毕业设计---基于FANUC oi-MD系统加工中心的典型零件分析.doc

毕毕 业业 设设 计计 题题 目：目：压印机零件的数控加工压印机零件的数控加工 专专 业：业：数控技术应用数控技术应用 班班 级：级： 学生姓名：学生姓名： 指导教师：指导教师： 20102010 年年 1111 月月 摘摘 要要 此次毕业设计基于 fanuc oi-md 系统加工中心的典型零件分析，编程与加工。 数控机床以其卓越的柔性自动化的性能、优异而稳定的精度、灵捷而多样化的功能引 起世人瞩目，因此数控技术成为先进制造技术中的一项核心技术。通过本次毕业设计将对 数控机床的发展，现状和前景进行全面的分析。切实的将理论与实践相结合，利用加工中 心对压印机典型零件进行加工。并将零件从毛坯到加工成型的过程进行分析最终实现各机 构间的灵活运作。 本次毕业设计主要介绍的是压印机机构的其中两个典型零件的加工工艺过程及方法， 对其基本结构、加工表面、毛坯材料、整个零件的加工工艺过程、程序的编制等方面着手 分析。通过实例介绍数控机床加工工件的相关过程。 关键词：关键词：数控系统， 配合零件，零件结构，加工工艺 1 目目 录录 摘要 第 1 章 绪 论 .1 1.1 什么是数控机床1 1.2 数控机床的发展概述1 1.2.1 数控机床的产生1 1.2.2 数控机床的发展历程2 1.2.3 我国数控机床的发展概况2 1.3 数控系统的发展3 1.3.1 电子元件技术的发展.3 1.3.2 软件的应用.3 1.3.3 数控标准的引入3 1.4 数控机床的分类特点和适用范围4 1.4.1 数控机床的分类特点.4 1.4.2 数控机床的适用范围7 1.5 课题研究的意义7 1.6 本课题目前的现状8 1.6.1 国内形势.8 1.6.2 国外形势.8 1.6.3 国内与国外发展差距.9 1.7 课题预期达到的目标9 1.8 可行性分析9 1.8.1 理论方面.9 1.8.2 操作方面.10 第 2 章 数控加工设备及系统 .10 2.1 数控加工设备10 2.1.1 加工中心10 2.1.2 加工中心构成10 2.1.3 数控车床11 2.2 数控系统12 2.2.1 华中“世纪星”系统12 2.2.2 fanuc 系统 .13 2.3 fanuc-0i系统机床中常用的 g、m 代码.14 2.3.1 功能字 g 代码.14 2.3.2 功能字 m 代码 15 第 3 章 零件的工艺分析及加工 .17 3.1 零件结构分析17 3.1.1 压印机总装图17 3.1.2 零件 1-底座18 3.1.3 零件 2-立柱19 3.1.4 零件结构组成分析20 2 3.1.5 尺寸公差及保证方法20 3.1.6 零件重点难点分析20 3.2 零件的工艺分析20 3.3 刀具清单21 3.4 程序编辑22 3.4.1 零件 1 的加工程序22 3.4.2 零件 2 的加工程序24 总 结 .26 参考文献 .27 1 第第 1 章章 绪绪 论论 1.11.1 什么是数控机床什么是数控机床 数字控制机床(numerical control machine tools)简称数控机床，这是一种将数字计算 技术应用于机床的控制技术。它把机械加工过程中的各种控制信息用代码化的数字表示， 通过信息载体输入数控装置。经运算处理由数控装置发出各种控制信号，控制机床的动作， 按图纸要求的形状和尺寸，自动地将零件加工出来。数控机床较好地解决了复杂、精密、 小批量、多品种的零件加工问题，是一种柔性的、高效能的自动化机床，代表了现代机床 控制技术的发展方向，是一种典型的机电一体化产品。 1.21.2 数控机床的发展概述数控机床的发展概述 1.2.1 数控机床的产生数控机床的产生 随着生产和科学技术的不断发展，机械产品的结构日趋复杂，对各种产品的性能、质 量、生产率和成本的要求也越来越高。因此，对机械产品生产设备机床，也相应地提 出了高效率、高精度和高自动化的要求。据统计，单件、小批量零件的生产占整体机械加 工零件的 80左右，相应地，生产设备还要适合产品更新换代快、品种多、质量和生产率 高、成本低的要求。由于一般采用的通用机床自动化程度不高，基本上是人工操作，难以 提高生产效率和保证产品质量。特别是一些由曲线、曲面组成的复杂零件，只能借助划线 和样板用手工操作的方法来加工，或者利用靠模和仿型机床来加工，其加工精度和生产效 率都受到了很大的限制。为了解决这些难题，一种灵活、通用、高精度、高效率的自动化 生产设备数控机床就产生了。 最早的利用数字控制技术控制机床进行机械加工的想法，是为了解决复杂型面零件加 工，实现其过程的自动化而产生的。在 20 世纪 40 年代，汽车、飞机和导弹制造工业发展 迅速，原来的加工设备已无法承担复杂型面零件的加工。1984 年，美国密歇根州（state of michigan）的帕森斯（parsons）公司在制造飞机框架及直升机叶片轮廓时，首先提出 了采用电子计算机控制机床来加工样板曲线的设想，并利用计算机对叶片轮廓的加工路径 进行了数据处理，提高了加工精度。1952 年，帕森斯公司与麻省理工学院（mit）伺服机 构研究所合作进行研制工作，成功试制了第一台三坐标立式数控铣床。经过三年的改进， 数控机床于 1955 年进入实用化阶段，在复杂曲面的加工方面起到了重要的作用。 2 1.2.2 数控机床的发展历程数控机床的发展历程 自第一台数控机床的诞生的半个多世纪以来，伴随着数控元器件的发展和计算机技术 的不断进步，数控机床总共经历了六代的发展。 1952 年，美国麻省理工学院研制出的三坐标联动、利用脉冲乘法器原理的试验性数字 控制系统是数控机床最早的一代产品。 1959 年，电子行业研制出晶体管元器件，因而数控系统中广泛采用晶体管和印制电路 板技术，成为晶体管数控机床，跨入了数控机床的第二代。 1960 年，小规模集成电路出现，由于其体积小、功耗低，使数控系统的可靠性进一步 增强，所以被广泛的应用到数控机床上，这一代的数控机床被称为集成电路数控机床。 在以上三代数控机床时期，早期计算机的运算速度比较低，这对当时的科学计算和数 据处理影响还不大，但不能适应机床实时控制的要求，所以人们采用数字逻辑电路制成一 台机床专用计算机作为数控系统，这被称为硬件连接数控（numerical control, nc）。 随着计算机技术的发展，小型计算机开始取代专用控制的硬件逻辑数控系统，数控的 许多功能靠软件程序实现。1970 年，通用小型机算计业已出现并成批生产，其运算速度有 了大幅度的提高，这比逻辑电路专用计算机成本低、可靠性高。于是它被移植过来作为数 控系统的核心部件，数控机床从此进入了第四代小型计算机数控（computer numerical control, cnc）阶段。 1971 年，美国英特尔公司开发和使用了微处理器，又称中央处理单元。1974 年，美国、 日本等国家研制出以微处理器为数控系统核心的数控机床。因为微处理器是通用计算机的 核心部件，故仍称为计算机数控。20 多年来，微处理器数控系统的数控机床得到了飞速发 展和广泛应用，这就是第五代数字控制系统。 到了 1990 年，个人计算机（pc 机）的性能已经发展到较成熟的阶段，可满足作为数 控系统核心部件的要求，而且 pc 机生产批量很大，价格便宜，可靠性高，数控系统从此进 入了基于 pc 的阶段，这也是第六代数控系统。 随着对机械产品性能要求日益提高和适用范围的扩大以及新材料和新工艺的出现，对 数控机床也提出了更高的要求。现代数控机床将综合应用信息技术、人工智能、控制理论 等领域的最新技术成就，新一代数控系统技术水平会大大提高，数控机床的发展也将日新 月异。 1.2.3 我国数控机床的发展概况我国数控机床的发展概况 我国对数控机床及数控技术的研究和开发始于 1958 年，一直到 20 世纪 60 年代中期还 处在研制、开发时期。1965 年，国内开始研制晶体管数控系统。20 世纪 60 年代末至 70 年 代初研制成功立式数控铣床、cjk-18 数控系统和数控非圆齿轮插齿机。从 20 世纪 70 年代 开始，我国的数控技术在车、铣、镗、磨、齿轮加工、电加工等领域全面展开，数控加工 中心在上海、北京研制成功。但由于稳定性未得到解决，因此没有得到广泛推广。在这一 3 时期，数控线切割机床由于结构简单、使用方便、价格低廉，在模具数控加工中得到了广 泛应用和推广。20 世纪 80 年代，我国从日本 fanuc 公司引进了部分数控系统和直流伺服 电动机、直流主轴电机技术，以及从美国、欧洲等发达国家引进一些新的技术，并进行了 国产商品化生产，这些数控系统可靠性高、性能稳定、功能齐全，推动了我国数控机床稳 定发展，使我国的数控机床在性能和质量上产生了一个质的飞跃。1995 年以后，我国国产 数控装备的产业化取得了实质性进步。数控机床在品种上不断增多、规格齐全。许多在技 术上复杂的大型数控机床和重型数控机床相继研制出来。现在，我国已经建立了以中、低 档数控机床为主的产业体系。20 世纪 90 年代开始了高档数控机床的研发和生产，到 2006 年，我国的数控机床国内总产量已达到 86000 余台。近几年，我国机床生产量已连续多年 居世界第三位，成为真正的机床生产大国。国外企业生产的产品，在国内企业中，都能找 到类似的产品，这表明我国的数控机床生产已经初具规模。但国产数控机床与国外机床相 比在实现高速、高精上尚存在很大的差距，在实现动作、性能的可靠性和精度的稳定性方 面、在智能化制造工艺方面也存在较大差距。我国要想成为数控机床生产强国还有一段很 长的路要走。 1.31.3 数控系统的发展数控系统的发展 1.3.1 电子元件技术的发展电子元件技术的发展 微电子技术的发展，对数控技术起着极大的推动作用。日本 fanuc 公司在 1956 年开 始采用电子管研究 nc，1959 年就采用锗晶体管组成 nc，1963 年采用硅晶体管研制出 fs220、fs240 等系统，1969 年又采用中小规模 ic 更新了 fs220、fs240 等系统。20 世纪 70 年代，开始采用 3si 推出了 fs5、fs7、fs3、fs6、fs0、fs18、fs16、fs20、fs21、fs15 等一系列 cnc 系统， 从 4 位的位片机(fs7)到 16 位的 8086(fs6)和 32 位的 80486(fs0)。1996 年，fanuc 采 用最新专用芯片 352pin 的微电子工艺 bga 封装及采用 mcm 工艺生产的微处理器，推出 了小型化高性能的 i 系列数控系统，大小只有原有系统的 1/4，大大减小了占用的空间，提 高了系统的性能及可靠性。 1.3.2 软件的应用软件的应用 在 1970 年的芝加哥展览会上，首次展出了由小型机组成的 cnc 数控系统。大约在 同时，英特尔公司发明了微处理器。1974 年，美、日等国相继研制出以微处理器为核心的 cnc，有时也称为 mnc。它运用计算机存贮器里的程序完成数控要求的功能。其全部或 部分控制功能由软件实现，包括译码、刀具补偿、速度处理、插补、位置控制等。采用半 导体存贮器存贮零件加工程序，可以代替打孔的零件纸带程序进行加工，这种程序便于显 示、检查、修改和编辑，因而可以减少系统的硬件配置，提高系统的可靠性。采用软件控 制大大增加了系统的柔性，降低了系统的制造成本。 4 1.3.3 数控标准的引入数控标准的引入 随着 nc 成为机械自动化加工的重要设备，在管理和操作之间，都需要有统一的术语、 技术要求、符号和图形，即有统一的标准，以便进行世界性的技术交流和贸易。nc 技术 的发展，形成了多个国际通用的标准：即 iso 国际标准化组织标准、iec 国际电工委员会 标准和 eia 美国电子工业协会标准等。最早制订的标准有 nc 机床的坐标轴和运动方向、 nc 机床的编码字符、nc 机床的程序段格式、准备功能和辅助功能、数控纸带的尺寸、数 控的名词术语等。这些标准的建立，对 nc 技术的发展起到了规范和推动作用。最近， iso 基于用户的需要和对下一个 5 年间信息技术的预测，又在酝酿推出新标准“cnc 控制 器的数据结构”。它把 amt(先进制造技术)的内容集中在两个主要的级别和它们之间的连接 上：第一级 cam，为车间和它的生产机械：第二级是上一级，为数据生成系统，由 cad、cap、cae 和 nc 编程系统及相关的数据库组成。 1.41.4 数控机床的分类特点和适用范围数控机床的分类特点和适用范围 1.4.1 数控机床的分类特点数控机床的分类特点 目前，数控机床品种已经基本齐全，规格繁多，据不完全统计已有 400 多个品种规格。 可以按照多种原则来进行分类。但归纳起来，常见的是以下面 4 种方法来分类的。 1.1.按工艺用途分类按工艺用途分类 （1）一般数控机床。这类机床和传统的通用机床种类一样，有数控的车、铣、 镗、钻、 磨床等等， 而且每一种又有很多品种，例如数控铣床中就有立铣、卧铣、工具铣、龙门铣 等。这类机床的工艺可能性和通用机床相似，所不同的是它能加工复杂形状的零件。 （2）数控加工中心机床。这类机床是在一般数控机床的基础上发展起来的。它是在一 般数控机床上加装一个刀库(可容纳 10-100 多把刀具)和自动换刀装置而构成的一种带自动 换刀装置的数控机床(又称多工序数控机床或镗铣类加工中心，习惯上简称为加工中心 machining center)，这使数控机床更进一步地向自动化和高效化方向发展 。 数控加工中 心机床和一般数控机床的区别是:工件经一次装夹后,数控装置就能控制机床自动地更换刀 具，连续地对工件各加工面自动地完成铣 ( 车 ) 、镗、钻、铰及攻丝等多工序加工。这 类机床大多是以镗铣为主的，主要用来加工箱体零件。它和一般的数控机床相比具有如下 优点： 减少机床台数, 便于管理，对于多工序的零件只要一台机床就能完成全部加工，并 可以减少半成品的库存量； 由于工件只要一次装夹，因此减少了由于多次安装造成的定位误差，可以依靠机床 精度来保证加工质量； 工序集中，减少了辅助时间，提高了生产率； 5 由于零件在一台机床上一次装夹就能完成多道工序加工，所以大大减少了专用工夹 具的数量，进一步缩短了生产准备时间。 由于数控加工中心机床的优点很多，深受用户欢 迎，因此在数控机床生产中占有很重要的地位。 另外还有一类加工中心，是在车床基础上 发展起来的，以轴类零件为主要加工对象。除可进行车削、镗削外，还可以进行端面和周 面上任意部位的钻削、铣削和攻丝加工。这类加工中心也设有刀库，可安装 4-12 把刀具， 习惯上称此类机床为车削中心(tc：turning center) 。 图图 1-11-1 五轴联动的数控加工五轴联动的数控加工 （3）多坐标数控机床。有些复杂形状的零件，用三坐标的数控机床还是无法加工，如 螺旋桨、飞机曲面零件的加工等，需要三个以上坐标的合成运动才能加工出所需形状。于 是出现了多坐标的数控机床，其特点是数控装置控制的轴数较多，机床结构也比较复杂， 其坐标轴数通常取决于加工零件的工艺要求。现在常用的是 4，5，6 坐标的数控机床。图 1 为五轴联动的数控加工示意图。这时，x,y,z 三个坐标与转台的回转、刀具的摆动可以同 时联动，以加工机翼等类零件。 2.2. 按数控机床的运动轨迹分类按数控机床的运动轨迹分类 按照能够控制的刀具与工件间相对运动的轨迹，可将数控机床分为点位控制数控机床、 点位直线控制数控机床、轮廓控制数控机床等。现分述如下： （1）点位控制数控机床。 这类机床的数控装置只能控制机床移动部件从一个位置 ( 点 ) 精确地移动到另一个位置 ( 点 ) ，即仅控制行程终点的坐标值，在移动过程中不进 行任何切削加工，至于两相关点之间的移动速度及路线则取决于生产率。这类机床主要数 控坐标镗床、数控钻床、数控冲床和数控测量机等，其相应的数控装置称之为点位控制装 置。 （2）点位直线控制数控机床。 这类机床工作时，不仅要控制两相关点之间的位置 (即 距离)，还要控制两相关点之间的移动速度和路线(即轨迹)。其路线一般都由和各轴线平行 的直线段组成。这类机床主要有简易数控车床、数控镗铣床和数控加工中心等。 （3）轮廓控制数控机床。这类机床的控制装置能够同时对两个或两个以上的坐标轴进 行连续控制。加工时不仅要控制起点和终点，还要控制整个加工过程中每点的速度和位置， 使机床加工出符合图纸要求的复杂形状的零件。它的辅助功能亦比较齐全。这类机床主要 6 有数控车床、数控铣床、数控磨床和电加工机床等。其相应的数控装置称之为轮廓控制装 置(或连续控制装置) 。 3 3按伺服系统的控制方式分类按伺服系统的控制方式分类 数控机床按照对被控制量有无检测反馈装置可以分为开环和闭环两种。在闭环系统中， 根据测量装置安放的位置又可以将其分为全闭环和半闭环两种。在开环系统的基础上，还 发展了一种开环补偿型数控系统。 1.开环控制数控机床。在开环控制中，机床没有检测反馈装置（见图 1-2）。 数控装置发出信号的流程是单向的，所以不存在系统稳定性问题。也正是由于信号的单向 流程,它对机床移动部件的实际位置不作检验，所以机床加工精度不高，其精度主要取决于 伺服系统的性能。 工作过程是: 输入的数据经过数控装置运算分配出指令脉冲,通过伺服 机构(伺服元件常为步进电机)使被控工作台移动。 这种机床工作比较稳定、反应迅速、调 试方便、维修简单，但其控制精度受到限制。 它适用于一般要求的中、小型数控机床。 图 1-2 开环控制系统框图开环控制系统框图 2.闭环控制数控机床。由于开环控制精度达不到精密机床和大型机床的要求，所以必 须检测它的实际工作位置，为此，在开环控制数控机床上增加检测反馈装置，在加工中时 刻检测机床移动部件的位置，使之和数控装置所要求的位置相符合，以期达到很高的加工 精度。 闭环控制系统框图如图 1-3 所示。 图中 a 为速度测量元件， c 为位置测量元件。 当指令值发送到位置比较电路时，此时若工作台没有移动，则没有反馈量，指令值使得伺 服电机转动，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指令值进行比较，用比较的差值进行控制，直至差值消除时为 止，最终实现工作台的精确定位。这类机床的优点是精度高、速度快，但是调试和维修比 较复杂。其关键是系统的稳定性，所以在设计时必须对稳定性给予足够的重视 。 图 1-3 闭环控制系统框图闭环控制系统框图 (3) 半闭环控制数控机床。半闭环控制系统的组成如图 1-4 所示。它是由闭环和开环 控制系统的结合。 7 图 1-4 半闭环控制系统框图半闭环控制系统框图 4 4 按数控装置分类按数控装置分类 数控机床若按其实现数控逻辑功能控制的数控装置来分，有硬线（件）数控和软线 （件）数控两种。 （1）硬线数控（称普通数控，即 nc）。这类数控系统的输入、插补运算、控制等功能 均由集成电路或分立元件等器件实现。一般来说，数控机床不同，其控制电路也不同，因 此系统的通用性较差，因其全部由硬件组成，所以功能和灵活性也较差。这类系统在 70 年代以前应用得比较广泛。 （2）软线数控（又称计算机数控或微机数控，即 cnc 或 mnc）。 这类系统利用中、大 规模及超大规模集成电路组成 cnc 装置，或用微机与专用集成芯片组成，其主要的数控功 能几乎全由软件来实现，对于不同的数控机床，只须编制不同的软件就可以实现， 而硬件 几乎可以通用。因而灵活性和适应性强，也便于批量生产，模块化的软、硬件，提高了系 统的质量和可靠性。所以，现代数控机床都采用 cnc 装置。 1.4.2 数控机床的适用范围数控机床的适用范围 数控机床是一种可编程的通用加工设备，但是因设备投资费用较高，还不能用数控机 床完全替代其他类型的设备，因此，数控机床的选用有其一定的适用范围。其中通用机床 多适用于零件结构不太复杂、生产批量较小的场合；专用机床适用于生产批量很大的零件； 数控机床对于形状复杂的零件尽管批量小也同样适用。随着数控机床的普及，数控机床的 适用范围也愈来愈广，对一些形状不太复杂而重复工作量很大的零件，如印制电路板的钻 孔加工等，由于数控机床生产率高，也已大量使用。 据有关资料统计，当生产批量在 100 件以下，用数控机床加工具有一定复杂程度零件 时，加工费用最低，能获得较高的经济效益。由此可见，数控机床最适宜加工以下类型的 零件： （1）生产批量小的零件(100 件以下)； （2）需要进行多次改型设计的零件； （3）加工精度要求高、结构形状复杂的零件，如箱体类，曲线、曲面类零件； （4）需要精确复制和尺寸一致性要求高的零件； （5）价值昂贵的零件，这种零件虽然生产量不大，但是如果加工中因出现差错而报废， 将产生巨大的经济损失。 1.51.5 课题研究的意义课题研究的意义 在本次毕业设计中首先我对数控技术又一次有了更新的认识和它的发展史，在它发展 的时候遇到一些“瓶颈”。自 1952 年，第一台数控机床问世，成为世界机械工业史上一件 8 划时代的事件，推动了自动化的发展。 在做毕业设计的同时我个人学到了许多以前没有认真了解过的知识，这使我将来走上 社会，能更快更好的融入进这个数控行业的大家庭中。 通过这次毕业设计，我对在学校这 4 年多的学校又进行了一次充分的复习。在动手能 力方面我能更好的操作机床进行对零件的加工，并达到图纸上的要求。让我在将来走上社 会，在自己的岗位上能得心应手，发挥自己的所长。 1.61.6 本课题目前的现状本课题目前的现状 数控技术是用数字信息对机械运动和工作过程进行控制的技术补习。它是集传统的机 械制造技术、计算机技术、现代控制技术、传感检测技术、网络通讯技术、光机电技术于 一体的现代制造业的基础技术，具有高精度、高效率、柔性自动化等特点，对制造业实现 柔性自动化、集成化、智能化起着举足轻重的作用。数控装备则是以数控技术为代表的新 技术对传统制造产业和新兴制造业的渗透形成的机电一体化产品。数控技术是制造自动化 的关键基础，是现代制造业的灵魂核心，其水平高低和装备拥有量的多少是衡量一个国家 工业现代化的重要标志。 1.6.1 国内形势国内形势 近年来，我国数控技术与装备的开发研制，得到了国家和企业的高度重视，取得了很 大的进步，如基于 pc 机的开放式智能化数控系统。可实施多轴控制，并已具备联网进线等 功能。但是，国产数控技术在技术创新能力、商品化进程、市场占有率等方面尚有诸多不 足。我国数控技术起步于 20 世纪 50 年代末期，经历了初期的封闭式开发阶段，“六五”、 “七五”期间的消化吸收、引进技术阶段，“八五”期间建立国产化体系阶段，“九五” 期间产业化阶段，现已基本掌握了现代数控技术，建立了数控开发、生产基地，培养了一 批数控专业人才，初步形成了自己的数控产业。目前，较具规模的企业有广州数控、航天 数控、华中数控等，生产了具有中国特色的经济型、普及型数控系统。经半个世纪的发展， 产品的性能和可靠性有了较大的提高，逐渐被用户认可，在市场上站稳了脚跟。我国现有 数控机床生产厂家 100 多家，生产数控产品几千种以上。产品主要分为 3 种类型:经济型、 普及型、高档型。在第八届中国国际机床展览会(北京 cimt2003)上，展出大陆国产机床 700 多台，在 600 多台金属切削机床和近 100 台金属成形机床展品中，数控机床分别占 75% 和 54%。这既体现了中国机床市场的需求趋势，也反映中国在数控机床产业化方面取得的 突破性进展。尽管如此，国产数控机床在机床中的比重还是很低的(中国机床数控化率不足 50%、日本已经达到 75%、欧美亦达到 65%)。由此可见，中国数控产业还有很大的发展空间、 广阔的市场和无限的发展潜力。目前，国产数控系统用于旧机床改造的多，用于装备新机 床的少，用于全功能性机床装备的就更少，使用国外系统装备国产数控机床的尚为数不少。 由此说明，国产数控系统在用户心中的地位较国外产品低。我国数控技术的现状是:系统的 技术含量低，产生的附加值少，不具备与进口系统进行全面抗衡的能力，只在低端市场占 有一席之地，还不能为我国数控产业起到支撑的作用，与国外相比，至少还有 20 年的差距。 9 1.6.2 国外形势国外形势 当今世界工业国家数控机床的拥有量反映了这个国家的经济能力和国防实力。世界各 国信息产业、生物产业、航空、航天等国防工业广泛采用数控技术，以提高制造能力和水 平，提高对市场的适应能力和竞争能力。工业发达国家还将上数控技术及数控装备列为国 家的战略物资，不仅大力发展自己的数控技术及其产品，而且在“高精尖”数控关键技术 和装备方面对我国实行封锁和限制政策。 1.6.3 国内与国外发展差距国内与国外发展差距 进年来，随着计算机技术的发展，数字控制技术已经广泛应用于工业控制的各个领域， 尤其是机械制造业中，普通机械正逐渐被高效率、高精度、高自动化的数控机械所代替。 目前国外机械设备的数控化率已达到 85%以上，而我国的机械设备的数控化率不足 20%。 随着我国机制行业新技术的应用，我国世界制造业加工中心地位形成，数控机床的使用、 维修、维护人员在全国各工业城市都非常紧缺。在制造业，能熟练操作现代化机床的人已 成稀缺，据统计，目前，我国技术工人中，高级技工占 3.5%、中级技工 35%、初级工占 60%。而在发达国家技术工人中，高级工占 35%、中级工占 50%、初级工占 15%。这表明， 我们的高级技术工在未来 510 年内仍会有大量的人才缺口。 1.71.7 课题预期达到的目标课题预期达到的目标 在研究本课题的时我预期达到的目标有一下几点： 1. 理解目前数控机床国内外的形势和前景 2. 熟悉机床的组成，了解相关控制系统 3. 按照机械制图标准绘制出零件图 4. 深入的对数控机床的典型零件的加工工艺的分析及加工方法 5. 对在数控机床上加工的典型零件的夹具、外形、毛坯材料进行分析 6. 了解数控机床的刀具并掌握刀具的选用 7. 熟悉机床的操作流程和加工程序的输入、存盘、调用和对各个加工面的测量 8. 掌握格编程指令的意义，编写正确的加工程序 9. 掌握数控机床程序的手工编辑和自动生成 10.学会对加工过程中，各阶段所需刀具的半径补偿 11.完成零件的加工成型，保证零件尺寸精度、位置精度和表面粗糙度等达到图纸规 定的要求。 1.81.8 可行性分析可行性分析 通过四年的专业方面的学习，不论在理论课上，还是在实际的操作机床课程上，都有 10 一定的知识基础。所选的课题，虽说有些知识不了解，对论文编写上有点困难。但就是通 过此次的课题研究后，相信一定会学到很多知识并且掌握。 1.8.1 理论方面理论方面 学习的四年时间里，学校安排了许多专业的课程。如：机械设计基础 机械制造基 础对机械相关的传动机构，件的联接传动，轴承等性能进行的讲解。学习了相应的联接 方式和直齿、斜齿的齿轮的强度等一些的计算。 公差配合与测量技术的学习，了解了国 标中的公差等级，孔轴之间的配合系数和相关测量工具的使用计算。,机械制图 caxa 制造工程师了解相关制图的要素，基本图形的描画规程及计算机绘图基本的命 令使用。 机床电气控制 机械加工工艺基础 数控机床 数控设备故障诊断与维修 都是对机床内部一些要素的分解说明，各系统的相对关系，了解各不同型号机床的组成和 机床操作基本的方法。制订零件加工成型的工艺安排。 金属工艺学对生产加工中应用的 不同材质，进行详细分析，了解不同组织在同一阶段的变化情况，掌握合金的组织结构相 图。 数控加工工艺与编程讲解了西门子，华中，发那科三个系统的编程方法，各指令代 码的意义和各系统操作面板的使用说明。掌握基本零件的编程和进退刀的加工顺序。 1.8.2 操作方面操作方面 目前已能够独立的进行华中，fanuc 加工中心的程序编制，操作技能到了高级工。 另外能够独立的操作华中，三菱，fanuc 系统的加工中心。对 cad、caxa 有一些了解， 目前能制作二维、三维视图和一些实体造型。在钳工、电工、普车、数控车、加工中心的 实践过程中，已掌握操作规程，对相应的指令代码的功能使用。加工过程中会出现的问题 也有了相应的认识。 第第 2 章章 数控加工设备及系统数控加工设备及系统 2.12.1 数控加工设备数控加工设备 2.1.1 加工中心加工中心 加工中心（machining center）简称 mc，是由机械设备与数控系统组成的使用于加工 复杂形状工件的高效率自动化机床。加工中心又叫电脑锣。加工中心备有刀库，具有自动 换刀功能，是对工件一次装夹后进行多工序加工的数控机床。加工中心是高度机电一体化 的产品，工件装夹后，数控系统能控制机床按不同工序自动选择、更换刀具、自动对刀、 11 自动改变主轴转速、进给量等，可连续完成钻、镗、铣、铰、攻丝等多种工序，因而大大 减少了工件装夹时间、测量和机床调整等辅助工序时间，对加工形状比较复杂，精度要求 较高，品种更换频繁的零件具有良好的经济效果。 2.1.2 加工中心构成加工中心构成 加工中心有各种类型，虽然外形结构各异，但总体上是由以下几大部分组成。 (1)基础部件。由床身、立柱和工作台等大件组成，它们是加工中心结构中的基础部件。 这些大件有铸铁件，也有焊接的钢结构件，它们要承受加工中心的静载荷以及在加工时的 切削负载，因此必须具备更高的静动刚度，也是加工中心中质量和体积最大的部件。 (2)主轴部件。由主轴箱、主轴电机、主轴和主轴轴承等零件组成。主轴的启动、停止 等动作和转速均由数控系统控制，并通过装在主轴上的刀具进行切削。主轴部件是切削加 _的功率输出部件，是加 t 中心的关键部件，其结构的好坏，对加工中心的性能有很大的 影响。 (3)数控系统。由 cnc 装置、可编程序控制器、伺服驱动装置以及电动机等部分组 成是加工中心执行顺序控制动作和控制加工过程的中心。 (4)自动换刀装置(atc)。加工中心与一般数控机床的显著区别是具有对零件进行多 1 二序加工的能力，有一套自动换刀装置。 12 2.1.3 数控车床数控车床 数控车床又称为 cnc 车床，即计算机数字控制车床，是目前国内使用量最大，覆盖面 最广的一种数控机床，约占数控机床总数的 25%。数控机床是集机械、电气、液压、气动、 微电子和信息等多项技术为一体的机电一体化产品。是机械制造设备中具有高精度、高效 率、高自动化和高柔性化等优点的工作母机。 2.22.2 数控系统数控系统 数控系统是数字控制系统的简称，英文名称为（numerical control system），根据 计算机存储器中存储的控制程序，执行部分或全部数值控制功能，并配有接口电路和伺服 驱动装置的专用计算机系统。通过利用数字、文字和符号组成的数字指令来实现一台或多 台机械设备动作控制，它所控制的通常是位置、角度、速度等机械量和开关量。 2.2.1 华中华中“世纪星世纪星”系统系统 （1）主要特点）主要特点 开放式、网络化已成为当今数控系统发展的主要趋势。华中“世纪星”系列数控系统 包括世纪星 hnc-18i、hnc-19i、hnc-21 和 hnc-22 四个系列产品，均采用工业微机（ipc） 作为硬件平台的开放式体系结构的创新技术路线，充分利用 pc 软、硬件的丰富资源，通过 软件技术的创新，实现数控技术的突破，通过工业 pc 的先进技术和低成本保证数控系统的 高性价比和可靠性。并充分利用通用微机已有软硬件资源和分享计算机领域的最新成果， 如大容量存储器、高分辨率彩色显示器、多媒体信息交换、联网通讯等技术，使数控系统 可以伴随 pc 技术的发展而发展，从而长期保持技术上的优势。华中“世纪星”系列数控系 统以其质量好，性价比高，新产品开发周期短，系统维护方便，配套能力强，开放性好和 便于用户二次开发和集成等优点，现已派生出了十多种系列三十多个特种数控系统产品， 广泛用于车、铣、加工中心、车铣复合、磨、锻、齿轮、仿形、激光加工、纺织机械、玻 璃机械、医疗机械等设备。满足用户对低价格、高性能、简单、可靠数控系统的要求。 （2 2）华中数控系统功能华中数控系统功能 1 1、显示功能、显示功能 实体图形显示功能：华中 hnc-21t 系统，可根据用户选择的不同形状刀具，对用户 自定义大小的毛坯，进行仿真加工。 图形轨迹显示功能：可根据加工程序显示刀具运行轨迹 正文显示功能：可显示当前运行程序，帮助操作者更好了解机床的运行状况。 大字符、坐标联合显示功能：可显示刀具在机床坐标系、工件坐标系下的指令值、 实际值，还可显示刀具运行各段程序时的剩余值。 其他显示功能：可显示当前运行程序名；当前运行程序行号；工件坐标零点的坐标 值；刀具实际进给速度；实际主轴转速；当前刀具号；主轴速度、进给速度、快移速度的 13 修调率等。 可显示当前编辑程序行的实际行号、列号。 2 2、编辑功能、编辑功能 可实现 g 代码程序（包括高级宏程序）单个字符的编辑，更方便程序的编辑、修改 操作。 除便捷的新建程序、保存程序、删除程序、程序另存功能外，还可将程序中的部分 内容通过快捷键进行块定义、拷贝、粘贴（也可粘贴到系统下其他 g 代码程序中）。 可用分号屏蔽程序段的运行，程序中可显示注释。 系统程序存储量大，系统标准配置内存 32mb。 具有后台编辑功能：在加工过程中，可以在后台进行程序编辑。 具有蓝图编辑功能。 3 3、加工功能、加工功能 小线段高速连续插补功能（g64 指令）：可高速圆滑拟合小线段程序的轨迹，十分 利于 cam 生成的小线段程序的加工。 断点保存功能、任意指定行加工的功能、程序跳段功能 2.2.2 fanuc 系统系统 （1）主要特点）主要特点 日本 fanuc 公司的数控系统具有高质量、高性能、全功能，适用于各种机床和生产机 械的特点，在市场的占有率远远超过其他的数控系统，主要体现在以下几个方面。 系统在设计中大量采用模块化结构。这种结构易于拆装，各个控制板高度集成，使 可靠性有很大提高，而且便于维修、更换。 具有很强的抵抗恶劣环境影响的能力。其工作环境温度为 045，相对湿度为 75。 有较完善的保护措施。fanuc 对自身的系统采用比较好的保护电路。 fanuc 系统所配置的系统软件具有比较齐全的基本功能和选项功能。对于一般的机 床来说，基本功能完全能满足使用要求。 提供大量丰富的 pmc 信号和 pmc 功能指令。这些丰富的信号和编程指令便于用户编 制机床侧 pmc 控制程序，而且增加了编程的灵活性。 具有很强的 dnc 功能。系统提供串行 rs232c 传输接口，使通用计算机 pc 和机床之 间的数据传输能方便、可靠地进行，从而实现高速的 dnc 操作。 提供丰富的维修报警和诊断功能。fanuc 维修手册为用户提供了大量的报警信息， 并且以不同的类别进行分类。 （2 2）主要系列）主要系列 14 高可靠性的 powermate 0 系列：用于控制 2 轴的小型车床，取代步进电机的伺服系 统；可配画面清晰、操作方便，中文显示的 crtmdi，也可配性能价格比高的 dplmdi。 普及型 cnc 0d 系列：0td 用于车床，0md 用于铣床及小型加工中心，0gcd 用于圆柱磨床，0gsd 用于平面磨床，0pd 用于冲床。 全功能型的 0c 系列：0tc 用于通用车床、自动车床，0mc 用于铣床、钻床、 加工中心，0gcc 用于内、外圆磨床，0gsc 用于平面磨床，0ttc 用于双刀架 4 轴车 床。 高性能价格比的 0i 系列：整体软件功能包，高速、高精度加工，并具有网络功能。 0imbma 用于加工中心和铣床，4 轴 4 联动；0itbta 用于车床，4 轴 2 联动，0i mate ma 用于铣床，3 轴 3 联动；0imateta 用于车床，2 轴 2 联动。 具有网络功能的超小型、超薄型 cnc 16i/18i21i 系列：控制单元与 lcd 集成于一 体，具有网络功能，超高速串行数据通讯。其中 fsl6imb 的插补、位置检测和伺服控制 以纳米为单位。16i 最大可控 8 轴，6 轴联动；18i 最大可控 6 轴，4 轴联动；21i 最大可 控 4 轴，4 轴联动。 除此之外，还有实现机床个性化的 cnc 1618 / 160180 系列。 2.32.3 fanuc-0ifanuc-0i 系统机床中常用的系统机床中常用的 g g、m m 代码代码 2.3.1 功能字功能字 g 代码代码 准备功能字是使数控机床建立起某种加工方式的指令，如插补、刀具补偿、固定 循环等。 g 功能字由地址符 g 和其后的两位数字组成，从g00g99 共 100 种功能。 fanuc-oi 的 g 代码如下表 代 码功能作用范围功 能代 码功能作用范围功 能 g00点定位g50*刀具偏置 0/- g01直线插补g51*刀具偏置+/0 g02顺时针圆弧插补g52*刀具偏置-/0 g03逆时针圆弧插补g53直线偏移注销 g04*暂停g54直线偏移 x g05*不指定g55直线偏移 y g06抛物线插补g56直线偏移 z g07*不指定g57直线偏移 xy g08*加速g58直线偏移 xz 15 g09*减速g59直线偏移 yz g10-g16*不指定g60准确定位（精） g17xy 平面选择g61准确定位（中） g18zx 平面选择g62准确定位（粗） g19yz 平面选择g63*攻丝 g20-g32*不指定g64-g67*不指定 g33螺纹切削，等螺距g68*刀具偏置，内角 g34螺纹切削，增螺距g69*刀具偏置，外角 g35螺纹切削，减螺距g70-g79*不指定 g36-g39*不指定g80固定循环注销 g40 刀具补偿/刀具偏置 注销 g81-g89固定循环 g41刀具补偿-左g90绝对尺寸 g42刀具补偿-右g91增量尺寸 g43*刀具偏置-正g92*预置寄存 g44*刀具偏置-右g93进给率，时间倒数 g45*刀具偏置+/+g94每分钟进给 g46*刀具偏置+/-g95主轴每转进给 g47*刀具偏置-/-g96恒线速度 g48*刀具偏置-/+g97每分钟转数（主轴） g49*刀具偏置 0/+g98-g99*不指定 注：*表示如作特殊用途，必须在程序格式中说明 2.3.2 功能字功能字 m 代码代码 辅助功能字是用于指定主轴的旋转方向、启动、停止、冷却液的开关，工件或刀 具的夹紧和松开，刀具的更换等功能。辅助功能字由地址符m 和其后的两位数字组 成。fanuc-oi 的 m 代码如下表 代 码 功能作用范 围 功 能代 码 功能作用范 围 功 能 m00* 程序停止 m36 * 进给范围 1 m01* 计划结束 m37 * 进给范围 2 m02* 程序结束 m38 * 主轴速度范围 1 m03 主轴顺时针转动 m39 * 主轴速度范围 2 16 m04 主轴逆时针转动 m40-m45 * 齿轮换档 m05 主轴停止 m46-m47 * 不指定 m06* 换刀 m48 * 注销 m49 m07 2 号冷却液开 m49 * 进给率修正旁路 m08 1 号冷却液开 m50 * 3 号冷却液开 m09 冷却液关 m51 * 4 号冷却液开 m10 夹紧 m52-m54 * 不指定 m11 松开 m55 * 刀具直线位移，位 置 1 m12* 不指定 m56 * 刀具直线位移，位 置 2 m13 主轴顺时针，冷 却液开 m57-m59 * 不指定 m14 主轴逆时针，冷 却液开 m60 更换工作 m15* 正运动 m61 工件直线位移，位 置 1 m16* 负运动 m62 * 工件直线位移，位 置 2 m17-m18* 不指定 m63-m70 * 不指定 m19 主轴定向停止 m71 * 工件角度位移，位 置 1 m20-m29* 永不指定 m72 * 工件角度位移，位 置 2 m30* 纸带结束 m73-m89 * 不指定 m31* 互锁旁路 m90-m99 * 永不指定 m32-m35* 不指定 注：*表示如作特殊用途，必须在程序格式中说明 17 第第 3 章章 零件的工艺分析及加工零件的工艺分析及加工 3.13.1 零件结构分析零件结构分析 3.1.1 压印机总装图压印机总装图 本次才毕业设计所做的压印机机构共有 11 个零部件和一些国家标准件组成，其三维模 拟图如图 3-1 图图 3-1 压印机压印机 3 三维模型图三维模型图 18 3.1.2 零件零件 1-底座底座 底座是压印机最重要的机构之一它起着将整个压印机的部件托起的作用主要是由方形 内轮廓以及孔组成如其二维工程图下图 3-2 所示 图图 3-2 件件 1 底座底座 19 3.1.3 零件零件 2-立柱立柱 立柱在压印机中主要起着托起一根可以将手轮和杠杆相连接的轴，它主要是由一个通 孔组成其二维工程图如下图 3-3 图图 3-33-3 件件 2 2 立柱立柱 20 3.1.4 零件结构组成分析零件结构组成分析 压印机典型的两个零件分别为上图的件 1、件 2。它们属于平面盘类零件，以铣加工为 主，可用立式加工中心加工。 件 1 和件 2 为方形零件主要由键槽和圆孔组成。工件选用材料分别为 185x110x30，87x70x35 的长方体 45 号刚材料。 3.1.5 尺寸公差及保证方法尺寸公差及保证方法 （1）本图纸的尺寸公差在 1-5 丝左右，这些公差尺寸都可通过机床的精度以及刀具的 补偿修改而保证尺寸。 （2）粗糙度及保证方法 在切屑过程中由于刀具和被加工表面间的相对运动轨迹（即刀痕）刀具和被加工表面间 的摩擦，切屑过程中切屑分离时表层金属材料的塑性变形以及工艺系统的变频振动等原因。 零件表面会出现许多间距小，凹凸不平的微小的峰谷这种零件被加工表面的微观几何形状 误差称为表面粗造度。本图中 ra1.6 可通过精加工时的 s 和 f 来保证。 3.1.6 零件重点难点分析零件重点难点分析 由图纸可看出，在利用加工中心加工件 1 和件 2 时，会有许多基点需要通过计算和计算 机绘图找出。加工件 1 和件 2 时都需要正反面加工，这就需要进行二次装夹，而二次装夹 则有很大的可能出现零件中的轮廓位置发生位移如两孔的同轴度等，这就需要在装夹时万 分的小心，以最大限度的降低位移的可能性。 3.23.2 零件的工艺分析零件的工艺分析 这 2 个典型工件为配合件，两工件配合间隙为 0.05mm。根据图样要求，可将工件 1 和 工件 2 同时加工，图样中可以看到轮廓的周边曲线圆弧和粗糙度值要求都较高，零件的装 夹采用平口钳装夹。将工件坐标系 g54 建立在工件上表面、零件的对称中心处。针对零件 图样要求给出加工工序为： 件件 1 1 的加工工序的加工