畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）論數(shù)控機(jī)床的應(yīng)用和發(fā)展方向

1、畢業(yè)論文畢業(yè)論文 論數(shù)控機(jī)床的應(yīng)用和發(fā)展方向 系 別： 機(jī)電系機(jī)電系 專 業(yè)： 數(shù)控技術(shù)及應(yīng)用數(shù)控技術(shù)及應(yīng)用 年 級(jí)： 學(xué)生姓名： 指導(dǎo)教師： 入學(xué)日期：2004 年 9 月 論文完整日期：2007 年 4 月 i 摘 要 科技水平的布段發(fā)展，使社會(huì)生產(chǎn)力得到了空前進(jìn)步，不斷催生 而出的、新的加工制造技術(shù)越來越多地運(yùn)用于生產(chǎn)實(shí)踐之中，并對(duì)社 會(huì)進(jìn)步發(fā)揮著巨大的推進(jìn)作用。數(shù)控車床加工就是其中最具代表性的 技術(shù)之一。數(shù)控技術(shù)的應(yīng)用不但給傳統(tǒng)制造業(yè)帶來了革命性的變化， 使制造業(yè)成為工業(yè)化的象征，而且隨著數(shù)控技術(shù)的不斷發(fā)展和應(yīng)用領(lǐng) 域的擴(kuò)大，它對(duì)國(guó)計(jì)民生的一些重要行業(yè)(it、汽車、輕工、醫(yī)療等) 的發(fā)

2、展起著越來越重要的作用。 本文系統(tǒng)介紹了數(shù)控車床的分類、編程特點(diǎn)和功能，在選擇數(shù)控 車床的原則以及安裝與調(diào)試，數(shù)控車床加工程序的編制將從確定走刀 路線、選擇合適的 g 命令等細(xì)節(jié)出發(fā),分析在數(shù)控車削中程序的編制 方法。還有車刀刀尖半徑補(bǔ)償是數(shù)控車削加工中的常見問題，就刀尖 半徑的影響進(jìn)行分析，根據(jù)不同功能的數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行刀尖半徑補(bǔ)償方 法等進(jìn)行介紹。介紹了數(shù)控車床的振動(dòng)的原因、影響及分析。虛擬數(shù) 控車削物理仿真系統(tǒng)的研究與開發(fā)提出了仿真系統(tǒng)的總體框架，建立 了動(dòng)態(tài)物理仿真模型及相關(guān)子模型，分析了動(dòng)態(tài)車削過程的影響因素， 闡述了系統(tǒng)開發(fā)過程中有關(guān)模型構(gòu)成及工件數(shù)據(jù)描述等技術(shù)性問題。 最后敘述了我國(guó)

3、數(shù)控車床的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)以及我國(guó)與強(qiáng)國(guó)的差距， 近幾年我國(guó)機(jī)床工業(yè)取得較大進(jìn)步，但同時(shí)，工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家機(jī)床工業(yè) 技術(shù)也在發(fā)展。對(duì)我國(guó)機(jī)床工業(yè)既要肯定成績(jī)，樹立信心，也要認(rèn)清 差距，實(shí)施跨越式發(fā)展。 關(guān)鍵詞 ：基本知識(shí)、編程、數(shù)控車床加工、刀尖半徑補(bǔ)償、現(xiàn) 狀和發(fā)展趨勢(shì)、 ii 目目 錄錄 引 言 .1 第 1 章 什么是數(shù)控機(jī)床 .3 1.1 數(shù)控車床的概念.3 1.2 數(shù)控加工的概念 .4 第 2 章 數(shù)控編程的有關(guān)問題和技巧 .8 2.1 數(shù)控編程的技巧 .8 2.2 數(shù)控編程的特點(diǎn)及例子.11 2.3 數(shù)控車削加工中刀尖圓弧半徑補(bǔ)償有關(guān)問題.13 第 3 章 數(shù)控仿真 .18 3.1 計(jì)算

4、機(jī)仿真的概念及應(yīng)用.18 3.2 數(shù)控仿真技術(shù)的研究現(xiàn)狀 .19 3.3 直接實(shí)體造型法 .20 3.4 基于圖像空間的方法 .21 3.5 離散矢量求交法 .22 第 4 章 數(shù)控車床的保養(yǎng) .24 4.1 概述.24 4.2 正確操作和使用數(shù)控系統(tǒng)的步驟.24 4.3 cnc 系統(tǒng)的日常維護(hù) .25 4.4 故障處置.26 第 5 章 數(shù)控機(jī)床的發(fā)展趨勢(shì) .28 第 6 章 結(jié)語 .36 萊蕪職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)論文 引言 1 引 言 我國(guó)數(shù)控機(jī)床產(chǎn)業(yè)度過了激情燃燒的歲月，將迎來理性發(fā)展的時(shí) 代。第十個(gè)五年計(jì)劃是我國(guó)數(shù)控機(jī)床高速發(fā)展時(shí)期，那么第十一個(gè)五 年計(jì)劃將是數(shù)控機(jī)床發(fā)展的戰(zhàn)略機(jī)遇期。戰(zhàn)略

5、機(jī)遇主要表現(xiàn)在：“十 一五”我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)在科學(xué)發(fā)展觀指引下，將更加穩(wěn)定有序發(fā)展；國(guó) 務(wù)院關(guān)于振興裝備制造業(yè)的決定，將大大加快我國(guó)裝備制造業(yè)的發(fā)展 進(jìn)程，特別是國(guó)家重點(diǎn)支持的一批重大裝備的發(fā)展，如大型發(fā)電、輸 變電設(shè)備、大型石油化工和煤化工裝置、礦山采掘設(shè)備、成套軋鋼設(shè) 備、大型海洋船舶、高速列車、大端面巖石掘進(jìn)機(jī)為代表的工程機(jī)械、 民用航空飛機(jī)及發(fā)動(dòng)機(jī)等，需要提供大批重型、精密、多坐標(biāo)、高效、 專用數(shù)控機(jī)床進(jìn)行加工制造。國(guó)家重大裝備的發(fā)展需求，給數(shù)控機(jī)床 產(chǎn)業(yè)的發(fā)展指明了方向。 “十一五”規(guī)劃的經(jīng)濟(jì)發(fā)展重點(diǎn)在于實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)方式的轉(zhuǎn)變， 先進(jìn)制造業(yè)是傳統(tǒng)制造業(yè)的改造方向，傳統(tǒng)工業(yè)如汽車、機(jī)械、家

6、電、 紡織、農(nóng)機(jī)、環(huán)保等行業(yè)的技術(shù)改造，對(duì)數(shù)控機(jī)床的需求繼續(xù)攀升； 電子信息、生物工程、新能源新材料等高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展又為精密、 高效、專用數(shù)控機(jī)床開辟了新的需求；從地域發(fā)展分析，我國(guó)東部產(chǎn) 業(yè)的升級(jí)、東北等老工業(yè)基地的振興和中西部的開發(fā)加快步伐，為數(shù) 控機(jī)床產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供國(guó)內(nèi)市場(chǎng)；經(jīng)濟(jì)全球化，國(guó)際資本和產(chǎn)業(yè)向中國(guó) 的轉(zhuǎn)移、國(guó)際技術(shù)和人才的交流、中國(guó)國(guó)際貿(mào)易的強(qiáng)勁發(fā)展等，為我 國(guó)數(shù)控機(jī)床產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供了外部環(huán)境，使我們處于難得的戰(zhàn)略發(fā)展 期。所謂戰(zhàn)略機(jī)遇是指在一個(gè)相對(duì)較長(zhǎng)的時(shí)間、相對(duì)廣闊的空間，對(duì) 整個(gè)產(chǎn)業(yè)發(fā)展有重大影響的特殊時(shí)期。戰(zhàn)略機(jī)遇不可多得，抓住戰(zhàn)略 萊蕪職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)論文 引言 2

7、 機(jī)遇，加快發(fā)展，是我國(guó)數(shù)控機(jī)床產(chǎn)業(yè)取勝之大略。 根據(jù)國(guó)際數(shù)控機(jī)床產(chǎn)業(yè)發(fā)展的趨勢(shì)和我國(guó)“十一五”國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā) 展要求， “十一五”數(shù)控機(jī)床產(chǎn)業(yè)的重點(diǎn)是：發(fā)展大型、精密、高 速數(shù)控裝備和數(shù)控系統(tǒng)及功能部件，改變大型、高精度數(shù)控機(jī)床大部 分依賴進(jìn)口的現(xiàn)狀，滿足機(jī)械、航空航天等工業(yè)發(fā)展。 重點(diǎn)發(fā)展關(guān)鍵功能部件和數(shù)控系統(tǒng)，為數(shù)控機(jī)床產(chǎn)品升級(jí)奠定基 礎(chǔ)。主要發(fā)展項(xiàng)目包括中高檔數(shù)控系統(tǒng)、高速主軸及其伺服單元、高 性能刀庫機(jī)械手、高速滾珠絲杠和直線導(dǎo)軌副、直線電機(jī)、全功能數(shù) 控刀架和數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)、高速防護(hù)裝置等它本身又是機(jī)電一體化的重要組 成部分，是現(xiàn)代機(jī)床技術(shù)水平的重要標(biāo)志。數(shù)控機(jī)床體現(xiàn)了當(dāng)前世界 機(jī)床技術(shù)進(jìn)步

8、的主流，是衡量機(jī)械制造工藝水平的重要指標(biāo)，在柔性 生產(chǎn)和計(jì)算機(jī)集成制造等先進(jìn)制造技術(shù)中起著重要的基礎(chǔ)核心作用。 因此，如何更好的使用數(shù)控機(jī)床是一個(gè)很重要的問題。 3 第 1 章 什么是數(shù)控機(jī)床 1.1 數(shù)控車床的概念 數(shù)控是數(shù)字控制的簡(jiǎn)稱，英文為 numerical control，簡(jiǎn)稱 nc。目前數(shù)控一般是采用通用或?qū)Ｓ糜?jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)字程序控制，因此 數(shù)控也稱為計(jì)算機(jī)數(shù)控(computer numerical control )，簡(jiǎn)稱 cnc，國(guó)外一般都稱為 cnc，很少再用 nc 這個(gè)概念了。下面詳細(xì)說明 之： 數(shù)控(numerical control,nc 數(shù)字控制)是指用數(shù)字、文字和符

9、號(hào)組成的數(shù)字指令來實(shí)現(xiàn)一臺(tái)或多臺(tái)機(jī)械設(shè)備動(dòng)作控制的技術(shù)。它所 控制的通常是位置、角度、速度等機(jī)械量和與機(jī)械能量流向有關(guān)的開 關(guān)量。數(shù)控的產(chǎn)生依賴于數(shù)據(jù)載體和二進(jìn)制形式數(shù)據(jù)運(yùn)算的出現(xiàn)。 1908 年，穿孔的金屬薄片互換式數(shù)據(jù)載體問世；19 世紀(jì)末，以紙為 數(shù)據(jù)載體并具有輔助功能的控制系統(tǒng)被發(fā)明；1938 年，香農(nóng)在美國(guó) 麻省理工學(xué)院進(jìn)行了數(shù)據(jù)快速運(yùn)算和傳輸，奠定了現(xiàn)代計(jì)算機(jī)，包括 計(jì)算機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)。數(shù)控技術(shù)是與機(jī)床控制密切結(jié)合發(fā)展起 來的。1952 年，第一臺(tái)數(shù)控機(jī)床問世，成為世界機(jī)械工業(yè)史上一件 劃時(shí)代的事件，推動(dòng)了自動(dòng)化的發(fā)展。 現(xiàn)在，數(shù)控技術(shù)也叫計(jì)算機(jī)數(shù)控技術(shù)(computer n

10、umerical control )，目前它是采用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)字程序控制的技術(shù)。這種技 術(shù)用計(jì)算機(jī)按事先存貯的控制程序來執(zhí)行對(duì)設(shè)備的控制功能。由于采 用計(jì)算機(jī)替代原先用硬件邏輯電路組成的數(shù)控裝置，使輸入數(shù)據(jù)的存 貯、處理、運(yùn)算、邏輯判斷等各種控制機(jī)能的實(shí)現(xiàn)，均可通過計(jì)算機(jī) 4 軟件來完成。 2003 年開始，中國(guó)就成了全球最大的機(jī)床消費(fèi)國(guó)，也是世界上最大 的數(shù)控機(jī)床進(jìn)口國(guó)。目前正在提高機(jī)械加工設(shè)備的數(shù)控化率，1999 年，我們國(guó)家機(jī)械加工設(shè)備數(shù)控華率是 58，目前預(yù)計(jì)是 1520之間。 1.2 數(shù)控加工的概念 數(shù)控機(jī)床的工作原理就是將加工過程所需的各種操作（如主軸變 速、工件的松開與夾緊、進(jìn)刀

11、與退刀、開車與停車、自動(dòng)關(guān)停冷卻液） 和步驟以及工件的形狀尺寸用數(shù)字化的代碼表示，通過控制介質(zhì)（如 穿孔紙帶或磁盤等）將數(shù)字信息送入數(shù)控裝置，數(shù)控裝置對(duì)輸入的信 息進(jìn)行處理與運(yùn)算，發(fā)出各種控制信號(hào)，控制機(jī)床的伺服系統(tǒng)或其他 驅(qū)動(dòng)元件，使機(jī)床自動(dòng)加工出所需要的工件。所以，數(shù)控加工的關(guān)鍵 是加工數(shù)據(jù)和工藝參數(shù)的獲取，即數(shù)控編程。數(shù)控加工一般包括以下 幾個(gè)內(nèi)容： (1) 對(duì)圖紙進(jìn)行分析，確定需要數(shù)控加工的部分； (2) 利用圖形軟件（如caxa制造工程師）對(duì)需要數(shù)控加工的部分 造型； (3) 根據(jù)加工條件，選擇合適的加工參數(shù)，生成加工軌跡（包括 粗加工、半精加工、精加工軌跡）； (4) 軌跡的仿真檢

12、驗(yàn)； (5) 生成g代碼； (6) 傳給機(jī)床加工。 1. 數(shù)控機(jī)床的特點(diǎn) 5 (1) 具有高度柔性 在數(shù)控機(jī)床上加工零件，主要取決于加工程序，它與普通機(jī)床不 同，不必制造、更換許多工具、夾具，不需要經(jīng)常調(diào)整機(jī)床。因此， 數(shù)控機(jī)床適用于零件頻繁更換的場(chǎng)合。也就是適合單件、小批生產(chǎn)及 新產(chǎn)品的開發(fā)，縮短了生產(chǎn)準(zhǔn)備周期，節(jié)省了大量工藝設(shè)備的費(fèi)用。 (2) 加工精度高 數(shù)控機(jī)床的加工精度，一般可達(dá)到0.0050.1mm，數(shù)控機(jī)床是按 數(shù)字信號(hào)形式控制的，數(shù)控裝置每輸出一個(gè)脈沖信號(hào)，則機(jī)床移動(dòng)部 件移動(dòng)一個(gè)脈沖當(dāng)量（一般為0.001mm），而且機(jī)床進(jìn)給傳動(dòng)鏈的反 向間隙與絲杠螺距平均誤差可由數(shù)控裝置進(jìn)行

13、補(bǔ)償，因此，數(shù)控機(jī)床 定位精度比較高。 (3) 加工質(zhì)量穩(wěn)定、可靠 加工同一批零件，在同一機(jī)床，在相同加工條件下，使用相同刀 具和加工程序，刀具的走刀軌跡完全相同，零件的一致性好，質(zhì)量穩(wěn) 定。 (4) 生產(chǎn)率高 數(shù)控機(jī)床可有效地減少零件的加工時(shí)間和輔助時(shí)間，數(shù)控機(jī)床的 主軸轉(zhuǎn)速和進(jìn)給量的范圍大，允許機(jī)床進(jìn)行大切削量的強(qiáng)力切削，數(shù) 控機(jī)床目前正進(jìn)入高速加工時(shí)代，數(shù)控機(jī)床移動(dòng)部件的快速移動(dòng)和定 位及高速切削加工，減少了半成品的工序間周轉(zhuǎn)時(shí)間，提高了生產(chǎn)效 率。 (5) 改善勞動(dòng)條件 數(shù)控機(jī)床加工前經(jīng)調(diào)整好后，輸入程序并啟動(dòng)，機(jī)床就能自動(dòng)連 續(xù)的進(jìn)行加工，直至加工結(jié)束。操作者主要是程序的輸入、編輯、

14、裝 卸零件、刀具準(zhǔn)備、加工狀態(tài)的觀測(cè)，零件的檢驗(yàn)等工作，勞動(dòng)強(qiáng)度 6 極大降低，機(jī)床操作者的勞動(dòng)趨于智力型工作。另外，機(jī)床一般是封 閉式加工，即清潔，又安全。 (6) 利于生產(chǎn)管理現(xiàn)代化 數(shù)控機(jī)床的加工，可預(yù)先精確估計(jì)加工時(shí)間，所使用的刀具、夾 具可進(jìn)行規(guī)范化、現(xiàn)代化管理。數(shù)控機(jī)床使用數(shù)字信號(hào)與標(biāo)準(zhǔn)代碼為 控制信息，易于實(shí)現(xiàn)加工信息的標(biāo)準(zhǔn)化，目前已與計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與 制造（cad/cam）有機(jī)地結(jié)合起來，是現(xiàn)代集成制造技術(shù)的基礎(chǔ)。 使用數(shù)控機(jī)床之前，應(yīng)仔細(xì)閱讀機(jī)床使用說明書以及其他有關(guān)資 料，以便正確操作使用機(jī)床，并注意以下幾點(diǎn)： 2. 數(shù)控機(jī)床使用中應(yīng)注意的事項(xiàng) (1) 機(jī)床操作、維修人員必

15、須是掌握相應(yīng)機(jī)床專業(yè)知識(shí)的專業(yè)人 員或經(jīng)過技術(shù)培訓(xùn)的人員，且必須按安全操作規(guī)程及安全操作規(guī)定操 作機(jī)床； (2) 非專業(yè)人員不得打開電柜門，打開電柜門前必須確認(rèn)已經(jīng)關(guān) 掉了機(jī)床總電源開關(guān)。只有專業(yè)維修人員才允許打開電柜門，進(jìn)行通 電檢修； (3) 除一些供用戶使用并可以改動(dòng)的參數(shù)外，其它系統(tǒng)參數(shù)、主 軸參數(shù)、伺服參數(shù)等，用戶不能私自修改，否則將給操作者帶來設(shè)備、 工件、人身等傷害； (4) 修改參數(shù)后，進(jìn)行第一次加工時(shí)，機(jī)床在不裝刀具和工件的 情況下用機(jī)床鎖住、單程序段等方式進(jìn)行試運(yùn)行，確認(rèn)機(jī)床正常后再 使用機(jī)床； (5) 機(jī)床的plc程序是機(jī)床制造商按機(jī)床需要設(shè)計(jì)的，不需要修 改。不正確的修

16、改，操作機(jī)床可能造成機(jī)床的損壞，甚至傷害操作者； 7 (6) 建議機(jī)床連續(xù)運(yùn)行最多24小時(shí)，如果連續(xù)運(yùn)行時(shí)間太長(zhǎng)會(huì)影 響電氣系統(tǒng)和部分機(jī)械器件的壽命，從而會(huì)影響機(jī)床的精度； (7) 機(jī)床全部連接器、接頭等，不允許帶電拔、插操作，否則將 引起嚴(yán)重的后果。 8 第 2 章 數(shù)控編程的有關(guān)問題和技巧 2.1 數(shù)控編程的技巧 控車床雖然加工柔性比普通車床優(yōu)越，但單就某一種零件的生產(chǎn)效率 而言，與普通車床還存在一定的差距。因此，提高數(shù)控車床的效率便 成為關(guān)鍵，而合理運(yùn)用編程技巧，編制高效率的加工程序，對(duì)提高機(jī) 床效率往往具有意想不到的效果。 1. 靈活設(shè)置參考點(diǎn) biejing-fanuc power

17、mate o數(shù)控車床共有二根軸，即主軸z和 刀具軸x。棒料中心為坐標(biāo)系原點(diǎn)，各刀接近棒料時(shí)，坐標(biāo)值減小， 稱之為進(jìn)刀；反之，坐標(biāo)值增大，稱為退刀。當(dāng)退到刀具開始時(shí)位置 時(shí)，刀具停止，此位置稱為參考點(diǎn)。參考點(diǎn)是編程中一個(gè)非常重要的 概念，每執(zhí)行完一次自動(dòng)循環(huán)，刀具都必須返回到這個(gè)位置，準(zhǔn)備下 一次循環(huán)。因此，在執(zhí)行程序前，必須調(diào)整刀具及主軸的實(shí)際位置與 坐標(biāo)數(shù)值保持一致。然而，參考點(diǎn)的實(shí)際位置并不是固定不變的，編 程人員可以根據(jù)零件的直徑、所用的刀具的種類、數(shù)量調(diào)整參考點(diǎn)的 位置，縮短刀具的空行程。從而提高效率。 2. 化零為整法 在低壓電器中，存在大量的短銷軸類零件，其長(zhǎng)徑比大約為 23，直徑

18、多在3mm以下。由于零件幾何尺寸較小，普通儀表車床難以 裝夾，無法保證質(zhì)量。如果按照常規(guī)方法編程，在每一次循環(huán)中只加 工一個(gè)零件，由于軸向尺寸較短，造成機(jī)床主軸滑塊在床身導(dǎo)軌局部 頻繁往復(fù)，彈簧夾頭夾緊機(jī)構(gòu)動(dòng)作頻繁。長(zhǎng)時(shí)間工作之后，便會(huì)造成 9 機(jī)床導(dǎo)軌局部過度磨損，影響機(jī)床的加工精度，嚴(yán)重的甚至?xí)斐蓹C(jī) 床報(bào)廢。而彈簧夾頭夾緊機(jī)構(gòu)的頻繁動(dòng)作，則會(huì)導(dǎo)致控制電器的損壞。 要解決以上問題，必須加大主軸送進(jìn)長(zhǎng)度和彈簧夾頭夾緊機(jī)構(gòu)的動(dòng)作 間隔，同時(shí)不能降低生產(chǎn)率。由此設(shè)想是否可以在一次加工循環(huán)中加 工數(shù)個(gè)零件，則主軸送進(jìn)長(zhǎng)度為單件零件長(zhǎng)度的數(shù)倍 ，甚至可達(dá)主 軸最大運(yùn)行距離，而彈簧夾頭夾緊機(jī)構(gòu)的動(dòng)作時(shí)

19、間間隔相應(yīng)延長(zhǎng)為原 來的數(shù)倍。更重要的是，原來單件零件的輔助時(shí)間分?jǐn)傇跀?shù)個(gè)零件上， 每個(gè)零件的輔助時(shí)間大為縮短，從而提高了生產(chǎn)效率。為了實(shí)現(xiàn)這一 設(shè)想，我聯(lián)想到電腦程序設(shè)計(jì)中主程序和子程序的概念，如果將涉及 零件幾何尺寸的命令字段放在一個(gè)子程序中，而將有關(guān)機(jī)床控制的命 令字段及切斷零件的命令字段放在主程序中，每加工一個(gè)零件時(shí)，由 主程序通過調(diào)用子程序命令調(diào)用一次子程序，加工完成后，跳轉(zhuǎn)回主 程序。需要加工幾個(gè)零件便調(diào)用幾次子程序，十分有利于增減每次循 環(huán)加工零件的數(shù)目。通過這種方式編制的加工程序也比較簡(jiǎn)潔明了， 便于修改、維護(hù)。值得注意的是，由于子程序的各項(xiàng)參數(shù)在每次調(diào)用 中都保持不變，而主軸

20、的坐標(biāo)時(shí)刻在變化，為與主程序相適應(yīng)，在子 程序中必須采用相對(duì)編程語句。 3. 減少刀具空行程 在biejing-fanuc power mate o數(shù)控車床中，刀具的運(yùn)動(dòng)是依靠 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)來帶動(dòng)的，盡管在程序命令中有快速點(diǎn)定位命令g00，但 與普通車床的進(jìn)給方式相比，依然顯得效率不高。因此，要想提高機(jī) 床效率，必須提高刀具的運(yùn)行效率。刀具的空行程是指刀具接近工件 和切削完畢后退回參考點(diǎn)所運(yùn)行的距離。只要減少刀具空行程，就可 以提高刀具的運(yùn)行效率。（對(duì)于點(diǎn)位控制的數(shù)控車床，只要求定位精 度較高，定位過程可盡可能快，而刀具相對(duì)工件的運(yùn)動(dòng)路線是無關(guān)緊 10 要的。）在機(jī)床調(diào)整方面，要將刀具的初始位置

21、安排在盡可能靠近棒 料的地方。在程序方面，要根據(jù)零件的結(jié)構(gòu)，使用盡可能少的刀具加 工零件使刀具在安裝時(shí)彼此盡可能分散，在很接近棒料時(shí)彼此就不會(huì) 發(fā)生干涉；另一方面，由于刀具實(shí)際的初始位置已經(jīng)與原來發(fā)生了變 化，必須在程序中對(duì)刀具的參考點(diǎn)位置進(jìn)行修改，使之與實(shí)際情況相 符，與此同時(shí)再配合快速點(diǎn)定位命令，就可以將刀具的空行程控制在 最小范圍內(nèi)從而提高機(jī)床加工效率。 4. 優(yōu)化參數(shù)，平衡刀具負(fù)荷，減少刀具磨損 由于零件結(jié)構(gòu)的千變?nèi)f化，有可能導(dǎo)致刀具切削負(fù)荷的不平衡。 而由于自身幾何形狀的差異導(dǎo)致不同刀具在剛度、強(qiáng)度方面存在較大 差異，例如：正外圓刀與切斷刀之間，正外圓刀與反外圓刀之間。如 果在編程時(shí)

22、不考慮這些差異。用強(qiáng)度、剛度弱的刀具承受較大的切削 載荷，就會(huì)導(dǎo)致刀具的非正常磨損甚至損壞，而零件的加工質(zhì)量達(dá)不 到要求。因此編程時(shí)必須分析零件結(jié)構(gòu)，用強(qiáng)度、剛度較高的刀具承 受較大的切削載荷，用強(qiáng)度、剛度小的刀具承受較小的切削載荷，使 不同的刀具都可以采用合理的切削用量，具有大體相近的壽命，減少 磨刀及更換刀具的次數(shù)。 本文總結(jié)的一些具體結(jié)論僅適用于biejing-fanuc power mate o 數(shù)控車床，但是它表現(xiàn)的編程思想具有普遍意義。要編制合理高效的 加工程序，必須要熟悉所使用機(jī)床的程序語言并能加以靈活運(yùn)用，了 解機(jī)床的主參數(shù)，深入分析零件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、材料特性及加工工藝等。 bi

23、ejing-fanuc power mate o數(shù)控車床指令包括g、m、s、t。其 中指令為準(zhǔn)備功能指令，m指令為輔助功能指令，s為主軸轉(zhuǎn)速控制指 令，t為刀具選擇指令。下表列出了部分常用的指令代碼及含義。 11 代碼符號(hào) 代碼含義 代碼符號(hào) 代碼含義 g90 絕對(duì)值輸入 g31 等導(dǎo)程螺紋切削 g91 相對(duì)值輸入 g32 跳步功能 g00 快速點(diǎn)定位 m02、m03 程序結(jié)束 g01 直線插補(bǔ) m00 程序停機(jī) g02、g03 順圓和逆圓插補(bǔ) m01 選擇停機(jī) g28 自動(dòng)返回參考點(diǎn) m98 調(diào)用子程序 g04 暫停 m99 子程序結(jié)束 2.2 數(shù)控編程的特點(diǎn)及例子 例1 試編制加工圖1示零

24、件的零件程序 毛坯直徑為25mm，長(zhǎng)度為50mm. 1、根據(jù)零件圖，選用 cnc 車床加工，用三爪卡盤夾緊工件 2、先加工 r8.5，長(zhǎng) 22.5 的外圓，分粗，精加工三次，再加工 12 r2.5 逆圓弧， 最后加工 r2.5 順圓弧 3、程序原點(diǎn) 選為 b 點(diǎn)， 座標(biāo)為(x15，z5 ) 4、刀具 外圓車刀（左偏刀） 切削用量：s800 - 粗加工 s1000 精加工、圓弧加工 f1000 - 快速定位運(yùn)動(dòng) f80 - 直線切削加工 f40 - 圓弧加工 5、程序清單如下 n1 g71 ; mm 為單位 n2 g90 ;絕對(duì)方式編程 n3 g50 x15 z5 ；加工起點(diǎn)，距編程原點(diǎn)距離 1

25、3 n4 g00 x13 z0.5 f1000 t1 s800；快速接近工件 n5 g73 d0 3 ；粗加工, 循環(huán) 3 次 n6 g91 ；改用相對(duì)編程 n7 g00 x-1 z0 f1000 t1 s800； n8 g01 x0 z-25.5 f80 t1 s800； n9 g00 x0 z25.5 f1000 ；原路退回 n10 g06;循環(huán)結(jié)束 n11 g73 d0 2 ;精加工，循環(huán)兩次 n12 g00 x-1 z0 s1000；吃刀1mm n13 g01 x0 z-23 f80 ； n14 g00 x0.5 z0 ；避開工件 n15 g00 x0 z23 ；退回 n16 g06

26、； n17 g90 ； n18 g00 x8.6 z-22.4 ；快點(diǎn)定位 n19 g01 x8.5 z-22.5 f100；靠近加工點(diǎn) n20 g03 x10 z-25 r2.5 ccw f40；逆圓加工 n21 g02 x12.5 z-27.5 r2.5 cw f40 ;順圓加工 n22 g00 x15 z0 ；退刀 機(jī)電專業(yè)技術(shù)網(wǎng) n23 g00 x15 z5 ；退回程序原點(diǎn) n24 m05 ;主軸停止 n25 m02 ;程序結(jié)束 14 2.32.3 數(shù)控車削加工中刀尖圓弧半徑補(bǔ)償有關(guān)問題 數(shù)控車削加工中刀尖圓弧半徑補(bǔ)償有關(guān)問題：摘要：車刀刀尖 半徑補(bǔ)償是數(shù)控車削加工中的常見問題，本文就

27、刀尖半徑的影響進(jìn) 行分析，根據(jù)不同功能的數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行刀尖半徑補(bǔ)償方法等進(jìn)行介紹。 編制數(shù)控車床加工程序時(shí)，理論上是將車刀刀尖看成一個(gè)點(diǎn)，如 圖 1a 所示的 p 點(diǎn)就是理論刀尖。但為了提高刀具的使用壽命和降低 加工工件的表面粗糙度，通常將刀尖磨成半徑不大的圓?。ㄒ话銏A弧 半徑 r 是 0.41.6 之間） ，如圖 1b 所示 x 向和 z 向的交點(diǎn) p 稱為假 想刀尖，該點(diǎn)是編程時(shí)確定加工軌跡的點(diǎn)，數(shù)控系統(tǒng)控制該點(diǎn)的運(yùn)動(dòng) 軌跡。然而實(shí)際切削時(shí)起作用的切削刃是圓弧的切點(diǎn) a、b，它們是 實(shí)際切削加工時(shí)形成工件表面的點(diǎn)。很顯然假想刀尖點(diǎn) p 與實(shí)際切 削點(diǎn) a、b 是不同點(diǎn)，所以如果在數(shù)控加工或數(shù)

28、控編程時(shí)不對(duì)刀尖圓 角半徑進(jìn)行補(bǔ)償，僅按照工件輪廓進(jìn)行編制的程序來加工，勢(shì)必會(huì)產(chǎn) 生加工誤差。 (a) (b) 圖 1 圓頭刀假想刀尖 15 2.3.1 假想刀尖的軌跡分析與偏置值計(jì)算 用圓頭車刀進(jìn)行車削加工時(shí)，實(shí)際切削點(diǎn) a 和 b 分別決定了 x 向和 z 向的加工尺寸。如圖 2 所示，車削圓柱面或端面（它們的母 線與坐標(biāo)軸 z 或 x 平行）時(shí)，p 點(diǎn)的軌跡與工件輪廓線重合；車削 錐面或圓弧面（它們的母線與坐標(biāo)軸 z 或 x 不平行）時(shí)，p 點(diǎn)的軌 跡與工件輪廓線不重合，因此下面就車削錐面和圓弧面進(jìn)行討論： 圖 2 刀尖圓弧半徑的影響 1、加工圓錐面的誤差分析與偏置值計(jì)算 如圖 3a 所

29、示，假想刀尖 p 點(diǎn)沿工件輪廓 cd 移動(dòng)，如果按照輪 廓線 cd 編程，用圓角車刀進(jìn)行實(shí)際切削，必然產(chǎn)生 cdd1c1 的殘 留誤差。因此，實(shí)際加工時(shí)，圓頭車刀的實(shí)際切削點(diǎn)要移至輪廓線 cd，沿 cd 移動(dòng)，如圖 3b 所示，這樣才能消除殘留高度。這時(shí)假想 刀尖的軌跡 c2d2 與輪廓線 cd 在 x 向相差 x，z 向相差 z。設(shè)刀 具的半徑為 r，可以求出： 16 圖 3 圓頭車刀加工圓錐面 2、加工圓弧面的誤差分析與偏置值計(jì)算 圓頭車刀加工圓弧面和加工圓錐面基本相似。如圖 4 是加工 1/4 凸凹圓弧，cd 為工件輪廓線，o 點(diǎn)為圓心，半徑為 r，刀具與圓弧 輪廓起點(diǎn)、終點(diǎn)的切削點(diǎn)分別

30、為 c 和 d，對(duì)應(yīng)假想刀尖為 c1 和 d1。對(duì)圖 4a 所示凸圓弧加工情況，圓弧 c1d1 為假想刀尖軌跡，o1 點(diǎn)為圓心，半徑為（r+r） ；對(duì)圖 4b 所示凹圓弧加工情況，圓弧 c2d2 為假想刀尖軌跡，其圓心是 o2 點(diǎn)，半徑為（r-r） 。如果按假 想刀尖軌跡編程，則要以圖中所示的圓弧 c1d1 或 c2d2（虛線）有 關(guān)參數(shù)進(jìn)行程序編制。 17 圖 4 圓頭車刀加工 90凸凹圓弧 2.3.2 刀尖圓角半徑補(bǔ)償方法 現(xiàn)代數(shù)控系統(tǒng)一般都有刀具圓角半徑補(bǔ)償器，具有刀尖圓弧半徑 補(bǔ)償功能（即 g41 左補(bǔ)償和 g42 右補(bǔ)償功能） ，對(duì)于這類數(shù)控車床， 編程員可直接根據(jù)零件輪廓形狀進(jìn)行編

31、程，編程時(shí)可假設(shè)刀具圓角半 徑為零，在數(shù)控加工前必須在數(shù)控機(jī)床上的相應(yīng)刀具補(bǔ)償號(hào)輸入刀具 圓弧半徑值，加工過程中，數(shù)控系統(tǒng)根據(jù)加工程序和刀具圓弧半徑自 動(dòng)計(jì)算假想刀尖軌跡，進(jìn)行刀具圓角半徑補(bǔ)償，完成零件的加工。刀 具半徑變化時(shí)，不需修改加工程序，只需修改相應(yīng)刀號(hào)補(bǔ)償號(hào)刀具圓 弧半徑值即可。需要注意的是：有些具有 g41、g42 功能的數(shù)控系統(tǒng)， 除了輸入刀頭圓角半徑外，還應(yīng)輸入假想刀尖相對(duì)于圓頭刀中心的位 置，這是由于內(nèi)、外圓車刀或左、右偏刀的刀尖位置不同。 當(dāng)數(shù)控車床的數(shù)控系統(tǒng)具有刀具長(zhǎng)度補(bǔ)償器時(shí)，直接根據(jù)零件輪 廓形狀進(jìn)行編程，加工前在機(jī)床的刀具長(zhǎng)度補(bǔ)償器輸入上述的 x 和 z 的值，在加

32、工時(shí)調(diào)用相應(yīng)刀具的補(bǔ)償號(hào)即可。 對(duì)于有些不具備補(bǔ)償功能經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)的車床可直接按照假想 18 刀尖的軌跡進(jìn)行編程，即在編程時(shí)給出假想刀尖的軌跡，如圖 3b 和 圖 4 所示的虛線軌跡進(jìn)行編程。如果采用手工編程計(jì)算相當(dāng)復(fù)雜，通 ?？衫糜?jì)算機(jī)繪圖軟件（如 autocad、caxa 電子圖版等）先畫出工 件輪廓，再根據(jù)刀尖圓角半徑大小繪制相應(yīng)假想刀尖軌跡，通過軟件 查出有關(guān)點(diǎn)的坐標(biāo)來進(jìn)行編程；對(duì)于較復(fù)雜的工件也可以利用計(jì)算機(jī) 輔助編程（cam） ，如用 caxa 數(shù)控車軟件進(jìn)行編程時(shí)，刀尖半徑補(bǔ)償 有兩種方式：編程時(shí)考慮半徑補(bǔ)償和由機(jī)床進(jìn)行半徑補(bǔ)償，對(duì)于有些 不具備補(bǔ)償功能數(shù)控系統(tǒng)應(yīng)該采用編程時(shí)

33、考慮半徑補(bǔ)償，根據(jù)給出的 刀尖半徑和零件輪廓會(huì)自動(dòng)計(jì)算出假想刀尖軌跡，通過軟件后置處理 生成假想刀尖軌跡的加工程序。對(duì)于這類數(shù)控系統(tǒng)當(dāng)?shù)毒吣p、重磨、 或更換新刀具而使刀尖半徑變化時(shí)，需要重新計(jì)算假想刀尖軌跡，并 修改加工程序，既復(fù)雜煩瑣，又不易保證加工精度。 結(jié)束語：以上通過車刀刀尖半徑對(duì)加工工件的影響的分析可知， 要保證零件加工精度，在數(shù)控加工尤其精加工一定要進(jìn)行車刀刀尖半 徑補(bǔ)償。由于目前數(shù)控系統(tǒng)的功能參差不齊，針對(duì)不同類型數(shù)控系統(tǒng)， 在實(shí)際應(yīng)用中采取方法也不同，有些在編程時(shí)就要考慮半徑補(bǔ)償，有 些可在機(jī)床中進(jìn)行半徑補(bǔ)償。 19 第 3 章 數(shù)控仿真 3.1 計(jì)算機(jī)仿真的概念及應(yīng)用 從工

34、程的角度來看，仿真就是通過對(duì)系統(tǒng)模型的實(shí)驗(yàn)去研究一 個(gè)已有的或設(shè)計(jì)中的系統(tǒng)。分析復(fù)雜的動(dòng)態(tài)對(duì)象，仿真是一種有效的 方法，可以減少風(fēng)險(xiǎn)，縮短設(shè)計(jì)和制造的周期，并節(jié)約投資。計(jì)算機(jī) 仿真就是借助計(jì)算機(jī)，利用系統(tǒng)模型對(duì)實(shí)際系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究的過程。 它隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展而迅速地發(fā)展，在仿真中占有越來越重要的 地位。計(jì)算機(jī)仿真的過程可通過圖 1 所示的要素間的三個(gè)基本活動(dòng)來 描述： 建模活動(dòng)是通過對(duì)實(shí)際系統(tǒng)的觀測(cè)或檢測(cè)，在忽略次要因素及 不可檢測(cè)變量的基礎(chǔ)上，用物理或數(shù)學(xué)的方法進(jìn)行描述，從而獲得實(shí) 際系統(tǒng)的簡(jiǎn)化近似模型。這里的模型同實(shí)際系統(tǒng)的功能與參數(shù)之間應(yīng) 具有相似性和對(duì)應(yīng)性。 仿真模型是對(duì)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)

35、模型（簡(jiǎn)化模型）進(jìn)行一定的算法處 理，使其成為合適的形式（如將數(shù)值積分變?yōu)榈\(yùn)算模型）之后， 成為能被計(jì)算機(jī)接受的“可計(jì)算模型”。仿真模型對(duì)實(shí)際系統(tǒng)來講是 一個(gè)二次簡(jiǎn)化的模型。 仿真實(shí)驗(yàn)是指將系統(tǒng)的仿真模型在計(jì)算機(jī)上運(yùn)行的過程。仿真 是通過實(shí)驗(yàn)來研究實(shí)際系統(tǒng)的一種技術(shù)，通過仿真技術(shù)可以弄清系統(tǒng) 內(nèi)在結(jié)構(gòu)變量和環(huán)境條件的影響。 計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面：應(yīng)用領(lǐng)域的 擴(kuò)大和仿真計(jì)算機(jī)的智能化。計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)不僅在傳統(tǒng)的工程技術(shù) 20 領(lǐng)域（航空、航天、化工等方面）繼續(xù)發(fā)展，而且擴(kuò)大到社會(huì)經(jīng)濟(jì)、 生物等許多非工程領(lǐng)域，此外，并行處理、人工智能、知識(shí)庫和專家 系統(tǒng)等技術(shù)的發(fā)展正影響

36、著仿真計(jì)算機(jī)的發(fā)展。 數(shù)控加工仿真利用計(jì)算機(jī)來模擬實(shí)際的加工過程，是驗(yàn)證數(shù)控加 工程序的可靠性和預(yù)測(cè)切削過程的有力工具，以減少工件的試切，提 高生產(chǎn)效率。 3.2 數(shù)控仿真技術(shù)的研究現(xiàn)狀 數(shù)控機(jī)床加工零件是靠數(shù)控指令程序控制完成的。為確保數(shù)控程 序的正確性，防止加工過程中干涉和碰撞的發(fā)生，在實(shí)際生產(chǎn)中，常 采用試切的方法進(jìn)行檢驗(yàn)。但這種方法費(fèi)工費(fèi)料，代價(jià)昂貴，使生產(chǎn) 成本上升，增加了產(chǎn)品加工時(shí)間和生產(chǎn)周期。后來又采用軌跡顯示法， 即以劃針或筆代替刀具，以著色板或紙代替工件來仿真刀具運(yùn)動(dòng)軌跡 的二維圖形（也可以顯示二維半的加工軌跡），有相當(dāng)大的局限性。 對(duì)于工件的三維和多維加工，也有用易切削的材

37、料代替工件（如，石 蠟、木料、改性樹脂和塑料等）來檢驗(yàn)加工的切削軌跡。但是，試切 要占用數(shù)控機(jī)床和加工現(xiàn)場(chǎng)。為此，人們一直在研究能逐步代替試切 的計(jì)算機(jī)仿真方法，并在試切環(huán)境的模型化、仿真計(jì)算和圖形顯示等 方面取得了重要的進(jìn)展，目前正向提高模型的精確度、仿真計(jì)算實(shí)時(shí) 化和改善圖形顯示的真實(shí)感等方向發(fā)展。 從試切環(huán)境的模型特點(diǎn)來看，目前 nc 切削過程仿真分幾何仿真 和力學(xué)仿真兩個(gè)方面。幾何仿真不考慮切削參數(shù)、切削力及其它物理 因素的影響，只仿真刀具工件幾何體的運(yùn)動(dòng)，以驗(yàn)證 nc 程序的正確 性。它可以減少或消除因程序錯(cuò)誤而導(dǎo)致的機(jī)床損傷、夾具破壞或刀 21 具折斷、零件報(bào)廢等問題；同時(shí)可以減少

38、從產(chǎn)品設(shè)計(jì)到制造的時(shí)間， 降低生產(chǎn)成本。切削過程的力學(xué)仿真屬于物理仿真范疇，它通過仿真 切削過程的動(dòng)態(tài)力學(xué)特性來預(yù)測(cè)刀具破損、刀具振動(dòng)、控制切削參數(shù)， 從而達(dá)到優(yōu)化切削過程的目的。 幾何仿真技術(shù)的發(fā)展是隨著幾何建模技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展的，包括 定性圖形顯示和定量干涉驗(yàn)證兩方面。目前常用的方法有直接實(shí)體造 型法，基于圖像空間的方法和離散矢量求交法。 3.3 直接實(shí)體造型法 這種方法是指工件體與刀具運(yùn)動(dòng)所形成的包絡(luò)體進(jìn)行實(shí)體布爾差 運(yùn)算，工件體的三維模型隨著切削過程被不斷更新。sungurtekin 和 velcker 開發(fā)了一個(gè)銑床的模擬系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用 csg 法來記錄毛坯 的三維模型，利用一些基

39、本圖元如長(zhǎng)方體、圓柱體、圓錐體等，和集 合運(yùn)算，特別是并運(yùn)算，將毛坯和一系列刀具掃描過的區(qū)域記錄下來， 然后應(yīng)用集合差運(yùn)算從毛坯中順序除去掃描過的區(qū)域。所謂被掃過的 區(qū)域是指切削刀具沿某一軌跡運(yùn)動(dòng)時(shí)所走過的區(qū)域。在掃描了每段 nc 代碼后顯示變化了的毛坯形狀。 kawashima 等的接合樹法將毛坯和切削區(qū)域用接合樹 （graftree）表示，即除了空和滿兩種結(jié)點(diǎn)，邊界結(jié)點(diǎn)也作為八叉樹 （octtree）的葉結(jié)點(diǎn)。邊界結(jié)點(diǎn)包含半空間，結(jié)點(diǎn)物體利用在這些 半空間上的 csg 操作來表示。接合樹細(xì)分的層次由邊界結(jié)點(diǎn)允許的半 空間個(gè)數(shù)決定。逐步的切削仿真利用毛坯和切削區(qū)域的差運(yùn)算來實(shí)現(xiàn)。 毛坯的顯示

40、采用了深度緩沖區(qū)算法，將毛坯劃分為多邊形實(shí)現(xiàn)毛坯的 可視化。 22 用基于實(shí)體造型的方法實(shí)現(xiàn)連續(xù)更新的毛坯的實(shí)時(shí)可視化，耗時(shí) 太長(zhǎng)，于是一些基于觀察的方法被提出來。 3.4 基于圖像空間的方法 這種方法用圖像空間的消隱算法來實(shí)現(xiàn)實(shí)體布爾運(yùn)算。vanhook 采用圖象空間離散法實(shí)現(xiàn)了加工過程的動(dòng)態(tài)圖形仿真。他使用類似圖 形消隱的 zbuffer 思想，沿視線方向?qū)⒚骱偷毒唠x散，在每個(gè)屏幕 象素上毛坯和刀具表示為沿 z 軸的一個(gè)長(zhǎng)方體，稱為 dexel 結(jié)構(gòu)。刀 具切削毛坯的過程簡(jiǎn)化為沿視線方向上的一維布爾運(yùn)算，見圖 3，切 削過程就變成兩者 dexel 結(jié)構(gòu)的比較： case1：只有毛坯，顯示

41、毛坯，break； case2：毛坯完全在刀具之后，顯示刀具，break； case3：刀具切削毛坯前部，更新毛坯的 dexel 結(jié)構(gòu)，顯示刀具， break； case4：刀具切削毛坯內(nèi)部，刪除毛坯的 dexel 結(jié)構(gòu)，顯示刀具， break； case5：刀具切削毛坯內(nèi)部，創(chuàng)建新的毛坯 dexel 結(jié)構(gòu)，顯示 毛坯，break； case6：刀具切削毛坯后部，更新毛坯的 dexel 結(jié)構(gòu)，顯示毛坯， break； case7：刀具完全在毛坯之后，顯示毛坯，break； case8：只有刀具，顯示刀具，break。 這種方法將實(shí)體布爾運(yùn)算和圖形顯示過程合為一體，使仿真圖 形顯示有很好的實(shí)時(shí)性

42、。 23 hsu 和 yang 提出了一種有效的三軸銑削的實(shí)時(shí)仿真方法。他們 使用 zmap 作為基本數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，記錄一個(gè)二維網(wǎng)格的每個(gè)方塊處的毛 坯高度，即 z 向值。這種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)只適用于刀軸 z 向的三軸銑削仿真。 對(duì)每個(gè)銑削操作通過改變刀具運(yùn)動(dòng)每一點(diǎn)的深度值，很容易更新 zmap 值，并更新工件的圖形顯示。 3.5 離散矢量求交法 由于現(xiàn)有的實(shí)體造型技術(shù)未涉及公差和曲面的偏置表示，而像 素空間布爾運(yùn)算并不精確，使仿真驗(yàn)證有很大的局限性。為此 chappel 提出了一種基于曲面技術(shù)的“點(diǎn)矢量”(pointvector)法。 這種方法將曲面按一定精度離散，用這些離散點(diǎn)來表示該曲面。以每 個(gè)離散

43、點(diǎn)的法矢為該點(diǎn)的矢量方向，延長(zhǎng)與工件的外表面相交。通過 仿真刀具的切削過程，計(jì)算各個(gè)離散點(diǎn)沿法矢到刀具的距離 s。 設(shè) sg 和 sm 分別為曲面加工的內(nèi)、外偏差，如果 sgssm 說明 加工處在誤差范圍內(nèi)，ssm 則漏切。該方法分為被切削曲面的離散 (discretization)、檢測(cè)點(diǎn)的定位（location）和離散點(diǎn)矢量與工件 實(shí)體的求交(intersection)三個(gè)過程。采用圖像映射的方法顯示加工 誤差圖形；零件表面的加工誤差可以精確地描寫出來。 總體來說，基于實(shí)體造型的方法中幾何模型的表達(dá)與實(shí)際加工過 程相一致，使得仿真的最終結(jié)果與設(shè)計(jì)產(chǎn)品間的精確比較成為可能； 但實(shí)體造型的技術(shù)

44、要求高，計(jì)算量大，在目前的計(jì)算機(jī)實(shí)用環(huán)境下較 難應(yīng)用于實(shí)時(shí)檢測(cè)和動(dòng)態(tài)模擬?；趫D像空間的方法速度快得多，能 夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)仿真，但由于原始數(shù)據(jù)都已轉(zhuǎn)化為像素值，不易進(jìn)行精確 的檢測(cè)。離散矢量求交法基于零件的表面處理，能精確描述零件面的 24 加工誤差，主要用于曲面加工的誤差檢測(cè)。 25 第 4 章 數(shù)控車床的保養(yǎng) 數(shù)控機(jī)床的保養(yǎng)與維修 4.1 概述 數(shù)控機(jī)床的維修概念，不能單純局限于數(shù)控系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，如 何排除故障和及時(shí)修復(fù)，使數(shù)控系統(tǒng)盡早投入使用，還應(yīng)包括正確使 用和日常保養(yǎng)等。 4.2 正確操作和使用數(shù)控系統(tǒng)的步驟 （1）數(shù)控系統(tǒng)通電前的檢查 1）檢查cnc裝置內(nèi)的各個(gè)印刷線路板是否緊固，各

45、個(gè)插頭有無松 動(dòng)。 2）認(rèn)真檢查cnc裝置與外界之間的全部連接電纜是否按隨機(jī)提供 的連接手冊(cè)的規(guī)定，正確而可靠地連接。 3）交流輸入電源的連接是否符合cnc裝置規(guī)定的要求。 4）確認(rèn)cnc裝置內(nèi)的各種硬件設(shè)定是否符合cnc裝置的要求。 只有經(jīng)過上述檢查，cnc裝置才能投入通電運(yùn)行。 （2）數(shù)控系統(tǒng)通電后的檢查 1）首先要檢查數(shù)控裝置中各個(gè)風(fēng)扇是否正常運(yùn)轉(zhuǎn)。 2）確認(rèn)各個(gè)印刷線路或模塊上的直流電源是否正常，是否在允 許的波動(dòng)范圍之內(nèi)。 3）進(jìn)一步確認(rèn)cnc裝置的各種參數(shù)。 26 4）當(dāng)數(shù)控裝置與機(jī)床聯(lián)機(jī)通電時(shí)，應(yīng)在接通電源的同時(shí)，作為 按壓緊急停止按鈕的準(zhǔn)備，以備出現(xiàn)緊急情況時(shí)隨時(shí)切斷電源。 5

46、）用手動(dòng)以低速給移動(dòng)各個(gè)軸，觀察機(jī)床移動(dòng)方向的顯示是否 正確。 6）進(jìn)行幾次返回機(jī)床基準(zhǔn)點(diǎn)的動(dòng)作，用來檢查數(shù)控機(jī)床是否有 返回基準(zhǔn)點(diǎn)功能，以及每次返回基準(zhǔn)點(diǎn)的位置是否完全一致。 7）cnc裝置的功能測(cè)試。 4.3 cnc 系統(tǒng)的日常維護(hù) 1）制訂cnc系統(tǒng)的日常維護(hù)的規(guī)章制度。 2）應(yīng)盡量少開數(shù)控柜和強(qiáng)電柜的門。 3）定時(shí)清理數(shù)控裝置的散熱通風(fēng)系統(tǒng)。 4）cnc系統(tǒng)的輸入/輸出裝置的定期維護(hù)。 5）定期檢查和更換直流電機(jī)電刷。 6）經(jīng)常監(jiān)視cnc裝置用的電網(wǎng)電壓。 7）存儲(chǔ)器用電池的定期更換。 8）cnc系統(tǒng)長(zhǎng)期不用時(shí)的維護(hù)。 9）備用印刷線路板的維護(hù)。對(duì)于已購置的備用印刷線路板應(yīng)定 期裝到c

47、nc裝置上通電運(yùn)行一段時(shí)間，以防損壞。 10）做好維修前期的準(zhǔn)備工作： 技術(shù)準(zhǔn)備：維修人員應(yīng)在平時(shí)充分了解系統(tǒng)的性能。 工具準(zhǔn)備：作為最終用戶，維修工具只需準(zhǔn)備一些常規(guī)的儀器 設(shè)備，如交流電壓表，直流電壓表，可能用指針式的也可以是數(shù)字式 的，測(cè)量誤差在2%范圍內(nèi)即可。萬用表也是一種常用的儀表。 27 備件準(zhǔn)備：一旦由于cnc系統(tǒng)的部件或元器件損壞，使系統(tǒng)發(fā) 生故障。為能及時(shí)排除故障，用戶應(yīng)準(zhǔn)備一些常用的備件。 4.4 故障處置 一旦cnc系統(tǒng)發(fā)生故障，系統(tǒng)操作人員應(yīng)采取急停措施，停止系 統(tǒng)運(yùn)行，保護(hù)好現(xiàn)場(chǎng)。 （1）故障的表現(xiàn) 系統(tǒng)發(fā)生故障的工作方式 工作方式有：tape（紙帶方式）、mdi（手

48、動(dòng)數(shù)據(jù)輸入方式）、 memory（存儲(chǔ)器方式）、edit（編輯）、handle（手輪）、jog（點(diǎn) 動(dòng)）方式。 mdi/dpl（手動(dòng)數(shù)據(jù)輸入/顯示）。 系統(tǒng)狀態(tài)顯示有時(shí)系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)卻沒有報(bào)警，此時(shí)需要通過 診斷畫面觀察系統(tǒng)所處的狀態(tài)。 定位誤差超差情況。 在crt上的報(bào)警及報(bào)警號(hào)。 刀具軌跡出現(xiàn)誤差時(shí)的速度。 （2）故障的頻繁程度 故障發(fā)生的時(shí)間及頻率。 加工同類工件時(shí)，發(fā)生故障的概率。 故障發(fā)生的方式，判別是否與進(jìn)給速度、換刀方式或是與螺紋 切削有關(guān)。 出現(xiàn)故障的程序段。 （3）故障的重復(fù)性 28 將引起故障的程序段重復(fù)執(zhí)行多次進(jìn)行觀察，來考察故障的重 復(fù)性。 將該程序段的編程值與系統(tǒng)內(nèi)的

49、實(shí)際數(shù)值進(jìn)行比較，確認(rèn)兩者 是否有差異。 本系統(tǒng)以前是否發(fā)生過同樣故障？ （4）外界狀況 環(huán)境溫度。 周圍的振動(dòng)源。 系統(tǒng)的安裝位置檢查，出故障時(shí)是否受到陽光的直射等。 切削液、潤(rùn)滑油是否飛濺到了系統(tǒng)柜、系統(tǒng)柜里是否進(jìn)水，受 到水的浸漬（如暖氣漏水）等。 輸入電壓調(diào)查，輸入電源是否有波動(dòng)、電壓值等。 29 第 5 章 數(shù)控機(jī)床的發(fā)展趨勢(shì) 數(shù)控技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì) 數(shù)控技術(shù)的應(yīng)用不但給傳統(tǒng)制造業(yè)帶來了革命性的變化，使制造 業(yè)成為工業(yè)化的象征，而且隨著數(shù)控技術(shù)的不斷發(fā)展和應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò) 大，他對(duì)國(guó)計(jì)民生的一些重要行業(yè)（it、汽車、輕工、醫(yī)療等）的發(fā) 展起著越來越重要的作用，因?yàn)檫@些行業(yè)所需裝備的數(shù)字化已是

50、現(xiàn)代 發(fā)展的大趨勢(shì)。從目前世界上數(shù)控技術(shù)及其裝備發(fā)展的趨勢(shì)來看，其 主要研究熱點(diǎn)有以下幾個(gè)方面14 。 1 高速、高精加工技術(shù)及裝備的新趨勢(shì) 效率、質(zhì)量是先進(jìn)制造技術(shù)的主體。高速、高精加工技術(shù)可極大 地提高效率，提高產(chǎn)品的質(zhì)量和檔次，縮短生產(chǎn)周期和提高市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng) 能力。為此日本先端技術(shù)研究會(huì)將其列為 5 大現(xiàn)代制造技術(shù)之一，國(guó) 際生產(chǎn)工程學(xué)會(huì)（cirp）將其確定為 21 世紀(jì)的中心研究方向之一。 在轎車工業(yè)領(lǐng)域，年產(chǎn) 30 萬輛的生產(chǎn)節(jié)拍是 40 秒/輛，而且多 品種加工是轎車裝備必須解決的重點(diǎn)問題之一；在航空和宇航工業(yè)領(lǐng) 域，其加工的零部件多為薄壁和薄筋，剛度很差，材料為鋁或鋁合金， 只有在高

51、切削速度和切削力很小的情況下，才能對(duì)這些筋、壁進(jìn)行加 工。近來采用大型整體鋁合金坯料“掏空”的方法來制造機(jī)翼、機(jī)身 等大型零件來替代多個(gè)零件通過眾多的鉚釘、螺釘和其他聯(lián)結(jié)方式拼 裝，使構(gòu)件的強(qiáng)度、剛度和可靠性得到提高。這些都對(duì)加工裝備提出 了高速、高精和高柔性的要求。 從 emo2001 展會(huì)情況來看，高速加工中心進(jìn)給速度可達(dá) 80m/min，甚至更高，空運(yùn)行速度可達(dá) 100m/min 左右。目前世界上許 30 多汽車廠，包括我國(guó)的上海通用汽車公司，已經(jīng)采用以高速加工中心 組成的生產(chǎn)線部分替代組合機(jī)床。美國(guó) cincinnati 公司的 hypermach 機(jī)床進(jìn)給速度最大達(dá) 60m/min，

52、快速為 100m/min，加速度 達(dá) 2g，主軸轉(zhuǎn)速已達(dá) 60 000r/min。加工一薄壁飛機(jī)零件，只用 30min，而同樣的零件在一般高速銑床加工需 3h，在普通銑床加工需 8h；德國(guó) dmg 公司的雙主軸車床的主軸速度及加速度分別達(dá) 12*!000r/mm 和 1g。 在加工精度方面，近 10 年來，普通級(jí)數(shù)控機(jī)床的加工精度已由 10m 提高到 5m，精密級(jí)加工中心則從 35m，提高到 11.5m，并且超精密加工精度已開始進(jìn)入納米級(jí)(0.01m)。 在可靠性方面，國(guó)外數(shù)控裝置的 mtbf 值已達(dá) 6 000h 以上，伺服 系統(tǒng)的 mtbf 值達(dá)到 30000h 以上，表現(xiàn)出非常高的可靠性

53、。 為了實(shí)現(xiàn)高速、高精加工，與之配套的功能部件如電主軸、直線電機(jī) 得到了快速的發(fā)展，應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)一步擴(kuò)大。 2. 5 軸聯(lián)動(dòng)加工和復(fù)合加工機(jī)床快速發(fā)展 采用 5 軸聯(lián)動(dòng)對(duì)三維曲面零件的加工，可用刀具最佳幾何形狀進(jìn) 行切削，不僅光潔度高，而且效率也大幅度提高。一般認(rèn)為，1 臺(tái) 5 軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床的效率可以等于 2 臺(tái) 3 軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床，特別是使用立方氮化 硼等超硬材料銑刀進(jìn)行高速銑削淬硬鋼零件時(shí)，5 軸聯(lián)動(dòng)加工可比 3 軸聯(lián)動(dòng)加工發(fā)揮更高的效益。但過去因 5 軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控系統(tǒng)、主機(jī)結(jié)構(gòu) 復(fù)雜等原因，其價(jià)格要比 3 軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床高出數(shù)倍，加之編程技術(shù) 難度較大，制約了 5 軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床的發(fā)展。 當(dāng)前由于電主

54、軸的出現(xiàn)，使得實(shí)現(xiàn) 5 軸聯(lián)動(dòng)加工的復(fù)合主軸頭結(jié) 構(gòu)大為簡(jiǎn)化，其制造難度和成本大幅度降低，數(shù)控系統(tǒng)的價(jià)格差距縮 小。因此促進(jìn)了復(fù)合主軸頭類型 5 軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床和復(fù)合加工機(jī)床（含 5 31 面加工機(jī)床）的發(fā)展。 在 emo2001 展會(huì)上，新日本工機(jī)的 5 面加工機(jī)床采用復(fù)合主軸頭， 可實(shí)現(xiàn) 4 個(gè)垂直平面的加工和任意角度的加工，使得 5 面加工和 5 軸 加工可在同一臺(tái)機(jī)床上實(shí)現(xiàn)，還可實(shí)現(xiàn)傾斜面和倒錐孔的加工。德國(guó) dmg 公司展出 dmuvoution 系列加工中心，可在一次裝夾下 5 面加工 和 5 軸聯(lián)動(dòng)加工，可由 cnc 系統(tǒng)控制或 cad/cam 直接或間接控制。 3. 智能化、開放式

55、、網(wǎng)絡(luò)化成為當(dāng)代數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展的主要趨勢(shì) 21 世紀(jì)的數(shù)控裝備將是具有一定智能化的系統(tǒng)，智能化的內(nèi)容 包括在數(shù)控系統(tǒng)中的各個(gè)方面：為追求加工效率和加工質(zhì)量方面的智 能化，如加工過程的自適應(yīng)控制，工藝參數(shù)自動(dòng)生成；為提高驅(qū)動(dòng)性 能及使用連接方便的智能化，如前饋控制、電機(jī)參數(shù)的自適應(yīng)運(yùn)算、 自動(dòng)識(shí)別負(fù)載自動(dòng)選定模型、自整定等；簡(jiǎn)化編程、簡(jiǎn)化操作方面的 智能化，如智能化的自動(dòng)編程、智能化的人機(jī)界面等；還有智能診斷、 智能監(jiān)控方面的內(nèi)容、方便系統(tǒng)的診斷及維修等。 為解決傳統(tǒng)的數(shù)控系統(tǒng)封閉性和數(shù)控應(yīng)用軟件的產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)存在 的問題。目前許多國(guó)家對(duì)開放式數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行研究，如美國(guó)的 ngc(the next g

56、eneration work-station/machine control)、歐共 體的 osaca(open system architecture for control within automation systems)、日本的 osec(open system environment for controller)，中國(guó)的 onc(open numerical control system)等。數(shù) 控系統(tǒng)開放化已經(jīng)成為數(shù)控系統(tǒng)的未來之路。所謂開放式數(shù)控系統(tǒng)就 是數(shù)控系統(tǒng)的開發(fā)可以在統(tǒng)一的運(yùn)行平臺(tái)上，面向機(jī)床廠家和最終用 戶，通過改變、增加或剪裁結(jié)構(gòu)對(duì)象（數(shù)控功能） ，形成系列化，并

57、 可方便地將用戶的特殊應(yīng)用和技術(shù)訣竅集成到控制系統(tǒng)中，快速實(shí)現(xiàn) 不同品種、不同檔次的開放式數(shù)控系統(tǒng)，形成具有鮮明個(gè)性的名牌產(chǎn) 32 品。目前開放式數(shù)控系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)規(guī)范、通信規(guī)范、配置規(guī)范、運(yùn) 行平臺(tái)、數(shù)控系統(tǒng)功能庫以及數(shù)控系統(tǒng)功能軟件開發(fā)工具等是當(dāng)前研 究的核心。 網(wǎng)絡(luò)化數(shù)控裝備是近兩年國(guó)際著名機(jī)床博覽會(huì)的一個(gè)新亮點(diǎn)。數(shù) 控裝備的網(wǎng)絡(luò)化將極大地滿足生產(chǎn)線、制造系統(tǒng)、制造企業(yè)對(duì)信息集 成的需求，也是實(shí)現(xiàn)新的制造模式如敏捷制造、虛擬企業(yè)、全球制造 的基礎(chǔ)單元。國(guó)內(nèi)外一些著名數(shù)控機(jī)床和數(shù)控系統(tǒng)制造公司都在近兩 年推出了相關(guān)的新概念和樣機(jī)，如在 emo2001 展中，日本山崎馬扎克 （mazak)公

58、司展出的“cyberproduction center” （智能生產(chǎn)控制中 心，簡(jiǎn)稱 cpc)；日本大隈（okuma）機(jī)床公司展出“it plaza” （信 息技術(shù)廣場(chǎng)，簡(jiǎn)稱 it 廣場(chǎng))；德國(guó)西門子(siemens)公司展出的 open manufacturing environment（開放制造環(huán)境，簡(jiǎn)稱 ome）等，反映 了數(shù)控機(jī)床加工向網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展的趨勢(shì)。 4. 重視新技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范的建立 （1） 關(guān)于數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)開發(fā)規(guī)范 如前所述，開放式數(shù)控系統(tǒng)有更好的通用性、柔性、適應(yīng)性、擴(kuò) 展性，美國(guó)、歐共體和日本等國(guó)紛紛實(shí)施戰(zhàn)略發(fā)展計(jì)劃，并進(jìn)行開放 式體系結(jié)構(gòu)數(shù)控系統(tǒng)規(guī)范(omac、osac

59、a、osec)的研究和制定，世界 3 個(gè)最大的經(jīng)濟(jì)體在短期內(nèi)進(jìn)行了幾乎相同的科學(xué)計(jì)劃和規(guī)范的制定， 預(yù)示了數(shù)控技術(shù)的一個(gè)新的變革時(shí)期的來臨。我國(guó)在 2000 年也開始 進(jìn)行中國(guó)的 onc 數(shù)控系統(tǒng)的規(guī)范框架的研究和制定。 （2） 關(guān)于數(shù)控標(biāo)準(zhǔn) 數(shù)控標(biāo)準(zhǔn)是制造業(yè)信息化發(fā)展的一種趨勢(shì)。數(shù)控技術(shù)誕生后的 50 年間的信息交換都是基于 iso6983 標(biāo)準(zhǔn)，即采用 g，m 代碼描述如 何（how）加工，其本質(zhì)特征是面向加工過程，顯然，他已越來越不 33 能滿足現(xiàn)代數(shù)控技術(shù)高速發(fā)展的需要。為此，國(guó)際上正在研究和制定 一種新的 cnc 系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn) iso14649（stepnc)，其目的是提供一種不 依賴于

60、具體系統(tǒng)的中性機(jī)制，能夠描述產(chǎn)品整個(gè)生命周期內(nèi)的統(tǒng)一數(shù) 據(jù)模型，從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)制造過程，乃至各個(gè)工業(yè)領(lǐng)域產(chǎn)品信息的標(biāo)準(zhǔn) 化。 step-nc 的出現(xiàn)可能是數(shù)控技術(shù)領(lǐng)域的一次革命，對(duì)于數(shù)控技術(shù) 的發(fā)展乃至整個(gè)制造業(yè)，將產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。首先，step-nc 提出一 種嶄新的制造理念，傳統(tǒng)的制造理念中，nc 加工程序都集中在單個(gè) 計(jì)算機(jī)上。而在新標(biāo)準(zhǔn)下，nc 程序可以分散在互聯(lián)網(wǎng)上，這正是數(shù) 控技術(shù)開放式、網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展的方向。其次，step-nc 數(shù)控系統(tǒng)還可大 大減少加工圖紙（約 75） 、加工程序編制時(shí)間（約 35）和加工時(shí) 間（約 50） 。 目前，歐美國(guó)家非常重視 step-nc 的研究，歐洲發(fā)