数控机床毕业设计论文

东北大学工业工程专业毕业设计 摘 要进入21世纪以来，随着我国综合国力的增强和加入世界贸易组织（WTO），我国的经济全面与世界接轨，并正在成为全球最重要的制造业基地。中国制造业正在迎来历史上最好的空前发展的崭新时期。本文介绍当前国内外NC技术的现状，包括开放体系结构的采用、高精高速高效功能的提高、软件数字伺服技术以及网络系统的发展等。然后介绍NC技术在集成化、网络化、智能化及数字化等的发展趋势。通过对数控机床、系统、加工工艺与编程进行系统的分析与比较，可以看出现代制造业的重要性，尤其数控加工起着举足轻重的作用。数控机床是现代制造业的关键设备，一个国家数控机床的产量和技术水平在某种程度上就代表这个国家的制造业水平和竞争力。作为制造业大国，我们更应该注重数控技术，站在时代的前沿。本设计运用数控加工工艺与编程的原理，并结合机械制造基础、现代制造系统等知识对数控加工中心加工与编程进行认真的研究与分析。加工工艺、编程方法是本次设计的重点。编程工作主要包括：分析零件图样和制定工艺方案，数学处理，编写零件加工程序，程序检验等等。同时，也注意到数控机床的辅助设备、先进系统给加工与编程带来的方便。为了把我国NC产业搞上去，本文提出发展NC产业要注重系统配套、可靠性、重视创新和加强服务的一些对策。制造业不但成为工业化的象征，而且由于信息技术的渗透，使制造业犹如朝阳产业具有广阔的发展天地。关键字：数控机床；数控技术；加工工艺；数控编程；现代制造AbstractIn the 21st century, as Chinas overall national strength and to join the World Trade Organization (WTO), Chinas comprehensive economic integration with the world and is the worlds most important manufacturing bases. China ushered in the manufacturing sector is the best ever in the history of the development of a new era. This article describes the current status quo at home and abroad NC technology, including the use of open architecture, high-precision high-speed high-performance features of the increase in the number of software servo technology and network systems development. NC then introduced the technology in the integrated network, intelligence and digital, and other trends. The CNC machine tools, systems, processes and systems programming and analysis, we can see the importance of modern manufacturing industry, in particular, CNC Machining play a decisive role.CNC machine tools is the key to modern manufacturing equipment, a countrys output of CNC machine tools and skills to a certain extent on behalf of the countrys manufacturing sector and the level of competitiveness. As a manufacturing power, we should focus on digital technology, stand at the forefront of the times. Design of the use of digital processing technology and programming of the principle of combination of mechanical and manufacturing base, modern manufacturing systems, such as knowledge of CNC machining center and processing program for serious research and analysis. Processing technology, this program is designed to focus on. Programming includes: analysis of the parts and design process to develop programs to deal with mathematics, to prepare parts processing procedures, inspection procedures and so on. At the same time, also took note of the numerical control machine tools, ancillary equipment, advanced systems for processing and convenience brought about by the program. In order to boost our industrial NC, NC In this paper, development of the industry should pay attention to supporting the system, reliability, innovation and strengthen services for a number of countermeasures. Manufacturing not only become a symbol of industrialization, but also because of the penetration of information technology so that the manufacturing sector as a sunrise industry with a broad world.Keywords：CNC machine tools；CNC Technology；Processing Technology；CNC Programming；Modern manufacturing目 录摘 要IAbstractII目 录III第一章 绪论11.1 引言11.2 公司介绍11. 3 公司业绩21.4 国内外NC技术现状及趋势3第二章 数控机床42.1数控机床的组成部分42.2数控机床的结构与传动42.2.1 数控机床的机床本体组成42.3数控机床的结构要求52.4 提高机床的性能52.4.1提高机床结构的静刚度52.4.2提高机床结构的抗振性62.4.3减小机床的热变形62.4.4改善运动导轨副的摩擦特性72.4.5 提高可靠性72.4.6 宽范围调速72.4.7 提高加工精度82.4.8开环放大倍数92.5 数控技术的发展趋势92.5.1技术及装备的新趋势92.5.2 5轴联动加工和复合加工机床102.5.3 数控系统发展趋势102.6 FANUC 0TD系统数控车床概述112.6.1 功能特点112.6.2 操作面板功能简介112.6.3 FANUC 0-TD系统功能132.7 数控机床的布局形式15第三章 数控加工工艺设计173.1 数控加工工艺内容的选择173.1.1 适于数控加工的内容173.1.2 不适于数控加工的内容173.2 数控加工工艺性分析173.3 数控加工工艺路线的设计193.3.1 数控加工工艺路线设计中应注意以下几个问题193.4 数控加工工艺设计方法203.4.1 确定走刀路线和安排加工顺序203.4.2 确定定位和夹紧方案213.4.3 确定刀具与工件的相对位置213.5 确定切削用量223.6 TND360数控车床的技术参数23第四章 数控加工与程序编制254.1 数控加工254.1.1数控加工的定义及特点254.1.2 数控加工的特点254.2 数控加工的工艺设计254.2.1 选择并确定零件的数控加工内容254.3 数控加工的工艺路线设计264.3.1 数控加工的工序设计264.4 数控加工专用技术文件的编写264.5 程序编制264.5.1 加工工艺分析264.5.2 数值计算274.6 编写零件加工程序单274.6.1 制备控制介质274.7程序校验与首件试切274.8 数控编程的种类274.8.1 手工编程274.8.2 自动编程284.9 数控加工与编程实例284.9.1 实例图284.9.2 工艺设计与程序编制29结束语37IV 第一章 绪论1.1 引言沈阳机床厂于1996年通过ISO9001质量体系认证。工厂拥有按专业化格局组建的现代化零件加工、部装、总装、喷漆包装等20个车间，工艺手段、装备实于国内同行业顶尖水平；工厂的产品主要分为普通机床、数控机床、专用机床三大类，CA系列、CW系列、CAK系列、CKH系列、CKS系列、数控车床和系列数控立车等在广大用户中享有盛誉，其中CAK系列数控车床于1997年被评为中国机械工业名牌产品。几年来，沈阳机床每年投资5亿元用于高精尖产品研发，并在柏林、北京、上海、沈阳建立了4大研发中心。机床集团将在未来35年内推进企业战略转型，进入世界机床行业“第一集团”，达到世界先进企业水平。预计到2012年，将打造出80个数控机床的新品种,设有部属二类科技研究所沈阳车床研究所。1.2 公司介绍沈阳第一机床厂始建于1935年，解放后 “ 一 五 ” 期间曾被列为国家 156 项重点工程项目之一。 是沈阳机床股份有限公司的直属企业，是中国规模最大的综合性车床制造厂和国家级数控机床开发制造基地。日前，第10届中国国际机床展览会在北京国际会展中心开幕，沈阳机床集团参展的A、B主轴摆动的五轴立式加工中心和五轴高速龙门加工中心产品，成为本届展会上中国自主品牌公认的代表作。在此次展会上，沈阳机床集团布展面积800平方米，在国内外的参展商中位居第一。其展出的15件产品，件件堪称中国制造的代表作。在发电设备、重型、冶金、矿山机械、船舶和石化设备等重大行业中，沈阳机床都推出了中国领先、国际一流的产品。沈阳机床厂总经理关锡友：沈阳机床投入了1000多名工程师到自主创新上来，我们每年拿出营业额的百分之五来投入。 启动产品研发计划两年来，沈阳机床集团投入研发经费上亿元，在航空航天、船舶等领域先后开发出中高档数控机床产品290余种，许多产品批量进入德国、美国等发达国家和地区。 1. 3 公司业绩在3月份生产机床1400台的基础上，沈阳机床集团第一机床厂连创佳绩：4月份和5月份机床产量均达到1500台，是过去正常月产量的3倍。6月18日，厂党委书记闫世文感触颇深地说，协力管理使企业突破了生产能力瓶颈，建立起高速发展平台，我们可以更加从容地面对入世挑战。第一机床厂过去日均产量只有18.5台。去年以来，旺销的市场需求和生产供货不足成企业的突出矛盾。为了实现集团大发展的目标，第一机床厂大打扩产攻坚战。通过科学组织生产，去年下半年，机床月产量连续突破千台大关。从今年4月初开始，第一机床厂又提出了“月产机床1500台，挑战生产极限”的响亮口号。日产量猛增到50台以上后，厂内高负荷运转的设备开始出现故障。为了彻底打破生产能力瓶颈，第一机床厂转变观念，推出协力管理新举措。他们把床身、床头箱、主轴、丝杠等技术含量高的9种关键零部件留在厂内加工，把其他零部件交给配套厂家去做。变过去的单纯经济合约关系为战略合作伙伴关系，使配套厂家成为自己的生产车间，用责任链对其进行约束，从而达到双方面对共同的市场和用户，谋求共同的发展和利益。协力管理使配套厂家与第一机床厂一道为终端用户服务。今年4月份，工厂为丹东曙光车桥厂制造生产了12台 CK514数控机床。在进行调试时，其中一台床子刀架出了问题。生产刀架的意大利某公司了解这一情况后，立即发货并在最短的时间内派人到丹东曙光车桥厂解决了问题。为了让配套厂家和自己同呼吸、共命运，第一机床厂对其大力扶植，输出技术、管理甚至工装设备。此举调动了配套厂家的生产积极性。铁岭阀门新型铸造有限公司原来为第一机床厂加工 CA6140机床前后床腿毛坯件，每月只能生产三四百套。受到扶植后，该公司新上了冲天炉，招聘了100多人，改干成品件，目前月生产能力已经达到八九百套。通过全球招标采购方式，目前第一机床厂的国内外配套厂家已经达到309家。工厂生产制造部部长车欣嘉兴奋地说，协力管理使全球资源为企业所用，我们的生产潜力可以达到无限大。协力管理不仅使第一机床厂在增产上量方面得心应手，而且在改善产品结构方面游刃有余。该厂4、5月份的产量虽然都是1500台，但其中生产难度大的数控机床，5月份比4月份多干了38台。据了解，从6月份开始，第一机床厂将日产量调整到56台至60台，准备冲击月产机床1600台、1800台的更高纪录。企业经过几十年的不懈努力和大力发展，尤其通过“八五”、“九五”期间产品结构调整和工艺结构调整战略的实施，现已成为我国机床行业的重点骨干企业和“国家级数控车床产业化基地”，是我国最大的综合性车床制造厂。今日的沈阳第一机床厂已成为一个技术领先、管理有序、政通人和、发达的现代化企业，并努力挤身世界机械制造业强者之林1.4 国内外NC技术现状及趋势数控技术从发明到现在，已有近50年的历史。我国数控技术及其产业经历了“六五”的引进“七五”的消化吸收，到“八五”的自主开发，“九五”、“十五”产业化，为我国数控产业的发展奠定了一定的基础。产业的集中度逐步提高。随着数控机床需求的高速增长，国产数控系统产业化提到重要日程，迫切要求数控产业快速发展。智能化、开放式、网络化成为当代数控系统发展的主要趋势。系统可通过光纤与PC机连接，采用Window兼容软件和开发环境。功能以高速、超精为核心，并具有智能控制。第二章 数控机床数控车床能对轴类或盘类等回转体零件自动地完成内、外圆柱面，圆锥面，圆弧面和直、锥螺纹等工序的切削加工，并能进行切槽、钻、扩和铰等工作。它是目前国内使用极为广泛的一种数控机床，约占数控机床总数的25%。2.1数控机床的组成部分机床的主要组成部分有：数控系统、立柱、主轴箱、床身、电气柜和操纵按钮站等。辅助设施有：自动润滑系统、恒温油箱、照明装置、走台、扶梯、导轨防护罩、液压系统及电气系统等。机床配有固定平台和数控重型回转工作台供用户选择。数控重型回转工作台主要组成部分有：床身、滑座、工作台等。辅助设施有：自动润滑系统、导轨防护罩、液压系统等。2.2数控机床的结构与传动机床本体是数控机床的主体部分。来自于数控装置的各种运动和动作指令，都必须由机床本体转换成真实的、准确的机械运动和动作，才能实现数控机床的功能，并保证数控机床的性能要求。 2.2.1 数控机床的机床本体组成 (1) 主传动系统，其功用是实现主运动。(2) 进给系统，其功用是实现进给运动。 (3)机床基础件，通常指床身、底座、立柱、滑座、工作台等。其功用是支承机床本体的零、部件，并保证这些零、部件在切削加工过程中占有的准确位置。 (4) 实现某些部件动作和某些辅助功能的装置，如液压、气动、润滑、冷却以及防护、排屑等装置。 (5) 实现工件回转、分度定位的装置和附件，如回转工作台。 (6) 刀库、刀架和自动换刀装置(ATC) 。 (7) 自动托盘交换装置 (APC) 。 (8) 特殊功能装置，如刀具破损检测、精度检测和监控装置等。 其中，机床基础件、主传动系统、进给系统以及液压、润滑、冷却等辅助装置是构成数控机床的机床本体的基本部件，其他部件则按数控机床的功能和需要选用。尽管数控机床的机床本体的基本构成与传统的机床十分相似，但由于数控机床在功能和性能上的要求与传统机床存在着巨大的差距，所以数控机床的机床本体在总体布局、结构、性能上与传统机床有许多明显的差异，出现了许多适应数控机床功能特点的完全新颖的机械结构和部件。2.3数控机床的结构要求数控机床是一种高精度、高效率的自动化加工设备。尽管数控机床价格昂贵，一次性投资巨大，但仍然为机械制造厂家所普遍采用并取得很好的经济效益，其原因在于数控机床能自动化地，高精度、高质量、高效率地解决中、小批量的加工问题。数控技术、伺服驱动技术的发展及在机床上的应用，为数控机床的自动化、高精度、高效率提供了可能性，但要将可能性变成现实，则必须要求数控机床的机械结构具有优良的特性才能保证。这些特性包括结构的静刚度、抗振性、热稳定性、低速运动的平稳性及运动时的摩擦特性、几何精度、传动精度等。 2.4 提高机床的性能 2.4.1提高机床结构的静刚度机床结构的静刚度是指在切削力和其他力的作用下，机床抵抗变形的能力。机床在加工过程中，受多种外力的作用，包括运动部件和工件的自重、切削力、驱动力、加减速时的惯性力、摩擦阻力等。机床的各部件在这些力的作用下将产生变形，如各基础件的弯曲和扭转变形，支承构件的局部变形，固定 连接面 和运动啮合面的接触变形等。这些变形都会直接或间接地引起刀具与工件之间产生相对位移，破坏刀具和工件原来所占有的正确位置，从而影响机床的加工精度和切削过程的特性，所以，提高机床的静刚度是机床结构设计的普遍要求。数控机床为获得高效率而具有的大功率和高速度，使它所承受的各种外力负载更加恶劣，而且加工过程的自动化也使得加工误差无法由人工干预来修正和补偿，所以，数控机床的变形对加工精度的影响会更为严重。为了保证数控机床在自动化、高效率的切削条件下获得稳定的高精度，其机械结构应具有更高的静刚度，有标准规定数控机床的刚度系数应比类似的普通机床高 50 。2.4.2提高机床结构的抗振性机床的振动会在被加工工件表面留下振纹，影响工件的表面质量，严重时则使加工过程难以进行下去。机床加工时可能产生两种形式的振动：强迫振动和自激振动。机床的抗振性指的是抵抗这两种振动的能力。强迫振动是在各种动态力 ( 如高速回转零件的不平衡力、往复运动件的换向冲击力、周期变化的切削力等 ) 作用下被迫产生的振动。如果动态力的频率与机床某部件的固有频率重合，则将发生共振。机床结构抵抗强迫振动的能力可以用动刚度大小来表示。自激振动是在投有外加动态力的情况下，由切削过程自身所激发的振动。自激振动的频率接近或略高于机床主振型的低阶固有频率，振幅较大，对加工过程产生极为不利的影响。当机床的刚度、刀具切削角度、工件与刀具材料、切削速度和进给量都一定时，影响自激振动的主要因素就是切削宽度b，因此，可以把不产生自激振动的最大切削宽度，称为临界切削宽度，作为判断机床切削稳定性(抵抗自激振动的能力)的指标。高速切削是产生动态力的直接因素，强力切削也意味着切削宽度大。数控机床在追求高速度、高切削效率的同时，也埋下了容易产生受迫振动和自激振动的根源。切削过程的自动化又使得振动难以由人工来控制和消除，数控机床只有靠自身机床结构的高抗振性来减小和克服振动对加工精度、加工过程的影响。提高机床的抗振性，可以从提高静刚度、固有频率和增加阻尼几个方面着手。提高静刚度的措施已在前面有详细的介绍。因为固有频率 其中，K为静刚度，m为结构质量)，所以在提高静刚度时，能相对减小结构件的重量，即提高单位重量的刚度，则能提高固有频率。前面介绍的合理布置筋板，采用钢板焊接结构等提高静刚度的措施，同样能达到提高固有频率的目的。2.4.3减小机床的热变形热膨胀是各种金属和非金属材料的固有特性。机床在工作时，有许多部件和部位会产生大量热量，如电机、滚动轴承、切屑及刀具与工件的切削部位、液压系统等。这些产生热量的部件和部位称为热源。热源产生的热量通过传导、对流、辐射传递给机床的各个部件，引起温升，产生热膨胀。由于热源分布不均匀，各热源产生的热量不等，零部件各处质量不均匀，形成机床各部位温升不一致，从而产生不均匀的温度场和不均匀的热膨胀变形，以致破坏刀具与工件的正确相对位置，影响加工精度。 数控机床的主轴转速、进给速度远高于传统机床，并且大切削用量产生的炽热切屑也多，故发热远较传统机床严重，而热变形对加工精度的影响往往难以控制。2.4.4改善运动导轨副的摩擦特性机床导轨是机床基本结构的要素之一。机床的加工精度和使用寿命很大程度上取决于机床导轨的质量，而对数控机床的导轨则有更高的要求，如：高速进给时不振动， 低速进 给时不爬行；有高的灵敏度，能在重载下长期连续工作；耐磨性要高，精度保持性要好等。这些都与 导轨副 的摩擦特性有关，要求摩擦系数小，静、动摩擦系数之差小。现代数控机床采用的导轨主要有塑料滑动导轨、滚动导轨和静压导轨。2.4.5 提高可靠性数控机床是一种高精度、高效率的自动化设备，如果发生故障其损失就更大，所以提高数控机床的可靠性就显得尤为重要。可靠度是评价可靠性的主要定量指标之一，其定义为：产品在规定条件下和规定时间内，完成规定功能的概率。对数控机床来说，它的规定条件是指其环境条件、工作条件及工作方式等，例如温度、湿度、振动、电源、干扰强度和操作规程等。这里的功能主要指数控机床的使用功能，例如数控机床的各种机能，伺服性能等。平均故障（失效）间隔时间（MTBF）是指发生故障经修理或更换零件还能继续工作的可修复设备或系统，从一次故障到下一次故障的平均时间，数控机床常用它作为可靠性的定量指标。由于数控装置采用微机后，其可靠性大大提高，所以伺服系统的可靠性就相对突出。它的故障主要来自伺服元件及机械传动部分。通常液压伺服系统的可靠性比电气伺服系统差，电磁阀、继电器等电磁元件的可靠性较差，应尽量用无接触点元件代替。目前数控机床因受元件质量、工艺条件及费用等限制，其可靠性还不很高。为了使数控机床能得到工厂的欢迎，必须进一步提高其可靠性，从而提高其使用价值。在设计伺服系统时，必须按设计的技术要求和可靠性选择元器件，并按严格的测试检验进行筛选，在机械互锁装置等方面，必须给予密切注意，尽量减少因机械部件引起的故障。2.4.6 宽范围调速在数控机床的加工中，伺服系统为了同时满足高速快移和单步点动，要求进给驱动具有足够宽的调速范围。单步点动作为一种辅助工作方式常常在工作台的调整中使用。伺服系统在低速情况下实现平稳进给，则要求速度必须大于“死区”范围。所谓“死区”指的是由于静摩擦力的存在使系统在很小的输入下，电机克服不了这摩擦力而不能转动。此外，还由于存在机械间隙，电机虽然转动，但拖板并不移动，这些现象也可用“死区”来表达。设死区范围为a，则最低速度Vmin，应满足Vmina，由于adK，d为脉冲当量（mm/脉冲）；K为开环放大倍数，则：VmindK若取d=0.01mm/脉冲，K=301/S，则最低速度Vmina=300.01mm/min=18mm/min。伺服系统最高速度的选择要考虑到机床的机械允许界限和实际加工要求，高速度固然能提高生产率，但对驱动要求也就更高。此外，从系统控制角度看也有一个检测与反馈的问题，尤其是在计算机控制系统中，必须考虑软件处理的时间是否足够。由于fmax=fmax/d式中：fmax为最高速度的脉冲频率，kHz；vmax为最高进给速度，mm/min；d为脉冲当量，mm。又设D为调速范围，D=Vmax/Vmin，得fmax =DVmin/d=DKd/d=DK由于频率的倒数就是两个脉冲的间隔时间，对应于最高频率fmax的倒数则为最小的间隔时间tmin，即tmin=1/DK。显然，系统必须在tmin内通过硬件或软件完成位置检测与控制的操作。对最高速度而言，Vmax的取值是受到tmin的约束。一个较好的伺服系统，调速范围D往往可达到8001000。当今最先进的水平是在脉冲当量d=1m的条件下，进给速度从0240m/min范围内连续可调。2.4.7 提高加工精度精度是机床必须保证的一项性能指标。位置伺服控制系统的位置精度在很大程度上决定了数控机床的加工精度。因此位置精度是一个极为重要的指标。为了保证有足够的位置精度，一方面是正确选择系统中开环放大倍数的大小，另一方面是对位置检测元件提出精度的要求。因为在闭环控制系统中，对于检测元件本身的误差和被检测量的偏差是很难区分出来的，反馈检测元件的精度对系统的精度常常起着决定性的作用。可以说，数控机床的加工精度主要由检测系统的精度决定。位移检测系统能够测量的最小位移量称做分辨率。分辨率不仅取决于检测元件本身，也取决于测量线路。在设计数控机床、尤其是高精度或大中型数控机床时，必须精心选用检测元件。所选择的测量系统的分辨率或脉冲当量，一般要求比加工精度高一个数量级。总之，高精度的控制系统必须有高精度的检测元件作为保证。例如，数控机床中常用的直线感应同步器的精度已可达0.0001mm，即0.1?m，灵敏度为0.05?m，重复精度0.2?m；而圆型感应同步器的精度可达0.5N，灵敏度0.05N，重复精度0.1N。2.4.8开环放大倍数在典型的二阶系统中，阻尼系数x=1/2（KT）-1/2，速度稳态误差e（）1/K，其中K为开环放大倍数，工程上多称作开环增益。显然，系统的开环放大倍数是影响伺服系统的静态、动态指标的重要参数之一。一般情况下，数控机床伺服机构的放大倍数取为2030（1/S）。通常把K20 的系统称为高放大倍数或硬伺服系统，应用于轮廓加工系统。假若为了不影响加工零件的表面粗糙度和精度，希望阶跃响应不产生振荡，即要求是取值大一些，开环放大倍数K就小一些；若从系统的快速性出发，希望x选择小一些，即希望开环放大倍数增加些，同时K值的增大对系统的稳态精度也能有所提高。因此，对K值的选取是必需综合考虑的问题。换句话说，并非系统的放大倍数愈高愈好。当输入速度突变时，高放大倍数可能导致输出剧烈的变动，机械装置要受到较大的冲击，有的还可能引起系统的稳定性问题。这是因为在高阶系统中系统稳定性对K值有取值范围的要求。低放大倍数系统也有一定的优点，例如系统调整比较容易，结构简单，对扰动不敏感，加工的表面粗糙度好。2.5 数控技术的发展趋势2.5.1技术及装备的新趋势效率、质量是先进制造技术的主体。高速、高精加工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。为此日本先端技术研究会将其列为5大现代制造技术之一，国际生产工程学会（CIRP）将其确定为21世纪的中心研究方向之一。在轿车工业领域，年产30万辆的生产节拍是40秒/辆，而且多品种加工是轿车装备必须解决的重点问题之一；在航空和宇航工业领域，其加工的零部件多为薄壁和薄筋，刚度很差，材料为铝或铝合金，只有在高切削速度和切削力很小的情况下，才能对这些筋、壁进行加工。近来采用大型整体铝合金坯料“掏空”的方法来制造机翼、机身等大型零件来替代多个零件通过众多的铆钉、螺钉和其他联结方式拼装，使构件的强度、刚度和可靠性得到提高。这些都对加工装备提出了高速、高精和高柔性的要求。从EMO2001展会情况来看，高速加工中心进给速度可达80m/min，甚至更高，空运行速度可达100m/min左右。目前世界上许多汽车厂，包括我国的上海通用汽车公司，已经采用以高速加工中心组成的生产线部分替代组合机床。美国CINCINNATI公司的HyperMach机床进给速度最大达60m/min，快速为100m/min，加速度达2g，主轴转速已达60000r/min。加工一薄壁飞机零件，只用30min，而同样的零件在一般高速铣床加工需3h，在普通铣床加工需8h；德国DMG公司的双主轴车床的主轴速度及加速度分别达12000r/mm和1g。在加工精度方面，近10年来，普通级数控机床的加工精度已由10m提高到5m，精密级加工中心则从35m，提高到11.5m，并且超精密加工精度已开始进入纳米级(0.01m)。在可靠性方面，国外数控装置的MTBF值已达6000h以上，伺服系统的MTBF值达到30000h以上，表现出非常高的可靠性。为了实现高速、高精加工，与之配套的功能部件如电主轴、直线电机得到了快速的发展，应用领域进一步扩大。2.5.2 5轴联动加工和复合加工机床在EMO2001展会上，新日本工机的5面加工机床采用复合主轴头，采用5轴联动对三维曲面零件的加工，可用刀具最佳几何形状进行切削，不仅光洁度高，而且效率也大幅度提高。一般认为，1台5轴联动机床的效率可以等于2台3轴联动机床，特别是使用立方氮化硼等超硬材料铣刀进行高速铣削淬硬钢零件时，5轴联动加工可比3轴联动加工发挥更高的效益。但过去因5轴联动数控系统、主机结构复杂等原因，其价格要比3轴联动数控机床高出数倍，加之编程技术难度较大，制约了5轴联动机床的发展。当前由于电主轴的出现，使得实现5轴联动加工的复合主轴头结构大为简化，其制造难度和成本大幅度降低，数控系统的价格差距缩小。因此促进了复合主轴头类型5轴联动机床和复合加工机床（含5面加工机床）的发展。可实现4个垂直平面的加工和任意角度的加工，使得5面加工和5轴加工可在同一台机床上实现，还可实现倾斜面和倒锥孔的加工。德国DMG公司展出DMUVoution系列加工中心，可在一次装夹下5面加工和5轴联动加工，可由CNC系统控制或CAD/CAM直接或间接控制。2.5.3 数控系统发展趋势21世纪的数控装备将是具有一定智能化的系统，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，如加工过程的自适应控制，工艺参数自动生成；为提高驱动性能及使用连接方便的智能化，如前馈控制、电机参数的自适应运算、自动识别负载自动选定模型、自整定等；简化编程、简化操作方面的智能化，如智能化的自动编程、智能化的人机界面等；还有智能诊断、智能监控方面的内容、方便系统的诊断及维修等。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，如美国的NGC(The Next Generation Work-Station/Machine Control)、欧共体的OSACA(Open System Architecture for Control within Automation Systems)、日本的OSEC(Open System Environment for Controller)，中国的ONC(Open Numerical Control System)等。数控系统开放化已经成为数控系统的未来之路。所谓开放式数控系统就是数控系统的开发可以在统一的运行平台上，面向机床厂家和最终用户，通过改变、增加或剪裁结构对象（数控功能），形成系列化，并可方便地将用户的特殊应用和技术诀窍集成到控制系统中，快速实现不同品种、不同档次的开放式数控系统，形成具有鲜明个性的名牌产品。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国际著名机床博览会的一个新亮点。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，如在EMO2001展中，日本山崎马扎克（Mazak）公司展出的“CyberProduction Center”（智能生产控制中心，简称CPC）；日本大隈（Okuma）机床公司展出“IT plaza”（信息技术广场，简称IT广场）；德国西门子(Siemens)公司展出的Open Manufacturing Environment（开放制造环境，简称OME）等，反映了数控机床加工向网络化方向发展的趋势。2.6 FANUC 0TD系统数控车床概述2.6.1 功能特点CAK6150P数控车床采用FANUC 0TD数空系统，有俩个进给轴，采用交流伺服电动机拖动滚珠丝杠传动，可实现平面连续轨迹运动。纵向进给予主轴平行称做Z轴，指向台尾方向为正方向；横向进给与主轴垂直称作X轴，离开工作方向为正方向。本系统可采用绝对编程，也可采用相对编程。在X方向可采用直径编程，因此编程的X（U）值是实际坐标值的2倍，但刀具的移动量只有编程值的一半。2.6.2 操作面板功能简介操作面板主要由数控系统面板及机床操作键组成。主要性能见表2.1，CAK6150P机床主要参考技术见表2.2，机床常用电机见表2.3。表2.1 FANUC0TD数控系统主要性能主要的性能指标主要性能指标数控装置最小指令单位FANUC0TD0.001MM刀尖半径偿每转/每分进给*最大编程尺寸工件程序容量9999.99MM40M（可扩展）间隙补偿螺距误差补偿*绝对/增量编程X、Z/U、W工件坐标评移*直线圆弧/插补*反参考点*米制螺纹*远超成保护*螺纹退尾*进给驱动装置*固定循环*自程序调用*复合循环*公英制转换*刀具补偿*恒线速控制#RS232接口#主轴无级调速#其中*表示基本功能；#表示选择功能表2.2 CAK6150P机床主要参考技术项目单位规格项目单位规格床身最大回转直径最大工件长度MMMM500640.890.1300最大切削直径最大切削长度MMMM400.600850.1300床鞍上最大切削直径MM300主轴端部型式及代号D8、A8主轴前端锥孔1：2主轴孔径MM70主轴转速范围R/MIN401800主轴电动机输出功率KW6.5/8主轴转速级数3档12级尾座套孔直径MM75尾座套管行程M150尾座套孔锥孔锥度莫氏5号X轴快移速度M/MIN4Z轴快移速度M/MIN8X轴行程MM250Z轴行程MM890中心高（距床身）MM250中心高（距地面）MM1130表2.3 机床用电动机一览表序号电动机名称规格备注1主轴电动机YD132M-2/4，6.5KW，2800/1450R/MIN2四工位刀架转位Y160M-4，11K，1450R/MIN34冷却泵主轴箱润滑泵AOB-25，90W，2800R/MINAO-5624，120W，2800R/MIN56液压X周伺服Y90L-6，1.1KW，1000E/MINSGMG-05A2AB，0.85KW/1。3KW，1500R/MIN7Z轴伺服SGMG-013/2AB，0.85KW/1。3KW，1500R/MIN2.6.3 FANUC 0-TD系统功能数控机床加工中的动作在加工程序中用指令的方式事先予以规定，这类指令有准备功能G、辅助功能M、刀具功能T、主轴转速功能S和进给功能F等。由于目前数控机床的形式和数控系统的种类较多，同一G指令或同一M指令其含义不完全相同，甚至完全不同（例如在FANUC0-TD中G90代表单一形状固定循环指令，而在FANUC0-MD中G90代表绝对值输入指令）。(1)准备功能G指令表2.4 FANUC0-TD系统常用准备功能G指令功能G指令组号功能G指令组号功能*G0001快速点定位G7000精车循环G01直线插补G71外圆粗车复合循环G02顺时针圆弧插补G72端面粗车复合循环G03逆时针圆弧插补G73固定形状粗加工复合循环G0400暂停G75切槽循环G2002英制尺寸G76螺纹切削复合循环*G21米制尺寸G9001单一形状固定循环G3201螺纹切削G92螺纹切削循环*G4007取消刀具半径补偿G94端面切削循环G41刀尖圆弧半径左补偿G9602恒速切削控制有效G42刀尖圆弧半径右补偿*G97恒速切削控制取消G5000设定坐标系，设定主轴最高转速G9805进给速度按每分钟设定*G54G5914工件坐标系选择*G99进给速度按每转设定(2)功能M指令表2.5 FANUC 0-TD系统常用辅助功能M指令M指令功能M指令功能M00程序暂停M09切削液关M01选择停止M13主轴正转，切削液开M03主轴正转M14主轴反转，切削液开M04主轴反转M30程序结束M05主轴停转M98调用子程序M08切削液开M99子程序结束，返回主程序(3) F、T、S功能1)F功能指定进给速度。每转进给（G99）：系统开机状态为G99状态，只有输入G98指令后，G99才被取消。在含有G99的程序段后面，遇到F指令时，F所指定的进给速度单位为mm/r。每分钟进给（G98）：在含有G98的程序段后面，在遇到F指令时，则认为F所指定的进给速度单位为mm/min。G98被执行一次后，系统将保持G98状态，直到被G99取消为止。2)T功能指令数控系统进行换刀。在FANUC 0-I系统中，采用T2+2的形式。例如T0101表示采用1号刀具和1号刀补。3)S功能指定主轴转速或速度。恒线速度控制（G96）：G96是恒速切削控制有效指令。系统执行G96指令后，S后面的数值表示切削速度。例如：G96 S100表示切削速度是100m/min。主轴转速控制（G97）：G97是恒速切削控制取消指令。系统执行G97后，S后面的数值表示主轴每分钟的转数。例如：G97 S800表示主轴转速为800r/min。系统开机状态为G97状态。主轴最高速度限定（G50）：G50除具有坐标系设定功能外，还有主轴最高转速设定功能，即用S指定的数值设定主轴每分钟的最高转速。例如：G50 S2000表示主轴转速最高为2000r/min。用恒线速度控制加工端面、锥度和圆弧时，由于X坐标值不断变化，当刀具逐渐接近工作的旋转中心时，主轴转速会越来越高，工件有从卡盘飞出的危险，所以为防止事故的发生，有时必须限定主轴的最高转速。F功能、T功能、S功能均为模态指令。2.7 数控机床的布局形式数控车床布局形式受到工件尺寸、质量和形状；机床生产率；机床精度；操纵方便运行要求和安全与环境保护的要求的影响。（1）随着工件尺寸、质量和形状的变化，数控车床的布局可有卧式车床、落地式车床、单立柱立式车床、双立柱立式车床和龙门移动式立式车床的变化。（2）随着生产率要求的不同，数控车床的布局可以产生单主轴单刀架、单主轴双刀架、双主轴双刀架等不同的结构变化。（3）随着机床精度的不同，数控车床的布局要考虑到切削力、切削热和切削振动的影响。要使这些因素对精度影响最小，机床在布局上就要考虑到各部件的刚度、抗振性和在受热时使得热变形的影响在不敏感的方向。如卧式车床主轴箱热变形时，随着刀架的位置不同，对尺寸的影响不同。由此可看出，在卧式数控机床布局中，刀架和导轨的布局已成为重要的影响因素。刀架位置和导轨的位置较大地影响了机床和刀具的调整、工件的装卸、机床操作的方便性，以及机床的加工精度，并且考虑到排屑性和抗振性，导轨宜采用倾斜式。由于对安全的要求和环境的保护，数控机床上采用了防护罩，可将机床加工区全部封闭起来。第三章 数控加工工艺设计在进行数控加工工艺设计时，一般应进行以下几方面的工作：数控加工工艺内容的选择；数控加工工艺性分析；数控加工工艺路线的设计。3.1 数控加工工艺内容的选择对于一个零件来说，并非全部加工工艺过程都适合在数控机床上完成,而往往只是其中的一部分工艺内容适合数控加工。这就需要对零件图样进行仔细的工艺分析，选择那些最适合、最需要进行数控加工的内容和工序。在考虑选择内容时，应结合本企业设备的实际，立足于解决难题、攻克关键问题和提高生产效率，充分发挥数控加工的优势。3.1.1 适于数控加工的内容在选择时，一般可按下列顺序考虑：（1）通用机床无法加工的内容应作为优先选择内容； （2）通用机床难加工，质量也难以保证的内容应作为重点选择内容； （3）通用机床加工效率低、工人手工操作劳动强度大的内容，可在数控机床尚存在富裕加工能力时选择。3.1.2 不适于数控加工的内容一般来说，上述这些加工内容采用数控加工后，在产品质量、生产效率与综合效益等方面都会得到明显提高。相比之下，下列一些内容不宜选择采用数控加工： （1）占机调整时间长。以毛坯的粗基准定位加工第一个精基准，需用专用工装协调的内容；（2）加工部位分散，需要多次安装、设置原点。这时，采用数控加工很麻烦，效果不明显，可安排通用机床补加工；（3）按某些特定的制造依据（如样板等）加工的型面轮廓。主要原因是获取数据困难，易于与检验依据发生矛盾，增加了程序编制的难度。此外，在选择和决定加工内容时，也要考虑生产批量、生产周期、工序间周转情况等等。总之，要尽量做到合理，达到多、快、好、省的目的。要防止把数控机床降格为通用机床使用。 3.2 数控加工工艺性分析被加工零件的数控加工工艺性问题涉及面很广，下面结合编程的可能性和方便性提出一些必须分析和审查的主要内容。（1）尺寸标注应符合数控加工的特点在数控编程中，所有点、线、面的尺寸和位置都是以编程原点为基准的。因此零件图样上最好直接给出坐标尺寸，或尽量以同一基准引注尺寸。（2）几何要素的条件应完整、准确在程序编制中，编程人员必须充分掌握构成零件轮廓的几何要素参数及各几何要素间的关系。因为在自动编程时要对零件轮廓的所有几何元素进行定义，手工编程时要计算出每个节点的坐标，无论哪一点不明确或不确定，编程都无法进行。但由于零件设计人员在设计过程中考虑不周或被忽略，常常出现参数不全或不清楚，如圆弧与直线、圆弧与圆弧是相切还是相交或相离。所以在审查与分析图纸时，一定要仔细核算，发现问题及时与设计人员联系。（3）定位基准可靠在数控加工中，加工工序往往较集中，以同一基准定位十分重要。因此往往需要设置一些辅助基准，或在毛坯上增加一些工艺凸台。如图3.1a所示的零件，为增加定位的稳定性，可在底面增加一工艺凸台，如图3.1b所示。在完成定位加工后再除去。a)改进前的结构b)改进后的结构图3.1 工艺凸台的应用 （4）统一几何类型及尺寸零件的外形、内腔最好采用统一的几何类型及尺寸，这样可以减少换刀次数，还可能应用控制程序或专用程序以缩短程序长度。零件的形状尽可能对称，便于利用数控机床的镜向加工功能来编程，以节省编程时间。3.3 数控加工工艺路线的设计数控加工工艺路线设计与通用机床加工工艺路线设计的主要区别,在于它往往不是指从毛坯到成品的整个工艺过程，而仅是几道数控加工工序工艺过程的具体描述。因此在工艺路线设计中一定要注意到，由于数控加工工序一般都穿插于零件加工的整个工艺过程中，因而要与其它加工工艺衔接好。常见工艺流程如图3.2所示。图3.2 工艺流程3.3.1 数控加工工艺路线设计中应注意以下几个问题（1）工序的划分根据数控加工的特点，数控加工工序的划分一般可按下列方法进行：1）以一次安装、加工作为一道工序。这种方法适合于加工内容较少的零件，加工完后就能达到待检状态。2）以同一把刀具加工的内容划分工序。有些零件虽然能在一次安装中加工出很多待加工表面，但考虑到程序太长，会受到某些限制，如控制系统的限制（主要是内存容量），机床连续工作时间的限制（如一道工序在一个工作班内不能结束）等。此外，程序太长会增加出错与检索的困难。因此程序不能太长，一道工序的内容不能太多。3）以加工部位划分工序。对于加工内容很多的工件，可按其结构特点将加工部位分成几个部分，如内腔、外形、曲面或平面，并将每一部分的加工作为一道工序。4）以粗、精加工划分工序。对于经加工后易发生变形的工件，由于对粗加工后可能发生的变形需要进行校形，故一般来说，凡要进行粗、精加工的过程，都要将工序分开。（2）顺序的安排顺序的安排应根据零件的结构和毛坯状况，以及定位、安装与夹紧的需要来考虑。顺序安排一般应按以下原则进行：1）上道工序的加工不能影响下道工序的定位与夹紧，中间穿插有通用机床加工工序的也应综合考虑；2）先进行内腔加工，后进行外形加工；3）以相同定位、夹紧方式加工或用同一把刀具加工的工序，最好连续加工，以减少重复定位次数、换刀次数与挪动压板次数；（3）数控加工工艺与普通工序的衔接数控加工工序前后一般都穿插有其它普通加工工序，如衔接得不好就容易产生矛盾。因此在熟悉整个加工工艺内容的同时，要清楚数控加工工序与普通加工工序各自的技术要求、加工目的、加工特点，如要不要留加工余量，留多少；定位面与孔的精度要求及形位公差；对校形工序的技术要求；对毛坯的热处理状态等，这样才能使各工序达到相互满足加工需要，且质量目标及技术要求明确，交接验收有依据。3.4 数控加工工艺设计方法在选择了数控加工工艺内容和确定了零件加工路线后，即可进行数控加工工序的设计。数控加工工序设计的主要任务是进一步把本工序的加工内容、切削用量、工艺装备、定位夹紧方式及刀具运动轨迹确定下来，为编制加工程序作好准备。3.4.1 确定走刀路线和安排加工顺序走刀