阶梯轴车削加工及数控车削机床仿真的研究毕业设计论文

本科毕业设计论文题 目 阶梯轴车削加工及数控车削机床仿真的研究专业名称 机械设计制造及其自动化 学生姓名 卞 庆 指导教师 李海滨 毕业时间 二零一四年六月 西北工业大学明德学院本科毕业设计论文设计论文 毕业 任务书一、题目 阶梯轴车削加工及数控车削机床仿真的研究二、研究主要内容本课题来源于飞机结构件高效数控加工系统研究项目，研究内容和研究方法上的要求是针阶梯轴车削加工的特点，进行刀路规划，合理地划分加工区域、选择适合的加工方法。制成以提高加工精度兼顾效率的NC加工专用程序。三、主要技术指标1完成指定翻译文献；2完成阶梯轴车削粗加工程编；3完成阶梯轴车削精加工的程编；4. 完成阶梯轴车削加工虚拟仿真加工及生成NC指令；四、进度和要求要求学生毕业设计从第1周开始至第17周结束；主要的工作量及进度要求如下：第一阶段：（共计5周）1第一周及第二周，翻译并完成教师指定的英文文献翻译；2第三周，熟悉阶梯轴车削加工工艺及工艺模型处理；3. 第四周，去工厂现场参观调研；4第五周，熟悉及掌握CADCAM软件相关的阶梯轴车削加工方法；第二阶段：（共计5周）1第六周及第七周，完成阶梯轴车削加工工艺模型建立和处理；2. 第八周，完成阶梯轴车削的粗加工编程；3. 第九周，完成阶梯轴车削精加工编程；3. 第十周，完成仿真加工及数控加工代码生成；第三阶段：（共计5周）1 .第十一周，检测阶梯轴车削加工程序的通用性；2第十二周，检测阶梯轴车削加工刀路工艺规划的合理性；3第十三周，进行刀路优化、过切检查;4. 第十四及第十五周，生成通用的数控指令(G代码和M代码)； 5. 第十六周及第十七周，撰写论文及评阅;五、主要参考书及参考资料1谢龙汉等. CATIAV5数控加工M.北京：清华大学出版社，2005年4月.2 谢龙汉等.CATIAV5机械设计M.北京：清华大学出版社，2005年4月.3 谢龙汉等.CATIAV5机械设计应用实例M.北京：清华大学出版社，2005年4月.4 谢龙汉等.CATIAV5逆向造型设计M.北京：清华大学出版社，2005年4月.5 谢龙汉等.CATIAV5自由曲面造型M.北京：清华大学出版社，2005年4月.6谢龙汉等.CATIAV5数控加工实例M.北京：清华大学出版社，2005年4 月. 7 卜昆等.计算机辅助制造M.北京：机械工业出版社，2006.学生学号 103302 学生姓名 卞 庆 指导教师 李海滨 系 主 任 魏生民 摘 要虚拟数控加工技术是虚拟制造领域重要的研究方向，其中机床的三维建模是基础，通过对加工过程的仿真数控加工，可以在计算机上完成对数控程序的检验，解决实际加工中遇到的各种问题，从而替代或减少实际的试切工作，能有效降低产品制造成本，提高产品质量。本文利用CATIA V5进行车床各部件及夹具、刀具、和工件模型的建立，并结合VERICUT软件读取数控代码的字符和字地址格式特点，对所使用的数控程序代码进行了适当的转换，最后使用VERICUT软件进行数控仿真加工。详细讨论了车床模型建立和数控仿真加工等过程中遇到的问题及解决方法。CATIA如今其在CAD/CAE/CAM 以及PDM 领域内的领导地位，已得到世界范围内的承认，广泛应用于航空航天、汽车制造、造船、机械制造、电子电器、消费品行业，它的集成解决方案覆盖所有的产品设计与制造领域，其特有的DMU电子样机模块功能及混合建模技术更是推动着企业竞争力和生产力的提高。本文的主要内容包括：1) 项目背景介绍，课题研究的意义。2) 对CATIA V5进行了系统的介绍及研究3) 主要介绍利用VERICUT 7.0进行数控仿真加工，并对仿真过程进行分析，解决仿真中出现的问题。关键词：车削，数控仿真，CATIA V5，VERICUT 7.0ABSTRACT Virtual NC machining technology is an important research direction in virtual manufacturing field,which the 3d machine modeling is the basis of it.NC program can be checked in computer based on the simulation of no machining process,to solve the practical problems encountered in the process,thus substituting or reducing the actual try cutting jobs,it can effectively reduce the product manufacturing cost and improve product quality.The paper used CATIA to establish the machine components and fixture、cutting tool and workpiece model,And then,converting the numerical code based on the VERICUT software completed the lathe assembly and the numerical control turning processing simulation.The paper discussed the problems and solving methods in establishing a lathe model and the NC turning processing simulation process. CATIA is now in the CAD / CAE / CAM and PDM in the field of leadership has been recognized worldwide, are widely used in the aerospace, automobile manufacturing, shipbuilding, machinery manufacturing, electrical electronic consumer goods industry, its integrated solutionthe programs cover all product design and manufacturing, its unique DMU electronic prototype module function and hybrid modeling technology is to promote the competitiveness of enterprises and increased productivity.The main contents include:1) Introducing the project background,the meaning of researching the NC machining simulation.2) Introducing and researching for CATIA V53) VERICUT 7.0 were mainly introduced,include the lathe assembly and CNC lathe machining simulation,and analyzing the process of simulation,solving the problems appeared in the simulation.KEY WORDS:cutter，NC simulation，CATIA V5，VERICUT 7.0前 言近年来，随着计算机技术的发展，数字控制技术已经广泛应用于工业控制的各个领域，尤其是机械制造业中，普通机械正逐渐被高效率、高精度、高自动化的数控机械所代替。目前国外机械设备的数控化率已达到85%以上，而我国的机械设备的数控化率不足20%，随着我国制造行业新技术的应用，我国世界制造业加工中心地位形成，数控机床的使用、维修、维护人员在全国各工业城市都非常紧缺，再加上数控加工人员从业面非常广，可在现代制造业的模具、钟表业、五金行业、中小制造业、从事相应公司企业的电脑绘图、数控编程设计、加工中心操作、模具设计与制造、 电火花及线切割工作，所以目前现有的数控技术人才无法满足制造业的需求，而且人才市场上的这类人才储备并不大，企业要在人才市场上寻觅合适的人才显得比较困难，以至于导致模具设计、CAD/CAM工程师、数控编程、数控加工等已成为我国各人才市场招聘频率最高的职位之一。现代数控加工技术的普遍应用，使得产品的加工周期大幅度缩短，产品的加工质量不断改善，加速了产品的更新换代，增强了产品的市场竞争能力。因此数控加工技术的研究已成为衡量一个国家机械制造工业的重要标志之一，更是体现一个机械制造企业技术水平的重要标志。正是基于上述形势，许多制造行业都已经采用数控加工方式来提高产品的竞争力。此外，利用和发展数控加工，实现高效数控加工已成为了制造类企业所普遍关心的大事。进一步提高我国国防军工行业的数控效率以及数控制造能力，是加强军工国防建设的迫切需要。目录第1章 绪论61.1 课题研究的意义61.2 国内外现状61.3 论文的章节安排7第2章 使用软件介绍（CATIA、VERICUT）82.1 CATIA概述82.2 CATIA先进的混合建模技术82.3 CATIA的历史92.4 CATIA的主要应用领域112.5 VERICUT软件简介12第3章 数控加工关键技术的研究143.1 基本概念143.2 数控编程的方法153.3数控车床的基本构成153.4数控机床坐标系163.5 数控编程格式及内容173.6 F、S、T功能18第4章 阶梯轴车削加工及数控车削机床仿真的研究204.1 轴的加工车削过程研究201.引入零件及进入加工模块212.零件定义操作223.机床的设置234.定义坐标系245.设置换刀点256.定义加工零件及毛坯零件257.阶梯轴的粗车加工258.阶梯轴的精车加工309.阶梯轴的切槽加工3210.切端面加工3411.重新定义坐标系3612.对阶梯轴的另一端加工374.2 印章的加工车削过程研究381.印章的粗车加工382.印章的沟槽加工413.印章的精车加工43第5章 VERICUT数控模拟仿真操作研究455.1 NC程序的生成455.2 设置仿真环境475.3 加工仿真的验证50第6章 总结与展望536.1 总结536.2 展望54致 谢55参考文献56毕业设计小结57VI第1章 绪论1.1 课题研究的意义随着电子技术尤其是计算机技术的发展，以计算机为主要工具的仿真技术在近十年得到了飞速的发展。数控机床加工零件是靠数控程序控制完成的，当前数控编程技术在曲面建模、轨迹规划、刀位计算等方面有了很大的进步，但仍不能确保NC程序的完全正确可靠。NC程序的检校方法有多种，方法之一是在数控加工之前让数控机床空运行，空运行只能对机床运动是否正确及有无干涉碰撞做粗略的估计；方法之二是试切法即通过试切木质或塑料工件检查其正确性，显然这一过程周期长、成本高、效率低。为此，寻找一种能够快速、安全、有效地验证NC程序正确性的方法,就成了急待解决的问题。因此，研究一种基于NC代码的数控仿真系统的将具有重要的意义。1.2 国内外现状在现代制造系统中，数控技术是关键技术，它集微电子、计算机、信息处理、自动检测、自动控制等新技术于一体，具有高精度、高效率、柔性自动化等特点，对制造业实现，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用。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，数控系统实现了高速、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，CAD/CAM与数控系统集成为一体，机床联网，实现了中央集中控 制的群控加工。纵观目前我国的数控市场，我国数控产品在性能、外观、可靠性方面与国外产品有一定差距，特别是国外企业有雄厚的资金，加上外国企业为占领中国市场，对我国能够生产的数控系统压价销售，而对我国未能生产的数控系统，不仅高价而且附加许多限制。当前数控系统所需要的功能将不只是高的性能（高速、高精度、高可靠性），而且还包括许多智能功能，如加工运动规划、推理、决策能力以及加工环境的感知能力、制造网络通信能力（包括与人的交互）、智能 编程、智能数据库、智能监控等。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、CAD/CAM、伺服控制、自适应控制、动态数据管理及动态刀具补偿、 动态仿真等高新技术融于一体，构成严密的制造过程闭环控制体系，从而实现集成化、智能化、网络化。高速、高精加工技术可极大地提高效率，提高产品的质量和档次，缩短生产周期和提高市场 竞争能力。制定符合中国国情的总体发展战略，确立与国际数控加工技术接轨的发展道路是当务之急。1.3 论文的章节安排根据论文选题的要求，作者在近三个月的论文阶段，基于CATIA软件平台，在导师的认真指导下完成了大量的工作，对计算机辅助数控加工进行了深入的研究，在此基础上并对阶梯轴车削加工进行仿真模拟加工。这些内容在论文中都得到了充分的反映，论文内容的章节安排如下：l 绪论l 使用软件介绍（CATIA、VERICUT）l 数控加工关键技术的研究l 阶梯轴车削加工及数控车削机床仿真的研究l 总结与展望第2章 使用软件介绍（CATIA、VERICUT）2.1 CATIA概述CATIA是法国达索公司的产品开发旗舰解决方案。作为PLM协同解决方案的一个重要组成部分，它可以帮助制造厂商设计他们未来的产品，并支持从项目前阶段、具体的设计、分析、模拟、组装到维护在内的全部工业设计流程。模块化的CATIA系列产品旨在满足客户在产品开发活动中的需要，包括风格和外型设计、机械设计、设备与系统工程、管理数字样机、机械加工、分析和模拟。CATIA产品基于开放式可扩展的V5架构。通过使企业能够重用产品设计知识，缩短开发周期，CATIA解决方案加快企业对市场的需求的反应。自1999年以来，市场上广泛采用它的数字样机流程，从而使之成为世界上最常用的产品开发系统。CATIA系列产品已经在七大领域里成为首要的3D设计和模拟解决方案：汽车、航空航天、船舶制造、厂房设计、电力与电子、消费品和通用机械制造。2.2 CATIA先进的混合建模技术 设计对象的混合建模：在CATIA的设计环境中，无论是实体还是曲面，做到了真正的互操作； 变量和参数化混合建模：在设计时，设计者不必考虑如何参数化设计目标，CATIA提供了变量驱动及后参数化能力。 几何和智能工程混合建模：对于一个企业，可以将企业多年的经验积累到CATIA的知识库中，用于指导本企业新手，或指导新车型的开发，加速新型号推向市场的时间。1) CATIA具有在整个产品周期内的方便的修改能力，尤其是后期修改性 无论是实体建模还是曲面造型，由于CATIA提供了智能化的树结构，用户可方便快捷的对产品进行重复修改，即使是在设计的最后阶段需要做重大的修改，或者是对原有方案的更新换代，对于CATIA来说，都是非常容易的事。2) CATIA所有模块具有全相关性 CATIA的各个模块基于统一的数据平台，因此CATIA的各个模块存在着真正的全相关性，三维模型的修改，能完全体现在二维，以及有限元分析，模具和数控加工的程序中。3) 并行工程的设计环境使得设计周期大大缩短 CATIA 提供的多模型链接的工作环境及混合建模方式，使得并行工程设计模式已不再是新鲜的概念，总体设计部门只要将基本的结构尺寸发放出去，各分系统的人员便可开始工作，既可协同工作，又不互相牵连；由于模型之间的互相联结性，使得上游设计结果可做为下游的参考，同时，上游对设计的修改能直接影响到下游工作的刷新。实现真正的并行工程设计环境。4) CATIA覆盖了产品开发的整个过程 CATIA 提供了完备的设计能力：从产品的概念设计到最终产品的形成，以其精确可靠的解决方案提供了完整的2D、3D、参数化混合建模及数据管理手段，从单个零件的设计到最终电子样机的建立；同时，作为一个完全集成化的软件系统，CATIA将机械设计，工程分析及仿真，数控加工和CATweb网络应用解决方案有机的结合在一起，为用户提供严密的无纸工作环境，特别是CATIA中的针对汽车、摩托车业的专用模块,使CATIA拥有了最宽广的专业覆盖面，从而帮助客户达到缩短设计生产周期、提高产品质量及降低费用的目的。2.3 CATIA的历史CATIA是英文 Computer Aided Tri-Dimensional Interface Application 的缩写。 是世界上一种主流的CAD/CAE/CAM 一体化软件。在70年代Dassault Aviation 成为了第一个用户，CATIA 也应运而生。从1982年到1988年，CATIA 相继发布了1版本、2版本、3版本，并于1993年发布了功能强大的4版本，现在的CATIA 软件分为V4版本和 V5版本两个系列。V4版本应用于UNIX 平台，V5版本应用于UNIX和Windows 两种平台。V5版本的开发开始于1994年。为了使软件能够易学易用，Dassault System 于94年开始重新开发全新的CATIA V5版本，新的V5版本界面更加友好，功能也日趋强大，并且开创了CAD/CAE/CAM 软件的一种全新风格。 CATIA是法国Dassault System公司的CAD/CAE/CAM一体化软件，居世界CAD/CAE/CAM领域的领导地位，广泛应用于航空航天、汽车制造、造船、机械制造、电子电器、消费品行业，它的集成解决方案覆盖所有的产品设计与制造领域，其特有的DMU电子样机模块功能及混合建模技术更是推动着企业竞争力和生产力的提高。CATIA 提供方便的解决方案，迎合所有工业领域的大、中、小型企业需要。包括:从大型的波音747飞机、火箭发动机到化妆品的包装盒，几乎涵盖了所有的制造业产品。在世界上有超过13,000的用户选择了CATIA。CATIA 源于航空航天业，但其强大的功能以得到各行业的认可，在欧洲汽车业，已成为事实上的标准。CATIA 的著名用户包括波音、克莱斯勒、宝马、奔驰等一大批知名企业。其用户群体在世界制造业中具有举足轻重的地位。波音飞机公司使用CATIA完成了整个波音777的电子装配，创造了业界的一个奇迹，从而也确定了CATIA 在CAD/CAE/CAM 行业内的领先地位。 CATIA V5版本是IBM和达索系统公司长期以来在为数字化企业服务过程中不断探索的结晶。围绕数字化产品和电子商务集成概念进行系统结构设计的CATIA V5版本，可为数字化企业建立一个针对产品整个开发过程的工作环境。在这个环境中，可以对产品开发过程的各个方面进行仿真，并能够实现工程人员和非工程人员之间的电子通信。产品整个开发过程包括概念设计、详细设计、工程分析、成品定义和制造乃至成品在整个生命周期中的使用和维护。CATIA V5版本具有： 1.重新构造的新一代体系结构 为确保CATIA产品系列的发展，CATIA V5新的体系结构突破传统的设计技术，采用了新一代的技术和标准，可快速地适应 企业的业务发展需求，使客户具有更大的竞争优势。 2.支持不同应用层次的可扩充性 CATIA V5对于开发过程、功能和硬件平台可以进行灵活的搭配组合，可为产品开发链中的每个专业成员配置最 合理的解决方案。允许任意配置的解决方案可满足从最小的供货商到最大的跨国公司的需要。 3.与NT和UNIX硬件平台的独立性 CATIA V5是在Windows NT平台和UNIX平台上开发完成的，并在所有所支持的硬件平台上具有统一的数据、功能、 版本发放日期、操作环境和应用支持。CATIA V5在Windows平台的应用可使设计师更加简便地同办公应用系统共享数据；而 UNIX平台上NT风格的用户界面，可使用户在UNIX平台上高效地处理复杂的工作。 4.专用知识的捕捉和重复使用 CATIA V5结合了显式知识规则的优点，可在设计过程中交互式捕捉设计意图，定义产品的性能和变化。隐式的 经验知识变成了显式的专用知识，提高了设计的自动化程度，降低了设计错误的风险。 5.给现存客户平稳升级 CATIA V4和V5具有兼容性，两个系统可并行使用。对于现有的CATIA V4用户，V5年引领他们迈向NT世界。对于新的 CATIA V5客户，可充分利用CATIA V4成熟的后续应用产品，组成一个完整的产品开发环境。2.4 CATIA的主要应用领域1) 航空航天： CATIA 源于航空航天工业，是业界无可争辩的领袖。以其精确安全，可靠性满足商业、防御和航空航天领域各种应用的需要。 2) 汽车工业： CATIA是汽车工业的事实标准，是欧洲、北美和亚洲顶尖汽车制造商所用的核心系统。CATIA 在造型风格、车身及引擎设计等方面具有独特的长处，为各种车辆的设计和制造提供了端对端（end to end ）的解决方案。CATIA 涉及产品、加工和人三个关键领域。CATIA 的可伸缩性和并行工程能力可显著缩短产品上市时间。 3) 造船工业： CATIA 为造船工业提供了优秀的解决方案，包括专门的船体产品和船载设备、机械解决方案。船体设计解决方案已被应用于众多船舶制造企业，涉及所有类型船舶的零件设计、制造、装配。船体的结构设计与定义是基于三维参数化模型的。参数化管理零件之间的相关性，相关零件的更改，可以影响船体的外型。船体设计解决方案与其他CATIA 产品是完全集成的。 中国广州的文冲船厂也对CATIA 进行了成功地应用。使用CATIA 进行三维设计，取代了传统的二维设计。 4) 厂房设计： 在丰富经验的基础上，IBM 和Dassault - Systems 为造船业、发电厂、加工厂和工程建筑公司开发了新一代的解决方案。包括管道、装备、结构和自动化文档。CCPlant 是这些行业中的第一个面向对象的知识工程技术的系统。 CCPlant 已被成功应用于Chrysler 及其扩展企业。使用CCPlant 和Deneb 仿真对正在建设中的Toledo 吉普工厂设计进行了修改。费用的节省已经很明显地体现出来。并且对将来企业的运作有着深远的影响。 5) 加工和装配： 一个产品仅有设计是不够的，还必须制造出来。CATIA 擅长为棱柱和工具零件作2D/3D关联，分析和NC ；CATIA 规程驱动的混合建模方案保证高速生产和组装精密产品，如机床，医疗器械、胶印机钟表及工厂设备等均能作到一次成功。 6) 消费品： 全球有各种规模的消费品公司信赖CATIA，其中部分原因是CATIA设计的产品的风格新颖，而且具有建模工具和高质量的渲染工具。CATIA已用于设计和制造如下多种产品：餐具、计算机、厨房设备、电视和收音机以及庭院设备。 另外，为了验证一种新的概念在美观和风格选择上达到一致，CATIA 可以从数字化定义的产品，生成具有真实效果的渲染照片。在真实产品生成之前，即可促进产品的销售。2.5 VERICUT软件简介VERICUT软件是美国CGTECH公司开发的数控加工仿真系统，由NC程序验证模块、机床运动仿真模块、优化路径模块、多轴模块、高级机床特征模块、实体比较模块和CAD/CAM接口等模块组成，可仿真数控车床、铣床、加工中心、线切割机床和多轴机床等多种加工设备的数控加工过程，也能进行NC程序优化，缩短加工时间、延长刀具寿命、改进表面质量，检查过切、欠切，防止机床碰撞、超行程等错误;具有真实的三维实体显示效果，可以对切削模型进行尺寸测量，并能保存切削模型供检验、后续工序切削加工;具有CAD/CAM接口，能实现与UG. CATIA及MasterCAM等软件的嵌套运行。VERICUT软件目前已广泛应用于航空航天、汽车、模具制造等行业，其最大特点是可仿真各种CNC系统，既能仿真刀位文件，又能仿真CAD/CAM后置处理的NC程序，其整个仿真过程包含程序验证、分析、机床仿真、优化和模型输出等世界最强的数控模拟仿真，VERICUT是全世界NC验证软体的领导者；CGTech Vericut 6.0支援用户利用专案结构树，浏览、配置多个机床设置，每个机床设置有自己单独的机床结构、夹具、刀具、控制系统和仿真设定。切削毛坯可以从一个机床任务移到另一个机床任务，同时能够自动定位。一旦用户选定了机床配置，毛坯、夹具和设计模型，这些资讯就和机床捆绑在一起了，接下来就可以类比整个加工过程。第3章 数控加工关键技术的研究3.1 基本概念数控编程：在数控机床上加工零件，首先要进行程序编制，将零件的加工顺序、工件与刀具相对运动轨迹的尺寸数据、工艺参数（主运动和进给运动速度、切削深度等）以及辅助操作等加工信息，用规定的文字、数字、符号组成的代码，按一定的格式编写成加工程序单，并将程序单的信息通过控制介质输入到数控装置，由数控装置控制机床进行自动加工。脉冲当量：单位脉冲作用下进给轴移动的距离。决定数控系统的精度，可由运动控制指令（自动）、按键触发或手摇脉冲发生器（手动操作）。主轴转速：切削是主轴转动的角度。进给速度：正常切削时刀具行进的线速度。接近速度：从安全高度切入工件前的刀具行进的线速度，又称进刀速度。退刀速度：刀具离开工件回到安全高度时刀具行进的线速度，在安全高度以上刀具行进的线速度为机床的G00。安全高度：保证在此高度上可以快速走刀不发生干涉的高度，应高于零件的最大高度。起止高度：刀具退刀时刀具的初始高度，其大于安全高度。3.2 数控编程的方法数控编程分为手工编程和自动编程。手工编程就是整个程序的编制过程由人工完成。手工编程通常用于简单零件，但对于一些复杂的零件，编程工作量十分巨大，计算繁琐，花费时间长，而且非常容易出错。自动编程是指编程人员只需根据零件图样的要求，按照某个自动编程系统的规定，编写一个零件源程序，输入编程计算机，再由计算机自动进行程序编制，并打印程序清单和制备控制介质。自动编程既可以减轻劳动强度，缩短编程时间，又可减少差错，使编程工作简便。综上所述，对于几何形状不太复杂的零件和点位加工，所需的加工程序不多，计算也较简单，出错的机会较少，这时用手工编程还是经济省时的，因此，至今仍广泛地应用手工编程方法来编制这类零件的加工程序。但是对于复杂曲面零件；几何元素并不复杂，但程序量很大的零件（如一个零件上有数千个孔）；以及铣削轮廓时数控装置不具备刀具半径自动偏移功能，而只能按刀具中心轨迹进行编程等情况。由于计算相当繁琐及程声量大，手工编程就很难胜任，即使能够编出来，也耗时长，效率低，易出错。据国外统计，用手工编程时，一个零件的编程时间与在机床上实际加工时间之比，平均约为30：1。数控机床不能开动的原因中有2030是由于加工程序不能及时编制出来而造成的，因此，必须要求编程自动化。3.3数控车床的基本构成数控车床由五部分组成：主机、数控系统、驱动系统、辅助装置、机外编程器等。车床主机是指其机械部件，主要包括床身、主轴箱、刀架、尾座、进给传动机构等。数控系统是数控车床的控制核心。驱动系统是数控车床的动力部分，主要实现主运动和进给运动。在数控车床中，驱动系统称为伺服系统，由伺服驱动电路和驱动装置两大部分组成。伺服驱动电路接收指令，经过数控系统处理，推动驱动装置运动。驱动装置主要由主轴电机、进给系统的步进电机或交直流伺服电机等组成。3.4数控机床坐标系规定数控机床坐标轴和运动方向，是为了准确地描述机床运动，简化程序的编制，并使所编程序具有互换性。国际标准化组织目前已经统一了标准坐标系，我国也颁布了相应的标准（JB3051-82），对数控机床的坐标和运动方向作了明文规定。（1）数控铣床坐标系建立的原则1）刀具相对于静止的工件而运动的原则。2）标准坐标系是一个右手笛卡儿直角坐标系。在图3-1中，大拇指的方向为X轴的正方向，食指为Y轴的正方向，中指为Z轴正方向。图3-1 右手笛卡尔直角坐标系（2）数控铣床的坐标系1）机床坐标系和机床原点机床坐标系是机床上固有的坐标系。机床坐标系的原点也称为机床原点或机床零点，在机床经过设计制造和调整后这个原点便被确定下来，它是固定的点。在标准中，规定平行于机床主轴（传递切削力）的刀具运动坐标轴为Z轴，取刀具远离工件的方向为正方向。如果机床有多个主轴时，则选一个垂直于工件装夹面的主轴为Z轴。X轴为水平方向，且垂直于Z轴并平行于工件的装夹面。对于刀具作旋转运动的机床（如铣床、镗床），当Z轴为水平时，沿刀具主轴后端向工件方向看，向右的方向为X的正方向；如Z轴是垂直的，则从主轴向立柱看时，对于单立柱机床，X轴的正方向指向右边。上述正方向都是刀具相对工件运动而言。在确定了X、Z轴的正方向后，可按右手直角笛卡儿坐标系确定Y轴的正方向，即在ZX平面内，从+Z转到+X时，右螺旋应沿+Y方向前进。2）工件坐标系工件坐标系是编程人员在编程时使用的，编程人员选择工件上的某一已知点为原点称编程原点或工件原点。工件坐标系一旦建立便一直有效，直到被新的工件坐标系所取代。工件坐标系的原点选择要尽量满足编程简单、尺寸换算少、引起的加工误差小等条件，一般情况下以坐标式尺寸标注的零件，编程原点应选在尺寸标注的基准点；对称零件或以同心圆为主的零件，编程原点应选在对称中心线或圆心上；Z轴的程序原点通常选在工件的上表面。3.5 数控编程格式及内容国际上已形成了两个通用标准：国际标准化组织（ISO）标准和美国电子工业学会（EIA）标准。我国根据ISO标准制定了JB3051-82数字控制机床坐标和运动方向的命名等国标。由于生产厂家使用标准不完全统一，使用代码、指令含义也不完全相同，因此需参照机床编程手册。一个完整的数控程序是由程序号、程序内容和程序结束三部分组成。例如：0029； 程序号N10 G15 G17 G21 G40 G49 G80； N20 G91 G28 Z0； N30 T1 M6； 程序内容N40 G90 G54 S500 M03；。N100 M30；程序结束(1) 程序号程序号是一个程序必需的标识符。它是由地址符后带若干位数字组成。地址符常见的有：“%”、“O”、“P”等。日本FANUC系统为“O”。后面所带的数字一般为48位。如：O2000(2) 程序体它表示数控加工要完成的全部动作，是整个程序的核心。它由许多程序段组成，每个程序段由一个或多个指令构成，程序段以“；”为结束符。(3)程序结束它是以程序结束指令M02或M30，结束整个程序的运行。3.6 F、S、T功能1、进给速度FF指令用于控制刀具的进给功能。F的单位取决于G94(每分钟进给量mm/min)或G95(每转进给量mm/r)。进给功能有两种：（1）快速移动当指定定位指令G00时，刀具以CNC设置的快速移动速度移动，与F无关。（2）切削速度刀具以程序中编制的切削进给速度F移动。F可通过下面公式(3-1)求得： (3-1)其中，Fz：每齿进给量 Z：齿数 N：主轴转速F指令是模态指令。当工作在G01、G02或G03方式下时，F将一直有效直到被新的F值所取代。借助操作面板上的倍率开关，F可在一定范围内进行倍率调节。而当执行攻丝循环G84、螺纹切削G33时倍率开关失效，进给倍率固定在100%。2、主轴功能S主轴功能S控制主轴转速。是由地址码S和在其后面的若干数字组成，单位为转/每分钟(r/min)；S是模态指令，S功能只有在主轴速度可调节时有效。主轴转速N可通过下面公式(3-2)求得： N=1000v/d (3-2) 其中，v：切削速度，单位mm/min。 d：刀具或工件直径，单位mm。（1）恒线速度控制（G96）当数控机床的主轴为伺服主轴时，可以通过指令G96来设定恒线速度控制。系统执行G96指令后，便认为用S指定的数值表示切削速度。例如G96 S200，表示切削速度为200m/min。（2）主轴转速控制（G97）G97是取消恒线速度控制指令。编程G97后，S指定的数值表示主轴每分钟的转速。例如G97 S1200，表示主轴转速为1200r/min。3、刀具功能TT代码用于选择刀具，其后的数值表示选择的刀具号。T代码与刀具的关系是由机床制造厂规定的。在加工中心上执行T指令时，刀库首先转动，选择所需的刀具，然后等待直到M06指令作用时自动完成换刀。T指令同时调入刀补寄存器中的刀补值（刀具半径补长和刀具长度补偿）。T指令为非模态指令，但被调用的刀补值一直有效到再次换刀调入新的刀补值。第4章 阶梯轴车削加工及数控车削机床仿真的研究本论文根据对轴和印章的加工来实现对阶梯轴加工方法的研究，两零件模型如下图4-1及4-2所示。本文针对阶梯轴加工的工艺特点，进行合理的加工方法的选择、刀具路径的优化、几何参数和刀具参数的选择，提高加工精度和切削效率，降低加工成本，以满足阶梯轴这一类型的结构件产品的加工需要。图4-1 阶梯轴图4-2 印章4.1 轴的加工车削过程研究本小节主要讲述了对阶梯轴加工的完整操作流程，对加工步骤作出详细介绍。1.引入零件及进入加工模块打开已经建立好的工件零件模型（图4-3）。图4-3 打开零件模型零件草图如图4-4。总长150mm，从左至右轴的径分别是R12.5，R25，R20，R12.5。图4-4 阶梯轴草图所以该工件的加工方式为车削，有粗车，精车，切槽，切削端面等加工工艺。点击“开始”，在“加工”栏选择Lathe machining如图 4-5所示。图4-5 选择车削加工模块2.零件定义操作在特征树中双击“Part Operation”，系统弹出如图4-6所示“Part Operation”对话框。图4-6 Part Operation界面对话框中各按钮的说明如下。l 按钮：用于选择数控机床和设置机床参数。l 按钮：设定加工坐标系。l 按钮：加入一个装配模型文件或一个加工目标模型文件。l 按钮：选择目标加工文件。l 按钮：选择毛坯零件。l 按钮：选择夹具。l 按钮：设定安全平面。l 按钮：选定5个平面定义一个整体的阻碍体。l 按钮：选定一个平面作为零件整体移动平面。l 按钮：选定一个平面作为零件整体旋转平面。选取已经建立的零件模型和毛坯，如图4-7图4-7 零件毛坯选择完成3.机床的设置 单击“Part Operation”对话框中的按钮，弹出对话框如图4-8所示图4-8 选择机床 单击其中的Horizontal Lathe Machine按钮，保持系统默认设置，然后确认，完成机床设置。4.定义坐标系单击定义坐标系，将坐标系原点放在轴线的一端（先加工R25，R20，R12.5mm这一端）并改名“xoy”。如图4-9。图4-9 设置坐标系5.设置换刀点在“Part Operation”里选择Position。更改“Tool Change Point”下的坐标。如图4-10图4-10 设置换刀点6.定义加工零件及毛坯零件首先单击图标，选择已做好的工件。在空白处双击鼠标结束定义。然后单击插入几何体。选择草图画出一个比工件轮廓大的长方形，使用旋转命令做出所需毛坯，命名为“rough”。之后单击图标，选择刚做好的毛坯，在空白处双击鼠标结束定义。7.阶梯轴的粗车加工将阶梯轴分为左右两部分分别加工，先对离坐标系远的部分加工。选择 插入Machining OperationsRough Turning，然后进入Rough Turning1界面，如图4-11。图4-11 粗车界面图4-11对话框中部分选项卡说明如下：l ：刀具路径参数选项卡。l ：几何参数选项卡。l ：刀具参数选项卡。l ：进给率选项卡。l ：进刀/退刀路径选项卡。1 刀具路径参数设置单击图标进行刀具路径参数设置，Roughing mode（粗加工模式）选择Longitudinal（纵向的），Orientation（方向）选择External（外部），Location选择Front。如图4-12。图4-12 刀具路径参数设置2 几何参数设置单击图标进行几何参数设置，Part offset（工件切削余量）设置为0.5mm。毛坯和零件轮廓选择如图4-13。图4-13 几何参数设置3 刀具参数设置单击图标进行刀具参数设置，刀具为T1 External Insert-Holder，默认参数，如图4-14。菱形刀片为Diamond Insert r 0.5，默认参数，如图4-15。图4-14 刀具参数 图4-15 刀片参数4 进给率设置在Spindle Speed下将Automatic compute from tooling Feeds and Speeds前的对勾去掉，Machining改为600turn_mn，如图4-16。4-16 进给率设置5 进行仿真模拟加工单击右下角图标，进入仿真界面，显示刀轨如图4-17。图4-17 粗车刀轨仿真完成后对工件进行检验，检查是否有过切和是否留有余量。如图4-18。图4-18 粗车余量分析8.阶梯轴的精车加工单击插入Machining OperationsProfile Finish Turning1 刀具路径参数刀具路径定义与粗车定义一致，Orientation选择External，Location选择Front。如图4-19图4-19 刀路参数设置2 几何参数几何参数选择阶梯轴的轮廓（如图4-20），所有余量均为零。图4-20 几何参数设置3 刀具参数刀具与粗车刀具一致，为T1 External Insert-Holder。4 进给率参数不变，只将Quality改为Finish即可。5 仿真加工模拟同样步骤对精车进行仿真模拟，刀轨如图4-21。因为定义没有留余量，所以轴表面大部分为没有余量的绿色，并且没有过切，符合要求。如图4-22。4-21 精车刀路图4-22 精车余量分析9.阶梯轴的切槽加工单击插入MachiningGroove Turning,先在R20和R12.5的轴上切槽，两个槽宽和深一致，所以只有几何参数选取不同，其余设置相同。1 刀具路径参数Orientation选择External，Machining direction选择To head stock。2 几何参数两个槽的几何参数分别为图4-23的、。 图4-23 切槽几何参数3 刀具参数刀具为T2 External Groove Insert-Holder（切槽刀），刀具（图4-24）参数为默认，刀片参数默认。图4-24 切槽刀4 进给率使用默认进给率。5 仿真加工模拟对两个槽进行仿真加工模拟，刀轨如图4-25。余量分析后两个槽均是没有与量的绿色并且没有过切，符合要求。如图4-26。图4-25 切槽刀轨图4-26 切槽余量分析10.切端面加工对轴前端多余的余量进行切端面加工，刀具仍然使用T1号刀。刀具路径参数设置如图4