CAM中的数控技术-数控车床改造

内容摘要尽管数控机床是开发实用 CAM 系统的关键所在，但本文描述的数控机床不能应用基于制造系统的计算机中。必须改进传统的数控机床及自动化机床，以使信息能在监控装置及以计算机就为主的控制系统中传输。这种改进导致了源于数控概念的三个主要发展、计算机管理数控、群集概念、新形式的适用控制。计算机管理数控是一个包括 DNC（直接数控）和 CNC(计算机数控)的一般性概念 DNC 和 CNC 是用来在控制性计算机和数控机床间分配编程和计算机职责的方式，两个系统都不改进数控机床控制之外的工艺数据和命令的通讯方法。群集概念基本上是对多种机床的计算机管理的延伸。一系列机床（如铣床钻床磨床等） ，通过送料系统连接起来。需要时，输料系统能自动向各个机床送料。这样两级监控就成为必要。单独的机床用计算机管理数控来控制，群集本身由协调许多群集的生产产量的中央计算机进行管理，其中的分级安排也是显而易见的。适应性数控系统是 CAM 环境中的一部分。中央计算机获得工艺过程信息以便检测出异常情况（如刀具破损） ，并加以纠正保护。另外，也可以把适应性反馈记录下来并加以分析以便实现某一操作的高效生产。可以从自动化和集成的角度看待在以计算机为机场的制造系统中数控机床的使用。四级制造自动化可被定义。独立的 NC 机床本身实现一个自动化操作循环。数控加工中心则使整个制造加工过程过程自动化。外控机床的群集则实现一个完全自动化的制造任务。最后，CAM 系统本身把所有的自动化制造工艺中的低层方法集成起来。CAM 系统的组成计算机付账制造系统的成功与否取决于在所有信息流动中起作用的硬件与软件的集成。CAM 硬件包括数控机床、检测设备，数字计算机和相关设备。CAM 软件是用来监测、处理、以及最终监控制造信息流和 CAM 硬件的计算机编程系统的相互联系的网络，在这里，软件部分在信息流方面受到检验。CAM 数据库基于制造系统的计算机不仅依靠实时信息，而且还要依靠存储信息，实时数据比如自动控制反馈的信息通常被立即处理，除非要求被储存，一般可以认为是瞬变的信息。存储数据向 CAM 系统提供所有必要的输入，以实现控制及分析功能，所有形式的存储数据都被保存在数据库中，计算机可以一极快的速度访问它们CAM 数据库的复杂度直接与系统要求的任务数成正比。理想的 CAM系统需要规模大而又极为复杂的数据库结构。CAM 系统表明，只有工程和制造功能受到系统的直接控制。各工程部门采用计算机辅助设计程序将工程色好几数据存入数据库。设计数据和外部提供的制造技术要求由生产制造工程用于编制数控程序和其它操作说明书。它们作为数控生产信息存储。关键词： 计算机辅助制造 数控程序 自动测试装置COMPUTER-AIDED MANUFACTURING1 A computer-aided manufacture (CAM) system oversees many aspects of manufacture by introducing a hierarchical computer structure to monitor and control various phases of the manufacturing process. Conventional and adaptive NC systems are the predecessors to larger CAM system. Where NC considers an information feedback loop concerned with a discrete process? CAM develops an integrated information network that monitors a broad spectrum of interrelated tasks and controls each based on an overall management strategy.2 Ideally, a CAM system should have three attributes applicable to each phase of the manufacturing process: although supervised, a minimum amount of human intervention should be required for individual process tasks; the system should be flexible and allow processes to be individually programmed; and the CAM system should be integrated, with both engineering design and analysis, using a computer-aided design (CAD) system. Various aspects of this ideal system have been successfully implemented, but much development work continues to be carried out.The CAM HIERARCHY1 A large scale CAM system contains a hierarchical structure of two or three levels of computers that are used to control and monitor individual process tasks, A small (mini-) computer is responsible for the management of a single process, with a larger computer monitoring and issuing instructions to a group of small computers. A centralized computer then feeds the system with processed information.2 A large scale CAM system encompasses three major areas related to the manufacturing process; production management and control; engineering analysis and design; and finance and marketing. Each is comprises of subtasks that are controlled either directly form a large computer (e.g , inventory control), or by a small computer, as in the case of inspection/quality control. Regardless of the control method, the important strength of CAM is that a two-way flow of information occurs.3 Because the CAM system oversees many aspects of the manufacturing process, change dictated by information monitored from one subtask can be translated into control data for some other subtask. For example, in the manufacturing task, machining, inspection, and assembly are all under computer control. When the computer recognizes that a component is continually out of tolerance control. When the computer recognizes that a component is continually out of tolerance (base on information feedback from automated testing equipment). It can be programmed to effect a change in the actual machining process to compensate for the error. Since both subtasks become part of the same information loop, a feedback control system including machining and inspection is established.NC in Computer-Aided Manufacturing1 Although numerically controlled machine tools are essential for the development of operational CAM systems, those described in this text cannot be used in a computer based manufacturing system. Conventional NC and AC machines computer must be modified so that information may be passed between the MCU and a computer based control system. This modification has resulted in three major developments derived from the NC concept: computer managed numerical control, the cluster concept, and new forms of adaptive control.Key words：Computer-Aided Manufacturing; C omputer managed numerical control; Automated testing equipment绪 论数控机床作为机电一体化的典型产品,在机械制造业中发挥着巨大的作用,很好的解决了现代机械制造中结构复杂，精密，批零小，多变零件的加工问题，且能稳定产品的加工质量，大幅度提高了生产效率。但从目前企业面临的情况来说，因数控机床价格较贵，一次性投资较大是企业心有余而力不足。我国作为机床大国，对普通机床数控改造不失为一种较好的良策。本毕业设计针对目前的国内企业的现状，提出了简易型经济数控改造的思路和设计方法，以及改造后的性能。一、 观看数控改造的必要性微观上看，数控机床比传统机床有以下突出的优越性，而且这些优越性均来自数控系统所包含的计算机的威力 ，以及新的改造方案的零件的配置。可以加工出传统机床加工不出来的曲线，曲面等复杂的零件。由于计算机有高超的运算能力，可以瞬时准确地计算出每个坐标轴瞬时应该运动的运动量，因此可以复合成复杂的曲面或曲线。可以实现加工的自动化，而且是柔性自动化，从而效率可比传统机床提高37倍。由于计算机有记忆和存储能力，可以将输入的程序记住和存储下来，然后按程序规定的顺序自动去执行，从而实现自动化。数控机床只要更换一个程序，就可实现另一工件加工的自动化，从而使单件和小批生产得以自动化，故被称为实现了“柔性自动化” 。加工零件的精度高，尺寸分散度小，使装配容易，不再需要“修配” 。可实现多工序的集中，减少零件 在机床间的频繁搬运。拥有自动报警、自动监控、自动补偿等多种自律功能，因而可实现长时间无人看管加工。 由以上五条派生的好处。如：降低了工人的劳动强度，节省了劳动力（一个人可以看管多台机床），减少了工装，缩短了新产品试制周期和生产周期，可对市场需求做出快速反应等等。以上这些优越性是前人想象不到的，是一个极为重大的突破。此外，机床数控化还是推行FMC（柔性制造单元）、FMS（柔性制造系统）以及CIMS（计算机集成制造系统）等企业信息化改造的基础。数控技术已经成为制造业自动化的核心技术和基础技术。二、 宏观看改造的必要性宏观上看，工业发达国家的军、民机械工业，在70年代末、80年代初已开始大规模应用数控机床。其本质是，采用信息技术对传统产业（包括军、民机械工业）进行技术改造。除在制造过程中采用数控机床、FMC、FMS外，还包括在产品开发中推行CAD、CAE、CAM、虚拟制造以及在生产管理中推行MIS（管理信息系统）、CIMS等等。以及在其生产的产品中增加信息技术，包括人工智能等的含量。由于采用信息技术对国外军、民机械工业进行深入改造（称之为信息化），最终使得他们的产品在国际军品和民品的市场上竞争力大为增强。而我们在信息技术改造传统产业方面比发达国家约落后20年。如我国机床拥有量中，数控机床的比重（数控化率）到1995年只有1.9，而日本在1994年已达20.8，因此每年都有大量机电产品进口。这也就从宏观上说明了机床数控化改造的必要性。三、数控化改造的内容机床与生产线的数控化改造主要内容有以下几点：其一是恢复原功能，对机床、生产线存在的故障部分进行诊断并恢复；其二是NC化，在普通机床上加数显装置，或加数控系统，改造成NC机床、CNC机床；其三是翻新，为提高精度、效率和自动化程度，对机械、电气部分进行翻新，对机械部分重新装配加工，恢复原精度；对其不满足生产要求的CNC系统以最新CNC进行更新；其四是技术更新或技术创新，为提高性能或档次，或为了使用新工艺、新技术，在原有基础上进行较大规模的技术更新或技术创新，较大幅度地提高水平和档次的更新改造。四、数控化改造的优缺点1、 减少投资额、交货期短同购置新机床相比，一般可以节省6080的费用，改造费用低。特别是大型、特殊机床尤其明显。一般大型机床改造，只花新机床购置费用的1/3，交货期短。但有些特殊情况，如高速主轴、托盘自动交换装置的制作与安装过于费工、费钱，往往改造成本提高23倍，与购置新机床相比，只能节省投资50左右。2、 机械性能稳定可靠，结构受限所利用的床身、立柱等基础件都是重而坚固的铸造构件，而不是那种焊接构件，改造后的机床性能高、质量好，可以作为新设备继续使用多年。但是受到原来机械结构的限制，不宜做突破性的改造。3、 熟悉了解设备、便于操作维修购买新设备时，不了解新设备是否能满足其加工要求。改造则不然，可以精确地计算出机床的加工能力；另外，由于多年使用，操作者对机床的特性早已了解，在操作使用和维修方面培训时间短，见效快。改造的机床一经安装好，就可以实现全负荷运转。4、 可充分利用现有的条件可以充分利用现有地基，不必像购入新设备时那样需重新构筑地基。5、 可以采用最新的控制技术可根据技术革新的发展速度，及时地提高生产设备的自动化水平和效率，提高设备质量和档次，将旧机床改成当今水平的机床。五、数控系统的选择 数控系统主要有三种类型，改造时，应根据具体情况进行选择。1、 步进电机拖动的开环系统 该系统的伺服驱动装置主要是步进电机、功率步进电机、电液脉冲马达等。由数控系统送出的进给指令脉冲，经驱动电路控制和功率放大后，使步进电机转动，通过齿轮副与滚珠丝杠副驱动执行部件。只要控制指令脉冲的数量、频率以及通电顺序，便可控制执行部件运动的位移量、速度和运动方向。这种系统不需要将所测得的实际位置和速度反馈到输入端，故称之为开环系统，该系统的位移精度主要决定于步进电机的角位移精度，齿轮丝杠等传动元件的节距精度，所以系统的位移精度较低。该系统结构简单，调试维修方便，工作可靠，成本低，易改装成功。2、 异步电动机或直流电机拖动，光栅测量反馈的闭环数控系统该系统与开环系统的区别是：由光栅、感应同步器等位置检测装置测得的实际位置反馈信号，随时与给定值进行比较，将两者的差值放大和变换，驱动执行机构，以给定的速度向着消除偏差的方向运动，直到给定位置与反馈的实际位置的差值等于零为止。闭环进给系统在结构上比开环进给系统复杂，成本也高，对环境室温要求严。设计和调试都比开环系统难。但是可以获得比开环进给系统更高的精度，更快的速度，驱动功率更大的特性指标。可根据产品技术要求，决定是否采用这种系统。3、 交/直流伺服电机拖动，编码器反馈的半闭环数控系统半闭环系统检测元件安装在中间传动件上，间接测量执行部件的位置。它只能补偿系统环路内部部分元件的误差，因此，它的精度比闭环系统的精度低，但是它的结构与调试都较闭环系统简单。在将角位移检测元件与速度检测元件和伺服电机做成一个整体时则无需考虑位置检测装置的安装问题。当前生产数控系统的公司厂家比较多，国外著名公司的如德国SIEMENS公司、日本FANUC公司；国内公司如中国珠峰公司、北京航天机床数控系统集团公司、华中数控公司和沈阳高档数控国家工程研究中心。选择数控系统时主要是根据数控改造后机床要达到的各种精度、驱动电机的功率和用户的要求。六、数控改造中主要机械部件改装探讨一台新的数控机床，在设计上要达到：有高的静动态刚度；运动副之间的摩擦系数小，传动无间隙；功率大；便于操作和维修。机床数控改造时应尽量达到上述要求。不能认为将数控装置与普通机床连接在一起就达到了数控机床的要求，还应对主要部件进行相应的改造使其达到一定的设计要求，才能获得预期的改造目的。1、 滑动导轨副对数控车床来说，导轨除应具有普通车床导向精度和工艺性外，还要有良好的耐摩擦、磨损特性，并减少因摩擦阻力而致死区。同时要有足够的刚度，以减少导轨变形对加工精度的影响，要有合理的导轨防护和润滑。2、 齿轮副一般机床的齿轮主要集中在主轴箱和变速箱中。为了保证传动精度，数控机床上使用的齿轮精度等级都比普通机床高。在结构上要能达到无间隙传动，因而改造时，机床主要齿轮必须满足数控机床的要求，以保证机床加工精度。3、 滑动丝杠与滚珠丝杠丝杠传动直接关系到传动链精度。丝杠的选用主要取决于加工件的精度要求和拖动扭矩要求。被加工件精度要求不高时可采用滑动丝杠，但应检查原丝杠磨损情况，如螺距误差及螺距累计误差以及相配螺母间隙。一般情况滑动丝杠应不低于6级，螺母间隙过大则更换螺母。采用滑动丝杠相对滚珠丝杠价格较低，但难以满足精度较高的零件加工。4、 滚珠丝杠摩擦损失小，效率高，其传动效率可在90%以上；精度高，寿命长；启动力矩和运动时力矩相接近，可以降低电机启动力矩。因此可满足较高精度零件加工要求。 5、 安全防护改造效果必须以安全为前提。在机床改造中要根据实际情况采取相应的措施，切不可忽视。滚珠丝杠副是精密元件，工作时要严防灰尘特别是切屑及硬砂粒进入滚道。在纵向丝杠上也可加整体铁板防护罩。大拖板与滑动导轨接触的两端面要密封好，绝对防止硬质颗粒状的异物进入滑动面损伤导轨。设计项目及内容 主要结果设计项目及内容 主要结果第 1 章 设计目的、要求.设计目的毕业设计是教学中最后一个教学环节。是在学完技术基础专业课之后进行的。是运用和巩固所学理论知识；掌握设计方法、设计步骤，设计的基本原则，培养设计能力；培养工程技术人员理论联系实际、解决生产实际问题综合能力的重要环节。.设计的内容及要求在全面了解一台数控设备的使用和设计过程的基础上，完成以下内容：一、机床总体方案的设计二、进给伺服系统机械部分设计1、确定脉冲当量2、滚珠丝杠螺母副的设计计算3、滚动导轨的计算和选型4、进给伺服系统传动计算5、步进电机的计算和选用6、设计绘制进给伺服系统一个坐标轴的机械装配图三、绘制所设计的机构的零件图和装配图设计项目及内容 主要结果四、完成相关英文的翻译工作.设计的工作量一、图纸部分1、数控机床改造传动系统图一张； 2、改造后的整体布置图一张；3、纵向进给系统改造装配图一张；4、横向进给系统改造装配图一张；5、四方电动刀架装配图一张；6、零件图若干张二、说明书部分说明书是整个设计计算过程的叙述说明，应包括以下内容；1、数控系统总体方案的分析及控制总装图2、机械部分设计计算、结构设计及说明说明书应不少于 1 万字.设计题目.进给伺服系统机械部分设计题目将 C620 普通车床改造成 MCS-51 系列单片机控制的经济型数控车床，采用步进电机开环控制，纵向和横向均具有直线和圆弧插补功能。要求该机床有自动回转刀架，具有切削螺纹的功能。要求计算和设计一个坐标系统的进给伺服机构。设计项目及内容 主要结果题目：C620 普通车床微机数控化改装设计设计参数如下： 规格（型号） 400加工最大直径（mm）：在床面上 400在床鞍上 210加工最大长度 750/1000（mm）溜扳及刀架重力 （N）纵向 600横向 400刀架快移速度（m/min）纵向 2.5横向 1.4最大进给速度（m/min）纵向 0.5横向 0.2定向精度 0.015（mm）主电机功率 4.5kw起动加速时间 30（ms）设计项目及内容 主要结果第 2 章 总体方案的设计采用经济型数控对机床的纵、横向进行开环控制，纵向脉冲当量 0.01mm/脉冲，驱动元件采用步进电动机，传动系统经一级或二级齿轮降速后带动滚珠丝杠传动，从而实现纵向横向自动进给运动，刀架采用自动转化刀架。 2.1 零件工艺分析及确定工艺路线选择适合数控加工的零件和合理的加工工艺是提高数控加工技术经济效果的首要因素。只有那些属于小批量重复生产、表面复杂、在普通机床上加工需要频繁测量或需要精密钻镗夹具的零件才是数控加工的对象。目前，在一般工厂中，数控机床的数量尚不够多。因此多数情况下，一些零件的粗加工由普通机床承担，而对一些重要成形表面或精密尺寸的加工，由数控机床承担。有些零件有时全部加工过程由数控机床完成，例如轴类和盘类零件的车削加工全由数控机床完成。这时数控加工过程往往也是划分成若干个工序，即按照粗、半精、精加工分开的原则，或根据不同的安装来划分。因此在数控机床上加工零件编程前，应先根据零件图对零件进行全面分析，弄清零件的结构形状、尺寸和技术要求，在此基础上确定零件加工的工艺过程和工艺路线。制定零件工艺过程，首先应确定哪些表面需要采用数控设计项目及内容 主要结果机床加工，哪些表面是在普通机床上加工。整个零件加工工艺过程都要经过哪些工序，需要采用何种类型的机床将零件加工成形。零件加工的工艺路线是指数控机床切削加工过程中，刀具的运动轨迹和运动方向。我们所选的工艺路线应能保证零件的加工精度与零件表面的粗糙度要求。为提高生产率，在确定工艺路线时应尽量缩短加工路线，减少刀具空行程移动时间，为了减小编程工作量，还应使数值计算简单，程序段数量少，程序短。在数控车床上加工内外圆柱面、切槽、倒角、车端面和各种螺纹时，视加工精度不同粗车半精车精车螺纹的工艺路线进行。应注意的是，有同轴度要求的内、外圆柱面或端面与外圆、内孔有垂直度要求时，均应尽量在一次装夹中完成。在配有 KND100T 型微机数控装置的数控车床上加工零件1、 KND100T 型数控系统的程序说明1） 概述 能两坐标（x.z ）联动，具有直线和圆弧插补方式； 绝对值编程和增量值编程可以任意用，在统一程序段中可以单独使用，也可以混合使用； 与主轴脉冲发生器配套，可切削 12mm 以内的各种螺纹；设计项目及内容 主要结果与主轴速度变换装置配套，能自动转换主轴转速 16级；与刀架自动换位装置配套，能自动转换刀位；具有坐标的修正补偿功能，例如刀具补偿和间隙补偿；还具有 16 级运行速度供调用，在高速三级有自动升降速功能；以及显示程序段号和切削长度，自诊断功能等等。2）编码 本系统用到如下数字、字母和符号。数字：0，1，2，3，4，5，6，7，8，9；字母：F，G，I ，K，M，N，S ， T，U，W，X，Y，Z；符号：/，+，-，LF。3）程序段格式的缩写形式N3G2X（U）52Z（W）52142K42F4S2M21LFI 和 K 给出圆弧圆心相对圆弧起点的坐标增量。X、U 按直径编程而 I 按半径编程。在具有 KND100T 系统的经济型数控车床上加工图 2-1所示的主轴零件。该机床最大加工直径 400，最大加工长度 1000。刀具功能字 T 后跟两位数字，第一位数字表示刀具编号，第二位数字表示刀具补偿拨码开关组号。 表示取消刀具XOT补偿。本系统只能实现刀具长度补偿。设计项目及内容 主要结果主轴转速功能后跟两位数字，两位数字与主轴转速的对应关系如表 2-1 所示。表 2-1 车床主轴转速表代码 主轴转速（r/min） 代码 主轴转速（r/min）S11S12S13S14S15S16S17S183240506380100125160S21S22S23S24S25S26S27S282002503154005006308001000该机床进给速度 F 指令后跟四位数字，小数点前后各两位，单位为 mm/r；范围为 0.0120.47mm/r。加工的主轴零件材料为 45 刚粗加工后，经调质处理HB220248，表面粗糙度和尺寸精度见图 2-1。设计项目及内容 主要结果图 2-1 主轴加工尺寸其中 100mm 和 90mm 的轴颈要经过精加工，留磨量为 0.3mm，其余加工至尺寸。若毛坯已在普通车床上粗加工锥度为 4的面在普通车床上加工出的 70mm 圆柱。宽10mm 的槽以及圆弧、倒角、螺纹等留待数控车床加工。其余没有热处理要求部分，留给数控车削的加工余量为 1mm。根据主轴零件图确定按先主后次及先半精加工，后精加工的原则，其工艺路线为：先切削外轮廓面自右向左加工，其路线为：先倒角切削螺纹外圆切削锥度部分各圆柱端面、过渡圆弧、圆柱表面、倒角等。再切槽，最后切螺纹。装夹和定位方法如图 2-1 所示，选择四种刀具，T1 半精车外圆车刀，T2 为切槽刀，T3 为精车外圆车刀， T4 为螺纹车刀，其安装尺寸如图 2-1 中刀架所示。工件一端用三爪自动定心卡盘夹紧另一端用顶尖支承。设计项目及内容 主要结果2.2 选择数控机床设备根据加工零件的几何形状、尺寸加工精度和表面粗糙度，在选择数控车床时，应注意以下几点：1、所选用的数控机床应能满足零件的加工精度要求。2、所选用的数控机床的数控系统应能满足加工的要求。3、所选用的数控机床的加工范围应能满足零件的要求。4、所选数控机床的回转刀架或刀库的容量应足够大，刀具数量能满足加工的要求。 2.3 确定装夹方法及对刀点当确定了在某台数控机床上加工某个零件以后，就应根据零件图纸确定零件在机床上装夹定位方法。数控机床所选用夹具，应尽量采用已有的通用夹具，必要时设计专用夹具。装夹零件要迅速方便，多采用气动、液压夹具以减少数控机床停机时间。数控机床对夹具提出两方面的要求：一方面是如何保证夹具在机床上定好方向，另一方面要协调零件和机床坐标系的尺寸关系。为了确定夹具在机床上工作台的位置，以及零件在夹具上或机床上的位置，就要选出合理的定位基准。定位基准应尽量与设计基准一致，以减少定位误差对尺寸精度的影响。对刀点是指在数控机床上用刀具加工零件时，刀具相对零件运动的起始点，程序就是从这一点开始的，所以对刀点也可以叫做“程序原点” 。可以选择零件上的某一点作为对刀设计项目及内容 主要结果点，也可以选择零件外（如夹具体上或机床上）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尺寸关系，这样才能确定机床坐标系与零件坐标系之间的关系。对刀点应选择在对刀方便的地方。在采用相对坐标系的数控机床中，对刀点可选在零件孔的中心上，夹具上的专用对刀孔上或两垂直平面的交线上。在采用绝对坐标系的数控机床中，对刀点可选在机床坐标系的原点上或距原点为确定值得点上。对于具有机床坐标原点的数控机床，当采用绝对坐标编程时，第一个程序段的指令就是设定对刀点坐标指令，用以规定对刀点在机床坐标系中的坐标值；当采用相对坐标系编程时，第一个程序指令则是对刀点距离零件坐标原点距离的指令，用以确定对刀点与零件坐标系相对位置关系。对刀点不仅是程序的起点，而且往往又是程序的终点，成批生产时，每加工完一个工件后，刀具总是要返回对刀点，以便准备加工下一个工件。 2.4 选择刀具数控机床所选择的刀具应满足安装调整方便，刚性好、精度高、耐用度高。与普通车床相比，数控加工对刀具的选择要求严格的多，它常常是专用的。编程时必须预先规定好刀具的结构尺寸和调整尺寸，尤其是自动换刀数控机床，在刀具安装到机床上设计项目及内容 主要结果之前，应根据编程时确定的参数，在机床外的预调整装置中调整到所需尺寸。对于一般的经济型数控车床，现在大多数均配有四刀自动转位刀架，则各种车刀在刀架上的布置亦有严格的要求，应按加工程序，选择好所需刀具，画出刀具布置图。如图 2-1 所示。 2.5 确定切削用量 数控加工中切削用量应根据加工技术要求、刀具耐用度、切削条件等加以确定。采用查表法，在缺乏数控加工用量表格的情况下，亦可参照普通加工切削用量表格确定，所确定的切削用量应是本机床具有的数值。2.5.1 走刀量 s 与切削深度 t由于在普通车床上粗加工后主轴各部分除 4锥度处为70 外，其他各段尺寸方向均留有 1 的余量。mm第一次半精车：除 4锥度每次切削深度为 1 。 （精加工留量为 0.30 ） ，其他各表面切削深度为 0.4 。走刀量 s =0.1 /r。2.5.2 主轴转速 nn (半精车 ) Dv10D工件最大直径（ ）m由精加工材料为 45 刚，HB=220248，使用硬质合金车刀，查 P15 表 2-1 可知切削速度， ，in90vmin9.238rmin6.298r设计项目及内容 主要结果min9.238154.3010rDvn由于该表是在 ， 下使用硬质合金加s/t工相当于 45 刚的 ，当 t 或 s 变化后，v 要修正。iv按 P15 表 2-3 可知半精车 ， ，因此对 n rs3.0t1应乘以修正系数 K=1.25，则：n（半精车）=238.9 1.5=298.6r/min考虑到刀具的耐用度，按这台数控机床的主轴转速上表，实际选出代码 ,主轴转速 n=250r/min。2S精车时，由于 ， rms1.0mt3.025.则主轴转速 n 应按 P15 表 2-3 分别乘以切削深度 t 的修正系数 K1 ，K2=1.5。84. in4.69则 5.193r考虑到刀具的耐用度，实际转速应选的较计算的低一些，按这台数控机床的主轴转速上表，实际选出代码 S26 ，主轴转速 。min630r车螺纹时，主轴转速为 。走刀路线为自右向in40r左加工，其中螺纹部分采用多次走刀，每次进给深度为 0.25，接近成形时的进给深度为 0.125 。mm锥度切削也为多次走刀，每次切削深度为 1 。精加工留余量为 0.30 （直径方向） 。m设计项目及内容 主要结果在锥度切削中，要算出每进刀 1 时的 Z 向距离。在m螺纹切削中，要算出 X 坐标的最终尺寸、 Z 坐标的引入距离和导出距离。图 2-2 位锥度切削进刀量计算图。当 X 向进刀量为 X时，与切出锥度为 的锥体，则其 Z 向距离 Z 为：tgXZ当 ， 时43,2114.306，28.61，42.92。由于用普通车床将锥体切至 70 ,同时在车 M48 外圆m时已车至 Z=450 处，再考虑 2 的引入距离，因此刀具m初始位置 Z=452 ， X=70 。计算刀具最终位置时，应根据锥度切削固定循环指令要求，计算出 X 向 和 Z 向的尺寸,并保证锥度要求。对于图 2-10 所时的情形，应算出 B 的尺寸。)(2tglAB半精加工时，考虑精加工余量为：0.30 ，m， ， ，则 。m60.8l154B92.53精加工时 ， 。A32.螺纹切削部分的引入距离和导出距离分别取 8 和 2。M48 、t=5 的螺纹，其螺纹深度为 3.25 ，因此mX 坐标的最终尺寸为 X=41.50 。m设计项目及内容 主要结果68.6 53.2=4X Z70105X100图 2-2 锥度切削进刀量计算2.6 编制加工程序例：该零件为国家职业技能数控车床中级工要求图纸， 其中材料为 45 钢，毛坯为&Phi。120mm，下面的编写的数控编程在北京凯恩帝数控车床（KND100T）中加工， 所用的刀具为 1#刀：外园车刀、2#刀：切槽车刀(3mm 刀宽)、3#刀：螺纹车刀。编写零件的加工程序如下所示。设计项目及内容 主要结果分析：其中材料为 45 钢，毛坯为 40120mm，下面的编写的数控编程在北京凯恩帝数控车床（KND100T）中加工， 所用的刀具为 1#刀：外圆车刀、2#刀：切槽车刀(3mm 刀宽)、3#刀：螺纹车刀。下面编写的加工程序：先加工零件左端边表面 O1234 M03 S650 T0101 /外圆车刀 G0 X40 Z5 G71 U0.75 R2 G71 P10 Q20 U0.5 F120 N10 G0 X0 S1200 G1 Z0 F80 G3 X30 Z-15 R15 设计项目及内容 主要结果G1 Z-46 X32 X34 Z-47 Z-51 X36 X38 Z-52 N20 Z-63 G70 P10 Q20 G0 X100 Z100 T0202 G0 X35 Z-29 S500 G1 X26 F40 X35 F100 W1 X26 F40 X35 F100 Z-29 X26 F40 X35 F100 W1 X26 F40 X35 F100 G0 X100 Z100 T0200 设计项目及内容 主要结果M30 加工零件右端边表面 O2345 M03 S650 T0101 G0 X40 Z5 G71 U0.75 R2 G71 P10 Q20 U0.5 F120 N10 G0 X16 S1200 G1 Z0 F80 G1 X19.75 Z-2 Z-24 X24 Z-34.74 G2 X31 Z-44.37 R15 N20 G3 X38 Z-54 R15 G70 P10 Q20 G0 X100 Z100 T0202 / 3mm 的切槽车刀 G0 X35 Z-14 S600 G1 X16 F40 X35 F100 W1 X16 F40 X35 F100 设计项目及内容 主要结果G0 X100 Z100 T0303 /螺纹车刀 G0 X30 Z5 S600 G92 X19.4 Z-24 F2.5 X19 X18.5 X18 X17.5 X17 X16.8 X16.75 G0 X100 Z100 T0300 M30第 3 章 数控系统总体方案设计的拟定 3.1 设计任务题目：C620 普通车床改造成经济行数控车床3.1.1 将 C620 普通车床改造成用 MCS-51 系列单片机控制型数控车床。要求该车床由自动回转刀架，具有切削设计项目及内容 主要结果螺纹的功能。在纵向和横向具有直线和圆弧插补功能。系统分辩率纵向：0.01mm,横向：0.005mm。设计参数如下：最大加工直径：在床面上 400mm在床鞍上 210mm最大加工长度 1000mm快速进给纵向 2.4m/min横向 1.2m/min最大切削进给速度纵向 0.5m/min横向 0.25m/min代码制 I S O脉冲分配方式 逐点比较法输入方式 增量值、绝对值通用控制坐标系 2最小指令值纵向 0.01mm/脉冲横向 0.005mm/脉冲刀具补偿量 099.99mm 进给传动链间隙补偿量纵向 0.015mm 横向 0.075mm设计项目及内容 主要结果自动升降速性能 有 3.2 总体方案确定（1）系统的运动方式与伺服系统的选择由于改造后的经济型数控车床应具有定位、直线插补、暂停、循环加工、公英制螺纹加工等功能，故应选择连续控制系统。考虑到属于经济型数控机床加工精度要求不高，为了简化结构、降低成本，采用步进电机开环控制系统。（2）计算机系统根据机床要求，采用 8 位微机。由于 MCS-51 系列单片机具有集成度高、可靠性好、功能强、速度快、抗干扰能力强，具有很高的性能价格比等特点，决定采用 MCS-51 系列的 8031 单片机扩展系统。（3）机械传动方式为实现机床所要求的分辩率，采用步进电机经齿轮减速器再传到丝杠，为保证一定传动精度和平稳性，尽量减少摩擦力，选用滚珠丝杠螺母副。同时，为提高传动刚度和消除间隙，采用有顶加负荷的结构。齿轮传动也采用消除齿侧间隙的结构。系统总体方案框图见图 3-1。设计项目及内容 主要结果3-1 经济型数控车床总体方案框图 3.3 经济型数控系统的选择目前，国内生产的经济型数控系统有很多种类型。经济型数控系统主要包括数控装置、坐标轴驱动（或伺服）系统、主轴驱动系统、刀架及辅助功能的强电控制与驱动系统、接口等。经济型数控装置有步进电机的开环数控装置、直流电机驱动的半闭环数控装置和点位式经济型数控装置三种。对于数控车床的改造一般选用步进电机驱动开环数控装置。选择时主要考虑以下性能：CPU 类型、用户容量、控制轴或联动轴数、设定单位、插补类型、编程尺寸机编程标准，G、S、M、T、 F 等功能、刀补功能、间隙补偿功能及循环功能、显示方式及显示信息的形式。绝对编程、增量编程、程序输入方式以及报警、诊断等。根据需要选择相应的性能。步进电机驱动单元的性能参数：步进电机性能参数及安装尺设计项目及内容 主要结果寸，控制箱与电机的接线型式。系统的快速进给速度、空载起动频率，静态转矩，系统升频降频时间，起动矩频特性、起动惯频特性、运行矩频特性。驱动电路的型式：高低压驱动电路、斩波驱动电路、调频调压驱动电路、细分驱动电路、电流检测型功率放大电路等。不同的电路型式、其工作性能不同，根据加工需要合理选择。刀架控制与驱动系统主要考虑刀架型式，如四位或八位电动刀架，或转塔六位刀架。定位精度及重复定位精度，换刀时间、刀具选择时刀架的转向、夹紧力。刀杆尺寸及装夹刀具结构型式等性能参数。强电接口及弱电接口、主要根据工作需要选择。如工件自动夹紧。加工螺纹时，主轴的脉冲编码器与数控装置的接线。程序输入接口等。国内生产的经济型数控系统的类型有：BCK21T、 BKC2005、GWK 1A/、JWK20T、BKC28A、GSK928 、23851T 等系列产品。广泛应用在数控改装及老产品改型车床中。在选择时，除性能参数外，还要考虑其外型，安装形式等因素。结合设计计算选择合适的经济型数控系统。我们用的是经济型 100 系列 KND100T 车床数控系统，其主要参数如下：设计项目及内容 主要结果KND100T 数控系统的性能指标控制轴数2 轴(X、Z)联动 编程 编辑：插入/修改/删除/检索 最小设定 0.001mm(1) 绝对/增量编程，小数点编程最大行程+-9999.999mm X 轴直径/半径编程最快速度24000mm/min进给速度1-15000mm/min 双重子程序调用(四重)显示界面5.7LCD 液晶显示 (中文菜单) 控制与操作位置显示绝对/相对/综合 螺距误差补偿操作方式编辑/自动/录入/单步/手动/手轮 刀具偏置诊断信息DI/DO/驱动/系统 切削倍率(0-150% ，10%一档)报警信息系统/编程/驱动/机床侧 刀补直接测量输入/计数方式输入速度显示编程/倍率/实际 工件坐标系平移程序容量 共 8 个 120m，每次用 120m 多种宏变量引用参数显示/刀具设计项目及内容 主要结果补偿量显示快速倍率(FO，25%，50%，100%)索引 操作/G 代码/宏指令/报警一览表 互锁、倒角图形 程序预演/刀具轨迹显示 试运行、单段，MDI 方式运行，手动进给系统简介 ：KND100T 是集数十年数控系统开发、生产、服务的丰富经验，针对中国国情开发的高性能经济型车床数控系统。本系统采用高性能的 16 位 80186CPU 处理芯片，及大规模可编程门阵列技术，具有很高的可靠性。系统采用液晶显示、2 轴联动，内含 PMC，可控制主轴、冷却、润滑等。此外，针对步进电机开发的一些特殊机能，既最大限度地发挥了步进机各种特性，又弥补了步进机的许多弱点，使得配套机床的精度、成品合格率及加工效率得以明显提高，并扩大了机床可加工零件的范围。主要特点： 1. 高分辨率 0.001 ，最大输出频率为 512KPS。m2. 螺距误差补偿，用户宏程序，图形显示。3. 任意螺距丝杠直联任意步距角电机。4. 失步消除，自动限速。 设计项目及内容 主要结果KND100T 数控系统的功能代码（见下表）代码功能G00 快速定位 单步/手摇盘进给，自动运行G01 直线插补G02/G03 多象限圆弧插补 I，K 或 R 编程 复位G04 暂停，准停 机床锁住，进给保持，任选程序段跳过G27/G28/G29 自动返回参考点 机床接口： DI=24+8 点，DO=24点G32 螺纹切削 直/锥/端面螺纹G50 绝对零点编程/主轴最大转速设定 4 位直接指定/齿轮 8 档自动或手动切换G65 宏指令算术/逻辑/函数运算，转跳指令G70 精加工循环(G70-G76 为复合型)G71 外圆粗车循环 RS-232-C 接口：程序及数据传送G72 端面粗车循环 支持及配件 可配各种步进电机驱动器及全数字伺服G73 封闭切削循环 位置编码器G74 端面深孔加工循G75 外圆/内圆