【正文】 s:Eccentric locking、 CNC machine、 programming、 process analysis 南通職業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 偏心鎖緊組件的數(shù)控加工工藝與編程 3 第一 章 數(shù)控機(jī)床的概述 數(shù)控機(jī)床 概述 數(shù)字控制（ Numerical Control,簡稱 NC）技術(shù)是近代發(fā)展起來的一種用數(shù)字化信息進(jìn)行控制的自動(dòng)控制技術(shù)，在機(jī)床領(lǐng)域具體指的是用數(shù)字化信號(hào)對機(jī)床運(yùn)動(dòng)及加工過程進(jìn)行控制的一種方法。定義中的 “機(jī)床 ”不僅指金屬切削機(jī)床，還包括其他各類機(jī)床，如線切割機(jī)床，三坐標(biāo)測量機(jī)等。 數(shù)控系統(tǒng)（ NC System）是指采用數(shù)字控制技術(shù)的控 制系統(tǒng)。這種控制系統(tǒng)，能自動(dòng)閱讀輸入載體上預(yù)先給定的數(shù)字值和指令，并將其譯碼，處理，從而自動(dòng)的控制機(jī)床進(jìn)給運(yùn)動(dòng)進(jìn)行零件加工。裝備了數(shù)控系統(tǒng)的機(jī)床稱為數(shù)控機(jī)床。 數(shù)控機(jī)床（ NC Machine Tools）又稱 CNC 機(jī)床，數(shù)字化信息實(shí)現(xiàn)機(jī)床控制的機(jī)電一體化產(chǎn)品。它能利用數(shù)字化信息（指令，代碼）對機(jī)床的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)和加工過程進(jìn)行控制，即把刀具和工件之間的相對位置，機(jī)床電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)和停止，主軸變速，刀具的選擇，工件的夾緊松開，冷卻電動(dòng)機(jī)的開關(guān)等各種操作和順序動(dòng)作等信息用代碼化的數(shù)字信息送入數(shù)控裝置，經(jīng)過譯碼，運(yùn)算，發(fā) 出各種指令控制機(jī)床伺服系統(tǒng)或其他執(zhí)行元件，使機(jī)床自動(dòng)加工出所需要的工件。 數(shù)控機(jī)床的產(chǎn)生和發(fā)展 （ 1）產(chǎn)生 ① 機(jī)械產(chǎn)品的自身要求 ② 單件、多品種小批量零件約占 80%以上 （ 2）發(fā)展 1952 年 美國 Parsons 公司和 MIT 三坐標(biāo)數(shù)控立銑床 1955 年 數(shù)控機(jī)床進(jìn)入實(shí)用化階段 復(fù)雜曲面加工 數(shù)控系統(tǒng)采用電子管元件 電子管時(shí)代 1959 年 采用晶體管和印制板電路 第二代數(shù)控系統(tǒng) 1965 年 出現(xiàn)小規(guī)模集成電路 第三代數(shù)控系統(tǒng) 1970 年 出現(xiàn)小 型計(jì)算機(jī)代替專用硬接線裝置 ——第四代數(shù)控系統(tǒng)（ CNC 系統(tǒng)） 1974 年 以微處理為核心的數(shù)控系統(tǒng) 南通職業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 偏心鎖緊組件的數(shù)控加工工藝與編程 4 ——第五代數(shù)控系統(tǒng)（ MNC 系統(tǒng)） （ 3）我國 1958 年 起步 20 世紀(jì) 60 年代末 70 年代初 — 研制出一些晶體管式數(shù)控系統(tǒng) 1985 年 進(jìn)入實(shí)用階段 1986—1990 年 數(shù)控機(jī)床大發(fā)展時(shí)期 1991 年 300 多種 數(shù)控技術(shù)發(fā) 展趨勢 1）高可靠性 ① 提高元器件和系統(tǒng)的可靠性 ② 采用抗干擾技術(shù)，提高數(shù)控系統(tǒng)對環(huán)境的適應(yīng)能力 ③ 使數(shù)控系統(tǒng)模塊化、通用化和標(biāo)準(zhǔn)化 ④ 提高自診斷及保護(hù)功能 2）高柔性化 柔性：指機(jī)床適應(yīng)加工對象變化的能力 3）高精度化 ① 利用數(shù)控系統(tǒng)的補(bǔ)償功能 ② 采用高分辨率，高響應(yīng)性的絕對位置傳感技術(shù) ③ 提高數(shù)控機(jī)床機(jī)械本體中基礎(chǔ)大件的結(jié)構(gòu)剛性和熱穩(wěn)定性 4）高速度化 ① 機(jī)械方面：提高切削速度和減少輔助時(shí)間 ② 數(shù)控系統(tǒng)： CPU 5）復(fù)合化 ① 工序復(fù)合化 ② 功能復(fù)合化 6）制造系統(tǒng)自動(dòng)化 數(shù)控機(jī)床 的組成 計(jì)算機(jī)數(shù)控裝置（ CNC 裝置） 計(jì)算機(jī)數(shù)控裝置是計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)的核心。其主要作用是根據(jù)輸入的零件加工程序或操作命令進(jìn)行相應(yīng)的處理，然后輸出控制命令道相應(yīng)的執(zhí)行部件（伺服單元，驅(qū)動(dòng)裝置和 PLC 等），完成零件加工程序或操作所要求的工作。所有南通職業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 偏心鎖緊組件的數(shù)控加工工藝與編程 5 這些都是在 CNC 裝置的協(xié)調(diào)控制及合理組織下，使整個(gè)系統(tǒng)都有條不紊的工作。它主要由計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，位置控制板， PLC 接口板，通信接口板，擴(kuò)展功能模塊以及相應(yīng)的控制軟件等組成。 伺服單元，驅(qū)動(dòng)裝置和監(jiān)測裝置 伺服單元和驅(qū)動(dòng)裝置包括主軸伺服驅(qū)動(dòng)裝置，主軸電 動(dòng)機(jī)，進(jìn)給伺服驅(qū)動(dòng)裝置及進(jìn)給電動(dòng)機(jī)。測量裝置是指位置和速度測量裝置，它實(shí)現(xiàn)主軸控制，進(jìn)給速度閉環(huán)控制和進(jìn)給位置閉環(huán)控制的必要裝置。主軸伺服系統(tǒng)的作用實(shí)現(xiàn)零件加工的切削運(yùn)動(dòng) 其控制量為速度，特點(diǎn)是能靈敏，準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn) CNC 裝置的位置和速度指令。 控制面板 控制面板又稱為操作面板，是操作人員與數(shù)控機(jī)床（系統(tǒng)）進(jìn)行信息交換的工具。操作人員可以通過它對數(shù)控機(jī)床進(jìn)行操作，編程，調(diào)試或?qū)C(jī)床參數(shù)進(jìn)行設(shè)定和修改，也可以通過它了解或查詢數(shù)控機(jī)床的運(yùn)行狀態(tài)。它是數(shù)控機(jī)床的一個(gè)輸入輸出部件，主要由按鈕站，狀態(tài)燈，案件 陣列（功能與計(jì)算機(jī)鍵盤一樣）和顯示器等部分組成 控制介質(zhì)與程序輸入輸出設(shè)備 控制介質(zhì)是記錄零件加工程序的媒介，是人與機(jī)床建立聯(lián)系的介質(zhì)。程序輸入輸出設(shè)備是 CNC 系統(tǒng)與外部設(shè)備進(jìn)行信息交互的裝置，其作用是將記錄在控制介質(zhì)上的零件加工程序輸入 CNC 系統(tǒng)，或?qū)⒁颜{(diào)試好的零件加工程序通過輸出設(shè)備存放或記錄在相應(yīng)的介質(zhì)上。目前數(shù)控機(jī)床常用的控制介質(zhì)和程序輸入輸出設(shè)備是磁盤和磁盤驅(qū)動(dòng)器等 此外，現(xiàn)代數(shù)控系統(tǒng)一般可以利用通信方式進(jìn)行信息交換。這種方式是實(shí)現(xiàn) CAD（計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)） /CAM（計(jì)算機(jī)輔助制造）的集 成， FMS(柔性制造系統(tǒng) ),CIMS(計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng) )的基本技術(shù)。目前在數(shù)控機(jī)床上常用的通信方式有： 串行通信 自動(dòng)控制專用接口 網(wǎng)絡(luò)技術(shù) PLC（可編程序控制器），機(jī)床 I/O（輸入 /輸出）電路和裝置 PLC 用于進(jìn)行與邏輯運(yùn)算、順序動(dòng)作有關(guān)的 I/O 控制，它由硬件和軟件組成。機(jī)床 I/O 電路和裝置是用于實(shí)現(xiàn) I/O 控制的執(zhí)行部件，由繼電器、電磁閥、南通職業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 偏心鎖緊組件的數(shù)控加工工藝與編程 6 行程開關(guān)、接觸器等組成的邏輯電路。它們共同完成以下任務(wù)： 接受 CNC 的 M、 S、 T 指令，對其進(jìn)行譯碼并轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的控制信號(hào)，控制輔助裝置完成機(jī)床的開關(guān)動(dòng)作 ； 接受操作面板和機(jī)床傳送來的 I/O 信號(hào)，送給 CNC 裝置，經(jīng)處理后，輸出給指令控制 CNC 系統(tǒng)的工作狀態(tài)和機(jī)床的動(dòng)作。 機(jī)床本體 機(jī)床本體是數(shù)控系統(tǒng)的控制對象，是實(shí)現(xiàn)加工零件的執(zhí)行部件。它主要由主傳動(dòng)部件（主軸、主傳動(dòng)機(jī)構(gòu)）、進(jìn)給運(yùn)動(dòng)部件（工作臺(tái)、托板及相應(yīng)的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)）、支承件（立柱、床身等）以及特殊裝置、自動(dòng)工件交換（ APC）系統(tǒng)、自動(dòng)刀具交換（ ATC）系統(tǒng)和輔助裝置（如冷卻、潤滑、排屑、轉(zhuǎn)位和夾緊裝置等）組成。 數(shù)控機(jī)床的工作原理 數(shù)控加工過程 與傳統(tǒng)加工比較，數(shù)控加工與普 通機(jī)床加工方法與內(nèi)容上有許多相似之處，不同點(diǎn)主要表現(xiàn)在控制方式上。以機(jī)械加工為例，用普通機(jī)床加工零件時(shí)，工序的安排、機(jī)床運(yùn)動(dòng)的先后次序、走刀線路及有關(guān)切削參數(shù)的選擇等，都是由操作者自行考慮和確定的，而且是用手工操作方式來進(jìn)行控制的。操作者總是根據(jù)零件和工序卡的要求，在加工過程中不斷改變刀具與工件的相對運(yùn)動(dòng)軌跡和加工參數(shù)（位置、速度等），使刀具對工件進(jìn)行切削加工，從而得到所需要的合格零件。如果采用自動(dòng)車床，仿形車床和仿形銑床加工，雖然也能達(dá)到對加工過程的自動(dòng)控制目的，但其控制是通過預(yù)先配置的凸輪、擋塊及靠模來 實(shí)現(xiàn)的。而在 CNC 機(jī)床上，傳統(tǒng)的人工操作均被數(shù)控系統(tǒng)的自動(dòng)控制所取代。其工作過程是：首先要將被加工的零件圖上的幾何信息和工藝信息數(shù)字化，即將刀具與工件的相對運(yùn)動(dòng)軌跡、加工過程中主軸速度和進(jìn)給速度的變換、冷卻液的開關(guān)、工件和刀具的交換等控制和操作，按規(guī)定的代碼和格式編成加工程序，然后將該程序送入數(shù)控系統(tǒng)。數(shù)控系統(tǒng)則按照程序的要求，先進(jìn)行相應(yīng)的運(yùn)算、處理，然后發(fā)出控制命令，使各坐標(biāo)軸、主軸以及輔助動(dòng)作相互協(xié)調(diào)，實(shí)現(xiàn)刀具與工件的相對運(yùn)動(dòng)，自動(dòng)完成零件的加工。 數(shù)控加工中的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換過程 （ 1）譯碼 譯碼 程序的主要功能就是將用文本格式（通常用 ASCII 碼）表達(dá)的零件加南通職業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 偏心鎖緊組件的數(shù)控加工工藝與編程 7 工程序，以程序段為單位轉(zhuǎn)換成刀補(bǔ)處理程序所需要的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)（格式），該數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)用來描述一個(gè)程序段解釋后的數(shù)據(jù)信息。它主要包括： X、 Y、 Z 等坐標(biāo)值，進(jìn)給速度，主軸轉(zhuǎn)速， G 代碼， M 代碼，刀具號(hào)，子程序處理和循環(huán)調(diào)用處理等數(shù)據(jù)或標(biāo)志的存放順序和格式。 （ 2） 刀補(bǔ)處理（計(jì)算刀具中心軌跡） 為方便編程，零件加工程序通常是 按零件輪廓或按工藝要求設(shè)計(jì)的進(jìn)給路線編制的，而數(shù)控機(jī)床在加工過程中控制的是刀具中心（準(zhǔn)確地說是刀位點(diǎn)）軌跡因此在加工前必須將編程軌跡變換成刀具中心的軌跡。刀補(bǔ)處理就是完成這種轉(zhuǎn)換的處理程序 （ 3）插補(bǔ)計(jì)算 數(shù)控編程提供了刀具運(yùn)動(dòng)的起點(diǎn)、終點(diǎn)和運(yùn)動(dòng)軌跡，而刀具怎么從起點(diǎn)沿運(yùn)動(dòng)軌跡走向終點(diǎn)則由數(shù)控系統(tǒng)的插補(bǔ)裝置或插補(bǔ)軟件來控制。該程序以系統(tǒng)規(guī)定的插補(bǔ)周期 T? 定時(shí)運(yùn)行，它將由各種線性（直線、圓弧等）組成的零件輪廓，按程序給定的進(jìn)給速度 F，實(shí)時(shí)計(jì) 算出各個(gè)進(jìn)給軸在 T? 內(nèi)的位移指令（ ..., 11 YX ?? ），并送給進(jìn)給伺服系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)成形運(yùn)動(dòng)。 （ 4） PLC 控制 CNC 系統(tǒng)對機(jī)床的控制分為對各坐標(biāo)軸的速度和位置的 “軌跡控制 ”和對機(jī)床動(dòng)作的 “順序控制 ”或稱 “邏輯控制 ”。后者是指在數(shù)控機(jī)床運(yùn)行過程中，以CNC 內(nèi)部和機(jī)床各行程開關(guān)、傳感器、按鈕、繼電器、等開關(guān)信號(hào)狀態(tài)為條件，并按預(yù)先規(guī)定的邏輯關(guān)系對諸如主軸的起停、換向，刀具的更換，工件的夾 緊、松開，液壓、冷卻、潤滑系統(tǒng)的運(yùn)行等進(jìn)行控制， PLC 控制就是實(shí)現(xiàn)上述功能的模塊 通過所述，數(shù)控機(jī)床加工原理就是講預(yù)先編好的加工程序以數(shù)據(jù)的形式輸入數(shù)控系統(tǒng)，數(shù)控系統(tǒng)通過譯碼、刀補(bǔ)處理、插補(bǔ)計(jì)算等數(shù)據(jù)處理和 PLC 協(xié)調(diào)控制，最終實(shí)現(xiàn)零件的自動(dòng)化加工。 數(shù)控機(jī)床的特點(diǎn)與分類 數(shù)控機(jī)床的特點(diǎn) 與通用機(jī)床和專用機(jī)床相比，數(shù)控機(jī)床具有以下主要特點(diǎn)： 加工精度高，質(zhì)量穩(wěn)定，現(xiàn)在一般的數(shù)控機(jī)床的精度都能達(dá)到 能完成普通機(jī)床難以完成的加工或根本不能加工的復(fù)雜零件的加工。 生產(chǎn)效率高 ，數(shù)控機(jī)床的主軸轉(zhuǎn)速，進(jìn)給速度和快速定位速度高，通過合理選擇切削參數(shù)，可充分發(fā)揮刀具的切削性能，減少切削時(shí)間，不僅加工過程南通職業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 偏心鎖緊組件的數(shù)控加工工藝與編程 8 穩(wěn)定，而且能保證加工效果的高精度。而且不需要在加工過程中進(jìn)行測量檢查，就能連續(xù)的完成整個(gè)加工過程，減少輔助動(dòng)作時(shí)間和停機(jī)時(shí)間 柔性高，通用性強(qiáng) 有利于制造技術(shù)向綜合自動(dòng)化方向發(fā)展。數(shù)控機(jī)床是機(jī)械加工自動(dòng)化的基礎(chǔ)設(shè)備之一，當(dāng)今以數(shù)控機(jī)床為基礎(chǔ)建立起來的 FMC,FMS,CIMS 等綜合自動(dòng)化系統(tǒng)使機(jī)械制造的集成化，自動(dòng)化和智能化得以逐步實(shí)現(xiàn)。 功能豐富。 CNC 系統(tǒng)不僅能控制機(jī)床的運(yùn)動(dòng)，而且還對 機(jī)床進(jìn)行全面的監(jiān)控，自診斷報(bào)警，通信管理等。 減少人工勞動(dòng)強(qiáng)度，改善勞動(dòng)條件，實(shí)現(xiàn)一人多機(jī)操作 不足：初期投資大，維修維護(hù)難度大，同時(shí)對操作人員的技術(shù)水平要求較高。 按工藝用途分類 （ 1）普通數(shù)控機(jī)床 為了不同的工藝需要，與傳統(tǒng)的通用機(jī)床一樣，有數(shù)控車、銑、鉆、磨及鏜床等，而且每一類都有好多品種。這類機(jī)床的工藝性能與通用機(jī)床相似，所不同的是它們能自動(dòng)的加工精度較高、形狀更復(fù)雜的零件。 （ 2）數(shù)控加工中心 數(shù)控加工中心是帶有刀庫和自動(dòng)換刀裝置的數(shù)控機(jī)床。典型的機(jī)床有鏜銑加工中心和車削加工中心 （ 3）多坐標(biāo)數(shù)控機(jī)床 有些復(fù)雜形狀的零件，用三坐標(biāo)數(shù)控機(jī)床無法完成加工，需要三個(gè)以上的坐標(biāo)的合成運(yùn)動(dòng)才能加工出來所需要的曲面形狀，于是出現(xiàn)多坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)的數(shù)控機(jī)床，其特點(diǎn)是數(shù)控裝置同時(shí)控制多坐標(biāo)的聯(lián)動(dòng)，現(xiàn)在常用的有 6 坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)的數(shù)控機(jī)床 （ 4）數(shù)控特種加工機(jī)床 包括數(shù)控電火花加工機(jī)床、數(shù)控線切割機(jī)床、數(shù)控激光切割機(jī)床 按控制運(yùn)動(dòng)的方式分類 （ 1）點(diǎn)位控制數(shù)控機(jī)床： 它是指能控制刀具相對于工件的精確定位控制系統(tǒng) ,而在相對運(yùn)動(dòng)的過程中不能進(jìn)行任何加工。 通過采用分級或連續(xù)降速，低速趨近目標(biāo)點(diǎn)，來減少 運(yùn)動(dòng)部件的慣性過沖而引起的定位誤差。 （ 2） 直線控制數(shù)控機(jī)床 : 它是指控制機(jī)床工作臺(tái)或刀具以要求的進(jìn)給速度，沿平行于某一坐標(biāo)軸或南通職業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 偏心鎖緊組件的數(shù)控加工工藝與編程 9 兩軸的方向進(jìn)行直線或斜線移動(dòng)和切削加工的機(jī)床。這類數(shù)控機(jī)床要要求具有準(zhǔn)確的定位功能和控制位移的速度，而