数控机床的加工原理毕业论文-范本.doc

毕 业 论 文题 目 数控机床的加工原理 专 业 数控加工与维护工程 班 级 学 生 指导教师 西安工业大学函授部二 0 0 九 年摘 要一、零件的加工程序编写及校验 在数控机床上加工零件，不管数控机床使用的是何种操作系统，必须要有与数控机床相适应的数控加工程序。首先，学生根据教师给出的零件图自行编制加工程序。在编写加工程序的时候先分析零件图，根据零件图的技术要求来分析加工工艺路线，确定加工步骤，合理选择加工中每一道工序中要使用的刀具以及加工中的切削用量参数，并进行与数控加工程序相关的数学处理。在数学处理时会出现一些繁琐的坐标计算问题，为简化计算和缩短计算时间，我们让学生在计算机模拟房内利用AutoCAD软件先绘制零件图，再利用AutoCAD软件的查询命令予以解决并记下数据。通过工艺分析与数学计算，再根据所确定的工艺路线与零件加工步骤来编写程序。在编写完数控加工程序之后，利用数控机床制造商提供的配套数控仿真教学软件在计算机模拟室进行反复校验和仿真模拟，以检查程序的正确性，同时，对坐标数值、进给量、刀补值等参数进一步处理，以适应实际加工需要。 为什么要这样做呢？因为一般职业技术学校受经费等原因限制，数控机床数量较少，学生要同时上数控机床校验不太可能，况且时间拖得长不利于教学。另一方面，通过校验还可以使学生在数控机床操作之前熟悉数控加工软件的使用方法以及熟悉数控机床的操作面板，为下一步的数控机床操作打好基础。最后，教师对每个学生编制的加工程序做全面细致的审核，确定最终加工程序。教师审核的内容主要是程序结构的合理性、走刀线路、主轴转速、进给量、吃刀深度以及刀具的选择等，在审核的同时为学生提出建设性的修改意见，使学生知道为什么要这样修改，不改会造成什么后果，程序确定之后，及时将程序记下以备操作。 二、加工材料及刀具、夹具的准备 程序准备仅仅是第一步，程序校验通过以后，接下来就是加工材料及刀具和夹具的准备。这一步工作做得如何，将直接影响到数控操作的最终效果和学生的学习兴趣，因此要认真做好。 目前，职业技术学校供数控机床操作教学用的材料主要是铝材、尼龙棒、钢材、石蜡、硬木砧板等，选用的材料要能最大限度地满足数控操作教学的要求，同时要考虑经济性。根据我校的实际情况，我们选择铝和石蜡作为车床和铣床的加工材料。刀具的选择则要根据被加工材料的表面形状、材质等来选择，由于我们所选用的这些材料没有很高的硬度，故对刀具无特别要求，选用普通刀具即可。但在加工时由于零件的形状和技术要求不同，要选择不同类型的刀具来加工，例如加工三角形螺纹要选择三角螺纹车刀，加工圆弧则要选择圆弧到或者是尖刀来进行加工等，合理的选择加工刀具是加工好零件的基本保证。夹具的选择比较简单，如在数控车床上加工铝棒和石蜡棒，铝棒和石蜡棒直接由三爪自定心卡盘夹紧即可；而在铣床上加工时，只要按普通铣床的要求，用压板将铝或石蜡板固定在工作台上或机用平口钳夹紧就可以了，夹紧力的控制以在加工过程中工件不发生移动为宜。 但是在实际数控机床加工应用中，要综合考虑数控机床的技术要求、夹具的特点、工件材料的性能、加工工序、切削用量以及其他相关因素来正确选用刀具和夹具，而在学习过程中要求学生把石蜡材料看成是金属材料来进行加工，用加工金属材料的切削参数来加工石蜡材料，在加工过程中合理分配加工余量，将粗加工和精加工进行区分。通过以上做法，加工出的工件符合图纸要求，效果良好，达到了数控机床操作的目的。 三、数控机床的调整与对刀 数控加工程序编写完和零件材料准备好以及选择了恰当的刀具后，要对数控机床进行调整、润滑、检查等工作，确保数控机床的性能。然后再进行对刀，使数控机床上每一把刀具的刀位点在刀架转位后或换刀后，每把刀的刀位点的位置都重合在同一点。在对刀完成后即进行零件的试加工，以检验程序与对刀的精确性，如果试加工的零件的尺寸精度与形位公差不符合图纸要求，则要进行刀具偏差的微量修调，然后再进行试加工，一直到所加工的零件符合图纸要求。通过试加工以后，就可以对该零件进行批量加工了。一个数控加工的零件是否合格，数控机床的对刀起到关键的作用，也就是说所加工的零件是否合格的基本保证是对刀要准确。 四、安全教育工作 时时不忘安全，牢记安全第一的宗旨。针对机械加工的特点，在操作前进行安全教育是重要的。要求学生严格遵守数控实验室管理制度、数控机床安全操作规程。同时我们还以一些因违反操作规程而造成伤亡的典型案例来教育学生，要求学生在操作过程中要严肃、认真和细心，从而增强了学生的安全意识。在上机前我们还将数控机床操作步骤以讲义的形式分发给学生，要求学生细心领会和掌握，学生在数控机床操作过程中一定要按操作规程要求去做，确保不发生过安全事故。 关键词 数控机床、加工、刀具目 录第一章 数控机床加工原理1.1概述1.2对刀具的要求1.3切削用量的确定1.4刀具的几何补偿和磨损补偿1.5刀尖半径补偿1.6刀位点与刀尖方位1.7刀径补偿的引入（初次加载）1.8刀径补偿的取消（卸载）第二章 数控机床的分类2.1按加工工艺方法分类2.2按控制控制运动轨迹分类2.3按驱动装置的特点分类2.4按所用数控装置类型分类第三章 典型轴类零件的加工3.1零件图工艺分析3.2选择设备3.3确定零件的定位基准和装夹方式3.4确定加工顺序及进给路线3.5刀具选择3.6切削用量选择3.7零件精加工程序结束语致谢参考文献第一章 数控加工原理1.1概述当我们使用机床加工零件时，通常都需要对机床的各种动作进行控制，一是控制动作的先后次序，二是控制机床各运动部件的位移量。采用普通机床加工时，这种开车、停车、走刀、换向、主轴变速和开关切削液等操作都是由人工直接控制的。采用自动机床和仿形机床加工时，上述操作和运动参数则是通过设计好的凸轮、靠模和挡块等装置以模拟量的形式来控制的，它们虽能加工比较复杂的零件，且有一定的灵活性和通用性，但是零件的加工精度受凸轮、靠模制造精度的影响，而且工序准备时间也很长。 采用数控机床加工零件时，只需要将零件图形和工艺参数、加工步骤等以数字信息的形式，编成程序代码输入到机床控制系统中，再由其进行运算处理后转成驱动伺服机构的指令信号，从而控制机床各部件协调动作，自动地加工出零件来。当更换加工对象时，只需要重新编写程序代码，输入给机床，即可由数控装置代替人的大脑和双手的大部分功能，控制加工的全过程，制造出任意复杂的零件。数控机床的控制系统一般都能按照数字程序指令控制机床实现主轴自动启停、换向和变速，能自动控制进给速度、方向和加工路线，进行加工，能选择刀具并根据刀具尺寸调整吃刀量及行走轨迹，能完成加工中所需要的各种辅助动作。 12对刀具的要求数控车床能兼作粗、精加工。为使粗加工能以较大切削深度、较大进给速度地加工，要求粗车刀具强度高、耐用度好。精车首先是保证加工精度，所以要求刀具的精度高、耐用度好。为减少换刀时间和方便对刀，应可能多地采用机夹刀。数控车床还要求刀片耐用度的一致性好，以便于使用刀具寿命管理功能。在使用刀具寿命管理时，刀片耐用度的设定原则是以该批刀片中耐用度最低的刀片作为依据的。在这种情况下，刀片耐用度的一致性甚至比其平均寿命更重要。刀片可分为正型和负型两种基本类型。正型刀片：对于内轮廓加工，小型机床加工，工艺系统刚性较差和工件结构形状较复杂应优先选择正型刀片。负型刀片：对于外圆加工，金属切除率高和加工条件较差时应优先选择负型刀片 1.3切削用量的确定切削用量包括主轴转速(切削速度)、背吃刀量和进给量。对于不同的加工方法，需要选择不同的切削用量，并应编入程序单内。合理选择切削用量的原则是，粗加工时，一般以提高生产率为主，但也应考虑经济性和加工成本，通常选择较大的背吃刀量和进给量，采用较低的切削速度；半精加工和精加工时，应在保证加工质量的前提下，兼顾切削效率、经济性和加工成本，通常选择较小的背吃刀量和进给量，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。具体数值应根据机床说明书、切削用量手册并结合经验而定。(1) 背吃刀量阿ap(mm)，亦称切削深度。主要根据机床、夹具、刀具和工件的刚度来决定。在刚度允许的情况下，应以最少的进给次数切除加工余量，最好一次切除余量，以便提高生产效率。精加工时，则应着重考虑如何保证加工质量，并在此基础上尽量提高生产率。在数控机床上，精加工余量可小于普通机床，一般取(0.20.5) mm式中：vc切削速度，由刀具的耐用度决定；D工件或刀具直径(mm)。主轴转速n要根据计算值在机床说明书中选取标准值，并填入程序单中。(3) 进给量(进给速度)f(mm/min或mm/r)是数控机床切削用量中的重要参数，主要根据零件的加工精度和表面粗糙度要求以及刀具、工件材料性质选取。最大进给量则受机床刚度和进给系统的性能限制并与脉冲当量有关。当加工精度、表面粗糙度要求高时，进给速度(进给量)应选小些，一般在2050 mm/min范围内选取。粗加工时，为缩短切削时间，一般进给量就取得大些。工件材料较软时，可选用较大的进给量；反之，应选较小的进给量。 车、铣、钻等加工方式下的切削用量可参考下表选取。加工坐标系直径编程方式 进刀和退刀方式 数控车削加工包括内外圆柱面的车削加工、端面车削加工、钻孔加工、螺纹加工、复杂外形轮廓回转面的车削加工等，在分析了数控车床工艺装备和数控车床编程特点的基础上，下面将结合FANUC-0T数控系统讨论数控车床基本编程方法。 F功能指令用于控制切削进给量。在程序中，有两种使用方法每转进给量 编程格式 G95 F F后面的数字表示的是主轴每转进给量，单位为mm/r 例：G 95 F 0.2 表示进给量为 0.2 mm /r 每分钟进给量编程格式G94 FF后面的数字表示的是每分钟进给量，单位为mm/min例：G 94 F 100 表示进给量S功能指令用于控制主轴转速 S后面的数字表示主轴转速，单位为r/min。在具有恒线速功能的机床上，S功能指令还有如下作用：最高转速限制编程格式 G50 SS后面的数字表示的是最高转速：r/min例：G50 S3000 表示最高转速限制为3000r/min恒线速控制编程格式 G96 SS后面的数字表示的是恒定的线速度：m/min。例：G96 S150 表示切削线速度控制在 150 m /min。恒线速取消编程格式 G97 SS后面的数字表示恒线速度控制取消后的主轴转速，如S未指定，将保留G96的最终值。例：G97 S3000 表示恒线速控制取消后主轴转速3000 r/min为 100mm /min T功能指令用于选择加工所用刀具。编程格式TT后面通常有两位数表示所选择的刀具号码。但也有T后面用四位数字，前两位是刀具号，后两位是刀具长度补偿号，又是刀尖圆弧半径补偿号。 例：T0303表示选用3号刀及3号刀具长度补偿值和刀尖圆弧半径辅助功能字由M地址符及随后的两位数字组成，所以也称为M功能或M指令。它用来指令数控机床的辅助动作及其状态。 常用的M功能有：M00：程序暂停，可用NC启动命令（CYCLE START）使程序继续运行； M01：计划暂停，与M00作用相似，但M01可以用机床“任选停止按钮”选择是否有效； M03：主轴顺时针旋转； M04：主轴逆时针旋转； M05：主轴停止；M06：换刀 M08：冷却液开； M09：冷却液关； M30：程序停止，程序复位到起始位置。 补偿值。T0300 表示取消刀具补偿。 编程格式 G50 X Z 式中X、Z的值是起刀点相对于加工原点的位置，G50使用方法与G92类似。例：如图所示设置加工坐标的程序段如下： G50 X128.7 Z 375.1 G 00指令命令机床以最快速度运动到下一个目标位置，运动过程中有加速和减速，该指令对运动轨迹没有要求。其指令格式：G00 X(U)_ Z(W)_ 因为X轴和Z轴的进给速率不同，因此机床执行快速运动指令时两轴的合成运动轨迹不一定是直线，因此在使用G00指令时，一定要注意避免刀具和工件及夹具发生碰撞。如所示的定位指令如下：G50 X200.0 Z263.0G00 X40.0 Z212.0 或G00 U-160.0 W-51.0G00指令命令机床以最快速度运动到下一个目标位置，运动过程中有加速和减速，该指令对运动轨迹没有要求。其指令格式：G00 X(U)_ Z(W)_ 因为X轴和Z轴的进给速率不同，因此机床执行快速运动指令时两轴的合成运动轨迹不一定是直线，因此在使用G00指令时，一定要注意避免刀具和工件及夹具发生碰撞。如所示的定位指令如下：G50 X200.0 Z263.0G00 X40.0 Z212.0 或G00 U-160.0 W-51.0G01指令命令机床刀具以一定的进给速度从当前所在位置沿直线移动到指令给出的目标位置。指令格式：G01 X(U)_Z(W)_F；使用G01指令时可以采用绝对坐标编程，也可采用相对坐标编程。当采用绝对坐编程时，数控系统在接受G01指令后，刀具将移至坐标值为X、Z的点上；当采用相对坐编程时，刀具移至距当前点距离为U、W值的点上。如图所示的直线运动指令如下：G01 X40.0 Z20. F0.2;绝对值指令编程G01 U20.0 W -25.9 F 0.2;相对值指令编程圆弧插补指令命令刀具在指定平面内按给定的F进给速度作圆弧插补运动，用于加工圆弧轮廓。圆弧插补命令分为顺时针圆弧插补指令G02和逆时针圆弧插补指令G03两种。其指令格式如下：顺时针圆弧插补的指令格式：G02 X(U)_Z(W)_I_K_F_；G02 X(U)_Z(W)_R_ F_；逆时针圆弧插补的指令格式：G03 X(U)_Z(W)_ I_K_F_；G03 X(U)_Z(W)_R_ F_；使用圆弧插补指令，可以用绝对坐标编程，也可以用相对坐标编程。绝对坐标编程时，X、Z是圆弧终点坐标值；增量编程时，U、W是终点相对始点的距离。圆心位置的指定可以用R，也可以用I、K，R为圆弧半径值；I、K为圆心在X轴和Z轴上相对于圆弧起点的坐标增量; F为沿圆弧切线方向的进给率或进给速度。规定圆心角180时，用“+R”表示；180时，用“-R”。注意：R编程只适于非整圆的圆弧插补的情况，不适于整圆加工 如图所示的圆弧从起点到终点为顺时针方向，其走刀指令可编写如下：G02 X50.0 Z30.0 I 25.0 F 0.3；绝对坐标，直径编程，切削进给率 0.3mm /rG02 U20.0 W-20.0 I 25.0 F 0.3；相对坐标，直径编程，切削进给率 0.3mm /rG02 X 50. 0 Z30.0 R 25.0 F 0.3；绝对坐标，直径编程，切削进给率 0.3mm /rG02 U20.0 W-20.0 R 25.0 F 0.3；相对坐标，直径编程，切削进给率 0.3mm /r G04指令用于暂停进给。其指令格式是：G04 P_或G04 X(U)_ 暂停时间的长短可以通过地址X(U)或P来指定。其中P后面的数字为整数，单位是ms；X(U)后面的数字为带小数点的数，单位为s。有些机床，X(U)后面的数字表示刀具或工件空转的圈数。该指令可以使刀具作短时间的无进给光整加工，在车槽、钻镗孔时使用，也可用于拐角轨迹控制。例如，在车削环槽时，若进给结束立即退刀，其环槽外形为螺旋面，用暂停指令G04可以使工件空转几秒钟，即能将环形槽外形光整圆，例如欲空转2.5s时其程序段为： G04 X2.5或G04 U2.5或G04 P2500； G20表示英制输入 G21表示米制输入 G20和G21是两个可以互相取代的代码机床出厂前一般设定为G21状态，机床的各项参数均以米制单位设定。如果一个程序开始用G20指令，则表示程序中相关的一些数据均为英制(单位为英寸)。如果程序用G21指令，则表示程序中相关的一些数据均为米制(单位为mm)。在一个程序内，不能同时使用G20或G21指令，且必须在坐标系确定前指定。G20或G21指令断电前后一致，即停电前使用G20或G21指令，在下次后仍有效，除非重新设定。 在数控车削中有两种切削进给模式设置方法，即进给率(每转进给模式)和进给速度(每分钟进给模式)。1.4刀具的几何补偿和磨损补偿如图所示，刀具几何补偿是补偿刀具形状和刀具安装位置与编程时理想刀具或基准刀具的偏移的；刀具磨损补偿则是用于补偿当刀具使用磨损后刀具头部与原始尺寸的误差的。这些补偿数据通常是通过对刀后采集到的，而且必须将这些数据准确地储存到刀具数据库中，然后通过程序中的刀补代码来提取并执行。刀补指令用T代码表示。常用T代码格式为：T xx xx，即T后可跟4位数，其中前2位表示刀具号，后两位表示刀具补偿号。当补偿号为0或00时，表示不进行补偿或取消刀具补偿。有些系统 T代码格式为： T xx ，即T后可跟2位数，2位数既表示刀具号，同时表示刀具补偿号。 若设定刀具几何补偿和磨损补偿同时有效时，刀补量是两者的矢量和。若使用基准刀具，则其几何补偿位置补偿为零，刀补只有磨损补偿。在图示按基准刀尖编程的情况下，若还没有磨损补偿时，则只有几何位置补偿，?X=?Xj、?Z=?Zj；批量加工过程中出现刀具磨损后，则：?X=?Xj+?Xm、?Z=?Zj+?Zm；而当以刀架中心作参照点编程时，每把刀具的几何补偿便是其刀尖相对于刀架中心的偏置量。因而，第一把车刀：?X=?X1、?Z=?Z1；第二把车刀：?X=?X2、?Z=?Z3。 数控系统对刀具的补偿或取消刀补都是通过拖板的移动来实现的。对带自动换刀的车床而言，执行T指令时，将先让刀架转位，按前2位数字指定的刀具号选择好刀具后，再按后2位数字对应的刀补地址中刀具位置补偿值的大小来调整刀架拖板位置，实施刀具几何位置补偿和磨损补偿。T代码指令可单独作一行书写，也可跟在移动程序指令的后部。当一个程序行中，同时含有刀补指令和刀具移动指令时，是先执行T代码指令，后执行刀具移动指令。1.5刀尖半径补偿虽然采用尖角车刀对加工及编程都很方便，但由于刀头越尖就越容易磨损，并且当刀具太尖而进给速度又较大时，可明显地感觉出一般的轮廓车削将产生车螺纹的效果， 即使减小进给速度，也会影响到加工表面的粗糙度。为此，精车时常将车刀刀尖磨成圆弧过渡刃。采用这样的车刀车内、外圆和端面时，刀尖圆弧不影响加工尺寸和形状，但转角处的尖角肯定是无法车出的，并且在切削锥面或圆弧面时，会造成过切或少切，因此，有必要对此采用刀尖半径补偿来消除误差。如图所示，有刀尖存在时，对刀尖按轮廓线编程加工，即可以得到理想轮廓，不需要考虑刀补；而用圆弧头车刀时，若还按假想刀尖编程加工而又不考虑刀补，则实际切削得到的轮廓将产生误差，只有考虑刀补(人工考虑刀补量进行编程，即以偏移理想轮廓一个刀具半径的轨迹线计算)编程加工后，方可保证切削得到理想轮廓线。当然也可以按照轮廓轨迹编程，再在程序中适当位置加上刀补代码，让机床自动进行刀补。利用机床自动进行刀尖半径补偿时，需要使用G40、G41、G42指令。 当系统执行到含T代码的程序指令时，仅仅是从中取得了刀具补偿的寄存器地址号(其中包括刀具几何位置补偿和刀具半径大小)，此时并不会开始实施刀尖半径补偿。只有在程序中遇到G41、G42、G40指令时，才开始从刀库中提取数据并实施相应的刀径补偿。G41刀尖半径左补偿。沿着进给方向看，刀尖位置应在编程轨迹的左边。G42刀尖半径右补偿。沿着进给方向看，刀尖位置应在编程轨迹的右边，如图2-41所示。G40取消刀尖半径补偿。刀尖运动轨迹与编程轨迹一致。1.6刀位点与刀尖方位 刀位点即是刀具上用于作为编程相对基准的参照点。当执行没有刀补的程序时，刀位点正好走在编程轨迹上；而有刀补时，刀位点将可能行走在偏离于编程轨迹的位置上。按照试切对刀的情况看，对刀所获得的坐标数据就是刀尖的坐标，采用对刀仪，也基本上是按刀尖对刀的。而事实上，对于圆弧头车刀而言，这个刀尖是不存在的，是一个假想的刀尖点(如图 (a)中A点)。当然，也可通过测出刀尖圆弧半径值来推测出刀尖圆弧中心点(图 (a) 中B点)。编程时，通常就是用这样两个参照点来作为刀位点的，刀尖半径补偿也就是围绕这两种情况进行的。事实上，当采用A点编程补偿方式时，系统内部只对锥面及圆弧面计算刀补，而对车端面与车外圆则不进行刀补。当采用B点编程刀补方式时，则无论什么样的轮廓线都需要进行刀补运算。当然，对有刀补功能的车床来说，无论用哪种补偿方式，我们都只需要按零件最终得到的轮廓线进行编程，至于怎么具体地实施刀补，则是数控系统内部要做的事情。但对于没有刀补功能的车床来说，考虑如何刀补则是编程者必须要考虑的问题，只有正确的刀补编程才能得到准确的轮廓轨迹。虽然说只要采用刀径补偿，就可加工出准确的轨迹尺寸形状，但若使用了不合适的刀具，如左偏刀换成右偏刀，那么采用同样的刀补算法还能保证加工准确吗？肯定不行。为此，就引出了刀尖方位的概念。图 (b)所示为按假想刀尖方位以数字代码对应的各种刀具装夹放置的情况；如果以刀尖圆弧中心作为刀位点进行编程，则应选用0或9作为刀尖方位号，其他号都是以假想刀尖编程时采用的。只有在刀具数据库内按刀具实际放置情况设置相应的刀尖方位代码，才能保证对它进行正确的刀补；否则，将会出现不合要求的过切和少切现象。1.7刀径补偿的引入(初次加载) 由没有设定刀径补偿的运动轨迹到首次执行含G41、G42的程序段，即是刀尖半径补偿的引入过程。见图2-43，编程时书写格式为：G 40G 00(G01) . ；先取消以前可能加载的刀径补偿(如果 以前未用过G41或G42，则可以不写这一行)G41(G42) G01(G00) .Dxx；在要引入刀补的含坐标移 动的程序行前加上G41或G421.8刀径补偿的取消(卸载) 执行过刀径补偿G41或G42的指令后，刀补将持续对每一编程轨迹有效；若要取消刀补，则需要在某一编程轨迹的程序行前加上G40指令，或单独将G40作一程序行书写。注意：(1) 刀径补偿的引入和卸载不应在G02、G03圆弧轨迹程序行上实施。(2) 刀径补偿引入和卸载时，刀具位置的变化是一个渐变的过程。(3) 当输入刀补数据时给的是负值，则G41、G42互相转化。(4)G41、G42指令不要重复规定，否则会产生一种特殊的补偿第二章 数控机床的分类2.1按加工工艺方法分类 1金属切削类数控机床 与传统的车、铣、钻、磨、齿轮加工相对应的数控机床有数控车床、数控铣床、数控钻床、数控磨床、数控齿轮加工机床等。尽管这些数控机床在加工工艺方法上存在很大差别，具体的控制方式也各不相同，但机床的动作和运动都是数字化控制的，具有较高的生产率和自动化程度。 在普通数控机床加装一个刀库和换刀装置就成为数控加工中心机床。加工中心机床进一步提高了普通数控机床的自动化程度和生产效率。例如铣、镗、钻加工中心，它是在数控铣床基础上增加了一个容量较大的刀库和自动换刀装置形成的，工件一次装夹后，可以对箱体零件的四面甚至五面大部分加工工序进行铣、镗、钻、扩、铰以及攻螺纹等多工序加工，特别适合箱体类零件的加工。加工中心机床可以有效地避免由于工件多次安装造成的定位误差，减少了机床的台数和占地面积，缩短了辅助时间，大大提高了生产效率和加工质量。 2特种加工类数控机床 除了切削加工数控机床以外，数控技术也大量用于数控电火花线切割机床、数控电火花成型机床、数控等离子弧切割机床、数控火焰切割机床以及数控激光加工机床等。 3板材加工类数控机床 常见的应用于金属板材加工的数控机床有数控压力机、数控剪板机和数控折弯机等。 近年来，其它机械设备中也大量采用了数控技术，如数控多坐标测量机、自动绘图机及工业机器人等。 2.2按控制运动轨迹分类 1点位控制数控机床 位置的精确定位，在移动和定位过程中不进行任何加工。机床数控系统只控制行程终点的坐标值，不控制点与点之间的运动轨迹，因此几个坐标轴之间的运动无任何联系。可以几个坐标同时向目标点运动，也可以各个坐标单独依次运动。 这类数控机床主要有数控坐标镗床、数控钻床、数控冲床、数控点焊机等。点位控制数控机床的数控装置称为点位数控装置。 2直线控制数控机床 直线控制数控机床可控制刀具或工作台以适当的进给速度，沿着平行于坐标轴的方向进行直线移动和切削加工，进给速度根据切削条件可在一定范围内变化。 直线控制的简易数控车床，只有两个坐标轴，可加工阶梯轴。直线控制的数控铣床，有三个坐标轴，可用于平面的铣削加工。现代组合机床采用数控进给伺服系统，驱动动力头带有多轴箱的轴向进给进行钻镗加工，它也可算是一种直线控制数控机床。 数控镗铣床、加工中心等机床，它的各个坐标方向的进给运动的速度能在一定范围内进行调整，兼有点位和直线控制加工的功能，这类机床应该称为点位/直线控制的数控机床。 3轮廓控制数控机床 控制特点：连续、按一定联系、协调控制（联动）两个以上坐标轴任何时刻的运动位置、速度和方向，使刀具相对工件按要求的轮廓轨迹运动。也称连续控制或多坐标联动数控机床。平面轮廓加工的数控机床控制两个坐标轴联动，使刀具相对工件在某一坐标平面做平面曲线运动，从而加工由平面曲线组成的轮廓的零件。常用于车削回转曲面、铣削平面曲线轮廓零件（平面凸轮）。亦称两坐标联动数控机床。加工平面轮廓时，无论轮廓是什么曲线组成，常用小段直线来逼近曲线：以铣削平面轮廓为例，设当前铣刀回转中心在I/点，轮廓上的切削点为I，在单位时间内，数控系统控制刀具相对工件在X、Y两个坐标轴方向同时进给xI和yi产生合成直线位移Li，移到J点，从而在工件上加工出一小段直线IJ，逼近弧段IJ，如此连续控制X、Y轴的进给运动，便可加工出多段小直线组成的折线来逼近曲线轮廓。 这里，控制的关键是确定每个单位时间内的进给位移分量xI和yI，这是由插补运算和刀具半径补偿运算来完成的。运算条件：合成进给速度、单位时间长短、轮廓曲线方程、由刀具半径和加工裕量所决定的刀具中心偏移量。空间轮廓加工的数控机床加工空间轮廓，根据空间曲面形状、所用刀具、加工精度和粗糙度要求等的不同，使用不同的加工方法：两轴半联动、三轴联动、四轴联动、五轴联动。（1）两轴半联动加工对任何曲面，以平行于某坐标平面的平面连续剖分，得到一系列平面曲线。加工曲面时，采用球头铣刀，刀具中心在剖分坐标平面（X、Y、Z中的任意两轴）内作平面曲线的插补运动，第三轴作周期进给。就可加工出该曲面。称行切法。（2）三坐标联动加工三坐标联动，刀具作空间曲线插补运动。可加工空间曲线轮廓（回珠器滚道）。还可加工曲面轮廓。加工曲面时，也采用行切法。与两轴半不同的是，刀具作空间曲线插补运动，从而，使刀具在工件上切出的轨迹是平面曲线，切痕规则，容易得到低的表面粗糙度。（3）四坐标联动加工从理论上，有三轴联动，使用球头铣刀，可加工任意空间轮廓。但从加工效率和加工表面粗糙度考虑，对很多曲面，采用三坐标联动加工是不合适的，需要采用更多的坐标联动来加工。飞机大梁是一个直纹扭曲面。若采用圆柱铣刀周边切削方式，因是直纹，在加工中，使刀具与加工型面始终保持贴合，不仅加工表面光洁，而且效率高。为了实现这种加工方式，不仅要X、Y、Z三坐标联动控制刀具刀位点在空间的位置，而且要同时控制刀具绕刀位点的摆角，使刀具始终贴合工件，且还要补偿因摆角所引起的刀位点的改变。这就是四坐标联动加工。（4）五坐标联动加工对大型曲面轮廓，零件尺寸和曲率半径比较大，可用端面铣刀进行加工，以提高生产率和减少加工残留量。加工时，使铣刀端面与切削点的切平面重合（凸面）或与切平面成某一夹角（凹面，避免产生刀刃干涉）。这时，切削点的坐标和法线方向时不断变化的，那么，刀具的刀位点和轴线也要相应变化。故需要X、Y、Z和绕两个坐标的角度联动控制，即五坐标联动控制。三坐标以上联动的编程很复杂，需要使用自动编程系统来编制。轮廓控制数控机床能够对两个或两个以上运动的位移及速度进行连续相关的控制，使合成的平面或空间的运动轨迹能满足零件轮廓的要求。它不仅能控制机床移动部件的起点与终点坐标，而且能控制整个加工轮廓每一点的速度和位移，将工件加工成要求的轮廓形状。 常用的数控车床、数控铣床、数控磨床就是典型的轮廓控制数控机床。数控火焰切割机、电火花加工机床以及数控绘图机等也采用了轮廓控制系统。轮廓控制系统的结构要比点位/直线控系统更为复杂，在加工过程中需要不断进行插补运算，然后进行相应的速度与位移控制。 现在计算机数控装置的控制功能均由软件实现，增加轮廓控制功能不会带来成本的增加。因此，除少数专用控制系统外，现代计算机数控装置都具有轮廓控制功能。 2.3按驱动装置的特点分类 1开环控制数控机床 这类控制的数控机床是其控制系统没有位置检测元件，伺服驱动部件通常为反应式步进电动机或混合式伺服步进电动机。数控系统每发出一个进给指令，经驱动电路功率放大后，驱动步进电机旋转一个角度，再经过齿轮减速装置带动丝杠旋转，通过丝杠螺母机构转换为移动部件的直线位移。移动部件的移动速度与位移量是由输入脉冲的频率与脉冲数所决定的。此类数控机床的信息流是单向的，即进给脉冲发出去后，实际移动值不再反馈回来，所以称为开环控制数控机床。 开环控制系统的数控机床结构简单，成本较低。但是，系统对移动部件的实际位移量不进行监测，也不能进行误差校正。因此，步进电动机的失步、步距角误差、齿轮与丝杠等传动误差都将影响被加工零件的精度。开环控制系统仅适用于加工精度要求不很高的中小型数控机床，特别是简易经济型数控机床。 2闭环控制数控机床 接对工作台的实际位移进行检测，将测量的实际位移值反馈到数控装置中，与输入的指令位移值进行比较，用差值对机床进行控制，使移动部件按照实际需要的位移量运动，最终实现移动部件的精确运动和定位。从理论上讲，闭环系统的运动精度主要取决于检测装置的检测精度，也与传动链的误差无关，因此其控制精度高。图1-3所示的为闭环控制数控机床的系统框图。图中A为速度传感器、C为直线位移传感器。当位移指令值发送到位置比较电路时，若工作台没有移动，则没有反馈量，指令值使得伺服电动机转动，通过A将速度反馈信号送到速度控制电路，通过C将工作台实际位移量反馈回去，在位置比较电路中与位移指令值相比较，用比较后得到的差值进行位置控制，直至差值为零时为止。这类控制的数控机床，因把机床工作台纳入了控制环节，故称为闭环控制数控机床。 闭环控制数控机床的定位精度高，但调试和维修都较困难，系统复杂，成本高。 3半闭环控制数控机床 半闭环控制数控机床是在伺服电动机的轴或数控机床的传动丝杠上装有角位移电流检测装置（如光电编码器等），通过检测丝杠的转角间接地检测移动部件的实际位移，然后反馈到数控装置中去，并对误差进行修正。通过测速元件A和光电编码盘B可间接检测出伺服电动机的转速，从而推算出工作台的实际位移量，将此值与指令值进行比较，用差值来实现控制。由于工作台没有包括在控制回路中，因而称为半闭环控制数控机床。 半闭环控制数控系统的调试比较方便，并且具有很好的稳定性。目前大多将角度检测装置和伺服电动机设计成一体，这样，使结构更加紧凑。 4混合控制数控机床 将以上三类数控机床的特点结合起来，就形成了混合控制数控机床。混合控制数控机床特别适用于大型或重型数控机床，因为大型或重型数控机床需要较高的进给速度与相当高的精度，其传动链惯量与力矩大，如果只采用全闭环控制，机床传动链和工作台全部置于控制闭环中，闭环调试比较复杂。混合控制系统又分为两种形式： （1）开环补偿型。它的基本控制选用步进电动机的开环伺服机构，另外附加一个校正电路。用装在工作台的直线位移测量元件的反馈信号校正机械系统的误差。 （2）半闭环补偿型。它是用半闭环控制方式取得高精度控制，再用装在工作台上的直线位移测量元件实现全闭环修正，以获得高速度与高精度的统一。其中A是速度测量元件（如测速发电机），B是角度测量元件，C是直线位移测量元件。2.4按所用数控装置类型分类 1 .硬线数控(NC)机床使用硬线数控系统。它的输入处理、插补运算和控制功能，都是由专用的固定组合逻辑电路来实现。不同功能的数控机床，组合逻辑电路也不同。因而改变或增减控制和运算功能时，需要改变硬件电路。故通用性、灵活性差，制造周期长，成本高。2. 计算机数控(CNC)机床使用计算机数控装置（软线数控装置）。硬件电路由小型或微型计算机、加上通用或专用的大规模集成电路组成。输入处理、插补运算等主要数控功能几乎全部由系统软件来实现。不同功能的机床只是系统软件不同。修改或增减功能，不需变动硬件电路，只需改变系统软件。因此，具有较高的灵活性，而且，由于硬件基本上通用，有利于大量生产提高质量和可靠性，缩短制造周期和降低成本。 第三章 典型轴类零件的加工3.1零件图工艺分析典型轴类零件如图1所示，零件材料为45钢，无热处理和硬度要求，试对该零件进行数控车削工艺分析。图1 典型轴类零件该零件表面由圆柱、圆锥、顺圆弧、逆圆弧及螺纹等表面组成。其中多个直径尺寸有较严的尺寸精