毕业设计(论文)-论数控机床的应用和发展方向.doc
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1、毕业论文毕业论文 论数控机床的应用和发展方向 系 别: 机机电电系系 专 业: 数控技数控技术术及及应应用用 年 级: 学生姓名: 指导教师: 入学日期:2004 年 9 月 论文完整日期:2007 年 4 月 I 摘 要 科技水平的布段发展,使社会生产力得到了空前进步,不断催生 而出的、新的加工制造技术越来越多地运用于生产实践之中,并对社 会进步发挥着巨大的推进作用。数控车床加工就是其中最具代表性的 技术之一。数控技术的应用不但给传统制造业带来了革命性的变化, 使制造业成为工业化的象征,而且随着数控技术的不断发展和应用领 域的扩大,它对国计民生的一些重要行业(IT、汽车、轻工、医疗等) 的发
2、展起着越来越重要的作用。 本文系统介绍了数控车床的分类、编程特点和功能,在选择数控 车床的原则以及安装与调试,数控车床加工程序的编制将从确定走刀 路线、选择合适的 G 命令等细节出发,分析在数控车削中程序的编制 方法。还有车刀刀尖半径补偿是数控车削加工中的常见问题,就刀尖 半径的影响进行分析,根据不同功能的数控系统进行刀尖半径补偿方 法等进行介绍。介绍了数控车床的振动的原因、影响及分析。虚拟数 控车削物理仿真系统的研究与开发提出了仿真系统的总体框架,建立 了动态物理仿真模型及相关子模型,分析了动态车削过程的影响因素, 阐述了系统开发过程中有关模型构成及工件数据描述等技术性问题。 最后叙述了我国
3、数控车床的现状与发展趋势以及我国与强国的差距, 近几年我国机床工业取得较大进步,但同时,工业发达国家机床工业 技术也在发展。对我国机床工业既要肯定成绩,树立信心,也要认清 差距,实施跨越式发展。 关键词 :基本知识、编程、数控车床加工、刀尖半径补偿、现 状和发展趋势、 II 目目 录录 引 言 .1 第 1 章 什么是数控机床 .3 1.1 数控车床的概念.3 1.2 数控加工的概念 4 第 2 章 数控编程的有关问题和技巧 8 2.1 数控编程的技巧 .8 2.2 数控编程的特点及例子11 2.3 数控车削加工中刀尖圆弧半径补偿有关问题13 第 3 章 数控仿真 18 3.1 计算机仿真的概
4、念及应用18 3.2 数控仿真技术的研究现状 .19 3.3 直接实体造型法 .20 3.4 基于图像空间的方法 .21 3.5 离散矢量求交法 .22 第 4 章 数控车床的保养 .24 4.1 概述24 4.2 正确操作和使用数控系统的步骤24 4.3 CNC 系统的日常维护 25 4.4 故障处置26 第 5 章 数控机床的发展趋势 .28 第 6 章 结语 36 莱芜职业技术学院毕业论文 引言 1 引 言 我国数控机床产业度过了激情燃烧的岁月,将迎来理性发展的时 代。第十个五年计划是我国数控机床高速发展时期,那么第十一个五 年计划将是数控机床发展的战略机遇期。战略机遇主要表现在:“十
5、一五”我国国民经济在科学发展观指引下,将更加稳定有序发展;国 务院关于振兴装备制造业的决定,将大大加快我国装备制造业的发展 进程,特别是国家重点支持的一批重大装备的发展,如大型发电、输 变电设备、大型石油化工和煤化工装置、矿山采掘设备、成套轧钢设 备、大型海洋船舶、高速列车、大端面岩石掘进机为代表的工程机械、 民用航空飞机及发动机等,需要提供大批重型、精密、多坐标、高效、 专用数控机床进行加工制造。国家重大装备的发展需求,给数控机床 产业的发展指明了方向。 “十一五”规划的经济发展重点在于实现经济增长方式的转变, 先进制造业是传统制造业的改造方向,传统工业如汽车、机械、家电、 纺织、农机、环保
6、等行业的技术改造,对数控机床的需求继续攀升; 电子信息、生物工程、新能源新材料等高新技术产业的发展又为精密、 高效、专用数控机床开辟了新的需求;从地域发展分析,我国东部产 业的升级、东北等老工业基地的振兴和中西部的开发加快步伐,为数 控机床产业发展提供国内市场;经济全球化,国际资本和产业向中国 的转移、国际技术和人才的交流、中国国际贸易的强劲发展等,为我 国数控机床产业的发展提供了外部环境,使我们处于难得的战略发展 期。所谓战略机遇是指在一个相对较长的时间、相对广阔的空间,对 整个产业发展有重大影响的特殊时期。战略机遇不可多得,抓住战略 莱芜职业技术学院毕业论文 引言 2 机遇,加快发展,是我
7、国数控机床产业取胜之大略。 根据国际数控机床产业发展的趋势和我国“十一五”国民经济发 展要求, “十一五”数控机床产业的重点是:发展大型、精密、高 速数控装备和数控系统及功能部件,改变大型、高精度数控机床大部 分依赖进口的现状,满足机械、航空航天等工业发展。 重点发展关键功能部件和数控系统,为数控机床产品升级奠定基 础。主要发展项目包括中高档数控系统、高速主轴及其伺服单元、高 性能刀库机械手、高速滚珠丝杠和直线导轨副、直线电机、全功能数 控刀架和数控转台、高速防护装置等它本身又是机电一体化的重要组 成部分,是现代机床技术水平的重要标志。数控机床体现了当前世界 机床技术进步的主流,是衡量机械制造
8、工艺水平的重要指标,在柔性 生产和计算机集成制造等先进制造技术中起着重要的基础核心作用。 因此,如何更好的使用数控机床是一个很重要的问题。 3 第 1 章 什么是数控机床 1.1 数控车床的概念 数控是数字控制的简称,英文为 Numerical Control,简称 NC。目前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 数控也称为计算机数控(Computer Numerical Control ),简称 CNC,国外一般都称为 CNC,很少再用 NC 这个概念了。下面详细说明 之: 数控(Numerical Control,NC 数字控制)是指用数字、文字和符 号组成的数字指令来实现
9、一台或多台机械设备动作控制的技术。它所 控制的通常是位置、角度、速度等机械量和与机械能量流向有关的开 关量。数控的产生依赖于数据载体和二进制形式数据运算的出现。 1908 年,穿孔的金属薄片互换式数据载体问世;19 世纪末,以纸为 数据载体并具有辅助功能的控制系统被发明;1938 年,香农在美国 麻省理工学院进行了数据快速运算和传输,奠定了现代计算机,包括 计算机数字控制系统的基础。数控技术是与机床控制密切结合发展起 来的。1952 年,第一台数控机床问世,成为世界机械工业史上一件 划时代的事件,推动了自动化的发展。 现在,数控技术也叫计算机数控技术(Computer Numerical Co
10、ntrol ),目前它是采用计算机实现数字程序控制的技术。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,使输入数据的存 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 4 软件来完成。 2003 年开始,中国就成了全球最大的机床消费国,也是世界上最大 的数控机床进口国。目前正在提高机械加工设备的数控化率,1999 年,我们国家机械加工设备数控华率是 58,目前预计是 1520之间。 1.2 数控加工的概念 数控机床的工作原理就是将加工过程所需的各种操作(如主轴变 速、工件的松开与夹紧、进刀与退刀、开车与停车、自
11、动关停冷却液) 和步骤以及工件的形状尺寸用数字化的代码表示,通过控制介质(如 穿孔纸带或磁盘等)将数字信息送入数控装置,数控装置对输入的信 息进行处理与运算,发出各种控制信号,控制机床的伺服系统或其他 驱动元件,使机床自动加工出所需要的工件。所以,数控加工的关键 是加工数据和工艺参数的获取,即数控编程。数控加工一般包括以下 几个内容: (1) 对图纸进行分析,确定需要数控加工的部分; (2) 利用图形软件(如CAXA制造工程师)对需要数控加工的部分 造型; (3) 根据加工条件,选择合适的加工参数,生成加工轨迹(包括 粗加工、半精加工、精加工轨迹); (4) 轨迹的仿真检验; (5) 生成G代
12、码; (6) 传给机床加工。 1. 数控机床的特点 5 (1) 具有高度柔性 在数控机床上加工零件,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0.0050.1mm,数控机床是按 数字信号形式控制的,数控装置每输出一个脉冲信号,则机床移动部 件移动一个脉冲当量(一般为0.001mm),而且机床进给传动链的反 向间隙与丝杠螺距平均误差可由数控装置进行补偿,因此,数控机床
13、定位精度比较高。 (3) 加工质量稳定、可靠 加工同一批零件,在同一机床,在相同加工条件下,使用相同刀 具和加工程序,刀具的走刀轨迹完全相同,零件的一致性好,质量稳 定。 (4) 生产率高 数控机床可有效地减少零件的加工时间和辅助时间,数控机床的 主轴转速和进给量的范围大,允许机床进行大切削量的强力切削,数 控机床目前正进入高速加工时代,数控机床移动部件的快速移动和定 位及高速切削加工,减少了半成品的工序间周转时间,提高了生产效 率。 (5) 改善劳动条件 数控机床加工前经调整好后,输入程序并启动,机床就能自动连 续的进行加工,直至加工结束。操作者主要是程序的输入、编辑、装 卸零件、刀具准备、
14、加工状态的观测,零件的检验等工作,劳动强度 6 极大降低,机床操作者的劳动趋于智力型工作。另外,机床一般是封 闭式加工,即清洁,又安全。 (6) 利于生产管理现代化 数控机床的加工,可预先精确估计加工时间,所使用的刀具、夹 具可进行规范化、现代化管理。数控机床使用数字信号与标准代码为 控制信息,易于实现加工信息的标准化,目前已与计算机辅助设计与 制造(CAD/CAM)有机地结合起来,是现代集成制造技术的基础。 使用数控机床之前,应仔细阅读机床使用说明书以及其他有关资 料,以便正确操作使用机床,并注意以下几点: 2. 数控机床使用中应注意的事项 (1) 机床操作、维修人员必须是掌握相应机床专业知
15、识的专业人 员或经过技术培训的人员,且必须按安全操作规程及安全操作规定操 作机床; (2) 非专业人员不得打开电柜门,打开电柜门前必须确认已经关 掉了机床总电源开关。只有专业维修人员才允许打开电柜门,进行通 电检修; (3) 除一些供用户使用并可以改动的参数外,其它系统参数、主 轴参数、伺服参数等,用户不能私自修改,否则将给操作者带来设备、 工件、人身等伤害; (4) 修改参数后,进行第一次加工时,机床在不装刀具和工件的 情况下用机床锁住、单程序段等方式进行试运行,确认机床正常后再 使用机床; (5) 机床的PLC程序是机床制造商按机床需要设计的,不需要修 改。不正确的修改,操作机床可能造成机
16、床的损坏,甚至伤害操作者; 7 (6) 建议机床连续运行最多24小时,如果连续运行时间太长会影 响电气系统和部分机械器件的寿命,从而会影响机床的精度; (7) 机床全部连接器、接头等,不允许带电拔、插操作,否则将 引起严重的后果。 8 第 2 章 数控编程的有关问题和技巧 2.1 数控编程的技巧 控车床虽然加工柔性比普通车床优越,但单就某一种零件的生产效率 而言,与普通车床还存在一定的差距。因此,提高数控车床的效率便 成为关键,而合理运用编程技巧,编制高效率的加工程序,对提高机 床效率往往具有意想不到的效果。 1. 灵活设置参考点 BIEJING-FANUC Power Mate O数控车床共
17、有二根轴,即主轴Z和 刀具轴X。棒料中心为坐标系原点,各刀接近棒料时,坐标值减小, 称之为进刀;反之,坐标值增大,称为退刀。当退到刀具开始时位置 时,刀具停止,此位置称为参考点。参考点是编程中一个非常重要的 概念,每执行完一次自动循环,刀具都必须返回到这个位置,准备下 一次循环。因此,在执行程序前,必须调整刀具及主轴的实际位置与 坐标数值保持一致。然而,参考点的实际位置并不是固定不变的,编 程人员可以根据零件的直径、所用的刀具的种类、数量调整参考点的 位置,缩短刀具的空行程。从而提高效率。 2. 化零为整法 在低压电器中,存在大量的短销轴类零件,其长径比大约为 23,直径多在3mm以下。由于零
18、件几何尺寸较小,普通仪表车床难以 装夹,无法保证质量。如果按照常规方法编程,在每一次循环中只加 工一个零件,由于轴向尺寸较短,造成机床主轴滑块在床身导轨局部 频繁往复,弹簧夹头夹紧机构动作频繁。长时间工作之后,便会造成 9 机床导轨局部过度磨损,影响机床的加工精度,严重的甚至会造成机 床报废。而弹簧夹头夹紧机构的频繁动作,则会导致控制电器的损坏。 要解决以上问题,必须加大主轴送进长度和弹簧夹头夹紧机构的动作 间隔,同时不能降低生产率。由此设想是否可以在一次加工循环中加 工数个零件,则主轴送进长度为单件零件长度的数倍 ,甚至可达主 轴最大运行距离,而弹簧夹头夹紧机构的动作时间间隔相应延长为原 来
19、的数倍。更重要的是,原来单件零件的辅助时间分摊在数个零件上, 每个零件的辅助时间大为缩短,从而提高了生产效率。为了实现这一 设想,我联想到电脑程序设计中主程序和子程序的概念,如果将涉及 零件几何尺寸的命令字段放在一个子程序中,而将有关机床控制的命 令字段及切断零件的命令字段放在主程序中,每加工一个零件时,由 主程序通过调用子程序命令调用一次子程序,加工完成后,跳转回主 程序。需要加工几个零件便调用几次子程序,十分有利于增减每次循 环加工零件的数目。通过这种方式编制的加工程序也比较简洁明了, 便于修改、维护。值得注意的是,由于子程序的各项参数在每次调用 中都保持不变,而主轴的坐标时刻在变化,为与
20、主程序相适应,在子 程序中必须采用相对编程语句。 3. 减少刀具空行程 在BIEJING-FANUC Power Mate O数控车床中,刀具的运动是依靠 步进电动机来带动的,尽管在程序命令中有快速点定位命令G00,但 与普通车床的进给方式相比,依然显得效率不高。因此,要想提高机 床效率,必须提高刀具的运行效率。刀具的空行程是指刀具接近工件 和切削完毕后退回参考点所运行的距离。只要减少刀具空行程,就可 以提高刀具的运行效率。(对于点位控制的数控车床,只要求定位精 度较高,定位过程可尽可能快,而刀具相对工件的运动路线是无关紧 10 要的。)在机床调整方面,要将刀具的初始位置安排在尽可能靠近棒 料
21、的地方。在程序方面,要根据零件的结构,使用尽可能少的刀具加 工零件使刀具在安装时彼此尽可能分散,在很接近棒料时彼此就不会 发生干涉;另一方面,由于刀具实际的初始位置已经与原来发生了变 化,必须在程序中对刀具的参考点位置进行修改,使之与实际情况相 符,与此同时再配合快速点定位命令,就可以将刀具的空行程控制在 最小范围内从而提高机床加工效率。 4. 优化参数,平衡刀具负荷,减少刀具磨损 由于零件结构的千变万化,有可能导致刀具切削负荷的不平衡。 而由于自身几何形状的差异导致不同刀具在刚度、强度方面存在较大 差异,例如:正外圆刀与切断刀之间,正外圆刀与反外圆刀之间。如 果在编程时不考虑这些差异。用强度
22、、刚度弱的刀具承受较大的切削 载荷,就会导致刀具的非正常磨损甚至损坏,而零件的加工质量达不 到要求。因此编程时必须分析零件结构,用强度、刚度较高的刀具承 受较大的切削载荷,用强度、刚度小的刀具承受较小的切削载荷,使 不同的刀具都可以采用合理的切削用量,具有大体相近的寿命,减少 磨刀及更换刀具的次数。 本文总结的一些具体结论仅适用于BIEJING-FANUC Power Mate O 数控车床,但是它表现的编程思想具有普遍意义。要编制合理高效的 加工程序,必须要熟悉所使用机床的程序语言并能加以灵活运用,了 解机床的主参数,深入分析零件的结构特点、材料特性及加工工艺等。 BIEJING-FANUC
23、 Power Mate O数控车床指令包括G、M、S、T。其 中指令为准备功能指令,M指令为辅助功能指令,S为主轴转速控制指 令,T为刀具选择指令。下表列出了部分常用的指令代码及含义。 11 代码符号 代码含义 代码符号 代码含义 G90 绝对值输入 G31 等导程螺纹切削 G91 相对值输入 G32 跳步功能 G00 快速点定位 M02、M03 程序结束 G01 直线插补 M00 程序停机 G02、G03 顺圆和逆圆插补 M01 选择停机 G28 自动返回参考点 M98 调用子程序 G04 暂停 M99 子程序结束 2.2 数控编程的特点及例子 例1 试编制加工图1示零件的零件程序 毛坯直径
24、为25mm,长度为50mm. 1、根据零件图,选用 CNC 车床加工,用三爪卡盘夹紧工件 2、先加工 R8.5,长 22.5 的外圆,分粗,精加工三次,再加工 12 R2.5 逆圆弧, 最后加工 R2.5 顺圆弧 3、程序原点 选为 B 点, 座标为(X15,Z5 ) 4、刀具 外圆车刀(左偏刀) 切削用量:S800 - 粗加工 S1000 精加工、圆弧加工 F1000 - 快速定位运动 F80 - 直线切削加工 F40 - 圆弧加工 5、程序清单如下 N1 G71 ; mm 为单位 N2 G90 ;绝对方式编程 N3 G50 X15 Z5 ;加工起点,距编程原点距离 13 N4 G00 X1
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