刀芯轴数控车削加工工艺及编程设计说明书Word下载.docx
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3.1数控编程的定义...................................................21
3.2数控编程的分类...................................................22
3.2.1编程方法的选择...............................................24
3.3数控编程原点的确定...............................................26
3.4数控加工程序清单.................................................27
致谢..........................................................28
参考文献......................................................29
附录..........................................................30
1绪论
1.1数控机床的介绍
数字控制(NumericalControl,简称NC)技术是近代发展起来的一种用数字化信息进行控制的自动控制技术,在机床领域具体指的是用数字化信号对机床运动及加工过程进行控制的一种方法。
定义中的“机床”不仅指金属切削机床,还包括其他各类机床,如线切割机床,三坐标测量机等。
数控系统(NCSystem)是指采用数字控制技术的控制系统。
这种控制系统,能自动阅读输入载体上预先给定的数字值和指令,并将其译码,处理,从而自动的控制机床进给运动进行零件加工。
装备了数控系统的机床称为数控机床。
数控机床(NCMachineTools)又称CNC机床,数字化信息实现机床控制的机电一体化产品。
它能利用数字化信息(指令,代码)对机床的进给运动和加工过程进行控制,即把刀具和工件之间的相对位置,机床电动机的启动和停止,主轴变速,刀具的选择,工件的夹紧松开,冷却电动机的开关等各种操作和顺序动作等信息用代码化的数字信息送入数控装置,经过译码,运算,发出各种指令控制机床伺服系统或其他执行元件,使机床自动加工出所需要的工件。
1.1.1数控机床的产生和发展
(1)产生
①机械产品的自身要求
②单件、多品种小批量零件约占80%以上
(2)发展
1952年美国Parsons公司和MIT三坐标数控立铣床
1955年数控机床进入实用化阶段-复杂曲面加工
数控系统采用电子管元件-电子管时代
1959年采用晶体管和印制板电路-第二代数控系统
1965年出现小规模集成电路-第三代数控系统
1970年出现小型计算机代替专用硬接线装置
——第四代数控系统(CNC系统)
1974年以微处理为核心的数控系统
——第五代数控系统(MNC系统)
(3)我国
1958年起步
20世纪60年代末70年代初—研制出一些晶体管式数控系统
20世纪80年代初
1985年进入实用阶段
1986—1990年数控机床大发展时期
1991年300多种
1.1.2数控技术发展趋势
1)高可靠性
①提高元器件和系统的可靠性
②采用抗干扰技术,提高数控系统对环境的适应能力
③使数控系统模块化、通用化和标准化
④提高自诊断及保护功能
2)高柔性化
柔性:
指机床适应加工对象变化的能力
3)高精度化
①利用数控系统的补偿功能
②采用高分辨率,高响应性的绝对位置传感技术
③提高数控机床机械本体中基础大件的结构刚性和热稳定性
4)高速度化
①机械方面:
提高切削速度和减少辅助时间
②数控系统:
CPU
5)复合化
①工序复合化
②功能复合化
6)制造系统自动化
1.1.3数控机床的组成
数控机床的基本组成包括加工程序载体、数控装置、伺服驱动装置、机床主体和其他辅助装置。
下面分别对各组成部分的基本工作原理进行概要说明。
加工程序载体数控机床工作时,不需要工人直接去操作机床,要对数控机床进行控制,必须编制加工程序。
零件加工程序中,包括机床上刀具和工件的相对运动轨迹、工艺参数(进给量主轴转速等)和辅助运动等。
将零件加工程序用一定的格式和代码,存储在一种程序载体上,如穿孔纸带、盒式磁带、软磁盘等,通过数控机床的输入装置,将程序信息输入到CNC单元。
数控装置数控装置是数控机床的核心。
现代数控装置均采用CNC(ComputerNumericalControl)形式,这种CNC装置一般使用多个微处理器,以程序化的软件形式实现数控功能,因此又称软件数控(SoftwareNC)。
CNC系统是一种位置控制系统,它是根据输入数据插补出理想的运动轨迹,然后输出到执行部件加工出所需要的零件。
因此,数控装置主要由输入、处理和输出三个基本部分构成。
而所有这些工作都由计算机的系统程序进行合理地组织,使整个系统协调地进行工作。
1)输入装置:
将数控指令输入给数控装置,根据程序载体的不同,相应有不同的输入装置。
主要有键盘输入、磁盘输入、CAD/CAM系统直接通信方式输入和连接上级计算机的DNC(直接数控)输入,现仍有不少系统还保留有光电阅读机的纸带输入形式。
(1)纸带输入方式。
可用纸带光电阅读机读入零件程序,直接控制机床运动,也可以将纸带内容读入存储器,用存储器中储存的零件程序控制机床运动。
(2)MDI手动数据输入方式。
操作者可利用操作面板上的键盘输入加工程序的指令,它适用于比较短的程序。
在控制装置编辑状态(EDIT)下,用软件输入加工程序,并存入控制装置的存储器中,这种输入方法可重复使用程序。
一般手工编程均采用这种方法。
在具有会话编程功能的数控装置上,可按照显示器上提示的问题,选择不同的菜单,用人机对话的方法,输入有关的尺寸数字,就可自动生成加工程序。
(3)采用DNC直接数控输入方式。
把零件程序保存在上级计算机中,CNC系统一边加工一边接收来自计算机的后续程序段。
DNC方式多用于采用CAD/CAM软件设计的复杂工件并直接生成零件程序的情况。
2)信息处理:
输入装置将加工信息传给CNC单元,编译成计算机能识别的信不同类型的数控机床(13张)息,由信息处理部分按照控制程序的规定,逐步存储并进行处理后,通过输出单元发出位置和速度指令给伺服系统和主运动控制部分。
CNC系统的输入数据包括:
零件的轮廓信息(起点、终点、直线、圆弧等)、加工速度及其他辅助加工信息(如换刀、变速、冷却液开关等),数据处理的目的是完成插补运算前的准备工作。
数据处理程序还包括刀具半径补偿、速度计算及辅助功能的处理等。
3)输出装置:
输出装置与伺服机构相联。
输出装置根据控制器的命令接受运算器的输出脉冲,并把它送到各坐标的伺服控制系统,经过功率放大,驱动伺服系统,从而控制机床按规定要求运动。
伺服与测量反馈系统伺服系统是数控机床的重要组成部分,用于实现数控机床的进给伺服控制和主轴伺服控制。
伺服系统的作用是把接受来自数控装置的指令信息,经功率放大、整形处理后,转换成机床执行部件的直线位移或角位移运动。
由于伺服系统是数控机床的最后环节,其性能将直接影响数控机床的精度和速度等技术指标,因此,对数控机床的伺服驱动装置,要求具有良好的快速反应性能,准确而灵敏地跟踪数控装置发出的数字指令信号,并能忠实地执行来自数控装置的指令,提高系统的动态跟随特性和静态跟踪精度。
伺服系统包括驱动装置和执行机构两大部分。
驱动装置由主轴驱动单元、进给驱动单元和主轴伺服电动机、进给伺服电动机组成。
步进电动机、直流伺服电动机和交流伺服电动机是常用的驱动装置。
测量元件将数控机床各坐标轴的实际位移值检测出来并经反馈系统输入到机床的数控装置中,数控装置对反馈回来的实际位移值与指令值进行比较,并向伺服系统输出达到设定值所需的位移量指令。
机床主体机床主机是数控机床的主体。
它包括床身、底座、立柱、横梁、滑座、工作台、主轴箱、进给机构、刀架及自动换刀装置等机械部件。
它是在数控机床上自动地完成各种切削加工的机械部分。
与传统的机床相比,数控机床主体具有如下结构特点:
1)采用具有高刚度、高抗震性及较小热变形的机床新结构。
通常用提高结构系统的静刚度、增加阻尼、调整结构件质量和固有频率等方法来提高机床主机的刚度和抗震性,使机床主体能适应数控机床连续自动地进行切削加工的需要。
采取改善机床结构布局、减少发热、控制温升及采用热位移补偿等措施,可减少热变形对机床主机的影响。
2)广泛采用高性能的主轴伺服驱动和进给伺服驱动装置,使数控机床的传动链缩短,简化了机床机械传动系统的结构。
3)采用高传动效率、高精度、无间隙的传动装置和运动部件,如滚珠丝杠螺母副、塑料滑动导轨、直线滚动导轨、静压导轨等。
数控机床辅助装置辅助装置是保证充分发挥数控机床功能所必需的配套装置,常用的辅助装置包括:
气动、液压装置,排屑装置,冷却、润滑装置,回转工作台和数控分度头,防护,照明等各种辅助装置。
1.1.4数控加工的介绍
1.1.4.1数控加工过程
与传统加工比较,数控加工与普通机床加工方法与内容上有许多相似之处,不同点主要表现在控制方式上。
以机械加工为例,用普通机床加工零件时,工序的安排、机床运动的先后次序、走刀线路及有关切削参数的选择等,都是由操作者自行考虑和确定的,而且是用手工操作方式来进行控制的。
操作者总是根据零件和工序卡的要求,在加工过程中不断改变刀具与工件的相对运动轨迹和加工参数(位置、速度等),使刀具对工件进行切削加工,从而得到所需要的合格零件。
如果采用自动车床,仿形车床和仿形铣床加工,虽然也能达到对加工过程的自动控制目的,但其控制是通过预先配置的凸轮、挡块及靠模来实现的。
而在CNC机床上,传统的人工操作均被数控系统的自动控制所取代。
其工作过程是:
首先要将被加工的零件图上的几何信息和工艺信息数字化,即将刀具与工件的相对运动轨迹、加工过程中主轴速度和进给速度的变换、冷却液的开关、工件和刀具的交换等控制和操作,按规定的代码和格式编成加工程序,然后将该程序送入数控系统。
数控系统则按照程序的要求,先进行相应的运算、处理,然后发出控制命令,使各坐标轴、主轴以及辅助动作相互协调,实现刀具与工件的相对运动,自动完成零件的加工。
1.1.4.2数控加工中的数据转换过程
CNC系统的数据转换过程如图所示
(1)译码
译码程序的主要功能就是将用文本格式(通常用ASC
码)表达的零件加工程序,以程序段为单位转换成刀补处理程序所需要的数据结构(格式),该数据结构用来描述一个程序段解释后的数据信息。
它主要包括:
X、Y、Z等坐标值,进给速度,主轴转速,G代码,M代码,刀具号,子程序处理和循环调用处理等数据或标志的存放顺序和格式。
(2)刀补处理(计算刀具中心轨迹)
为方便编程,零件加工程序通常是按零件轮廓或按工艺要求设计的进给路线编制的,而数控机床在加工过程中控制的是刀具中心(准确地说是刀位点)轨迹因此在加工前必须将编程轨迹变换成刀具中心的轨迹。
刀补处理就是完成这种转换的处理程序
(3)插补计算
数控编程提供了刀具运动的起点、终点和运动轨迹,而刀具怎么从起点沿运动轨迹走向终点则由数控系统的插补装置或插补软件来控制。
该程序以系统规定的插补周期
定时运行,它将由各种线性(直线、圆弧等)组成的零件轮廓,按程序给定的进给速度F,实时计算出各个进给轴在
内的位移指令(
),并送给进给伺服系统,实现成形运动。
(4)PLC控制
CNC系统对机床的控制分为对各坐标轴的速度和位置的“轨迹控制”和对机床动作的“顺序控制”或称“逻辑控制”。
后者是指在数控机床运行过程中,以CNC内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,并按预先规定的逻辑关系对诸如主轴的起停、换向,刀具的更换,工件的夹紧、松开,液压、冷却、润滑系统的运行等进行控制,PLC控制就是实现上述功能的模块
通过所述,数控机床加工原理就是讲预先编好的加工程序以数据的形式输入数控系统,数控系统通过译码、刀补处理、插补计算等数据处理和PLC协调控制,最终实现零件的自动化加工。
1.1.5数控机床的特点
与通用机床和专用机床相比,数控机床具有以下主要特点:
1)加工精度高,质量稳定,现在一般的数控机床的精度都能达到0.001mm
2)能完成普通机床难以完成的加工或根本不能加工的复杂零件的加工。
3)生产效率高,数控机床的主轴转速,进给速度和快速定位速度高,通过合理选择切削参数,可充分发挥刀具的切削性能,减少切削时间,不仅加工过程稳定,而且能保证加工效果的高精度。
而且不需要在加工过程中进行测量检查,就能连续的完成整个加工过程,减少辅助动作时间和停机时间
4)柔性高,通用性强
5)有利于制造技术向综合自动化方向发展。
数控机床是机械加工自动化的基础设备之一,当今以数控机床为基础建立起来的FMC,FMS,CIMS等综合自动化系统使机械制造的集成化,自动化和智能化得以逐步实现。
6)功能丰富。
CNC系统不仅能控制机床的运动,而且还对机床进行全面的监控,自诊断报警,通信管理等。
7)减少人工劳动强度,改善劳动条件,实现一人多机操作
8)不足:
初期投资大,维修维护难度大,同时对操作人员的技术水平要求较高。
1.1.6数控机床的特点与分类
1.1.6.1按工艺用途分类
(1)普通数控机床
为了不同的工艺需要,与传统的通用机床一样,有数控车、铣、钻、磨及镗床等,而且每一类都有好多品种。
这类机床的工艺性能与通用机床相似,所不同的是它们能自动的加工精度较高、形状更复杂的零件。
(2)数控加工中心
数控加工中心是带有刀库和自动换刀装置的数控机床。
典型的机床有镗铣加工中心和车削加工中心。
(3)多坐标数控机床
有些复杂形状的零件,用三坐标数控机床无法完成加工,需要三个以上的坐标的合成运动才能加工出来所需要的曲面形状,于是出现多坐标联动的数控机床,其特点是数控装置同时控制多坐标的联动,现在常用的有4、5、6坐标联动的数控机床。
(4)数控特种加工机床
包括数控电火花加工机床、数控线切割机床、数控激光切割机床。
1.1.6.2按控制运动的方式分类
(1)点位控制数控机床:
它是指能控制刀具相对于工件的精确定位控制系统,而在相对运动的过程中不能进行任何加工。
通过采用分级或连续降速,低速趋近目标点,来减少运动部件的惯性过冲而引起的定位误差。
(2)直线控制数控机床:
它是指控制机床工作台或刀具以要求的进给速度,沿平行于某一坐标轴或两轴的方向进行直线或斜线移动和切削加工的机床。
这类数控机床要要求具有准确的定位功能和控制位移的速度,而且也要偶刀具半径和长度的补偿功能以及主轴转速控制的功能。
现代组合机床也算是一种直线运动控制数控机床。
(3)轮廓控制的数控机床:
它是指能实现两轴或两轴以上的联动加工,而且对各坐标的位移和速度进行严格的不间断控制,具有这种控制功能的数控机床。
现代数控机床大多数有两坐标或以上联动控制、刀具半径和长度补偿等等功能。
按联动轴数也可分两轴联动、两轴半、三轴、四轴、五轴联动等。
随着制造技术的发展,多坐标联动控制也越来普遍。
1.1.6.3按进给伺服系统类型分类
由数控装置发出脉冲或电压信号,通过伺服系统控制机床各运动部件运动。
数控机床按进给伺服系统控制方式分类有三种形式:
开环控制系统、闭环控制系统和半闭环控制系统。
(1)开环数控机床这种控制系统采用步进电机,无位置测量元件,输入数据经过数控系统运算,输出指令脉冲控制步进电机工作,如图1-1所示,这种控制方式对执行机构不检测,无反馈控制信号,因此称之为开环控制系统。
开环控制系统的设备成本低,调试方便,操作简单,但控制精度低,工作速度受到步进电机的限制。
图1-1开环控制系统
(2)闭环数控机床这种控制系统绝大多数采用伺服电机,有位置测量元件和位置比较电路。
如图1-2所示,测量元件安装在工作台上,测出工作台的实际位移值反馈给数控装置。
位置比较电路将测量元件反馈的工作台实际位移值与指令的位移值相比较,用比较的误差值控制伺服电机工作,直至到达实际位置,误差值消除,此称之为闭环控制。
闭环控制系统的控制精度高,但要求机床的刚性好,对机床的加工、装配要求高,调试较复杂,而且设备的成本高。
图1-2闭环控制系统
(3)半闭环数控机床(图1-3)这种控制系统的位置测量元件不是测量工作台的实际位置,而是测量伺服电机的转角,经过推算得出工作台位移值,反馈至位置比较电路,与指令中的位移值相比较,用比较的误差值控制伺服电机工作。
这种用推算方法间接测量工作台位移,不能补偿数控机床传动链零件的误差,因此称之为半闭环控制系统。
半闭环控制系统的控制精度高于开环控制系统,调试比闭环控制系统容易,设备的成本介于开环与闭环控制系统之间。
图1-3半闭环控制系统
1.1.6.4按数控系统的功能水平分类
将机床分为高、中、低挡(经济型)数控机床见下表
功能
抵挡
中档
高档
分辨率
10
1
0.1
进给速度
8
15
24
100
驱动轴数(轴)
开环
半闭环或闭环直流或交流伺服系统
通信功能
2
3
4
5
显示功能
一般无
RS-232或DNC接口
可有MAP通信接口,有联网能力
内装PLC
无
有
有较强的PLC
主CPU
8位、16位
32位或32位以上的多CPU
1.2.数控编程
数控机床和普通机床不同,整个加工过程中不需要人的操作,而由程序来进行控制。
在数控机床加工零件时,首先要分析零件图样的要求、确定合理的加工路线及工艺参数、计算刀具中心运动轨迹及其位置数据;
然后然后把全部工艺过程以及其他辅助功能(主轴的正转与反转、切削液的开关、变速。
换刀等)按运动顺序,用规定的指令代码及程序格式编制成数控加工程序,经过调试后记录在控制介质(或称程序载体)上;
最后输入到数控机床的数控装置中,以此控制数控机床完成工件的全部加工过程。
因此,把从分析零件图样开始到获得正确的程序载体为止的全部过程为零件加工程序的编制。
数控编程一般分为手工编程和自动编程两种
1.2.1手工编程
手工编程是指程序编制的整个步骤几乎全部是由人工完成的。
对于几何形状不太复杂的零件,所需要的加工程序不长,计算也比较简单,出错机会较少,这时用手工编程即及时又经济,因而手工编程仍被广泛的应用于形状简单的点位加工及平面轮廓加工中。
但是工件轮廓复杂,特别是加工非圆弧曲线、曲面等平面,或工件加工程序较长时,使用手工编程将十分繁琐、费时,而且容易出错,常会出现手工编程工作跟不上数控机床的加工情况,影响数控机床的开动率。
此时必须用自动编程的方法编制程序。
1.2.2自动编程
自动编程有两种:
APT软件编程和CAM软件编程
APT软件是利用计算机和相应的处理程序、后置处理程序对零件源程序进行处理,以得到加工程序的编程方法。
在具体的编程过程中,除拟定工艺方案仍主要依靠人工进行外(有些自动编程系统能确定最佳的加工工艺参数),其余的工作,包括数值计算、编写程序单、制作数控介质、程序检验等各项工作均有计算机自动完成。
编程人员只需要根据图样的要求,使用数控语言编写出零件加工的源程序,送入计算机,由计算机自动地进行数值计算、后置处理,编写出零件加工程序单,并在屏幕模拟显示加工过程,及时修改,将加工程序通过直接通信的方式送入数控机床,指挥机床工作。
CAM软件是将加工零件以图形的形式输入计算机,有计算机自动进行数值计算、前置处理,在屏幕上形成加工轨迹,及时修改,再通过后置处理形成加工程序输入数控机床进行加工。
自动编程的出现使得一些计算繁琐、手工编程困难、或手工无法编出的程序都能够实现。
2主轴零件加工工艺设计
2.1刀芯轴零件的分析
如图所示的是刀芯轴零件的图纸,零件图纸是二维零件图,试制定出刀芯轴的加工工艺方案,编制其数控加工程序,并列出部分关键加工部位程序清单。
图1.1刀芯轴的零件图
2.2零件的尺寸标注分析
零件图上的尺寸是制造、检验零件的重要依据,生产中要求零件图中的尺寸不允许有任何差错。
在零件图上标注尺寸,除要求正确、完整和清晰外,还应考虑合理性,既要满足设计要求,又要便于加工、测量。
关于尺寸标注主要包括功能尺寸、非功能尺寸、公称尺寸、基本尺寸、参考尺寸、重复尺寸等等。
该零件图说标注的尺寸均完整,符合国家要求,位置准确,表达清楚。
2.3零件的几何要素分析
从图分析得知,该零件的结构主要由圆柱面、圆锥面、螺纹孔、内孔等特征组成,这些特征在普通车床上难以完成,需要在数控车上加工。
2.4零件的技术要求分析
该零件的尺寸精度要求有:
尺寸
的尺寸精度等级为IT7级、尺寸Ф25的尺寸精度等级为IT12级、外圆尺寸Ф68的尺寸精度等级为IT12级、内螺纹尺寸M32X2的尺寸精度等级为IT9级、尺寸φ34
的尺寸精度等级为IT7级,其余未注尺寸精度公差按IT12进行控制。
各轴段的位置精度有:
161
的精度为IT6级、96+0.2的精度等级为IT7级、其余等级按IT12等级进行控制。
表面粗糙
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