为原则,在此基础上与其他Agent相互协作并争取自身利益的最大化。

智能性:

Agent能够从周围的环境中学习,并对以一前完成任务的经验进行总结,从而不断地提高自己处理问题的能力和效率。

有些Agent还具有根据先验知识进行思考、决策、推理的能力,如慎思型Agent。

移动性:

Agent为完成某项任务能够在网络中自由移动,并能保持自身的状态。

具有移动能力的Agent我们称为移动Agent。

1.10、PowerMill宏定义

在PowerMill中,宏是一组PowerMill内部指令的集合。

PowerMill向用户开放其全部内部命令。

用户可以将这些命令进行组合,形成宏文件,用以在PowerMill中进行一连串的操作,给用户免去了大量的重复劳动,给工作带来方便。

在PowerMill中,可以通过菜单工具/显示命令调出命令对话框,在PowerMill中的每一步操作所激发的内部命令都会显示在此对话框中,我们也可以在此对话框中发送命令给PowerMill。

-16-计算机科学里的宏是一种抽象,它根据一系列预定义的规则替换一定的文本模式,宏这一术语也常常被用于许多类似的环境中,它们是源自宏展开的概念,这包括键盘宏和宏语言。

绝大多数情况下,使用”宏”这个词的使用暗示着将小命令或动作转化为一系列指令。

宏文件（Mac）是一个记录PowerMill内部命令的有序集合。

当在PowerMill中选择录制宏文件,然后对模型进行一系列的操作时,PowerMill可以自动的把所做操作对应的内部命令写到宏文件里。

当需要编辑同类模型时,只需要调用宏文件就可以自动的运行操作。

2、相关背景

2.1、课题背景及研究的意义

为主要目的的一类机械传动形式,同时精密传动机构是国防工业和各种制造装备业中极其重要的基础性零部件。

国家”863”计划、国家自然科学基金申请指南中均指出,21世纪机械工程科学发展的总的趋势之一是精密化;高性能精密传动部件及系统的研究是机械工程学科的关键科学技术之一。

精密传动作为一种通用的传动形式,近年来在国防工业和国民经济建设各个领域的应用越来越广泛,各种精密传动的需要量逐年大幅增长。

由于摆线行星传动具有啮合齿数多、误差平均效应显著、传动精度高、无柔性构件、扭转刚度高等突出的特点,近年来在精密传动领域受到了广泛关注[1]。

其线接触共轭齿面的摩擦和滑动率大,滑动是齿面产生磨损、产生热量和功率损耗、降低效率的主要因素。

所以可以通过改变摆线针轮行星传动的针齿齿廓使其变为点接触共轭齿面,点接触的接触强度大、承载能力提高和噪声小;同时其滑动率大大减小,从而效率大大提高。

本文就是在摆线针轮行星传动的基础上,基于线面共轭理论,对针轮齿廓进行管状修形而内摆线轮齿廓保持不变设计出的新型传动,即摆线针轮点接触行星传动。

该传动是精密传动,对该传动中的管状修形针轮（行星轮）的齿形误差以及加工精度等都有较高的要求,所以采用数控磨削加工方法来实现管状修形针轮的齿廓加工。

因此,从摆线针轮点接触行星传动共轭啮合的一般原理和齿廓修形理论出发,并与先进的数控加工技术相结合进行一些基础性研究,采用”成形包络数控磨削”技术,解决复杂共轭曲面修形离散数据的处理问题,以突破该类传动齿廓修形精密数控加工的关键技术,为摆线针轮点接触行星精密传动的推广应用奠定重要基础。

同时对于其他类似复杂的空间共轭曲面的数控加工制造具有重要的参考价值。

摆线针轮点接触行星传动将会在汽车行业、机械人等领域得到广泛运用,其市场价值决定了其未来发展的趋势。

摆线针轮点接触行星传动管状修形针轮制造关键技术的研究是摆线针轮点接触行星传动必须突破的关键问题和工程应用的前提,因此,本课题具有重要的理论意义和工程实用价值。

2.2、选题背景与本文工作

1.5.1选题背景和研究基础1.5.1选题背景和研究基础研究背景如下:

（1）作为透平机械的核心部件,整体叶轮被广泛应用于航空、航天发动机等关键部件之中,在其它的工业领域也有着广泛的应用,整体叶轮的加工质量成为提高发动机性能的一个重要环节,整体叶轮的数控加工成为国内外重点研究的课题之一。

然而如上所述,对于我国现有整体叶轮的数控加工技术仍然存在许多问题,如何高质量高效率的制造出整体叶轮是目前迫切需要解决的问题。

（2）本课题来源于企业合作项目,为了提高整体叶轮制造的效率和质量,该企业希望将整体叶轮由精铸加工向数控加工进行转化,本文对整体叶轮数控精加工的一些关键技术进行了研究,主要解决了整体叶轮数控编程过程中的一些关键问题,包括整体叶轮五坐标数控加工中的误差计算及补偿,干涉检测及调整,整体叶轮叶片曲面鼓形刀刀具轨迹的生成,轮毂曲面及叶根圆角过渡曲面刀具轨迹的生成等工作。

本文的研究基础如下:

作者所在学科在数控加工方面技术的研究工作已有十余年历史,研究范围非常广泛,从简单零件的三坐标数控加工,到复杂零件的五坐标数控加工,都进行了广泛而深入的研究,在数控编程、仿真等数控关键技术上积累了宝贵的经验,同时姬俊锋师兄在整体叶轮的数控加工方面做了大量的研究工作,这些都为开展本项研究工作奠定了坚实的技术基础。

拥有先进的CAD/CAM软件UG及其提供的二次开发接口函数和编程工具软件VisualC++。

2.3、本文背景

1.3.1课题来源及研究的意义1.3.1课题来源及研究的意义本课题来源于宁夏自治区科技攻关项目”数控车铣与齿轮加工复合机床的研制”课题的一个子课题。

”数控车铣与齿轮加工复合机床的研制”课题的主要是设计一台数控车铣复合加工机床集车、铣、齿轮加工于一体,并要求在控制系统的控制下能够实现铣齿加工非圆齿轮的自动编程,实现在一台机床上为非圆齿轮的加工提供更多的途径,加工的功能更强大,以达到科技攻关的目的,有利于国内数控复合加工技术的发展。

本课题主要是负责数控车铣复合加工机床数控铣齿这一块自动编程系统的研究,而且能够加工非圆齿轮。

目前,非圆齿轮的加工方法有铣齿,滚齿,插齿等,这些方法加工是在专用的数控机床或者加工中心上实现,由于数控加工程序是很复杂,人工编程是很困5难,甚至不可能的,自动编程系统采用数控插补算法对数控程序的编写影响很大。

随着数控机床向着高速度、高精度、多功能化和经济化发展,不但要求满足在数控复合机床上实现对数控非圆齿轮加工的高速度、高精度,而且要满足对非圆齿轮加工的多功能化,这就需要更强大的自动编程系统去实现不同加工方法的自动编程。

滚齿和插齿自动编程系统一般应用在数控滚齿机和插齿机上,还没有出现集铣齿,滚齿,插齿加工非圆齿轮自动编程系统于一体的专用自动编程系统,这种编程系统功能加工强大,还可以在数控铣床、数控车铣复合加工机床上用铣削的方法自动编程加工非圆齿轮,可以满足不同的用户和不同场合加工的需要,适用范围广。

现在操作系统种类多,一些操作系统不成熟,对用户的技术水平要求高,开放的程度还不够,不具备铣齿加工非圆齿轮的自动编程,甚至系统不能够生成加工非圆齿轮的数控程序。

所以很有必要开发出一个功能强大的,精度高,适应范围广的,专门实现齿轮（主要是非圆齿轮）加工的自动编程系统,以满足不同加工用户的需要,这对数控复合加工技术的推广普及具有重要的意义。

2.4、研究背景与发展现状

1.2.1数控加工技术的国内外发展1.2.1数控加工技术的国内外发展早在上世纪40年代初期,美国派尔逊思公司在制造小型飞机框架结构时利用计算机技术对加工路径进行了相关的数据处理后加工效率和加工精度显著提高,自此数控加工的概念便应运而生了。

五六十年代是西方工业飞速发展的一个阶段,在这期间,英、美、德、日等国家纷纷在数控技术方面投入了大量的人力和物力。

但由于当时的整体技术水平有限,数控技术基本均采用电子晶体管,受限于其体积庞大且耗能高等因素影响,因此发展范围仅局限在某些军工领域。

1969年,点位控制技术在数控加工范围内被广泛推广,1974年,随着微电子技术的迅猛发展,加工中心逐渐应用于大批量的切削加工领域。

90年代末是日本数控技术发展的鼎盛时期,FANUC公司不仅在机床结构层面上占据了有利地势,在系统控制方面也率先推出了由传统的步进电机向交流伺服电机的创新理念,由此可以保证五轴甚至五轴以上的联动均可顺利实现的效果。

我国的数控技术起步相对较晚,自1958年第一台数控机床问世一直到80年代初2期基本上实际应用的很少,尚未形成自主产权的商业系统。

90年代国家开始重视并大力发展数控制造业,各科研单位和相关制造商开始逐渐从国外引进相关成品机床,对其技术和运营方式进行深入研究,随着中国加入世贸组织后商业和经济的迅速发展,国外很多投资商开始走进国内市场并扎根落户。

2000年初,日本MAZAK公司在银川设立了分厂,将数字化、柔性化、信息化和智能化的数控加工理念引入国内[4];2005年日本大隈公司将一个技术设计控制实验室设置在了北京,通过