数控技术实验报告.doc

一、 数控机床数控机床是数字控制机床（Computer numerical control machine tools）的简称，是一种装有程序控制系统的自动化机床。该控制系统能够逻辑地处理具有控制编码或其他符号指令规定的程序，并将其译码，用代码化的数字表示，通过信息载体输入数控装置。经运算处理由数控装置发出各种控制信号，控制机床的动作，按图纸要求的形状和尺寸，自动地将零件加工出来。数控机床的特点数控机床的操作和监控全部在这个数控单元中完成，它是数控机床的大脑。与普通机床相比，数控机床有如下特点： 对加工对象的适应性强，适应模具等产品单件生产的特点，为模具的制造提供了合适的加工方法； 加工精度高，具有稳定的加工质量； 可进行多坐标的联动，能加工形状复杂的零件； 加工零件改变时，一般只需要更改数控程序，可节省生产准备时间； 机床本身精度高、刚性大，可选择有利的加工用量，生产率高（一般为普通机床的35倍）； 机床自动化程度高，可以减轻劳动强度； 有利于生产管理的现代化 数控机床使用数字信息与标准代码处理、传递信息，使用了计算机控制方法，为计算机辅助设计、制造及管理一体化奠定了基础； 对操作人员的素质要求较高，对维修人员的技术要求更高； 可靠性高。 数控机床的构造数控机床一般由输入介质、人机交互设备、计算机数控装置、进给伺服驱动系统、主轴伺服驱动系统、辅助控制装置、反馈装置和适应控制装置等部分组成。在数控加工中，数控铣削加工最为复杂，需解决的问题也最多。除数控铣削加工之外的数控线切割、数控电火花成型、数控车削、数控磨削等的数控编程各有其特点，伺服系统的作用是把来自数控装置的脉冲信 号转换成机床移动部件的运动。具体有以下部分构成：数控机床的构造 二、 数控机床的现状和发展数控机床是由美国发明家约翰帕森斯上个世纪发明的。随着电子信息技术的发展，世界机床业已进入了以数字化制造技术为核心的机电一体化时代，其中数控机床就是代表产品之一。数控机床是制造业的加工母机和国民经济的重要基础。它为国民经济各个部门提供装备和手段，具有无限放大的经济与社会效应。目前，欧、美、日等工业化国家已先后完成了数控机床产业化进程，而中国从20世纪80年代开始起步，仍处于发展阶段。我国数控机床的发展现状 机床产业是国民经济发展的基础，装备制造业发展的重中之重。国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006-2020年）将“高档数控机床与基础制造装备”确定为16个科技重大专项之一。通过国家相关计划的支持，我国在数控机床关键技术研究方面有了较大突破，创造了一批具有自主知识产权的研究成果和核心技术。主要体现在以下几个方面： （1）中高档数控机床的开发取得了较大进展，在五轴联动、复合加工、数字化设计以及高速加工等一批关键技术上取得了突破，自主开发了包括大型、五轴联动数控加工机床，精密及超精密数控机床以及一大批专门化高性能机床，并形成了一批中档数控机床产业化基地。 （2）关键功能部件的技术水平、制造质量逐年稳步提高，功能逐步完善，部分性能指标接近国际先进水平，形成了一批具有自主知识产权的功能部件。开发出了高速主轴单元、高速滚珠丝杠、重载直线导轨、高速导轨防护装置、直线电机、数控转台、刀库与机械手、A/C轴数控铣头、高速工具系统、数字化量仪等高性能功能部件样机，其中有的品种已实现小批量生产。 （3）中高档数控系统开发研究与应用取得一定成果。通过自主研发或与国外开展技术合作，在中档数控系统的开发和生产上取得明显进展。初步解决了多坐标联动、远程数据传输等技术难题；为适应数控系统的配套要求，相继开发出交流伺服驱动系统和主轴交流伺服控制系统，并形成了系列化产品美国的数控发展史美国政府重视机床工业，美国国防部等部门因其军事方面的需求而不断提出机床的发展方向、科研任务，并且提供充足的经费，且网罗世界人才，特别讲究“效率”和“创新”，注重基础科研。因而在机床技术上不断创新，如1952年研制出世界第一台数控机床、1958年创制出加工中心、70年代初研制成FMS、1987年首创开放式数控系统等。由于美国首先结合汽车、轴承生产需求，充分发展了大量大批生产自动化所需的自动线，而且电子、计算机技术在世界上领先，因此其数控机床的主机设计、制造及数控系统基础扎实，且一贯重视科研和创新，故其高性能数控机床技术在世界也一直领先。当今美国生产宇航等使用的高性能数控机床，其存在的教训是，偏重于基础科研，忽视应用技术，且在上世纪80代政府一度放松了引导，致使数控机床产量增加缓慢，于1982年被后进的日本超过，并大量进口。从90年代起，纠正过去偏向，数控机床技术上转向实用，产量又逐渐上升。 德国的数控发展史德国政府一贯重视机床工业的重要战略地位，在多方面大力扶植。，于1956年研制出第一台数控机床后，德国特别注重科学试验，理论与实际相结合，基础科研与应用技术科研并重。企业与大学科研部门紧密合作，对数控机床的共性和特性问题进行深入的研究，在质量上精益求精。德国的数控机床质量及性能良好、先进实用、货真价实，出口遍及世界。尤其是大型、重型、精密数控机床。德国特别重视数控机床主机及配套件之先进实用，其机、电、液、气、光、刀具、测量、数控系统、各种功能部件，在质量、性能上居世界前列。如西门子公司之数控系统，均为世界闻名，竞相采用。 日本的数控发展史日本政府对机床工业之发展异常重视，通过规划、法规(如“机振法”、“机电法”、“机信法”等)引导发展。在重视人才及机床元部件配套上学习德国，在质量管理及数控机床技术上学习美国，甚至青出于蓝而胜于蓝。自1958年研制出第一台数控机床后，1978年产量(7,342台)超过美国(5,688台)，至今产量、出口量一直居世界首位(2001年产量46,604台，出口27,409台，占59%)。战略上先仿后创，先生产量大而广的中档数控机床，大量出口，占去世界广大市场。在上世纪80年*始进一步加强科研，向高性能数控机床发展。日本FANUC公司战略正确，仿创结合，针对性地发展市场所需各种低中高档数控系统，在技术上领先，在产量上居世界第一。该公司现有职工3,674人，科研人员超过600人，月产能力7,000套，销售额在世界市场上占50%，在国内约占70%，对加速日本和世界数控机床的发展起了重大促进作用。 技术发展趋势高速、精密、复合、智能和绿色是数控机床技术发展的总趋势，近几年来，在实用化和产业化等方面取得可喜成绩。主要表现在： 1 机床复合技术进一步扩展随着数控机床技术进步，复合加工技术日趋成熟，包括铣-车复合、车铣复合、车-镗-钻-齿轮加工等复合，车磨复合，成形复合加工、特种复合加工等，复合加工的精度和效率大大提高。“一台机床就是一个加工厂”、“一次装卡，完全加工”等理念正在被更多人接受，复合加工机床发展正呈现多样化的态势。 2数控机床的智能化技术有新的突破，在数控系统的性能上得到了较多体现。如：自动调整干涉防碰撞功能、断电后工件自动退出安全区断电保护功能、加工零件检测和自动补偿学习功能、高精度加工零件智能化参数选用功能、加工过程自动消除机床震动等功能进入了实用化阶段，智能化提升了机床的功能和品质。 3机器人使柔性化组合效率更高机器人与主机的柔性化组合得到广泛应用，使得柔性线更加灵活、功能进一步扩展、柔性线进一步缩短、效率更高。机器人与加工中心、车铣复合机床、磨床、齿轮加工机床、工具磨床、电加工机床、锯床、冲压机床、激光加工机床、水切割机床等组成多种形式的柔性单元和柔性生产线已经开始应用。 4精密加工技术有了新进展数控金切机床的加工精度已从原来的丝级（0.01mm）提升到目前的微米级（0.001mm），有些品种已达到0.05m左右。超精密数控机床的微细切削和磨削加工，精度可稳定达到0.05m左右，形状精度可达0.01m左右。采用光、电、化学等能源的特种加工精度可达到纳米级（0.001m）。通过机床结构设计优化、机床零部件的超精加工和精密装配、采用高精度的全闭环控制及温度、振动等动态误差补偿技术，提高机床加工的几何精度，降低形位误差、表面粗糙度等，从而进入亚微米、纳米级超精加工时代。 5功能部件性能不断提高功能部件不断向高速度、高精度、大功率和智能化方向发展，并取得成熟的应用。全数字交流伺服电机和驱动装置，高技术含量的电主轴、力矩电机、直线电机，高性能的直线滚动组件，高精度主轴单元等功能部件推广应用，极大的提高数控机床的技术水平。三、 数控机床的操作1）斯沃数控仿真软件简介南京斯沃软件技术有限公司开发的FANUC、SINUMERIK、MITSUBISHI、广州数控GSK、华中世纪星HNC、 北京凯恩帝KND、大连大森DASEN数控车铣及加工中心仿真软件，是结合机床厂家实际加工制造经验与高校教学训练一体所开发的。通过该软件可以使学生达到实物操作训练的目的，又可大大减少昂贵的设备投入。 斯沃数控仿真软件具有FANUC、SINUMERIK、MITSUBISHI、广州数控GSK、华中世纪星HNC、 北京凯恩帝KND系统、大连大森DASEN编程和加工功能，学生通过在PC机上操作该软件，能在很短时间内掌握各系统数控车、数控铣及加工中心的操作，可手动编程或读入CAM数控程序加工，既节省了成本和时间，从而提高学生的实际操作水平。 软件运行后其界面如下所示：2）数控车床实验内容及步骤1. 启动斯沃数控仿真软件启动界面如下：在左边文件框内选择单机版，在右边的数控系统下拉列表中选择FANUC 0iT，选择机器码加密，点击“运行”进入系统界面。2. 机床复位此时机床操作面板的指示灯在闪动，松开急停按钮，确保此时机床处于回零模式下。按Z向复位按键，机床Z向回到机床原点；按X向复位按键，机床X向回到机床原点；按第四轴方向复位按键，机床沿第四轴方向回到机床原点（本机床没有第四轴，故按此键机床没有动作，但是第四轴复位指示灯不再闪动）。注意：为了安全起见，机床回零一定要Z向先回零，然后其它方向才能回零。3. 机床参数设置在机床复位后，需要根据情况调整机床参数。如下所示启动菜单命令，出现“机床参数”对话框：在“机床操作”页面下选择前置刀架，刀架位数选择“四方刀架”，在“编程”页面下确保“脉冲混合编程”选项未被选中。单击“确定”退出对话框。4. 调整冷却液软管如下启动菜单命令，出现“冷却液软管调整”对话框： 根据需要调整冷却液软管，另外在程序仿真加工的过程中也可以随时调整。5. 设置毛坯在机床主窗口已经装好了一个毛坯，需要重新设置。要求的毛坯为35号钢的100200的棒料毛坯。启动菜单命令，出现“设置毛坯”对话框：设置参数，其中夹具类型选择左边的“外圆装夹”类型。对话框中的“尾架”选项如果勾选上，则零件右端将被尾架顶尖顶起，该选项适用于细长轴类零件。点击“确定”退出对话框，现在机床主窗口的毛坯修正完毕：毛坯默认左端面与卡盘端面平齐，如果需要修改毛坯夹紧位置，可以启动如下的菜单命令来微调：6. 添加刀具从“刀具数据库”中选择（如果刀具库中没有，自己建立一把编号为001的90外圆车刀，刀具名称自己定。注意：新建车刀时，必须输入刀具编号和刀具名称，刀具编号和刀架中的刀位号可以不一样）编号为001的外圆车刀，此时将显示刀具图形和刀片图形，点击“添加到刀盘”按钮，在弹出的菜单中选取“1号刀位”，则“机床刀库”中1号刀位出现刀具名称，点击确定，机床主窗口的刀架上出现所选刀具。7. 对刀操作（不用G50）工件坐标系要求置于工件右端面中心。一般数控车床试切法对刀有两种方法：一种是采用基准刀具，则其它刀具的长度补偿值都与基准刀具相关；另一种是每把刀具独立，互不相关，每把刀具的长度补偿值只与工件坐标系相关。综合起来，第二种方法较好，我们将用第二种方法来对刀。现在通过对刀操作找出所选刀具的补偿值。首先使主轴旋转起来，点击MDI方式的按钮，在编程面板上点击按键，点击显示屏下面对应“MDI”的软键，利用编程面板上键盘输入“S500M03”，如下图所示：在编程面板上点击按键，点击控制面板上的循环启动按键，则主窗口中的机床主轴开始旋转。点击手动进给方式按键，移动刀架，必要时换成手轮进给方式，点击，将出现手轮，车平工件端面，然后刀具Z向不动，X向退出。点击编程面板的，点击显示屏下面对应“补正”的软键，再点击“形状”软键，利用编程面板上的上下左右方向键将光标定位于G001上，即本把刀具补偿值为1号。利用编程面板上的键盘输入“ Z0”，点击显示屏下面对应“测量”的软键，则刀具的Z向刀补值自动算出：再移动刀架，车一段外圆，然后刀具X向不动，Z向退出。点击控制面板上的主轴停止按键，主轴停转。点击工具栏的按钮，选择“测量直径”，选择即特征线测量，在主窗口选取刚刚车好的外圆，则得到外圆的直径（即93.34）：点击工具栏的测量退出按钮。点击编程面板的，点击显示屏下面对应“补正”的软键，再点击“形状”软键，利用编程面板上的上下左右方向键将光标定位于G001上。利用编程面板上的键盘输入“ X93.34”，点击显示屏下面对应“测量”的软键，则刀具的X向刀补值自动算出。输入程序时，按照程序段为单位输入，遇到“；”时点击，再点击，即可输入一个程序段。在程序段输入过程中，如要临时修改，方法如下：点击，可以向左删除一个字符；插入程序字，将光标移至插入位置的左边，点击；删除程序字，将光标移至要删除的程序字上，点击；替换程序字，将光标移至要替换的程序字上，点击。另外要说明的是，编程面板上的键盘每一个键至少代表了两个字符，如输入“X”，直接点击，输入“U”，则先点击，再点击。注意：键按下去后，会保持按下的状态，因此在输入程序时，时刻注意该按键的状态。8 自动运行程序下面将输入的程序自动运行。点击控制面板的自动按键，再点击控制面板的单步按键。这时显示屏上显示的就是刚输入的程序：点击控制面板上的循环启动按键，由于选择了单步运行，因此每按一次循环启动按键，则程序运行一个程序段。也可以不用单步运行，则程序将连续运行，但是软件将提示先关上舱门。四、 车铣加工中心机械结构数控车床是数控机床的一个分支，具有品种繁多、适用面广的特点，其机械结构特点分析如下。1 主传动系统实现工件的旋转主运动，特点是速度较高，耗动力较大。目前数控车床的主运动通常有以下几种类型：(1)机械有级手动变速型：它与普通车床基本相同。要变换工件的转速，必须先停车，再手动选速，然后再启动。这种型式结构复杂、性能低下，主要用于简易数控车床。(2)机械有级半自动变速型：它是在普通车床的基础上，采有电磁离合器，利用速度编程代码，可以自动实现主轴转速的有级变换。主轴变速实现分级自动化，可相对提高加工效率。这种型式价格较低，在简易数控车床中广泛应用。(3)变频无级自动变速型：利用变频调速技术，通过控制信号，可使变频电机实现连续无级自动变速，简化机械结构；用户可按加工状态，选择最合理的主轴转速。这种型式价格适中，缺点是低速时主轴输出扭矩较小，不适于低速重负荷切削。(4)交流主轴伺服无级自动变速型：利用主轴高速响应矢量控制技术，可实现电机连续无级自动变速。同变频调速相比，其低速特性好，恒功率范围广，但价格较高。这种型式是数控车床最理想的配置。2 迸给传动系统主要实现刀具的纵横向进给运动，特点是速度较低，消耗动力较小。数控车床的进给传动系统主要由驱动电机和滚珠丝杠副组成。(1)驱动电机有步进电机和伺服电机两种。伺服电机可分直流伺服电机和交流伺服电机，目前多用交流伺服电机。步进电机不带编码器，为开环控制系统；伺服电机带编码器，为半闭环控制系统。二者相比，伺服电机具有过载能力大和控制精度高的特点；而步进机具有价格低的优势。(2)滚珠丝杠副按回珠方式和螺母予紧方式有多种结构，目前最常用内循环双螺母垫片予紧型，可使机床达到较好的定位精度。3 刀架系统主要实现刀盘的自动转换、定位及刀具的装夹，通常是数控车床的核心配套件，需要保证工件一次装夹后能够自动完成车削外圆、端面、圆弧、螺纹、镗孔、切槽、切断等加工工序。刀架系统按实现刀盘的松开、分度转位及夹紧定位的驱动方式分有液压和电动两种，目前后者用得较广，是因无需配套液压系统，结构也较紧凑。按刀架的功能分为全功能型和普通型，根本差异在于是否具有双向回转和任意刀位就近选刀功能，决定着刀架换刀的时间长短，从而影响着数控车床的加工效率。按刀架的分度定位元件分为双齿盘和三齿盘两种。三齿盘结构实现刀架转位时，刀盘无需抬起即可实现转位刹紧，刀架自身的防护性能也较好。目前三齿盘式(不抬起式)刀架趋向为首选结构。4 工件装夹系统主要实现工件的装夹，通常由卡盘及尾座组成，决定着上下工件是否方便和省力。目前，卡盘有手动、电动、液压三种；尾座多为手动和液压两种。液压结构复杂，价格稍高，但是装夹效率高，省力方便，还易实现安全保护功能。电动卡盘，因夹紧力难以控制，应用范围较小。手动卡盘价格低廉，简易数控车床中应用较广。5 床身和防护系统它们决定着数控车床的整体布局和外观造型。目前的数控车床有两大类型。(1)简易数控车床：整体布局由普通车床演变而来，多为平床身平拖板结构，刀架前置，切削区为半封闭或全封闭布局。因其构造同普通车床有很大的继承性，加工制造容易，成本较低。(2)全功能数控车床：整体布局多为斜床身平拖板(平床身斜拖板)结构，刀架后置，切削区为全封闭；上下工件操作方便，排屑容易，易实现自动化；切削区与纵横导轨完全隔离，具有良好的防水防尘性能，但其成本较高。五、 基于UG的数控编程与仿真基于UG的数控编程UG CAM是整个unigraphics系统的一部分，它建立在三维主模型基础上，具有强大的刀具轨迹生成方法，其中包括铣削、车削、线切割等完善的加工方法。首先对零件进行工艺分析，根据零件的形状(如图1所示)、尺寸、质量要求等条件，确定合适的工艺参数，包括机床(DMu-70-v)、刀具、夹具、加工方法等。然后根据确定的参数进行数控编程。在用UG进行数控编程时，涉及到CAM环境设置、刀具选择、父节点建立、刀轨检验等几方面的内容。5. 1CAM环境设置启动UGCAM模块，在“Machining Envimnment”对话框中，选择相应的配置和设置，进入UG加工环境。52选择刀具在加工环境中，打开向导对话框，切换到刀具视图。然后，从uG刀库中调入零件加工工艺规程中指定的刀具。53.创建父节点组531创建几何体阳球体几何模型包括零件、毛坯和夹具三部分，并由它们构成(如图2所示)用于数控编程的两个装配主模型。主模型是指向零件的装配文件，它包含了引用的零件信息。几何体只存在于装配文件所引用的零件中，并没有复制到装配文件中。主模型对于保护零件的设计标准免受其他设计数据的使用者，如数控编程人员的破坏是非常重要的，这时数控编程人员只有装配文件的可写权和主模型的读取权，主模型是引用到加工中的，因此编程人员不能修改主模型。但是，由于加工装配文件引用了主模型的数据，所以任何对主模型修改都将更新整个装配件闭。532设置加工坐标系(MCs)和安全平面进入向导对话框中的几何体视图。双击“MCS”激活“MILL_0RIENT”对话框，利用点构造器和平面构造器设置加工坐标系原点和安全平面的位置。533配置方法进入向导对话框中的方法(M乩0d)视图，选择相应的加工方法(包括粗加工、半精加工和精加工)，并激活相应的设置对话框，在对话框内设置余量、内外公差等参数。54创建操作进入向导对话框中的程序(Pro舯