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机械毕业设计全套
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JC01-134@设计机床-车床数控改造,机械毕业设计全套
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开题报告 概述 数控机床是集机械、电气、液压、气动、微电子和信息等多项技术为一体的机电一体化产品。是机械制造设备中具有高精度、高效率、高自动化和高柔性化等优点的工作母机。数控机床的技术水平高低及其在金属切削加工机床产量和总拥有量的百分比是衡量一个国家国民经济发展和工业制造整体水平的重要标志之一。数控车床是数控机床的主要品种之一，它在数控机床中占有非常重要的位置，几十年来一直受到世界各国的普遍重视并得到了迅速的发展。 我国数控车床从 20 世纪 70 年代初进入市场，至今通过各大机床厂家的不懈努力，通过 采取与国外著名机床厂家的合作、合资、技术引进、样机消化吸收等措施，使得我国的机床制造水平有了很大的提高，其产量在金属切削机床中占有较大的比例。目前，国产数控车床的品种、规格较为齐全，质量基本稳定可靠，已进入实用和全面发展阶段。 根据不同的市场定位和需求，数控车床可分为经济型数控车床和全功能型数控车床。下面结合宝鸡机床厂数十年研制和生产数控车床的经验和实践，谈谈我国数控车床在结构方面的现状及今后数控车床的整体发展趋势。 一、数控车床的现状 1. 床身和导轨 (1)床身 机床的床身是整个 机床的基础支承件，是机床的主体，一般用来放置导轨、主轴箱等重要部件。床身的结构对机床的布局有很大的影响。按照床身导轨面与水平面的相对位置，床身有图 1 所示的 5 种布局形式。一般来说，中、小规格的数控车床采用斜床身和平床身斜滑板的居多，只有大型数控车床或小型精密数控车床才采用平床身，立床身采用的较少。平床身工艺性好，易于加工制造。由于刀架水平放置，对提高刀架的运动精度有好处，但床身下部空间小，排屑困难；刀架横滑板较长，加大了机床的宽度尺寸，影响外观。平床身斜滑板结构，再配置上倾斜的导轨防护罩，这样既保持了平床身工 艺性好的优点，床身宽度也不会太大。斜床身和平床身斜滑板结构在现代数控车床中被广泛应用，是因为这种布局形式具有以下特点： 容易实现机电一体化； 机床外形整齐、美观，占地面积小； 容易设置封闭式防护装置； 容易排屑和安装自动排屑器； 从工件上切下的炽热切屑不至于堆积在导轨上影响导轨精度； 宜人性好，便于操作； 便于安装机械手，实现单机自动化。 例如，宝鸡机床厂设计生产的 CJK6140H 系列简式数控车床采用 的是平床身平滑板结构； CK75 系列全功能数控车床采用的是后斜床身斜滑板结构。而我们刚刚研制开发完成的 CK535D 全功能数控倒置立式车床，采用的是直立床身直nts 立滑板结构。该机床采用大功率内藏式电主轴结构，主轴可沿 X 和 Z 轴移动，以实现自动上下料功能。该机床配置有自动回转料库，从而实现单机自动化，同时该机床也很容易被加入生产线。 a)后斜床身 -斜滑板 b)直立床身 -直立滑板 c)平床身 -平滑板 d)前斜床身 -平滑板 e)平床身 -斜滑板 图 1 床身布局 nts (2)导轨 车床的导轨可分 为滑动导轨和滚动导轨两种。 滑动导轨具有结构简单、制造方便、接触刚度大等优点。但传统滑动导轨摩擦阻力大，磨损快，动、静摩擦系数差别大，低速时易产生爬行现象。目前，数控车床已不采用传统滑动导轨，而是采用带有耐磨粘贴带覆盖层的滑动导轨和新型塑料滑动导轨。它们具有摩擦性能良好和使用寿命长等特点。 导轨刚度的大小、制造是否简单、能否调整、摩擦损耗是否最小以及能否保持导轨的初始精度，在很大程度上取决于导轨的横截面形状。车床滑动导轨的横截面形状常采用山形截面和矩形截面。山形截面，如图 2(a)所示。这 种截面导轨导向精度高，导轨磨损后靠自重下沉自动补偿。下导轨用凸形有利于排污物，但不易保存油液。矩形截面，如图 2(b)所示。这种截面导轨制造维修方便，承载能力大，新导轨导向精度高，但磨损后不能自动补偿，需用镶条调节，影响导向精度。 a) 山形截面 b) 矩形截面 图 2 导轨截面 宝鸡机床厂生产的 CJK6140H 系列简式数控车床床身采用的是山形贴塑导轨， CK75 系列全功能数控车床采用的是矩形贴塑导轨。 滚动导轨的优点是摩擦系数小，动、静摩擦系数很接近，不会产生爬行现象，可以使用油脂润滑。数控车床导轨的行程一般较长，因此滚动体必须循环。根 据滚动体的不同，滚动导轨可分为滚珠直线导轨和滚柱直线导轨，如图 3 所示。后者的承载能力和刚度都比前者高，但摩擦系数略大。宝鸡机床厂生产的 CK75C系列全功能数控车床采用的是滚珠直线导轨， CK535D 全功能数控倒置立式车床 X向导轨采用的是滚柱直线导轨。 a) 滚珠直线导轨 b) 滚柱直线导轨 图 3 滚动导轨 2. 主轴变速系统 经济型数控车床大多数是不能自动变速的，需要变速时，只能把机床停止，然后手动变速。而全功能数控车床的主传动系统大多采用无级变速。目前，无级变速系统主要有变频主轴系统和伺服主轴系统两种，一般采用直流或交流主nts 轴电机，通过带传动 带动主轴旋转，或通过带传动和主轴箱内的减速齿轮 (以获得更大的转矩 )带动主轴旋转。由于主轴电机调速范围广，又可无级调速，使得主轴箱的结构大为简化。主轴电机在额定转速时可输出全部功率和最大转矩。 3. 刀架系统 数控车床的刀架是机床的重要组成部分。刀架用于夹持切削用的刀具，因此其结构直接影响机床的切削性能和切削效率。在一定程度上，刀架的结构和性能体现了机床的设计和制造技术水平。随着数控车床的不断发展，刀具结构形式也在不断翻新。 刀架是直接完成切削加工的执行部件，所以，刀架在结构上必须具有良好的强度和刚度，以承受粗加工时的切削抗力。由于切削加工精度在很大程度上取决于刀尖位置，所以要求数控车床选择可靠的定位方案和合理的定位结构，以保证有较高的重复定位精度。此外，刀架的设计还应满足换刀时间短、结构紧凑和安全可靠等要求。 按换刀方式的不同，数控车床的刀架系统主要有回转刀架、排式刀架和带刀库的自动换刀装置等多种形式。 (1) 排式刀架 排式刀架一般用于小规格数控车床，以加工棒料或盘类零件为主。它的结构形式为，夹持着各种不同用途刀具的刀夹沿着机床的 X 坐标轴方向排列在横向滑板上。刀具 的典型布置方式如图 4 所示。这种刀架在刀具布置和机床调整等方面都较为方便，可以根据具体工件的车削工艺要求，任意组合各种不同用途的刀具，一把刀具完成车削任务后，横向滑板只要按程序沿 X 轴移动预先设定的距离后，第二把刀就到达加工位置，这样就完成了机床的换刀动作。这种换刀方式迅速省时，有利于提高机床的生产效率。宝鸡机床厂生产的 CK7620P 全功能数控车床配置的就是排式刀架。 图 4 排式刀架 (2) 回转刀架 回转刀架是数控车床最常用的一种典型换刀刀架，通过刀架的旋转分度定位来实nts 现机床的自动换刀动作，根据加工要求可设计成四方、六方刀架或圆盘式刀架，并相应地安装 4 把、 6 把或更多的刀架。回转刀架的换刀动作可分为刀架抬起、刀架转位和刀架锁紧等几个步骤。它的动作是由数控系统发出指令完成的。回转刀架根据刀架回转轴与安装底面的相对位置，分为立式刀架和卧式刀架两种。宝鸡机床厂生产的 CJK6140H 系列简式数控车床配置的是四工位立式刀架或六工位卧式刀架， CK75 系列全功能数控车床配置的是 8 工位或 12 工位卧式刀架，如图5 所示。 图 5 卧式回转刀架 (3) 带刀库的自动换刀装置 上述排刀式刀架和回转刀架所安装的刀具都不可能太多，即使是装备两个刀架，对刀具的数目也有一定限制。当由于某种原因需要数量较多的刀具时，应采用带 刀库的自动换刀装置。带刀库的自动换刀装置由刀库和刀具交换机构组成。 4. 进给传动系统 数控车床的进给传动系统一般均采用进给伺服系统。这也是数控车床区别于普通车床的一个特殊部分。 数控车床的伺服系统一般由驱动控制单元、驱动元件、机械传动部件、执行件和检测反馈环节等组成。驱动控制单元和驱动元件组成伺服驱动系统。机械传动部件和执行元件组成机械传动系统。检测元件与反馈电路组成检测系统。 进给伺服系统按其控制方式不同可分为开环系统和闭环系统。闭环控制方式通常是具有位置反馈的伺服系统。 根据位置检测装置所在位置的不同，闭环系统又分为半闭环系统和全闭环系统。半闭环系统具有将位置检测装置装在丝杠端头和装在电机轴端两种类型。前者把丝杠包括在位置环内，后者则完全置机械传动部件于位置环之外。全闭环系统的位置检测装置安装在工作台上，机械传动部件整个被包括在位置环之内。 开环系统的定位精度比闭环系统低，但它结构简单、工作可靠、造价低廉。由于影响定位精度的机械传动装置的磨损、惯性及间隙的存在，故开环系统的精度和快速性较差。 全闭环系统控制精度高、快速性能好，但由于机械传动部件在控制环内 ，所以系统的动态性能不仅取决于驱动装置的结构和参数，而且还与机械传动部件的刚度、阻尼特性、惯性、间隙和磨损等因素有很大关系，故必须对机电部件的结构参数进行综合考虑才能满足系统的要求。因此全闭环系统对机床的要求比较nts 高，且造价也较昂贵。闭环系统中采用的位置检测装置有：脉冲编码器、旋转变压器、感应同步器、磁尺、光栅尺和激光干涉仪等。 数控车床的进给伺服系统中常用的驱动装置是伺服电机。伺服电机有直流伺服电机和交流伺服电机之分。交流伺服电机由于具有可靠性高、基本上不需要维护和造价低等特点而被广泛采用。 二 、数控车床发展趋势 数控技术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 (IT、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已是现代发展的大趋势。当前数控车床呈现以下发展趋势。 1. 高速、高精密化 高速、精密是机床发展永恒的目标。随着科学技术突飞猛进的发展，机电产品更新换代速度加快，对零件加工的精度和表面质量的要求也愈来愈高。为满足这个复杂多变市场的需求，当前机 床正向高速切削、干切削和准干切削方向发展，加工精度也在不断地提高。另一方面，电主轴和直线电机的成功应用，陶瓷滚珠轴承、高精度大导程空心内冷和滚珠螺母强冷的低温高速滚珠丝杠副及带滚珠保持器的直线导轨副等机床功能部件的面市，也为机床向高速、精密发展创造了条件。 数控车床采用电主轴，取消了皮带、带轮和齿轮等环节，大大减少了主传动的转动惯量，提高了主轴动态响应速度和工作精度，彻底解决了主轴高速运转时皮带和带轮等传动的振动和噪声问题。采用电主轴结构可使主轴转速达到10000r/min 以上。 直线电 机驱动速度高，加减速特性好，有优越的响应特性和跟随精度。用直线电机作伺服驱动，省去了滚珠丝杠这一中间传动环节，消除了传动间隙 (包括反向间隙 )，运动惯量小，系统刚性好，在高速下能精密定位，从而极大地提高了伺服精度。 直线滚动导轨副，由于其具有各向间隙为零和非常小的滚动摩擦，磨损小，发热可忽略不计，有非常好的热稳定性，提高了全程的定位精度和重复定位精度。 通过直线电机和直线滚动导轨副的应用，可使机床的快速移动速度由目前的 10 20m/mim 提高到 60 80m/min，甚至高达 120m/min。 2. 高可靠性 数控机床的可靠性是数控机床产品质量的一项关键性指标。数控机床能否发挥其高性能、高精度和高效率，并获得良好的效益，关键取决于其可靠性的高低。 3. 数控车床设计 CAD 化、结构设计模块化 随着计算机应用的普及及软件技术的发展， CAD 技术得到了广泛发展。CAD 不仅可以替代人工完成繁琐的绘图工作，更重要的是可以进行设计方案选择和大件整机的静、动态特性分析、计算、预测及优化设计，可以对整机各工作部件进行动态模拟仿真。在模块化的基础上在设计阶段就可以看出产品的三维几何nts 模型和逼 真的色彩。采用 CAD，还可以大大提高工作效率，提高设计的一次成功率，从而缩短试制周期，降低设计成本，提高市场竞争能力。 通过对机床部件进行模块化设计，不仅能减少重复性劳动，而且可以快速响应市场，缩短产品开发设计周期。 4. 功能复合化 功能复合化的目的是进一步提高机床的生产效率，使用于非加工辅助时间减至最少。通过功能的复合化，可以扩大机床的使用范围、提高效率，实现一机多用、一机多能，即一台数控车床既可以实现车削功能，也可以实现铣削加工；或在以铣为主的机床上也可以实现磨削加工。宝鸡机床厂 已经研制成功的 CX25Y数控车铣复合中心，该机床同时具有 X、 Z 轴以及 C 轴和 Y 轴。通过 C 轴和 Y 轴，可以实现平面铣削和偏孔、槽的加工。该机床还配置有强动力刀架和副主轴。副主轴采用内藏式电主轴结构，通过数控系统可直接实现主、副主轴转速同步。该机床工件一次装夹即可完成全部加工，极大地提高了效率。 5. 智能化、网络化、柔性化和集成化 21 世纪的数控装备将是具有一定智能化的系统。智能化的内容包括在数控系统中的各个方面：为追求加工效率和加工质量方面的智能化，如加工过程的自适应控制，工艺参数自动生成；为提高驱 动性能及使用连接方面的智能化，如前馈控制、电机参数的自适应运算、自动识别负载自动选定模型、自整定等；简化编程、简化操作方面的智能化，如智能化的自动编程、智能化的人机界面等；还有智能诊断、智能监控等方面的内容，以方便系统的诊断及维修等。 网络化数控装备是近年来机床发展的一个热点。数控装备的网络化将极大地满足生产线、制造系统、制造企业对信息集成的需求，也是实现新的制造模式，如敏捷制造、虚拟企业、全球制造的基础单元。 数控机床向柔性自动化系统发展的趋势是：从点 (数控单机、加工中心和数控复合加工 机床 )、线 (FMC、 FMS、 FTL、 FML)向面 (工段车间独立制造岛、 FA)、体 (CIMS、分布式网络集成制造系统 )的方向发展，另一方面向注重应用性和经济性方向发展。柔性自动化技术是制造业适应动态市场需求及产品迅速更新的主要手段，是各国制造业发展的主流趋势，是先进制造领域的基础技术。其重点是以提高系统的可靠性、实用化为前提，以易于联网和集成为目标，注重加强单元技术的开拓和完善。 CNC 单机向高精度、高速度和高柔性方向发展。数控机床及其构成柔性制造系统能方便地与 CAD、 CAM、 CAPP 及 MTS 等联结，向信息集成 方向发展。网络系统向开放、集成和智能化方向发展。 nts 在 （ 3-7） 中的进给量计算如下： FRN=106（ 1.5+0.5） /1.5=80 在 （ 3-8） 的进给量的计算应用公式（ 3-6） 中的负号 。 主轴转速 s： 主轴转速是以每分钟的转数定义的并且以一个三位代码数字表示，通常以 magic-three 代码计算。 magic-three 代码计算如下： 1、 速度 （转数每分钟）精确至两位；代码的第二和第三个数字这两个数。 2、 速度写成最大十位分数乘以 10 的指数形式；代码的第一个数字是十的指数加 上 3。 例如， 1645rpm 减至 1600 写成 0.1610，它的 代码是 716。 类似，一个 742rpm的主轴转速写成 magic-three 就是 674。 刀具 t:刀具在代码数字里是由一个最大五位数字组成。每个切削刀具都有一个不同的代码数字。当刀具的代码数字在对堆栈中运行 时，自动换刀装置就会自动选择刀具。 加工刀具制造商使用几种不同的方法制定刀柄代码。在这些方法中制造商提供了和五位代码数字相匹配的“钥匙”；每把钥匙对应每个刀柄。钥匙有五组环组成，钥匙中的一些环用来生成刀具代码。 钥匙插入与刀柄一致的匣子里，在这里环弹出一个与之接触的金属弹簧，产生一个代码信号。当已编程的 t 数字和匣子里发出的信号一致时，就会选择合适的刀具并自动完成换刀。 各种功能 m：各种功能字符包含两个数字。 这种功能隶属和加工平面运动无关联的辅助信息， 比如轴命令，开关冷却液，和其它在表 3-2 中解释的功能。 需要注意 m00,m01,m02,m06 和 m30 只能在堆栈中的其他所有命令完成后才能实施。 表 3-2 各种功能 代码 功能 解释 m00 Programm stop 完成堆栈命令后关闭主轴，冷却 液和进给 ， 为 了继 续 程序必须按一个按钮。 m01 Optional (planned) stop 近试与 m00，但它只有当操作者先按 按钮 才 能进行，否则命令不可行。 m02 End of programm 表示完成了工作面。完成堆栈 中的 所有命 令 后关闭主轴，冷却液和进给，可能包括倒带。 m03 Spindle CW 顺时针开启主轴旋转 m04 Spindle CWW 逆时针开启主轴旋转 m05 Spindle off 关闭主轴，关掉冷却液 m06 Tool change 实现人工或自动更换刀具，不包括刀具选择 m07 Coolant no.2 on 开启水冷却 m08 Coolant no.1 on 开启雾冷却 m09 Coolant of 自动关闭冷却液 m10 Clamp 自动夹紧机械滑道，工作面，固定物， 主轴等（由操作者具体定） m11 Unclamp 松开命令 m13 Spindle CW & coolant on 在同一个命令里开启主轴旋转和冷 m14 Spindle CWW & coolant on 却液 nts m15 Motion+ 在正负方向快速移动和进给运动 m16 Motion- m19 Oriented spindle stop 使主轴停止在先前制定的角度位置 m30 End of tape 除了必须包括倒带外它和 m00 相似， 倒 带是为了下个工作面 m31 Interlock bypass 暂时绕行正常的连接 m32 Constant cutting speed 控制保持了一个稳定的切削速度使之 through 适应 工 作台旋转速度与刀具到旋转中心的距 m35 离成比例，常用于车削 m40 Gear changes if used; through otherwise unassigned m45 没有标明的： m12,m17,m18,m20 到 m29,m36 到 m39,m46 到 m99 3-2.3 轮廓编程 -例子 为了示范人工穿孔带的准备技术，选择了图 3-7 所示零件。尽管这个零件相对简单，实际上为了确定刀具中心路线人需要大量的计算。 加工是用一个装备有能产生直线和圆弧运动的三轴 MCU 的数控铣床实现的。数控系统的特点如下： 1、 穿孔带的设计符合 EIA 标准的 RS-274-B； 运用连续设计的步骤；用字符安排以下的命令： n,g,x,y,z,i,j,k,f,s。 2、 预备功能从 g00 到 g17,和 g17 到 g19 是有效的。 3、 尺寸：最大的五位数字；结果是 BLU=0.01mm;增加的编程；起始和痕迹编程是 0。当一个尺寸没有被编程时，它就意味着相对坐标不需要改变。 4、 进给是一个四位数代码，用 inverse-time 代码计算。惯用的加工进给量是500mm/min,快速移动进给量是 2500m槻 俿 翿 翿 祿勿 棿翿 个一个堆栈进行描述。注意以下堆栈，以下堆栈，特征常 作为标签特征。穿孔带的第一个特征是倒带代码后跟着 EB 特征，下面开始运动堆栈。 5、 俿 翿 翿 祿勿 棿翿 个一个堆栈进行描述。注意以下堆栈，以下堆栈，特征常 作为标签特征。穿孔带的第一个特征是倒带代码后跟着 EB 特征，下面开始运动堆栈。 6、 俿 翿 翿 祿nts 勿 棿翿 个一个堆栈进行描述。注意以下堆栈，以下堆栈，特征常 作为标签特征。穿孔带的第一个特征是倒带代码后跟着 EB 特征，下面开始运动堆栈。 7、 翿 翿 祿勿 棿翿 个一个堆栈进行描述。注意以下堆栈，以下堆栈，特征常 作为标签特征。穿孔带的第一个特征是倒带代码后跟着 EB 特征，下面开始运动堆栈。 翿 翿 祿勿 棿翿 个一个堆栈进行描述。注意以下堆栈，注意以下堆栈，特征常 作为标签特征。穿孔带的第一个特征是倒带代码后跟着EB 特征，下面开始运动堆栈。 翿 祿 勿 棿 翿 个一个堆栈进个一个堆栈进行描述。注意以下堆栈，特征常 作为标签特征。穿孔带的第一个特征是倒带代码后跟着 EB 特征，下面开始运动堆栈。 翿 个一个堆栈进行描述。注意以下堆栈，特征常 作为标签特征。穿孔带的第一个特征是倒带代码后跟着 EB 特征，下面开始运动堆栈。 从起点到 A 点： 当从起点向 A 点移动时，要使用两个堆栈。在第一个堆栈里，系统会加速到2500mm/min 的快速移动进给量，在第二个堆栈里使用 500mm/min 的加工进给量，在碰到工作面以前运动减速。在这两个堆栈后刀具中心定位于 A 点。 A 的 Z轴坐标也必须编程，为了使刀具下降到合适的面上： n g x y z f s m 001/01/06000/00000/-04000/0417/717/03 002/01/01000/ / /0500/ /08 在第一个堆栈里 开启 主轴 ,加速 ,在堆栈的最后达到 1700rpm。 f 的计算是根据公式（ 3-4） ,功能 m03 和 m08 分别开启主轴旋转和冷却液 从 A 点到 B 点： 运动沿着 X 轴方向进行 ,堆栈是： n g x f 003/17/08000/0063 在第一个圆弧开始前任何一个堆栈都必须设置 g17 代码。 从 B 点到 C 点： 刀具沿 Y 轴正方向运动到 C 点，它是在图 3-8 的帮 助下计算轨迹的。设置一个角 BMC 是 22.5的三角形 MBC。从而，边 CB长度是 CB=MB tan22.5=10 tan22.5=4.14mm 边 BC 的长度是 BC=10+50+4.14=64.14mm 相应的堆栈是： n g x y f 004/01/00000/06414/0078 从点 C 到点 D： 我们从图 3-8 看到 x=y 可以按下面的计算： nts x=CD/ 2=30+4.14/ 2=32.93mm 相应的堆栈是： n g x y f 005/01/-03293/-03293/0106 从点 D 到点 E： 经过 D 点后在开始切削圆弧 EF 前，刀具必须移动到圆弧 ED 上的 E 点，它的中心是 N。如图 3-9 所示，完成下面的公式： i+j=R (3-9) j+y=R (3-10) i=x=0.707 R (3-11) 可以用 10mm 代替 R，结果 x=i=j=7.07mm y=2.93mm 对应的堆栈是： n g x y i j f 006/03/-00707/00293/00707/00707/0167 因为这个堆栈里没有切削面，任何一个 f 都可以使用。但是，当前的进给数字是为下个堆栈计算准备的。刀具中心的速度是 500 40/30=667mm/min。根据公式（ 3-5） FRN=10 667/40=167 从 E 点到 F 点： 运动沿着半径是 40mm 角度是 90圆弧 n g x y i j f 007/03/-04000/-04000/00000/04000/0167 需要注意 使用 f0167 代码，刀具中心速度增加到 667mm/min 是为了保持表面进给量 500mm/min。 从 F 点到 A 点： 这是沿 Y 轴负方向的直线切削 n g x y f 008/01/00000/-06000/0083 从点 A 到起点： 运用快速移动进给量，堆栈是 n g x y z f m 009/01/-07000/00000/04000/0357/30 功能 m30 将会关掉主轴和冷却液并倒带到程序的开始。 完整的草稿如图 3-10 所示 ， T 代表标签特征。注意 x 轴和 y 轴尺寸的总和为零。 从这个例子中，很明显除了极其简单的零件外，计算机对处理计算轮廓程序是非常重要的。 3-3 计算机辅助编程 3-3.1 简介 在早期的数控使用中计算机作为辅助零件编程是不必要的。两个尺度结构的零件加工只 需要 简单的 数学计算。随着数控系统使用的增加和 加工复杂零件的数量增加，零件编程者不再能有效地计算所需要的刀具路径，作为辅助零件编程计算机的使用成为了必然。计算机能经济地对人工不能处理的复杂零件的刀具中心路径进行编程。计算机能快速准确的完成所需要的数学计算，计算机辅助编程 消除了经常在人工计算中出 现的计算错误。 由计算机产生穿孔带所需要的计算是由保存在其内部的编程软件系统实现的。编程者通过基于英语的系统语言和这个系统交互。 APT 语言是最智能和流行的零件编程系统，实际上 ATP 同时代表了计算机系统（程序）和语言。使用ATP 对零件编程 ，编程者需要先用类似英语的语言定义零件的几何外形，然后是nts 刀具中心路径。定义完零件后， 编程者通过写合适的指令来描述切削刀具遵循的路径。另外，要给计算机需要的公差和参数，例如直径。计算机处理信息和进行计算类似于人工进行零件编程的过程，它计算刀具中心路径，进给量代码等。计算机处理的 结果是一个数据文件，它由传送器程序 翻译成能操作数控系统的代码指令。 传送器是每个 MCU/MT 结构需要的一个计算机程序。传送器产生输出或是穿孔带或是能直接应用于使用标准外围设备产生穿孔带的信息。 除了 ATP 系统，还有许多由计算机公司或机械刀具制造商开发的其它编程系统，这些系统中的一少部分应用于微型机上，但它们中的大多数只能在普通意义的大型机上使用 。计算机给与准备穿孔带的大量帮助依赖于计算机编程系统。它们中常用的有 COMPACTII,ADAPT,EXAPT,AUTOSPOT,AUTOPROMPT 和SPLIT。 3-3.2 传送器 计算机辅助准备穿孔带可以分成两个部分： 1、 使用一个普通 处理机 ，例如 ATP 编程系统，它接受编程者的声明和产生用合适的加工参数引导刀具的指令，加工参数如轴速和进给量。 2、 一个附加的计算机程序，提到的比如 传送器，它接受普通处理机的输出作为输入，产生输出或是一个实际 MCU/MT 结构的穿孔带或是能很容易产生穿孔带的信息。 当由普通处理机运行一个计算，忽略和指定 MCU/MT 结构相关的信息时，传送器是必要的。传送器的输出必须能生成一个零件，这个零件要有指定公差 ，以编程的进给量和诸如过切和机械刀具的几何约束 对系统带来的动力影响。这就是每种类型 MCU/MT 结构需要 单独 传送器的原因。 有普通处理机和传送器两个分离处理器的优点是使传送器适应实际系统的影响比需要修改计算机程序系统影响小，例如 APT 传送器的各部分： 每个传送器包括如图 3-11 所示的五个主要部分：输入，运动，辅助，输出和控制。对每个部分和它们主要特征的简明描述如下。 输入： 输入部分读入程序系统（如 APT）的输出。读入可以直接实现也可以在输入媒介如打印卡或磁带的帮助下实现。输入部分检查输入数据的可靠性和打印不可靠信息和随后进程的辅助部分的清单。 运动： 运动 部分是传送器的主要部分 ，它运行和刀具运动相关的所有信息。运动部分包含以几何和动力部分显示的两个功能，对传送器的输入定义了零件处于右手坐标系统。此外，还有使用其它坐标系统的 MCU/MT 结构，如多轴加工的事例，在这些事例中几何部分把坐标转换成需要的系统。为了确定保持所需的公差，几何部分在新的坐标系统里检查零件的外形。 在超出公差范围的事例中，为了保证指定公差沿着路径产生新的数据点。另外，几何部分确保给 MCU 的运动指令不会超过工作台尺寸。 为了保持先前的公差，动力部分必须防止过切，未切和与数控系统结构相关的其它动力 影响。这些由修改需要的进给量和建立加速和减速的间距来做。 辅助： 辅助部分比较可利用的具体数控结构的准备和各种功能，所需要的功能来自于输入部分，它决定了每个功能对 MCU 是否可用。事例中的功能可用，就会nts 传递给输出部分来准备一个正确的设计输出。 输出： 输出部分接受来自于运动和辅助部分的数据，这个数据转化成能被指定MCU 接受的格式。输出部分产生或是穿孔带或是能很容易转化成穿孔带的另一种形式的输出。另外，它打印出零件程序清单。 控制： 控制部分产生传送的安排时间，使之适应所有部分和允许程序流通。它也控制数据流通到外部输 出和接受用于传送的新数据。 3-4 APT 编程 许多计算机系统都是为了数控编程而发展的。然而 APT 系统是最广泛和最智能一种， APT 系统能在许多计算机上使用并且被许多数控系统制造商广泛使用。 APT 原型是在 1956 年由麻省技术研究院（ MIT）的电子系统实验室开发的。随后，这一系统被由空中工业协会（ AIA）创办的 21 工业公司在 MIT 的帮助下进一步发展了。这些努力的结果，一个叫做 APTII 的系统在 1958 年被开发，一个更有效的系统 APTIII 在 1961 年开发成功。 技术研究协会的伊利诺斯研究院（ IITRI）被公认指 明了这一程序进一步扩展方向，它的功能正被进一步扩大。当前的 APT 语言有一个将近 300 词的词汇库。 3-4.1 简介 APT 程序是一个计算机的长系列指令，它为生产一个零件指明了道具必须遵循的路径。为了把刀具路径传给计算机，必须给计算机提供 零件表面的几何描述。APT 语言能为编程者做到这些并且指定刀具沿这些表面移动的路径。几何描述和运动声明占了平均程序的 70 ，一个几何描述的例子如 ： PT2=POINT/3,4 PT2 是指定 x 轴坐标是 3 y 轴坐标是 4 的点的符号。 运动声明的例子： GOTO/HOLE2 移动刀 具到一个叫 HOLE2 点的 x 轴和 y 轴上，这个点在程序中的其它地方被定义。 GOLET/L1,PAST,L2 开始向左运动然后沿着直线 L1 直到它经过直线 L2。 注意PT2， L1 和 HOLE2 是确定名，确定名是几何表达，比如点，线等但不 能 是 APT字符。除了几何描述和运动声明外还有其它形式的声名和特性。一个最常用的声明就是 CLPRNT， CLPRNT 是一个生成已经计算的所有刀具定位坐标的打印清单 APT 系统的指令。在传送之前， 计算结果是 APT 系统的。 许多 APT 声明被分成重要的和次要的两部分，它们由斜杠隔开。重要部 分出现在斜杠的左侧，一般是一个包含从一个到六个字母的词。次要部分如果需要出现在斜杠的右侧，它是重要部分的修饰 。例如，在最后一个声明中 GOLET 是重要部分， PAST 是一个修饰。 APT 语言能定义和加工三尺度（ 3-D）表面。但这篇文章的内容只介绍基本编程，它包括对加工 2-D 零件生命的描述。 3-4.2 几何表达 一个几何表达定义了一个几何外形或形式 ， 对每一个几何形式都有 1 到 14 种不同的方法来定义 。 APT 包含了 16 种不同的几何形式的定义，最常用的是 POINT，LINE， PLANE， CIRCLE， CYLNDR， ELLIPS， HYPERB 和 SPHERE。下面是定义前四种形式的几个例子。 Points 在 APT 中一个点可以用 10 种不同的方法定义；下面给出他们中的三种 1、 通过坐标 POINT /x , y , z nts 例： PT1= POINT/10.1 , 5 注意：没有给出 z 坐标，就默认为 0 2、 通过两直线的交点 POINT /INT OF 线，线 例： PT2= POINT/INT OF LIN1， LIN2 3、通过一个圆心 POINT /CENTER，圆 例： PT3= POINT/ CENTER， C1 注意： PT1， PT2 和 PT3 是确定名，在以后的程序中可以使用。 Lines 一条直线可以用 13 种不同的方法表达，下面给出它们中的三种 1、通过两个点 LINE/点，点 例： L1= LINE/ PT1， PT2 2、通过一点和相切圆弧（图 3-12） LINE/点， LEFT/RIGHT， TANTO，圆 例： L1=P1， LEFT， TANTO， CIR1 L2=P1， RIGHT， TANTO， CIR1 3、 同过一点和一个与另一条直线的角度 LINE/点， ATANGL，角度，直线 例： L1=LINE/P1， ATANGL， 40， L2 在这个例子中新定义的直线 L1 和给定的直线 L2 之间的夹角是 40 。角度值常以度数和度的分数来指定，如果逆时针从 L2 到 L1 测定角度是正值，如果顺时针就是负值。因此，在上面的例子中可以用 -140 代替 40。 Planes 类似于点和线，一个面可以用 8 种不同的方法定义；给出它们中的两种： 1、通过不在同一条直线上的三个点 PLANE/点，点，点 例： PL1=PLANEP1， P2， P3 3、 通过一个平行面和两个面之间的垂直距离 PLANE/PARLEL，面，XLARGE/XSMALL/YLARGE/YSMALL/ZLARGE/ZSMALL，距离 例： PL2=PLANE/PARLEL， PL1， ZSMALL， 5.1 在这个例子中，面 PL2 和给出的面 PL1 平行，并且在 Z 方向上比 PL1 低 5.1 个单位。假如面不和主平面平行，就要用到两个修饰，它们中的任何一个都可以在声明中使用。 Circles 一个圆可以用 10 种不同的方法表达，下面定义了它们中的三种 1、 通过圆弧经过的三个点 CIRCLE/点，点，点 例： C1= CIRCLE/PN2，（ POINT/5.5， 7， 4.1） PNT1 2、 通过圆心和圆弧上的一点 CIRCLE/CENTER，圆心，点 例： C2=CIRCLE/CENTER，（ POINT/9， 7， 3）， PT1 3、通过圆心和半径 CIRCLE/CENTER，点， RADIUS， 半径 例： C3=CIRCLE/CENTER， PT1， RADIUS， 3 CIRCLE/的声明实际上是定义了圆柱垂直于 XY 面的圆。 CYLNDR/声明通常是定义了一个 CIRCLE/声明不能定义的圆柱面。 例 3-1 用 APT 语言编写图 3-13 所示零件的几何描述 SOLUTION P1=POINT/0.5， 0 P2=POINT/6.0， 3.0 P3=POINT/6.0， 4.0 CR=CIRCLE/CENTER， P3， P2 nts L2=LINE/P1， LEFT， TANTO， CR PL=PLANE/P1， P2， P3 3-4.3 运动声明 一旦所需要的零件已经进行完几何表达，就需要用运动声明来指定刀具运动。每一个运动声明都会使到一个新的位置或是沿着声明指定的表面运动。 有两组运动声明可以用：点到点和轮廓操作。 点到点的运动声明： 有三种运动声明来放置刀具到指定的点，它们的格式如下： FROM/ symbol for a defined point 显示刀具的最初位置 GOTO/ symbol for a defined point 放置刀具 到指定的位置 GODLTA/*X， *Y， *Z 从当前位置以指定的增长量放置刀具 注意：（ 1）用一个声明（ POINT/X， Y， Z）或写 X， Y， Z 的坐标来代替“ symbol for a defined point” 。 （ 2） FROM 提供了一个运动开始的最初位置并且在程序中作为运动声明的第一个。 操作者对准机床的刀具位置到相关的编程位置。（ 3） GOTO/声明会使刀具从当前的位置沿着路径到指定的位置， GODLTA/声明会从当前位置以指定的增长量 移动刀具。（ 4） 在钻孔操作中 GOTO/声明通常把刀具放置在要钻孔正上方，然后用 GODLTA/声明把刀具下到工作面里，使用另外的GODLTA/声明撤回刀具，随后对每个孔重复操作。 例 3-2 写一个钻孔程序，从 设置 点（ SETPT）开始孔位于点 point(1,1),加工深度0.5in SOLUTION FROM/SETPT GOTO/1， 1， 0 GODLTA/0， 0， -0.5 GODLTA/0， 0 ， 0.5 GOTO/SETPT 轮廓运动声明： 在 APT 编程中， 默认零件保持静止刀具运动。在轮廓中三个面控制刀具运动： 刀具末端在 part surface 上运动，刀具沿 drivr surface 滑动，刀具碰到 check surface 运动结束 ，如图 3-14 所示各面。因此，在刀具沿轮廓面运动前，它必须被带到这些面上。这是由最初的运动声明实施的，它的格式如下： GO/刀具修饰，引导面，刀具修饰，零件面，刀具修饰，检查面 三种刀具修饰，如图 3-15 所示，可以用： TO ON PAST 例： GO/TO， CIRC1， ON， PL1， TO， LIN1 一个 GO/声明的引导面会是 下一个运动声明沿着切削的面，建立零件面是为了随后的运动声明。 在一个零件程序中只出现一次最初的运动声明，它把刀具从设置点带到工作面 ，实际切削是由另一种类型的声明控制，它以中间运动声明表示（ intermediate motion statements） 在 APT 中可以使用四种 不同的中间轮廓运动声明，最长用的有下面的格式：运动命令 /引导面，刀具修饰，检查面 例： GOLFT/DRS， TO， CKS 引导面是切削沿着的面，检查面定义了刀具运动的结束。 如图 3-16 存在六种不同的运动命令： GOLFT GORGT GOFWD GOBACK GOUP GODOWN nts 在中间运动声明在中，有四种不同类型的刀具修饰，如图 3-15 所示，可以用： TO ON PAST TANTO 注意： （ 1）从刀具的视点对运动编程。（ 2） 每个运动声明都依赖于确立运动方向的优先声明。（ 3） 刀具运动的检查面经常是下一个是声明的引导面。 例： 3-3 用 APT 语言写图 3-17 所示加工零件的运动声明，零件面叫做 PLN SOLUTION GO/TO， L1， ON， PLN， ON， LL GORGT/L1， TO， L2 GORGT/L2， TANTO， C1 GOFWD/C1， TANTO， L3 GOFWD/L3， PAST， L4 GOLFT/L4， PAST， L5 GOLFT/L5， PAST， L6 GOLFT/L6， PAST， LL GOLFT/LL， PAST， L1 GOTO/SP 注意 GO/TO 和 GOTO/声明的不同用法。 3-4.4 额外的 APT 声明 几何表达和运动声明大约占了平均程序的 2/3，完成一个 APT 程序还需要有其它类型的声明。 传送器声明 一个 APT 程序的第一个声明定义了传送器被 APT 使用。 这个声明的结构如下： MACHIN/传送器名 例： MACHIN/UN1 传送器允许把一个传送器的控制声明翻译成合适的控制代 码，传送器的控制声明例子： COOLNT/ON 开启冷却液（ m08 代码） SPINDL/ON 开启主轴（ m03 代码） FEDRAT/25 刀具进给量是 25in/min SPINDL/1250， CCLW 主轴转速是 1250rpm,逆时针方向 TOOLNT/3527， 6 刀具数字 3527，长 6 个单位 END 结束程序（ m02 代码） 公差和刀具修饰 所有的轮廓运动命令都缩减成近似给出曲线的连续的直线运动命令；这些直线用不超过指定的公差 分割轮廓表面。公差后跟数学参数。例： OUTTOL/.0005 外部公差 影响过切；就是直线和曲线的外侧相切，距离轮廓不超过 0.0005 个单位。 INTOL/.0001 内部公差 影响未切 TOLER/.005 外部和内部公差是一样的 刀具修饰是由声明（ CUTTER/后跟的数学参数达到 7 位）给出的，第一位是刀具直径。在 APT 编程例中使用一个简化的声明： CUTTER/10.0 表明刀具直径是 10 个单位 开始和终止声明 在 APT 程序中的第一个声明以 PARTNO 开始，其它的任何信息都在 PARTNO 后的同一线后，例 PARTNO PROGRAMMING EXAMPLE nts PARTNO 声明表明了零件的名字。 在 APT 程序中的最后一个声明是 FINI，它定义后面没有了并终止程序。 结论 在这本书里 提到的 APT词汇 足够生成点到点和轮廓系统的 2-D零件程序。一个完整的 APT 词汇允许用不同的方法定义同一个几何体，这些就方便了零件编程者的工作。下面的例子包含了一个完整的 APT 程序，并且进一步显示编程过程。 3-4.5 APT 编程的一个例子 为了一步步说明编程 步骤，把 3-2.2 所示的人工编程的零件用 APT 语言编 程，零件尺寸如图 3-7。下面的规则可能对于零件编程者有用： 1、 必须按指定的 APT 词准确拼写；注意只使用主要字母。 2、 一般地，在每两个词或数之间有标点记号（逗点，等号或斜杠）。 3、 在声明的最后没有标点。 4、 句号 作为十位数的点 是可以用的，在声明的最后使用是错误的。 5、 除了少数的 APT 词（比如 PARTNO），可以插入或删除空格；例如使用GO LFT 和 GOLFT 没有分别。 6、 推荐使用和几何形状相联系得象征名作为 几何表达确定名；例如用RITISID 作为指定零件右侧轮廓的词 。 7、 一个 APT 词不能作为一个确定名。 8、 确定名可以是不超过 6 个字母或数字的任何组成，第一个字符必须是一个字母。 9、 在任何一个确定名里可以插入或删除空格，在同一个程序里插入或删除的空格可以不一样；例 LIN2 可以在开始使用随后使用 LIN 2。 10、 必须定义几何表达（形状）和优先给出在一个声明中使用的确定名。因此，推荐在运动声明前定义零件的几何外形。 11、 运动指令是从刀具的视点写的，因此刀具向右或向左运动就像是编程者“骑”在刀具上引导它沿必须的路径运动。 12、 使用标志 $表示在下一个卡里继续使用这个声明。 13、 一个推荐的 APT 程序结构如下： PARTNO 零件名和代号 MACHIN 传送器 名 零件几何 的描述和定义 加工条件 运动声明 关闭轴和冷却液 FINI 这些一般规则可以在具体的事例中应用，确定名分配给几何部分如图 3-18 所示。刀具运动方向由人工编程事例布置的指定，完整的零件程序如下： The part program PARTNO PROGRAMMING EXAMPLE 10 MACHIN/UN1 20 SETPT=POINT/0,30,25 30 CNTR=POINT/110,90 40 CRCL=CIRCLE/CENTER,CNTR,RADIUS,30 50 nts LFTSID=LINE/（ POINT/80， 40）， LEFT， TANTO， CRCL 60 PTB=POINT/140， 40 70 BASLIN=LINE/（ POINT/80， 40）， PTB 80 PTM=POINT/140， 90 90 RITSID=LINE/PTB， PTM 100 TOPLIN=LINE/PTM，（ POINT/110， 120） 110 AUXLIN=LINE/（ POINT/140， 120）， RIGHT， TANTO， CRCL 120 XYPLN=PLANE/CNTR， PTB， PTM 130 PSURF=PLANE/PARLEL， XYPLN， ZSMALL， 15 140 $ PART DESCRIPTION HAS NOW BEEN COMPLETED CUTTER/20.0 150 TOLER/.005 160 SPINDL/1740,CLW 170 FEDRAT/2500 180 FROM/SETPT 190 GO/TO,BASLIN,TO,PSURF,TO,LFTSID 200 FEDRAT/500 210 GO FWD/BASLIN,PAST,RITSID 220 GO LFT/RITSID,PAST,TOPLIN 230 GO LFT/TOPLIN,PAST,AUXLIN 240 GO LFT/AUXLIN,TANTO,CRCL 250 GOFWD/CRCL,TANTO,LFTSID 260 GOFWD/LFTSID,PAST,BASLIN 270 FEDRAT/2500 280 GOTO/SETPT 290 STOP 300 FINI 310 评述： 10 指定零件名 20 说明传送器名 30 SETPT 是刀具的起点，当刀具在 SETPT 时放置零件 40 这个点在声明 50 中使用 50 定义了一个圆叫 CRCL，圆心是 CNTR，半径是 30mm 60 定义了一条线 LFTSID，它经过坐标是（ 80， 40）的点，当从这个点向圆看时它和圆 CRCL 的左侧相切 70 为随后的几何定义定义了一个点 80 定义了经过指定点的线 BASLIN 90 定义了在下一个声明中使用的点 100 定义了在零件右侧的线 RITSID 110 定义了一条线 TOPLIN 120 定义了在刚开始图形中没有的新线 130 定义了一个和 XY 平面重合的面 140 定义了一个随后作为零件表面 的平面 PSURF，建立铣削时要保持的深度。PSURF 和 XY 面平行，并低于它 15mm nts 150 使用直径是 20mm 的刀具 160 当刀具沿实际数学表面运动时，它的末端会一直在 0.005mm 内 170 主轴以 1740rpm 的速度顺时针旋转 180 需要的进给量是 2500mm/min,传送时加速和减速的距离是自动计算的（保持过切在公差里） 190 定义刀具的最初位置 200 初始运动声明移动刀具到命名的面， PSURF 是零件面，整个运动中刀具会一直在它上面， BASLIN 是引导面也是在下一个运动声明中沿着切削的面 210 进給量减至 500mm/min,它是铣削需要的进給量 220 刀具沿 BASLIN 运动到 RITSID 230 刀具沿线 RITSID 向左运动直到 TOPLIN 240 和 230 相似 250 刀具沿 AUXLIN 运动直到它到达 AUXLIN 和 CRCL 相切的点 260 类似于 250 270 类似于 220 280 类似于 180 290 刀具运动到远离零件的点 SETPT 300 STOP 声明关掉机床和冷却液 310 表明程序结束 3-5 其它编程系统 除了 APT 编程系统，还有许多其它或多或少使用的系统。一些最出名的如表 3-3的概 述，下面给出一些广泛使用系统的简要描述。 3-5.1 COMPACT II 的描述 COMPACT II（ computer program for automatically controlling tools）是一个普通意义的处理机，由制造数据系统开发， Inc,Ann Arbor,Michigan,a division of Schlumberger,Ltd. COMPACT II 通常为车削，铣削，钻孔，刨削，应用加工中心，电火花切割和 EDM 编写零件程序。它通常为简单的点到点钻孔加工和复杂的三轴，四轴， 五 轴加工零件编程。 COMPACT II 操作在交互环境上在距离远的同步计算机，房间里的小型机，或在房间里主机的一组环境。 处理机是独立的机器并用一个非独立机器的子程序操作，叫做连接，编写指定的机械刀具和控制单位。 COMPACT II 用单一的计算机相互作用把它的语言声明转化成人工数控代码 。和需要附加传送来完成穿孔带代码的（例 APT）语言对比，连接自动实现传送作为每个声明是计算机处理的。连接缩短了计算时间并很方便的迅速发现可察觉声明的错误。 表 3-3 数控计算机编程系统 程序 开发 者 方向 ADAPT IBM（ U.S Air Force contract） P， 3C AUTOSPOT IBM P CINTURN Cincinnati Milacron T COMPACT II MDSI ， Ann Arbor， Mich P， 2.5C EXAPT I T.H.Aachen in Germany P EXAPT II T.H.Aachen in Germany T nts EXAPT III T.H.Aachen in Germany 3C GENRURN General Electric T MILTURN Metaalinstitut in Netherlands T NEL 2PL Ferranti 2P NEL 2C Ferranti T NEL 2CL Ferranti 2C PROMPT Weber C SPLIT White-Sundstrand Machine Tool 5P,5C UNIAPT United Computing,Carson,Calif P,C 注意： C,contouring;P, positioning;T,turning operations;2,3,number of controlled axes COMPACT II 的
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