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1、河北师范大学职业技术学院学士学位论文摘要本文针对数控车床加工曲线形零件的研究，介绍一般方法，并对最小二乘法求逼近圆弧法进行重点介绍。对具有三种典型曲线（椭圆、双曲线、抛物线）高精度的零件加工程方法进行分析，为了更好提高加工精度，通过对数控车床加工曲线形零件的三种一般加工方法（等间距直线逼近编程法、等间距圆弧逼近编程法、）的比较，得出等误差圆弧逼近编程法是加工曲线形零件的最佳方法。对最小二乘法的数学原理进行介绍，关于数控车床用最小二乘法求逼近圆弧的方法进行了重点深入的研究，用典型的加工实例完善了数控车床加工曲线形零件的方法。从而提出采用最小二乘法的方法在精度或客观条件允许的条件下近似描述之,就是
2、相对真理逼近绝对真理。从加工具有高精度的三种典型曲线（椭圆、双曲线、抛物线）形成的面的零件，各列出几个具有代表性的例子进行分析。这几个在数控车床加工的实例，更加完善了数控车床加工曲线形零件方法的研究。本论文的研究成果对数控技术加工曲线形零件的开发有一定参考价值。关键词：数控加工，曲面加工，加工方法。第1章 绪论1.1研究背景及基础1.1.1数控技术及数控车床的发展。 随着社会生产和科学技术的不断发展，人们对产品质量和生产效率的要求越来越高。数控机床不仅在宇航、造船、军工等领域被广泛使用，而且也进入了汽车、机械制造、模具加工等行业。目前，在这些行业中，产品种类不断更新，形状结构日趋复杂，精度和质
3、量也不断提高。因此，普通机床越来越难以满足这种生产的需要。同时，由于生产水平的提高，数控机床的价格不断下降，从而极大地促进了数控机床的普及、应用和发展。数控（Numerical ControlNC）技术近代发展起来的一种自动控制技术，用数字化信号对机床运动及加工过程进行控制的一种方法。采用数控技术实现数字控制的一整套装置和设备，称为数控系统。数控技术的应用不但给传统制造业带来了革命性的变化，使制造业成为工业化的象征，而且随着数控技术的不断发展和应用领域的扩大，它对国计民生的一些重要行业（IT、汽车、轻工、医疗等）的发展起着越来越重要的作用，因为这些行业所需装备的数字化已是现代发展的大趋势。当前
4、数控车床呈现以下发展趋势。1. 高速、高精密化高速、精密是机床发展永恒的目标。随着科学技术突飞猛进的发展，机电产品更新换代速度加快，对零件加工的精度和表面质量的要求也愈来愈高。为满足这个复杂多变市场的需求，当前机床正向高速切削、干切削和准干切削方向发展，加工精度也在不断地提高。另一方面，电主轴和直线电机的成功应用，陶瓷滚珠轴承、高精度大导程空心内冷和滚珠螺母强冷的低温高速滚珠丝杠副及带滚珠保持器的直线导轨副等机床功能部件的面市，也为机床向高速、精密发展创造了条件。数控车床采用电主轴，取消了皮带、带轮和齿轮等环节，大大减少了主传动的转动惯量，提高了主轴动态响应速度和工作精度，彻底解决了主轴高速运
5、转时皮带和带轮等传动的振动和噪声问题。采用电主轴结构可使主轴转速达到10000r/min以上。直线电机驱动速度高，加减速特性好，有优越的响应特性和跟随精度。用直线电机作伺服驱动，省去了滚珠丝杠这一中间传动环节，消除了传动间隙（包括反向间隙），运动惯量小，系统刚性好，在高速下能精密定位，从而极大地提高了伺服精度。直线滚动导轨副，由于其具有各向间隙为零和非常小的滚动摩擦，磨损小，发热可忽略不计，有非常好的热稳定性，提高了全程的定位精度和重复定位精度。通过直线电机和直线滚动导轨副的应用，可使机床的快速移动速度由目前的1020m/mim提高到6080m/min，甚至高达120m/min。2. 高可靠性
6、数控机床的可靠性是数控机床产品质量的一项关键性指标。数控机床能否发挥其高性能、高精度和高效率，并获得良好的效益，关键取决于其可靠性的高低。3. 数控车床设计CAD化、结构设计模块化随着计算机应用的普及及软件技术的发展，CAD技术得到了广泛发展。CAD不仅可以替代人工完成繁琐的绘图工作，更重要的是可以进行设计方案选择和大件整机的静、动态特性分析、计算、预测及优化设计，可以对整机各工作部件进行动态模拟仿真。在模块化的基础上在设计阶段就可以看出产品的三维几何模型和逼真的色彩。采用CAD，还可以大大提高工作效率，提高设计的一次成功率，从而缩短试制周期，降低设计成本，提高市场竞争能力。通过对机床部件进行
7、模块化设计，不仅能减少重复性劳动，而且可以快速响应市场，缩短产品开发设计周期。4. 功能复合化功能复合化的目的是进一步提高机床的生产效率，使用于非加工辅助时间减至最少。通过功能的复合化，可以扩大机床的使用范围、提高效率，实现一机多用、一机多能，即一台数控车床既可以实现车削功能，也可以实现铣削加工；或在以铣为主的机床上也可以实现磨削加工。宝鸡机床厂已经研制成功的CX25Y数控车铣复合中心，该机床同时具有X、Z轴以及C轴和Y轴。通过C轴和Y轴，可以实现平面铣削和偏孔、槽的加工。该机床还配置有强动力刀架和副主轴。副主轴采用内藏式电主轴结构，通过数控系统可直接实现主、副主轴转速同步。该机床工件一次装夹
8、即可完成全部加工，极大地提高了效率。5. 智能化、网络化、柔性化和集成化21世纪的数控装备将是具有一定智能化的系统。智能化的内容包括在数控系统中的各个方面：为追求加工效率和加工质量方面的智能化，如加工过程的自适应控制，工艺参数自动生成；为提高驱动性能及使用连接方面的智能化，如前馈控制、电机参数的自适应运算、自动识别负载自动选定模型、自整定等；简化编程、简化操作方面的智能化，如智能化的自动编程、智能化的人机界面等；还有智能诊断、智能监控等方面的内容，以方便系统的诊断及维修等。1.1.2数控机床的发展趋势网络化数控装备是近年来机床发展的一个热点。数控装备的网络化将极大地满足生产线、制造系统、制造企
9、业对信息集成的需求，也是实现新的制造模式，如敏捷制造、虚拟企业、全球制造的基础单元。数控机床向柔性自动化系统发展的趋势是：从点（数控单机、加工中心和数控复合加工机床）、线（FMC、FMS、FTL、FML）向面（工段车间独立制造岛、FA）、体（CIMS、分布式网络集成制造系统）的方向发展，另一方面向注重应用性和经济性方向发展。柔性自动化技术是制造业适应动态市场需求及产品迅速更新的主要手段，是各国制造业发展的主流趋势，是先进制造领域的基础技术。其重点是以提高系统的可靠性、实用化为前提，以易于联网和集成为目标，注重加强单元技术的开拓和完善。CNC单机向高精度、高速度和高柔性方向发展。数控机床及其构成
10、柔性制造系统能方便地与CAD、CAM、CAPP及MTS等联结，向信息集成方向发展。网络系统向开放、集成和智能化方向发展。1.1.3数控车床的结构及工作原理。 按工艺用途不同，可将数控机床分为单工序数控机床（数控车床、数控钻床、数控铣床、数控磨床等）、加工中心、特种加工数控机床和其他类型的数控设备（数控三坐标测量机等）。其中，数控车床是最典型的数控机床。数控车床主要用来对旋转体零件进行车削、镗削、钻削、铰削、攻丝等工序的加工。一般能自动完成内外圆柱面、圆锥面、球面、圆柱螺纹、槽及端面等工序的切削加工。现代数控车床都具有X、Z两轴的联动功能、刀具位置和刀尖圆弧半径的补偿功能、以及加工固定循环功能。
11、数控车床的结构1.数控车床简介数控车床的组成：数控系统、床身、主轴、进给系统、回转刀架、操作面板和辅助系统等。数控车床分为立式数控车床和卧式数控车床两种类型。立式数控车床用于回转直径较大的盘类零件车削加工。卧式数控车床用于轴向尺寸较长或小型盘类零件的车削加工。卧式数控车床按功能可进一步分为经济型数控车床、普通数控车床和车削加工中心（1）经济型数控车床：采用步进电动机和单片机对普通车床的车削进给系统进行改造后形成的简易型数控车床。成本较低，自动化程度和功能都比较差，车削加工精度也不高，适用于要求不高的回转类零件的车削加工。经济型数控车床（2）普通数控车床：根据车削加工要求在结构上进行专门设计，配
12、备通用数控系统而形成的数控车床。数控系统功能强，自动化程度和加工精度也比较高，适用于一般回转类零件的车削加工。这种数控车床可同时控制两个坐标轴，即x轴和z轴。普通数控车床（3）车削加工中心：在普通数控车床的基础上，增加了C轴和动力头，更高级的机床还带有刀库，可控制X、Z和C三个坐标轴，联动控制轴可以是（X、Z）、（X、C）或（Z、C）。由于增加了C轴和铣削动力头，这种数控车床的加工功能大大增强，除可以进行一般车削外，还可以进行径向和轴向铣削、曲面铣削、中心线不在零件回转中心的孔和径向孔的钻削等加工。2.液压卡盘和液压尾架液压卡盘是数控车削加工时夹紧工件的重要附件，对一般回转类零件可采用普通液压
13、卡盘；对零件被夹持部位不是圆柱形的零件，则需要采用专用卡盘；用棒料直接加工零件时需要采用弹簧卡盘。对轴向尺寸和径向尺寸的比值较大的零件，需要采用安装在液压尾架上的活顶尖对零件尾端进行支撑，才能保证对零件进行正确的加工。尾架有普通液压尾架和可编程液压尾架。3.数控车床的刀架数控车床可以配备两种刀架：（1）专用刀架 由车床生产厂商自己开发，所使用的刀柄也是专用的。这种刀架的优点是制造成本低，但缺乏通用性。（2）通用刀架 根据一定的通用标准（如VDI，德国工程师协会）而生产的刀架，数控车床生产厂商可以根据数控车床的功能要求进行选择配置。通用刀架4.铣削动力头数控车床刀架上安装铣削动力头后可以大大扩展
14、数控车床的加工能力。如：利用铣削动力头进行轴向钻孔和铣削轴向槽。5.数控车床的刀具在数控车床或车削加工中心上车削零件时，应根据车床的刀架结构和可以安装刀具的数量，合理、科学地安排刀具在刀架上的位置，并注意避免刀具在静止和工作时，刀具与机床、刀具与工件以及刀具相互之间的干涉现象。数控车床的工作过程用数控车床加工零件时，首先将加工零件的几何信息和工艺信息编制成加工程序，由输入装置送入数控系统，经过数控系统的处理、运算，按各坐标轴得分量送到个轴的驱动电路，经过转换、放大去驱动伺服电动机，带动各轴运动，并进行反馈控制，使刀具与工件及其他辅助装置严格地按照加工程序规定的顺序、轨迹和参数有条不紊地工作，从
15、而加工出零件的全部轮廓。数控车床的工作过程如图1-1所示。图1-1 数控车床的工作过程（1）首先根据零件加工图样进行工艺分析，确定加工方案、工艺参数和位移数据。（2）用规定的程序代码和格式规则编写零件加工程序单；或用自动编程软件进行CAD/CAM工作，直接生成零件的加工程序文件。（3）将加工程序的内容以代码形式完整记录在信息介质（如穿孔带或磁带）上。（4）通过阅读机把信息介质上的代码转变为电信号，并输送给数控装置。由手工编写的程序，可以通过数控机床的操作面板输入程序；由编程软件生成的程序，通过计算机的串行通信接口直接传输到数控机床的数控单元（MCU）。（5）数控装置将所接受的信号进行一系列处理后，再将处理结果以脉冲信号形式向伺服系统统发出执行的命令。（6）伺服系统接到执行的信息指令后，立即驱动车床进给机构严格按照指令的要求进行位移，使车床自动完成相应零件的加工。1.2本课题的提出、意义和主要研究内容1.2.1 课题的提出当前数控车床加工精度高、能作直线和圆弧插补，还有部分车床数控装置具有某些非圆曲线插补功能以及在加工过程中能自动变速等特点，因此其工艺范围较普通车床宽得多。针对数控车床的特点，加工曲线形零件方法有多种；但是社会
