数控车床加工程序优化毕业论文

数控车床智能控制系统的研究 摘要:针对目前现有数控车削加工过程中加工、测量、编程相互分离,导致生产效率低,智能化和自动化程度不高以 及对机床操作人员要求较高的现状和不足,对数控车床智能控制系统的研究进行了综述。 关键词:车床数控系统;在线测量; DSP;自动编程 0 引言 从20世纪80年代末以来,国内开始充分利用计 算机的软件资源来提高数控系统的性能。先后借助于 MS-DOS和W indows操作系统平台来开发基于个人计 算机(PC)的新一代数控系统[1]。 一般系统采用当前先进的PC+NC开放式体系结 构,选用高速DSP作为CPU来完成实时性的NC内 核任务,实现电机实时控制以及在线检测,而由PC 机来完成非实时性的任务,诸如编程模块中的图形信 息提取,通过USB串行通信实现上、下位机信息的 交互[2]。 1 数控车床智能控制系统结构 1·1 数控车床智能控制系统总体体系结构 富的资源和强大的运算能力和下位机DSP实时性强 的特点[3],整套系统功能配置合理,性价比高。系统 功能结构如图1所示。 1·2 系统工作流程 详细的系统工作流程如图2所示。 2 测量系统 通过引入测量系统,提高了数控车床的精度、生 产效率和自动化程度,同时基于测量的加工路径规划 功能使得数控车床的加工操作更加简便,使数控车床 具有了智能性。 2·1 测量的实现 测量实现的物理基础:工件为不透明物体,当有 光发射、接收元件组成的测量装置扫过其轮廓时,显 然在工件轮廓外光不被遮挡,接收元件可收到光;在 工件轮廓内光将被挡住,接收元件接收不到光,因 此,工件的轮廓位置可以由光的有无变化,进而由传 感器转化为电压的高低变化,来探测确定。如图3所 示。 2·2 测量方法 测量要完成的任务是要确定工件坐标系的原点位 置以及工件轮廓尺寸信息,并根据尺寸信息分析出刀 具参数信息,实现刀具补偿值的自动修正。 测量步骤如下: (1)数控机床启动后刀架先回机床零点,并通 过换刀命令使测量装置处于工作位置,即测量装置面 向待加工件。 (2)确定工件坐标系原点在机床坐标系中的位 置。 (3)工件尺寸的测定,可以确定任何位置处工 件的轮廓尺寸信息。 (4)测量结束后,刀架返回换刀点,通过换刀 命令使刀架转位,使下一工序使用的刀具处在工作位 置处,然后进行正常切削加工即可。 3 上位机(PC)功能的设计与实现 3·1 国内外研究现状 自动编程系统一般分为对话式数控语言编程系统 和图形交互自动编程系统。国际上流传最广、影响最 深的数控编程语言是APT语言,但随着计算机图形 编程和CAM软件的发展, APT语言已逐渐被淘汰。 随着计算机技术的迅速发展,计算机图形处理能 力有了很大增强,一种新的编程技术——— “图形交 互自动编程”便应运而生。图形交互自动编程系统 以机械计算机辅助设计(CAD)软件为基础,利用 CAD软件的图形编辑功能将零件的几何图形绘制到 计算机上,形成零件的图形文件,然后调用数控编程 模块,采用人机交互的方式在计算机屏幕上指定被加 工的部位,再输入相应的加工参数,计算机便可进行 必要的数学处理并编制数控加工程序,同时在计算机 屏幕上显示刀具的加工轨迹。这种编程方法具有速度 快、精度高、直观性好、使用简便、便于检查等优 点,现已成为目前国内外先进的CAD/CAM (计算机 辅助制造)软件所普遍采用的数控编程方法。 国外的图形自动编程系统起步较早,且发展迅 速,有些产品已经获得了较广泛的应用。如美国 AUTO-CODEMECHANICAL公司的AUTO-CODE图形 自动编程系统,德国OPEN MIND公司的hyperMILL 数控机床(加工中心)图形自动加工系统,英国 Pathtrce公司的EdgeCAM forMDT数控自动编程系统 和美国的MERRYMECHANICAL公司的SPM-81TM钣 金CAD/CAPPICAM系统等。以上系统大都采用美国 Autodesk公司的AutoCAD或MDT (Mechanical Desk- top)作为开发平台和造型工具进行开发。 国内的图形自动编程软件的开发起步较晚,但近 几年发展较快。通用系统有北京华正公司的CAXA制 造工程师系列软件191,北京清华京渝天河公司的 PCAutoCAM系统等;另外大多数为专用数控编程系 统,如北京市机电研究所的VMC-750主轴箱体自动 编程系统,重庆ONLYSOFT的线切割自动编程系统 等。 图形自动编程系统是高效的数控编程手段,是数 控系统向集成化、智能化发展的必要环节,是当今数 控编程技术发展的主要潮流之一,是CAD/CAM研究 的重要领域。国外自动编程软件价格非常昂贵,国内 许多中小企业仍然采用繁琐、复杂、效率低的手工编 程。为此,在PC机上研究并开发数控车床自动编程 系统,能够实现CAD/CAM的集成。使系统具有读取 DXF文件、自动生成NC代码、二维仿真等功 能[4-5]。建立切削参数数据库,使自动编程系统可以 得到合理优化的切削用量,实现了整个系统信息集 成。 3·2 系统的总体框架结构与工艺流程 系统框架结构如图4所示,它主要包括AutoCAD 图形生成、提取图形数据信息、工艺干预、NC代码 生成、动态校验和数控加工程序输出6个功能模块。 机,主轴电机、刀架电机以及机床操作面板和机床 上开关I/O等。此外,还有测量接口电路。考虑到系 统可控制伺服的要求,控制接口要求有D/A输出和 脉冲串输出,同时有接受正交编码器的QEPI接口。 系统通过USB接口与PC机实现通讯,通过PC的丰 富功能实现系统的自动工艺规划、自动编程以及友好 的操作界面[6]。完成系统从CAD图形———工艺规 划———刀轨规划———编程后处理———数控加工的完整 过程。 4·1 硬件结构框图(图5) 4·2 软件实现 如图6所示,系统功能模块分为串行通讯、预处 理、加减速、轨迹插补、伺服输出、刀具补偿等分功 能模块,并通过加工信息缓冲区、轨迹缓冲区、插补 缓冲区交换信息,顺序进行最终驱动电机运行。 5 结束语 通过对数控车床智能控制系统的研究进行综述, 得到以下结论: (1)采用PC+DSP运动控制卡开放式体系结构, 面向用户的上位机(PC)界面友好,功能强大[7]。 用于电机控制的下位机(NC)采用DSP,实时性强。 上下位机采用USB串行通信。系统具有开放性、可 扩展性和模块化的特点。 (2)现有的数控系统和测量系统功能是相互分 离的,而且其仅用于工件定位、尺寸测量等固定 能,没有实现和数控系统的有机结合。本文提出一种 新型基于在线测量的数控系统,可以将测量信息直接 反馈到控制系统,由其实现刀具加工路径的智能规 划,减少机床操作人员对加工过程的干预。 (3)该系统的基于在线测量的车削加工路径智能 规划及自动编程功能,将极大简化数控车床操作,减 轻数控车床操作工人的劳动强度,提高设备生产率。 (4)该控制系统方案既可用于改造传统普通车 床,也可与新一代的经济型数控车床配套使用,符合 我国当前国情,能给制造企业带来可观的经济效益, 具有十分广阔的应用前景和市场价值。 参考文献 【1】毛军红,李黎川,吴序堂·机床数控软件化结构体系 [J]·机械工程学报, 2000, 36 (7): 48-51· 【2】Tao Cheng, Jie Zhang, et al·IntelligentMachine Tools in a Distributed Network Manufacturing Mode Environment [J]·The International JournalofAdvancedManufacturing Technology, 2001, 17: 221-232· 【3】J·Zuo, Y·P·Chen, et al·Building Open CNC Systems with Software IC Chips Based on Software Reuse [ J]. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 2000, 16: 643-648· 【4】Mark·T·Hoske·New CNC Controller is‘Fully Open’ ControlEngineering, 1996, 43 (15): 69-70· 【5】R·E·Chalmer·Open-architecture CNC Continues Advan- cing [J]·Manufacturing Engineering, 2001, 126 (7): 48-52· 【6】王太勇,等·分布式智能协作体系结构构建集成化开 放结构数控系统的研究[J]·机械科学与技术, 2004 (12)· 【7】Y·Altintas·ModularCNC Design for IntelligentMachine Tools [J]·Annals of the CIRP, 1994, 43 (1)·

前言由于各种机械的用途和性能不同，其零件的材料、结构和技术要求也各不相同。所以，各种零件的加工工艺是不同的，即使是同类型的零件，由于生产条件和批量大小的不同，其工艺也不同，因此，必须制定合理的工艺规程。在数控加工中，加工工艺路线表示刀具刀位点相对于工件运动的轨迹，也称进给路线。它不仅包括加工内容也反映加工顺序，是编程工作的主要依据。 摘要数控技术及数控机床在当今机械制造业中的重要地位和巨大效益，显示了其在国家基础工业现代化中的战略性作用，并已成为传统机械制造工业提升改造和实现自动化、柔性化、集成化生产的重要手段和标志。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。它的发展是信息技术(1T)与制造技术(MT)结合发展的结果。现代的CAD/CAM、制造技术，都是建立在数控技术之上的。掌握现代数控技术知识是现代数控技术专业学生必不可少的。 本次毕业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。并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 NC and NC machine tool technology in today's machine manufacturing industry in an important position and great benefits that its national infrastructure in the industrial modernization of the strategic role and has become a traditional machinery manufacturing industries to transform and enhance automation, flexible, Integrated production and an important means of signs. NC technology and the widespread application of NC machine tools, machinery manufacturing to the industrial structure, product variety and quality and production methods brought about a revolutionary change. NC machine tool processing workshop is the most important modern equipment. It is the development of information technology (1 T) and manufacturing technology (MT) with the result of the development. Modern CAD / CAM, FMS, CIMS, agile manufacturing and intelligent manufacturing technology, are built on the technology in the NC. NC master modern technology of modern machinery and electronic knowledge is essential to professional students. The design of the content on the characteristics of the NC, processing and analysis of the general steps NC programming. And, through a detailed example of the NC on the process of analysis. Key words: NC programming technology processing technology1毛坯的选择一、轴类零件的毛坯和材料 (一)轴类零件的毛坯 轴类零件可根据使用要求、生产类型、设备条件及结构，选用棒料、锻件等毛坯形式。对于外圆直径相差不大的轴，一般以棒料为主；而对于外圆直径相差大的阶梯轴或重要的轴，常选用锻件，这样既节约材料又减少机械加工的工作量，还可改善机械性能。 根据生产规模的不同，毛坯的锻造方式有自由锻和模锻两种。中小批生产多采用自由锻，大批大量生产时采用模锻。 (二)轴类零件的材料 轴类零件应根据不同的工作条件和使用要求选用不同的材料并采用不同的热处理规范（如调质、正火、淬火等），以获得一定的强度、韧性和耐磨性。 45钢是轴类零件的常用材料，它价格便宜经过调质（或正火）后，可得到较好的切削性能，而且能获得较高的强度和韧性等综合机械性能，淬火后表面硬度可达45~52HRC。 40Cr等合金结构钢适用于中等精度而转速较高的轴类零件，这类钢经调质和淬火后，具有较好的综合机械性能。 轴承钢GCr15和弹簧钢65Mn，经调质和表面高频淬火后，表面硬度可达50~58HRC，并具有较高的耐疲劳性能和较好的耐磨性能，可制造较高精度的轴。 精密机床的主轴（例如磨床砂轮轴、坐标镗床主轴）可选用38CrMoAIA氮化钢。这种钢经调质和表面氮化后，不仅能获得很高的表面硬度，而且能保持较软的芯部，因此耐冲击韧性好。与渗碳淬火钢比较，它有热处理变形很小，硬度更高的特性。 2零件图工艺分析在设计零件的加工工艺规程时，首先要对加工对象进行深入分析。对于数控车削加工应考虑以下几方面：1．构成零件轮廓的几何条件在车削加工中手工编程时，要计算每个节点坐标；在自动编程时，要对构成零件轮廓所有几何元素进行定义。因此在分析零件图时应注意：（1） 零件图上是否漏掉某尺寸，使其几何条件不充分，影响到零件轮廓的构成；（2） 零件图上的图线位置是否模糊或尺寸标注不清，使编程无法下手；（3） 零件图上给定的几何条件是否不合理，造成数学处理困难。（4） 零件图上尺寸标注方法应适应数控车床加工的特点，应以同一基准标注尺寸或直接给出坐标尺寸。2．尺寸精度要求分析零件图样尺寸精度的要求，以判断能否利用车削工艺达到，并确定控制尺寸精度的工艺方法。在该项分析过程中，还可以同时进行一些尺寸的换算，如增量尺寸与绝对尺寸及尺寸链计算等。在利用数控车床车削零件时，常常对零件要求的尺寸取最大和最小极限尺寸的平均值作为编程的尺寸依据。3．形状和位置精度的要求零件图样上给定的形状和位置公差是保证零件精度的重要依据。加工时，要按照其要求确定零件的定位基准和测量基准，还可以根据数控车床的特殊需要进行一些技术性处理，以便有效的控制零件的形状和位置精度。4．表面粗糙度要求表面粗糙度是保证零件表面微观精度的重要要求，也是合理选择数控车床、刀具及确定切削用量的依据。5．材料与热处理要求零件图样上给定的材料与热处理要求，是选择刀具、数控车床型号、确定切削用量的依据。2．1零件加工工艺分析1加工工艺路线的确定原则 加工工艺路线合理与否，关系到零件的加工质量与生产效率。在确定加工工艺路线时，应综合考虑在保证加工精度的前提下，应最大限度地缩短加工工艺路线。所以数控加工工艺路线应遵循以下原则: (1)保证产品质量，应将保证零件的加工精度和表面粗糙度要求放在首位。 (2)提高劳动生产率和降低生产成本。在保证零件加工质量的前提下，应力求加工路线最短，并尽量减少空行程时间，提高加工效率。 (3)在满足零件加工质量、生产效率等条件下，尽量简化数学处理的数值计算工作量，以简化编程工作。此外，确定加工工艺路线中，还要综合考虑零件的形状与刚度、加工余量、机床与刀具的刚度等，确定一次进给还是多次进给，以及设计刀具的切人点与切出点、切入方向与切出方向。在铣削加工中，是采用顺铣还是逆铣等。2加工工艺的选择要点 在数控加工编程中，应强化工艺规程，选择合理的加工路线，优化程序编制。在制定加工工艺路线中应关注以下事项: (1)在确定加工路线时，为缩短行程，应考虑尽量缩短刀具的空行程。通常通过合理选择起刀点，合理安排回空路线都能使空行程缩短，提高生产效率。 (2)在安排加工工艺路线时，同时也要兼顾工序集中的原则。零件在一次装夹中，尽可能使用同一把刀具完成较多的加工表面，以减少换刀次数，简化加工路线，缩短辅助时间。有条件者可采用复合刀具，当一把刀具完成加工的所有部位后，尽可能为下道工序作些预加工，如使用小钻头预钻定位孔或划位置痕.或者进行粗加工，然后再换刀进行精加工。 (3)要选择工件在加工后变形小的加工路线。如对于横截面积小的细长零件或薄板零件应采用分数次走刀至最终尺寸或应用对称去除余量法安排加工