数控设备应用技术与维护专业毕业论文设计数控车华中系统的加工方法与编程.docx
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数控设备应用技术与维护专业毕业论文设计数控车华中系统的加工方法与编程
毕业设计论文
数控车华中系统的加工方法与编程
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学号：
**********
专业：
数控专业
班级：
06大专数控设备
导师姓名:
卞洪元
2010年11月
摘要
数控技术及数控机床的广泛应用，给机械制造业的产业结构、产品种类和档次以及生产方式带来了革命性的变化。
数控机床是现代加工车间最重要的装备。
本次设计内容介绍了数控加工的特点、加工工艺分析以及数控编程的一般步骤，数控机床的发展，目前的现状，数控系统的组成，设备的选用等等。
通过一定的实例详细的介绍了数控加工工艺的分析方法。
关键词：
数控技术加工工艺编程
第一章绪论
1.1本课题研究的意义
1.1.1数控机床的概述
数控是数字控制的简称，是利用离散的数字信号对信息进行传输运算和处理，数控技术是利用数字控制原理对某一工作过程进行自动控制的技术。
数控一般是采用通用或专用计算机实现数字程序控制，因此数控也称计算机数控，简称CNC，目前它是采用计算机实现数字程序控制技术，这种技术用计算机按事先存贮的控制程序来执行对设备的运动轨迹和外设的操作的时序逻辑控制功能。
由于采用计算机替代原先用硬件逻辑电路组成的数控装置，使输入操作指令的存贮，处理运算，逻辑判断等各种控制机能的实现，均可通过计算机软件来完成，处理生成的微观指令传送给伺服驱动装置，驱动电机或液压执行元件带动设备运行。
数控技术是用数字信息对机械运动和工作过程进行控制的技术，数控装置是以数控技术为代表的新技术对传统制造产业和新兴制造的渗透形成的机电一体化产品，即所谓的数字化装备，如数控机床等，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。
随着科学技术的发展，机电产品日趋精密复杂。
产品的精度要求越来越高、更新换代的周期也越来越短，从而促进了现代制造业的发展。
尤其是宇航、军工、造船、汽车和模具加工等行业，用普通机床进行加工（精度低、效率低、劳动度大）已无法满足生产要求，从而一种新型的用数字程序控制的机床应运而生。
这种机床是一种综合运用了计算机技术、自动控制、精密测量和机械设计等新技术的机电一体化典型产品。
数控机床是一种装有程序控制系统（数控系统）的自动化机床。
该系统能够逻辑地处理具有使用号码，或其他符号编码指令（刀具移动轨迹信息）规定的程序。
具体地讲，把数字化了的刀具移动轨迹的信息输入到数控装置，经过译码、运算，从而实现控制刀具与工件相对运动，加工出所需要的零件的机床，即为数控机床。
数控机床（NumericalControlTools）是采用数字化信号，通过可编程的自动控制工作方式，实现对设备运行及其加工过程产生的位置、角度、速度、力等信号进行控制的新型自动化机床。
数控机床的计算机信息处理及控制的内容主要包括：
基本的数控数据输入输出、直线和圆弧插补运算、刀具补偿、间隙补偿、螺距误差补偿和位置伺服控制等。
一些先进的数控机床甚至还具有某些智能的功能，如螺旋线插补、刀具监控、在线测量、自适应控制、故障诊断、软键（SoftKey）菜单、会话型编程、图形仿真等。
数控机床的大部分功能对实时性要求很强，信息处理量也较大，因此许多数控机床都采用多微处理器数控方式。
一般数控机床通常是指数控车床、数控铣床、数控镗铣床等，它们的下述特点对其组成自动化制造系统是非常重要的。
1.1.2数控机床的组成
数控机床一般由输入装置、数控系统、伺服系统、测量环节和机床本体（组成机床本体的各机械部件）组成。
1）输入输出装置
操作面板
它是操作人员与数控装置进行信息交流的工具组成：
按钮站/状态灯/按键阵列/显示器。
控制介质
人与数控机床之间建立某种联系的中间媒介物就是控制介质，又称为信息载体。
常用的控制价质有穿孔带、穿孔卡、磁盘和磁带。
人机交互设备
数控机床在加工运行时，通常都需要操作人员对数控系统进行状态干预，对输入的加工程序进行编辑、修改和调试，对数控机床运行状态进行显示等，也就是数控机床要具有人机联系的功能。
具有人机联系功能的设备统称人机交互设备。
常用的人机交互设备有键盘、显示器、光电阅读机等。
通讯
现代的数控系统除采用输入输出设备进行信息交换外，一般都具有用通讯方式进行信息交换的能力。
它们是实现CAD/CAM的集成、FMS和CIMS的基本技术。
采用的方式有：
串行通讯（RS-232等串口）。
自动控制专用接口和规范（DNC方式，MAP协议等）。
网络技术（internet，LAN等）。
DNC是DirectNumericalControl或DistributedNumericalControl英文一词的缩写，意为直接数字控制或分布数字控制。
2）计算机数控（CNC）装置
数控装置是数控机床的中枢。
CNC装置（CNC单元）。
组成：
计算机系统、位置控制板、PLC接口板，通讯接口板、特殊功能模块以及相应的控制软件。
作用：
根据输入的零件加工程序进行相应的处理（如运动轨迹处理、机床输入输出处理等），然后输出控制命令到相应的执行部件（伺服单元、驱动装置和PLC等），所有这些工作是由CNC装置内硬件和软件协调配合，合理组织，使整个系统有条不紊地进行工作的。
CNC装置是CNC系统的核心。
3）进给伺服驱动系统
进给伺服驱动系统由伺服控制电路、功率放大电路和伺服电动机组成。
伺服驱动的作用，是把来自数控装置的位置控制移动指令转变成机床工作部件的运动，使工作台按规定轨迹移动或精确定位，加工出符合图样要求的工件，即把数控装置送来的微弱指令信号，放大成能驱动伺动电动机的大功率信号。
用的伺服电动机有步进电动机、直流伺服电动机和交流伺服电动机。
根据接收指令的不同，伺服驱动有脉冲式和模拟式，而模拟式伺服驱动方式按驱动电动机的电源种类，可分为直流伺服驱动和交流伺服驱动。
步进电动机采用脉冲驱动方式，交、直流伺服电动机采用模拟式驱动方式。
4）机床电气控制
机床电气控制包括两个方面，可如图所示箭头所指的内容。
PLC（可编程的逻辑控制器）用于完成与逻辑运算有关顺序动作的I/O控制，而机床I/O电路和装置则是用来实现I/O控制的执行部件，由继电器、电磁阀、行程开关、接触器等组成的逻辑电路；
5）测量装置
数控机床中的测量装置
显示了数控机床中的反馈系统的工作，反馈系统的作用是通过测量装置将机床移动的实际位置、速度参数检测出来，转换成电信号，并反馈到CNC装置中，使CNC能随时判断机床的实际位置、速度是否与指令一致，并发出相应指令，纠正所产生的误差。
在其它的控制领域，测量装置也有其应用。
机械手中的控制电机与测量装置。
测量装置安装在数控机床的工作台或丝杠上，按有无检测装置，CNC系统可分为开环和闭环系统，而按测量装置安装的位置不同可分为闭环与半闭环数控系统。
开环控系统无测量装置，其控制精度取决于步进电机和丝杠的精度，闭环数控系统的精度取决于测量装置的精度。
因此，检测装置是高性能数控机床的重要组成部分。
6）机床本体
数控机床的机械部件包括：
主运动部件，进给运动执行部件，如工作台、拖板及其传动部件，床身、立柱等支承部件；此外，还有冷却、润滑、转位和夹紧等辅助装置。
对于加工中心类的数控机床，还有存放刀具的刀库，交换刀具的机械手等部件。
数控机床是高精度和高生产率的自动化加工机床，与普通机床相比，应具有更好的抗振性和刚度，要求相对运动面的摩擦因数要小，进给传动部分之间的间隙要小。
所以其设计要求比通用机床更严格，加工制造要求精密，并采用加强刚性、减小热变形、提高精度的设计措施。
辅助控制装置包括刀库的转位换刀、液压泵、冷却泵等控制接口电路。
1.1.3数控机床的结构特点
数控机床与普通机床在总体上基本相似，由床身箱体导轨主轴进给机构及辅助机构组成。
（1）采用高性能的主轴伺服驱动装置和进给伺服系统装置，使数控机床的转动链缩短，简化机床机械传动系统的结构。
（2）采用具有高刚度高抗震性及较小热变形的特殊结构，使机床精度静刚度动刚度热刚度大大提高，从而满足大余量切削和精密加工切削需要。
（3）采用高传动效率，高精度，无间隙的传动装置和传动结构。
如滚珠丝杠螺母副，贴塑滑动导轨，直线滚动导轨，静压导轨等传动构建。
（4）加工中心具有完善的刀具自动交换装置。
（5）采用移动门结构的全封闭外罩壳，保证了加工操作的安全性。
（6）具有气动液压排屑冷却润滑等铺助装置。
1.2数控机床目前的现状
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。
“十五”期间，中国数控机床行业实现了超高速发展。
其产量2001年为17521台，2002年24803台，2003年36813台，2004年51861台，2004年产量是2000年的3.7倍，平均年增长39％；2005年国产数控机床产量59639台，接近6万台大关，是“九五”末期的4.24倍。
“十五”期间，中国机床行业发展迅猛的主要原因是市场需求旺盛。
固定资产投资增速快、汽车和机械制造行业发展迅猛、外商投资企业增长速度加快所致。
2006年，中国数控金切机床产量达到85756台，同比增长32.8%，增幅高于金切机床产量增幅18.4个百分点，进而使金切机床产值数控化率达到37.8%，同比增加2.3个百分点。
此外，数控机床在外贸出口方面亦业绩骄人，全年实现出口额3.34亿美元，同比增长63.14%，高于全部金属加工机床出口额增幅18.58个百分点。
2007年，中国数控金切机床产量达123,257台，数控金属成形机床产量达3,011台；国产数控机床拥有量约50万台，进口约20万台。
2008年10月，中国数控机床产量达105,780台，比2007年同比增长2.96％。
长期以来，国产数控机床始终处于低档迅速膨胀，中档进展缓慢，高档依靠进口的局面，特别是国家重点工程需要的关键设备主要依靠进口，技术受制于人。
究其原因，国内本土数控机床企业大多处于“粗放型”阶段，在产品设计水平、质量、精度、性能等方面与国外先进水平相比落后了5-10年；在高、精、尖技术方面的差距则达到了10-15年。
同时中国在应用技术及技术集成方面的能力也还比较低，相关的技术规范和标准的研究制定相对滞后，国产的数控机床还没有形成品牌效应。
同时，中国的数控机床产业目前还缺少完善的技术培训、服务网络等支撑体系，市场营销能力和经营管理水平也不高。
更重要原因是缺乏自主创新能力，完全拥有自主知识产权的数控系统少之又少，制约了数控机床产业的发展。
国外公司在中国数控系统销量中的80％以上是普及型数控系统。
如果我们能在普及型数控系统产品快速产业化上取得突破，中国数控系统产业就有望从根本上实现战略反击。
同时，还要建立起比较完备的高档数控系统的自主创新体系，提高中国的自主设计、开发和成套生产能力，创建国产自主品牌产品，提高中国高档数控系统总体技术水平。
根据最近发布的消息，航空工业集团公司80%的数控机床采购了国产品牌，兵器工业集团目前有90%机床产品采购了国产产品，我国可供市场的1500种数控机床覆盖超重型机床，高精度机床，特种加工机床，锻压设备前沿高新机床等领域。
数控车床同样是数控机床中占较大比重之一，我国已有50家以上企业生产，沈阳机床集团，大连机床集团，济南第一机床集团，宝鸡机床厂，云机长城通力等企业都已批量生产，品种齐全，质量可靠，有的已经跨过月产几百台的门槛。
国外：
国际机床，成套设备为主，国外机床的网络化，对于面临日益全球化竞争的的现代化制造工厂来说，第一要大大提高机床的数控化率。
既数控机床必须达到起码的数量和比例，第二就是所拥有的数控车床必须具有双向高速的联网通讯功能，以保证信息留在工厂车床以法莱克和西门子为代表的数控系统的生产厂商已在几年前推出了具有网络功能的数控系统，由于国外企业的发展水平。
数控机床的网络接口功能被定义为用于用于远程监控和远程诊断。
1.2.1数控机床的发展
数控技术的问世已有40多年的历史，它是由机械学、控制学、电子学、计算机科学四大基础学科发展起来的一门综合性新型学科。
技术发展的需要对21世纪的数控技术提出了更高的要求。
数控机床是50年代发展起来的新型自动化机床，较好解决了形状复杂、精密、小批量零件的加工问题，具有适应性强、加工精度和生产效率高的优点。
由于数控机床综合了电子计算机、自动控制、伺服驱动、精密测量和新型机械结构等诸方面的先进技术，使得数控机床的发展日新月异，数控机床的功能越来越强大。
数控机床的发展趋势体现在数控功能、数控伺服系统、编程方法、数控机床的检测和监控功能、自动调整和控制技术等方面的发展。
1、个性化的发展趋势
（1）高速化、高精度化、高可靠性。
高速化：
提高进给速度与提高主轴转速。
高精度化：
其精度从微米级到亚微米级，乃至纳米级（高可靠性：
一般数控系统的可靠性要高于数控设备的可靠性在一个数量级以上，但也不是可靠性越高越好，因为商品受性能价格比的约束。
2.复合化
数控机床的功能复合化的发展，其核心是在一台机床上要完成车、铣、钻、攻丝、绞孔和扩孔等多种操作工序，从而提高了机床的效率和加工精度，提高生产的柔性。
3.智能化
智能化的内容包括在数控系统中的各个方面：
为追求加工效率和加工质量方面的智能化；为提高驱动性能及使用连接方便等方面的智能化；简化编程、简化操作方面的智能化；还有如智能化的自动编程、智能化的人机界面等，以及智能诊断、智能监控等方面的内容，方便系统的诊断及维修。
4.柔性化、集成化
当今世界上的数控机床向柔性自动化系统发展的趋势是：
从点（数控单机、加工中心和数控复合加工机床）、线（FMC、FMS、FTL、FML）向面（工段车间独立制造岛FA）、体（CIMS、分布式网络集成制造系统）的方向发展，另一方面向注重应用性和经济性方向发展。
柔性自动化技术是制造业适应动态市场需求及产品迅速更新的主要手段，是各国制造业发展的主流趋势，是先进制造领域的基础技术。
2、个性化是市场适应性发展趋势。
当今的市场，国际合作的格局逐渐形成，产品竞争日趋激烈，高效率、高精度加工手段的需求在不断升级，用户的个性化要求日趋强烈，专业化、专用化、高科技的机床越来越得到用户的青睐。
3、开放性是体系结构的发展趋势。
新一代数控系统的开发核心是开放性。
开放性有软件平台和硬件平台的开放式系统，采用模块化，层次化的结构，并通过形式向外提供统一的应用程序接口。
为解决传统的数控系统封闭性和数控应用软件的产业化生产存在的问题。
目前许多国家对开放式数控系统进行研究，数控系统开放化已经成为数控系统的未来之路。
目前开放式数控系统的体系结构规范、通信规范、配置规范、运行平台、数控系统功能库以及数控系统功能软件开发工具等是当前研究的核心。
网络化数控装备是近两年的一个新的焦点。
数控装备的网络化将极大地满足生产线、制造系统、制造企业对信息集成的需求，也是实现新的制造模式如敏捷制造、虚拟企业、全球制造的基础单元。
国内外一些著名数控机床和数控系统制造公司都在近两年推出了相关的新概念和样机。
1.3本课题研究的目标
1．理论方面
（1）掌握数控的有关特点，应用原理。
（2）学会有关方面的计算。
（3）掌握有关刀具方面的知识。
（4）学会对图纸的分析以及相关的程序。
（5）了解机械制造相关的知识。
（6）通过高级工笔试。
2．操作方面
（1）按照机械制图标准绘制零件图。
（2）学会对加工过程中各阶段所需刀具的修磨，装夹和使用。
（3）分析零件的加工工艺。
（4）编写程序，加工零件。
（5）加工时必须符合安全生产的规定。
（6）零件加工成型要得到保证。
1.4完成本课题的可行性分析
凭借着五年所学的理论知识和实践知识，通过了数控中级工，数控高级工，普通车床，钳工电工等的考核，可以完成本论文的编写并与所学的专业相对应，且具有充分的参考材料，（例：
数控加工技术，数控编程，机械制造基础，金属工艺，CAD/CAM制图等）。
和专业老师的耐心指导，综合以上分析完成本课题。
第二章零件加工分析
2.1零件图
本课题零件图如图2-1所示
图2-1
2.2零件结构分析
该零件为轴类零件，材料为45号钢，且工件毛坯是11x35（单位：
mm）
主要由外圆，槽1，槽2，凸圆弧，凹圆弧，锥，半圆弧组成。
外圆：
Φ24的上偏差为正0，02，下偏差为0，最大极限为24.02mm，最小极限为24mm，表面粗糙度是1.6um，Φ32的上偏差为正0.02，下偏差为0.最大极限为32.02mm，最小极限为32mm，表面粗糙度为1.6um。
槽1，2：
Φ18的上偏差为正0.02，下偏差为0，槽宽为3，上偏差是正0.03，下偏差为0。
凹弧1：
半径是R3.5，与凸弧相切。
凸弧：
直径是Φ36上偏差为正0.02，下偏差为0，最大极限为32.02mm，最小极限为36mm,表面粗糙度为1.6um。
凹弧2：
半径是R4，宽度为7的半圆弧。
锥度：
大径是25，是由角度为64度正负6，表面粗糙度为1.6um。
半圆弧：
半径为R3。
2.3零件加工的工艺过程
工序号
工种
工序内容
加工简图
1
下料
Φ35×110
2
车
三爪卡盘加持工件一端，伸出38mm长，车端面见平
3
调头车，取总长107，粗精车R3圆弧，偏移64°±6′的圆锥
4
R4的凹弧，长度7，车长度13，直径Sφ36,上偏差正负0.02.下偏差0.与R4相切的外圆
5
R35的凹弧
6
车至69，直径φ32上偏差正负0.02，下偏差0，切两个直径18，槽宽3的槽
2.4零件加工的工艺卡片
工序号
工序内容
刀具号
刀具类型
主轴转速（r/min）
进给速度（mm/r）
背吃刀量（mm）
1
R3的圆弧，偏移64°±6′的锥，R4的凹弧，直径36上偏差正负0.02，下偏差0外圆弧，R3，5的凹弧，直径32的外圆，倒角C1，直径32，上偏差正0.02，下偏差0，直径24，上偏差正0.02，下偏差0
T0101
35°尖刀
粗600r/min
精1200r/min
粗0.2mm/r
精0.1mm/r
粗1mm
精0.1mm
2
切槽，直径18，上偏差正0.02，下偏差0.宽3
T0202
槽刀
400r/min
0.05mm/r
3mm（刀宽）
第三章系统设备与编程
3.1系统设备的选用
数控车床又称为CNC车床，即计算机数字控制车床，是目前国内使用量最大，覆盖面最广的一种数控机床，约占数控机床总数的25%。
数控机床是集机械、电气、液压、气动、微电子和信息等多项技术为一体的机电一体化产品。
是机械制造设备中具有高精度、高效率、高自动化和高柔性化，加工质量稳定可靠等优点的工作母机。
数控机床的技术水平高低及其在金属切削加工机床产量和总拥有量的百分比是衡量一个国家国民经济发展和工业制造整体水平的重要标志之一。
数控车床是数控机床的主要品种之一，它在数控机床中占有非常重要的位置，几十年来一直受到世界各国的普遍重视并得到了迅速的发展。
数控车床、车削中心，是一种高精度、高效率的自动化机床。
它具有广泛的加工艺性能，可加工直线圆柱、斜线圆柱、圆弧和各种螺纹。
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。
合理选用数控车床，应遵循如下原则：
1.前期准备
确定典型零件的工艺要求、加工工件的批量，拟定数控车床应具有的功能是做好前期准备，合理选用数控车床的前提条件满足典型零件的工艺要求典型零件的工艺要求主要是零件的结构尺寸、加工范围和精度要求。
根据精度要求，即工件的尺寸精度、定位精度和表面粗糙度的要求来选择数控车床的控制精度。
根据可靠性来选择，可靠性是提高产品质量和生产效率的保证。
数控机床的可靠性是指机床在规定条件下执行其功能时，长时间稳定运行而不出故障。
即平均无故障时间长，即使出了故障，短时间内能恢复，重新投入使用。
选择结构合理、制造精良，并已批量生产的机床。
一般，用户越多，数控系统的可靠性越高。
2.机床附件及刀具选购
机床随机附件、备件及其供应能力、刀具，对已投产数控车床、车削中心来说是十分重要的。
选择机床，需仔细考虑刀具和附件的配套性。
3.注重控制系统的同一性
生产厂家一般选择同一厂商的产品，至少应选购同一厂商的控制系统，这给维修工作带来极大的便利。
教学单位，由于需要学生见多识广，选用不同的系统，配备各种仿真软件是明智的选择。
4.根据性能价格比来选择
做到功能、精度不闲置、不浪费，不要选择和自己需要无关的功能。
5.机床的防护
需要时，机床可配备全封闭或半封闭的防护装置、自动排屑装置。
在选择数控车床、车削中心时，应综合考虑上述各项原则。
3.1.1数控系统概述
数控系统是现代机械制造系统的重要基础之一。
而数控机床则是数控系统应用最为广泛和最为典型的一类系统。
所以，本章首先阐述数控机床的基本概念、结构组成、分类方法、显著特点以及发展过程，然后着重讲解计算机数控系统的基本工作原理、内部信息流的处理过程及其各种功能，最后简单介绍数控机床与现代机械制造系统之间的关系。
任何生产都有一定的过程。
采用数字控制技术，生产过程被用某种语言编写的程序来描述，以数字形式送入计算机或专用控制装置，利用计算机的高速数据处理能力，识别出该程序所描述的生产过程，通过汁算和处理将此程序分解为一系列的动作指令，输出并控制生产过程中相应的执行对象，从而可使生产过程能在人不干预或少干预的情况下自动进行，实现生产过程自动化。
可见，计算机数字控制系统都是由输入、决策与输出三个环节组成。
数控系统与被控机床本体的结合体称为数控机床。
它是具有高附加值的技术密集型产品，实现了高度的机、电、液、光、气一体化。
它集机械制造、计算机、微电子、现代控制及精密测量等多种技术为一体，使传统的机械加工工艺发生了质的变化。
这个变化的本质就在于用数控系统实现了加工过程的自动化操作。
数控系统从其发展阶段来看，可分为两种类型：
以电子管、晶体管、集成电路为特征的硬线连接数控系统，即NC系统；
以小型计算机、微处理器、工控PC机为特征的软件数控系统，即CNC系统，现今使用的均为CNC系统。
3、数控系统性能评价指标.数控系统的性能评价指标是指数控系统的主要参数、功能指标及关键部件的功能水平等方面。
3.1.2数控系统组成
计算机数控系统（简称CNC系统）由程序、输入输出设备、CNC装置、可编程控制器（PLC）、主轴驱动装置和进给驱动装置等组成。
具有自主版权的华中I型数控系统荣获了国家科技进步二等奖；具有自主知识产权的华中“世纪星”高档、中档、普及型系列数控系统产品，年销售数万台套，与国内数十家著名主机厂实现了批量配套；五轴联动数控产品打破国外技术封锁，已有一百多台成功应用在航空、船舶、汽车、电力等行业工业用户中，是目前国内唯一获得批量应用的国产高档数控系统。
1、输入
零件程序及控制参数、补偿量等数据的输入，可采用光电阅读机、键盘、磁盘、连接上级计算机的DNC接口、网络等多种形式。
CNC装置在输入过程中通常还要完成无效码删除、代码校验和代码转换等工作。
2、译码
不论系统工作在MDI方式还是存储器方式，都是将零件程序以一个程序段为单位进行处
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