数控机床加工的原理.docx

1、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

2、。11 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

3、。12 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。13 设计的目的和要求在数控车床上加工常规零件,如

4、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

5、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。21 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

6、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O0,0,终点为AXe,Ye,PXi,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,j0, 则点P在直线OA上方；（3）如Fi,j0, 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,j0 时,刀具向+X方向进给一步一个脉冲当量；Fi,j0 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

7、,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X2BH插补值Y2CH偏差值A70H控制电机正、反转的控制字14

8、H计数器直线插补的程序清单如下： ORG 2300H MAIN： MOV SP,#60H ；主程序开始 MOV R0,#T8255 ；8255初始化 MOV A,#80H MOV R0,A LOP4： MOV 28H,#0C8H ；Xe MOV 29H,#0C8H ；Ye MOV 2AH,#00H ；X MOV 2BH,#00H ；Y MOV 2EH,#00H ；F MOV 70H,#0AH LOP3： MOV A,2EH ACC.7,LOP1 MOV A,70H SETB ACC.0 CLR ACC.2 MOV 70H,A ；OB+X LCALL MOTR ；调环行分配器,x方向走一步 LC

9、ALL DELAG MOV A,2EH SUBB A,29H ；F-Ye INC 2AH ；X+1 AJMP LOP2 LOP1： MOV A,70H SETB ACC.2 CLR ACC.0 MOV 70H,A ；OF+Y LCALL MOTR ；Y方向走一步 LCALL DELAY MOV A,2EH ADD A,28H ；F+Xe INC 2BH ；Y+1LOP2： MOV 2EH,A MOV A,28H CJNE A,2AH,LOP3 ；Xe=X？ST： MOV R0,#T8255 ；关8255 MOV A,#00H MOVX R0,A LJMP ST 2.1.2逐点比较法圆弧插补如图

10、2-4所示,设逆圆弧AB在第一象限,原点为圆心O,起点AXo,Yo,终点BXe,Ye,半径为R,瞬时加工点为PXi,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,j0, 则点P在圆弧AB外侧；（3）如Fi,j0, 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,j0 时,刀具向-X方向进给一步一个脉冲当量；Fi,j0 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

11、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：XL EQU 18HXH EQU 19HYL EQU 28HYH EQU 29HXeL EQU 1AHXeH EQU 1BHYeL EQU 2

12、AHYeH EQU 2BHFL EQU 2CHFH EQU 2DH ORG 2400H 图2-6是圆弧插补程序的流程图MAIN： MOV SP,#60H MOV R0,#0EBH MOV A,#80H MOVX R0,A LCALL DSUP ；调装码子程序 MOV R5,#11H MOV R6,#21H MOV 70H,#08H MOV XL,#80H ；XL MOV XH,#0CH ；XH MOV YeL,#00H ；YeL MOV YeH,#00H ；YeH MOV XeH,#00H ；XeH MOV XeL,#00H ；XeL MOV YL,#00H ；YL MOV YH,#00H ；

13、YH MOV FL,#00H ；FL MOV FH,#00H ；FH MOV 1CH,#00H MOV 1DH,#00H LOOP3： MOV A,FH JNB ACC.7.LOOP1 MOV A,70H SETB ACC.2 CLR ACC.0 MOV 70H,A ；OC+Y LCALL MOTR LCALL DELAY MOV R1,#28H ；YL MOV R0,#1CH MOV R7,#02H LCALL CHFZ ；2*YADD： CLR C MOV A,FL ADDC A,1CH MOV FL,A MOV A,FH ADDC A,1DH ；F+2Y MOV FH,A CLR C M

14、OV A,YL ADD A,#01H MOV 28H,A MOV A,YH ADDC A,#00H MOV YH,A ；Y+1 CLR C MOV A,FL ADD A,01H MOV FL,A ；F+2Y+1 MOV A,FH ADDC A,00H MOV FH,A AJMP LOOP2 LOOP1： MOV A,70H SETB ACC.0 MOV 70H,A ；09-X LCALL MOTR LCALL DELAY MOV R1,#18H ；XL MOV R0,1CH MOV R7,02H LCALL CHFZ ；2*XSUB： CLR C MOV A,FL SUBB A,1CH MOV

15、 FL,A MOV A,FH SUBB A,1DH MOV FH,A ；F-2X CLR C MOV A,XL MOV XH,A ；X-1 CLR C MOV A,FL ADD A,#01H MOV FL,A MOV A,FH ADDC A,00H MOV FH,A ；F-2X+1LOOP2： MOV A,YH CJNE A,YEH,LOOP3A ；YH=YEH？ MOV A,YL CJNE A,YEH,LOOP3A ；YL=YEH？ST MOV P0,0EBH MOV A,00H MOVX R0,A AJMP ST LOOP3A AJMP LOOP3 END ；主程序结束 ORG 2500H

16、 CHFZ： PUSH PSW ；双字节乘2子程序 PUSH A PUSH B PUSH C MOV R2,00H SHIO MOV A,R1 MOV B,#02H PUSH PSW MUL AB POP PSW ADDC A,R2 MOV R0,A MOV R2,B INC R0 INC R1 DJNZ R7,SHIO POP B POP A POP PSW 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

17、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。22 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31 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32 图样分析该工件是一个组合件：分零件1和零件2 两

18、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

19、相对于60圆柱的跳动,圆弧面相对于44孔的跳动。60的左端面相对于60圆柱的垂直度,右端面相对于44圆柱面的垂直度。44的孔相对于60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75140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44圆柱面之间的端面相对于38孔的垂直度,44圆柱相对于38孔的同轴度,圆锥面相对于38孔的跳动。表面粗糙度在

20、各种孔和外圆弧回转面等处均为Ra1.6um。毛坯为7557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。33 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47.676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、60外圆柱与双偏心留着也不车出,把34的小外圆柱车到36 -0.15 -0.25 并车出M361.

21、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34 0 -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34 加工准备与编程341 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；

22、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O 0011;程序号,Z向原点选择在零件外端面中心N01 M03 S800;主轴正转,转速 800转/分N02 T0101;调用1号刀具1号刀补N03 G00 X85 Z0 M08;快速到达准备点,开切削液N04 G01 X0 F0.2;车端面N05 G00 X80 Z3;快速到达G73循环点N06 G73 U37 W0 R26;固定形状外圆粗加工复合循环N07 G73 P8 Q25 U1 W0.2 F0.3;N08 G42 G00 X0;指定形状开始,调用刀具半径右补偿N09 G01 Z0;N

23、10 #1=-2;双曲线Z向起始位置N11 IF#1 LT -10 GOTO 16;条件转移语句N12 #2=SQRT#1*#1-4;循环体N13 G01 X2*#2 Z#1+2;N14 #1=#1-0.5;循环步距N15 GOTO 11;无条件转移语句N16 G01 X24 Z-10;定位到双曲线的终点N17 Z-18;N18 X27.;N19 X38 Z-33;N20 Z-41;N21 X60;N22 Z-54.7;N23 X72;N24 Z-96;N25 X79 Z-100;指定形状结束N26 G70 P8 Q25 S1200 F0.1;外圆精加工循环,设定精车转速和进给量N27 G40

24、 GOO X100 Z100;快速退到换刀点,取消刀具半径补偿N28 T0202;调用2号刀具2号刀补N29 M03 S600;主轴正转,车槽转速 600转/分N30 GOO X74 Z-54.5;快速到达切槽第1刀起点N31 G01 X54 F0.12;切槽第1刀N32 G00 X60.5;退刀N33 Z-54;快速到达切槽第2刀起点N34 G01 X54;切槽第2刀N35 G04 X1;槽底暂停1秒N36 G00 X74;退刀N37 Z-90.5;快速到达切槽第3刀起点N38 G01 X62 F0.12;切槽第3刀N39 G04 X1;槽底暂停1秒N40 G00 X74;退刀N41 Z-8

25、7.5;快速到达切槽第4刀起点N42 G01 X62;切槽第4刀N43 G04 X1;槽底暂停1秒N44 G00 X74;退刀N45 Z-84.5;快速到达切槽第5刀起点N46 G01 X62;切槽第5刀N47 G04 X1;槽底暂停1秒N48 G00 X74;退刀N49 Z-81.5;快速到达切槽第6刀起点N50 G01 X62;切槽第6刀N51 G04 X1;槽底暂停1秒N52 G00 X100;退刀N53 G00 Z100;退刀N54 M05 M09;主轴停止,关冷却液N55 M30;程序结束342 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

26、夹方式：把上道工序的工件调头用三爪卡盘夹住72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25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M361.5的螺纹；5卸下工件。图3-82、加工程序与说明如下表：程序说明O 0012;程序号,Z向原点选择在零件外端面中心N01 M03 S800;主轴正转,转速 800转/分N02 T0101;调用1号刀具1号刀补N03 G00 X85 Z4 M08;快速到达G71循环点,开切削液N04 G71 U2 R1;外圆粗加工复合循环N05 G71 P6 Q10 U0 W0.2 F0.4;N06 G00 X2

27、5;指定形状开始N07 G01 Z0;N08 X60;N09 X70 Z-13.82;N10 Z-42.5;指定形状结束N11 G00 X100 Z200;快速退到换刀点N12 M03 S230;主轴正转,钻孔转速 230转/分N13 T0707;调用7号麻花钻头7号刀补N14 G00 X0 Z5;快速到达钻孔起点N15 G01 Z-45 F0.1;钻孔N16 G00 Z100;Z向退出钻头N17 G00 X100;快速退到换刀点N18 M03 S1000;主轴正转,车端面转速 1000转/分N19 T0505;调用5号孔车刀5号刀补N20 G00 X64 Z0;快速到达准备点N21 G01

28、X25 F0.15;车端面N22 G00 Z1;快速到达G71循环点N23 G71 U1 R1;孔粗加工复合循环N24 G71 P25 Q U-0.8 W0.1 F0.3;N25 G41 G00X48.62;指定形状开始,调用刀具半径左补偿N26 G01 Z0;N27 X44 Z-3;N28 Z-10;N29 X37.7;N30 X34.7 Z-11.5;N31 Z-31;N32 X34;N33 Z-37;N34 X25;指定形状结束N35 G70 P25 Q34 S1500 F0.15;孔精加工循环,设定精车转速和进给量N36 G40 G00 X100 Z100;快速退到换刀点,取消刀具半径

29、补偿N37 M03 S1000;主轴正转,车螺纹转速 1000转/分N38 T0606;调用6号螺纹车刀6号刀补N39 G00 X30 Z5;快速到达准备点N40 Z-7;快速到达G76循环点N41 G76 P010060 Q100 R0.1;螺纹切削复合循环N42 G76 X36 Z-30 P812 Q400 F1.5;N43 G00 Z100;Z向退出刀具N44 X100 Z250;快速退到换刀点N45 M05 M09;主轴停止,关冷却液N46 M30;程序结束343 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20的麻花钻头钻底孔；4用5号孔车刀粗、精车孔；5