阀的组合设计与数控加工毕业论文.doc

阀的组合设计与数控加工毕业论文阀的组合设计与数控加工毕业论文 目目 录录 1 进度计划 2 摘 要 3 第一章 绪论 1 1 1 题目 阀的组合设计与数控加工 1 1 2 阀体零件要求 1 1 3 方案设计要求 2 1 4 阀体零件的加工要求 2 第二章 结构设计 3 2 1 设计概述 3 2 2 设计思路和方案 3 2 3 设计图纸 3 第三章 机械加工工艺过程 7 3 1 机械加工工艺规程 7 3 2 工艺规程制订的原则 7 3 3 制订工艺规程时的原始资料 8 3 4 制订工艺规程的步骤 8 3 5 工艺文件格式 9 3 6 加工工序的划分 9 第四章 数控机床的选择 15 4 1 数控机床的选择 15 4 1 1 数控铣床的主要功能 15 4 1 2 数控铣床的加工范围 16 4 2 数控机床的分类及工作原理 18 4 2 1 数控机床的分类 18 4 2 2 数控机床的结构及各部件工作原理 19 4 3 数控插补原理 21 4 4 数控造型的方法 23 4 5 数控铣床的基本操作 25 1 第五章 数控加工编程 28 5 1 概述 28 5 1 1 数控编程的基本概念 28 5 1 2 数控编程方法简介 28 5 1 3 数控编程的基础 29 5 1 4 编程的几何基础 29 5 2 机床坐标系 29 5 2 1 机床上固有的坐标系 29 5 2 2 机床零点与参考点 30 5 2 3 工件坐标系与工件零点 30 5 2 4 绝对尺寸与增量尺寸 31 5 3 编程的工艺基础 31 第六章 刀具及切削用量的选择 33 6 1 刀具种类 33 6 2 切削用量的选择原则 41 6 2 1 切削深度 ap 的选择 41 6 2 2 进给量 f 的选择 41 6 2 3 切削速度 c 的选择 41 6 3 工件的装卡方式 43 第七章 阀体实际加工与编程 44 7 1 加工步骤 44 7 2 阀体编程 44 7 3 阀芯数控加工程序 55 第八章工艺成本分析 56 8 1 单件小批量生产类型的成本分析 56 8 2 中批量生产类型的成本分析 56 8 3 生产成本 57 参考文献 64 1 第一章第一章 绪论绪论 1 11 1 题目 阀的组合设计与数控加工题目 阀的组合设计与数控加工 本题目为工业生产流程中常见的控制阀 经抽象简化而成一阀体与阀芯的组合 此阀体孔与阀芯的配合精度影响到生产流程中液体介质的输送控制 要求达到开启 灵活 泄漏少 具体要求如下所示 完成一套带底阀的圆筒型容器的设计 加工 检测 机器人组装及方案分析本 题目的设计 考核学生在机电产品设计制造 数控编程 数控加工 工艺和成本分 析等方面的综合能力和创新精神 1 21 2 阀体零件要求阀体零件要求 阀体零件如下图所示 1 阀体外侧面上部 10mm 范围 要求加工成基本尺寸为 78mm 的圆柱面 尺寸公 差按 GB T1804 m 制造 自由尺寸公差 2 阀体外侧面下部 20mm 范围 要求加工成为 78mm 上偏差为 0 下偏差为 0 046 的圆柱面 此尺寸作为尺寸测量环节的测量项目 图图 1 11 1 阀体及阀芯制作要求阀体及阀芯制作要求 3 在阀体外侧面中部 如图 1 1 中所标出 50mm 范围内的几何形状自定 2 4 柱型结合面的配合高度为 9 0 5 mm 配合部位的形状 配合公差及阀体和 阀芯表面粗糙度等各项技术要求由学生自行设计并标注在设计图纸上 5 阀体内壁高度尺寸的有效测量范围为以阀体中心为原点 直径尺寸为 45mm 至 65mm 的阀体内侧底面部分 6 阀体底孔或阀芯廓线须由不少于 4 段的圆弧和不少于 4 段直线组成 要求至 少有 4 段圆弧其各自的弧长应不小于 8mm 至少有 4 段直线且每段直线长度应不小 于 8mm 阀体底孔或阀芯廓线少于 4 段圆弧和 4 段直线的判为未完成 1 31 3 方案设计要求方案设计要求 此阶段的目的 是考察学生能否综合运用所学的机械设计 工艺设计 成本分 析及工程管理知识 对给定的工程问题做出全面 系统 合理的分析并提出相应的 设计方案 针对命题所提供的零件要求 按照生产纲领为单件小批量生产和月产 3000 件的 中批量这两种生产纲领 在独立完成命题零件的设计和工艺分析 提交所作的结构 设计方案 工艺设计方案 成本分析方案及工程管理设计方案的纸质文档和电子文 档 1 41 4 阀体零件的加工要求阀体零件的加工要求 阀体和阀芯加工要有普通机床加工和数控加床加工相结合完成 加工精度达到 图纸要求 此阶段主要目的 考察学生的工艺综合能力 特别是数控编程和数控加 工能力 3 第二章第二章 结构设计结构设计 2 12 1 设计概述设计概述 在认真研究领会毕业设计要求的基础上 设计了一组阀体与阀芯组成的控制阀 设计中充分考虑了结构形状 配合公差 表面粗糙度 生产批量等方面对比赛要求 的影响 编制了合理的加工工艺 选择了合理的加工设备 确定了适当的加工参数 进行了实际加工 测量 装配 结果显示加工操作方便 易于装配 开户灵活 工 作效率高 2 22 2 设计思路和方案设计思路和方案 设计思路按照工艺合理 成本最低 泄漏少的总体要求 以流体力学计算为依 据 经比较选择确定适宜的结构 尺寸精度及公关配合形式 通过论证分析 制定 成本分析方案和工程管理方案 设计方案 阀体与阀芯配合柱面非圆轮廓曲线采用六段圆弧和六段直线相间 这种设计不但满足直线和圆弧长度 数量的要求 同时还满足建模计算确立的指导 原则 符合大赛要求 加工部位具有形状对称 加工相对简单 切屑最少等特点 按生产批量和具体加工条件 计算生产成本 对生产组织 资源匹配质量控制等进 行工程管理方案设计 19 2 32 3 设计图纸设计图纸 5 6 7 第三章第三章 机械加工工艺过程机械加工工艺过程 3 13 1 机械加工工艺规程机械加工工艺规程 机械加工工艺规程是规定零件机械加工工艺过程和操作方法等的工艺文件 它 是机械制造工厂最主要的技术文件 其具体作用如下 1 工艺规程是指导生产的主要技术文件 是指挥现场生产的依据 对于大批大量生产的工厂 由于生产组织严密 分工细致 要求工艺规程比较 详细 才能便于组织和指挥生产 对于单件小批生产的工厂 工艺规程可以简单些 但无论生产规模大小 都必须有工艺规程 否则生产调度 技术准备 关键技术研 究 器材配置等都无法安排 生产将陷入混乱 同时 工艺规程也是处理生产问题 的依据 如产品质量问题 可按工艺规程来明确各生产单位的责任 按照工艺规程 进行生产 便于保证产品质量 获得较高的生产效率和经济效益 2 工艺规程是生产组织和管理工作的基本依据 首先 有了工艺规程 在新产品投入生产之前 就可以进行有关生产前的技术 准备工作 例如为零件的加工准备机床 设计专用的工 夹 量具等 其次 工厂 的设计和调度部门根据工艺规程 安排各零件的投料时间和数量 调整设备负荷 各工作地按工时定额有节奏地进行生产等 使整个企业的各科室 车间 工段和工 作地紧密配合 保证均衡地完成生产计划 3 工艺规程是新建或改 扩 建工厂或车间的基本资料 在新建或改 扩 建工厂或车间时 只有依据工艺规程才能确定生产所需要的 机床和其它设备的种类 数量和规格 车间的面积 机床的布局 生产工人的工种 技术等级及数量 辅助部门的安排 但是 工艺规程并不是固定不变的 它是生产工人和技术人员在生产过程中的 实践的总结 它可以根据生产实际情况进行修改 使其不断改进和完善 但必须有 严格的审批手续 3 23 2 工艺规程制订的原则工艺规程制订的原则 工艺规程制定的原则是优质 高产 低成本 即在保证产品质量的前提下 争 取最好的经济效益 在制订工艺规程时应注意下列问题 1 技术上的先进性 在制订工艺规程时 要了解国内外本行业的工艺技术的发展水平 通过必要的 工艺试验 积极采用先进的工艺和工艺装备 2 经济上的合理性 在一定的生产条件下 可能会出现几种能保证零件技术要求的工艺方案 此时 应通过核算或相互对比 选择经济上最合理的方案 使产品的能源 材料消耗和生 8 产成本最低 3 有良好的劳动条件 在制订工艺规程时 要注意保证工人操作时有良好而安全的劳动条件 因此 在工艺方案上要注意采用机械化或自动化措施 以减轻工共繁杂的体力劳动 3 33 3 制订工艺规程时的原始资料制订工艺规程时的原始资料 制订工艺规程时的原始资料主要有 1 产品图样及技术条件 如产品的装配图及零件图 2 产品的工艺方案 如产品验收质量标准 毛坯资料等 3 产品零部件工艺路线表或车间分工明细表 以了解产品及企业的管理情况 4 产品的生产纲领 年产量 以便确定生产类型 5 本企业的生产条件 为了制订的工艺规程切实可行 一定要了解和熟悉本企业的生产条件 如毛坯 的生产能力 工人的技术水平以及专用设备与工艺装备的制造能力 企业现有设备 状况等 6 有关工艺标准 如各种工艺手册和图表 还应熟悉本企业的各种企业标准和行业标准 7 有关设备及工艺装备和资料 对于本工艺规程选用的设备和工艺装备应有深入地了解 如规格 性能 新旧 程度和现有精度等 8 国内外同类产品的有关工艺资料 工艺规程的制订 要经常研究国内外有关工艺资料 积极引进适用的先进的工 艺技术 不断提高工艺水平 以获得最大的经济效益 3 43 4 制订工艺规程的步骤制订工艺规程的步骤 1 计算零件的生产纲领 确定生产类型 2 分析产品装配图样和零件图样 主要包括零件的加工工艺性 装配工艺性 主要加工表面及技术要求 了解零 件在产品中的功用 3 确定毛坯的类型 结构形状 制造方法等 4 拟订工艺路线 包括选择定位基准 确定各表面的加工方法 划分加工阶段 确定工序的集中 和分散的程度 合理安排加工顺序等 9 5 确定各工序的加工余量 计算工序尺寸及公差 6 选择设备及工艺装备 7 确定切削用量及计算时间定额 8 填写工艺文件 3 53 5 工艺文件格式工艺文件格式 将工艺文件的内容 填入一定格式的卡片 即成为生产准备和施工依据的工艺 文件 常用的工艺文件的格式有下列几种 1 机械加工工艺过程卡 这种卡片以工序为单位 简要地列出整个零件加工所经过的工艺路线 包括毛 坯制造 机械加工和热处理等 它是制订其它工艺文件的基础 也是生产准备 编 排作业计划和组织生产的依据 在这种卡片中 由于各工序的说明不够具体 故一 般不直接指导工人操作 而多作为生产管理方面使用 但在单件小批生产中 由于 通常不编制其它较详细的工艺文件 而就以这种卡片指导生产 2 机械加工工艺卡片 机械加工工艺卡片是以工序为单位 详细地说明整个工艺过程的一种工艺文件 它是用来指导工人生产和帮助车间管理人员和技术人员掌握整个零件加工过程的一 种主要技术文件 是广泛用于成批生产的零件和重要零件的小批生产中 机械加工 工艺卡片内容包括零件的材料 重量 毛坯种类 工序号 工序名称 工序内容 工艺参数 操作要求以及采用的设备和工艺装备等 机械加工工艺卡片格式见表 3 1 所示 3 机械加工工序卡片 机械加工工序卡片是根据机械加工工艺卡片为一道工序制订的 它更详细地说 明整个零件各个工序的要求 是用来具体指导工人操作的工艺文件 在这种卡片上 要画工序简图 说明该工序每一工步的内容 工艺参数 操作要求以及所用的设备 及工艺装备 一般用于大批大量生产的零件 机械加工工序卡片格式见下表 3 63 6 加工工序的划分加工工序的划分 一般在数控机床上加工工件应采用工序集中的原则安排工序 即尽可能在一次 装夹中就能完成全部工序 同时考虑到数控机床的特点及保持数控机床的精度 延 长数控机床的饿使用寿命 降低数控机床的使用成本 工件的粗加工应尽可能安排 在普通机床上完成加工之后 再装夹到数控机床上进行加工 加工工序划分的原则是 1 刀具集中分序法 在数控机床上 为了减少换刀次数 缩短辅助时间 减少 10 不必要的定位误差 可按刀具集中工序的方法加工工件 即在一次装夹中 应尽可 能用同一把刀具加工完成工件上要求相同的部位后 再用另一把到加工其他部位 2 按粗 精加工分序法 考虑到工件的加工精度 刚度和变形等因素 应将工 件的粗 精加工工序分开进行 即先进行粗加工 半精加工 而后进行精加工 这 样一方面可使粗加工引起的各种变形得到恢复 另一方面能及时发现毛坯的各种缺 陷 并能发挥粗加工的效率 在粗加工之后精加工之前 最好隔一段时间或安排时 效处理 以提高工件的加工精度 3 按加工部位分序法 对箱体类工件 为提高孔的位置精度 应先加工面 后 加工孔 这一原则与在普通机床上加工相同 11 总 3 页第 1 页编号 1 产品名称阀生产纲领1 件 年 毕业实训毕业实训机械加工工艺过程卡片机械加工工艺过程卡片 零件名称阀 体生产批量1 件 月 材料6061 T6 毛坯种类棒料毛坯外形尺寸 80 85 每毛坯可制作件数1每台件数 1备注单件生产 序 号 工序 名称 工序内容工 序 简 图 机床 夹具 刀具 量具 附具 工时 min 1数控车 夹毛坯外圆 车端面 钻中心孔 钻 30mm 通孔 粗车 30mm 的内孔至 68mm 2 5mm 精车至 70 0 05 0 12mm 3mm 粗车外圆面至 78 8mm 长 40mm 粗车 78 8mm 20mm 外圆面至 78 2mm 精车 78 2mm 20mm 外圆面至 780 0 046mm CK6136 数控车床 三爪卡盘 外圆车刀 3mm 中心钻 内孔车刀 30mm 麻花钻 游标卡尺 0 150mm 12 2数控车 调头 夹精车后 780 0 046mm 20mm 外 圆一端 夹紧长度 18mm 百分表以找正 车端面 到规定长度 80mm 40mm 扩孔钻扩内孔深 66mm 60mm 扩孔钻扩内孔深 66mm 粗车内孔至 69mm 67mm 精车内孔 70 0 05 0 09mm 68 0 1mm 粗车 半精车 78 40 0 1mm 50mm 78 0 12 0 02mm 10mm 外圆加工余量为 0 1mm 精车两外圆至规定尺寸 CK6136 数控车床 四爪卡盘 外圆车刀 内孔车刀 40mm 扩孔钻 60mm 扩孔钻 游标卡尺 0 150mm 百分表 18 编制 日期 审核 日期 标准化 日期 会签 日期 12 总 3 页第 2 页编号 2 产品名称阀生产纲领1 件 年 毕业实训毕业实训机械加工工艺过程卡片机械加工工艺过程卡片 零件名称阀 体生产批量1 件 月 材料6061 T6毛坯种类棒料毛坯外形尺寸 80 85 每毛坯可制作件数 1 每台件数 1 备注单件生产 序 号 工序 名称 工序内容工 序 简 图 机床 夹具 刀具 量具 附具 工时 min 3 铣 长孔向下夹 78mm 外圆柱面 用寻边器对刀 粗铣非圆柱面内孔留加工余量 1mm 半精铣非圆柱面内孔留加工余量 0 1mm 精铣达到实际尺寸 钻两销孔中心孔 4 9mm 麻花钻钻两销定位孔底孔 5mm 铰刀铰两定位销孔 保证孔距为 56 0 01mm 雕刻学校标识 XKN713 数控铣床 三爪卡盘 10mm 立铣刀 4 9mm 麻花钻 5mm 铰 刀 3mm 中 心钻 4mm 针 式雕铣刀 寻边器 游标卡尺 0 150mm 8 13 4 铣雕 用分度头撑夹 70 0 05 0 09mm 内孔 用投影法编程雕该标识 深度 0 15mm XDK6050 数控铣雕 机 分度头 针式雕铣 刀 18 编制 日期 审核 日期 标准化 日期 会签 日期 总 2 页第 1 页编号 3 产品名称阀生产纲领1 件 年 毕业实训毕业实训机械加工工艺过程卡片机械加工工艺过程卡片 零件名称阀 芯生产批量1 件 月 材料6061 T6毛坯种类棒料毛坯外形尺寸 45 60 每毛坯可制作件数 1 每台件数 1 备注单件生产 序 号 工序 名称 工序内容工 序 简 图 机床 夹具 刀具 量具 附具 工时 min 14 1 数控车 夹毛坯外圆一端 车端面 粗车外圆至 41mm 22 5 粗车 半精车外圆至 20mm 10 精车 20mm 外圆 钻中心孔 钻 4 2mm 螺纹底孔 攻丝 M5 倒角 切断保证长度 23mm CK6140 车床 三爪卡盘 外圆车刀 切断刀 3 中心 钻 4 2mm 麻花钻 M5 丝锥 游标卡尺 0 150mm 7 5 2 数控车 调头 夹 20mm 外圆 车端面 到保证长度 12mm 倒角 CK6140 车床 三爪卡盘 外圆车刀 游标卡尺 0 150mm1 5 3 铣 夹 20mm 外圆 编程加工非圆曲面 粗铣留加工余量 0 2mm 精铣至标准尺寸 锪钻倒角 CKN713 数控铣床 三爪卡盘 12mm 立铣刀 30 锪钻 游标卡尺 0 150mm 寻边器 7 8 总 2 页第 1 页编号 4 产品名称阀生产纲领36000件 年毕业实训毕业实训机械加工工艺过程卡片机械加工工艺过程卡片 零件名称阀 芯生产批量 3000 件 月 材料6061 T6毛坯种类棒料毛坯外形尺寸 42 25 每毛坯可制作件数 1 每台件数 1 备注单件生产 15 序 号 工序 名称 工序内容工 序 简 图 机床 夹具 刀具 量具 附具 工时 min 1 车 夹毛坯外圆一端 加工端面车平 钻中心孔 粗车毛坯外圆至 21mm 精车外圆至 20mm 钻 4 2mm 孔 攻丝 M5 切断 Ck6136 数控车床 液压卡盘 外圆车刀 切断刀 A3 中心 钻 4 2mm 麻花钻 M5 丝锥 游标卡尺 0 150mm 2 1 2 铣 夹 20mm 外圆 铣上端面 到规定长度 编程加工非圆曲面 锪钻倒角 CKN713 数控铣床 液压卡盘 12mm 立铣刀 30 锪钻 游标卡尺 0 150mm 4 5 编制 日期 审核 日期 标准化 日期 会签 日期 16 第四章第四章 数控机床的选择数控机床的选择 4 4 1 1 数控机床的选择数控机床的选择 加工阀体下表需主要用到的是数控铣床 下面介绍一下数控铣床的主要功能及加 工方法 数控铣床一般由控制介质 数控装置 伺服系统 机床本体四部分组成 数控装 置的作用是把控制介质 数控装置 伺服系统 机床本体四部分组成 也就是通过计 算机控制铣削 4 1 14 1 1 数控铣床的主要功能数控铣床的主要功能 数控铣床是在一般铣床的基础上发展起来的 两者的加工工艺基本相同 结构也有 些相似 但数控铣床是靠程序控制的自动加工机床 所以其结构也与普通铣床有很大区 别 各种类型数控铣床所配置的数控系统虽然各有不同 但各种数控系统的功能 除 一些特殊功能不尽相同外 其主要功能基本相同 1 点位控制功能 此功能可以实现对相互位置精度要求很高的孔系加工 2 连续轮廓控制功能 此功能可以实现直线 圆弧的插补功能及非圆曲线的加工 3 刀具半径补偿功能 此功能可以根据零件图样的标注尺寸来编程 而不必考虑所用刀具的实际半径尺寸 从而减少编程时的复杂数值计算 4 刀具长度补偿功能 此功能可以自动补偿刀具的长短 以适应加工中对刀具长度尺寸调整的要求 5 比例及镜像加工功能 比例功能可将编好的加工程序按指定比例改变坐标值来执行 镜像加工又称轴对 称加工 如果一个零件的形状关于坐标轴对称 那么只要编出一个或两个象限的程序 而其余象限的轮廓就可以通过镜像加工来实现 6 旋转功能 该功能可将编好的加工程序在加工平面内旋转任意角度来执行 7 子程序调用功能 有些零件需要在不同的位置上重复加工同样的轮廓形状 将这一轮廓形状的加工 程序作为子程序 在需要的位置上重复调用 就可以完成对该零件的加工 8 宏程序功能 17 该功能可用一个总指令代表实现某一功能的一系列指令 并能对变量进行运算 使程序更具灵活性和方便性 4 1 2 数控铣床的加工范围数控铣床的加工范围 铣削加工是机械加工中最常用的加工方法之一 它主要包括平面铣削和轮廓铣削 也可以对零件进行钻 扩 铰 镗 鍃加工及螺纹加工等 数控铣削主要适合于下列 几类零件的加工 1 平面类零件 平面累零件是指加工面平行或垂直于水平 以及加工面于水平面的夹角为一定值 的零件 这类加工面可展开为平面 如图 4 1 所示的三个零件均为平面类零件 其中 曲线轮廓面 a 垂直于水平面 可采用圆柱立铣刀加工 凸台侧面 b 与水平面成一定角度 这类加工面可以采用专用 的角度成型铣刀来加工 对于斜面 c 当工件尺寸不大时 可用斜板垫平后加工 当工 件尺寸很大 斜面坡度又较小时 也常用行切加工法加工 这时会在加工面上留下进 刀时的刀锋残留痕迹 要用钳修方法加以清除 图图 4 14 1 平面类零件平面类零件 2 直纹曲面类零件 直纹曲面类零件是指由直线依某种规律移动产生的曲面类零件 如图 4 2 所示零 件的加工就是一种直纹曲面 当直纹曲面从截面 1 至截面 2 变化时 其与水平面 间的夹角从 30 度 10 分均匀变化为 2 度 32 分 从截面 2 到截面 3 时 有均匀变 化为 1 度 20 分 最后到截面 4 斜角均匀变化为 0 度 直纹曲面类零件的加工面不 能展开为平面 当采用四坐标或五坐标数控铣床加工直纹曲面类零件时 加工面与铣刀圆周接触 的瞬间为一条直线 这类零件也可以在三坐标数控铣床上采用行加工法实现近似加工 18 图图 4 24 2 直纹曲面类零件直纹曲面类零件 3 立体曲面类零件 加工面为空间的零件称为立体曲面类零件 这类零件的加工面不能展成平面 一 般使用球头铣刀切削 加工面与铣刀始终为点接触 若采用其他刀具加工 易于产生 干涉而铣伤临近表面 加工立体曲面类零件一般使用三坐标数控铣床 采用以下两种 加工方法 1 行切法加工 采用三坐标数控铣床进行二轴半坐标控制加工 即行切法加工 如图 4 3 所示 球头铣刀沿 XY 平面的曲线进行直线插补加工 当一段曲线加工完后 沿 X 方向进给 X 再加工相邻的另一曲面 如此依次用平面曲线来逼近整个曲面 相邻两曲线间的距 离 X 应根据表面粗糙度的要求及球头铣刀的半径选取 球头铣刀的球半径应尽可能选 得大一些 以增加道具刚度 提高散热性 降低表面粗糙度值 加工凹圆弧时的铣刀 球头半径必须小于被加工曲面的最小曲率半径 图图 4 34 3 行切加工法行切加工法 2 三坐标联动加工 采用三坐标数控铣床三联动加工 即进行空间直线插补 如半球形 也可以用三 坐标联动的方法加工 这里 数控铣床用 X Y Z 三坐标联动的空间直线插补 实现 球面加工 19 图图 4 44 4 三坐标联动加工法三坐标联动加工法 4 24 2 数控机床的分类及工作原理数控机床的分类及工作原理 4 2 14 2 1 数控机床的分类数控机床的分类 1 按运动方式分类 1 点位控制系统 点位控制系统是指数控系统只控制刀具或机床工作台 从一点 淮确地移动到另一点 而点与点之间运动的轨迹不需要严格控制的系统 为了减少移 动部件的运动与定位时间 一般先以快速移动到终点附近位置 然后以低速准确移动 到终点定位位置 以保证良好的定位精度 移动过程中刀具不进行切削 使用这类控 制系统的主要有数控坐标镗床 数控钻床 数控冲床等 2 点位直线控制系统点位直线控制系统是指数控系统不仅控制刀具或工作台从一 个点准确地移动到下一个点 而且保证在两点之间的运动轨迹是一条直线的控制系统 刀具移动过程可以进行切削 应用这类控制系统的有数控车床 数控钻床和数控铣床 等 3 轮廓控制系统 轮廓控制系统也称连续切削控制系统 是指数控系统能够对两 个或两个以上的坐标轴同时进行严格连续控制的系统 它不仅能控制移动部件从一个 点淮确地移动到另一个点 而且还能控制整个加工过程每一点的速度与位移量 将零 件加工成一定的轮廓形状 应用这类控制系统的有数控铣床 数控车床 数控齿轮加 工机床和加工中心等 2 按控制方式分类 1 开环控制数控机床 开环控制系统的特征是系统中没有检测反馈装置 指令信息单方向传送 并且指 令发出后 不再反馈回来 故称开环控制 受步进电动机的步距精度和工作频率以及传动机构的传动精度影响 开环系统的 20 速度和精度都较低 但由于开环控制结构简单 调试方便 容易维修 成本较低 仍 被广泛应用于经济型数控机床上 2 半闭环控制数控机床 半闭环控制数控机床不是直接检测工作台的位移量 而是采用转角位移检测元件 测出伺服电动机或丝杠的转角 推算出工作台的实际位移量 反馈到计算机中进行位 置比较 用比较的差值进行控制 由于反馈环内没有包含工作台 故称半闭环控制 半闭环控制精度较闭环控制差 但稳定性好 成本较低 调试维修也较容易 兼 顾了开环控制和闭环控制两者的特点 因此应用比较普通 3 闭环控制数控机床 闭环控制系统的特点是 利用安装在工作台上的检测元件将工作台实际位移量反 馈到计算机中 与所要求的位置指令进行比较 用比较的差值进行控制 直到差值消 除为止 可见 闭环控制系统可以消除机械传动部件的各种误差和工件加工过程中产 生的干扰的影响 从而使加工精度大大提高 速度检测元件的作用是将伺服电动机的 实际转速变换成电信号送到速度控制电路中 进行反馈校正 保证电动机转速保持恒 定不变 常用速度检测元件是测速电动机 闭环控制的特点是加工精度高 移动速度快 这类数控机床采用直流伺服电动机 或交流伺服电动机作为驱动元件 电动机的控制电路比较复杂 检测元件价格昂贵 因而调试和维修比较复杂 成本高 按工艺用途分类 数控机床可分为数控钻床 车床 铣床 镗床 磨床和齿轮加 工机床等 还有压床 冲床 弯管机 电火花切割机 火焰切割机等 加工中心是带有刀库及自动换刀装置的数控机床 它可以在一台机床上实现多种 加工 工件一次装夹 可完成多种加工 既节省辅助工时 又提高加工精度 加工中 心特别适用于箱体 壳体的加工 车削加工中心可以完成所有回转体零件的加工 4 2 24 2 2 数控机床的结构及各部件工作原理数控机床的结构及各部件工作原理 数控机床由程序编制及程序载体 输入装置 数控装置 CNC 伺服驱动及位置 检测 辅助控制装置 机床本体等几部分组成 1 程序编制及程序载体 数控程序是数控机床自动加工零件的工作指令 在对加工零件进行工艺分析的基 础上 确定零件坐标系在机床坐标系上的相对位置 即零件在机床上的安装位置 刀 具与零件相对运动的尺寸参数 零件加工的工艺路线 切削加工的工艺参数以及辅助 装置的动作等 得到零件的所有运动 尺寸 工艺参数等加工信息后 用由文字 数 字和符号组成的标准数控代码 按规定的方法和格式 编制零件加工的数控程序单 21 编制程序的工作可由人工进行 对于形状复杂的零件 则要在专用的编程机或通用计 算机上进行自动编程 APT 或 CAD CAM 设计 编好的数控程序 存放在便于输入到数控装置的一种存储载体上 它可以是穿孔 纸带 磁带和磁盘等 采用哪一种存储载体 取决于数控装置的设计类型 2 输入装置 输入装置的作用是将程序载体 信息载体 上的数控代码传递并存入数控系统内 根据控制存储介质的不同 输入装置可以是光电阅读机 磁带机或软盘驱动器等 数 控机床加工程序也可通过键盘用手工方式直接输入数控系统 数控加工程序还可由编 程计算机用 RS232C 或采用网络通信方式传送到数控系统中 零件加工程序输入过程有两种不同的方式 一种是边读入边加工 数控系统内存 较小时 另一种是一次将零件加工程序全部读入数控装置内部的存储器 加工时再从 内部存储器中逐段逐段调出进行加工 3 数控装置 数控装置是数控机床的核心 数控装置从内部存储器中取出或接受输入装置送来 的一段或几段数控加工程序 经过数控装置的逻辑电路或系统软件进行编译 运算和 逻辑处理后 输出各种控制信息和指令 控制机床各部分的工作 使其进行规定的有 序运动和动作 零件的轮廓图形往往由直线 圆弧或其他非圆弧曲线组成 刀具在加工过程中必 须按零件形状和尺寸的要求进行运动 即按图形轨迹移动 但输入的零件加工程序只 能是各线段轨迹的起点和终点坐标值等数据 不能满足要求 因此要进行轨迹插补 也就是在线段的起点和终点坐标值之间进行 数据点的密化 求出一系列中间点的坐 标值 并向相应坐标输出脉冲信号 控制各坐标轴 即进给运动的各执行元件 的进 给速度 进给方向和进给位移量等 4 驱动装置和位置检测装置 驱动装置接受来自数控装置的指令信息 经功率放大后 严格按照指令信息的要 求驱动机床移动部件 以加工出符合图样要求的零件 因此 它的伺服精度和动态响 应性能是影响数控机床加工精度 表面质量和生产率的重要因素之一 驱动装置包括 控制器 含功率放大器 和执行机构两大部分 目前大都采用直流或交流伺服电动机 作为执行机构 位置检测装置将数控机床各坐标轴的实际位移量检测出来 经反馈系统输入到机 床的数控装置之后 数控装置将反馈回来的实际位移量值与设定值进行比较 控制驱 动装置按照指令设定值运动 5 辅助控制装置 辅助控制装置的主要作用是接收数控装置输出的开关量指令信号 经过编译 逻 22 辑判别和运动 再经功率放大后驱动相应的电器 带动机床的机械 液压 气动等辅 助装置完成指令规定的开关量动作 这些控制包括主轴运动部件的变速 换向和启停 指令 刀具的选择和交换指令 冷却 润滑装置的启动停止 工件和机床部件的松开 夹紧 分度工作台转位分度等开关辅助动作 由于可编程逻辑控制器 PLC 具有响应快 性能可靠 易于使用 编程和修改程 序并可直接启动机床开关等特点 现已广泛用作数控机床的辅助控制装置 6 机床本体 数控机床的机床本体与传统机床相似 由主轴传动装置 进给传动装置 床身 工作台以及辅助运动装置 液压气动系统 润滑系统 冷却装置等组成 但数控机床 在整体布局 外观造型 传动系统 刀具系统的结构以及操作机构等方面都已发生了 很大的变化 这种变化的目的是为了满足数控机床的要求和充分发挥数控机床的特点 4 34 3 数控插补原理数控插补原理 插补原理 在实际加工中 被加工工件的轮廓形状千差万别 严格说来 为了满 足几何尺寸精度的要求 刀具中心轨迹应该准确地依照工件的轮廓形状来生成 对于 简单的曲线数控系统可以比较容易实现 但对于较复杂的形状 若直接生成会使算法 变得很复杂 计算机的工作量也相应地大大增加 因此 实际应用中 常采用一小段 直线或圆弧去进行拟合就可满足精度要求 也有需要抛物线和高次曲线拟合的情况 这种拟合方法就是 插补 实质上插补就是数据密化的过程 插补的任务是根据进 给速度的要求 在轮廓起点和终点之间计算出若干个中间点的坐标值 每个中间点计 算所需时间直接影响系统的控制速度 而插补中间点坐标值的计算精度又影响到数控 系统的控制精度 因此 插补算法是整个数控系统控制的核心 插补算法经过几十年 的发展 不断成熟 种类很多 一般说来 从产生的数学模型来分 主要有直线插补 二次曲线插补等 从插补计算输出的数值形式来分 主要有脉冲增量插补 也称为基准 脉冲插补 和数据采样插补 脉冲增量插补和数据采样插补都有个自的特点 本文根据 应用场合的不同分别开发出了脉冲增量插补和数据采样插补 数字积分插补是脉冲增量插补的一种 下面将首先阐述一下脉冲增量插补的工作 原理 脉冲增量插补是行程标量插补 每次插补结束产生一个行程增量 以脉冲的方式 输出 这种插补算法主要应用在开环数控系统中 在插补计算过程中不断向各坐标轴 发出互相协调的进给脉冲 驱动电机运动 一个脉冲所产生的坐标轴移动量叫做脉冲 当量 脉冲当量是脉冲分配的基本单位 按机床设计的加工精度选定 普通精度的机 23 床一般取脉冲当量为 0 01mm 较精密的机床取 1 或 0 5 采用脉冲增量插补算法的 数控系统 其坐标轴进给速度主要受插补程序运行时间的限制 一般为 1 3m min 脉 冲增量插补主要有逐点比较法 数据积分插补法等 逐点比较法最初称为区域判别法 或代数运算法 或醉步式近似法 这种方法的原理是 计算机在控制加工过程中 能 逐点地计算和判别加工偏差 以控制坐标进给 按规定图形加工出所需要的工件 用 步进电机或电液脉冲马达拖动机床 其进给方式是步进式的 插补器控制机床 逐点 比较法既可以实现直线插补也可以实现圆弧等插补 它的特点是运算直观 插补误差 小于一个脉冲当量 输出脉冲均匀 速度变化小 调节方便 因此在两个坐标开环的 CNC 系统中应用比较普遍 但这种方法不能实现多轴联动 其应用范围受到了很大限制 数字积分法插补原理 前面提到过数字积分法插补是脉冲增量插补的一种 它是用 数字积分的方法计算刀具沿各坐标轴的移动量 从而使刀具沿着设定的曲线运动 实 现数字积分插补计算的装置称为数字积分器 或数字微分器 Digital Differential Analyzer DDA 数字积分器可以用软件来实现 数字积分 器具有运算速度快 脉冲分配均匀 可以实现一次 二次曲线的插补和各种函数运算 而且易于实现多坐标联动 但传统的 DDA 插补法也有速度调节不方便 插补精度需要 采取一定措施才能满足要求的缺点 不过目前 CNC 数控系统中多采用软件实现 DDA 插 补时 可以很容易克服以上缺点 所以 DDA 插补是目前使用范围很广的一种插补方法 被积函数寄存器用以存放坐标值 f t 累加器也称余数寄存器用于存放坐标的累加值 每当 t 出现一次 被积函数寄存器中的 f t 值就与累加器中的数值相加一次 并将 累加结果存放于累加器中 如果累加器的容量为一个单位面积 被积函数寄存器的容 量与累加器的容量相同 那么在累加过程中每超过一个单位面积累加器就有溢出 当 累加次数达到累加器的容量时 所产生的溢出总数就是要求的总面积 即积分值 我们知道 数字积分器溢出脉冲的频率与被积函数寄存器中的存数即溢出基值成 正比 也就每个程序段都要完成同样的次数的累加运算 所以不论加工行程长短每个 程序段所用的时间都是固定不变的 因此 各个程序段的进给速度就不一致了 这样 影响了加工的表面质量 特别是行程短的程序段生产率低 为了克服这一缺点 使溢 出脉冲均匀 溢出速度提高 通常采用左移规格化处理 所谓 左移规格化 是当被 积函数值较小时 如被积函数寄存器有 i 个前零时 若直接迭代 那么至少需要 2i 次 迭代 才能输出一个溢出脉冲 致使输出脉冲速率下降 因此在实际的数字积分器中 需把被积函数寄存器中的前零移去即对被积函数实现 左移规格化 处理 经过左移 规格化处理后 积分器每累加两次必有一次溢出 因此不仅提高了溢出速度还使溢出 脉冲变得比较均匀 目前的 CNC 数控系统一般采用软件来实现数字积分插补 这样就 可以完全抛开硬件数字积分的左移规格化的概念及由于进位而产生进给脉冲的概念 24 因为在软件数字积分里 我们可以很方便地设置一个基值 在完成被积函数值与累加 值的加法运算后 把累加结果与基值进行比较 通过比较指令判断在哪个坐标轴方向 上有脉冲输出 4 44 4 数控造型的方法数控造型的方法 数控造型的一种思路为 1 给定几何信息 即零件顶面高度 每个型腔的二维轮 廓信息和型腔底面高度 每个岛屿的二维轮廓信息及岛屿顶面高度 2 给出拓扑信息 确定轮廓代表型腔或岛屿 UG 由用户选取 inside 和 outside 开关来确定 这种方法 需要用户给出轮廓环的拓扑信息 本设计的造型方法为 只需给出几何信息 拓扑关系由程序利用几何信息自动生 成 这种方法需要的信息量最小 而且操作方便 不必输入任何拓扑信息 其具体算 法为 如果是凸台零件 先加一个比毛坯稍大的外框轮廓 构成一个虚拟的型腔 这样 就转化为带岛屿的型腔 凸台即为其岛屿 在 XOY 平面上画出每个轮廓环 零件的顶面高度采用缺省值 Z 0 将型腔轮廓沿 Z 轴方向移动到各型腔底面高度位置 将岛屿轮廓沿 Z 轴方向移动到岛屿顶面高度位置 拓扑关系由程序自动建立 步骤大致如下 用户任意捡取各轮廓环 因为此时轮廓环建立在各自的高度上 因此可以获得轮 廓环的二维几何信息和高度信息 零件的顶面高度采用缺省值 Z 0 得到所有几何信息 将轮廓环投影到 XOY 平面上 根据轮廓环的相互位置关系 相交 相离 包含 建 立树状结构 使得父环包含子环以及子环的各兄弟环 兄弟环之间不相互包含 其中 flag 取 1 代表岛屿 flag 取 1 代表型腔 暂时均取 0 high 表示轮廓环的 高度值 ptr 表示二维轮廓环的链表指针 岛屿和型腔的识别 最外层的环 即树根上或树根的兄弟环 是型腔 flag 取 1 比父环高的子环是岛屿 flag 取 1 比父环低的子环是型腔 flag 取 1 如图 2 中 loop0 loop3 loop4 是型腔 loop1 loop2 loop5 是岛屿 在实际加工中 被加工工件的轮廓形状千差万别 严格说来 为了满足几何尺寸 精度的要求 刀具中心轨迹应该准确地依照工件的轮廓形状来生成 对于简单的曲线 数控系统可以比较容易实现 但对于较复杂的形状 若直接生成会使算法变得很复杂 计算机的工作量也相应地大大增加 因此 实际应用中 常采用一小段直线或圆弧去 进行拟合就可满足精度要求 也有需要抛物线和高次曲线拟合的情况 这种拟合方法 就是 插补 实质上插补就是数据密化的过程 25 插补的任务是根据进给速度的要求 在轮廓起点和终点之间计算出若干个中间点 的坐标值 每个中间点计算所需时间直接影响系统的控制速度 而插补中间点坐标值 的计算精度又影响到数控系统的控制精度 因此 插补算法是整个数控系统控制的核 心 插补算法经过几十年的发展 不断成熟 种类很多 一般说来 从产生的数学模 型来分 主要有直线插补 二次曲线插补等 从插补计算输出的数值形式来分 主要 有脉冲增量插补 也称为基准脉冲插补 和数据采样插补 脉冲增量插补和数据采样插 补都有个自的特点 本文根据应用场合的不同分别开发出了脉冲增量插补和数据采样 插补 数字积分插补 数字积分插补是脉冲增量插补的一种 下面将首先阐述一下脉冲增量插补的工作 原理 脉冲增量插补 脉冲增量插补是行程标量插补 每次插补结束产生一个行程增量 以脉冲的方式 输出 这种插补算法主要应用在开环数控系统中 在插补计算过程中不断向各坐标轴 发出互相协调的进给脉冲 驱动电机运动 一个脉冲所产生的坐标轴移动量叫做脉冲 当量 脉冲当量是脉冲分配的基本单位 按机床设计的加工精度选定 普通精度的机 床一般取脉冲当量为 0 01mm 较精密的机床取 1 m 或 0 5 m 采用脉冲增量插补算 法的数控系统 其坐标轴进给速度主要受插补程序运行时间的限制 一般为 1 3m min 脉冲增量插补主要有逐点比较法 数据积分插补法等 逐点比较法最初称为区域判别法 或代数运算法 或醉步式近似法 这种方法的 原理是 计算机在控制加工过程中 能逐点地计算和判别加工偏差 以控制坐标进给 按规定图形加工出所需要的工件 用步进电机或电液脉冲马达拖动机床 其进给方式 是步进式的 插补器控制机床 逐点比较法既可以实现直线插补也可以实现圆弧等插 补 它的特点是运算直观 插补误差小于一个脉冲当量 输出脉冲均匀 速度变化小 调节方便 因此在两个坐标开环的 CNC 系统中应用比较普遍 但这种方法不能实现多 轴联动 其应用范围受到了很大限制 二维半零件的几何造型 基于实体造型的 CAD CAM 系统 采用实体造型的方法很容易对二维半零件进行造 型 世界著名的 CAD CAM 软件 美国 EDS 公司研制的 UG 就采用了实体造型 它生 成二维半零件的数控加工刀具轨迹的步骤大致如下 建立二维半零件的实体模型 确定加工区域 26 选取加工区域的各边界轮廓 boundary 并由用户选取 inside 和 outside 开关 以确定边界属于型腔边界 outside 或岛屿边界 inside 确定边界平面 boundary plane 由两种方式确定 即自动确定 默认轮廓所在平 面 或用户定义平面 选取底平面 floor 选取加工参数并生成刀具轨迹 在基于曲面造型的 CAD CAM 系统中 如果将二维半零件采用曲面造型方法表示为 组合曲面 作为组合曲面进行数控编程 则造型和数控编程计算量大 问题过于复杂 显然不可取 而专门开发相应的实体造型功能也不经济 因而 确定满足数控加工需 要的简易的造型方法是解决二维半零件数控加工问题的前提 一个型腔由二维边界轮廓 型腔顶面和底平面唯一确定 一个岛屿由二维边界轮 廓 岛屿的顶面和底平面唯一确定 然而 在二维半零件中 岛屿的底面是某个型腔 的底面或某个岛屿的顶面 二维半零件的数学模型 设想一张很大的木质平板 在平板上画出零件的俯视图 即所有边界的封闭轮廓 线 假定零件的型腔底面和岛屿顶面均平行于 XOY 平面 沿每条轮廓线将平板锯开 平板被分割成若干块 二维半零件的造型方法 二维半零件造型的一种思路为 1 给定几何信息 即零件顶面高度 每个型腔的 二维轮廓信息和型腔底面高度 每个岛屿的二维轮廓信息及岛屿顶面高度 2 给出拓 扑信息 确定轮廓代表型腔或岛屿 UG 由用户选取 inside 和 outside 开关来确定 这种方法需要用户给出轮廓环的拓扑信息 刀具轨迹生成 二维半零件的数控加工采用分层切削 所有轮廓环的高度值从大到小排序 相同 的高度值只保留一个 在同一高度区间内 不同层上的刀轨 除 Z 坐标外 相同 因而 只需对每个高度区间计算刀具轨迹 按给定的层切下刀量 计算每一层的高度 确定落在那一个高度区间 并根据岛 屿顶面余量和型腔底面余量适当调整高度值 只在个别高度上调整 然后确定在该高 度层 高度值记为 L H 上的加工区域 对每一个加工区域按行切方式或环切方式计算刀具轨迹 一个加工区域加工完后 抬刀到安全平面上 然后在安全平面以上移动到另一个加工区域 下刀进行另一个区 域的加工 按照该算法编写的程序 已在南京航空航天大学 CAD CAM 工程中心开发的 SuperMan CAD CAM 系统中实现 实践证明 该造型方法简便易行 算法稳定 可靠 27 提高了系统的加工编程能力 4 54 5 数控铣床的基本操作数控铣床的基本操作 1 现场了解数控机床的组成及功能 2 数控铣床的安全启动 1 接通电源并启动系统 2 进行手动 回零 3 利用手轮离开零点到安全位置 X Y 处于中间位置 Z 处于较高位置 3 控制面板各功能键的使用 回零 手动 手轮 主轴正反转 编辑 POS PROG OFFSET 等的操作应用 图图 4 54 5 KV650KV650 数控铣床的操作面板数控铣床的操作面板 4 用 MDI 功能控制机床运行 程序指令 G91G00X 10Y 10Z10 观察工作台的移 动及机床坐标的变化 5 在数控铣床中输入以下程序 练习程序的录入 O0001 G54G00X65 0Y50 0 M03S800 G43Z150 0H01 Z10 0 28 G01Z 1 0F100 X 50 0F200 G80G49G40G90G17 Y 50 0 X50 0 Y65 0 Z10 0 G00Z100 0 M05 M30 6 现场讲解演示数控铣床对刀的基本步骤 数控机床具有加工精度高 能作直线和圆弧插补以及在加工过程中能进行多轴联 动等功能特点 数控铣床主要用于壳体类零件的加工 能自动完成球面 抛物面 椭 球面等各种曲面的加工 并能进行铣槽 钻孔 扩孔 铰孔 镗孔等工作 熟悉掌握数控机床的操作面板是运用数控机床加工工件的前提 数控铣床对刀操作是正确加工工件的基础 其目的是寻找编程原点在机床坐标