阶梯轴车削加工及数控车削机床仿真的研究

第3章 数控加工关键技术的研究

3.1 基本概念
数控编程：
在数控机床上加工零件，首先要进行程序编制，将零件的加工顺序、工件与刀具相对运动轨迹的尺寸数据、工艺参数（主运动和进给运动速度、切削深度等）以及辅助操作等加工信息，用规定的文字、数字、符号组成的代码，按一定的格式编写成加工程序单，并将程序单的信息通过控制介质输入到数控装置，由数控装置控制机床进行自动加工。

脉冲当量：
单位脉冲作用下进给轴移动的距离。决定数控系统的精度，可由运动控制指令（自动）、按键触发或手摇脉冲发生器（手动操作）。
主轴转速：
切削是主轴转动的角度。
进给速度：
正常切削时刀具行进的线速度。
接近速度：
从安全高度切入工件前的刀具行进的线速度，又称进刀速度。
退刀速度：
刀具离开工件回到安全高度时刀具行进的线速度，在安全高度以上刀具行进的线速度为机床的G00。
安全高度：
保证在此高度上可以快速走刀不发生干涉的高度，应高于零件的最大高度。
起止高度：
刀具退刀时刀具的初始高度，其大于安全高度。
3.2 数控编程的方法
数控编程分为手工编程和自动编程。
手工编程就是整个程序的编制过程由人工完成。手工编程通常用于简单零件，但对于一些复杂的零件，编程工作量十分巨大，计算繁琐，花费时间长，而且非常容易出错。
自动编程是指编程人员只需根据零件图样的要求，按照某个自动编程系统的规定，编写一个零件源程序，输入编程计算机，再由计算机自动进行程序编制，并打印程序清单和制备控制介质。自动编程既可以减轻劳动强度，缩短编程时间，又可减少差错，使编程工作简便。
综上所述，对于几何形状不太复杂的零件和点位加工，所需的加工程序不多，计算也较简单，出错的机会较少，这时用手工编程还是经济省时的，因此，至今仍广泛地应用手工编程方法来编制这类零件的加工程序。但是对于复杂曲面零件；几何元素并不复杂，但程序量很大的零件（如一个零件上有数千个孔）；以及铣削轮廓时．数控装置不具备刀具半径自动偏移功能，而只能按刀具中心轨迹进行编程等情况。由于计算相当繁琐及程声量大，手工编程就很难胜任，即使能够编出来，也耗时长，效率低，易出错。据国外统计，用手工编程时，一个零件的编程时间与在机床上实际加工时间之比，平均约为30：1。数控机床不能开动的原因中有20～30％是由于加工程序不能及时编制出来而造成的，因此，必须要求编程自动化。
3.3数控车床的基本构成
数控车床由五部分组成：主机、数控系统、驱动系统、辅助装置、机外编程器等。
车床主机是指其机械部件，主要包括床身、主轴箱、刀架、尾座、进给传动机构等。数控系统是数控车床的控制核心。驱动系统是数控车床的动力部分，主要实现主运动和进给运动。在数控车床中，驱动系统称为伺服系统，由伺服驱动电路和驱动装置两大部分组成。伺服驱动电路接收指令，经过数控系统处理，推动驱动装置运动。驱动装置主要由主轴电机、进给系统的步进电机或交直流伺服电机等组成。
3.4数控机床坐标系
规定数控机床坐标轴和运动方向，是为了准确地描述机床运动，简化程序的编制，并使所编程序具有互换性。国际标准化组织目前已经统一了标准坐标系，我国也颁布了相应的标准（JB3051-82），对数控机床的坐标和运动方向作了明文规定。
（1）数控铣床坐标系建立的原则
1）刀具相对于静止的工件而运动的原则。
2）标准坐标系是一个右手笛卡儿直角坐标系。在图3-1中，大拇指的方向为X轴的正方向，食指为Y轴的正方向，中指为Z轴正方向。

图3-1 右手笛卡尔直角坐标系

3.5 数控编程格式及内容
国际上已形成了两个通用标准：国际标准化组织（ISO）标准和美国电子工业学会（EIA）标准。我国根据ISO标准制定了JB3051-82《数字控制机床坐标和运动方向的命名》等国标。由于生产厂家使用标准不完全统一，使用代码、指令含义也不完全相同，因此需参照机床编程手册。
一个完整的数控程序是由程序号、程序内容和程序结束三部分组成。
例如：
％
Ｏ0029；………………………………………………………… 程序号
N10 G15 G17 G21 G40 G49 G80；
N20 G91 G28 Z0；
N30 T1 M6； 程序内容
N40 G90 G54 S500 M03；
。
。
。
N100 M30；………………………………………………………程序结束
(1) 程序号
程序号是一个程序必需的标识符。它是由地址符后带若干位数字组成。地址符常见的有：“%”、“O”、“P”等。日本FANUC系统为“O”。后面所带的数字一般为4～8位。如：O2000
(2) 程序体
它表示数控加工要完成的全部动作，是整个程序的核心。它由许多程序段组成，每个程序段由一个或多个指令构成，程序段以“；”为结束符。
(3)程序结束
它是以程序结束指令M02或M30，结束整个程序的运行。
3.6 F、S、T功能
1、进给速度F
F指令用于控制刀具的进给功能。F的单位取决于G94(每分钟进给量mm/min)或G95(每转进给量mm/r)。进给功能有两种：
（1）快速移动
当指定定位指令G00时，刀具以CNC设置的快速移动速度移动，与F无关。
（2）切削速度
刀具以程序中编制的切削进给速度F移动。F可通过下面公式(3-1)求得：

第4章 阶梯轴车削加工及数控车削机床仿真的研究

本论文根据对轴和印章的加工来实现对阶梯轴加工方法的研究，两零件模型如下图4-1及4-2所示。本文针对阶梯轴加工的工艺特点，进行合理的加工方法的选择、刀具路径的优化、几何参数和刀具参数的选择，提高加工精度和切削效率，降低加工成本，以满足阶梯轴这一类型的结构件产品的加工需要。
4.2 印章的加工车削过程研究
本小节主要讲述了对印章工件的完整加工过程，其加工机床与刀具与阶梯轴的相同，通过对图4-34的分析，可以知道对印章工件的加工可分为粗车加工，沟槽加工，精车加工三部分。下面就将对印章的三种加工进行研究分析。

图4-34 印章模型
1.印章的粗车加工
单击插入→Machining Operations→Rough Turning
① 刀具路径参数设置
首先将Max depth of cut更改为2mm，数值改小才能够保证需要切削的部分都能够被切到。Roughing mode为Longitudinal，Orientation为External，Location为Front。如图4-35

图4-35 刀具路径设置

② 几何参数设置
因为是粗加工，所以Part offset（工件余量）=1mm，Axial part offset（轴向工件余量）=0.5mm，Radial part offset（径向工件余量）=1mm。选取的几何参数如图4-36。

图4-36 粗车几何参数设置