（机械制造及其自动化专业论文）数控磨削加工精度分布研究.pdf

ad i s s e r t a t i o ni nm e c h a n i c a lm a n u f a c t u r i n ga n da u t o m a t i o n y l 8 4 10 1 2 l h m 氆融 l | m 嘲 r e s e a r c ho np r e c i s i o nd i s t r i b u t i o no f n u m e r i c a lc o n t r o lg r i n d i n g b yd o n gy o n g s u p e r v i s o r ：p r o f e s s o rg o n gy a d o n g n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y f e b r u a r y2 0 0 8 独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取 得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人已经发表或撰 写过的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我 一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明 并表示谢意。 2 。 学位论文作者签名：锣；t 4 - e t 期：少观死夕 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位 论文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印 件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文 h 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 ( 如作者和导师不同意网上交流，请在下方签名；否则视为同意。) 学位论文作者签名： 签字日期： 导师签名： 签字日期： 一 e 一广l 、 十 东北大学硕士学位论文摘要 数控磨削加工精度分布研究 摘要 随着全球化的深入，中国以其特殊的优势成为世界工厂，为世界各地提供各种 类型的产品。制造业在其中担当最重要的角色。数控机床因为具有高精度，高效率， 能加工复杂型面，并且能改善劳动条件和降低劳动强度等优点，在制造加工行业越 来越普及。数控机床的种类也f i 益繁多，几乎涵盖了加工的各个领域。相对于传统 机床加工零件具备系统的误差统计方法和结论，在数控条件下加工出的零件精度分 布却鲜有人研究，也没有现成的精度分布理论为数控加工生产提供参考和依据。本 课题就是基于这种现状提出的。 通过在m k s l 3 2 0 数控外圆磨床上进行三因素三水平正交试验，得到在磨削深 度、工件转速和纵磨轴向进给速度这三个因素的不同水平组合条件下，试验件的加 工精度数据，包括加工误差和表面质量精度两大类。其中加工误差分为尺寸误差和 形位误差，表面质量考虑了表面粗糙度和磨削表面金相组织的变化。 尺寸误差考虑了外圆表面的直径误差，形位误差考虑了磨削试验件外圆的圆度、 同轴度和偏心圆的轮廓度误差。直径通过数显千分尺测量获得，采用直观分析法分 析直径和各因素的关系，各因素的主次及最佳因素的组合；采用分布图分析法统计 了直径在不同因素组合条件下的分布，分析了误差产生原因。采用分度头装央试验 件分度，用数显千分表测量外圆轮廓数据，通过m a t l a b 语言画出待测外圆截面轮廓， 以最小二乘法评定圆度，得出试验件外圆圆度，同轴度和偏心圆轮廓度，统计这三 种形位误差的分布及各因素组合对分布的影响，分析分布产生原因。采用t r 2 1 0 粗 糙度仪检测试件表面粗糙度，采用直观分析法分析粗糙度和各因素的关系，各因素 的主次及最佳因素的组合；统计了粗糙度在各因素影响下的分布规律。利用三坐标 轮廓仪观测磨削表面不同三维形貌，分析形貌差异产生原因，及对零件的表面强度、 表面硬度、耐磨性等主要方面的影响。就磨削试验中出现的颤振问题进行了分析， 并对相应表面的三维形貌运用三座标轮廓仪进行捕捉，继而通过磨削机理对产生的 现象进行了分析。 关键词：正交试验；数控磨削；尺寸精度；形位精度；表面精度；精度分布 一 ， - 一 、 _ q 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t r e s e a r c ho np r e c i s i o nd i s t r i b u t i o no f n u m e r i c a lc o n t r o lg r i n d i n g a bs t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fg l o b a l i z a t i o n ，c h i n ah a sb e c o m e “f a c t o r yo ft h ew o r l d b y h e r s p e c i a la d v a n t a g e ，a n dp r o v i d e s a l lk i n d so f p r o d u c t s f o rt h ew h o l ew o r l d m a n u f a c t u r i n gi n d u s t r yp l a y st h em o s ti m p o r t a n tr o l e n u m e r i c a lc o n t r o l ( n c ) m a c h i n e s h a v eb e e nm o r ea n dm o r ep o p u l a rf o rt h e i rh i g hp r e c i s i o n ，h i g he f f i c i e n c y , a b i l i t yo f m a n u f a c t u r i n gd i f f i c u l ts u r f a c e ，i m p r o v i n gl a b o re n v i r o n m e n ta n dr e d u c i n gw o r k i n g i n t e n s i t y n cm a c h i n e sh a v em o r ea n dm o r es o r t s ，n e a r l ya l lf i e l d si nm a n u f a c t u r ea r e c o v e r e d c o m p a r e d t ot h et r a d i t i o n a lm a c h i n e s ，w h i c hh a v et h e i ro w n s y s t e m a t i c m e t h o d sa n dr e s u l t sf o re r r o rs t a t i s t i c s ，f e wp e o p l eh a v es p e n dt i m eo nt h ep a r t sp r e c i s i o n d i s t r i b u t i o nu n d e rn c m a n u f a c t u r i n ge n v i r o n m e n t t h a t sw h y t h es u b j e c ti sp u tu p b ym e a n so ft h et h r e ef a c t o r sa n dt h r e el e v e l so r t h o g o n a lt e s th e l do nt h en c c i r c l e r g r i n d i n g m a c h i n e s t y l e db ym k s l 3 2 0 ，t e s t e dp a r t sp r e c i s i o nd a t a ( i n c l u d i n g m a n u f a c t u r i n g e r r o ra n ds u r f a c eq u a l i t y ) a r e g o t u n d e rd i f f e r e n tl e v e l so ft h r e e f a c t o r s ( i n c l u d i n gg r i n d i n gd e p t h ，w o r k p i e c e s r o t a t i o n s p e e da n d f e e d s p e e d o f l o n g i t u d i n a lg r i n d i n g ) 。m i s m a c h i n i n gt o l e r a n c ei n c l u d e sd i m e n s i o nt o l e r a n c ea n ds h a p e a n dp o s i t i o nt o l e r a n c e ，s u r f a c eq u a l i t ym e n t i o n sr o u g h n e s sa n dc h a n g eo fm e t a l l u r g i c a l s t r u c t u r eo ng r i n d i n gs u r f a c e d i m e n s i o nt o l e r a n c em e n t i o n sd i a m e t e re r r o r , s h a p ea n dp o s i t i o nt o l e r a n c ei n c l u d e s r o u n d n e s s ，c o a x i a l i t y , p r o f i l et o l e r a n c eo ft h ee c c e n t r i cc i r c l e d i a m e t e r sa r et e s t e db y d i g i m a t i cm i c r o m e t e r d i r e c t - v i s i o nm e t h o di s u s e dt oa n a l y s i s r e l a t i o n s h i pb e t w e e n d i a m e t e r sa n df a c t o r s ，a n a l y s i sw h i c ht h em a i nf a c t o ri sa n dw h i c ht h eb e s tc o m p o s i t e f a c t o r sa r e d i s t r i b u t i o nm a pm e t h o di su s e dt og e tt h ed i s t r i b u t i o no fd i a m e t e r su n d e r d i f f e r e n tf a c t o r sa n df i n dt h er e a s o n e x c i r c l e p r o f i l ed a t a a r et e s t e db y d i g i m a t i c m i c r o m e t e ra f t e rt h ew o r k p i e c ei sh e l db yd i v i d i n gh e a d e x c i r c l ep r o f i l ei sd r e wb y s o f t w a r en a m e dm a t l a b l e a s ts q u a r em e t h o di su s e dt oc a l c u l a t et h er o u n d n e s s ， - v - 东北大学硕士学位论文a b s t r a c t c o a x i a l i t y , a n dp r o f i l et o l e r a n c e t h e s et h r e ek i n d so ft o l e r a n c e si ss t a t i s t i c a la n df i n dt h e e f f e c to nf a c t o r sc o m p o s i t e ，a sw e l la st h er e a s o n s r o u g h n e s si sm e a s u r e db yt r 2 1 0 r o u g h n e s sm e a s u r i n gi n s t r u m e n t d i r e c t v i s i o nm e t h o di su s e dt oa n a l y s i sr e l a t i o n s h i p b e t w e e nd i a m e t e r sa n df a c t o r s ，a n a l y s i sw h i c ht h em a i nf a c t o ri sa n dw h i c ht h eb e s t c o m p o s i t e f a c t o r sa r e d i s t r i b u t i o nm a pm e t h o di su s e dt o g e t t h ed i s t r i b u t i o no f d i a m e t e r s u n d e rd i f f e r e n t f a c t o r sa n df i n dt h er e a s o n g r i n d i n g s u r f a c e s t h r e e - c o o r d i n a t e sa r em e a s u r e db yt h r e e c o o r d i n a t ep r o f i l em e a s u r i n gm a c h i n e f i n dt h e ， r e a s o no fd i f f e r e n tp a t t e r n sa n dt h ee f f e c t so nw o r k p i e c e ss u r f a c ei n t e n s i t y , s u r f a c e h a r d n e s s ，a b r a d a b i l i t y , a n ds oo n a n a l y s i st h ec h a t t e r i n ga n dg r i n d i n gb u r np h e n o m e n o n ， s n a pt h et h r e e - c o o r d i n a t e sb yt h r e e - c o o r d i n a t ep r o f i l em e a s u r i n gm a c h i n e ，t h e na n a l y s i s t h i sp h e n o m e n o nb yt h et h e o r yo fg r i n d i n g k e yw o r d s ：o r t h o g o n a lt e s t s ；n cg r i n d i n g ；d i m e n s i o nt o l e r a n c e ；s h a p ea n dp o s i t i o n t o l e r a n c e ；s u r f a c eq u a l i t y ；p r e c i s i o nd i s t r i b u t i o n - v 1 - ，j | 、 h 飞 东北大学硕士学位论文 目录 目录 独创性声明：i 摘要i i i a b s t r a c t v 第1 章绪论1 1 1 磨削加工概论1 1 1 1 磨削加工特点2 1 1 2 磨削加工过程3 1 2 数控磨削技术3 1 2 1 数控机床的组成5 1 2 2 数控机床的特点5 1 2 3 数控磨床的分类和坐标系7 1 3 课题研究背景及意义。：7 1 3 1 误差分布统计的意义8 1 3 2 误差分布统计的方法9 1 3 3 课题研究意义1 0 第2 章试验设计1 3 2 1 试验方案设计1 3 2 1 1 无重复正交试验方法的理论意义1 3 2 1 2 确定正交试验表1 5 2 2 检测项确定及试验件设计1 6 2 3 试验设备1 7 2 3 1 试验用磨床1 7 2 3 2 磨料种类的选择1 8 2 3 3 结合剂的选择1 8 2 3 4 砂轮的准备。1 9 2 3 5 磨削液的选择1 9 2 4 数控加工程序的编制及磨削加工2 0 2 4 1f a n u c0 i 系统特点2 0 2 4 2 用户宏程序2 1 2 4 3 编写试件磨削程序：2 2 东北大学硕士学位论文目录 第3 章尺寸精度的检测与分析2 5 3 1 直径检测与分析2 5 3 1 1 检测设备与检测项：2 5 3 1 2 数据统计与分析2 6 3 2 圆度误差检测与分析3 0 3 2 1 圆度误差检测技术概述3 0 3 2 2 本课题圆度检测设备3 1 3 2 3 圆度评定方法3 2 3 2 4 数据统计与分析3 3 3 3 同轴度误差检测与分析3 6 3 3 1 同轴度误差的含义及评定方法3 6 3 3 2 同轴度误差的检测3 6 3 3 3 数据统计和分析3 8 3 4 轮廓度误差检测与分析4 1 3 4 1 轮廓度的定义4 1 3 4 2 线轮廓度评定方法4 1 3 4 3 线轮廓度误差的检测4 3 3 4 4 数据整理与分析4 4 第4 章表面质量精度的检测与分析4 7 4 1 表面粗糙度的检测与分析4 7 4 1 1 表面粗糙度概述4 7 4 1 2 表面粗糙度的检测过程5 1 4 1 3 磨削参数对粗糙度的影响分析5 4 4 2 磨削表面三维形貌分析5 6 第5 章结论5 9 参考文献6 1 致谢6 5 i k 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 磨削加工概论 磨削加工是利用磨料作为切削工具去除材料的加工方法。 人类使用磨削这种加工技艺的历史可以追溯到远古时代。早在石器时代，原始 人类就很好的掌握了这项技术，他们通过将不同形状的石头在砂岩上打磨，制成他 们需要的生产工具和装饰品。人们通过研究出土的石器时代的文物，如石刀石斧之 类，发现当时原始人打磨工具的本领已经相当精湛。后来，随着青铜器和铁器的出 现，用磨料的加工技术得到了进一步的发展，主要运用在制造生产工具，兵器，以 及日用品等领域，古代铜镜的制造就运用了磨料研磨技术，获得的表面质量已让现 代人惊叹。 、 第一台外圆磨床出现在1 8 世纪中期，所用的磨具是用天然的石英石敲凿而成。 至此之后，磨床和磨料磨具获得高速发展，相继出现了天然磨料和粘土烧结成的砂 轮，随后平面磨床研制成功。1 9 0 1 年以后，出现了人工熔炼的氧化铝( 刚玉) 、碳化 硅磨料。2 0 世纪4 0 年代末期，人造会刚石问世。1 9 5 7 年研制成功立方氮化硼。超 硬磨料人造会刚石砂轮与立方氮化硼砂轮的应用及磨削技术的发展，使磨削加工精 度及加工效率不断提高，磨削加工应用范围同益扩大，磨削加工在产品整个加工过 程中的比重日益增大l 。 当今高速高效磨削、超高速磨削在欧洲、美国和日本等一些工业发达国家发展 很快，如德国的a a c h e n 大学、b r e m m 大学、美国的c o n n e c t i c u t 大学等，有的在实 验室完成了v s 为2 5 0 m s 、3 5 0 m s 、4 0 0 m s 的实验。据报道，德国a a c h e n 大学正在 进行目标为5 0 0 m s 的磨削实验研究。在实用磨肖0 方面，同本已有v s - - 2 0 0 m s 的磨 床在工业中应用。 我国对高速磨削及磨具的研究已有多年的历史，在7 0 年代末期便进行了8 0 m s 、 1 2 0 m s 的磨削工艺实验；前几年，也计划开展2 5 0 m s 的磨削研究。但有些高速磨 削技术还只是实验而已，尚未走出实验室，技术还远没有成熟，特别是超高速磨削 的研究还开展得很少。在实际应用中，砂轮线速度v s 一般还是4 5 6 0 m s 。 国内外都采用超精密磨削、精密修整、微细磨料磨具进行亚微米级以下切深磨 削的研究，以获得亚微米级的尺寸精度。微细磨料磨削，用于超精密镜面磨削的树 1 二 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 脂结合剂砂轮的金刚石磨粒平均直径可小至4 p m 。日本用激光在研磨过的人造单晶 金刚石上切出大量等高性一致的微小切刃，对硬脆材料进行精密磨削加工，效果很 好。超硬材料微粉砂轮超精密磨削主要用于磨削难加工材料，精度可达0 0 2 5 1 m 。 日本开发了电解在线修整( e l i d ) 超精密镜面磨削技术，使得用超细微( 或超微粉) 超 硬磨料制造砂轮成为可能，可实现硬脆材料的高精度、高效率的超精密磨削。作平 面研磨运动的双端面精密磨削技术，其加工精度、切除率都比研磨高得多，而且可 获得很高的平面度。电泳磨削技术也是一种新的超精密及纳米磨削技术【1 j 。 随着磨削技术的发展，磨床在加工机床中也占有相当大的比例。据1 9 9 7 年欧洲 机床展览会( e m o ) 的调查数据表明，2 5 的企业认为磨削是他们应用的最主要的加 工技术。磨床在企业中占机床的比例高达4 2 ，车床占2 3 ，铣床占2 2 ，钻床 占1 4 。可见，磨削技术及磨床在机械制造业中占有极其重要的位置。 1 1 1 磨削加工特点 磨削加工时，由于磨粒的特殊形状、尺寸以及在砂轮工作表面分布的随机特征 等，造成了磨削过程与一般切削过程的不同，其加工特点可表述为【3 l ： ( 1 ) 砂轮表面上同时参加切削的有效磨粒数不确定。砂轮工作表面的磨粒数很 多，相当于一把密齿刀具。据统计规律，不同粒度和硬度的砂轮，每平方厘米的磨 粒数约为6 0 - 1 4 0 0 颗。但是，在磨削过程中，仅有一部分磨粒起切削作用。另一部 分磨粒只在工作表面刻划出沟痕，还有一部分磨粒仅与工作表面划擦。根据砂轮的 特性及工作条件不同，有效磨粒约占表面总磨粒数的1 0 5 0 。 ( 2 ) 磨刃的i 角多是负前角。一般前角拖= 一1 5 。一6 0 。由研究可知，刚玉砂 轮经修整后的平均磨刃前角= 8 0 。，经过一段时问的磨削后，由于机械一热磨损的 缘故，使磨刃前角的中值变为丫。= 8 5 6 ，而且磨刃前角的分散范围变小，而且这样 大的负前角仍能切削出连续型切削。 ( 3 ) 一颗磨粒切下的磨削体积很小。磨削层厚度大约为1 0 。4 1 0 m m ，切下的体 积不大于1 0 0 1 0 。5 m m 3 ，约为铣削时每个刀齿所切下的1 4 0 0 0 - 1 5 0 0 0 。 ( 4 ) 磨削速度v 。很高。一般v 。= 1 5 - 8 0 m s ，因此，磨粒与被加工材料的接触时 间极短，约为1 0 4 1 0 。8 s 。在极短的时间内产生的大量磨削热使磨削区产生高温 ( 4 0 0 1 0 0 0 。) ，因而工件易烧伤，产生有害的残余拉应力，甚至产生裂纹。另外， 磨削高温也会使磨粒本身发生物理变化，造成氧化磨损和扩散磨损等，减弱了磨粒 的切削性能。 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 ( 5 ) 磨肖j j 加工的力比( 法向磨削力f n 与切向磨削力f t 之比) 值比较大，一般f 。f t - - 3 ，而车削的f d f 。值只有0 5 左右。 “ 1 1 2 磨削加工过程 磨削加工过程分为三个阶段【1 1 ，如图1 1 。第一阶段为滑擦阶段，该阶段内切削 刃与工件表面开始接触，工件系统仅仅发生弹性变形。随着切削刃切过工件表面， 进一步发生变形，因而法向力稳定地上升，摩 擦力及切向力也同时稳定增加，即该阶段内， 磨粒微刃不起切削作用，只是在工件表面滑擦。 第二阶段为耕犁阶段，在滑擦阶段，摩擦 逐渐加剧越来越多的能量转变为热。当金属 被加热到临界点逐步增加的法向应力超过了 随温度上升而下降的材料屈服应力时，切削刃 就被压入塑性机体中，经塑性变形的金属被推留 向磨粒的侧面及前方，最终导致表面的隆起。 这就是磨削中的耕犁作用，这种耕犁作用构成置 图1 1 磨削过程示意图了磨削过程的第二阶段。 f i g 1 1p r o c e s so f g r i n d i n g磨削过程的第三阶段即切屑形成阶段。在 滑擦和耕犁阶段中，磨粒并不产生磨屑。由此可见，要产生磨屑及切下金属存在毫 着一个临界磨削深度。此外还可以看到磨粒切削刃推动了金属材料的流动，使前方 隆起，两侧面形成沟壁，随后将有磨屑沿切削刃前面滑出。 1 2 数控磨削技术 数控技术( n c ) 是数字控制技术( n u m e r i c a lc o n t r 0 1 ) 的简称，是指用数字信号对机 床的运动及加工过程进行控制的技术。一般来说，采用数控技术的控制系统称为数 控系统( n c s ) ，安装了数控系统的机床称为数控机床。数控技术实质上是为了解决 复杂型面零件的加工自动化而产生的一种先进技术。1 9 4 8 年，美国p a r s o n s 公司 在研制加工直升飞机叶片轮廓用检查样板的机床时，首先提出了数控机床的设想， 并在麻省理工学院的协助下，于1 9 5 2 年试制成功了世界上第一台数控机床样机。后 又经三年时间的改进和自动程序编制的研究，1 9 5 5 年，数控机床进入实用阶段，市 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 场上出现了商品化数控机床。1 9 5 8 年美国k e a n e y & t r e c k 公司在世界上首先研 制成功了带有自动换刀装置的加工中心【4 】。 近十年来，各发达工业国家为了在激烈的全球经济竞争中占有一席之地，把先 进制造技术视为当代科技发展最为活跃的领域和国际间科技竞争的主要战场，并制 定了一系列制造业振兴计划，将其列为国家的关键技术和优先发展领域。可以说在 一 未来的竞争中，谁掌握了先进的制造技术谁就掌握了市场。而在先进制造领域中， 数控技术又成为其基础技术：它集传统的机械制造技术、计算机技术、成组技术与 一 现代控制技术、传感检测技术、信息处理技术、网络通讯技术、液压气动技术、光 机电技术于一体，它的广泛使用给机械制造业的生产方式、产业结构、管理方式带 来了深刻变化，它是制造业实现自动化、柔性化、集成化生产的基础。现代的 c a d c a m ，f m s ，c i m s 等都是建立在数控技术之上。离开数控技术，先进制造技 术就成了无本之木，它在国防现代化和国际商贸方面的关联效益和辐射能力更是难 以估计。它的发展和应用开创了制造业的新时代，使世界制造业的格局发生了巨大 变化：日本由于数控技术的高度发展而使其制造业迅速崛起、美国要挽回失去的地 位、欧洲要适应市场的需求。从而以数控技术为主要标志的现代制造技术成了 美国、日本、欧洲等工业发达国家竞争的焦点。 我国于1 9 5 8 年开始研制数控机床，到6 0 年代末7 0 年代初，简易的数控线切割 机已在生产中广泛使用。8 0 年代初，我国引进了先进的数控技术，使我国的数控机 床在质量和性能上都有了很大提高。从9 0 年代起，我国已向高档数控机床方向发展。 近几年来，我国的数控技术的研究和发展已取得了可喜的进展。前阶段，制造业的 研究大都集中于企业重组、并行工程、虚拟制造、敏捷制造等各种先进制造的概念 与方法上，偏重于企业管理、技术管理等方面。随着通用计算机在结构透明性、硬 件开放性、资源丰富性等方面的不断改善，数控向适用计算机即开放式体系结构方 向的发展也成为不可抗拒的潮流。我国的数控技术经过“六五 、“七五 、“八五 和“九五 等几十年的发展，基本上掌握了关键技术，建立了数控开发、生产基地，j 培养了一批数控人才，初步形成了自己的数控产业。尽管我国数控技术和数控产业 取得了相当大的成绩，但由于数控技术研究、开发、生产等环节的脱节，数控系统 生产厂与主机生产厂的脱节，数控系统生产与应用、推广、人才培训的脱节，以及 相关技术的限制，我国数控技术和数控产业与发达国家相比还有相当大的差距【7 j 。 在数控系统和数控机床的开发和普及方面，我国还有很长的路要走，。 4 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 1 2 1 数控机床的组成 ：，ro 数控机床是指通过数字化操作指令进行控制的一种机床：大都由机床主体、数 控装置、伺服驱动装置及控制器等几大部分构成。如图1 2 。 主轴控制 i 程序卜i 输入设备l + 计篁机控制可编程控机床 单元 装置制器主轴电机 输出 嵋一 c n c 装置 进给电机 速度控制 寸 jl 单元 惯罟枪测器 图1 2 数控机床结构示意图 f i g 。1 2s t r u c t u r eo fn cm a c h i n e 数控系统的核心是c n c 装置。c n c 系统是由程序、输入输出设备、计算机数 字控制装置( c n c 装置) 、可编程控制器( p l c ) 、主轴驱动和进给驱动装置等组成。硬掌 件由微处理器、存贮器、位置控制、输入输出接口、可编程控制器、图形控制、电 源等模块组成，软件则由系统软件和应用软件组成。在系统软件控制下，n c 装置 对输入的加工程序自动进行处理并发出相应的控制指令及进给控制信号，系统软件 由管理软件和控制软件组成。管理软件是指零件加工程序的输入输出、系统显示功 能和诊断能力。控制软件则包括译码处理、刀具补偿、插补运算、位量控制和速度、“ 控制。机床控制器( 可编程控制器) 主要用于实现对机床辅助功能m 、主轴转速功能s 和换刀功能t 的控制。伺服系统包括伺服控制线路、功率放大线路、伺服电动机等 执行装置，它接收计算机数控装置发来的各种动作命令，驱动受控机床的运动。伺 服电机可以是步进电动机、电液马达、直流伺服电动机或交流伺服电动机1 8 】。 1 2 2 数控机床的特点 由于数控机床综合了微电子技术、计算机应用技术、自动控制技术以及精密机 床设计与制造技术，具有专用机床的高效性、精密机床的高精度和通用机床的高柔 性等显著特点，具体说来可包括以下几个方面i 引。 ( 1 ) 柔性自动化，具有广泛的适应性。由于采用数控程序控制，加工中多采用 通用型工装，只要改变数控程序便可实现对新零件的自动化j j n i ，因此能适应当 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 前市场竞争个对产品不断更新换代的要求，解决了多品种、中小批量生产自动化问 题。 ( 2 ) 精度高，质量稳定。在数控机床中集中了众多提高加工精度和保证质量稳 定性的技术措施。首先数控机床是根据数控程序自动工作，一股在工作过程中不需 要人工干预，这就消除了操作者人为产生的失误或误差；数控机床的机械结构是按 照精密机床要求进行设计和制造的，采用了滚珠丝杠、滚动导轨等高精度传动部件， 而且刚度大，抗干扰性能好；伺服传动系统的脉冲当量或最小设定单位可以达到 0 0 0 1 - - - - 0 0 0 0 5 m m ，同时工作中还大多采用具有检测反馈的闭环控制，并且有误差修 正或补偿功能，可进一步提高精度和稳定性；数控加工中心具有刀库和自动换刀装 置，工件可在一次装夹后完成工件的多面和多工序加工，最大限度地减小了装夹误 差的影响等。 ( 3 ) 生产效率高。数控机床能最大限度地减小零件加工所需的机动时间与辅助 时间，使生产效率显著提高。数控机床的进给运动和多数主运动都采用无级调速， 且调速范围大，因此每一道工序都能选择最佳的切削速度和进给速度；良好的结构 刚度和抗振性允许机床采用大切削用量和进行强力切削；一般不需要停机对工件进 行检测，从而有效地减少了机床加工中的停机时间；机床移动部件在定位中部采用 自动加减速措施，因此可选用很高的空行程运动速度，大大节约了辅助运动时间； 加上中心可采用自动换刀和自动交换工作台等措施，工件一次装央，可进行多面和 多工序加工，可大大减少工件装夹、对刀等辅助时间，而且加工工序集中，可减少 零件周转，减少了设备台数及厂房面积，给生产调度管理带来极大方便。 ( 4 ) 能实现复杂曲面的加工。由于数控机床采用计算机插补技术和多坐标联动 控制，可以实现任意的轨迹运动和加工出任何复杂形状的空间曲面，可方便地完成 各种复杂曲面，如螺旋桨、汽轮机叶片、汽车外形冲压用模具等类零件的加工。 ( 5 ) 减轻劳动强度，改善劳动条件。由于数控机床的操作者主要是利用操作面 板对机床的自动加工进行操作，大大减轻了操作者的劳动强度，改善了生产条件， 并且可以实现一个人轻松管理多台机床。 ( 6 ) 有利于现代化生产与管理。 但是与普通机床相比，数控机床的初始投资及维护费用较高，对操作与管理人 员的资质要求较高，必须从生产实际出发。合理地选择和使用数控机床，并且要循 序渐进，培养人才，积累经验，才能达到降低生产成本，提高企业经济效益和市场 竞争能力的目的。 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 1 2 3 数控磨床的分类和坐标系 v 数控磨床种类繁多。按磨床的工艺用途分有数控外圆磨床、数控内圆磨床、数 控平面磨床、数控工具磨床等众多的普通数控磨床，还有数控磨削加工中心。按数 控磨床的运动轨迹分：有点位控制系统、直线控制系统、轮廓控制系统。按伺服系 统的控制分为开环控制、闭环控制、半闭环控制、混合控制等。按数控装置的功能 水平分为低、中、高三档。 石4 - x 、 4 - ，域+ zx 、 或+ z a 、+ b 或+ c 图1 3 机床坐标系 譬 f i g 1 3c o o r d i n a t es y s t e mo fn cm a c h i n e 数控磨床的坐标轴和运动方向的规定采用i s o d p 8 4 1 提出的1 9 8 9 年版本的建0 议。标准的坐标系统按右手法则，直角笛卡尔坐标系统，见图1 3 。基本坐标轴为x 、 y 、z 直角坐标，对应每个坐标袖的旋转运动符号为a 、b 、c 。z 轴作为平行于磨 床主轴的坐标轴。附加直线轴为u 、v 、w 轴，附加旋转轴为d 、e 轴。 弩 1 3 课题研究背景及意义 近年来，因为具有高精度，高效率，能加工复杂型面，并且能改善劳动条件和 降低劳动强度等优点，数控机床在加工行业越来越普及。数控机床的种类也日益繁 多，涵盖了加工的各个领域。 随着数控机床加工精度的提高，我们赋予它的加工任务也比普通机床要多得多。 其中最突出的一个方面就是我们用数控机床去加工精度非常高的零件，也就是说我 们提出的公差远远小于我们对普通机床的要求。那就必然出现当初我们用普通机床 加工面临的问题：超差和废品。所以，虽然数控机床具有高精度，我们也有必要去 研究它加工零件时的加工误差分布规律，以及误差产生的原因和影响因素。只有很 好的了解了数控机床的上述属性，我们就可以将高精度产品的加工合格率提到最高， 当然也就降低了成本，创造了效益。 7 一 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 但是，纵览各学术期刊和教材，以及博硕士论文，鲜有人专门做过这方面的研 究。也就是说，在全数控条件下，机床加工零件的误差是怎么分布的，现在还没有 成文来作出详细的说明。所以，在这种背景下，本课题的提出和进行是有一定必要 和意义的。 1 3 1 误差分布统计的意义 零件的加工质量是由加工精度和表面质量两方面所决定的。研究加工精度的目 的，就是弄清各种原始误差对加工精度影响的规律，掌握控n d i l 工误差的方法，以 获得预期的加工精度并能找出进一步提高加工精度的途径。 机械加工精度是指零件经机械加工后的实际几何参数( 尺寸，形状、表面相互位 置) 与零件的理想几何参数相符合的程度。符合的程度愈高，加工精度也愈高。实际 加工的零件不可能做得与理想零件完全一致，经加工后零件的实际几何参数与理想 零件的几何参数的偏离的程度，称为加工误差。加工精度相加工误差是从两个不同 方面来评定零件几何参数的实际生产中，加工精度的高低是用加工误差的大小来 评价和表示的。加工精度包括尺寸精度、形状精度、位置精度和表面精度。 保证和提高加工精度，实际上也就是限制和降低加工误差。研究加工精度的目 的，就是研究如何把各种误差控制在规定的公差范围之内，掌握各种因素对加工精 度的影响规律，从而寻找降低加工误差，提高加工精度的措施。从保证产品的使用 性能要求和降低生产成本考虑，没有必要将每个零件部加工得绝对精确，而只要满 足规定的公差要求即可。保证零件的加工质量就是使实际加工误差小于规定的公差。 机械加工中，由机床、夹具、刀具和工件等组成的统一体，称为工艺系统。在 完成任何一个加工过程中，由于工艺系统各种原始误差的存在，使工件和刀具之间 正确的几何关系遇到破坏而产生加工误差。这些原始误差，其中一部分与工艺系统 的初始状态有关，一部分与加工过程有关。如机床、夹具、刀具的制造误差，工件 因定位和央紧而产生的装夹误差，采用近似成形方法进行加工而产生的d i - r 原理误 差等，这些原始误差在加工前就已经存在了，称为工艺系统的几何误差，在加工过 程中产生了切削力、切削热和摩擦，它们将引起工艺系统的受力变形、受热变形和 磨损，影响调整后获得的工件与刀具之间的相对位置，造成加工误差，这些在加工 过程中产生的原始误差，称为工艺系统的动误差，此外，在加工过程中因测量方法 和量具而产生的测量误差，工件加工后因工件残余应力引起工件变形而产生的误差 都是原始误差，也近似地归入动误差中。 8 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 生产实际中，影响加工精度的因素往往是错综复杂的，有时很难用单因素法来 分析其因果关系，而要用数理统计方法来找出解决问题的途径，得出加工零件时的 加工误差分布规律，以及误差产生的原因和影响因素。从而将高精度产品的加工合 格率提到最高，当然也就降低了成本，创造了效益。 1 3 2 误差分布统计的方法 在生产实际中，常用统计分析法研究加工精度。主要有分布图分析法和点图分 析法。 1 3 2 1 分布图分析法 ( 1 ) 实际分布图一直方图 某一工序中加工出来的一批工件，由于存在各种误差，会引起加工尺寸的变化 ( 称为尺寸分散) ，同一尺寸( 实为很小一段尺寸间隔) 的工件数目称为频数。频数与这 批工件总数之比称为频率。如果以工件的尺寸( 很小的一段尺寸间隔) 为横坐标，以 频数或频率为纵坐标，就可作出该工序工件加工尺寸的实际分布图一直方图。在以， 频数为纵坐标作直方图时，如样本含量( 工件总数) 不同，组距( 尺寸间隔) 不同，那么 作出的图形高矮就不一样，为了便于比较，纵坐标应采用频率密度。 铬： 频率密度= 箍一瓢鬈丽 ( 1 - 1 ) 直方图上矩形面积= 频率密度组距一频率 ( 1 2 ) 由于所有各组频率之和等于1 0 0 ，故直方图上全部矩形面积之和应等于l 。为 了进一步分析该工序的加工精度情况，可在直方图上标出该工序的加工公差带位置， 并计算该样本的统计数字特征：平均值和标准偏差。样本的平均值j 表示该样本的 尺寸分散中心，它主要决定于调整尺寸的大小和常值系统性误差。