毕业设计（论文）-基于AT89C51单片机的步进电机控制系统.doc

学学 号：号： 毕毕业业设设计计说说明明书书 GRADUATE DESIGN 设计题目：设计题目：基于基于 AT89C51 单片机的步进电机控制系统单片机的步进电机控制系统 学生姓名：学生姓名： 专业班级：专业班级： 学学 院：院： 指导教师：指导教师： 2017 年年 6 月月 12 日日 摘 要 -I- 摘 要 步进电动机由于用其组成的开环系统既简单、廉价，又非常可行，因此在 打印机等办公自动化设备以及各种控制装置等众多领域有着极其广泛的应用。 随着微电子和计算机技术的发展，步进电机的需求量与日俱增，它广泛用 于打印机、电动玩具等消费类产品以及数控机床、工业机器人、医疗器械等机 电产品中，其在各个国民经济领域都有应用。研究步进电机的控制系统，对提 高控制精度和响应速度、节约能源等都具有重要意义。 步进电机是一种能将电脉冲信号转换成角位移或线位移的机电元件，步进 电机控制系统主要由步进控制器,功率放大器及步进电机等组成。采用单片机控 制,用软件代替上述步进控制器,使得线路简单,成本低,可靠性大大增加。软件编 程可灵活产生不同类型步进电机励磁序列来控制各种步进电机的运行方式。 本设计是采用 STC89C51 单片机对步进电机的控制，通过 I/O 口输出的时 序方波作为步进电机的控制信号，信号经过芯片 ULN2003 驱动步进电机。 根据不同的需要我们可以有十个不同档位速度的选择，并可以实现正反转。 为了更显人性化，我们加上了一个数码管显示，显示步进电机的运行状态。 关键词：步进电机；单片机；正反转控制；电机驱动 Abstract -II- Abstract With the rapid development of science and technology and increasingly fierce economic competition, mechanical product updates faster, NC machining technology as the representative of the advanced productive forces, play an important role in the field of machinery and related industries, machinery manufacturing competition, its essence is the competition of numerical control technology. Product updates faster and faster, more and more parts of complex shape, much more high precision, multi variety and small batch production proportion increased significantly, the fierce market competition makes the product development and production cycle more and more short, the traditional processing equipment and manufacturing method has been difficult to adapt to high speed and high quality processing the diversity, flexibility and the requirements of complex shape parts. Therefore, the use of CNC machining has become the first choice, because of its high processing efficiency, good quality and high machining accuracy. This design is the NC machining process and programming design of compound shaft parts. The subject comes from the production practice, and selects the typical shaft parts and the design and processing technology commonly used on the shaft. It focuses on the process analysis, the processing route determination, the process programming and the corresponding NC programming design. And with Pro/E, CAD and other software to draw the parts plan and 3D rendering. This will be fully applied to the theoretical knowledge learned in the actual processing, and effectively achieve the organic combination of theory and practice. Keywords Shaft parts; Processing technology; NC programming 目 录 -III- 目 录 摘 要.I ABSTRACT.II 第 1 章 引言.1 1.1 数控加工概述 .1 1.1.1 数控加工的概念 .1 1.1.2 数控加工的特点 .1 1.1.3 数控技术的发展与趋势 .2 1.2 复合轴类零件概述 .3 1.2.1 轴类零件的功用与结构特性 .3 1.2.2 轴类零件的工艺制定要求 .3 1.3 论文主要内容 .3 1.4 本章小结 .4 第 2 章 轴类零件选取与零件图审阅.5 2.1 轴类零件选取 .5 2.2 轴类零件图审阅 .5 2.2.1 轴类零件图 .5 2.2.2 轴类零件组成与加工顺序.6 2.2.3 零件图审阅注意事项.6 2.3 本章小结 .7 第 3 章 复合轴类零件加工工艺.8 3.1 轴类零件加工技术要求 .8 3.2 数控加工工艺内容选择 .8 3.3 工艺过程分类 .9 3.4 确定加工方法 .10 3.5 确定加工方案 .10 3.6 工序划分 .10 3.7 工艺过程卡 .11 3.8 螺纹加工工艺 .11 3.9 提高加工效率的方法 .12 3.10 本章小结 .12 第 4 章 复合轴类零件数控加工及编程.13 4.1 数控机床组成及原理 .13 4.2 数控机床特性 .13 4.3 数控加工刀具选择 .14 4.4 数控加工夹具选择 .14 4.5 数控加工零件安装 .15 4.6 数控加工切削用量确定 .15 4.7 数控加工坐标系统 .15 4.8 编制加工工序卡 .16 目 录 -IV- 4.9 加工中的难点与解决办法 .20 4.10 零件数控加工程序 .20 4.11 本章小结 .20 结 论.21 参考文献.22 谢 辞.23 附 录 一.24 附 录 二.27 第 1 章 引言 -1- 第 1 章 引言 1.1 数控加工概述 1.1.1 数控加工的概念 数控加工就是泛指在数控机床上进行零件加工的工艺过程。数控机床是一 种用计算机来控制的机床，用来控制机床的计算机不管是专用计算机，还是通 用计算机都统称为数控系统。数控机床的运动和辅助动作均受控于数控系统发 出的指令。在数控机床上加工零件与在普通机床上加工零件，其加工方法并无 多大差异，但是在机床的运动控制上却有很大的区别。在普通机床加工时，机 床的运动受控于操作工人。如机床的开启、主轴转速的变换、走刀路径、运动 部件的位移量，以及机床的停止等都是依靠操作工人来控制的。在数控机床上 加工零件时，机床的运动和辅助动作的实现均受控于数控系统发出的指令。而 数控系统的指令是由程序员根据工件的材质、加工要求、机床的特性和系统所 规定的指令格式编制的。编写加工指令的过程就称为编程。所谓编程，就是把 加工零件的工艺过程、工参数、运动要求用数字指令形式记录在介质上，并输 入数控系统。数控系统根据程序指令向伺服装置和其它功能部件发出运动或终 断信息来控制机床的各种运动。当零件的加工程序结束时，机床便会自动停止。 任何一种数控机床，在其数控系统中若没有输入程序指令，数控机床不能工作。 1.1.2 数控加工的特点 要提高加工效率，首先必须提高切削和进给速度，同时，还要缩短加工时 间；要确保加工质量，必须提高机床部件运动轨迹的精度，而可靠性则是上述 目标的基本保证。为此，必须要有高性能的数控装置作保证。 1）高速、高效。机床向高速化方向发展，可充分发挥现代刀具材料的性能， 不但可大幅度提高加工效率、降低加工成本，而且还可提高零件的表面加工质 量和精度。超高速加工技术对制造业实现高效、优质、低成本生产有广泛的适 用性。 2）高精度。从精密加工发展到超精密加工（特高精度加工） ，是世界各工 业强国致力发展的方向。其精度从微米级到亚微米级，乃至纳米级（10nm） ， 其应用范围日趋广泛。超精密加工主要包括超精密切削（车、铣） 、超精密磨削、 超精密研磨抛光以及超精密特种加工（三束加工及微细电火花加工、微细电解 华北理工大学迁安学院 -2- 加工和各种复合加工等） 。随着现代科学技术的发展，对超精密加工技术不断提 出了新的要求。 精密化是为了适应高新技术发展的需要，也是为了提高普通机电产品的性 能、质量和可靠性，减少其装配时的工作量从而提高装配效率的需要。随着高 新技术的发展。新材料及新零件的出现，更高精度要求的提出等都需要超精密 加工工艺，发展新型超精密加工机床，完善现代超精密加工技术，以适应现代 科技的发展。 3）高可靠性。是指数控系统的可靠性要高于被控设备的可靠性在一个数量 级以上，但也不是可靠性越高越好，仍然是适度可靠，因为是商品，受性能价 格比的约束。对于每天工作两班的无人工厂而言，如果要求在 16 小时内连续正 常工作，无故障率 P(t)99%以上的话，则数控机床的平均无故障运行时间 MTBF 就必须大于 3000 小时。MTBF 大于 3000 小时，对于由不同数量的数控 机床构成的无人化工厂差别就大多了，我们只对一台数控机床而言，如主机与 数控系统的失效率之比为 10：1 的话（数控的可靠比主机高一个数量级） 。此时 数控系统的 MTBF 就要大于 33333.3 小时，而其中的数控装置、主轴及驱动等 的 MTBF 就必须大于 10 万小时。当前国外数控装置的 MTBF 值已达 6000 小时 以上，驱动装置达 30000 小时以上。 1.1.3 数控技术的发展与趋势 机床数控系统，即计算机数字控制(CNC)系统是在传统的硬件数控(NC)的 基础上发展起来的。它主要由硬件和软件两大部分组成。通过系统控制软件与 硬件的配合，完成对进给坐标控制、主轴控制、刀具控制、辅助功能控制等。 CNC 系统利用计算机来实现零件程序编辑、坐标系偏移、刀具补偿、插补运算、 公英制变换、图形显示和固定循环等。使数控机床按照操作设计要求，加工出 需要的零件。1908 年，穿孔的金属薄片互换式数据载体问世；19 世纪末，以纸 为数据载体并具有辅助功能的控制系统被发明；1938 年，香农在美国麻省理工 学院进行了数据快速运算和传输，奠定了现代计算机，包括计算机数字控制系 统的基础。数控技术是与机床控制密切结合发展起来的。1952 年第一台数控机 床问世后，数控系统已经先后经历了两个阶段和六代的发展，其六代是指电子 管、晶体管、集成电路、小型计算机、微处理器和基于工控 PC 机的通用 CNC 系统。其中前三代为第一阶段，称作为硬件连接数控，简称 NC 系统；后三代 为第二阶段，乘坐计算机软件数控，简称 CNC 系统。 第 1 章 引言 -3- 1.2 复合轴类零件概述 1.2.1 轴类零件的功用与结构特性 轴类零件是机器中经常遇到的典型零件之一。它在机械中主要用于支承齿 轮、带轮、凸轮以及连杆等传动件，以传递扭矩。按结构形式不同，轴可以分 为阶梯轴、锥度心轴、光轴、空心轴、曲轴、凸轮轴、偏心轴、各种丝杠等。 它主要用来支承传动零部件，传递扭矩和承受载荷。轴类零件是旋转体零件， 其长度大于直径，一般由同心轴的外圆柱面、圆锥面、内孔和螺纹及相应的端 面所组成。根据结构形状的不同，轴类零件可分为光轴、阶梯轴、空心轴和曲 轴等。 轴的长径比小于 5 的称为短轴，大于 20 的称为细长轴，大多数轴介于两者 之间。 本论文所加工的零件典型轴类零件则属于阶梯轴。 1.2.2 轴类零件的工艺制定要求 轴类零件中工艺规程的制订，直接关系到工件质量、劳动生产率和经济效 益。一零件可以有几种不同的加工方法，但只有某一种较合理，在制订机械加 工工艺规程中，须注意以下几点。 1）粗基准选择：有非加工表面，应选非加工表面作为粗基准。对所有表面 都需加工的铸件轴，根据加工余量最小表面找正。且选择平整光滑表面，让开 浇口处。选牢固可靠表面为粗基准，同时，粗基准不可重复使用。 2）精基准选择：要符合基准重合原则，尽可能选设计基准或装配基准作为 定位基准。符合基准统一原则。尽可能在多数工序中用同一个定位基准。尽可 能使定位基准与测量基准重合。选择精度高、安装稳定可靠表面为精基准。 工艺规程制订得是否合理，直接影响工件的质量、劳动生产率和经济效益。 一个零件可以用几种不同的加工方法制造，但在一定的条件下，只有某一种方 法是较合理的。 1.3 论文主要内容 本文选取典型、具有代表性的复合轴类零件作为研究对象。从前期的设计 （零件图纸）开始对其进行工艺过程的规划与盘点。之后提出实际生产加工时 应注意的问题，包括用到的设备、工具、夹具等。最后对选定的零件进行数控 编程设计并讨论编程步骤中的改进优化。 华北理工大学迁安学院 -4- 1.4 本章小结 本章主要介绍了数控加工的概念、特点与技术发展趋势，复合轴类零件的 功用、结构、制造工艺要求。最后说明本篇论文主要论述的方向和问题。 第 2 章 轴类零件选取与零件图审阅 -5- 第 2 章 轴类零件选取与零件图审阅 2.1 轴类零件选取 在工业产品中，轴类零件适用于一个或多个数控基床加工零件维护操作中。 轴类零件是五金配件中经常遇到的典型零件之一，它主要用来支承传动零部件， 传递扭矩和承受载荷，按轴类零件结构形式不同，一般可分为光轴、阶梯轴和 异形轴三类；或分为实心轴、空心轴等。 我国各类轴零件行业出货量如下图表所示（摘自中国轴类零件行业发展 研究报告 ） （图 2.1） 根据上图可以很明显的看出。阶梯轴在我国整个轴类零件中占的比重是最 大的。所以本篇论文就选择此类复合轴作为研究对象。 2.2 轴类零件图审阅 2.2.1 轴类零件图 本篇论文研究的轴类零件图如下： 1）CAD 绘制平面图 （图 2.2） 华北理工大学迁安学院 -6- 2）Pro/E 绘制平面图 （图 2.3） 2.2.2 轴类零件组成与加工顺序 该零件的总长度为 131.06。从左到右依次加工工序为：端面、螺纹、退刀 槽、外圆、锥度外圆、弧度外圆。 2.2.3 零件图审阅注意事项 在车削加工中手工编程时，要计算每个节点坐标；在自动编程时，要对构 成零件轮廓所有几何元素进行定义。因此在分析零件图时应注意： 1）零件图上是否漏掉某尺寸，使其几何条件不充分，影响到零件轮廓的构 成； 2）零件图上的图线位置是否模糊或尺寸标注不清，使编程无法下手； 3）零件图上给定的几何条件是否不合理，造成数学处理困难； 4）零件图上尺寸标注方法应适应数控车床加工的特点，应以同一基准标注 尺寸或直接给出坐标尺寸。 与此同时还要确定以下几点是否符合要求： 1）尺寸精度要求：分析零件图样尺寸精度的要求，以判断能否利用车削工 艺达到，并确定控制尺寸精度的工艺方法。在该项分析过程中，还可以同时进 行一些尺寸的换算，如增量尺寸与绝对尺寸及尺寸链计算等。在利用数控车床 车削零件时，常常对零件要求的尺寸取最大和最小极限尺寸的平均值作为编程 的尺寸依据。 2）形状和位置精度要求：零件图样上给定的形状和位置公差是保证零件精 度的重要依据。加工时，要按照其要求确定零件的定位基准和测量基准，还可 以根据数控车床的特殊需要进行一些技术性处理，以便有效的控制零件的形状 和位置精度。 3）表面粗糙度要求：表面粗糙度是保证零件表面微观精度的重要要求，也 第 2 章 轴类零件选取与零件图审阅 -7- 是合理选择数控车床、刀具及确定切削用量的依据。 4）材料与热处理要求：零件图样上给定的材料与热处理要求，是选择刀具、 数控车床型号、确定切削用量的依据。 2.3 本章小结 本章说明了为何要选取阶梯轴作为论文的研究对象。同时附上所选零件的 CAD、Pro/E 图纸。介绍零件各部分的组成以及加工顺序与零件图审阅的注意 事项。 华北理工大学迁安学院 -8- 第 3 章 复合轴类零件加工工艺 3.1 轴类零件加工技术要求 尺寸精度轴类零件的主要表面常为两类，一类是与轴承的内圈配合的外圆 轴颈，即支承轴颈，用于确定轴的位置并支承轴，尺寸精度要求较高，通常为 IT5IT7；另一类为与各类传动件配合的轴颈，即配合轴颈，其精度稍低，通 常为 IT6IT9。 几何形状精度主要指轴颈表面、外圆锥面、锥孔等重要表面的圆度、圆柱 度。其误差一般应限制在尺寸公差范围内，对于精密轴，需在零件图上另行规 定其几何形状精度。 相互位置精度包括内、外表面，重要轴面的同轴度、圆的径向跳动、重要 端面对轴心线的垂直度、端面间的平行度等。该典型轴类零件外圆相互位置精 度为 0.020.04 之间，圆的径向跳动为 0.02，端面与轴心线保持垂直，两端端 面要保持平行。孔的表面与外表面也应保持平行。 轴的加工表面都有粗糙度的要求，一般根据加工的可能性和经济性来确定。 在加工该轴类零件时，需采用粗车与精车结合的方法，在粗加工零件表面 轮廓时，必须保证 0.5mm 的精加工余量，必要时需使用刀偏表，对刀具进给时 进行误差的控制，有效地减小误差，方能确定该零件在加工精度方面的各种要 求。 3.2 数控加工工艺内容选择 数控车床与普通车床相比，具有加工精度高、加工零件的形状复杂、加工 范围广等特点。但是数控车床价格较高，加工技术较复杂。球头轴零件可分为 粗车、半精车和精车等阶段。一般分为： 1）车削外圆。车削外圆是最常见、最基本的车削方法使用各种不同的车刀 车削中小型零件外圆(包括车外回转槽)的方法。其中，左偏刀主要用于需要从 左向右进给，车削右边有直角轴肩的外圆以及右偏刀无法车削的外圆。 2）车削内圆。车削内圆(孔)是指用车削方法扩大工件的孔或加工空心工件 的内表面。这也是常用的车削加工方法之一。常见的车孔方法在车削盲孔和台 阶孔时，车刀要先纵向进给，当车到孔的根部时再横向进给，从外向中心进给 车端面或台阶端面。 3）车削平面。车削平面主要指的是车端平面(包括台阶端面)，常见的方法 是用左偏刀车削平面，可采用较大背吃刀量，切削顺利，表面光洁，大、小平 面均可车削使用 90左偏刀从外向中心进给车削平面，适用于加工尺寸较小的 平面或一般的台阶端面用 90左偏刀从中心向外进给车削平面，适用于加工中 第 3 章 复合轴类零件加工工艺 -9- 心带孔的端面或一般的台阶端面使用右偏刀车削平面，刀头强度较高，适宜车 削较大平面，尤其是铸锻件的大平面。 4）车削锥面。锥面可分为内锥面和外锥面，可以分别视为内圆、外圆的一 种特殊形式。内外锥面具有配合紧密、拆卸方便、多次拆卸后仍能保持准确对 中的特点，广泛用于要求中准确和需要经常拆卸的配合件上。在普通车床上加 工锥面的方法有小滑板转位法、尾座偏移法、靠模法和宽刀法等，小滑板转位 法主要用于单件小批量生产，内外锥面的精度较低，长度较短(100mm)；尾 座偏移法用于单件或成批生产轴类零件上较长的外锥面；靠模法用于成批和大 量生产较长的内外锥面；宽刀法用于成批和大量生产较短(20mm)的内外锥面。 5）车削螺纹。在普通车床上一般使用成形车刀来加工螺纹，加工普通螺纹、 方牙螺纹梯形螺纹和模数螺纹时使用的成形车刀。 6）车削台阶、槽。 在选择时，按如下顺序考虑： 1）通用机床无法加工的内容应作为优先选择的内容； 2）通用机床难加工，质量也难保证的内容应作为重点选择的内容； 3）通用机床加工效率低、工人手工操作劳动强度大的内容，可在数控机床 尚存在富裕加工能力时选择。 工艺规程是指导施工的技术文件。一般包括以下内容：零件加工的工艺路 线，各工序的具体加工内容，切削用量、工时定额以及所采用的设备和工艺装 备等。 工艺规程的主要内容如下： 1）产品特征，质量标准； 2）原材料、辅助原料特征及用于生产应符合的质量标准； 3）生产工艺流程； 4）主要工艺技术条件、半成品质量标准； 5）生产工艺主要工作要点； 6）主要技术经济指标与成品质量指标的检查项目及次数； 7）工艺技术指标的检查项目及次数； 8）专用器材特征及质量标准。 3.3 工艺过程分类 在生产过程中，那些与有原材料转变为产品直接相关的过程称为工艺过程。 它包括毛坯制造、零件加工、热处理、质量检验和机器装配等。而为保证工艺 过程正常进行所需要的刀具、夹具制造，机床调整维修等则属于辅助过程。在 工艺过程中，以机械加工方法按一定顺序逐步地改变毛坯形状、尺寸、相对位 置和性能等，直至成为合格零件的那部分过程称为机械加工工艺过程。 为了便于工艺规程的编制、执行和生产组织管理，需要把工艺过程划分为 不同层次的单元。它们是工序、安装、工位、工步和走刀。其中工序是工艺过 华北理工大学迁安学院 -10- 程中的基本单元。零件的机械加工工艺过程由若干个工序组成。在一个工序中 可能包含有一个或几个安装，每一个安装可能包含一个或几个工位，每一个工 位可能包含一个或几个工步，每一个工步可能包括一个或几个走刀。具体包括： 1）工序； 2）安装； 3）工位； 4）工步； 5）走刀。 3.4 确定加工方法 加工方法的选择原则是保证加工表面的精度和表面粗糙度的要求，由于获 得同一级精度及表面粗糙度的加工方法一般有许多，因而在实际选择时，要结 合零件的形状、尺寸大小和形位公差等要求全面考虑。 通过以上数据分析，考虑加工的效率和加工的经济性，最理想的加工方式 为车削、铣削和钻床，根据加工零件的外形和材料等条件，故加工设备采用数 控车床、普通铣床、钻床。 3.5 确定加工方案 零件上比较精密表面加工，常常是通过粗加工、半精加工和精加工逐步达 到的。对这些表面仅仅根据质量要求选择相应的最终加工方法是不够的，还应 正确的确定毛坯到最终成形的加工方案。 此零件精度要求不是很高采用尽可能少的加工方法，可通过三爪直接装夹 的加工方法。先加工外螺纹，再掉头装夹加工所有外圆部分。 3.6 工序划分 数控加工的工序划分通常按下列方法进行： 1）刀具集中分序法 就是按所用刀具划分工序，用同一把刀具加工完零件 上所有可以完成的部位。在用第二把刀、第三把完成它们可以完成的其它部位。 这样可减少换刀次数,压缩空程时间，减少不必要的定位误差。 2）以加工部位分序法 对于加工内容很多的零件，可按其结构特点将加工 部分分成几个部分，如内形、外形、曲面或平面等。一般先加工平面、定位面， 后加工孔；先加工简单的几何形状，再加工复杂的几何形状；先加工精度较低 的部位，再加工精度要求较高的部位。 第 3 章 复合轴类零件加工工艺 -11- 3）以粗、精加工分序法 对于易发生加工变形的零件，由于粗加工后可能 发生的变形而需要进行校形，故一般来说凡要进行粗、精加工的都要将工序分 开。 综上所述，在划分工序时，一定要视零件的结构与工艺性，机床的功能， 零件数控加工内容的多少，安装次数及本单位生产组织状况灵活掌握。另建议 采用工序集中的原则还是采用工序分散的原则，要根据实际情况来确定，但一 定力求合理。而本文中的零件则需采用第二种方法，即“以加工部位分序法” ， 该零件由螺纹、圆锥、槽、圆弧、镗孔五部分组成，分别用不同的加工刀具， 所以用这种分序法最为合适。运用编制加工工艺过程卡与工序卡的方式来叙述 本零件的加工，显得简易明了，通俗易懂，是数控加工本零件的必然要求。 3.7 工艺过程卡 产品 名称 图号 复合轴类零件 机械加工 工艺卡零件 名称 共 1 页第 1 页 毛坯种类圆钢材料牌号45 号钢毛坯尺寸55mm*133mm 工具 序 号 工种工步工艺内容备注夹 具 刀具量具 1下料55x133 卡 盘 2粗车一端面、外圆 3 车端面、 外圆精车一端面、外圆 外圆刀 4粗车圆锥 5 车圆锥 精车圆锥 外圆车 刀 6粗车螺纹 7 车螺纹 精车螺纹 螺纹刀 8粗车车槽 9 车槽 精车车槽 切槽刀 10粗车圆弧 11 车 床 圆弧插补 精车圆弧 三 爪 卡 盘 尖刀 游标 卡尺、 千分 尺 3.8 螺纹加工工艺 数控车床对普通螺纹的加工需要一系列尺寸，普通螺纹加工所需的尺寸计 算分析主要包括以下两个方面： 华北理工大学迁安学院 -12- 1）螺纹加工前工件直径：考虑螺纹加工牙型的膨胀量，螺纹加工前工件直 径 D/d0.1P，即螺纹大径减 0.1 螺距，一般根据材料变形能力小取比螺纹大径 小 0.1 到 0.5。 2）螺纹加工进刀量：螺纹加进刀量可以参考螺纹底径，即螺纹刀最终进刀 位置。螺纹小径为：大径倍牙高；牙高=0.54P（P 为螺距） 。螺纹加工的进 刀量应不断减少，具体进刀量根据刀具及工作材料进行选择。 在目前的数控车床中，螺纹切削一般有三种加工方法：G32 直进式切削方 法、G76 斜进式切削方法和 G82 直进式切削方法，由于切削方法的不同，编程 方法不同，造成加工误差也不同。我们在操作使用上要仔细分析，争取加工出 精度高的零件。 螺纹加工完成后可以通过观察螺纹牙型判断螺纹质量及时采取措施，当螺 纹牙顶未尖时，增加刀的切入量反而会使螺纹大径增大，增大量视材料塑性而 定，当牙顶已被削尖时增加刀的切入量则大径成比例减小，根据这一特点要正 确对待螺纹的切入量，防止报废。 3.9 提高加工效率的方法 1）在装夹可靠的情况下切削量和走刀速度可以大一些； 2）因为是三爪夹盘，尽量提高找正速度；章 3）在单件加工时，用试切法比较多，对简单形状，可利用机床的手动方式 试切，在用程序加工时在使用自动运转方式。对简单的台阶轴直径相差较大， 孔的预制、粗镗和车端面可用 MDI-B 方式和手动方式来完成。这样可以简化程 序的编制如 CB-03-02 图在加工右端时，粗钻孔和粗车直径时都可以手动操作， 注意要留适当的余量在精加工时完成； 4）合理的安排刀位，减少对刀次数，减少装刀次数； 5）加工时简单程序和复合加工程序结合； 6）合理安排加工工步； 7）尽量采用组合加工，减少装夹次数，减少编制程序，减少对刀、减少测 量次数、减少辅助时间。 3.10 本章小结 本章从复合轴类零件工艺加工角度进行了系统性的论述。先说明轴类零件 加工的相关技术要求，其后依次说明加工工艺内容的选择、工艺过程分类、如 何确定加工方法和加工方案、工序划分、工艺过程卡，还说明了本次复合轴类 零件所涉及到的螺纹加工工艺。最后论述如何提高零件的加工效率。下一章开 始进行数控加工及其编程的讲解。 第 3 章 复合轴类零件加工工艺 -13- 华北理工大学迁安学院 -14- 第 4 章 复合轴类零件数控加工及编程 4.1 数控机床组成及原理 数控机床的组成如图： （图 4.1） （注：其中数控装置、伺服驱动装置、辅助控制装置、检测反馈装置又合称 为数控系统。 ） 数控机床既不同于自动化的程序控制专用机床和仿形机床，也不同于手工操 作的通用机床。它实际上是可编程的、具有坐标控制功能和顺序逻辑控制功能 的柔和自动化通用机床。在加工不同的零件时要根据不同的零件的图样要求编 制相应的数控加工程序，输入数控机床则可加工出不同的零件。 4.2 数控机床特性 加工方式上的特点如下： 1）可以加工具有复杂型面的工件； 2）加工精度高，质量稳定； 3）数生产率高； 4）自动化程度高； 5）有利于生产管理现代化； 6）良好的经济效益； 功能上的特点如下： 1）控制功能：CNC 系统能控制的轴数和能同时控制（联动）的轴数是其主 要性能之一。控制轴有移动轴和回转轴，有基本轴和附加轴。通过轴的联动可 以完成轮廓轨迹的加工。 2）准备功能：准备功能也称 G 指令代码，它用来指定机床运动方式的功能， 包括基本移动、平面选择、坐标设定、刀具补偿、固定循环等指令。 3）插补功能：CNC 系统是通过软件插补来实现刀具运动轨迹控制的。由于 第 4 章 复合轴类零件数控加工及编程 -15- 轮廓控制的实时性很强，软件插补的计算速度难以满足数控机床对进给速度和 分辨率的要求，同时由于 CNC 不断扩展其他方面的功能也要求减少插补计算所 占用的 CPU 时间。 4）进给功能：根据加工工艺要求，CNC 系统的进给功能用 F 指令代码直接 指定数控机床加工的进给速度。包括：切削进给速度、同步进给速度、进给倍 率。 5）主轴功能：主轴功能就是指定主轴转速的功能。包括：转速的编码方式、 指定恒定线速度、主轴定向准停。 6）辅助功能：辅助功能用来指定主轴的启、停和转向；切削液的开和关； 刀库的启和停等，一般是开关量的控制，它用 M 指令代码表示。 7）刀具功能：刀具功能用来选择所需的刀具，刀具功能字以地址符 T 为首， 后面跟二位或四位数字，代表刀具的编号。 8）补偿功能：补偿功能是通过输入到 CNC 系统存储器的补偿量，根据编程 轨迹重新计算刀具的运动轨迹和坐标尺寸，从而加工出符合要求的工件。主要 有以下几个种类：刀具的尺寸补偿、丝杠的螺距误差补偿和反向间隙补偿或者 热变形补偿。 9）字符、图形显示功能：CNC 控制器可以配置单色或彩色 CRT 或 LCD， 通过软件和硬件接口实现字符和图形的显示。 10）自诊断功能：为了防止故障的发生或在发生故障后可以迅速查明故障的 类型和部位，以减少停机时间，CNC 系统中设置了各种诊断程序。 11）通信功能。 12）人机交互图形编程功能：为了进一步提高数控机床的编程效率，对于 NC 程序的编制，特别是较为复杂零件的 NC 程序都要通过计算机辅助编程，尤 其是利用图形进行自动编程，以提高编程效率。 4.3 数控加工刀具选择 数控加工刀具的种类如下： 从结构上可分为整体式 镶嵌式 减振式 内冷式 特殊型式； 从制造所采用的材料上可分为高速钢刀具 硬质合金刀具 陶瓷刀具 立方氮化硼刀具 金刚石刀具； 从切削工艺上可分为车削刀具钻削刀具镗削刀具； 本论文所述零件在加工时使用的刀具为： T0101左偏刀 T02023mm 切断刀 T0303外螺纹刀 T0404圆弧刀 4.4 数控加工夹具选择 数控加工对夹具主要有两大要求：一是夹具应具有足够的精度和刚度；二是 夹具应有可靠的定位基准。选用夹具时，通常考虑以下几点： 1）尽量选用可调整夹具、组合夹具及其它通用夹具，避免采用专用夹具， 以缩短生产准备时间； 华北理工大学迁安学院 -16- 2）在成批生产时才考虑采用专用夹具，并力求结构简单； 3）装卸工件要迅速方便，以减少机床的停机时间； 4）夹具在机床上安装要准确可靠，以保证工件在正确的位置上加工。 本次设计采用普通的三爪自动定心卡盘，其工作效率高，使用方便、准确度 高。 4.5 数控加工零件安装 数控机床上零件的安装方法与普通机床一样，要合理选择定位基准和夹紧方 案，注意以下两点： 1）力求设计、工艺与编程计算的基准统一，这样有利于编程时数值计算的 简便性和精确性； 2）尽量减少装夹次数，尽可能在一次定位装夹后，加工出全部待加工表面。 4.6 数控加工切削用量确定 切削用量包括主轴转速（切削速度） 、背吃刀量、进给量。对于不同的加工 方法，需要选择不同的切削用量，并编入程序单内。切削用量的选择原则是： 保证零件加工精度和表面粗糙度，充分发挥刀具切削性能，保证合理的刀具耐 用度；并充分发挥机床的性能，最大限度提高生产率，降低成本。 1）背吃刀量 ap：在工艺系统刚度和机床功率允许的情况下，尽可能选取较 大的背吃刀量，以减少进给次数。当零件精度要求较高时，则应考虑留出精车 余量，其所留的精车余量一般比普通车削时所留余量小，常取 0.10.5。 2）进给量 f：进给量 f 的选取应该与背吃刀量和主轴转速相适应。在保证工 件加工质量的前提下，可以选择较高的进给速度（2000/min 以下） 。粗车时， 一般取 f=0.30.8/r，精车时常取 f=0.10.3/r，切断时 f=0.050.2/r。 3）主轴转速：光车外圆时主轴转速应根据零件上被加工部位的直径，并按 零件和刀具材料以及加工性质等条件所允许的切削速度来确定。车削螺纹时， 车床的主轴转速将受到螺纹的螺距 P（或导程）大小、驱动电机的升降频特性， 以及螺纹插补运算速度等多种因素影响，故对于不同的数控系统，推荐不同的 主轴转速选择范围。 在本文所论述零件的加工中，切削进给量统一为 1mm。实际加工时，可根 据具体加工用料情况适度增加以提高生产效率。 4.7 数控加工坐标系统 机床的坐标系统，包括所有实际存在的机床轴。参考点、刀具和托盘交换点 由机床坐标系确定。机床坐标系包括坐标系、坐标原点、运动方向。实际编程 中使用的坐标分为绝对坐标和相对坐标两类。 第 4 章 复合轴类零件数控加工及编程 -17- （图 4.7） 4.8 编制加工工序卡 数控加工工序卡 零件名称典型轴类零件图号 01 夹具名称卡盘 设备名称及型号数控车床 CA6140A 材料名 称及牌 号 45 号钢硬度 HRC68 工序名称车圆弧工序号 1 切削用量刀具量具工 步 号 工步内容 nfap 编号名称名称 1 粗车端面 500 02 2T0101 外圆车刀游标卡尺 2 精车端面 800 01 1T0101 外圆车刀千分尺 3 粗车外圆 500 02 2T0101 外圆车刀游标卡尺 4 精车外圆 800 01 1T0101 外圆车刀千分尺 华北理工大学迁安学院 -18- 5 粗车圆弧 500 02 2T0404 尖刀游标卡尺 6 精车圆弧 800 01 1T0404 尖刀千分尺 数控加工工序卡 零件名称典型轴类零件图号 02 夹具名称卡盘 设备名称及型号数控车床 CA6140A 材料名称 及牌号 45 号钢硬度 HRC68 工序名称加工圆锥工序号 2 切削用量刀具量具 工步 号 工步内容 nfap 编号名称名称 1 粗车外圆 500 02 2T0101 外圆车刀游标卡尺 2 精车外圆 800 01 1T0101 外圆车刀千分尺 3 粗车圆锥 500 02 2T0101 外圆车刀游标卡尺 4 精车圆锥 800 01 1T0101 外圆车刀千分尺 第 4 章 复合轴类零件数控加工及编程 -19- 数控加工工序卡 零件名称典型轴类零件图号 03 夹具名称卡盘 设备名称及型号数控车床 CA6140A 材料名 称及牌 号 45 号钢硬度 HRC68 工序名称切槽工序号 3 切削用量刀具量具工 步 号 工步内容 nfap 编号名称名称 1 车槽（粗车） 300 02 2T0202 切槽 刀 游标卡尺 华北理工大学迁安学院 -20- 数控加工工序卡 零件名称典型轴类零件图号 04 夹具名称卡盘 设备名称及型号数控车床 CA6140A 材料名称及牌号 45 号 钢 硬度 HRC68 工序名称加工螺纹工序号 4 切削用量刀具量具 工步号工步内容 nfap 编号名称名称 1 粗车端面 500 02 21T0101 游标卡尺 2 精车端面 800 01 11T0101 千分尺 3 粗车外圆 500 02 21T0101 游标卡尺 4 精车外圆 800 01 11T0101 千分尺 5 粗车螺纹 500 02 23T0303 游标卡尺 6 精车螺纹 800 01 13T0303 千分尺 第 4 章 复合轴类零件数控加工及编程 -21- 4.9 加工中的难点与解决办法 1）螺纹切削说明：螺纹切削应注意在两端设置足够的升速进刀段和降速退 刀段，以剔除两端因变速而出现的非标准螺距的螺纹段； 在螺纹切削过程 中，进给速度修调功能和进给暂停功能无效； 在螺纹加工过程中，不应该使 用恒线速控制功能； 从粗加工到精加工，主轴转速必须保持一致，否则螺距 将发生变化。 2）螺纹加工，当牙型较深，螺距较大时，可分数次进给