（机械制造及其自动化专业论文）双刀车削数控编程技术研究.pdf

摘要 摘要 双刀车削加工采用两把刀同时切削，可以缩短工时，提高生产效率，在批量生产中得 到广泛应用，但数控程序编制较困难。本文利用计算机辅助技术，建立了双刀数控车削自 动编程系统，完成了双刀车削零件造型、加工工艺规划、刀位数据计算、n c 代码生成和 加工过程仿真等任务。主要研究内容如下： 1 综述国内外数控技术现状。将数控系统从结构形式上分为5 种类型，阐述它们的结 构特点和功能特点。从性能、功能、体系结构等方面阐述数控技术的发展趋势，并论述国 内外数控编程技术和数控加工仿真技术现状，分析双刀数控车削编程的关键技术。 2 阐述数控编程的步骤与和手工编程、联机编程和自动编程等编程方法的特点和适用 范围。 3 ，研究数控加工模型的渐进式建立方法。按信息内容将数控加工模型分为产品模型、 工艺过程模型和生产工具模型。在产品集成模型的基础上，采用扩展数据段将工艺过程模 型和生产工具模型追加到产品模型的建模方法。该方法考虑了制造设备和加工工艺的变化， 包含了数控编程所需的信息a r ， 。， ， 4 研究双刀同时加工的工艺规划方法。首先阐述双刀同时加工工艺规划的目的、任务、 要求和左右刀架加工任务的分配原则：然后研究切入段、切削段和切出段的规划方法以及 切削用量的确定方法，其中重点研究大散差回转体零件加工余量在线测量目的、原理和方 法，阐述单个工步数据的存储方法、工步间的数据存储方法和工步数据的集成存储方法。 5 研究刀位数据计算方法和n c 代码生成算法。阐述i s o 标准刀位轨迹的格式和双刀 同时切削的刀位数据格式，并研究不具备刀具半径补偿功能的数控机床编程时的刀位轨迹 计算方法，对刀具中心轨迹不连续、相邻刀具中心轨迹相交点过远以及可能出现过切等情 况作了相应的处理，并阐述刀位编辑方法和后置处理流程。 6 研究了双刀数控车削仿真技术。首先研究加工过程仿真的数学基础。然后定义数控 加工仿真系统的集合结构及时间集、输入集、输出集等概念，建立加工仿真的层次结构和 逻辑结构，阐述双刀车削仿真系统的静态模型和动态模型建立方法，分析刀具扫描体和旋 转部件扫描体的建立方法及其微分几何性质：研究n c 代码解读技术和双刀加工时间段递 归子分划技术，为驱动各仿真单元作数据准备；通过讨论后刀面和工件表面交线的存在性 判断刀具后刀面与工件间是否干涉，通过求多边形的交集判断刀架与刀架是否干涉。最后 对切削加工物理仿真的意义、内容和水平作了探讨。 关键词：双刀加工数控编程数控车削数控加工模型大散差毛坯 在线测量加工余量加工过程仿真干涉校验 合肥工业大学博士学位论文 a b s t r a c t t h e r ea r et w oc u t t e r si nt w i n c u r e rt u r n i n gp r o c e s s ，w h i c hi sa b l et os h o a e nm a n h o u ra n d i m p r o v ep r o d u c t i o ne f f i c i e n c y , a n di t i s w i d e l yu s e di nm a s sp r o d u c t i o n b u ti t i sd i f f i c u l tt o d e s i g ni t sn c u m e r i c a lc o n t r 0 1 ) p r o g r a m i nt h i sp a p er c o m p u t e ra i d e dt e c h n o l o g yi sa d o p t e d t od e v e l o pa na u t o m a t i c a l l yp r o g r a m m i n g s y s t e m ，w h i c hc a na c c o m p l i s ht h em o d e l i n go fp a r t s ， p r o c e s sp l a n n i n go f t w i n - c u t t e rt u r n i n g , c a l c u l a t i o no f c u t t e rl o c a t i o nd a t a ( c l d a t a ) ，g e n e r a t i o n o f n cc o d ea n ds i m u l a t i o no f t h e m a c h i n i n g ，a n d s oo n t h em a i nc o n t e n t sa r ea sf o l l o w i n g ： 1 a no v e r v i e wo nc u r r a n ts i t u a t i o no fn c t e c h n o l o g ya r ed i s s c u s s e d c n cr c o m p u t e r n u m e r i c a lc o n t r 0 1 ) i sc l a s s i f i e da sf i v e t y p e sa c c o r d i n gt o t h es t r u c t u r e t h e i rf e a t u r e so f s t r u c t u r ea n df u n c t i o na r ed i s c u s s e d t h e d e v e l o p m e n tt r e n d o fn ct e c h n o l o g ya n dn c p r o g r a m m i n gt e c h n o l o g y a r es u m m a r i z e d b y t h ed i s c u s s i o no f p e r f o r m a n c e ，f u n c t i o n ， a r c h i t e c t u r e ，e t c k e yt e c h n o l o g y o f t w i n - c u t t e r t u r n i n gp r o c e s sn cp r o g r a m m i n g i sa n a l y z e d 2 n cp r o g r a m m i n g p r o c e d u r e a n dm e t h o da r e p r e s e n t e d p r o c e d u r e ，f e a t u r e s a n d a p p l i c a t i o n f i e l do ft y p i c a l p r o g r a m m i n gm e t h o d ，s u c h a sm a n u a l p r o g r a m m i n g ，o f t - l i n e p r o g r a m m i n ga n da u t o m a t i c a l l yp r o g r a m m i n ga r ee x p o u n d e d 3 p r o g r e s s i v em o d e l i n gm e t h o do fn cm a c h i n i n gm o d e li sr e s e a r c h e d a c c o r d i n gt ot h e i n f o r m a t i o nc o n t e n t t h en cm a c h i n i n gm o d e li sc l a s s i f i e da s p r o d u c t i o n m o d e l t e c h n i c s p r o c e s s i n gm o d e l ，a n dt o o lm o d e l o nt h eb a s i so fi n t e g r a t e dp r o d u c t i o nm o d e l ，t h ee x t e n s i o n d a t a , w h i c hi n c l u d e st e c h n i c sp r o c e s s i n gm o d e la n dt o o lm o d e l ，c a nb ea p p e n d e db yt h ej o i n to f e x t e n s i o nd a t as e g m e n t 。 4 p r o c e s sp l a n n i n gm e t h o do ft w i n c u t t e rt u r n i n ga tt h es a m et i m ei sr e s e a r c h e df i r s t ，w e s t u d i e dt h ep l a n n i n ga i m ，t a s k ，r e q u i r e m e n ta n dt h ea s s i g n i n gp r i n c i p l eo ft w ot u r r e t s t h e nt h e p l a n n i n gm e t h o do fc u t i ns e g m e n t ，c u t t i n gs e g m e n ta n dc u t - o u ts e g m e n t , a n dt h e i rc u t t i n g p a r a m e t e r sa r ed i s s c u s s e d ，i nw h i c ht h ea i m ，p r i n c i p l ea n dm e t h o do fm e c h a n i c a la l l o w a n c e o n q i n em e a s u r eo r i e n t e dt oi n h o m o g e n e o u sw o r kp i e c ea r cr e s e a r c h e de s p e c i a l l y f u r t h e r m o r e ， t h es t o r a g es t r u c t u r eo fs i n g l em a c h i n i n gs t e pa n dm u l t i m a c h i n i n g - s t e p ，a n dt h ei n t e g r a t e d s t o r a g em e t h o d o f a l l p r o c e s sd a t a a r ed i s c u s s e d 5 g e n e r a t i o na r i t h m e t i c so fc l d a t aa n dn cc o d ea r er e s e a r c h e d t h ec l d a t ao f t w i n - c u t t e rm a c h i n i n gi sa b s t r a c t e df r o mt h ei s oc l d a t at h eg e n e r a t i o na r i t h m e t i co fn c p r o g r a m m i n g w i t h o u tt o o lr a d i u sc o m p e n s a t i o ni ss t u d i e d ，i nw h i c ht h r e ea b n o r m a lc o n d i t i o n s ， i n c l u d i n gd i s c o n t i n u o u sc u t t e rc e n t e rt r a c k ，p o i n to f i n t e r s e c t i o nt h a ti st 0 0f a r , a n de x c e s s i v e c u t t i n ge r r o la r es e t t l e db yc t o o l c o m p e n s a t i o n ，t h ee d i t i o n o fc l d a t aa n dn c p o s ta r c 摘要 d i s c u s s e d 6 ，s i m u l a t i o nt e c h n o l o g yo ft w i n c u t t e rn c t u r n i n gi sr e s e a r c h e d f i r s tt h em a t ht h e o r yo f m a c h i n i n gs i m u l a t i o ni ss t u d i e d ，a n dt h es e ts t r u c t u r eo f n cm a c h i n i n gs i m u l a t i o ns y s t e mw h o s e c o m p o n e n t s ，i n c l u d i n gt i m e ，i n p u t ，o u t p u ta n ds oo n ，a r ed e f i n e d h e r e b yw e s e tu pt h eh i e r a r c h y s t r u c t u r e ，t h el o g i c a ls t r u c t u r e ，t h es t a t i cm o d e l a n dt h ed y n a m i cm o d e lo f s i m u l a t i o ns y s t e m t h e c o n s t r u c t i o nm e t h o do fs w e e pe n t i t yo fc u t t e ra n dr o t a t i o n p a r t s i s r e s e a r c h e d ，a n dt h e i r d i f i e r e n t i a l g e o m e t r yi n v a r i a n t s a r ec a l c u l a t e d n cc o d ei su n s c r a m b l e d a n dt h er e c u r s i o n d i v i s i o na r i t h m e t i co ft i m es e g m e n ti sp u tf o r w a r d ，w h i c hi st h ed r i v e nd a t ao ft h em o v e m e n to r r o t a t i o np a r t s t h ec l d a t as h o u l db ei n t e r f e r e n c e f l e e t oe x a m i n ei ft h e r ei si n t e r f e r e n c e b e t w e e nc u t t e rf l a n ka n dt h ew o r k p i e c e ，a n a r i t h m e t i ct h a td i s c u s s e dt h ee x i s t e n c eo f i n t e r s e c t i n gc u r v eb e t w e e nt h e mi sp u tf o r w a r d t oe x a m i n ei ft h e r ei si n t e r f e r e n c eb e t w e e nt w o t u r r e t s ，a na r i t h m e t i ct h a td i s c u s s e dt h ee x i s t e n c eo fi n t e r s e c t i o ns e tb e t w e e nt w op o l y g o n si sp u t f o r w a r d a tl a s t ，t h es i g n i f i c a n c e ，c o n t e n t ，a n dc u r r e n tl e v e lo fp h y s i c ss i m u l a t i o no fn c m a c h i n i n g a r ed i s c u s s e d k e yw o r d s ：t w i n c u t t e rt u r n i n g ；n cp r o g r a m m i n g ；n ct u r n i n g ；n cm a c h i n i n gm o d e l ； i n h o m o g e n e o u s w o r k p i e c e ；m e c h a n i c a la l l o w a n c eo n l i n em e a s u r e ； m a c h i n i n gs i m u l a t i o n ；i n t e r f e r e n c ec h e c k 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据 我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的 研究成果也不包含为获得盒蟹王些盔堂或其它教百机构的学位或证书而使用过的材料。 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。 学位论文作者签名：宝唐乞廷签字日钟月j ，一日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解主国堂丕翅型( 蠹垄题2 有关保留、使用学位论文的规定， 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 授权虫国堂垄期型( 巍童退2 虫王垫查盐可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索可以采用影印、索引或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学雠文作者躲劲也 蝴噼月上 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通信地址： 导师签名：牟 凄吨 签字已塌i 卸年f 月s 日 电话： 邮编： 致谢 致谢 论文是在导师桂贵生教授的精心指导与关怀下完成的，在此向导师表示最衷心的感谢! 在我攻读博士学位期间，在学业与生活上都得到了桂老师热心的关怀。桂老师将我引入机 械工程学科研究领域，为我的每一进步与成绩倾注了大量的精力与汗水。桂老师学识渊博， 思维开阔，对前沿问题把握十分准确，治学态度非常严谨，工作更是一丝不苟，待人方式 平易近人，为我树立了为人和治学的榜样，激励着我不断地开拓进取。 衷心感谢我硕士时的导师刘全坤教授。从我硕士研究生入学以来，刘老师在我的学习 和生活上都给予悉心的关怀，待我视同己出。刘老师严谨的治学态度，平易近人的待人方 式，开阔敏捷的思维，对前沿研究的准确把握，对科学问题的远见卓识，都是我学习的楷 模，无时无刻不在影响、感染和激励着我不断前进。 衷心感谢课题合作厂马钢车轮轮箍股份公司的刘敏高级工程师、孟兵工程师、汪俊工 程师、台肥车桥厂的唐自玉工程师、何钦章工程师和台肥精大科仪表有限公司的方锦华工 程师、刘杰工程师提供了各种资料和设备。 衷心感谢机械与汽车工程学院的柯尊忠老师、江吉彬老师、王健强老师、刘志峰老师、 朱华炳老师、陈科老师、郑红梅老师、许少平老师、何庆博士、仓公林博士、吕垫硕士、 许良元硕士、彭丹丹硕士、潘晓勇博士、方良海博士、蒙艳玫博士、李延峰博士、蒋克荣 博士、何俊明博士、高显圣博士、王淑旺博士、毕传兴博士、程林硕士、张连廷硕士、杨 征宇硕士、程松贵硕士、李多扬硕士给我的帮助。 衷心感谢管理学院的聂会星老师、材料科学与工程学院的陈文琳老师、王雷剐老师、 黄瑶老师、曹诗倬老师、洪深泽老师、董定福老师、居志廉老师、魏新生老师、吴旦中老 师、陈忠家老师、刘明霞老师、徐道荣老师、朱晓勇老师、黄惠文老师和党委统战部的蒋 传东老师，他们在我学习和生活上给予了无私的关怀和帮助，使我顺利地完成了学业。 衷心感谢计算机科学与信息学院的梁锡坤博士、资源与环境工程学院的贾志海博士、 材料科学与工程学院屈新怀博士、李燕博士、张冲硕士、何钢硕士、吴水波硕士、刘克素 硕士对我热心的帮助。 衷心感谢上海交通大学机械与动力工程学院的江志斌老师、杜世昌博士、钱昌明博士、 余海燕博士和黄河水利委员会的王国庆博士对我的帮助。 感谢本科、硕士、博士时期的同学们，与他们的交流中，我得到不断的进步和提高a 感谢论文中引用文献的所有作者们。 感谢所有关心、支持和帮助过我的老师、同学和朋友们。 够也 2 0 0 3 年1 2 月1 日 第一章绪论 1 1引言 第一章绪论 2 1 世纪制造业因面i 临市场的全球化和需求的多样化，以及技术创新速度加快等多方面 的压力，产品更新换代周期越来越短，多品种、中小批量的生产比重明显增加；同时，随 着航空工业、汽车工业和轻工业的快速发展，复杂形状的零件越来越多精度要求也越来 越高；此外，激烈的市场竞争要求产品的研制生产周期越来越短，多样化、柔性化与复杂 形状零件的高效、高质量加工要求，使得传统的加工设备和方法难于适应。而数控加工技 术能够有效地解决复杂、精密、小批量、多变零件的加工问题从而得到了迅速发展和广 泛应用，使制造技术发生了根本性的变化。2 0 年来，世界各国对翻造技术展开了广泛深入 的研究，先后提出和发展了多种先进制造技术( a d v a n c e d m a n u f a c t u r i n g t e c h n o l o g y , a m t ) 。 它是集机械、电子、信息、材料、能源和管理等各项先进技术而发展起来的高新技术，是 发展国民经济的重要推动力量【1 4 l 。努力发展数控加工技术，并向更高层次的信息化、自动 化、柔性化、敏捷化、网络化和数字化制造方向推进，是当前机械制造业发展的方向i j 。j 1 “。 数控加工技术是2 0 世纪4 0 年代后期为适应复杂外形零件加工而发展起来的一种自动 化加工技术其研究起源于飞机制造业。1 9 4 7 年，美国p a r s o n s 公司为了精确地制造直升 机机翼、螺旋桨叶片和框架等，提出了用数字信息来控靠g 机床自动加工外形复杂零件的设 想。他们利用电子计算机对机翼加工路径进行数字处理，并考虑刀具直径对加工路径的影 响，使得加工精度达到o 0 3 8 1 r a m 从当时的水平来看该精度还是相当高的。1 9 4 9 年美 国空军为了能在短时间内制造出经常变更设计的火箭零件，p a r s o n s 公司和麻省理工学院 ( m a s s a c h u s e t l si n s t i t u t eo f t e c h n o l o g y , m 1 t ) 伺服机械研究所合作，于1 9 5 2 年研制成功世 界上第一台数控机床三坐标立式铣床，控制铣刀进行连续空间曲面的加工，揭开了数 控加工技术的序幕。 自从数控机床研制成功以来。人们就一直努力研究复杂轮廓零件数控车削以及复杂形 状零件数控铣削加工技术，试图就这一问题提出一套完整的解决方案，但由于软件和硬件 的限制，一直未取得突破性的进展陴。2 0 世纪8 0 到9 0 年代以来，由于以下几方面的技 术进步，给数控加工技术的深入研究注入了新的活力，也带来了新的契机：一是计算工具 与计算手段的飞速发展，使复杂、高精度、高难度的计算和复杂轮廓零件数控加工自动编 程成为可能：二是计算理论的新发展，微分几何和计算几何形成了严密完整的体系，使复 杂零件的建模、分析更加精确、严密；三是a m t 的研究，特别是虚拟制造技术( v i r t u a l m a n u f a c t u r i n tv m ) 和系统仿真技术的迅猛发展，配合数据手套、数据风洞等各种虚拟设 备，极大地降低了数控加工技术的测试成本。 数控加工技术中，数控车削加工是一种常见的加工方法。它在轴、套、盘等回转体零 台肥工业大学博士学位论文 件的加工中占有十分重要的地位，在我国有着广泛的应用。它使操作者从繁重的体力劳动 中解脱了出来，提高了车削加工的精度和生产效率。 数控车床有单刀架和双刀架等形式。一般情况下，单刀架数控车床应用范围较广，与 镗铣数控加工的工艺和编程相比不十分复杂，但具有其自己的特点【”1 ：双刀车削加： 则采 用双刀同时切削，可以缩短工时，提高生产效率，在批量生产中得到广泛应用，但数控程 序编制较困难，手工编程周期较长【l7 - 1 9 。这两种车床的共同特点是加工前的调整工作量大， 生产效率难以明显提高。应用计算机辅助技术完成数控车削从零件造型、刀具路径规划、 刀位数据计算、n c ( n u m e r i c a lc o n t r 0 1 ) 代码生成、加工过程仿真和加工过程分析等任务。 可以提高数控车削编程质量和编程效率， 1 2 数控技术国内外研究现状 自第一台数控机床问世和2 0 世纪7 0 年代计算机数控( c o m p u t e r i z e d n u m e r i c a l c o n t r 0 1 c n c ) 技术出现以来，数控技术日趋成熟。现代微电子技术的飞速发展和微型计算机与c n c 技术的紧密结合，使得数控技术的发展进入新的阶段。下面从数控技术中的数控系统、机 床单元技术和机床制造技术等方面讨论数控技术的研究现状。 1 2 1 数控系统 从结构形式来看目前数控系统可分为5 种类型 2 0 , 2 1 】。 ( 】) 传统数控系统如f a n u c0 系统、m i t s u b i s h im 5 0 系统、s i e m e n s8 】0 系统等。 这些是专用的封闭体系结构数控系统。用户在开发人机界面时必须使用专门的开发工具( 如 s i e m e n s 的w s 8 0 0 a ) ，且须依赖于系统供应商| 2 “。目前，这类系统占领了制造业的大部分 市场。但由于开放式数控系统的发展，传统数控系统的市场正受到一定的挑战。 ( 2 y p c 嵌入n c 结构”的开放式数控系统如f a n u c1 8 i 和1 6 i 系统、s i e m e n s8 4 0 d 系统1 2 ”、n u m l 0 6 0 p 4 2 5 1 系统、a b 9 3 6 0 系统等。这是一些数控系统制造商不愿放弃多年来 积累的数控软件技术，同时又要利用计算机软件资源而开发出的产品。由于它们的n c 部 分仍是传统的数控系统，其结构还是不完全开放的，用户无法介入数控系统的核心。这类 系统结构复杂，功能强大，但价格较昂贵。 ( 3 ) “n c 嵌入p c 结构”的开放式数控系统它由开放体系结构运动控制卡加上p c 机构成。这种运动控制卡常选用高速d s p ( d i g i m ls i g n a lp r o e e s s i n ) 作为c p u ，具有较强 的运动控制和p l c 控制能力。它本身就是一个数控系统，可以单独使用。它提供相应的函 数库供用户在w i n d o w s 平台下开发所需的控制系统。因而这种开放结构运动控制卡被广泛 应用于制造业自动化领域。如美国d e l t at a u 公司用p m a c ( p r o g r a m m a b l em u l t i - a x i s c o n t r o l l e r ) 多轴运动控制卡构造的p m a c - n c 数控系统m j ，日本m a z a k 公司用三菱电机 的m e l d a s m a g i c6 4 构造的m a z a t r o l 6 4 0c n c 数控系统等嵋“。 ( 4 ) s o f t 型开放式数控系统这是一种较新开放体系结构的数控系统。它提供给用 第一章绪论 户较大的选择和灵活性。它的c n c 软件全部装在计算机中硬件部分仅是计算机与伺服 和外部i ( 7 ) 之间的标准化通用接i z l 。用户可以在w i n d o w s n t 平台上，利用开放的c n c 内 核，开发所需的各种功能，构成各种类型的高性能数控系统。与前几种数控系统相比，s o f t 型开放式数控系统具有很高的性能价格比。典型产品有美国m d s i 公司的o p e nc n c 口、 德国p o w e r a u t o m a t i o f l 公司的p a 8 0 0 0 n t l 2 9 1 等。 ( 5 ) 基于s t e p - n c 的高速加工c n c s t e p - n c ( s t a n d a r df o r t h ee x c h a n g eo f p r o d u c t m o d e ld a t a n c ) 是一个新的n c 编程数控接口国际标准( s o 1 4 6 4 9 ) ，它于1 9 9 6 年制定， 2 0 0 1 年成为国际标准草案，目的是取代现在使用的n c 编程接口标准i s 0 6 9 8 3 。为了适应 高速加工的数控编程接口，数控系统正在发生根本性的变革，由专用型封闭式开环控制模 式向通用型开放式实时动态全闭环控制模式发展。在集成化的基础上，数控系统实现高速、 高精度、高效控制加工过程中可以自动修正、调节与补偿各项参数，实现在线诊断与智 能化故障处理【3 0 - 3 2 。 1 2 2 机床单元技术 目前高速电主轴技术和直线电机进给伺服单元技术是机床单元技术的重要研究内容。 ( i ) 高速电主轴技术高速电主轴是实现高速加工的主传动部件。它将机床主轴与电 机轴合二为一。使电机与机床主轴之间不再有皮带或齿轮传动，而是采用电气直接驱动。 电主轴具有如下主要特点：机械结构简单。转动惯量小，因而快速响应性好，能实现很 高的速度、加速度和定角度的快速准停。采用交流变频调速和矢量控制，输出功率大， 调速范围宽，功率扭矩特性好。它可以作为独立功能部件单元实施专业化、系列化生产。 电主轴摄高转速一般在】0 0 0 0 f f m i n 以上，有的高达6 0 0 0 0 】0 0 0 0 0 f f m i n 。国产加工中 心最高转速已达到18 0 0 0 r m i n ，数控车床主轴达到8 0 0 0 r m i n 。 ( 2 ) 直线电机进给伺服单元技术传统的数控机床直线进给轴广泛采用带滚珠丝杆 螺母机构的机电驱动，为了满足高进给速度的要求，2 0 世纪9 0 年代初多采用大导程滚珠 丝杠，以提高进给电机转速。目前，直线电机迸给伺服单元已走出实验室进入工业应用， 使现代高速数控机床趋向采用直线电机直接驱动。直线进给直接驱动由产生进给力的直线 电机直接带动机床滑板运动，具有很高的调节频带宽度、很高的定位精度和重复定位精度、 高的移动速度和高可靠性。 1 2 3 先进的机床制造技术 数控机床的制造一般是小批量生产，世界各主要机床制造公司采用的设备几乎全部是 数控机床和加工中心，柔性生产系统f m s ( f l e x i b l em a n u f a c t u r es y s t e m ) 也有应用。如大 隈铁工的可倪工厂( 1 9 9 1 年投产) ，机加工车间有9 条f m s 生产线，每条f m s 生产线由 3 5 台加工中心或数控机床以及机器人、自动立体仓库与自动制导运输车配合的工件停放 台和随行夹具上安装工件的工作台等组成1 8 , 2 h 。 4 台肥工业大学博士学位论文 1 2 4 我国数控技术的现状f 8 - 1 1 , 3 3 】 从2 0 世纪5 0 年代末，我国就开始研究数控技术，开发数控产品，目前国产数控系统 已取得重大突破，基本掌握了关键技术。国家“八五”科技攻关开发出华中i 号、中华i 号、航天i 号和蓝天i 号4 种基本系统建立了具有自主版权的数控平台。上海开通数控 有限公司的k t 系列数控系统和步进驱动系统、北京凯恩帝数控技术有限公司的k n d 系列 数控系统、广州数控设备厂的g s k 系列数控系统等采用了上述国产c n c 平台。这些产品 功能较齐全，价格低廉、可靠性较好。 我国有数控机床生产厂1 0 0 多家，数控系统( 包括主轴和进给驱动单元) 生产企业约 5 0 家，生产数控机床配套产品的企业3 0 0 余家，产品品种包括八大类2 0 0 0 种以上。 我国数控系统分为三种型级，即经济型、普及型和高级型。2 0 世纪8 0 年代以来，国 家对数控机床的发展十分重视，经历了两个阶段：“六五”、“七五”期间的消化吸收引 进技术；“八五”期间科技攻关开发自主版权数控系统。到了“九五”期间，数控机床 发展已进入实现产业化阶段。具体成果包括如下方面： ( 1 ) 数控机床新开发品种3 0 0 个，已有一定的覆盖面。新开发的国产数控机床产品大 部分达到国际2 0 世纪8 0 年代中期水平，部分达到2 0 世纪9 0 年代水平，为国家重点建设 提供了一批高水平数控机床。 ( 2 ) 数控机床在制造技术上也有所突破，例如高速主轴制造技术( 1 2 0 0 0 18 0 0 0 r m i n ) 、 快速进给、快速换刀、柔性制造、快速成形制造技术等为下一步国产数控机床的发展奠定 了基础，曾受到西方国家封锁的多坐标联动技术己基本解决，01 岫精度的超精密数控系 统、数控仿形系统、非圆齿轮加工系统、高速进给数控系统、实时多任务操作系统都已研 制成功。 ( 3 ) 自行研制的基于p c 机的开放式智能化开发平台，为机床厂商及软件开发商二次 开发创造了条件。我国数控系统可靠性也有很大提高，平均故障间隔时间m t b f ( m e a nt i m e b e w e e e nf a i l u r e s ) 值可以在1 5 0 0 0 h 以上。大部分数控机床配套产品已能自行生产，自我配 套率超过6 0 。 以上这些成果为我国数控系统的自行开发和生产奠定了基础。 1 3 数控技术的发展趋势 1 。3 1 数控机床的性能 ( 1 ) 高速、高效、高精度速度、精度和效率是机械制造技术的关键性能指标。由于 采用了高速c p u 芯片、r i s c 芯片、多c p u 控制系统以及带高分辨率式检测元件的交流数 字伺服系统，同时采取了改善机床动态、静态特性等有效措施，机床的高速高精度高效化 已大大提高。 ( 2 ) 柔性化数控系统本身的柔性：数控系统采用模块化设计，功能覆盖面大，可 第一章绪论 裁剪性强，便于满足不同用户的需求；群控系统的柔性：同一群控系统能依据不同生产 流程的要求使信息流自动进行动态调整，从而最大限度地发挥群控系统的效能。 ( 3 ) 工艺复合性和多轴化以减少工序、辅助时间为主要目的的复合加工，正朝着多 轴、多系列控制功能方向发展。数控机床的工艺复合化是指工件在一台机床上一次装夹后。 通过自动换刀、旋转主轴头或转台等各种措施，完成多工序、多表面的复合加工。例如。 在数控系统控制轴方面，s i e m e n s 的8 8 0 系统控制轴数可达2 4 轴。 1 3 2 数控机床的功能 ( 1 ) 用户界面图形化用户界面是数控系统与使用者之间的对话接口。用户对界面的 要求不同。造成开发用户界面的工作量极大。当前，虚拟现实、可视化及多媒体等技术也 对用户界面提出了更高要求。图形用户界面方便了非专业用户的使用，人们可以通过窗口 和菜单进行操作，便于快速编程、三维彩色立体动态图形显示、图形模拟、图形动态跟踪 和仿真、不同方向的视角和局部显示比例缩放功能的实现。 ( 2 ) 科学计算可视化科学计算可视化用于高教处理数据和解释数据，使信息交流不 仅局限于文字和语言表达，而可以直接使用图形、图像、动画等信息。可视化技术与虚拟 环境技术相结合进一步拓宽了应用领域，如无图纸设计、虚拟样机技术等，这对缩短产 品设计周期、提高产品质量、降低产品成本具有重要意义。在数控技术领域，可视化技术 可用于c a d c a m 。如自动编程、参数自动设定、刀具补偿与刀具管理数据的动态处理和 显示以及加工过程的可视化仿真演示等m 】。 ( 3 ) 插补和补偿方式多样化多种插补方式如直线插补、圆弧插补、渐开线插补p ”、 n u r b s ( n o n u n i f o r mr a t i o n a lb s p l i n e ) 插补【3 6 】、螺旋线插补等。多种补偿功能如间隙补 偿、垂直度补偿、象限误差补偿和测量系统误差补偿、与速度相关的前馈补偿、温度补偿 等。 ( 4 ) 内装高性能p l c ( p r o g r a m m a b l el o g i cc o n t r o l l e r ) 数控系统内装高性能p l c 控制模块可直接用梯形图或高级语言编程，具有直观的在线调试和在线帮助功能。编程 工具中包含用于车床铣床的标准p l c 用户程序实例。用户可在标准p l c 用户程序基础上 进行编辑修改，从而方便地建立自己的应用程序。 ( 5 ) 多媒体技术的应用多媒体技术集计算、声音、图像、通信技术于一体使计算 机具有处理声音、文字、图像和视频信息的能力。在数控技术领域，应用多媒体技术可以 做到信息处理综合化、智能化在实时监控系统和生产现场设备的故障诊断、生产过程参 数监测等方面有一定的应用价值。 1 3 3 体系结构 ( 1 ) 采用高度集成化芯片和大规模可编程集成电路以及专用集成电路芯片，可提高数 控系统的集成度和软硬件运行速度。应用平板显示技术，可提高显示器性能，平板显示器 具有重量轻、体积小、功耗低、便于携带等优点，可实现超大尺寸显示，成为和c r t ( c a t h o d e 合肥工业大学博士学位论文 r a yt u b e ) 抗衡的新兴显示技术。它通过提高集成电路密度、减少互连长度和数量来降低 产品价格，改进性能，减少组件尺寸，提高系统韵可靠性。 ( 2 ) 模块化硬件模块化易于实现数控系统的集成化和标准化。根据不同的功能要求， 将基本模块如c p u 、存储器、位置伺服、p l c 、输入输出接口、通信等作成标准的系列产 品，通过积木方式进行功能模块数量的增减。构成不同档次的数控系统。 ( 3 ) 网络化机床联网可进行远程控制和无人化操作。 ( 4 ) 通用型开放式闭环控制模式采用通用计算机组成总线式、模块化、开放式、嵌 入式体系结构，便于扩展和升级，可组成不同档次、不同类型、不同集成程度的数控系统。 闭环控制模式是针对传统的专用型单机封闭式开环控制模式提出的。由于制造过程是一个 具有多变量控制的复杂过程，包含加工尺寸、形状、振动、噪声、温度和热变形等各种变 化因素，要实现加工过程的多目标优化，必须采用多变量的闭环控制，在实时加工过程中 动态调整加工过程变量。加工过程中采用开放式通用型实时动态全闭环控制模式，易于将 计算机实时智能技术、网络技术、多媒体技术、c a d c a m 、伺服控制、自适应控制、动 态数据管理及动态刀具补偿、动态仿真等技术融于一体，构成制造过程闲环控制体系，实 现集成化、智能化、网络化。 1 4 数控编程技术 数控加工是一种集机、电、信息、控制、仿真等多项技术为一体的加工方法。目前， 日本、美国、韩国、德国、意大利等国家正大力开展它的各项技术的研究与开发，取得了 很大进展，也走向了实用化 1 7 - 3 8 】。其中，数控编程技术是数控技术应用中的关键环节之一， 国内外都对数控编程技术进行了广泛的研究，并取得了许多成果。 1 4 1 数控编程技术的发展概况 为了解决数控加工中的程序编制问题，2 0 世纪5 0 年代m i t 设计了一种专门用于机械 零件数控加工程序编制的语言称为a p t ( a u t o m a t i c a l l yp r o g r a m m e dt 0 0 1 ) 。其后，a p t 几经发展，形成了诸如a p t i i 、a p t i i i ( 立体切削用) 、a p t i v ( 算法改进，增加多坐标曲 面加工编程功能) 、a p t - a c ( a d v a n c e dc o n t o u r i n g ) ( 增加切削数据库管理系统) 和a p t - s s ( s c u l p t u r e ds u r f a c e ) ( 增加雕塑曲面加工编程功能) 等先进版本j 。 采用a p t 语言编制数控程序具有程序简练、走刀控制灵活等优点，使数控加工编程面 向机床指令的“汇编语言”级，上升到面向几何元素的高级语言。但a p t 仍有许多不便之 处：采用语言定义零件几何形状，难以描述复杂的几何形状，缺乏几何直观性：缺少对零 件形状、刀具运动轨迹的直观图形显示和刀具轨迹的验证手段；难以和c a d 数据库有效 联接；不容易做到高度的自动化和集成化。 针对a p t 语言的缺点，1 9 7 8 年法国d a s s a u l t 飞机公司开始开发集三维设计、分析、 n c 加工一体化的系统，称为c a t i a 。随后很快出现了e u c l i d 、u n i g r a p h i c s 、p r o e n g i n e e r 、 第一章绪论 m a s t e r c a m 等系统，这些系统都有效地解决了几何造型、零件几何形状的显示，交互设计、 修改及刀具轨迹生成，走刀过程的仿真显示、验证等问题，推动了c a d 和c a m 向一体化 方向发展。到了2 0 世纪8 0 年代，在c a d c a m 一体化概念的基础上，逐步形成了现代集 成制造系统( c o n t e m p o r a r yi n t e g r a t e dm a n u f a c t u r i n gs y s t e m s c i m s ) 及并行工程( c o n c u r r e n t e n g i n e e r i n g , c e ) 等概念。目前数控编程系统正向集成化和智能化方向发展。 在集成化方面，以开发符合s t e p 标准的参数化特征造型系统为主。目前已进行了大 量卓有成效的工作，是国