机械制造与自动化毕业设计教材.docx

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机械制造与自动化毕业设计教材

系（部）机电工程系

专业机械制造与自动化

班级14级3班

指导教师于善强

姓名李贞涛学号201414081020069

摘要

数控系统是数字控制系统简称，英文名称为Numerical Control System，早期是由硬件电路构成的称为硬件数控（Hard NC），1970年代以后，硬件电路元件逐步由专用的计算机代替称为计算机数控系统。

计算机数控（Computerized numerical control，简称CNC）系统是用计算机控制加工功能，实现数值控制的系统。

CNC系统根据计算机存储器中存储的控制程序，执行部分或全部数值控制功能，并配有接口电路和伺服驱动装置的专用计算机系统。

数控车床是目前使用最广泛的数控机床之一。

数控车床主要用于加工轴类、盘类等回转体零件。

通过数控加工程序的运行，可自动完成内外圆柱面、圆锥面、成形表面、螺纹和端面等工序的切削加工，并能进行车槽、钻孔、扩孔、铰孔、镗孔等加工。

数控车床种类较多，但主体结构都是由：

车床本体、数控装置、伺服系统及辅助装置四大部分组成。

NC编程就是将加工零件的加工顺序、刀具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）以及辅助操作（换刀、主轴正反转、冷却液开关、刀具夹紧、松开等）加工信息，用规定的文字、数字、符号组成的代码，按一定格式编写成加工程序。

数控机床程序编制过程主要包括：

分析零件图纸、工艺处理、数学处理、编写零件程序、程序校验。

关键词：

数控，车床，编程，加工

摘 要..........................................................Ⅰ

目 录..........................................................Ⅲ

一、 引 言 ..................................................... 1

二、数控概述 ................................................... 3

2.1数控机床的简介 .......................................... 3

2.2数控机床特点 ............................................ 3

2.3数控机床组成 ............................................ 5

2.4数控机床分类 ............................................ 5

2.5数拉机床的应用 .......................................... 9

2.6数拉机床的发展趋势 ...................................... 9

三、数控加工工艺分析 .......................................... 11

3.1 数控加工工艺概念 ...................................... 11

3.2 数控加工工艺内容 ...................................... 11

3.3 工序与工布的划分 ...................................... 11

四、数控编程方法 .............................................. 13

4.1 数控编程的基本概念 .................................... 13

4.2 数控编程步骤 .......................................... 13

4.3 数控车床程序的编制 .................................... 14

五、数控刀具的选用 ............................................ 17

5.1 数控机床的刀具特点 .................................... 17

5.2 刀具材料 .............................................. 17

5.3数控刀具的选择 ......................................... 18

5.4切屑用量的选择 ......................................... 19

六、夹具选择和装夹 ............................................ 20

6.1夹具的分类：

 ........................................... 20

6.2工件在数控车床上的装夹：

 ............................... 20

七、零件加工编程实例 .......................................... 22

7.1 零件的工艺分析 ............................................ 22

7.2确定加工路线 ............................................... 23

7.3制定加工方案 ............................................... 23

7.4选择刀具及对刀 ............................................. 23 

7.5 确定工件坐标系、对刀点和换刀点 ............................ 23 

八、结论 ...................................................... 30 

九、致谢 ...................................................... 31 

参考文献 ...................................................... 32 

一、引言

数控技术是先进制造技术的基础，它是综合应用了计算机、自动控制、电气传动、自动检测、精密机械制造和管理信息等技术而发展起来的高新科技。

作为数控加工的主体设备，数控机床是典型的机电一体化产品。

数控机床代表一个民族制造工业现代化的水平，随着现代化科学技术的迅速发展，制造技术和自动化水平的高低已成为衡量一个国家或地区经济发展水平的重要标志。

本文主要讨论数控车床的零件加工工艺以及程序编制，主要以FANUC数控系统为例，结合典型零件对数控车零件进行讲解。

主要内容有关于数控车床的编程方法、编程的注意事项、加工工艺分析、刀具的选用、刀位轨迹计算

1．数控（NC）是数字控制（Numerical Control）的英文简称。

它是指用数字、文字和符号组成的数字指令来实现一台或多台机械设备动作控制的技术。

其技术涉及多个领域：

（1）机械制造技术；

（2）信息处理、加工、传输技术；（3）自动控制技术；（4）伺服驱动技术；（5）传感器技术；（6）软件技术等。

二、数控的概述

2.1数控机床简介 

数控车床、车削中心，是一种高精度、高效率的自动化机床。

配备多工位刀塔或动力刀塔，机床就具有广泛的加工工艺性能，可加工直线圆柱、斜线圆柱、圆弧和各种螺纹、槽、蜗杆等复杂工件，具有直线插补、圆弧插补各种补偿功能，并在复杂零件的批量生产中发挥 了良好的经济效果。

“CNC”是英文Computerized Numerical Control（计算机数字化控制）的缩写。

数控机床是按照事先编制好的加工程序，自动地对被加工零件进行加工。

我们把零件的加工工艺路线、工艺参数、刀具的运动轨迹、位移量、切削参数（主轴转数、进给量、背吃刀量等）以及辅助功能（换刀、主轴正转、反转、切削液开、关等），按照数控机床规定的指令代码及程序格式编写成加工程序单，再把这程序单中的内容记录在控制介质上（如穿孔纸带、磁带、磁盘、磁泡存储器），然后输入到数控机床的数控装置中，从而指挥机床加工零件。

这种从零件图的分析到制成控制介质的全部过程叫数控程序的编制。

数控机床与普通机床加工零件的区别在于数控机床是按照程序自动加工零件，而普通机床要由人来操作，我们只要改变控制机床动作的程序就可以达到加工不同零件的目的。

因此，数控机床特别适用于加工小批量且形状复杂要求精度高的零件。

2．2数控机床特点 

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：

1．加工精度高  数控机床是按数字形式给出的指令进行加工的。

目前数控机床的脉冲当量普遍达到了0.001mm，而且进给传动链的反向间隙与丝杠螺距误差等均可由数控装置进行补偿，因此，数控机床能达到很高的加工精度。

对于中、小型数控机床，其定位精度普遍可达0.03 mm,重复定位精度为0.006 mm。

2．对加工对象的适应性强  数控机床上改变加工零件时，只须重新编制程序，输人新的程序郭能实现对新的零件的加工，这就为复杂结构的单件、小批量生产以及试制新产品提供了极大的便利。

对那些普通手工操作的普通机床很难加工或无法加工的精密复杂零件，数控机床也能实现自动加工。

3．动化程度高，劳动强度低  机床对零件的加工是按事先编好的程序自动完成的，操作者除了安放穿孔带或操作键盘、装卸工件、对关键工序的中间检测以及观察机床运行之外，不需要进行复杂的重复性手工操作，劳动强度与紧张程度均可大为减轻，加上数控机床一般有较好的安全防护、自动排屑、自动冷却和自动润滑装置，操作者的劳动条件也大为改善。

4．产效率高  加工所需的时间主要包括机动时间和辅助时间两部分。

数控机床主轴的转速和进给量的变化范围比普通机床大，因此数控机床的每一道工序都可选用最有利的切削用量。

由于数控机床的结构刚性好，因此，允许进行大切削量的强力切削，这就提高了切削效率，节省了机动时间。

因为数控机床的移动部件的空行程运动速度快，所以工件的装夹时间、辅助时间比一般机床少。

数拉机床更换被加工零件时几乎不需要重新调整机床.故节省了零件安装调整时间。

数控机床加工质量稳定，一般只做首件检验和工序间关键尺寸的抽样检验，因此节省了停机检验时间。

当在加工中心上进行加工时一台机床实现了多道工序的连续加工，生产效率的提高更为明显。

5．济效益良好  机床虽然价值昂贵，加工时分到每个零件上的设备折旧费高，但是在单件、小批量生产的情况下：

① 使用数控机床加工，可节省划线工时，减少调整、加工和检验时间，节省了直接生产费用； 

② 使用数控机床加工零件一般不需要制作专用夹具，节省了工艺装备费用。

③ 数控加工精度稳定，减少了废品率，使生产成本进一步下降； ④ 数控机床可实现一机多用，节省厂房面积，节省建厂投资。

因此，使用 数控机床仍获得良好的经济效益。

2.3数控机床的组成 

数控机床一般由下列几个部分组成：

1．主机 是数控机床的主体，包括机床身、立柱、主轴、进给机构等机械部件。

是用于完成各种切削加工的机械部件。

2．数控装置 是数控机床的核心，包括硬件（印刷电路板、CRT显示器、键盒、纸带阅读机等）以及相应的软件，用于输入数字化的零件程序，并完成输入信息的存储、数据的变换、插补运算以及实现各种控制功能。

3．驱动装置 是数控机床执行机构的驱动部件，包括主轴驱动单元、进给单元、主轴电机及进给电机等。

在数控装置的控制下通过电气或电液伺服系统实现主轴和进给驱动。

当几个进给联动时，可以完成定位、直线、平面曲线和空间曲线的加工。

4．辅助装置 指数控机床的一些必要的配套部件，用以保证数控机床的运行，如冷却、排屑、润滑、照明、监测等。

包括液压和气动装置、排屑装置、交换工作台、数控转台和数控分度头，还包括刀具及监控检测装置等。

5．编程及其他附属设备 可用来在机外进行零件的程序编制、存储等。

2.4数控机床的分类 

数控机床的品种规格很多，分类方法也各不相同.一般可根据功能和结构，按下面四种原则进行分类。

1．按机床运动的控制执进分类 

（1） 点位控制数控机床  点位控制数控机床只要求控制机床的移动部件从一点移动到另一点的准确定位，对于点与点之间的运动轨迹的要求并不严格，在移动过程中不进行加工，各坐标轴之间的运动是不相关的。

为了实现既快又精确的定位，两点间位移的移动一般先快速移动，然后慢速趋近定位点，从而保证定位精度。

具有点位控制功能的机床主要有数控钻床、数控镗床和数控冲床等。

（2） 直线控制数控机床  直线控制数控机床也称为平行控制数控机床，其特点是除了控制点与点之间的准确定位外.还要控制两相关点之间的移动速度和移动轨迹，但其运动路线只是与机床坐标轴平行移动，也就是说同时控制的坐标轴只有一个，在移位的过程中刀具能以指定的进给速度进行切削.其有直线控制功能的机床主要有数控车床、两轴控制的数控铣床和数控磨床等。

（3） 轮廓控制数控机床  廓控制数控机床也称连续控制数控机床，其控制特点是能够对两个或两个以上的运动坐标方向的位移和速度同时进行控制.为了满足刀具沿工件轮廓的相对运动轨迹符合工件加工轮廓的要求，必须将各坐标方向运动的位移控制和速度控制按照规定的比例关系精确地协调起来。

因此，在这类控制方式中.就要求数控装置具有插补运算功能，通过数控系统内插补运算器的处理，把直线或圆弧的形状描述出来，也就是一边计算，一边加工。

根据计算结果向各坐标轴控制器分配脉冲量，从而控制各坐标轴的联动位移量与要求的轮廓相符合.在运动过程中刀具对工件表面连续进行切削，可以进行各种直线、圆弧、曲线的加工。

轮廓控制的加工轨迹。

这类机床主要有数控车削中心、数控铣床、数控电火花机床和加工中心等，其相应的数控装置称为轮廓控制数控系统。

根据它所控制的联动坐标轴数不同，又可以分为下面儿种形式。

3） 三轴联动  一般分为两类，一类就是X,Y,Z三个直线坐标轴联动，比较多地用于数控铣床和加工中心等;另一类是除了同时控制X,Y,Z其中两个直线坐标轴外，还同时控制围绕其中某一直线坐标轴旋转的旋转坐标轴，如车削加工中心，它除了纵向（（Z轴）、横向（X轴）两个直线坐标轴联动外，还要同时控制围绕Z轴旋转的主轴（C轴）联动. 

4） 四轴联动  它同时控制X,Y,Z三个直线坐标轴与某一旋转坐标轴联动。

5） 五轴联动  除同时控制X,Y,Z三个直线坐标轴联动外，还同时控制围绕这些直线坐标轴旋转的A,B,C坐标轴中的两个坐标轴，形成同时控制五个轴联动。

这时刀具可以被定在空间的任意方向，比如控制刀具同时绕X轴和Y轴两个方向摆动.使得刀具在其切削点上始终保持与被加工的轮廓曲面成法线方向，以保证被加工曲面的光滑性，提高其加工精度和加工效率，减小被加工表面的粗糙度，提高表面加工质量。

2．按伺服系统拉制的方式进行分类 

（1） 开环控制数控机床  开环控制数控机床的进给伺服驱动是开环的，即没有枪测反馈装置，一般采用步进电动机。

步进电动机的主要特征是控制电路每变换一次指令脉冲信号，电动机就转动一个步距角，并且电动机本身就有自锁能力。

数控系统输出的进给指令信号通过脉冲分配器来控制驭动电路。

它以变换脉冲的个数来控制坐标位移量，以变换脉冲的频率来控制位移速度，以变换脉冲的分配顺序来控制位移的方向.因此，这种控制方式的最大特点是控制方便、结构简单、价格便宜。

因为数控系统发出的指令信号流是单向的，所以不存在控制系统的稳定性问题，但由于机械传动的误差不经过反馈校正，因而位移精度不高。

（2） 闭环控制数控机床  闭环控制数控机床的进给伺服驱动是按闭环反馈控制方式工作的，其驭动电动机可采用直流或交流两种伺服电动机，并需要具有位置反馈和速度反馈，在加工中随时检测移动部件的实际位移量，并及时反馈给数控系统中的比较器。

它与插补运算所得到的指令信号进行比较，其差值又作为伺服驭动的控制信号，进而带动位移部件以消除位移误差。

按位置反谈检侧元件的安装部位和所使用的反馈装置的不同，它又分为全闭环控制和半闭环控制两种控制方式。

1） 全闭环控制  其位置反馈装置采用直线位移检测元件（目前一般采用光 栅尺），安装在机床的工作台侧面，即直接检侧机床工作台坐标的直线位移M，并通过反馈消除从电动机到机床工作台的整个机械传动链中的传动误差，从而得到机床工作台的准确位置。

这种全闭环控制方式主要用于精度要求很高的数控坐标镗床和数控精密磨床等。

2） 半闭环控制  其位置反馈采用转角检测元件（目前主要采用编码器等）直 接安装在伺服电动机或丝杠端部。

由于大部分机械传动环节未包括在系统闭环环路内，因此可获得较稳定的控制特性。

理杠等机械传动误差不能通过反馈来随时校正，但是可以采用软件定仇补偿方法适当提高其精度。

目前，大部分数控机床采用半闭环控制方式。

（3） 混合控制数控机床  将上述控制方式的特点有选择地集中，可以组成棍合控制的方案。

如前所述。

由于开环控制方式稳定性好、成本低、精度差，而全闭环稳定性差.因此，为了互相弥补，以满足某些机床的控制要求，宜采用很合控制方式.采用较多的控制方式有开环补偿型和半闭环补偿型两种方式。

3．按数控系统的功能水平分类 

按数控系统的功能水平，通常把数控系统分为低、中、高三档.这种分类方式，在我国用得较多低、中、高三档的界限是相对的，不同时期，划分标准也会不同.就目前的发展水平看，将各种类似的数控系统分为低、中、高档三类。

其中，中、高档一般称为全功能数控或标准型数控。

经济型数控属于低档数控，是指由单片机和步进电动机组成的数控系统，或其他功能简单、价格低廉的数控系统。

4．按加工工艺及机床用途分类 

（1） 金属切削类  金属切削类数控机床指采用车、铣、长、铰、钻、磨、刨等各种切削工艺的数控机床。

它又可分为以下两类。

1） 普通型数控机床  如数控车床、数控铣床、数控磨床等。

2） 加工中心  其主要特点是具有自动换刀机构和刀具库，工件经一次装夹后，通过自动更换各种刀具，在同一台机床上对工件各加工面连续进行铣〔车）、锐、铰、钻、攻螺纹等多种工序的加工，如（镗/铣类）加工中心、车削中心、钻削中心等。

（2） 金属成形类  金属成形类数控机床指采用挤、冲、压、拉等成形工艺的数控机床.常用的有数控压力机、数控折弯机、数控弯管机、数控旋压机等。

（3） 特种加工类  特种加工类数控机床主要有数控电火花线切割机、数控电火花成形机、数控火焰切割机、数控激光加工机等。

2.5数控机床的应用 

数控机床有普通机床所不具备的许多优点。

其应用范围正在不断扩大，但它并不能完全代替普通机床，也还不能以最经济的方式解决机械加工中的所有问题.数控机床最适合加工具有以下特点的零件:

（1） 多品种、小批量生产的零件 

（2） 形状结构比较复杂的零件 （3） 需要频繁改型的零件 

（4） 价值昂贵、不允许报废的关键零件 （5） 设计制造周期短的急需零件 （6） 批量较大、精度要求较高的零件 

2.6数控机床发展趋势 

高速、精密、复合、智能和绿色是数控机床发展的总趋势，近几年来，在实用化和产业化等方面取得可喜成绩。

主要表现在以下方面。

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．智能化技术有新突破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0.5μm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0.05μm左右，形状精度可达0.01μm左右。

采用光、电、化学等能源的特种加工精度可达到纳米级（0.0001μm）。

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、数控加工工艺分析 

3.1数控加工工艺概念 

数控加工工艺是采用数控机床加工零件时所运用各种方法和技术手段的总和，应用于整个数控加工工艺过程中。

数控加工工艺是伴随着数控机床的产生、发展而逐步完善起来的一种应用技术，它是人们大量数控加工实践的经验总结。

数控加工工艺过程，是利用切削工具在数控机床上直接改变加工对象的形状、尺寸、表面位置、表面状态等，使其成为成品或半成品的过程。

3.2 数控加工工艺内容 

选择并确定进行数控加工的内容。

   1．对零件图样进行数控加工工艺分析。

2．零件图形的数学处理及编程尺寸设定值的确定。

 3．数控加工工艺方案的制定。

   4．工步、进给路线的确定。

 5．选择数控机床的类型。

  6．刀具、夹具、量具的选择和设计。

 7．切削参数的确定。

8．加工程序的编写、校验与修改。

 9．首件试切加工与现场问题处理。

3.3 工序与工布的划分 

工序的划分：

在数控机床上加工零件，工序可以比较集中，在一次装夹中尽可能完成大部分或全部工序。

首先应根据图样，考虑是否可以在一台机床上完成整个零件的加工工作。

若不能，则应决定其中那一部分在数控机床上加工，那一部分在其他机床上完成。

一般工序划分有以下几种方式：

1．按零件装卡定位方式划分工序    由于每个零件结构形状不同，各加工表面的技术要求也有所不同，故加工时，其定位方式则各有差异。

一般加工外形时，以内形定位；加工内形时又以外形定位。

因而可根据定位方式的不同来划分工序。

2．按粗、精加工划分工序  根据零件的加工精度、刚度和变形等因素来划分工序时，可按粗、精加工分开的原则来划分工序，即先粗加工再精加工。

此时可用不同的机床或不同的刀具进行加工。

通常在一次安装中，不允许将零件某一部分表面加工完毕后，再加工零件的其他表面。

3．按所用刀具划分工序  为了减少换刀次数，压缩空程时间，减少不必要的定位误差，可按刀具集中工序的方法加工零件，即在一次装夹中，尽可能用同一把刀具加工出可能加工的所有部位，然后再换另一把刀加工其他部位。

在专用数控机床和加工中心中常采用这种方法。

工步的划分：

主要从加工