机床数控系统机电一体化毕业设计 轴类零件.docx
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机床数控系统机电一体化毕业设计轴类零件
摘要及关键词
【内容摘要】
近几年来，机械加工业大量采用数控机床取代传统的普通机床进行机械加工，普通机械逐渐被数控机械所代替。
数控机床综合了微电子、计算机、信息处理、自动检测、自动控制、电机与拖动，电子和电力、精密测量、气液压及现代机械制造技术等多种先进技术的机电一体化产品，是数控机床的心脏。
具有高精度，高效率，柔性自动化等特点决定了今后发展数控机床是我国机械制造业技术改造的必由之路，是工厂自动化的基础。
数控机床在各个机械制造企业已成为大、中型企业的主要技术装备。
机床数控系统，即计算机数字控制（cnc）系统是在传统的硬件数控（nc）的基础上发展起来的。
它主要由硬件和软件两大部分组成。
通过系统控制软件与硬件的配合，完成对进给坐标控制、主轴控制、刀具控制、辅助功能控制等。
cnc系统利用计算机来实现零件程序编辑、坐标系偏移、刀具补偿、插补运算、公英制变换、图形显示和固定循环等。
使数控机床按照操作设计要求，加工出需要的零件。
为了子数控机床上加工出合格的零件，首先需根据零件图纸的精度和计算要求等，分析确定零件的工艺过程、工艺参数等内容，用规定的数控编程代码和格式编制出合适的数控加工程序。
编程必须注意具体的数控系统或机床，应该严格按机床编程手册中的规定进行程序编制。
但从数控加工内容的本质上讲，各数控系统的各项指令都是应实际加工工艺要求而设定的。
【关键词】
机械加工制造自动化计算机数字控制加工程序加工工艺
一、数控机床的简介：
数控机床是数字控制机床（Computernumericalcontrolmachinetools）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，从而使机床动作数控折弯机并加工零件。
1.1数控系统的发展趋势
从目前世界上数控技术及其装备发展的趋势来看，数控系统正在向电气化、电子化、高速化、精密化等方面高速发展，其主要研究热点有以下几个方面：
1.1.1高精高速高效化
效率、质量是先进制造技术关键的性能指标，是先进制造技术的主体。
若采用高速cpu芯片、risc芯片、多cpu控制系统、高分辨率检测元件、交流数字伺服系统、配套电主轴、直线电机等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。
在今后的几年，超精密数控机床正在向精密化、高速化、智能化和纳米化发展，汇合而成的新一代数控机床。
1.1.2柔性化
数控系统采用新一代模块化设计，功能覆盖面更宽，可靠性更强，可满足不同用户的需求。
同一群控系统能根据不同生产流程，自动进行信息流动态调整，发挥群控系统的功能。
1.1.3多轴化
多轴联动加工，零件在一台数控机床上一次装夹后，可进行自动换刀、旋转主轴头、旋转工作台等操作，完成多工序、多表面的复合加工，不仅光洁度高，而且效率也大幅度提高。
1.1.4软硬件开放化
用户可根据自己的需要，对数控系统软件进行二次开发，用户的使用范围不再受生产商的制约。
1.1.5实时智能化
在数控技术领域，实时智能控制的研究和应用正沿着：
自适应控制、模糊控制、神经网络控制、专家控制、学习控制、前馈控制等方面发展。
如编程专家系统故障诊断专家系统，当系统出了故障时，诊断、维修等实现智能化。
1.2数控系统的组成
数控系统是数控机床的核心是由系统程序、输入输出设备、通信设备、数控装置、可编程控制器、伺服驱动装置和测量装置等组成。
数控装置是数控系统的核心，数控装置有两种类型：
一是完全由硬件逻辑电路的专用硬件组成的数控装置即nc装置；二是由计算机硬件和软件组成的计算机数控装置即cnc装置。
由于计算机技术的不断发展，尤其是微处理器和微型计算机应用于数控装置后，现在nc装置已逐步被cnc装置所取代。
数控系统的硬件除了一般计算机具有的cpu、eprom、ram接口外，还具有数控位置控制器、手动数据输入（mda）接口、视频显示（crt或lcd）接口和plc接口等。
所以cnc装置是一种专用计算机。
目前cnc系统大都采用体积小，成本低，功能强的微处理机。
系统主要由微机及其相应的i／o设备、外部设备、机床控制及其i／o通道组成。
数控系统的软件分为管理软件和控制软件两种。
管理软件用来管理零件程序的输入、输出、刀具位置、系统参数、零件程序显示、机床状态及报警，故障诊断等。
控制软件由译码、插补运算、刀具补偿、速度控制、位置控制等软件组成。
系统程序存于计算机内存储器。
所有的数控功能基本上都依靠该程序来实现。
硬件是软件活动的物理基础。
而软件则是整个系统的灵魂，整个cnc装置的活动均依靠系统软件来指挥。
二、数控机床的应用
2.1数控加工的概念
数控加工，就是泛指在数控机床上进行零件加工的工艺过程。
数控机床是一种用计算机来控制的机床，用来控制机床的计算机，不管是专用计算机、还是通用计算机都统称为数控系统。
数控机床的运动和辅助动作均受控于数控系统发出的指令。
而数控系统的指令是由程序员根据工件的材质、加工要求、机床的特性和系统所规定的指令格式（数控语言或符号）编制的。
数控系统根据程序指令向伺服装置和其它功能部件发出运行或终断信息来控制机床的各种运动。
当零件的加工程序结束时，机床便会自动停止。
任何一种数控机床，在其数控系统中若没有输入程序指令，数控机床就不能工作。
机床的受控动作大致包括机床的起动、停止；主轴的启停、旋转方向和转速的变换；进给运动的方向、速度、方式；刀具的选择、长度和半径的补偿；刀具的更换，冷却液的开起、关闭等。
2.2数控机床的特点
（1）具有高度柔性
在保证工件表面精度，主要取决于加工程序，它与普通机床不同，不必制造、更换许多工具、夹具，不需要经常调整机床。
因此，数控机床适用于零件频繁更换的场合。
也就是适合单件、小批生产及新产品的开发，缩短了生产准备周期，节省了大量工艺设备的费用。
（2）加工精度高
数控机床的加工精度，一般可达到0.005～0.1mm，数控机床是
2.3数控车床编程中的坐标系
2.3.1机床坐标系
以机床原点为坐标系原点建立起来的Ｘ、Ｚ轴直角坐标系，成为机床坐标系。
车床的机床原点为主轴旋转中心与卡盘后端面之交点。
机床坐标系是制造和调整机床的基础，也是设置工件坐标系的基础，一般不允许随意变动。
2.3.2参考点
参考点是机床上的一个固定点。
该点是刀具退离到一个固定不便的极限点。
、，其位置由机械挡块或行程开关确定。
以参考点为原点，坐标方向与机床坐标方向相同建立的坐标系叫做参考坐标系。
2.3.3工件坐标系
数控编程时应该首先确定工件坐标系和工件原点。
零件在设计中有设计基础，在加工过程中有工艺基准，同时应尽量将工艺基准和设计基准统一，该基准点通常成为工件原点，以工件原点为坐标原点建立起来的Ｘ、Ｚ轴直角坐标系为工件坐标系。
在车床上工件原点可以选择在工件的左或右端面上，即工件坐标系是将单靠坐标系通过对刀平移得到的。
2.4切削用量三要素
切切削用量是指切削速度vc、进给量f（或进给速度vf）、背吃刀量ap三者的总称，也称
为切削用量三要素。
它是调整刀具与工件间相对运动速度和相对位置所需的工艺参数。
它们的定义如
下：
（一）切削速度vc
切削刃上选定点相对于工件的主运动的瞬时速度。
计算公式如下
vc=（πdwn）/1000（1-1）
式中vc——切削速度（m/s）；
dw——工件待加工表面直径（mm）；
n——工件转速（r/s）。
在计算时应以最大的切削速度为准，如车削时以待加工表面直径的数值进行计算，因为此处速度
最高，刀具磨损最快。
（二）进给量f
工件或刀具每转一周时，刀具与工件在进给运动方向上的相对位移量。
进给速度vf是指切削刃上选定点相对工件进给运动的瞬时速度。
vf=fn（1-2）
式中vf——进给速度（mm/s）；
n——主轴转速（r/s）；
f——进给量（mm）。
（三）背吃刀量ap
通过切削刃基点并垂直于工作平面的方向上测量的吃刀量。
根据此定义，如在纵向车外圆时，其背吃刀量可按下式计算：
ap=（dw—dm）/2（1-3）
式中dw——工件待加工表面直径（mm）；
5
dm——工件已加工表面直径（mm）。
2.5数控车床的种类加工范围。
2.5.1最适合数控车床加工的零件
（1）批量小而又多次生产的零件
（2）几何形状复杂的零件
（3）加工过程中必须进行多种加工的零件
（4）必须严格控制公差的零件
（5）工艺设计会变化的零件
（6）需全部检验的零件
2.5.2比较适合数控加工的零件
（1）价格昂贵毛皮获得困难不允许报废的零件
（2）切削余量大的零件
（3）再通用车床上加工生产率低劳动强度大质量难控制的零件
（4）用于改型比较共性能或功能检测的零件
（5）多品种多规格单件小批量生产的零件
2.5.3不适和数控加工的零件
（1）利用毛坯作为粗基准定位进行加工的零件
（2）定位完全需人工找正的零件
（3）必须用专用工艺装备，依照样板，样件加工的零件
（4）大批量生产的零件
三、刀具及切削用量
3.1选择数控刀具的原则
刀具寿命与切削用量有密切关系。
在制定切削用量时，应首先选择合理的刀具寿命，而合理的刀具寿命则应根据优化的目标而定。
一般分最高生产率刀具寿命和最低成本刀具寿命两种，前者根据单件工时最少的目标确定，后者根据工序成本最低的目标确定。
选择刀具寿命时可考虑如下几点根据刀具复杂程度、制造和磨刀成本来选择。
复杂和精度高的刀具寿命应选得比单刃刀具高些。
对于机夹可转位刀具，由于换刀时间短，为了充分发挥其切削性能，提高生产效率，刀具寿命可选得低些，一般取15-30min。
对于装刀、换刀和调刀比较复杂的多刀机床、组合机床与自动化加工刀具，刀具寿命应选得高些，尤应保证刀具可靠性。
车间内某一工序的生产率限制了整个车间的生产率的提高时，该工序的刀具寿命要选得低些当某工序单位时间内所分担到的全厂开支M较大时，刀具寿命也应选得低些。
大件精加工时，为保证至少完成一次走刀，避免切削时中途换刀，刀具寿命应按零件精度和表面粗糙度来确定。
与普通机床加工方法相比，数控加工对刀具提出了更高的要求，不仅需要冈牲好、精度高，而且要求尺寸稳定，耐用度高，断和排性能坛同时要求安装调整方便，这样来满足数控机床高效率的要求。
数控机床上所选用的刀具常采用适应高速切削的刀具材料（如高速钢、超细粒度硬质合金）并使用可转位刀片。
3.2选择数控车削用刀具
数控车削车刀常用的一般分成型车刀、尖形车刀、圆弧形车刀以及三类。
成型车刀也称样板车刀，其加工零件的轮廓形状完全由车刀刀刃的形伏和尺寸决定。
数控车削加工中，常见的成型车刀有小半径圆弧车刀、非矩形车槽刀和螺纹刀等。
在数控加工中，应尽量少用或不用成型车刀。
尖形车刀是以直线形切削刃为特征的车刀。
这类车刀的刀尖由直线形的主副切削刃构成，如90°内外圆车刀、左右端面车刀、切槽（切断）车刀及刀尖倒棱很小的各种外圆和内孔车刀。
尖形车刀几何参数（主要是几何角度）的选择方法与普通车削时基本相同，但应结合数控加工的特点（如加工路线、加工干涉等）进行全面的考虑，并应兼顾刀尖本身的强度。
二是圆弧形车刀。
圆弧形车刀是以一圆度或线轮廓度误差很小的圆弧形切削刃为特征的车刀。
该车刀圆弧刃每一点都是圆弧形车刀的刀尖，应此，刀位点不在圆弧上，而在该圆弧的圆心上。
圆弧形车刀可以用于车削内外表面，特别适合于车削各种光滑连接（凹形）的成型面。
选择车刀圆弧半径时应考虑两点车刀切削刃的圆弧半径应小于或等于零件凹形轮廓上的最小曲率半径，以免发生加工干浅该半径不宜选择太小，否则不但制造困难，还会因刀尖强度太弱或刀体散热能力差而导致车刀损坏。
3.3设置刀点和换刀点
刀具究竟从什么位置开始移动到指定的位置呢?
所以在程序执行的一开始，必须确定刀具在工件坐标系下开始运动的位置，这一位置即为程序执行时刀具相对于工件运动的起点，所以称程序起始点或起刀点。
此起始点一般通过对刀来确定，所以，该点又称对刀点。
在编制程序时，要正确选择对刀点的位置。
对刀点设置原则是:
便于数值处理和简化程序编制。
易于找正并在加工过程中便于检查，引起的加工误差小。
对刀点可以设置在加工零件上，也可以设置在夹具上或机床上，为了提高零件的加工精度，对刀点应尽量设置在零件的设计基准或工艺基谁上。
实际操作机床时，可通过手工对刀操作把刀具的刀位点放到对刀点上，即“刀位点”与“对刀点”的重合。
所谓“刀位点”是指刀具的定位基准点，车刀的刀位点为刀尖或刀尖圆弧中心。
平底立铣刀是刀具轴线与刀具底面的交点。
球头铣刀是球头的球心，钻头是钻尖等。
用手动对刀操作，对刀精度较低，且效率低。
而有些工厂采用光学对刀镜、对刀仪、自动对刀装置等，以减少对刀时间，提高对刀精度。
加工过程中需要换刀时，应规定换刀点。
所谓“换刀点”是指刀架转动换刀时的位置，换刀点应设在工件或夹具的外部，以换刀时不碰工件及其它部件为准。
3.4确定切削用量
数控编程时，编程人员必须确定每道工序的切削用量，并以指令的形式写人程序中。
切削用量包括主轴转速、背吃刀量及进给速度等。
对于不同的加工方法，需要选用不同的切削用量。
切削用量的选择原则是:
保证零件加工精度和表面粗糙度，充分发挥刀具切削性能，保证合理的刀具耐用度，并充分发挥机床的性能，最大限度提高生产率，降低成本。
四、设计图及数控程序
4.1 分析零件图样
零件图如附图1所示：
零件分析
（1）毛坯尺寸为φ25mmX100mm。
（2）为了确保尺寸精度和形位公差的要求，采用精加工G70。
（3）根据图样要求，使用3把刀加工：
切外圆用95°合金左偏刀（T0100），60°合金螺蚊车刀（T0200）和3mm切断刀（T0300）。
4.2 加工工艺
（1）装夹毛坯件：
用三爪卡盘夹住毛坯外圆，长度为30mm。
用外圆粗车循环G71粗车φ25和外圆倒角C2。
（2）用精加工循环G70精车外圆和外圆倒角C2，保证达到精度要求和表面形位公差的要求。
（3）用复合螺蚊切削循环G76切削方法加工图右边的螺蚊。
（4）用端面车削循环G94粗车切槽，保证用端面粗车循环G72的退刀位置。
（5）用端面粗车循环G72加工图左边剩下的位置。
（6）切断工件时分2刀切断。
（7）用试切对刀的方法对刀。
（8）编写程序。
（9）检查程序，切削加工。
（10）加工完毕，测量检查各部位尺寸，交验。
4.3 数值计算
坐标点
A
B
C
D
E
F
G
H
I
J
K
L
X
0
8
12
12
22
22
16
16
22
16
10
10
Z
0
0
-2
-12
-19
-22
-28
-32
-38
-41
-43
-49
4.4
零件加工刀具卡
产品
名称
零件
名称
TU1-1
零件
图号
程序
编号
O1062
工步号
刀具号
刀具名称
刀片形式
刀尖半径
（mm）
备注
1
T01
95°左偏刀
2
T02
60°螺蚊车刀
3
T03
3mm切断刀
4.5
零件加工工序卡
单位名称
产品名称或代号
零件名称
零件图号
TU1-1
工序号
程序编号
夹具名称
使用设备
车间
三爪卡盘
GSK980TD
数控车床
数控实训基地
工步
工步内容
刀具号
刀具
规格
（mm）
主轴
转速
（r/min）
进给
速度
（mm/r）
背吃
刀量
（mm）
备注
1
车削φ12
T01
φ15X15
300
80
2
自动
2
车削φ22
T01
φ15X15
300
80
2
自动
3
精车削φ12和φ22
T01
φ15X15
300
50
0．3
自动
4
车削螺蚊φ12
T02
φ15X15
300
80
自动
5
切φ16的槽
T03
φ15X15
300
80
自动
6
车削φ22至φ16的槽
T03
φ15X15
300
80
自动
7
精车φ22至φ16的槽
T03
φ15X15
300
50
自动
8
切φ10的槽
T03
φ15X15
300
80
自动
9
车削φ22至φ10的槽
T03
φ15X15
300
80
自动
10
精车φ22至φ10的槽
T03
φ15X15
300
50
自动
11
切断工件
T03
φ15X15
300
80
自动
4.6 零件加工程序单
程序
编号
O1062
产品名称
零件
名称
零件
图号
TU1—1
程序段号
程序段
注释
N0010
M03S300T0101
正转主轴，换95°左偏刀
N0020
G0X50Z50
快速设置起刀点
N0030
X27Z2
快速定位，接近工件
N0040
G71U2R0.5
每次进刀量2mm，退刀0.5mm
N0050
G71P60Q110U0.3W0.1F50
外形轮廓粗车加工，X、Z方向余量各为0.3、0.1
N0060
G0X8
外形轮廓精加工程序
N0070
G01X8Z0F80
N0080
X12Z-2
N0090
X15Z-12
N0100
X22Z-19
N0110
X22Z-53
N0120
G70P90Q110
精车G71程序段P90Q110外形轮廓
N0130
G0X50Z50
接近起刀点
N0140
T0202
换螺蚊车刀
N0150
G0X14Z2
快速定位，接近工件
N0160
G76P040060Q30R0.05
复合螺蚊切削循环
N0170
G76X9.73Z-10R0P1137Q250F1.75
N0180
G0X50Z50
接近起刀点
N0190
T0303
换回切断刀3mm
N0200
G0X25Z-32
快速定位，接近工件
N0210
G94X16Z-32F80
切槽
N0220
G0X25Z-31
快速定位，接近工件
N0230
G94X16Z-31F80
切槽
N0240
G72W1.5R0.5
每次进刀量1.5mm,退刀0.5mm
N0250
G72P260Q280U0.1W0.2F50
外形轮廓粗车加工，X方向余量0.1
N0260
G0Z-25
外形轮廓精加工程序
N0270
G01X22Z-25F80
N0280
X16Z-31
N0290
G70P260Q280
精车G72程序段P260Q280外形轮廓
N0300
G72W1.5R0.5
每次进刀量1.5mm,退刀0.5mm
N0310
G72P320Q350U0.1W0.2F50
外形轮廓粗车加工，X方向余量0.1
N0320
G0Z-38
外形轮廓精加工程序
N0330
G01X22Z-38F80
N0340
X16Z-32
N0350
X16Z-31
N0360
G70P320Q350
精车G72程序段P320Q350外形轮廓
N0370
G0X25Z-53
快速定位，接近工件
N0380
G94X18Z-53F80
切槽
N0390
G94X10Z-53F80
切槽
N0400
G0X25Z-52
快速定位，接近工件
N0410
G94X18Z-52F80
切槽
N0420
X10Z-52
切槽
N0430
G72W1.5R0.5
每次进刀量1.5mm,退刀0.5mm
N0440
G72P450Q490U0.1W0.3F50
外形轮廓粗车加工，X方向余量0.1
N0450
G0Z-41
外形轮廓精加工程序
N0460
G01X22Z-41
N0470
G03X16Z-44R3
N0480
G02X10Z-47R3
N0490
G01X10Z-52
N0500
G70P450Q490
精车G72程序段P450Q490外形轮廓
N0510
G01X5Z-52F80
切槽
N0520
G0X8Z-52
N0530
G01X0Z-52
切断工件
N0540
G0X25
X方向远离工件
N0550
X50Z50
返回起刀点
N0560
M30
程序结束
检验
零件加工完成后，利用相关的工具检验零件的尺寸，已确定零件的尺寸是否在图纸要求的误差范围内。
如果不合格要进行相关的修改已达到要求。
4.7 仿真加工出的零件截图
结语
本次课题贯穿本专业所学到的理论知识与实践操作技能。
数控加工的过程从零件图分析→拟定工艺方案→编程并输入→对刀→仿真→加工零件。
在首次实训中不要一味追求复杂轮廓的工件，幻想把所有的程序都用上，这样往往不易获得成功。
而应选定几个有代表性表面的工件来练习，亦可在此基础上不断变换练习。
能够按零件图拟定工艺方案、选择刀具、编程并加工出实训工件，从而达到举一反三的目的，获得事半功倍的效果。
三个月的毕业设计设计在紧张而又繁忙中结束了，这次的毕业设计让我对数控技术又有了更深的认识。
需要我们运用多学科的理论、知识与技能，分析和解决工程问题
。
数控铣适用于加工板类零件，典型的加工表面不外乎箱盖、盖板、壳体、型腔模具和平面凸轮等单面加工的零件。
该零件加工适合它，因此把它选为固定板的加工可以更好的认识和了解加工中心的加工性能特点，通过这次设计能够更好的将在学校中所学习到的知识和实际生产联系结合起来。
深化我们对理论知识的学习，从而为以后的实际生产带来更大的帮助。
使我熟悉了实际生产零件的整个加工过程，其次熟悉了实际生产中工艺设计的全方案
致谢
首先感谢我的指导老师在我毕业设计书完成的过程中给我精心的指导。
是高老师在紧张的教学工作中帮我修改，检查我的论文才使我能顺利正确的完成
。
转眼三年的学习生活就结束了，老师们兢兢业业的工作精神给我人生带来很的鼓舞和帮助，为我以后的工作作出了好的榜样
。
感谢在这三年中一直陪伴在我身边的同学、朋友，感谢在我完成论文期间和三年的生活中给我的帮助和建议，有了你们我充实的度过了三年的美好时光。
参考文献
[1]张超英《数控编程技术》北京中央广播电视大学出版社2008
[2]齐宏《机械制造基础》中央电大公学院
[3]孙兰凤《机械制图》北京中央广播电视大学出版社2006
[4]黄丽芬《数控车床编程与操作-GSK980-TD》北京中国劳动社会保障出版社2007
[5]徐宏海
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