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第一章绪论

1.1数控技术概述

数控技术是指利用数字信号构成的控制程序对设备的工作实现自动控制的一种技术，简称数控（NC，NumericalControl）。

它所控制的一般是位移、角度、速度等机械量，也可以是温度、压力、流量等物理量，这些物理量的大小不仅是可测量到的，而且可经A/D或D/A转换，用数字信号表示。

现代数控技术是20世纪40年代后期发展起来的一种自动化加工技术，它综合了计算机、自动控制、电机、电气传动、测量、监控和机械制造等学科的内容，目前在机械制造业中已得到广泛的应用。

数控设备则是采用数控系统进行控制的机械设备，其操作命令是用数字或数字代码的形式来描述的，工作过程按照指定的程序自动地进行。

装备了数控系统的机床成为数控机床。

随着微型计算机的发展，当前广泛采用的计算机数控系统（CNC,ComputerNumericalControl）采用存储程序的专用计算机实现部分或全部基本数控功能，具有真正的“柔性”，使数控系统的性能大大提高。

社会需求的多样化与科学技术的现代化，使机械制造的产品日趋精密、复杂，而且更新频繁。

特别是在宇航、造船、模具、军工及计算机工业中，零件精度高、形状复杂、中小批量且频繁改型。

这不但对机械制造的精度与效率提出了更高的要求，而且对生产的适应性、灵活性提出了更高的要求。

使用普通机床加工这些零件，则存在生产效率低、劳动强度大、加工精度难以保证、有时甚至不能加工等现象。

近年来，由于市场竞争日趋激烈，各生产厂家一方面要不断提高产品质量，另一方面又要满足市场不断变化的需要而进行频繁改型，即使是大批量生产，也面临产品改型变化的要求。

这样，以组合机床及自动化生产线为特征的刚性自动化在大批量生产中日渐暴露其缺点或不足，即刚性自动化可以有很高的效率和加工精度，但没有生产的灵活性和对单件小批量生产的适应性，尤其是对复杂多变的零件加工没有“柔性”。

据统计，单件、中小批量生产的零件品种约占零件的品种的80%，甚至还要多。

为了解决上述问题，一种新型的数字程序控制机床应运而生。

现代数控机床是综合运用了计算机技术、网络通信技术、成组技术、自动控制技术、传感检测技术、液压气动技术、微电子技术以及精密机械等高新技术而发展起来的具有高精度、高自动化、高效率的一种完全新型的自动化机床，是典型的机电一体化产品。

它的产生和发展标志着世界机械加工业进入了一个崭新的时代。

数控车床是数字程序控制车床的简称，它集通用性好的万能型车床、加工精度高的精密型车床和加工效率高的专用型普通车床的特点于一身，是目前使用非常广泛的一种数控机床。

与普通车床相比，数控车床是将编制好的加工程序输入到数控系统中，由数控系统通过车床X、Z坐标轴的伺服电动机去控制车床是将控制车床进给运动部件的动作顺序、移动量和进给速度，再配以主轴的转速和转向，便能加工出各种形状不同的轴类或盘套类回转体零件。

1.2数控机床的组成

数控机床一般是由输入输出设备、数控装置（CNC）、伺服单元、驱动装置、可编程控制器（PLC）及电气控制装置、辅助装置、机床本体及测量装置组成。

数控机床的硬件构成如图1-1所示

图1-1数控机床的硬件构成

（1）输入和输出装置。

是机床数控系统和操作人员进行信息交流、实现人机对话的交互设备。

输入装置的作用是将程序载体上的数控代码变成相应的电脉冲信号，传送并存入数控装置内。

目前，数控机床的输入装置有键盘、磁盘驱动器、光电阅读机等，其相应的程序载体为磁盘、穿孔纸带。

输出装置是显示器，有CRT显示器或彩色液晶显示器两种。

输出装置的作用是：

数控系统通过显示器为操作人员提供必要的信息。

显示的信息可以是正在编辑的程序、坐标值以及报警信号等。

（2）数控装置（CNC装置）。

是计算机数控系统的核心，是由硬件和软件两部分组成的。

它接收的是输入装置送来的脉冲信号，信号经过数控装置的系统软件或逻辑电路的编译、运算和逻辑处理后，输出各种信号和指令，控制机床的各个部分，使其进行规定的、有序的动作。

这些控制信号中最基本的信号是各坐标轴的进给速度、进给方向和位移量指令，还有主轴的变速、换向和启停信号，选择和交换刀具的刀具指令信号，控制冷却液、润滑油启停，控制工件和机床不见松开、夹紧，控制分度工作台转位和辅助指令信号等。

数控装置主要包括微处理器、存储器、局部总线、外围逻辑电路以及与CNC系统其他组成部分联系的接口等。

（3）可编程逻辑控制器（PLC）。

数控机床通过CNC和PLC共同完成控制功能，其中，CNC主要完成与数字运算和管理有关的功能，如零件程序的编辑、插补运算、译码、刀具运动的位置伺服控制等。

而PLC主要完成与逻辑运算有关的一些动作，它接收CNC和控制代码M（辅助功能）、S（主轴转速）、T（选刀、换刀）等开关量动作信息，对开关量动作信息进行译码，转换成对应的控制信号，控制辅助装置完成机床相应的开关动作，如工件的装夹、刀具的更换、冷却液的开关等一些辅助动作。

它还接收机床操作面板的指令，一方面直接控制机床的动作，另一方面将一部分指令送往数控装置，用于加工过程的控制。

（4）伺服单元。

伺服单元接收来自数控装置的速度和位移指令。

这些指令经伺服单元变换和放大后，通过驱动装置转变成机床进给运动的速度、方向和位移。

因此，伺服单元是数控装置与机床本体的联系环节，它把来自数控装置的微弱指令信号放大成控制驱动装置的大功率信号。

伺服单元分为主轴单元和进给单元等，伺服单元就其系统而言又又有开环系统、半闭环系统和闭环系统之分。

（5）驱动装置。

驱动装置把经过伺服单元放大的指令信号变为机械运动，通过机械连接部件驱动机床工作台，使工作台精确定位或按规定和轨迹作严格的相对运动，加工出形状、尺寸与精度符合要求的零件。

目前常用的驱动装置有直流伺服电机和交流伺服电机，交流伺服电机正逐渐取代直流伺服电机。

（6）机床本体。

即数控机床的机械部件，包括主运动部件、进给运动执行部件（工作台、拖板及其传动部件）和支承部件（床身、立柱等），还包括具有冷却、润滑、转位和夹紧等功能的辅助装置。

加工中心类的数控机床还有存放刀具的刀库、交换刀具的机械手等部件，数控机床机械部件的组成与普通机床相似。

由于数控机床高速度、高精度、大切削用量和连续加工的要求，其机械部件在精度、刚度、抗振性等方面要求更高。

1.3机床的分类

1.按机床的功能分类

（1）经济型数控车床。

经济型数控车床是在卧式车床的基础上进行改进设计的，一般采用步进电机驱动的开环伺服系统，其控制部分通常用单板机或单片机实现，具有CRT显示、程序存储、程序编辑等功能。

但其加工精度不高，主要用于精度要求不高，有一定复杂程度的零件。

（2）全功能数控车床。

该系列数控车床在结构上突出了精度、精度保持性、可靠性、可扩展性、安全性、易操作和可维修性等特点。

适用于对回转体、轴类和盘类零件进行直线、圆弧、曲面、螺纹、沟槽和锥面等高效、精密、自动的车削加工，具有刀尖半径自动补偿、恒线速、固定循环、宏程序等先进功能。

（3）车削中心。

车削中心的主体是数控车床，配有动力刀座或机械手，可实现车、铣复合加工，如高效率车削、铣削凸轮槽和螺旋槽。

（4）数控立式车床。

数控立式车床主要用于加工径向尺寸大、轴向尺寸相对较小，且形状较复杂的大型或重型零件，适用于通用机械、冶金、军工、铁路等行业的直径较大的车轮、法兰盘、大型电机座、箱体等回转体的粗、精车削加工。

2.按主轴的配置形式分类

（1）卧式数控车床。

主轴轴线处于水平位置的数控车床。

（2）立式数控车床。

主轴轴线处于垂直位置的数控车床。

另外，还有具有两根主轴的车床，称为双主轴卧式数控车床或双轴立式数控车床。

3.按数控系统控制的轴数分类

（1）两轴控制的数控车床。

机床上只有一个回转刀架，可实现两坐标控制。

（2）四轴控制的数控车床。

机床上有两个独立的回转刀架，可实现四轴控制。

1.4数控技术的发展及其方向

数控机床最早产生于美国，从1952年世界上第一台数控三坐标镗铣床问世后，数据系统先后经历了两个阶段和六代的发展。

第一代数控系统采用电子管元件，其体积大、可靠性低、价格高，主要用于军工部门，未得到推广应用，产量较低；

第二代是1961年出现的由晶体管构成的数控系统，其可靠性有所提高，体积大大减小；

第三代是1965年商品化的集成电路数控系统，它大大缩小了数控装置的体积，其可靠性得到实质性的提高，从而被一般用户所接受，是数控机床的产量和品种均有较大的发展。

以上三代数控系统实质上是一种专用的计算机，主要靠硬件来实现各种控制功能，为第一阶段，称为数字控制系统，简称NC系统。

1968年，小型计算机在数控系统中得到应用，称为第四代数控系统。

1974年，微处理器的应用称为第五代数控系统。

1990年，基于PC平台的开放型CNC系统称为第六代数控系统。

后三代为第二阶段，称为计算机数控系统，也称为CNC系统。

随着电子、信息等高新技术的不断发展，随着市场需求个性化与多样化，未来先进制造技术发展的总趋势是向精密化、柔性化、网络化、虚拟化、智能化、清洁化、集成化、全球化的方向发展。

数控技术是制造业实现这些先进制造技术的基础，而数控技术水平的高低和数控设备的拥有量是体现国家综合国立水平、衡量国家工业现代化的重要标志之一。

目前，我国已有自主版权的数控系统，但绝大多数全功能型数控机床还是采用国外的CNC系统。

从机床的整体看来，无论是可靠性、精度、自动化程度还是生产效率，与国外相比都还有着不小的差距。

随着科学技术的发展，世界先进制造技术的兴起，对数控加工技术的要求越来越高。

随着一些相关技术的发展，如超高速切削、超精密加工等技术的应用，对数控机床的机床结构、主轴驱动、数控系统、伺服系统等提出了更高的性能指标，使数控机床在技术上呈现以下7个方面的发展趋势。

1.高精度化

数控机床的高精度，包括高的几何精度和高的加工精度，而高的几何精度是提高加工精度的基础。

几何精度中最主要的是定位精度。

定位精度的提高，加上机床的结构特性和热稳定性的提高，使得数控机床的加工精度得到了大幅度的提高。

如加工中心的加工精度从过去的±

0.01mm提高到±

0.005mm，甚至更高。

2.高速化

提高生产效率一直是机床技术发展的目标之一，数控机床的出现和快速发展，其原因之一就是其生产效率要比普通机床的高得多。

近年来，数控机床的生产效率又提高了很多，主要方法是减少切削时间和非切削辅助时间。

减少切削时间是从提高切削速度，即提高主轴转速的角度来实现的。

加工中心的主轴已从10年前的4000~6000r/min提高到8000~12000r/min，最高的在100000r/min以上；

数控车床的主轴转速也提高到5000~20000r/min；

磨削的砂轮线速度提高到100~200m/s。

据最新统计，加工中心的切削时间不超过整个工作时间的55%，因此，减少非切削时间是提高生产效率的一个主要手段。

非切削时间由两部分组成：

一是空程时间，即快速移动所需的时间；

另一个是辅助时间，主要是刀具交换时间和工作交换时间。

要缩短空程时间，就需要提高快速移动的速度。

目前，一般的快速移动速度已经达到20~24m/min，有的在30m/min左右，最快的可达60m/min。

特别是直线移动进给伺服电机的出现，为进一步提高移动速度带来了可能。

另外，要减少辅助动作的时间，就需要缩短自动变换刀具的时间和自动交换工件的时间。

目前，数控车床刀架的转位时间已达到0.4~0.6s，加工中心刀具自动交换时间以达到3s左右，最快的可达到1s以内；

而加工中心托板交换时间已从过去的12~20s缩短到6~10s，快的已达到2.5s。

3.高自动化

从数控系统发展到以微处理器为主的CNC系统后，系统的功能得到不断扩大，因此数控机床的自动化程度也不断提高。

除了自动换刀和自动交换工件外，先后出现了如刀具寿命管理、自动更换备用刀具、刀具尺寸自动测量和补偿、工件尺寸自动测量及补偿、切削参数的自动调整等功能，使单机自动化达到了很高的程度。

另外，刀具磨损和破损的监控功能也在不断地完善。

4.高可靠性

数控机床工作的可靠性主要取决于数控系统和各伺服系统的可靠性，目前，主要采用以下措施来提高可靠性：

（1）提高数控系统的硬件质量选用更高集成度的电路芯片，建立并实现对元器件的严格筛选、稳定产品制造、完善性能测试等。

（2）模块化、标准化和通用化目前，现代数控系统功能越来越强大，使得系统的硬件、软件结构实现了模块化、标准化和通用化，便于组织生产、质量把关及用户的维护。

5.多功能化

（1）数控机床采用一体多能，以提高设备利用率一体多能就是把不同机床的功能集中于一台机床中体现。

其典型代表是配有自动换刀机构（刀库容量可达100把以上）的各类加工中心，能在同一台机床上同时实现铣削、镗削、钻削、车削、扩孔、铰孔、攻螺纹，甚至磨削等多种工序的加工。

为了进一步提高功效，现代数控机床有采用了多主轴、多面体切削，即同时对一个零件的不同部位进行不同方式的切削加工，如各类五面体加工中心。

另外，现代数控系统的控制轴数也在不断增加，有的多大31轴，同时联动的轴数已达7轴。

这中机床有更高的加工精度，还可以大大提高工作效率，节约占地面积。

（2）良好的人机对话功能在一台机床上可同时进行零件加工和程序编制，即具有前台操作、后台编辑的功能。

现代数控系统利用彩色显示器进行二维图形的轨迹显示，更好的还可以实现彩色三维动态图形的模拟，显示所编程序的加工轨迹，便于零件程序的调试、修改，确保实际加工过程的安全。

（3）更强的通信功能数控机床由单机发展到FMC（柔性制造单元）、FMS（柔性制造系统），进而联网形成计算机集成制造系统（CIMS），需要数控系统具有更强的通信功能。

大多数控系统都具有RS232和RS422高速远距离串行接口，可以按照用户级的格式要求，同上一级计算机进行多种数据交换。

高档的数控系统应具有DNC接口，可以实现几台数控机床之间的数据通信，也可以直接对几台数控机床进行控制。

为了适应自动化技术的进一步发展，满足工厂自动化规模越来越大的要求，满足不同厂家不同类型数控机床联网的需要，现代数控机床已采用了MAP工业控制网络，现已实现了MAP3.0版本，为现代数控机床进入FMS及CIMS创造了条件。

6.数控编程自动化

CAM自动编程是目前最先进的数控加工编程方法。

目前，CAD/CAM图形交互式自动编程软件得到较多的应用。

它是利用CAD完成零件几何图形的计算机绘制，再经过计算机内的刀具轨迹数据计算和后置处理，自动生成NC零件加工程序，再通过通信接口传入数控机床，进行自动控制加工，从而达到CAD/CAM集成一体化，实现无图样化设计与制造。

另外，随着CIMS技术的发展，当前又出现了CAD/CAPP/CAM集成的全自动编程方式，它与CAD/CAM系统编程的最大区别，是其编程所需的加工工艺参数不必由人工参与，而直接从系统内的CAPP（计算机辅助工艺设计）数据库获得。

7.智能化

现代数控系统中引进了自适应控制技术。

自适应控制（AdaptiveControl,AC）技术是要求在随机变化的加工过程中，通过自动调节加工过程中所测得的工作状态、特性，按照给定的评价指标自动校正自身的工作参数，以达到或接近最佳工作状态的技术。

自适应控制技术能根据切削条件的变化，自动调整并保持最佳工作状态，以达到很高的加工精度及较小的表面粗糙度，同时也能提高刀具的寿命和设备的生产效率。

智能化的数控系统主要体现在以下几个方面：

（1）对工件超差、刀具磨损、破损进行及时报警、自动补偿或更换备用刀具。

（2）出现故障时自动诊断、自动修复。

（3）根据加工时的热变形，对滚珠丝杠等的伸缩进行实时补偿。

（4）应用图像识别和声控技术，由系统自己辨认图样，按照自然语言命令进行CNC自动加工。

第二章零件图分析

本次所给设计任务为配合件，由三个零件组成，均为回转体结构，具体零件机构如图所示。

2.1件1结构分析

件1两端均为加工内容，左端主要是阶梯轴结构，有一段锥度面加工，右端有内孔，内槽，内螺纹以及外圆加工，其中包括一段圆弧，注意加工时要用外圆尖刀，以防后角干涉。

掉头装夹时，要用铜皮包住已加工表面，防止被破坏。

图2-1件一零件图

2.2件2结构分析

件2主要包括带有锥度的内孔以及外圆的加工。

图2-2件二零件图

2.3件3结构分析

件3左端主要是退刀槽和外螺纹，右端为半球，不好装夹，要使用夹具。

图2-3件三零件图

2.4配合件

配合时要注意各尺寸精度的把握以及同轴度的控制，特别是螺纹配合。

由图中看出各零件的精度和粗糙度值要求都很高，加工时要注意尺寸的把握，合理地选择切削用量和转速。

技术要求

1．件1对件2锥体部分涂色检验，接触面积>

60%

2．外锐边及孔口锐边去毛刺

3．不允许使用砂布抛光。

图2-4零件配合图

第三章毛坯的选择

3.1毛坯选择的重要性

毛坯是根据零件所要求的形状、工艺尺寸等制成的机械加工对象。

它是制订机械加工工艺规程的基础。

毛坯的不同种类及制造方法对零件工艺过程影响很大，零件工艺过程中数量、材料消耗、机械加工劳动量等在很大程度上取决于所选的毛坯，故正确选择毛坯具有重要的技术经济意义。

3.2毛坯选择的原则

在传统工艺设计中，选择毛坯主要考虑经济问题，很少估计毛坯对生产环境的影响。

而在绿色制造过程中，选择毛坯不近要考虑各种毛坯及制造方法的经济性，还要考虑它们对环境的影响，对资源、能源的消耗状况以及对社会生产可持续的影响。

在绿色制造思想指导下的毛坯选择应遵循一下原则：

1、经济合理性原则选择毛坯时，毛坯的形状和尺寸越接近于成品零件，毛坯材料就越高，机械加工劳动量就越少，机械加工费用也就越低，但这样对毛坯的制造要求就提高了，相应地毛坯制造设备的投资费用增加。

反之，若毛坯制造精度低，毛坯制造设备的投资费用少，但以后的机械加工劳动量就大，材料利用率低，零件加工成本将增加，这两方面是相互矛盾的。

但在工艺设计时应遵从“经济合理性”原则，综合考虑毛坯制造和以此为基础的机械加工费用来确定，以最终达到最佳的经济效益为目的。

2、功能适应性原则所选毛坯种类及制造方法要能可靠地保证毛坯在性能、质量、生产率等方面的要求。

众所周知，即使相同的材料，当采用不同的毛坯制造方法时，得到的力学性能也往往不同。

通常毛坯强度要求高的，多采用锻件。

但近年来，随着铸造技术水平的提高，铸铁的力学性能在不断改善，有些指标接近或超过钢。

选择毛坯时，还要考虑零件的形状、尺寸等因素，否则会产生铸造缺陷；

又如，尺寸较大的毛坯，不能采用模锻、压铸和精铸等毛坯制造方法。

3、资源最佳利用原则资源最佳利用原则包含两层意思：

一是节省原材料消耗；

二是充分利用现有的设备资源。

4、能量消耗最小原则从使用的能源类型、能量有效利用率等方面采取措施，节省能源，尽量减少能量的消耗，使生产中的能源消耗达到最小。

5、环境保护原则面向绿色制造的毛坯选择，注重毛坯制造过程中的环境保护。

人们对环境问题的态度已从过去的生产过程的“末端治理”，发展到“全面预防污染”的源消减阶段。

在毛坯生产过程中，无论在毛坯工艺设计、毛坯制造设备选择，还是在毛坯生产过程管理上，都应尽力采用措施避免产生环境污染，“零污染”是绿色制造追求的最终目标。

在生产中尽力采用非煤粉型砂，可有效地避免产生污染。

又如，在铸造生产中，用射压、静压制造机取代噪声极大的振击式制造机；

在模锻生产中，用电液传动的曲柄热模锻压力机、高能螺旋压力机等新原理的设备取代老式噪声、振动、能耗都很大的模锻锤，可大大减小车间的噪声污染和振动污染。

6、安全宜人原则绿色制造还对生产过程中操作者的劳动保护提出要求，避免对操作者身心健康造成伤害。

综上所述，面向绿色制造的毛坯选择原则可以归纳为三类：

一是经济性原则；

二是功能适应性原则；

三是环境协调性原则。

这三类原则在毛坯选择过程中，互相作用，互相影响，共同影响毛坯的选择。

3.3毛坯种类

1、铸件