毕业设计论文数控机床的分类及典型轴类零件的加工

数控机床的分类及典型轴类零件的加工摘 要: 数字控制简称NC，是近代发展起来的用数字化信息进行控制的自动控制技术。数控加工具有如下特点：加工柔性好，加工精度高，生产率高，减轻操作者劳动强度、改善劳动条件，有利于生产管理的现代化以及经济效益的提高。数控机床是一种高度机电一体化的产品，适用于加工多品种小批量零件、结构较复杂、精度要求较高的零件、需要频繁改型的零件、要求精密复制的零件等。目前，数控机床的发展日新月异，高速化、高精度化、复合化、智能化、开放化、并联驱动化、网络化、极端化、绿色化已成为数控机床发展的趋势和方向。设计一个典型的轴类零件（由圆柱、圆锥、球体、螺纹等要素组成），分析和选择材料、毛坯、设备、刀具；编制加工工艺、加工线路和数控加工程序等。关键词: 数字控制 数控机床 轴类零件加工 数控程序CNC machine tools and the classificationof a typical shaft of processingAbstract : Digital Control referred to NC, is the use of modern development of digital information to control the automatic control technology. NC has the following features: Flexible processing, and processing of high accuracy, high productivity, reduce labor intensity operators to improve working conditions, conducive to the modernization of production management and the improvement of economic efficiency. NC machine tools is a high degree of integration of mechanical and electrical products, applicable to many varieties of small batch processing components, structure more complex, high precision parts, the need for frequent modified parts for sophisticated copy of the spare parts. At present, the rapid development of CNC machine tools, high-speed, high-precision, complex, intelligent, open, parallel-driven, network-based, extreme, green has become the trend of development of CNC machine tools and direction. Design of a typical shaft parts (by the cylinder, cone, the ball of thread, and other elements of composition), analysis and choice of materials, rough, equipment, tools; establishment processing technology, processing lines and NC procedures.Key words : Digital Control CNC machine tools Shaft processing NC program一、绪 论数字控制（Numerical Control）,简称NC，是近代发展起来的用数字化信息进行控制的自动控制技术。数字控制系统有如下特点：1、可用不同的字长表示不同的精度信息，表达信息准确。2、可进行逻辑、算术运算，也可以进行复杂的信息处理。3、可不用改动电路或机械机构，通过改变软件来改变信息处理的方式过程，具柔性化。由于数字控制系统具有上述特点，故被广泛应用于机械运动的轨迹控制。例如数控机工业机器数控线切割机、坐标测量机等。从20世纪中叶数控技术出现以来，数控机床给机械制造业带来了革命性的变化。数控加工具有如下特点：加工柔性好，加工精度高，生产率高，减轻操作者劳动强度、改善劳动条件，有利于生产管理的现代化以及经济效益的提高。数控机床是一种高度机电一体化的产品，适用于加工多品种小批量零件、结构较复杂、精度要求较高的零件、需要频繁改型的零件、价格昂贵不允许报废的关键零件、要求精密复制的零件、需要缩短生产周期的急需零件以及要求100%检验的零件。数控机床的特点及其应用范围使其成为国民经济和国防建设发展的重要装备。 进入21世纪，我国经济与国际全面接轨，进入了一个蓬勃发展的新时期。机床制造业既面临着机械制造业需求水平提升而引发的制造装备发展的良机，也遭遇到加入世界贸易组织后激烈的国际市场竞争的压力，加速推进数控机床的发展是解决机床制造业持续发展的一个关键。随着制造业对数控机床的大量需求以及计算机技术和现代设计技术的飞速进步，数控机床的应用范围还在不断扩大，并且不断发展以更适应生产加工的需要。本文简要分析了数控机床高速化、高精度化、复合化、智能化、开放化、网络化、多轴化、绿色化等发展趋势，并提出了我国数控机床发展中存在的一些问题。数控机床的发展趋势如下：1、高速化 随着汽车、国防、航空、航天等工业的高速发展以及铝合金等新材料的应用，对数控机床加工的高速化要求越来越高。 主轴转速：机床采用电主轴(内装式主轴电机)，主轴最高转速达200000r/min；进给率：在分辨率为0.01m时，最大进给率达到240m/min且可获得复杂型面的精确加工；运算速度：微处理器的迅速发展为数控系统向高速、高精度方向发展提供了保障，开发出CPU已发展到32位以及64位的数控系统，频率提高到几百兆赫、上千兆赫。由于运算速度的极大提高，使得当分辨率为0.1m、0.01m时仍能获得高达24240m/min的进给速度； 换刀速度：目前国外先进加工中心的刀具交换时间普遍已在1s左右，高的已达0.5s。德国Chiron公司将刀库设计成篮子样式，以主轴为轴心，刀具在圆周布置，其刀到刀的换刀时间仅0.9s。2、高精度化 数控机床精度的要求现在已经不局限于静态的几何精度，机床的运动精度、热变形以及对振动的监测和补偿越来越获得重视。 提高CNC系统控制精度：采用高速插补技术，以微小程序段实现连续进给，使CNC控制单位精细化，并采用高分辨率位置检测装置，提高位置检测精度(日本已开发装有106脉冲/转的内藏位置检测器的交流伺服电机，其位置检测精度可达到0.01m/脉冲)，位置伺服系统采用前馈控制与非线性控制等方法； 采用误差补偿技术：采用反向间隙补偿、丝杆螺距误差补偿和刀具误差补偿等技术，对设备的热变形误差和空间误差进行综合补偿。研究结果表明，综合误差补偿技术的应用可将加工误差减少60%80%； 采用网格解码器检查和提高加工中心的运动轨迹精度，并通过仿真预测机床的加工精度，以保证机床的定位精度和重复定位精度，使其性能长期稳定，能够在不同运行条件下完成多种加工任务，并保证零件的加工质量。3、功能复合化 复合机床的含义是指在一台机床上实现或尽可能完成从毛坯至成品的多种要素加工。根据其结构特点可分为工艺复合型和工序复合型两类。工艺复合型机床如镗铣钻复合、加工中心、车铣复合、车削中心、铣镗钻车复合、复合加工中心等；工序复合型机床如多面多轴联动加工的复合机床和双主轴车削中心等。采用复合机床进行加工，减少了工件装卸、更换和调整刀具的辅助时间以及中间过程中产生的误差，提高了零件加工精度，缩短了产品制造周期，提高了生产效率和制造商的市场反应能力，相对于传统的工序分散的生产方法具有明显的优势。 加工过程的复合化也导致了机床向模块化、多轴化发展。德国Index公司最新推出的车削加工中心是模块化结构，该加工中心能够完成车削、铣削、钻削、滚齿、磨削、激光热处理等多种工序，可完成复杂零件的全部加工。随着现代机械加工要求的不断提高，大量的多轴联动数控机床越来越受到各大企业的欢迎。 在2005年中国国际机床展览会(CIMT2005)上，国内外制造商展出了形式各异的多轴加工机床(包括双主轴、双刀架、9轴控制等)以及可实现45轴联动的五轴高速门式加工中心、五轴联动高速铣削中心等。 4、控制智能化 随着人工智能技术的发展，为了满足制造业生产柔性化、制造自动化的发展需求，数控机床的智能化程度在不断提高。具体体现在以下几个方面： 加工过程自适应控制技术：通过监测加工过程中的切削力、主轴和进给电机的功率、电流、电压等信息，利用传统的或现代的算法进行识别，以辩识出刀具的受力、磨损、破损状态及机床加工的稳定性状态，并根据这些状态实时调整加工参数(主轴转速、进给速度)和加工指令，使设备处于最佳运行状态，以提高加工精度、降低加工表面粗糙度并提高设备运行的安全性； 加工参数的智能优化与选择：将工艺专家或技师的经验、零件加工的一般与特殊规律，用现代智能方法，构造基于专家系统或基于模型的“加工参数的智能优化与选择器”，利用它获得优化的加工参数，从而达到提高编程效率和加工工艺水平、缩短生产准备时间的目的；智能故障自诊断与自修复技术：根据已有的故障信息，应用现代智能方法实现故障的快速准确定位；智能故障回放和故障仿真技术：能够完整记录系统的各种信息，对数控机床发生的各种错误和事故进行回放和仿真，用以确定错误引起的原因，找出解决问题的办法，积累生产经验; 智能化交流伺服驱动装置：能自动识别负载，并自动调整参数的智能化伺服系统，包括智能主轴交流驱动装置和智能化进给伺服装置。这种驱动装置能自动识别电机及负载的转动惯量，并自动对控制系统参数进行优化和调整，使驱动系统获得最佳运行；智能4M数控系统：在制造过程中，加工、检测一体化是实现快速制造、快速检测和快速响应的有效途径，将测量(Measurement)、建模(Modelling)、加工 (Manufacturing)、机器操作(Manipulator)四者(即4M)融合在一个系统中，实现信息共享，促进测量、建模、加工、装夹、操作的一体化。5、体系开放化 向未来技术开放：由于软硬件接口都遵循公认的标准协议，只需少量的重新设计和调整，新一代的通用软硬件资源就可能被现有系统所采纳、吸收和兼容，这就意味着系统的开发费用将大大降低而系统性能与可靠性将不断改善并处于长生命周期；向用户特殊要求开放：更新产品、扩充功能、提供硬软件产品的各种组合以满足特殊应用要求；数控标准的建立：国际上正在研究和制定一种新的CNC系统标准ISO14649(STEP-NC)，以提供一种不依赖于具体系统的中性机制，能够描述产品整个生命周期内的统一数据模型，从而实现整个制造过程乃至各个工业领域产品信息的标准化。标准化的编程语言，既方便用户使用，又降低了和操作效率直接有关的劳动消耗。6、驱动并联化 并联运动机床克服了传统机床串联机构移动部件质量大、系统刚度低、刀具只能沿固定导轨进给、作业自由度偏低、设备加工灵活性和机动性不够等固有缺陷，在机床主轴(一般为动平台)与机座(一般为静平台)之间采用多杆并联联接机构驱动，通过控制杆系中杆的长度使杆系支撑的平台获得相应自由度的运动，可实现多坐标联动数控加工、装配和测量多种功能，更能满足复杂特种零件的加工，具有现代机器人的模块化程度高、重量轻和速度快等优点。 并联机床作为一种新型的加工设备，已成为当前机床技术的一个重要研究方向，受到了国际机床行业的高度重视，被认为是“自发明数控技术以来在机床行业中最有意义的进步”和“21世纪新一代数控加工设备”。 7、极端化(大型化和微型化) 国防、航空、航天事业的发展和能源等基础产业装备的大型化需要大型且性能良好的数控机床的支撑。而超精密加工技术和微纳米技术是21世纪的战略技术，需发展能适应微小型尺寸和微纳米加工精度的新型制造工艺和装备，所以微型机床包括微切削加工(车、铣、磨)机床、微电加工机床、微激光加工机床和微型压力机等的需求量正在逐渐增大。8、信息交互网络化 对于面临激烈竞争的企业来说，使数控机床具有双向、高速的联网通讯功能，以保证信息流在车间各个部门间畅通无阻是非常重要的。既可以实现网络资源共享，又能实现数控机床的远程监视、控制、培训、教学、管理，还可实现数控装备的数字化服务(数控机床故障的远程诊断、维护等)。例如，日本Mazak公司推出新一代的加工中心配备了一个称为信息塔(e-Tower)的外部设备，包括计算机、手机、机外和机内摄像头等，能够实现语音、图形、视像和文本的通信故障报警显示、在线帮助排除故障等功能，是独立的、自主管理的制造单元。 9、加工过程绿色化 随着日趋严格的环境与资源约束，制造加工的绿色化越来越重要，而中国的资源、环境问题尤为突出。因此，近年来不用或少用冷却液、实现干切削、半干切削节能环保的机床不断出现，并在不断发展当中。在21世纪，绿色制造的大趋势将使各种节能环保机床加速发展，占领更多的世界市场。 10、多媒体技术的应用 多媒体技术集计算机、声像和通信技术于一体，使计算机具有综合处理声音、文字、图像和视频信息的能力，因此也对用户界面提出了图形化的要求。合理的人性化的用户界面极大地方便了非专业用户的使用，人们可以通过窗口和菜单进行操作，便于蓝图编程和快速编程、三维彩色立体动态图形显示、图形模拟、图形动态跟踪和仿真、不同方向的视图和局部显示比例缩放功能的实现。除此以外，在数控技术领域应用多媒体技术可以做到信息处理综合化、智能化，应用于实时监控系统和生产现场设备的故障诊断、生产过程参数监测等，因此有着重大的应用价值。二、数 控 机 床 的 组 成数控机床一般由控制介质、数控装置、伺服系统和机床本体组成。图11的实线所示为开环控制的数控机床框图。图11 数控机床的组成为了提高机床的加工精度，在上述系统中再加入一个测量装置（即图12中的虚线部分），这样就构成了闭环控制的数控机床框图。开环控制系统的工作过程是这样的：将控制机床工作台运动的位移量、位移速度、位移方向、位移轨迹等参量通过控制介质输入给机床数控装置，数控装置根据这些参量指令计算得出进给脉冲序列（包含有上述4个参量），然后经伺服系统转换放大，最后控制工作台按所要求的速度、轨迹、方向和距离移动。若为闭环系统，则在输入指令值的同时，反馈检测机床工作台的实者间有误际位移值，反馈量与输入量在数控装置中进行比较，若有差值，说明二差，则数控装置控制机床向着消除误差的方向运动。 图12现将各组成部分简述如下：21 控制介质数控机床工作时，不需要工人去摇手柄操作机床，但又要自动地执行人们的意图，这就必须在人和数控机床之间建立某种联系，这种联系的媒介物称之为控制介质（或称程序介质、输入介质、信息载体）。常用的控制介质是8单位的标准穿孔带，且常用的穿孔带是纸质的，所以又称纸带。其宽为 25.4mm，厚0.108mm，每行除了必须有一个1.17mm的同步孔外，最多可以有8个1.33mm 的信息孔。用每行8个孔有无的排列组合来表示不同的代码( 纸带上孔的排列规定，称为代码)。把穿孔带输入到数控装置的读带机，再由读带机把穿孔带上的代码转换为数控装置可以识别和处理的电信号，并传送到数控装置中去，便完成了指令信息的输入工作。 22 数控装置数控装置是数控机床的中枢，在普通数控机床中一般由输入装置、存储器、控制器、运算器和输出装置组成。数控装置接收输入介质的信息，并将其代码加以识别、储存、运算，输出相应的指令脉冲以驱动伺服系统，进而控制机床动作。在计算机数控机床中，由于计算机本身即含有运算器、控制器等上述单元，因此其数控装置的作用由一台计算机来完成。23 伺服系统伺服系统的作用是把来自数控装置的脉冲信号转换为机床移动部件的运动，使工作台（或溜板）精确定位或按规定的轨迹作严格的相对运动，最后加工出符合图纸要求的零件。在数控机床的伺服系统中，常用的伺服驱动元件有功率步进电机、电液脉冲马达、直流伺服电机和交流伺服电机等。 24 机床部分数控机床中的机床，在开始阶段使用通用机床，只是在自动变速、刀架或工作台自动转位和手柄等方面作些改变。实践证明：数控机床除由于切削用量大、连续加工发热多等影响工件精度外，并且由于是自动控制，在加工中不能像在通用机床上那样可以随时由人工进行干预。所以其设计要求比通用机床更严格，制造要求更精密。因而后来在数控机床设计时，采用了许多新的加强刚性、减小热变形、提高精度等方面的措施，使得数控机床的外部造型、整体布局、传动系统以及刀具系统等方面都已发生了很大的变化。三、数 控 机 床 的 分 类目前，数控机床品种已经基本齐全，规格繁多，据不完全统计已有400多个品种规格。可以按照多种原则来进行分类。但归纳起来，常见的是以下面5种方法来分类的。31 按工艺用途分类（1） 一般数控机床。这类机床和传统的通用机床种类一样，有数控的车、铣、 镗、钻、磨床等等， 而且每一种又有很多品种，例如数控铣床中就有立铣、卧铣、工具铣、龙门铣等。这类机床的工艺可能性和通用机床相似，所不同的是它能加工复杂形状的零件。 （2） 数控加工中心机床。这类机床是在一般数控机床的基础上发展起来的。它是在一般数控机床上加装一个刀库(可容纳10-100多把刀具)和自动换刀装置而构成的一种带自动换刀装置的数控机床(又称多工序数控机床或镗铣类加工中心，习惯上简称为加工中心Machining Center)， 这使数控机床更进一步地向自动化和高效化方向发展 。数控加工中心机床和一般数控机床的区别是:工件经一次装夹后,数控装置就能控制机床自动地更换刀具，连续地对工件各加工面自动地完成铣(车)、镗、钻、铰及攻丝等多工序加工。这类机床大多是以镗铣为主的，主要用来加工箱体零件。它和一般的数控机床相比具有如下优点： 减少机床台数, 便于管理，对于多工序的零件只要一台机床就能完成全部加工，并可以减少半成品的库存量； 由于工件只要一次装夹，因此减少了由于多次安装造成的定位误差，可以依靠机床精度来保证加工质量； 工序集中，减少了辅助时间，提高了生产率；多坐标数控机床。 由于零件在一台机床上一次装夹就能完成多道工序加工，所以大大减少了专用工夹具的数量，进一步缩短了生产准备时间。由于数控加工中心机床的优点很多，深受用户欢迎，因此在数控机床生产中占有很重要的地位。另外还有一类加工中心，是在车床基础上发展起来的，以轴类零件为主要加工对象。除可进行车削、镗削外，还可以进行端面和周面上任意部位的钻削、铣削和攻丝加工。这类加工中心也设有刀库，可安装4-12把刀具，习惯上称此类机床为车削中心(TC：Turning Center) 。 图13 五轴联动的数控加工（3） 多坐标数控机床。有些复杂形状的零件，用三坐标的数控机床还是无法加工，如螺旋桨、飞机曲面零件的加工等，需要三个以上坐标的合成运动才能加工出所需形状。于是出现了多坐标的数控机床，其特点是数控装置控制的轴数较多，机床结构也比较复杂，其坐标轴数通常取决于加工零件的工艺要求。现在常用的是4，5，6坐标的数控机床。图13为五轴联动的数控加工示意图。这时，x,y,z 三个坐标与转台的回转、刀具的摆动可以同时联动，以加工机翼等类零件。32 按加工工艺方法分类 （1）金属切削类数控机床 与传统的车、铣、钻、磨、齿轮加工相对应的数控机床有数控车床、数控铣床、数控钻床、数控磨床、数控齿轮加工机床等。尽管这些数控机床在加工工艺方法上存在很大差别，具体的控制方式也各不相同，但机床的动作和运动都是数字化控制的，具有较高的生产率和自动化程度。 在普通数控机床加装一个刀库和换刀装置就成为数控加工中心机床。加工中心机床进一步提高了普通数控机床的自动化程度和生产效率。例如铣、镗、钻加工中心，它是在数控铣床基础上增加了一个容量较大的刀库和自动换刀装置形成的，工件一次装夹后，可以对箱体零件的四面甚至五面大部分加工工序进行铣、镗、钻、扩、铰以及攻螺纹等多工序加工，特别适合箱体类零件的加工。加工中心机床可以有效地避免由于工件多次安装造成的定位误差，减少了机床的台数和占地面积，缩短了辅助时间，大大提高了生产效率和加工质量。 （2）特种加工类数控机床 除了切削加工数控机床以外，数控技术也大量用于数控电火花线切割机床、数控电火花成型机床、数控等离子弧切割机床、数控火焰切割机床以及数控激光加工机床等。 （3）板材加工类数控机床 常见的应用于金属板材加工的数控机床有数控压力机、数控剪板机和数控折弯机等。 近年来，其它机械设备中也大量采用了数控技术，如数控多坐标测量机、自动绘图机及工业机器人等。33 按数控机床的运动轨迹分类按照能够控制的刀具与工件间相对运动的轨迹，可将数控机床分为点位控制数控机床、点位直线控制数控机床、轮廓控制数控机床等。现分述如下：（1）点位控制数控机床。 这类机床的数控装置只能控制机床移动部件从一个位置 (点) 精确地移动到另一个位置(点) ，即仅控制行程终点的坐标值，在移动过程中不进行任何切削加工，至于两相关点之间的移动速度及路线则取决于生产率。为了在精确定位的基础上有尽可能高的生产率，所以两相关点之间的移动先是以快速移动到接近新的位置，然后降速 1-3 级，使之慢速趋近定位点，以保证其定位精度。这类机床主要 数控坐标镗床、数控钻床、数控冲床和数控测量机等，其相应的数控装置称之为点位控制装置。（2） 点位直线控制数控机床。 这类机床工作时，不仅要控制两相关点之间的位置 (即距离)，还要控制两相关点之间的移动速度和路线(即轨迹)。其路线一般都由和各轴线平行的直线段组成。它和点位控制数控机床的区别在于：当机床的移动部件移动时，可以沿一个坐标轴的方向(一般地也可以沿45斜线进行切削，但不能沿任意斜率的直线切削)进行切削加工，而且其辅助功能比点位控制的数控机床多，例如，要增加主轴转速控制、循环进给加工、刀具选择等功能。这类机床主要有简易数控车床、数控镗铣床和数控加工中心等。相应的数控装置称之为点位直线控制装置。 （3） 轮廓控制数控机床。这类机床的控制装置能够同时对两个或两个以上的坐标轴进行连续控制。加工时不仅要控制起点和终点，还要控制整个加工过程中每点的速度和位置，使机床加工出符合图纸要求的复杂形状的零件。它的辅助功能亦比较齐全。这类机床主要有数控车床、数控铣床、数控磨床和电加工机床等。其相应的数控装置称之为轮廓控制装置(或连续控制装置) 。 34 按伺服系统的控制方式分类数控机床按照对被控制量有无检测反馈装置可以分为开环和闭环两种。在闭环系统中，根据测量装置安放的位置又可以将其分为全闭环和半闭环两种。在开环系统的基础上，还发展了一种开环补偿型数控系统。开环控制数控机床。在开环控制中，机床没有检测反馈装置（见图14）。图14 开环控制系统框图数控装置发出信号的流程是单向的，所以不存在系统稳定性问题。也正是由于信号的单向流程,它对 机床移动部件的实际位置不作检验，所以机床加工精度不高，其精度主要取决于伺服系统的性能。 工作过程是: 输入的数据经过数控装置运算分配出指令脉冲,通过伺服机构(伺服元件常为步进电机)使被控工作台移动。 这种机床工作比较稳定、反应迅速、调试方便、维修简单，但其控制精度受到限制。 它适用于一般要求的中、小型数控机床。闭环控制数控机床。由于开环控制精度达不到精密机床和大型机床的要求，所以必须检测它的实际工作位置，为此，在开环控制数控机床上增加检测反馈装置，在加工中时刻检测机床移动部件的位置，使之和数控装置所要求的位置相符合，以期达到很高的加工精度。 闭环控制系统框图如图15所示。 图中A为速度测量元件， C为位置测量元件。当指令值发送到位置比较电路时，此时若工作台没有移动，则没有反馈量，指令值使得伺服电机转动，通过A将速度反馈信号送到速度控制电路，通过C将工作台实际位移量反馈回去，在位置比较电路中与指令值进行比较，用比较的差值进 行控制，直至差值消除时为止，最终实现工作台的精确定位。这类机床的优点是精度高、速度快，但是调试和维修比较复杂。其关键是系统的稳定性，所以在设计时必须对稳定性给予足够的重视 。 图15 闭环控制系统框图(1) 可以通用。因而灵活性和适应性强，也便于批量生产，模块化的软、硬件，提高了系统的质量和可靠性。所以，现代数控机床都采用 CNC 装置。 半闭环控制数控机床。半闭环控制系统的组成如图16所示。图16 半闭环控制系统框图 这种控制方式对工作台的实际位置不进行检查测量，而是通过与伺服电机有联系的测量元件，如测速发电机 A 和光电编码盘 B( 或旋转变压器 ) 等间接检测出伺服电机的转角，推算出工作台的实际位移量，图 16 半闭环控制系统框图用此值与指令值进行比较，用差值来实现控制 。 从图 16 可以看出，由于工作台没有完全包括在控制回路内，因而称之为半闭环控制。这种控制方式介于开环与闭环之间，精度没有闭环高，调试却比闭环方便。 将上述三种控制方式的特点有选择地集中起来，可以组成混合控制的方案 。这在大型数控机床中是人们多年研究的题目，现在已成为现实。 因为，大型数控机床，需要高得多的进给速度和返回速度，又需要相当高的精度。如果只采用全闭环的控制，机床传动链和工作台全部置于控制环节中，因素十分复杂，尽管安装调试多经周折，仍然困难重重。为了避开这些矛盾，可以采用混合控制方式。在具体方案中它又可分为两种形式：一是开环补偿型；一是半闭环补偿型。这里仅将开环补偿型控制数控机床加以介绍。(2) 图17为开环补偿型控制方式的组成框图。它的特点是：基本控制选用步进电机的开环控制伺服机构，附加一个校正伺服电路。通过装在工作台上的直线位移测量元件的反馈信号来校正机械系统的误差。图17 开环补偿型控制框图35 按数控装置分类数控机床若按其实现数控逻辑功能控制的数控装置来分，有硬线（件）数控和软线（件）数控两种。（1） 硬线数控（称普通数控，即NC）。 这类数控系统的输入、插补运算、控制等功能均由集成电路或分立元件等器件实现。一般来说，数控机床不同，其控制电路也不同，因此系统的通用性较差，因其全部由硬件组成，所以功能和灵活性也较差。这类系统在 70 年代以前应用得比较广泛。（2） 软线数控（又称计算机数控或微机数控，即CNC或MNC）。 这类系统利用中、大规模及超大规模集成电路组成 CNC 装置，或用微机与专用集成芯片组成，其主要的数控功能几乎全由软件来实现， 对于不同的数控机床，只须编制不同的软件就可以实现， 而硬件几乎 可以通用。因而灵活性和适应性强，也便于批量生产，模块化的软、硬件，提高了系统的质量和可靠性。所以，现代数控机床都采用 CNC 装置。四、典 型 轴 类 零 件 的 加 工41 典型轴类零件的加工工艺分析 411 轴类零件加工的工艺路线 （1）、基本加工路线 外圆加工的方法很多，基本加工路线可归纳为四条。 粗车半精车精车 对于一般常用材料，这是外圆表面加工采用的最主要的工艺路线。 粗车半精车粗磨精磨 对于黑色金属材料，精度要求高和表面粗糙度值要求较小、零件需要淬硬时，其后续工序只能用磨削而采用的加工路线。 粗车半精车精车金刚石车 对于有色金属，用磨削加工通常不易得到所要求的表面粗糙度，因为有色金属一般比较软，容易堵塞沙粒间的空隙，因此其最终工序多用精车和金刚石车。 粗车半精粗磨精磨光整加工 对于黑色金属材料的淬硬零件，精度要求高和表面粗糙度值要求很小，常用此加工路线。 （2）、典型加工工艺路线 轴类零件的主要加工表面是外圆表面，也还有常见的特特形表面，因此针对各种精度等级和表面粗糙度要求，按经济精度选择加工方法。 对普通精度的轴类零件加工，其典型的工艺路线如下： 毛坯及其热处理预加工车削外圆铣键槽（花键槽、沟槽）热处理磨削终检。 412 轴类零件的预加工 轴类零件的预加工是指加工的准备工序，即车削外圆之前的工艺。 校直毛坯在制造、运输和保管过程中，常会发生弯曲变形，为保证加工余量的均匀及装夹可靠，一般冷态下在各种压力机或校值机上进行校值。413 轴类零件加工的定位基准和装夹 （1）、以工件的中心孔定位 在轴的加工中，零件各外圆表面，锥孔、螺纹表面的同轴度，端面对旋转轴线的垂直度是其相互位置精度的主要项目，这些表面的设计基准一般都是轴的中心线，若用两中心孔定位，符合基准重合的原则。中心孔不仅是车削时的定为基准，也是其它加工工序的定位基准和检验基准，又符合基准统一原则。当采用两中心孔定位时，还能够最大限度地在一次装夹中加工出多个外圆和端面。 （2）、以外圆和中心孔作为定位基准（一夹一顶） 用两中心孔定位虽然定心精度高，但刚性差，尤其是加工较重的工件时不够稳固，切削用量也不能太大。粗加工时，为了提高零件的刚度，可采用轴的外圆表面和一中心孔作为定位基准来加工。这种定位方法能承受较大的切削力矩，是轴类零件最常见的一种定位方法。 （3）、以两外圆表面作为定位基准 在加工空心轴的内孔时，（例如：机床上莫氏锥度的内孔加工），不能采用中心孔作为定位基准，可用轴的两外圆表面作为定位基准。当工件是机床主轴时，常以两支撑轴颈（装配基准）为定位基准，可保证锥孔相对支撑轴颈的同轴度要求，消除基准不重合而引起的误差。 （4）、以带有中心孔的锥堵作为定位基准 在加工空心轴的外圆表面时，往往还采用代中心孔的锥堵或锥套心轴作为定位基准，见图21所示。 锥堵或锥套心轴应具有较高的精度，锥堵和锥套心轴上的中心孔即是其本身制造的定位基准，又是空心轴外圆精加工的基准。因此必须保证锥堵或锥套心轴上锥面与中心孔有较高的同轴度。在装夹中应尽量减少锥堵的安装此书，减少重复安装误差。实际生产中，锥堵安装后，中途加工一般不得拆下和更换，直至加工完毕。 图21 锥堵和锥套心轴a)锥堵 b）锥套心轴42 典型轴类零件的加工在数控机床上加工零件，与普通机床有所不同，不仅要考虑夹具、刀具、切削用量等常规工艺的选择，更要考虑对刀点、编程原点等设置，在保证质量的前提下，尽可能提高机床的加工效率。以图一所示的轴类零件为例，要在数控机床上完成此单个零件的车削，首先要进行工艺分析，确定工艺方案。常见的工艺方案有两种，分别为表一和表二。表一序号工序名称及加工程序号工艺简图（标明定位、装夹位置）（标明程序原点和对刀点）工序号及内容刀具号备注1车工件右端内腔及车外圆39*50（工艺要求）程序号O10011、钻孔2、车端面1#3、车外圆4、锁18孔2#5、螺纹内孔6、切内槽3#7、车内螺纹4#2车工件左端外形各栏尺寸及内腔各孔尺寸程序号O20021、钻孔（接通）2、车总长1#3、车29*45外圆4、切外槽5#5、车外螺纹6#6、镗18孔2#7、镗20孔8、镗内锥孔3车30及外圆弧程序号O30031、 车30外圆1#三爪装夹处需用内螺纹专用夹套，右端用专用外螺纹闷头，顶持2、车34*30*10外锥3、车外圆弧表二一、1、车工件左端面2、车工件左端外圆弧至工件总长的1/2处3、车工件左端内腔二、1、车工件端面至总长尺寸2、车工件外形与原外圆弧相接3、车工件右端内腔421 夹具和工件装夹方法的比较比较两种工艺方案，在夹具选择方面，都选择了数控车床上的最通用的夹具三爪卡盘。但是，方案一，除了使用卡盘，还采用了顶尖，为一夹一顶的方式，采用此方式，必须预先车削辅助夹套（如图）；方案二，不需要辅助夹套，可省下车削夹套的材料和时间，但是，在调头装夹后，只装夹了工件的很短的一部分，对于像本例中比较细长的轴类零件的车削，存在装夹不安全的因素，并且由于装夹不可靠，还会引起工件同轴度的误差，造成废品。因此，尽管方案一较为烦琐，但是，装夹可靠，并能保证此细长轴类零件的同轴度要求，在夹具的选用中，方案一较合适。422 刀具的选择及对刀点、换刀点的位置（1）、刀具的选择与普通机床相比，数控加工时对刀具提出了更高的要求，不仅要求刚性好、精度高，而且要求尺寸稳定、耐用度高、断屑和排屑性能好，同时要求安装调整方便，满足数控机床的高效率。本例中，两种方案采用了类似的刀具，分别为：1号刀 大偏角刀 如图2号刀 镗刀3号刀 内切槽刀4号刀 内螺纹刀5号刀 外切槽刀6号刀 外螺纹刀1号刀为大偏角刀，分别用来车削端面，外圆及圆弧，采用较大的副偏角，可以避免连圆弧时产生过切现象，但是在两种方案中，方案一中间连续的圆弧在一次车削中完成，能保证圆弧的光滑连接、方案二中间连续的圆弧通过调头车削来完成，接刀处会产生明显的接刀痕迹，相比方案一有所欠缺。2号刀为镗刀，用于内孔的加工，由于工件的孔较深，且直径小，对于镗刀的要求较高，故采用了切削刃口（刀夹）位置在镗杆直径为1/2处这样处理，可增大镗杆的直径，从而提高镗刀的刚性。3号刀内切槽刀、4号刀内螺纹刀、5号刀外切槽刀、6号刀外螺纹刀，方案相同。（2）、对刀点、换刀点的位置。工件装夹方式确定后，即可通过确定工件原点来确定工件坐标系。如果要运行这一程序来加工工件，必须确定刀具在工件坐标系开始运动的起点。程序起始点或起刀点一般通过对刀来确定，所以，该点又称为对刀点。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查找； 引起的加工误差小。对刀点可以设置在加工零件上，也可以设置在夹具或机床上。在本例中，两个方案均运用了工件右端面与轴线的交点作为对刀点，完全符合对刀点的设置原则，对刀点都处理的较好。而换刀点的选择，以换刀时不碰工件或其他部件为准，两方案均选在了离对刀点x、z方向分别为100，100的位置，处理也较好，纵观夹具和刀具的选择，方案一的方法对于保证零件精度较为有利，方案二容易造成装夹不安全，同轴度严重超重，外圆弧接入处痕迹明显等问题，较难达到零件加工要求。因此，采用方案一较合适。423 切削用量的确定数控编程时，编程人员必须确定每道工序的切削用量，并以指令的形式写入程序中。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。（1）、主轴转速的确定主轴转速应根据允许的切削速度和工件（或刀具）直径来选择。根据本例中零件的加工要求，考虑工件材料为铝件，刀具材料为高建工具钢，粗加工选择转速600r/min,精加工选择800r/min车削外圆，考虑细牙螺纹切削力不大，采用400r/min来车螺纹，而内孔由于刚性较差，采用粗车400 r/min，比较容易达到加工要求，切槽的切削刀较大，采用200 r/min更稳妥。（2）、进给速度的确定进给速度是数控机床切削用量中的重要参数，主要根据零件的加工进度和表面粗糙度要求以及刀具、工件的材料性质选取。最大进给速度受机床刚度和进给系统的性能限制。一般粗车选用较高的进给速度，以便较快去除毛坯余量，精车以考虑表面粗糙和零件精度为原则，应选择较低的进给速度，得出下表粗精外圆0.15min/r0.08min/r内孔0.05min/r0.04min/r槽0.04 min/r（3）、背吃刀量确定背吃刀量根据机床、工件和刀具的刚度来决定，在刚度允许的条件下，应尽可能使背吃刀量等于工件的加工余量(除去精车量)，这样可以减少走刀次数，提高生产效率。为了保证加工表面质量，可留少量精加工余量，一般0.2-0.4mm。本例中，背吃刀量的选择大致为0.3mm。粗精外圆1.5-2(mm)0.2-0.4(mm)内孔1-1.5(mm)0.1-0.3(mm)螺纹随进刀次数依次减少槽根据刀宽，分两次进行总之，切削用量的具体数值应根据机床性能、相关的手册并结合实际经验用类比方法确定。同时，使主轴转速、切削深度及进给速度三者能相互适应，以形成最佳切削用量。根据方案一，确定的加工程序为：工序一加工程序单O1001 系统类型（大森）备注G50 T5100Z100G0 T0101 S600 M03 F0.15 X100 X39 Z2G50 T5400G1 Z-50G0 T0404G0 X100 Z100 X21 Z5G50 T5200G92 X23 E-18 F1.5G0 T0202 S500 X23.4 X15 Z2 X23.8G71 P01 Q02 U-0.3 D1 X23.9N01 GO X27 X24 Z0G0 X100 Z100G1 X22.5 Z-1.5G50 T5100 Z-20G0 T0101 X18M05 Z-40M30N02 X15G70 P01 Q02G0 X100 Z100G50 T5300G0 T0303 S400 F0.04 X21 Z-20G1 X24 Z-19G0 X21工序二加工程序单O2002 系统类型（大森）备注G50 T5100G50 T5400G0 T0101 S600 M03 F0.15G0 T0404 X42 Z2X29 Z5G71 P01 Q02 U0.3 D1G92 X26.4 Z-18 F1.5N01 G0 X24 S800 F0.08 X26 Z0 X25.6G1 X26.8 Z-1.5 X25.3 Z-20 X25.05 X29G0 X100 Z100 Z-45G50 T5200 X35 Z-48G0 T0202N02 X42 X15 Z2G70 P01 Q02G71 P03 Q04 U-0.3 D1G0 X100 Z100N03 G0 X24G50 T5500 Z0G0 T0505 S400 F0.04G1 X22 Z-13 X30 Z-20 X20G1 X25 Z-27 Z-19 X18 X30 Z-42G0 Z-35N04 X15G1 X25G70 P03 Q04 Z-34G0 X100 Z100X30G50 T5100G0 X100 Z100G0 T0101M05M30工序三加工程序单O3003 系统类型（大森）备注G50 T5100G0 T0101 S600 M03 F0.15 X42 Z2G73 P01 Q02 U0.3 I4 D4N01 G0 X29 S800 F0.08 Z0G1 X30 Z-0.5 Z-20 X34 Z-30 Z-34.358G2 X35.109 Z-36.095 R3G3 X34.948 Z-43.417 R6G2 X35.165 Z-51.831 R7G3 X35.316 Z-64.615 R11G2 X32 Z-69.608 R8N02 G1 Z-75G70 P01 Q02G00 X100 Z100M05M3043 短轴数控程序的编写图241 短轴数控程序的编写对L/D4的轴类零件，可以采用液压卡盘装夹一端来进行车削加工。如图2-41所示为要车削的短轴零件，编程原点设置在右端面，采用两次车削，精车余量单边为0.2mm，其数控程序编写如下：00005N0G50x110.0Z20.0；/*设置工件原点在右端面（相当于G92）N2G30UOW0； /*直接回第二参考点N4G50S1500T0101M08；/*限制最高主轴转速为1500rmin，调01号刀具N6G96S200M03z /*设定恒切削速度为200mm/minN8G00x63.4Z3.0； /*快速走到外圆粗车始点(63.4，3.0)N10G01x75.4z-2.86FO.3；/*以进给率0.3mm/r粗车倒角N12z-34.8； /*粗车第一段外圆面N14x77.0；/*粗车R4mm处台阶端面N16G03x85.4z-39.OR4.2；/*粗车R4n加圆角N18z-54.8；/*粗车第二段外圆面N19x92.28；/*粗车C5处台阶端面N20x102.2Z-59.72； /*粗车C5倒角N22Z-70.O； /*粗车第三段外圆面N24G00x104.0 z0.2；/*外圆面N26G00X76.0；/*快速走到点(760，02)N28x-1.6；/*粗车右端面N30G00z2.0；/*快速走到点(o，2o)N32G30U0W0；/*返回第二参考点以进行换刀N34G50 s1500T0202；/*限制最高主轴转速为1500r/min，调02号刀具N36G96S250；/*设定恒切削速度为250m/minN38G00x80.0z3.0；/*刀具快速走到精车始点(80.0，3.0)N40x69.0；N42G42G01X67.0z1.0；/*调刀尖半径补偿，右偏N44x75.0z-3.0N46Z35.0；/*精车第一段外圆面N48x77.O；/*精车R4mm处台阶端面N50G03x85.O z-39.OR4.0；/*精车R4mm圆角N52z-55.0；/*精车第二段外圆面N54X92.0；/*精车C5处台阶端面N56x102.0z-60.O；/*精车C5倒角N58z-70.0； N60G40G00x103.0z3.0；N62x77.0； ，N64G4l G01x71.Oz0.0；N66X-1.6；N70G40G00z3.O M09；/*取消刀补，走到点(-1.6，152.0)N26G30U0w0M05；/*返回第二参考点N27M30；/*程序结束五、结 束 语最早采用数字控制技术进行机械加工的思想，是在20世纪40年代初提出的，我国从1985年开始研究数控技术，一直到20世纪60年代中期处于研制、开发时期，现在我国已经建立了以中，低档数控机床为主的产业体系，20世纪90年代主要发展高档数控机床。数控机床总的发展趋势是工序集中、高速、高效、高精度以及方便使用、提高可靠性。目前，数控机床的发展日新月异，高速化、高精度化、复合化、智能化、开放化、并联驱动化、网络化、极端化、绿色化已成为数控机床发展的趋势和方向。 中国作为一个制造大国，主要还是依靠劳动力、价格、资源等方面的比较优势，而在产品的技术创新与自主开发方面与国外同行的差距还很大。中国的数控产业不能安于现状，应该抓住机会不断发展，努力发展自己的先进技术，加大技术创新与人才培训力度，提高企业综合服务能力，努力缩短与发达国家之间的差距。力争早日实现数控机床产品从低端到高端、从初级产品加工到高精尖产品制造的转变，实现从中国制造到中国创造、从制造大国到制造强国的转变.六、参 考 文 献1. 数控技术/中国机械工业教育协会组编 M -北京：机械工业出版社，2001.6（2006.重印）2. 于春生，韩旻 ，数控编程及应用 M -北京:高等教育出版社,2001.73. 郑修文,机械制造工艺学 M -北京:机械工业出版社,1999.54. 方沂，数控机床编程与操作 M -北京:国防工业出版社，1999年版5. 黄道业，数控铣床（加工中心）编程、操作及实训 M 安徽: 合肥工业大学出版社，2005.86. 熊熙主，数控加工与计算机辅助制造及实训指导 M -北京：中国人民大学出版社， 2000年版7. 蒋建强，数控加工技术与实训 M -北京：电子工业出版社，20038. 严建红，数控机床编程与加工技术 M 福建：福建科学技术出版社，2003年版9. FANUCOT/18T 编程手册和操作手册10. 罗学科、谢富春主编，数控原理与数控机床 M -北京：化学工业出版社，2004年版11. 乔世民、机械制造基础 M -北京：高等教育出版社，2003.8