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东北大学 硕士学位论文 数控加工技术在矿山汽车轮毂上的应用 姓名：金锡古 申请学位级别：硕士 专业：采矿工程 指导教师：孙豁然 20051201 尔北人学颂十学位论文 摘耍 数控加工技术在矿山汽车轮毂上的应用 摘要 本文介绍了矿山运输汽车轮毂的加工方法，以往的加工技术存在的问题，以 及数控技术的特点、应用和发展趋势，并且详细的介绍了采用数控技术来保证矿 山汽车轮毅的加工质量，以及矿山汽车轮毂在四轴数控机床 ：的加：l ：方法。 普通机床的诞生具有划时代的意义，但是自于普通机床自身的特点决定了它 们无法加工出非常精密的零件，普通机床的加工技术与现代的数控D I ：I _ E 技术比较 起来具有很大的差距，最早时期生产的轮毂存在很多的问题，主要问题是加j = I _ ：= 后 的零件形状尺寸达不到设计要求，表面糨糙，再加上那时测量技术比较差，所以 无法保证加工后轮毂尺寸的精确性和表面质量。而且那时的汽车主要用在运输矿 物上，载重比较大，由于表面质量差，汽车轮毂受到循环应力作用，这时疲劳破 坏就成了主要的破坏形式，经过段时间后就无法继续使用，重影响v 人们的 社会生活。虽然普通机床一直在不断的进行改进，但是远达不到人们的要求。 随着科学技术的飞速发展，机械制造技术发生了深刻的变化。传统的普通加 工设备已难以适应市场对产品多样化的要求，难以适应市场竞争的高效率、高质 量的要求。本文通过对数控机床加工技术的详细介绍，体现出数控加1 。技术的先 进性。 在对传统和现代的加工方法的优、缺点进行分析、比较，对目前社会上早已 提出的并得以应用的现代加工新技术一数控加工方法进行了更加深入的研究与 分析，提出了并详细阐述了矿山运输汽车轮毂在四轴数控机床上的加工技术。 本文提出的四轴数控机床加r 技术已经得到应用，技术不断趋向成熟。这种 加! r 技术在矿山运输汽车轮毂的加工上的应用能够在一定程度上解决目前矿山 运输中出现的车辆故障问题。这种技术的应用对矿山1 的汽车运输具有很晕要的 现实意义。 关键词矿山运输汽车轮毂数控加工加工质量 东北犬学硕士学位论文 A B S T R A C T A p p l i c a t i o no fn u m e r i c a lc o n t r o lp r o c e s s i n g t e c h n o l o g yo nm i n ea u t o m o b i l eh u b s A B S T R A C T T h i st e x th a sn a r r a t e dt h ep r o c e s s i n gm e t h o do ft h ea u t o m o b i l eh u bo fm i n e h a u l ，t h ee x i s t i n gp m b l e mo fo f d i n a r yp r o c e s s i n gt e c h n o l o g y , a n dc h a r a c t e r i s t i c s ， a p p l i c a t i o na n dd e v e l o p m e n tt r e n d so fn u m e r i c a lc o n t r o lt e c h n o l o g y , a n ds p e c i f i c a l l y i n t r o d u c e dh o wt og u a r a n t e et h ep r o c e s s i n g q u a l i t yo ft h em i n ea u t o m o b i l eh u b s a d o p t i n gt h en u m e r i c a lt e c h n o l o g ya n di n t r o d u c e dt h ep r o c e s s i n gm e t h o da b o u tm i n e a u t o m o b i l eh u b So nf o u ra x l e sn u m e r i c a lc o n t r o ll a t h e s T h eb i r t ho ft h e o r d i n a r y l a t h eh a s e p o c h m a k i n gm e a n i n g s ，b u t t h e c h a r a c t e r i s t i c so ft h eo r d i n a r yl a t h ei t s e l fd e t e r m i n e dt h e ya r eu n a b l et op r o c e s sq u i t e a c c u r a t ep a r t s ，o r d i n a r yp r o c e s s i n gt e c h n o l o g yh a sh e a v yd i s p a r i t yc o m p a r e dw i t h m o d e r nn u m e r i c a lc o n t r o lp r o c e s s i n gt e c h n o l o g yo fl a t h e ，t h e r ea r eal o to fp r o b l e m s a b o u tw h e e lh u b sm a d ev e r ye a r l y , f o re x a m p l e ，s h a p ed i m e n s i o no fp a r t sd o n tm e e t t h er e q u i r e m e n to fd e s i g n ，s u r f a c ei sn o ts m o t h A n dd u et ot h eb a dm e a s u r e t e c h n o l o g y , w h e e lh u b sm a n u f a c t u r e dc a nn o tb eg u a r a n t e e di nd i m e n s i o na c c u r a c y a n ds u r f a c eq u a l i t y A tt h a tt i m e ，a u t o m o b i l e sw a su s e dt ot r a n s p o r tm i n e r a l ，t h el o a d i na u t o m o b i l e si sh e a v ya n dw h e e lh u b s b a ds u r f a c eq u a l i t y , t h ew h e e lh u b si s r e c e i v e dc i r c u l a t i o ns t r e s s ，f a t i g u ed a m a g eb e c a m et h em a i nd a m a g e ，a f t e rap e r i o d t i m e ，t h ew h e e lh u b sc a l l tb ea b l et ou s e ，i ta f f e c t e dt h ep e o p l e Sn o r m a ll i v e s T h o u 【曲 t h eo r d i n a r yl a t h ei sa m e l i o r a t e da l lal o n g i tC a l l tm e e tt h ed e m a n do fp e o p l e W i t ht h e r a p i dd e v e l o p m e n t o fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y ，t h em e c h a n i c a l m a n u f a c t u r i n gt e c h n o l o g yh a sc h a n g e dd e e p l y T r a d i t i o n a lm a n u f a c t u r i n ge q u i p m e n t c a n tm e e tt h er e q u i r e m e n to fp r o d u c t s d i v e r s i t yi nm a r k e t i n g , a n do fh i g he f f i c e n c y ， h i 曲q u a l i t y T h r o u g h d e t a i l e di n t r o d u c t i o nt On u m e r i c a lc o n t r o l p r o c e s s i n g t e c h n o l o g yi se m b o d i e d A n a l y s e ，c o m p a r et ot h ee x c e l l e n t ，s h o r t c o m i n go ft h et r a d i t i o n a la n dm o d e r n l l ! ：! ! 查堂堡! ：兰! ! 堕茎垒堡! ! 垦垒里 p r o c e s s i n gm e t h o d ，n u m e r i c a lc o n t r o lp r o c e s s i n gm e t h o dt h a th a v ea l r e a d yb e e np u t f o r w a r dl o n ga g oa n db e e na p p l i e da tp r e s e n ti sd e e p l ya n a l y s i s e da n dr e s e a r c h e d T h e m i n ea u t o m o b i l eh u b s p r o c e s s i n gi nf o u rn u m e r i c a lc o n t r o ll a t h ei s i n t r o d u c e d s p e c i f i c a l l y T h ep r o c e s s i n gt e c h n o l o g i e si nf o u ra x l en u m e r i c a lc o n t r o ll a t h eh a v ea l r e a d y g o ta p p l i c a t i o n ，a n dt h i st e c h n o l o g yi st e n d i n gc o n s t a n t l yt ob er i p e T h i sa p p l i c a t i o n o fp r o c e s s i n gt e c h n o l o g yc a ns o l v et h ev e h i c l et r o u b l ep r o b l e ma p p e a r i n gi nm i n e h a u lt oac e r t a i ne x t e n ta tp r e s e n t T h ea p p l i c a t i o no ft h i sk i n do ft e c h n o l o g yh a sv e r y i m p o r t a n tr e a l i s t i cm e a n i n g si nt h ea u t o m o b i l et r a n s p o r t a t i o no nt h em i n e K e yw o r d s M i n eh a u l ，A u t o m o b i l eh u b ，N u m e r i c a lc o n t r o lp r o c e s s i n g ，P r o c e s s i n g q u a l i t y t i l 一 S g ：l l ：大学预l j 学位论文J j t iJJ 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。论逆中 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己在沦文中作J 明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：编苫 日 期：2 晒- I D - 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：丈作者签名： 签字日期： 导师签名： 签字日期 东北人学硕士学位论文 第章绪跨 第一章绪论 人类要得以生存和发展就必须从自然界索取必要的物质，并且要利用那些所 得到的现有物质的自身特点来改变自己周围的环境。为了生活，人类已经奋斗了 几十万年，积累了丰富的经验，发明创造了许许多多新的科学理论和工艺技术， 掌握了许许多多的科学发展规律。不断的把人类自身的发展从低级阶段推向更高 的阶段，实现真正的人类文明。人类社会的发展过程永无止境，永远不会完结。 矿业是一个古老的行业，又是一个人类生活中必不可少的行业。它能给人类 提供巨大的自然资源，由于它的存在，整个人类社会才能得以不断的向前发展。， 随着矿业开采的不断进行，矿山上的安全越来越受到人们的重视。安全包括缀多 方面，人们经常会考虑到矿井中的坍塌问题、通风问题、排水问题等等的最重要 的问题，但是有一些看起来似乎不太重要的闷题常常被人们所忽视。矿k 汽车轮 毂的安全性问题就是这样个常常被人们所忽视的问题。 矿山汽车轮毂的安全性主要体现在是否容易破坏，造成它的破坏，其中个 很重要的破坏形式就是疲劳破坏，丽疲劳破坏的一个主要原因就是D r l ；- l ；质量问 题。加工质量可以采用数控加工方式加以弥补。 图1 1 矿山运输汽车 F i g 1 1p i c t u r eo fa u t o m o b i l eo f m i n eh a u l 东北大学硕士学位论文 1 1 矿山汽车轮毂的加工方法 在矿山汽车运输当中，汽车轮毂承受羲巨大的载荷，它是汽车结构当中非常 重要的零部件。下图就是一张汽车轮毂的图片( 如图1 2 所示) 。汽车轮毂常常 采用两种加工方式：一种是老式加一【方法；一种是现代加工方法。 圈1 2 汽车轮毂 F i g 1 2ap i c t u r eo ft h ea u t o m o b i l eh u b 1 1 1 矿山汽车轮毂的老式加工方法 历史上每一种新产品的出现必然是随着某一种蓊的加工工其的产生丽产生， 这毋庸鬣疑。普通机床的出现可以说具有划时代的意鬟，汽车的产生完全是以此 为基础的。只有机床的出现，才有了汽车的零部件，孝有了汽车的车轮。最早的 汽车轮毂生产就是利糟凿逶枫廉来进行加工的，经遵铸造后送到车床 ：进行J J 一1 ：车外圃、内圆，以及两个侧面，然后用铣床来进行铣削。这些汽车轮毂便运 用到汽车上，用来运输木材、沙、石、矿物等。 东北人学硕十学位论文 毋一章堵F 苦 1 1 2 矿山汽车轮毂的老式加工方法的缺点 虽然当汽车轮毅能够得以加工，但普通车床加= I ：的内外圆不同心，圆f 筵电小 够好，与现在的加工技术比较起来仍有很大的差距，生产出来的轮载存在诸多的 问题，如表而粗糙，圆度不够好，同轴度不够好，平衡性不够好。丽当时的测璺 技术也比较差，所以无法保证轮毂加工后尺寸的精确性。而阻那时的汽车主螫州 在运输矿物上，载重比较大，汽车轮毂偏心，这样重心就小稳定，这时疲劳破坏 就成了主要的破坏形式，在短时间内就报废掉，严重影响了人们的社会牛活。虽 然普通机床一直在不断的进行改进，但是远达不到人们的要求。 1 1 3 矿山汽车轮毂的现代加工方法 现代的矿山汽车轮毂的生产完全聚用数控加工方法。一般经过一阿次装炙，H l J H 完成多道工序，完成对零件的加工。与在普通机床l ：加丁招t 【：较，具有省时、加 工精度高、质量好的优点。 1 1 4 矿山汽车轮觳的破坏形式 矿山汽车轮毂的破坏般来讲不是抗拉和抗压强度破坏，丽足疲劳破= = 。这 就需要引起人们的注意。因为这种破坏形式不同于其它的破坏彤式，这种破坏J J = ； 式H 0 开始时只是微小破坏，然后不断扩大，达到一定程度之后突然断裂。因此， 它的危险性很大。 它的危险性很大。 ( a ) 表面缺陷( b ) 山现裂纹和裂纹扩展( c ) 突然断裂 图1 3 轮毂的疲劳破坏形式 F i g 1 , 3d a m a g e f o r m o f h u b w e a r i n g u u t 自t ：I L 大学硕士学位论文 1 2 数控机床的发展概况和分类 随着计算机技术和控制技术的高速发展，传统的制造业开始r 根本性瘦 革。各I ：业发达国家投入巨资，对现代制造技术进行研究歼发，提出了全新的制 造模式。在现代制造系统中，数控机床是关键技术，它集微电予、计算机、信息 处理、自动检测、自动控制等高新技术于一体，具有商精度、离效率、棠性自动 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I j 付。目 前，数控机床正在发生根本性变革，由专用型封闭式开环控制模式向通用型丌放 式实时动态全闭环控制模式发展。在集成化基础上，数控系统实现了超薄型、超 小型化；在智能化基础上，综合了计算机、多媒体、模糊控制、神经网络等多学 科技术，数控机床实现了高速、高精、高效控制，加工过程中可以自动修正、调 节与补偿各项参数，实现了在线诊断和智能化故障处理；在网络化基础上， C A D C A M 与数控系统集成为一体，数控机床联网，实现了中央集中控制的群控 加工。 数控机床的应用不但给传统制造业带来了革命性的变化，使制造业成为工 业化的象征，而且随着数控技术的不断发展和应用领域的扩大，它对国计民生的 一些重要行业( I T 、汽车、轻工、医疗等) 的发展起着越来越重要的作用，因为 这些行业所需装备的数字化己是现代发展的大趋势。 计算机数控( c N C - 一C o m p u t e rN u m e r i c a lC o n t r 0 1 ) 机床，特别是加工中 心的发展，为工序集中创造了条件。在加工中心上，一次装夹可以加工以前要件】 多台机床、多道工序才能加工完成的内容，有时甚至一次装夹就可以完成零件的 全部加工内容，加工出合格的产品。 1 2 1 数控机床的发展概况 2 0 世纪人类社会最伟大的科技成果是计算机的发明与应用，而计算机及控 制技术在机械制造设备中的应用则是世纪内制造业发展的最重大技术进步。自 1 9 5 2 年美国第l 台数控铣床问世至今已经历5 0 余年。数控机床包括：车、钱、 加T 中心、镗、磨、冲压、电加：E 以及备类专用机床，形成庞大的数控制造没备 家族，每年全世界的产量有l O 万一2 0 万台，产值上百亿美元。它经过5 0 余年 东北大学硕七学位论文 兢章绪论 的两个阶段和六代的发展历程。 ( 1 ) 第1 阶段是硬件数控( N C ) 第一f I 为1 9 5 2 年的电子管；第- 2 代为1 9 5 9 V - 晶体管分离元件；第三代为】9 6 5 年的小规模集成电路。 ( 2 ) 第2 阶段是软件数控( C N C ) 第四代为1 9 7 0 年的小型计算机；第五代为1 9 7 4 年的微处理器；第六代为 1 9 9 0 年基于个人P C 机( P C B A S E O ) 第六代系统的优点主要有： 元器件集成度商，性能高，可靠性好，可靠性已可达到5 万小时以上； 基于P C 平台，技术进步快，升级换代容易； 提供了开放式基础，可供利用的软、硬件资源丰富，使数控功能扩展到 很宽的领域( 例如C A D 、C A M 、C A P P 、连接网卡、声卡、打印机、摄影机等) ： 对数控机床生产厂来说，提供了优良的开发环境，简化了硬件。 中国数控机床制造业在2 0 世纪8 0 年代曾经历过高速发展的阶段，许多机床J 实现了从传统产品向数控化产品的转型，并宵许多厂家生产经济型数控机床。彳 = i 总的来说，技术水平不高，质量不佳，所以在2 0 世纪9 0 年代初期面临国家经济由 计划性经济向市场经济转移调整，经历了几年最困难的萧条时期，那时生产能力 降到5 0 。从1 9 9 5 年“九五”计划以后，国家为扩大内需窟动机床市场，加强限 制进口数控设备的审批，重点投资和支持关键数控系统、设备、技术攻关，对数 控设备生产起到了很大的促进作用。尤其是在1 9 9 9 年以后，国家向国防：I ：业及关 键民用工业部门投入大量技改资金，使数控设备制造市场一派繁荣。 当今世界： 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。目前中国是全世界机床拥有量最多的国家( 近3 0 0 万台) ，但机床数控化率 仅达N 1 9 左右，这与西方工业国家一般能达N 2 0 的差距太大。日本不N 8 0 万台的机床却有近1 0 倍于中国的制造能力。数控化率低、己有数控机床利用率、 开动率低，这是发展中国2 1 世纪制造业必须首先解决的最主要问题。 世界先进制造技术不断兴起，超高速切削、超精密加工等技术的应用，柔 性制造系统的迅速发展和计算机集成系统的不断成熟。对数控加二 一技术提出了 更高的要求。当今数控机床正在朝着以下几个方向发展。 尔北火学硕 l 学位论文 1 2 2 数控机床的分类 数控机床的种类繁多。根据数控机床的功能和组成的不同，可以从多种角度 对数控机床进行分类【1 6 】。 1 22 ，1 按运动轨迹分类 ( 1 ) 点位控制系统 这类控制系统的特点是只控制刀具相对于工件定位点的位鼹精度，= ：i i 控制点 与点之间的运动轨迹，在移动过程中刀具不进行切削。为了既提商生产效率又保 证定位精度。机床工作台( 或由刀架) 移动时采用机床设定的最高进给速度快速 移动，在接近终点前进行分级或连续降速，达到低速趋近定位点，减少因运动部 件惯性引起的定位误差。例如数控钻床、数控坐标镗床、数控冲床、数控点焊机 及数控测量机等，就可采用简单丽价格低廉的点位控制系统，如图1 4 所示。 图1 4 点位控制数控加I 。 F i g 1 4n u m e r i c a lc o n t r o lp r o c e s s i n go fp o i n tp o s i t i o n ( 2 ) 直线控制系统 这类控制系统的特点是除了控制起点与终点之间的准确位景外，还要求珏具 由一点到另一点之间的运动轨迹为一条直线，并能控制位移的速度，因为这炎数 控机床的刀具在移动过程中要进行切削加工。直线控制系统的刀具切削路径只沿 着平行于某一坐标轴方向运动，或者沿着与坐标轴成定角度的斜线方向进行甑 线切削加工。采用这类控制系统的机床有数控车床、数控铣床等。 I 司时具有点位控制功能和直线控制功能的点位直线控制系统，主要应用在 数控镗铣床、加工中心机床上。 为了在刀具磨损后调整重磨后的刀具或更换刀具时能比较方便地得到合格 的零件，这类机床的数控系统常其有刀具半径补偿功能、刀具长度补偿功能和主 一6 一 国 尔北大学颂 J 学位沦文 轴转速控制功能等，如图1 5 所示 图1 5 直线控制数控加工 F i g 1 5n u m e r i c a lc o n l r o ! p r o c e s s i n g o f l i n e ( 3 ) 轮廓控制系统 轮廓控制又称连续控制。它的特点是能够对两个或两个以上的嫩标轴方向同 时进行连续控制，并能对位移和速度进行严格的不间断的控制。这类数控机床需 要控制刀尖整个运动轨迹，使它严格地按加I ，表厩的轮廓形状连续地运动，并在 移动时进行切鹄加工，可以加工任意斜率的直线、圆弧和其他函数关系曲线。采 用这类控制系统的机床有数控铣床、数控车床、数控磨床、加工中心及数控绘吲 机等。 这类数控机床绝大多数具有两坐标或两坐标以上的联动功能，不仅有刀具半 径补偿、刀具长度补偿功能，而且还具有机床轴向运动误差补偿，丝杠、齿轮的 削隙补偿等一系列功能，如图1 6 所示。 按照可联动轴数。即同时控制的轴数，町以有2 轴控制、2 5 轴控制、3 - 5 黜 控制等。 2 轴控制即两坐标数控机床，能实现两坐标轴的连续控制。如数控车床的 X 、Z 方向可同时控制，为二维控制。 2 5 轴控制是指两个轴能连续控制，第三轴为点位或赢线控制。它能实现 个方向( x 、Y 、z ) 的二二维控制。 3 轴控制是三个坐标方向( x 、Y 、z ) 都能同时控制，是三维控制。 尔北久学硕十学位论文 5 轴控制为三个坐标方向( x 、Y 、z ) 与转台的转动B 和刀其的摆动A 同时联动、 这种5 轴同时控制的数控系统，可实现使刀具垂直于任何双l l 线平面，特别适用 于加工汽轮机时片、机翼等形状复杂的曲断零件。 图1 6 两座标轮廓控制加I F i g 1 6n u m e r i c a lc o n t r o lp r O C e s s i n go f c u r v e 1 22 2 按饲服系统控制方式分类 ( 1 ) 开环伺服系统 这种控制方式不带位鬣测量元件。数控装鬻根据控弗4 介质的指令信号，经 控制运算发出指令脉冲，便伺服驱动元件转过一定的角度，并通过传动齿轮、滚珠 丝杠螺母副，使执行机构( 如工作台) 移动或转动。图1 7 为开环控制系统的框图。 这种控制方式没有来自位置测量元件的反馈信号，对执行机构的动作情况雒i 进行 检查，指令流向为单向，因此被称为开环控制系统。 采用步进电机伺服系统是最典型的开环控制系统。这种控制系统的特点是系 统简单、调试维修方便、工作稳定、成本较低。由于开环系统的精度主要取决于 伺服元件和机床传动元件的精度、刚度和动态特性，因此控制精度较低。嗣前在： 国内多用于经济型数控机床，以及对旧机床的改造。 * - I L 火学硕士学位论文 筇章绪论 黔电 一卜：又署母 到1 7 开环控制系统框图 F i g t 7c h a r to fo p e n i n gl o o pc o n t r o ls y s t e m ( 2 ) 闭环伺服系统 这是一种自动控制系统，其中包含功率放大和反馈，使输出变量的值响应输 入变量的值。数控装置发出指令脉冲后，当指令值送到位置比较电路时，此时若 工作台没有移动，即没有位置反馈量信号时，指令值使伺服驱动电机转动，经过 齿轮、滚珠丝杠螺母副等传动元件带动机床工作台移动。装在机床直线运动部件 工作台上的位置测量元件，测出j 【作台的实际移动量后，反馈到数控装黄的比较 器中与指令脉冲信号进行比较，并用比较后的差值进行控制。若两者存在差值， 经放大器放大后，再控制伺服驱动电机转动，直至差值为零时，工作台于停止移 动。这种系统被称为闭环控制系统。图1 8 为闭环控制系统框图。 从理论上讲，闭环控制系统中机床工作精度主要取决于测量元件的精度，并 不取决于传动系统精度。因此，采用高精度测量元件可以使闭环控制系统达到很 高工作精度。但是由于许多机械传动环节都包含在反馈环路内，丽各种反馈环节 具有丝杠与螺母、工作台与导轨的摩擦，且各部件的刚性、传动链的间隙等都足 i 呼变的，因此机床的谐振频率、爬行、运动死区等造成的运动失步，可能会引起 振荡，系统不易稳定，调试和维修比较复杂。闭环系统中数控机床的加工精度主 要取决于检测装景精度，与传动链的误差无关。 闭环伺服系统的优点是精度高、速度快，主要用在精度要求较高的数控镗铣 床、数控超精车床、数控超精镗床等机床 i 。 东北大学硕。，二学位论文 第一葶绪论 图1 8 闭环控制系统框图 F i g 1 ，8c h a r to fc l o s e dl o o pc o n t r o ls y s t e m ( 3 ) 半闭环伺服系统 目前，大多数数控机床采用半闭环伺服控制系统。这种控制系统不怒矗接 测量工作台的位移量，而是通过旋转变压器、光电编码盘或分解器等角位移测 量元件，间接测量伺服机构中执行元件的转角。如把测量元l 牛安装在伺服电机 端部或丝杠端部上，通过计算换算出工作台的实际位移量，再将计算值与指令 值进行比较，用比较后的差值进行控制，使机床作补充位移，直到差值消除为 止。这种系统中滚珠丝杠螺母副和工作台部件均在反馈环路之外，其传动误差 等仍然会影响工作台的位置精度，故称为半闭环伺服控制系统。圈1 9 为半闭环 伺服系统的框图。 半闭环伺服系统介于开环和闭环之间，由于角位移测量元件比直线位移测 量元件结构简单，因此装有精密滚珠丝杠螺母副和精密齿轮的半闭环系统被广 泛地采用。目前已经把角位移测量元件与伺服电机设计成一个部件，使用起束 更为方便。半闭环伺服系统的加工精度显然没有闭环系统离，但是由于采用了 高分辨率的测量元件，这种控制方式仍可获得比较满意的精度和速度。系统调 试比闭环系统方便，稳定性好，成本也比闭环系统低，是一般数控机床常用的 伺服控制系统。 尔北人学硕士学位沦文第章绪论 粤爨：艰夕 图1 9 半闭环伺服系统框图 F i g 1 9c h a r to fh a l fd o s e dl o o pc o n t r o ls y s t e m 1 3 论文研究的意义 矿山的发展需要高质量的设备做保证，商质量的设备需要高质量的制造、加 工束完成，数控加工是矿d I 设备生产的发展趋势。本文所讨淦的内容内容使矿l J 设备上向标准化、精密化迈进了一步。 本文通过对矿山汽车轮毂的研究，使人们对矿山的安全问题更加重视，也更 加认识到矿l U 安全范围的，。泛性。 经过实际生产检验，本文所讨论的矿山汽车轮毂在四轴数控机床上的加工方 法不但能够得以实现，而且能够满足表面质量要求。本文所讨论的数控加：方法 对所有的轮毅加工都具有着借鉴意义。 东北人学硕七学位论文 第章数控编捌的艇础矢讶 第二章数控编程的基础知识 2 1 数控编程的内容和方法 2 1 数控编程的作用与目的 所谓数控编程1 2 3 l ，就是把零件的图形尺寸、I 艺过程、工艺参数、机床冉勺 运动以及刀具位移等内容，按照数控机床的编程格式和能识别的语言记录在程序 单上的全过程。这样编制的程序还必须按规定把程序单制备成控制介质，如程序 纸带、磁盘等，变成数控系统能读取的信息，再送入数控系统。当然，也可以用 手动数据输入方式M D I 将程序输入数控系统。因为这个程序叫零件加工程序，所 以这个过程简称加工程序编制。 加工程序的编制工作是数控机床使用中最重要的一环，因为程序编制的好坏 直接影响数控机床的正确使用和数控加工特点的发挥。在工作中，程序员要不断 积累编程经验和编程技巧，提高编程效率。 2 1 2 数控编程的内容和步骤 2 1 2 1 数控编程的内容 数控编程的主要内容包括：分析零件图纸；确定加工工艺过程；计算走J J - ) l 迹，得出刀位数据；编写零件加工程序；制作控制介质；校对程序及首件试加工。 2 12 2 数控编程的步骤 数控机床对零件加工过程的编程步骤，如图2 1 所示。 ( 1 ) 分析零件图纸阶段 在分析零件图纸阶段，主要是分析零件的材料、形状、尺寸、精度及毛坯彤状 和热处理要求等，以便确定该零件是否适宜在数控机床上加工，适宜在哪台数 控机床，卜- 加： 。有时还要确定在某台数控机床上加工该零件的哪些【序或, J i l l ) L 个表面。 一1 2 一 东北人学硕十学位论文 筹二草数控犏料的基础t “U ! 图2 1 数控机床编程过科框图 F i g 2 1c h a r to fn u m e r i c a lc o n t r o lp r o g r a mm a k i n gp r o c e s s0 1 1m a c h i n et o o l ( 2 ) 工艺分折她理阶段 工艺分析处理阶段的主要任务是确定零件加一 工艺过程。换言之，就是确定 零件的力丌工方法( 如采用的：I = 夹具、装夹定位方法等) 、加王路线( 如对刀点、 走刀赂线等) 祁加工用量等工艺参数( 如走刀速度、主轴转速、切削宽鹰和深度 等) 。 数学处理阶段 数学处理阶段是根据零件图纸和确定的加工路线，计算出走刀轨迹和每个 程序段所需数据。如零件轮廓相邻几1 l 可元素的交点和切点坐标的计算，称为基 点坐标的计算；对非圆曲线( 如渐开线、双曲线等) 需耍用小直线艘或圆弧段 逼近，根据要求的精度要计算逼近零件轮廓时相邻几 I ；I 元素的交点或切点坐标， 称为一订点坐标的计算：自出曲线、曲面及组合曲面的数据更为复杂，必颁使用 计算机辅助计算。 ( 4 ) 程序编制阶段 程序编制阶段是根据加工路线计算出的数据和已确定的加工用蛩，结合数摔 尔北犬学硕士学位论文篇章数控编群的毖础知识 系统的加：I ：指令和程序段格式，逐段编写出零件加： 程序单。 ( 5 ) 制作控制介质 制作控制介质就是将程序单上的内容用标准代码记录到控制介质已I 制宰制 介质就是记录零件加工程序信息的载体，常用的控制介质有穿孔纸带和磁盘。如 通过汁算机将程序单上的代码记录在磁盘上等。 ( 6 ) 程序校验和首件试加二r ： 控制介质上的加工程序必须经过校验和试加工合格，才能认为这个零件的编 程工作结束，然后进入征式加工。 一般说来，可通过穿孔机的复核功能检验穿孔纸带是否有混；也可把被检查 的介质作为数控绘图机的控制介质，控制绘图机自动描绘出零件的轮廓形状或刀 具运动轨迹，与零件图上的图形对照检查；在具有图形显示功能的数控机床b 在C R T 上用显示走刀轨迹或模拟刀具和工件的切削过程的方法进行检焱更为方 便；别子复杂的空间零件，则需使用铝件或木件进行试切翻。后3 种方法查出错 误的方法快。发现有错误，或修改程序单，或采取尺寸补偿等措施进行修J E 。如 不能知道加工精度是否符合要求，只有进行首件试切削，即可查出程序上的错误， 并可知道加工精度是否符合要求。 2 1 3 数控编程的方法 数控编程的方法主要有手工编程和自动编程两种。 21 31 手工编程 由分析零件图纸、制定工艺规程、计算刀具运动轨迹、编写零件加工程序单、 制作控制介质直到程序校核，整个过程主要由人来完成。这种人工制备零件加F 程序的方法称为手工编程。在手工编程中，也可以利用计算机辅助计算得出坐标 值，再由人： 制备加工程序。 对于几何形状不太复杂的较简单的零件，计算较简单、加工程序刁i 多，采用 手r ：编程较容易实现。但是，对于形状复杂，具有非圆曲线、列表曲线、组合曲 面的零件，计算相当繁琐，程序量非常大，易出错，难校对，手工编程难于胜任， 甚至无法编出程序来：即使编出来，效率低，出错率高。据国外统计以及中图的 生产实践漉明，用手工编程时， 个零件的编程时间与机床L 加工时间之比，j P 东北人学硕士学位论文 第。章数控编稃的摹础知U 均约为3 0 ：1 。这样数控机床的作用就远远没有发挥出来。为了缩短编稷的时m J ， 提高数控机床的利用率，必须采用自动编程的方法。数控机床程序编制又称数控 编程，是指程序员或数控机床操作者，根据零件图样和工艺文件的要求，编制出 可在数控机床上运行以完成规定加工任务的系列指令的过程。具体来说，数控 编程是由分析零件图样和工艺要求开始到程序检验合格为止的全部过程。 图2 2 手J 编程流程圈 F i g 2 2f l o wc h a r to fp r o g r a mm a k j i n g 编制好的程序，在正式用于生产加工前，必须进行程序运行检查。在某些 情况下，还需做零件试加工检查。根据检查结果，对程序进行修改和调髂。检 查修改，再检查再修改这往往要经过多次反复，直到获得完全满足加：酣睡 求的程序为止。 在图2 2 中的各项工作，主要由人工完成，这样的编程方式称为“手J 编 程”。在各机械制造行业中，均有大量仅由真线、圆弧等几何元素构成的形状 并不复杂的零件需要加工。这些零件的数值计算较为简单，程序段数不多，程 序检验也容易实现，因而可采用手工编程方式完成编程： 作。由于手_ 编籁朔i 需要特别配置专门的编程设备，不同文化程度的人均可掌握和运用，因此存翻 尔北夫学硕十学位论文 第一章数控编羁! 的基础知识 内外，手工编程仍然是一种运用卜分普遍的编程方法。 2132 手工编程的工艺处理 ( 1 ) 数控加工工艺的基本特点和主要内容 基本特点从编程的角度看，加工程序的编制比通用机床的：I = 艺规程编 制复杂。因为在通用机床上不少内容，如工序内工步的安排和走刀路线、刀具、 切削用量等，可由操作工人来考虑、选择、决定。而数控加： 时，这一一切需由编 程员事先选定和安排好，变成程序中不可缺少的内容。正由于这个特点促使对加 工程序的正确性和合理性要求很高。 主要内容编程中数控加工工艺处理的主要内容是选择适合在数控机 床上加工的零件和确定工序的内容：零件图纸的数控工艺性分析；制定数控：E 艺 路线；加工程序设计和调整：数控加工中的容差分配等。 ( 2 ) 确定零件的安装方法和选择夹具 要尽量选用已有的通用夹具，而且注意减少装央次数，尽量做到在次装 夹中能把零件上所有要加工的表面都加工出来。零件定位基准尽量和设计基准熏 合，以减少定位误差对尺寸精度的影响。 数控加工对夹具的主要要求：一是要保证夹具本身在机床上安装准确：二足 容易协调零件和机床坐标系的尺寸关系：三是装卸零件要迅速，以减少数控机床 停机时问。 ( 3 ) 对刀点和换刀点的确定 对刀点是指在数控机床上加：亡零件时，刀具相对零件运动的起始点。由于 程序也从这一点开始执行，所以对刀点也称程序起点或起刀点。可以选择零件上 某一点作为对刀点，也可选择零件外( 如夹具上或机床上) 某一点作为对刀点。 但所选择的对刀点必须与零件的定位基准有一定的坐标关系，这样才能确定机床 坐标系与零件坐标系之间的关系。 若对刀精度要求不高时，可以直接选用零件上或夹其上的某些表觚作为 对刀面。若对刀精度要求较高时，对刀点应尽量选在零件的设计基准或：【艺基准 上。对于以孔定位的零件，则选用孑L 的中心作为对刀点。 对刀点应选择在对刀方便的地方。采用相对坐标编程时，对刀点可选在零件 孔的中心一L 、夹具的专用对刀孔上或两垂赢平丽的交线上。在采用绝对坐标编 一1 6 一 东北人学硕士学位论文 第一章数控编鞋的基础知： 程时，对刀点可选在机废坐标系的原点上或距离原点为确定值的点上。 对刀时，采用对刀装罱使刀位点与对刀点熏合。所N J J 位点，就是刀具定 位的基准点。例如，立铣刀是指刀具轴线与刀具底面的交点：球头铣刀楚指球 头铣刀的球心；车刀和镗刀是指刀头的刀尖等。 具有自动换刀装置的数控机床，在加1 ：中如需自动换刀，还要没嚣换刀 点。换刀点的位簧应根据换刀时刀具不得碰伤工件、夹具和机床的原则而定。 ( 4 ) 工艺路线的确定 零件加工的工艺路线是指数控机床切削加工过程中，加工零件的顺序，即刀 具( 刀位点) 相对于被加工零件的运动轨迹和运动方向。编程时，确定加工路线 的原则主要有： 应能保证零件的加工度和表面粗糙度的要求； 应尽量缩短加工路线，减少刀具空行程移动时间； 应使数值计算简单，程序段数量少，以减少编程工作量。 ( 5 ) 选择刀具和确定切削用量 与传统加工方法相比，数控加工对刀具提出了更高的要求，主要是安装调整 方便、刚性好、精度高、耐用度好。编程时，常需预先规定好刀具的结构尺寸和 调整尺寸。切削用量包括主轴转速、切削深度和宽度、进给速度等。切削用量的 选择应根据实际加工情况，结合说明柱切削用量手册，尤其是实践经验来确定。 2 1 3 3 自动编程 主要由计算机完成编制零件加工程序全部过程的编程方法称为自动编程。编 程人员只需根据零件图纸和工艺过程，使用规定的数控语苦编写一个较简短的 零件加工源程序，输入到计算机中。计算机由通雳处理程序自动地进行编译、数 学处理，计算出刀具中心运动轨迹，再由后置处理程序良动地编写出零件加工程 序，并输出、制备出穿孔纸带或磁盘等控铡介质，也可直接通过计算机通讯程序， 将零件加工程序传送到枫床数控系统。由于在计算机上可自动地给出所编程序的 图形及走刀轨迹，因此便于及时检查程序是否有错并及时修改，从而得到f r 确的 程序。编程人员不需要进行烦琐的计算，不需要手工编写程序单及制备控制介质， 就能自动获得加工程序和控制介质，因此可提高编程效率几倍甚至上百倍，也解 决了手工编程无法解决的难题。 东北大学硕十学位论文第二章数控编秘的基础知叽 2 2 数控编程的代码 代码是表示信息的符号体系。数控用的信息，如字母、数字和符号等，用二二 进制数编码，也可用纸带上一行孔来表示。国际上数控机床常用代码有I s 0 干u E u 两种。随着数控技术的发展，纸带的使用逐渐减少，直接用计算机编程较多。 这时使用的代码与穿孑L 纸带上规定的代码相嗣，如表2 1 和表2 2 所示。 表2 1 I S O 8 4 0 代码 1 、b l e2 11 S O 。8 4 0c o d e b 7 b 6 b 5 b 4 b 3 b 2 b l 0 0 00 0 10 1 00 1 11 0 01 0 1 B SE M H T D E L 表2 - 2 E 1 A R S - 2 4 4 代码 一! 型! ! ：! 曼坠茎! ：坐! 堕一一 b 7 b 6 b 5 b 4 b 3 b 2 b 1 0 0 0 0 0 0 0 l O 叭O 0 0 1 1 0 1 0 0 0 1 0 1 0 1 1 0 0 1 1 1 1 0 0 0 1 0 11 0 0 C R o r E O B P O R S T U V E X Y Z A B C D E F G H ，K L M N O 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 ： ； = 卵 + ，