典型零件的數(shù)控銑加工編程設(shè)計(jì)【說明書+CAD+UG】
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江蘇信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)報(bào)告 畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文) 課題：X2 的數(shù)控加工工藝及編程 系 部 ： 專 業(yè) ： 班 級(jí) ： 姓 名 ： 學(xué) 號(hào) ： 指導(dǎo)老師 ： 20*年*月 江蘇信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)報(bào)告 - I - 摘 要 本文主要講述心型零件的加工工藝，通過開篇對(duì)其零件圖紙進(jìn)行工藝分析， 然后設(shè)計(jì)出毛坯，制定出加工工藝路線，分析工序尺寸與確定公差，選擇加工 設(shè)備，再到夾具、刀具、量具的設(shè)計(jì)，最終編制出零件的數(shù)控加工程序，運(yùn)用 程序在數(shù)控機(jī)床上進(jìn)行數(shù)控加工，最后完成該零件的所有工序，得到合格的零 件。 關(guān)鍵詞：工藝分析；加工方案；切削用量；數(shù)控編程 江蘇信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)報(bào)告 1 目 錄 摘 要 .I 1 緒論 .2 2 零件的圖樣分析 .3 2.1 零件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分析 .3 2.2 零件的技術(shù)要求分析 .3 3 零件的工藝規(guī)程設(shè)計(jì) .5 3.1 毛坯的選擇 .5 3.2 定位基準(zhǔn)的選擇 .5 3.3 裝夾方式的選擇 .5 3.4 加工順序的安排 .5 4 設(shè)備及其工藝裝備的確定 .7 4.1 機(jī)床的選擇 .7 4.2 刀具的選擇 .7 5 切削用量的選取 .9 6 工藝卡片 .11 6.1 工藝過程卡 .11 6.2 數(shù)控加工工序卡 .11 7 數(shù)控加工程序的編制 .13 7.1 編程方法的選擇 .13 7.2 編程坐標(biāo)系的確定 .13 7.3 走刀路線的生成 .13 7.4 仿真加工 .14 設(shè)計(jì)總結(jié) .22 致 謝 .23 參考文獻(xiàn) .24 江蘇信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)報(bào)告 2 1 緒論 隨著科學(xué)技術(shù)的高速發(fā)展，制造業(yè)發(fā)生了根本性的變化。由于數(shù)控技術(shù)的 廣泛應(yīng)用，普通機(jī)械逐漸被高效率、高精度的數(shù)控機(jī)械所代替，形成了巨大的 生產(chǎn)力。專家們預(yù)言：二十一世紀(jì)機(jī)械制造業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)，其實(shí)是數(shù)控技術(shù)的競(jìng)爭(zhēng)。 數(shù)控技術(shù)是制造業(yè)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、柔性化、集成化生產(chǎn)的基礎(chǔ)，現(xiàn)代的 CAM/CAD， FMS 和 CIMS、敏捷制造和智能制造等，都是建立在數(shù)控技術(shù)之 上；數(shù)控技術(shù)是提高產(chǎn)品質(zhì)量、提高勞動(dòng)生產(chǎn)率、提高企業(yè)的市場(chǎng)適應(yīng)能力和 競(jìng)爭(zhēng)能力必不可少的物質(zhì)手段；數(shù)控技術(shù)是國(guó)防現(xiàn)代化的重要戰(zhàn)略物質(zhì)，是國(guó) 際技術(shù)和商業(yè)貿(mào)易的重要構(gòu)成。因而可以毫不夸張地說：數(shù)控技術(shù)是關(guān)系到國(guó) 家戰(zhàn)略地位和體現(xiàn)國(guó)家綜合國(guó)力水平的重要基礎(chǔ)性產(chǎn)業(yè)，其水平高低和擁有量 是衡量一個(gè)國(guó)家工業(yè)現(xiàn)代化的重要標(biāo)志。 數(shù)控技術(shù)的廣泛應(yīng)用，給機(jī)械制造業(yè)生產(chǎn)方式、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)帶來 深刻的變化。隨著我國(guó)工業(yè)現(xiàn)代化進(jìn)程逐步加快，數(shù)控技術(shù)在制造業(yè)中越來越 多地得到應(yīng)用。目前，我國(guó)制造工業(yè)中，從事數(shù)控機(jī)床制造和生產(chǎn)的科技人員 以及數(shù)控機(jī)床的操作員、程序員和維修人員都非常缺乏。特別是在我國(guó)的經(jīng)濟(jì) 特區(qū)，數(shù)控人才非常搶手。因此。數(shù)控人才的缺乏是制約我國(guó)數(shù)控技術(shù)推廣應(yīng) 用的極其重要的因素。 （1）畢業(yè)設(shè)計(jì)的作用 本課題是數(shù)控專業(yè)學(xué)生在畢業(yè)時(shí)的任務(wù)，其作用主要為驗(yàn)證我們?cè)趯W(xué)校所 學(xué)的知識(shí)，并通過此課題的編寫，讓我們對(duì)在校所學(xué)的知識(shí)進(jìn)行一次綜合的應(yīng) 用，為今后的實(shí)踐工作打下基礎(chǔ)，在編寫過程中，不斷的發(fā)現(xiàn)問題，并解決問 題。培養(yǎng)我們獨(dú)立完成零件的數(shù)控加工工藝及加工程序編制的能力。 （2）本次課題的主要任務(wù) 1）運(yùn)用制圖軟件繪制零件二維圖紙及三維圖。 2）分析零件的技術(shù)要求，確定零件的加工方案。 3）合理的選擇刀具、切削參數(shù)。 4）編制零件的數(shù)控加工程序并進(jìn)行仿真加工。 5）制定相應(yīng)的工藝卡片。 江蘇信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)報(bào)告 3 江蘇信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)報(bào)告 4 2 零件的圖樣分析 2.1 零件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分析 如圖 2.1 所示零件圖，圖中有不清晰之處請(qǐng)查看附圖，其毛坯材料為 45 鋼，單件小批量生 產(chǎn)，試運(yùn)用所學(xué)知識(shí)對(duì)零件進(jìn)行工藝分析，并編制出其數(shù)控加工程序。 R10 2-?14+0.02-0 R8 4-?10+0.02-0 ?10 ?20 0 -0.02 ?40+0.02-0 R5 1.6 1.6 1.6 A B 70.02 R6 39 R30 R10R5 R6 81 ?50+0.02-0 ?30 0-0.02 B 向 B 圖 2.1 零件圖 從圖 2.1 中可以看出，該零件的總體結(jié)構(gòu)為一凸臺(tái)類零件，零件主要由凸 臺(tái)、凹槽、孔等特征組成。其輪廓曲線較簡(jiǎn)單，主要由直線、圓弧、橢圓組成， 無復(fù)雜曲面，在編程時(shí)比較容易，為了提高編程效率，可以選擇軟件編程，這 樣不僅能節(jié)約時(shí)間，同時(shí)也能保證程序的準(zhǔn)確性。 2.2 零件的技術(shù)要求分析 零件的技術(shù)要求主要包括尺寸精度、形狀精度、位置精度、表面粗糙度要 求等，這些技術(shù)要求應(yīng)當(dāng)是能夠保證零件使用性能前提下的極限值。進(jìn)行零件 技術(shù)要求分析，主要是分析這些技術(shù)要求的合理性，以及實(shí)現(xiàn)的可能性，重點(diǎn) 分析重要表面和部位的加工精度和技術(shù)要求，為制定合理的加工方案做好準(zhǔn)備。 同時(shí)通過分析以確定技術(shù)要求是否過于嚴(yán)格，因?yàn)檫^高的精度和過小的表面粗 糙度要求會(huì)使工藝過程變得復(fù)雜，加工難度大，增加不必要的成本。 江蘇信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)報(bào)告 5 從圖 2.1 分析得知，該零件的尺寸精度要求有： （1）外輪廓尺寸：118 和 78 的精度等級(jí)為 IT7 級(jí)，厚度尺寸 28035.021. 的精度等級(jí)為 IT78 級(jí)，表面粗糙度為 Ra3.2um。027. （2）橢圓凹槽：尺寸精度等級(jí)為 IT78 級(jí)，表面粗糙度要求為 Ra3.2um。 （3）凸臺(tái)：尺寸精度等級(jí)為 IT7 級(jí)，表面粗糙度要求為 Ra3.2um。 其余未注尺寸公差按 IT12 控制，未注表面粗糙度為 Ra3.2um。 綜上所述，該零件的加工精度要求一般，在數(shù)控加工中比較容易保證。 江蘇信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)報(bào)告 6 3 零件的工藝規(guī)程設(shè)計(jì) 3.1 毛坯的選擇 毛坯是用來加工各種工件的坯料,毛坯的生產(chǎn)方法主要有:鑄造、鍛造、焊接、 沖壓件,以及各種型材也可以用作毛坯，該零件的毛坯類型可選擇鍛造毛坯。 毛坯圖的尺寸都是在零件圖尺寸的基礎(chǔ)上，加減總加工余量得到毛坯尺寸， 毛坯各面的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)一般同零件圖一致。筆者認(rèn)為這種設(shè)計(jì)方法并不合理，這 是因?yàn)閺拿鞒叽绲淖饔脕碇v并不要求它和零件圖一致，對(duì)它提出的要求是:(1) 保證它在機(jī)械加工時(shí)有最均勻合理的粗加工余量：(2)保證非加工面與加工面有 最準(zhǔn)確的位置及尺寸。 該零件為板類零件，故其毛坯選擇為板材，毛坯材料為 45#，毛坯尺寸為 120mm80mm30mm。 3.2 定位基準(zhǔn)的選擇 定位基準(zhǔn)有粗基準(zhǔn)和精基準(zhǔn)兩種，用未加工過的毛坯表面作為定位基準(zhǔn)稱 為粗基準(zhǔn)，用己加工過的表面作為定位基準(zhǔn)稱為精加工。除第一道工序用粗基 準(zhǔn)外，其余工序都應(yīng)使用精基準(zhǔn)。 選擇定位基準(zhǔn)要遵循基準(zhǔn)重合原則，即力求沒計(jì)基準(zhǔn)、工藝基準(zhǔn)和編程基 準(zhǔn)統(tǒng)一，這樣做可以減少基準(zhǔn)不重合產(chǎn)生的誤差和數(shù)控編程中的計(jì)算量，并且 能有效地減少裝夾次數(shù)。 經(jīng)分析，確定該零件的粗基準(zhǔn)為毛坯底面及毛坯外輪廓；精基準(zhǔn)以設(shè)計(jì)基 準(zhǔn)為精基準(zhǔn)，即底面及零件外輪廓側(cè)面。 。 3.3 裝夾方式的選擇 經(jīng)分析，該零件需要進(jìn)行兩次裝夾方能完成零件的加工。在第一次裝夾時(shí) 為銑削零件的底面，采用平口虎鉗進(jìn)行裝夾；第二次裝夾時(shí)加工零件的上表面， 此次裝夾可以以加工好的底面及外邊進(jìn)行定位，用虎鉗壓緊即可。 3.4 加工順序的安排 工件的機(jī)械加工工藝路線中要經(jīng)過切削加工、熱處理和輔助工序。因此， 當(dāng)擬定工藝路線時(shí)要合理、全面安排好切削加工、熱處理和輔助工序的順序。 加工順序的安排原則：先粗后精、先面后孔、基面先行。 根據(jù)該以上原則，確定該零件的加工順序?yàn)椋恒姷酌驺娡廨喞姲疾?江蘇信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)報(bào)告 7 加工中心圓角凸臺(tái)銑橢圓槽鉆 4-10 孔銑 2-14 臺(tái)階孔調(diào)頭銑 上表面 銑扇形凹槽鉆 4-10 孔銑圓形凹槽輪廓銑倒圓角凸臺(tái)輪廓銑 鍵槽。 江蘇信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)報(bào)告 8 4 設(shè)備及其工藝裝備的確定 4.1 機(jī)床的選擇 由于該零件屬于單件小批量生產(chǎn)，因此不用考慮生產(chǎn)效率等問題，只要在 能夠保證其精度要求的前提下選擇相應(yīng)的設(shè)備進(jìn)行加工即可，但為了減少人為 的換刀量，根據(jù)現(xiàn)有的數(shù)控機(jī)床，確定選擇由云南 CY 集團(tuán)有限公司生產(chǎn)的 CY-VMC850 系列數(shù)控立式加工中心，其主要技術(shù)參數(shù)如下： 系統(tǒng)配置： FANUC 工作臺(tái)面積(mm)：460950(5001050) 行程(X-Y-Z)(mm)：800500550 主軸錐孔：BT40 主功率(KW)：7.5/11 主軸變速系統(tǒng)轉(zhuǎn)速(rpm)： 50-6000 伺服 機(jī)床結(jié)構(gòu)：臺(tái)灣主軸、全防護(hù)、貼塑滑軌、電柜空調(diào) 備注：16 把斗笠式刀庫(kù)、20 把圓盤式刀庫(kù) 機(jī)床重量(噸)：6 4.2 刀具的選擇 合理的選擇數(shù)控加工的刀具、夾具，是工藝處理工作中的重要內(nèi)容，在數(shù) 控加工中產(chǎn)品的加工質(zhì)量和勞動(dòng)生產(chǎn)率在很大程度上將受到刀具、夾具的制約， 雖其大多數(shù)刀具、夾具與普通加工中所用的刀具、夾具基本相同，但對(duì)一些工 藝難度較大或其輪廓、形狀等方面較特殊的零件加工，所選用的刀具、夾具必 須具有較高要求，或需做進(jìn)一步的特殊處理，以滿足數(shù)控加工的需求。 一般優(yōu)先采用標(biāo)準(zhǔn)刀具，必要的時(shí)候可以采用各種提高生產(chǎn)率的復(fù)合刀具 及其他一些專用刀具。此外，應(yīng)結(jié)合實(shí)際情況，盡可能選用各種先進(jìn)刀具，如 可轉(zhuǎn)位刀具、整體硬質(zhì)合金刀具、陶瓷涂層刀具等。刀具的類型、規(guī)格和精度 等級(jí)應(yīng)符合加工需求，刀具材料應(yīng)與工件材料相適應(yīng)。數(shù)控加工所用的刀具在 刀具性能上應(yīng)高于普通加工中所用的刀具。所以選擇數(shù)控加工刀具時(shí)，還應(yīng)考 慮以下幾個(gè)方面： 切削性能好 數(shù)控加工能采用大的背吃刀量和高進(jìn)給速度，刀具必須要 有能夠承受高速切削和強(qiáng)力切削的性能。同時(shí)，同一批刀具在切削性能和刀具 江蘇信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)報(bào)告 9 壽命方面一定要穩(wěn)定，以便實(shí)現(xiàn)按刀具壽命換刀或由數(shù)控系統(tǒng)對(duì)刀具壽命進(jìn)行 管理。 精度高 為適應(yīng)數(shù)控加工的高精度和自動(dòng)換刀等要求，刀具必須具有較 高的精度，如有的整體式立銑刀的徑向尺寸精度達(dá)到 0.005mm 等。 可靠性高 要保證數(shù)控加工中不會(huì)發(fā)生刀具意外損傷及潛在缺陷而影響 到加工的順利進(jìn)行，要求刀具及與之組合的附件必須具有很好的可靠性及較強(qiáng) 的適應(yīng)性。 耐用度高 數(shù)控加工的刀具，不論在粗加工或精加工中，都應(yīng)具有比普 通機(jī)床加工所用刀具更高的耐用度，以盡量減少更換或修磨刀具及對(duì)刀次數(shù)， 從而提高數(shù)控機(jī)床的加工效率及保證加工質(zhì)量。 斷屑及排屑性能好 數(shù)控加工中，斷屑和排屑不像普通機(jī)床加工那樣， 能及時(shí)由人工處理，切屑易纏在刀具和工件上，會(huì)損壞刀具和劃上工件上已加 工表面，甚至?xí)l(fā)生傷人和設(shè)備事故，影響加工質(zhì)量和機(jī)床的順利、安全，所 以要求刀具應(yīng)具有較好的斷屑和排屑性能。 綜上所述，零件上、下表面加工時(shí)采用端銑刀加工，根據(jù)工件的寬度選擇 端銑刀直徑，使得銑刀工作時(shí)有合理的切入/切出角；切銑刀直徑應(yīng)盡量包容整 個(gè)工件加工寬度，以提高加工精度和效率，并減少相鄰兩次進(jìn)給之間的接刀痕。 表 4.1 就是該零件加工所需要用到的所有刀具。 表 4.1 刀具卡片 零件名稱 心形凸臺(tái) 工序號(hào) 刀具編號(hào) 刀具規(guī)格和名稱 數(shù)量 加工表面 T01 80 面銑刀 1 銑工件的上下表面 T02 20 立銑刀 1 銑削外輪廓 T03 10 立銑刀 1 銑橢圓凹槽 T04 3mm 中心鉆 1 鉆 4-10 孔的中心孔 T05 10 麻花鉆 1 鉆 4-10 孔 T06 8mm 立銑刀 1 銑 4-14 沉孔 1 T07 5R2 圓角成型刀 1 銑橢圓槽圓角 T01 80 面銑刀 1 銑工件的上下表面 T02 20 立銑刀 1 銑削外輪廓及凸臺(tái)輪廓 T03 8 立銑刀 1 銑側(cè)邊凹槽 T04 16 立銑刀 1 銑圓槽 2 T05 10R4 圓角成型 1 銑槽口圓角 R4 江蘇信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)報(bào)告 10 刀 5 切削用量的選取 數(shù)控編程時(shí)，編程人員必須確定每道工序的切削用量，并以指令的形式寫 人程序中。切削用量包括主軸轉(zhuǎn)速、背吃刀量及進(jìn)給速度等。對(duì)于不同的加工 方法，需要選用不同的切削用量。切削用量的選擇原則是：保證零件加工精度 和表面粗糙度，充分發(fā)揮刀具切削性能，保證合理的刀具耐用度，并充分發(fā)揮 機(jī)床的性能，最大限度提高生產(chǎn)率，降低成本。 切削用量：“三要素”是指刀具在切削過程中的運(yùn)動(dòng)參數(shù)。 “三要素”是指：切削速度，進(jìn)給量，背吃刀量。 選擇切削用量時(shí)考慮的因素： （1）切削加工生產(chǎn)率 在切削加工中，金屬切除率與切削用量三要素 ap、f、v 均保持線性關(guān)系， 即其中任一參數(shù)增大一倍，都可使生產(chǎn)率提高一倍。然而由于刀具壽命的制約， 當(dāng)任一參數(shù)增大時(shí)，其它二參數(shù)必須減小。因此，在制訂切削用量時(shí)，三要素 獲得最佳組合，此時(shí)的高生產(chǎn)率才是合理的。 （2）刀具壽命 切削用量三要素對(duì)刀具壽命影響的大小，按順序?yàn)?v、f、ap。因此，從保 證合理的刀具壽命出發(fā)，在確定切削用量時(shí)，首先應(yīng)采用盡可能大的背吃刀量； 然后再選用大的進(jìn)給量；最后求出切削速度。 （3）加工表面粗糙度 精加工時(shí)，增大進(jìn)給量將增大加工表面粗糙度值。因此，它是精加工時(shí)抑 制生產(chǎn)率提高的主要因素。 在切削加工中，金屬切除率與切削用量三要素 ap、f、v 均保持線性關(guān)系， 即其中任一參數(shù)增大一倍，都可使生產(chǎn)率提高一倍。然而由于刀具壽命的制約， 當(dāng)任一參數(shù)增大時(shí)，其它二參數(shù)必須減小。因此，在制訂切削用量時(shí)，三要素 獲得最佳組合，此時(shí)的高生產(chǎn)率才是合理的。 （4）刀具壽命 切削用量三要素對(duì)刀具壽命影響的大小，按順序?yàn)?v、f、ap。因此，從保 證合理的刀具壽命出發(fā)，在確定切削用量時(shí)，首先應(yīng)采用盡可能大的背吃刀量； 江蘇信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)報(bào)告 11 然后再選用大的進(jìn)給量；最后求出切削速度。 （5）加工表面粗糙度 精加工時(shí)，增大進(jìn)給量將增大加工表面粗糙度值。因此，它是精加工時(shí)抑 制生產(chǎn)率提高的主要因素。 根據(jù)以上因素，確定該零件的切削用量如數(shù)控加工工序卡所示。 江蘇信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)報(bào)告 12 6 工藝卡片 6.1 工藝過程卡 序號(hào) 工序名稱 工序內(nèi)容 設(shè)備及工裝 1 備料 制造毛坯 125mm85mm35mm 2 銑 銑底面、銑外輪廓、銑橢圓凹槽、鉆 4-10 孔中心孔、鉆 4-10 孔底孔、鉸 4-10 孔、 銑 4-14 沉孔、銑橢圓槽圓角 R2 銑削加工中心 3 銑 銑上表面、銑外輪廓、銑矩形凸臺(tái)輪廓、銑心 型凸臺(tái)輪廓、銑側(cè)邊凹槽、銑 24 圓槽、銑 槽口圓角 R4 銑削加工中心 4 檢驗(yàn) 手檢 5 鉗 去毛刺 6 入庫(kù) 入庫(kù) 6.2 數(shù)控加工工序卡 工序卡一 夾具名稱 機(jī)用平口虎鉗 使用設(shè)備 銑削加工中心 工序號(hào) 2 程序編號(hào) O0001 工步 號(hào) 工步內(nèi)容 刀具 主軸轉(zhuǎn)數(shù) (r/min) 進(jìn)給速度 (mm/min) 被吃刀量 /mm 1 銑底面，控制表面粗糙度 3.2 T01 600 150 3 2 銑外輪廓，深 15mm T02 1200 150 3.5 3 銑橢圓凹槽 T03 1500 120 5 4 鉆 4-10 孔中心孔 T04 1200 120 2 5 鉆 4-10 孔 T05 850 150 1.5 6 銑 4-14 沉孔 T06 1200 150 2 7 銑橢圓槽圓角 R2 T07 1200 120 2 工序卡二 夾具名稱 機(jī)用平口虎鉗 使用設(shè)備 銑削加工中心 工序號(hào) 3 程序編號(hào) O0002 工步 號(hào) 工步內(nèi)容 刀具 主軸轉(zhuǎn)數(shù) (r/min) 進(jìn)給速度 (mm/min) 被吃刀量 /mm 1 銑上表面，控制表面粗糙度 3.2， 尺寸 29 T01 600 150 3 江蘇信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)報(bào)告 13 2 銑外輪廓，與上道工序接平，控制 外形尺寸及表面粗糙度 T02 1200 150 3.5 3 銑矩形凸臺(tái)輪廓 T02 1500 120 5 4 銑心型凸臺(tái)輪廓 T02 1500 120 5 5 銑側(cè)邊凹槽 T03 1800 120 4 6 銑 24 圓槽 T04 1500 120 2 7 銑槽口圓角 R4 T05 1200 120 4 江蘇信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)報(bào)告 14 7 數(shù)控加工程序的編制 7.1 編程方法的選擇 數(shù)控編程方法可分為手工編程和自動(dòng)編程兩種。 （1）手工編程是指主要由人工來完成數(shù)控機(jī)床程序編制各個(gè)階段的工作。 當(dāng)被加工零件形狀不十分復(fù)雜和程序較短時(shí)，都可以采用手工編程的方法。 （2）自動(dòng)編程 自動(dòng)編程是指借助數(shù)控語言編程系統(tǒng)或圖形編程系統(tǒng)，由計(jì)算機(jī)來自動(dòng)生 成零件加工程序的過程。編程人員只需根據(jù)加工對(duì)象及工藝要求，借助數(shù)控語 言編程系統(tǒng)規(guī)定的數(shù)控編程語言或圖形編程系統(tǒng)提供的圖形菜單功能，對(duì)加工 過程與要求進(jìn)行較簡(jiǎn)便的描述，而由編程系統(tǒng)自動(dòng)計(jì)算出加工運(yùn)動(dòng)軌跡，并輸 出零件數(shù)控加工程序。由于在計(jì)算機(jī)上可自動(dòng)地繪出所編程序的圖形及進(jìn)給軌 跡，所以能及時(shí)地檢查程序是否有錯(cuò)，并進(jìn)行修改，得到正確的程序。 為了節(jié)省編程時(shí)間，提高效率，保證刀具路徑的正確性，選擇該零件程序 使用 ug 軟件進(jìn)行自動(dòng)編程。 7.2 編程坐標(biāo)系的確定 由零件圖可知，該零件的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)在零件的對(duì)稱中心上，故在編程時(shí)將其 編程原點(diǎn)設(shè)置在此處能夠方便對(duì)刀和編程。 7.3 走刀路線的生成 該零件結(jié)構(gòu)形狀比較復(fù)雜，故選用 Mastercam 軟件進(jìn)行自動(dòng)生成刀具軌跡， 其各工序工步的軌跡路線如下： 7.3.1 上表面走刀路線 江蘇信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)報(bào)告 15 7.3.2 底面走刀路線 7.4 仿真加工 圖 7.15 銑面、外輪廓仿真效果圖 江蘇信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)報(bào)告 16 圖 7.16 銑凹槽仿真效果圖 圖 7.17 加工中心圓角凸臺(tái)仿真效果圖 江蘇信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)報(bào)告 17 圖 7.18 銑橢圓槽仿真效果圖 圖 7.19 鉆 4-10 孔的仿真效果圖 江蘇信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)報(bào)告 18 圖 7.20 銑 2-14 臺(tái)階孔 的仿真效果圖 圖 7.21 銑上表面銑扇形凹槽的仿真效果圖 江蘇信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)報(bào)告 19 圖 7.22 鉆 4-10 孔 的仿真效果圖 江蘇信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)報(bào)告 20 圖 7.23 銑圓形凹槽輪廓的仿真效果圖 江蘇信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)報(bào)告 21 圖 7.24 銑倒圓角凸臺(tái)輪廓的仿真效果圖 圖 7.25 銑鍵槽的仿真效果圖 江蘇信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)報(bào)告 22 江蘇信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)報(bào)告 23 設(shè)計(jì)總結(jié) 本次課題貫穿本專業(yè)所學(xué)到的議論知識(shí)與實(shí)踐操作技術(shù)，從分析設(shè)計(jì)到計(jì) 算、操作得到成品，同時(shí)本次選題提供了自主學(xué)習(xí)，自主選擇，自主完成的機(jī) 會(huì)。畢業(yè)設(shè)計(jì)有實(shí)踐性，綜合性，探索性，應(yīng)用性等特點(diǎn)，通過對(duì)該零件的加 工設(shè)計(jì)，使自己能夠運(yùn)用 Mastercam 進(jìn)行實(shí)體繪制，并能夠完成銑削零件的自 動(dòng)編程，對(duì)刀具路徑有了更深一步的理解。 通過此次的畢業(yè)設(shè)計(jì)，使我對(duì)數(shù)控銑削零件的加工過程有了一定的了解， 本文的主要目的是對(duì)心型凸臺(tái)零件進(jìn)行工藝分析及編制。當(dāng)一開始拿到圖紙感 覺特別繁瑣，所以開始的一段時(shí)間，我仔細(xì)的在圖紙上找與自己加工有關(guān)的地 方，盡量弄明白，搞清楚整個(gè)的加工內(nèi)容及工序，不明白的地方向指導(dǎo)老師和 同學(xué)們請(qǐng)教，盡量使自己在加工之前把整個(gè)圖紙內(nèi)容搞清楚，這樣有利于后期 的加工。經(jīng)指導(dǎo)老師和朋友的一些提示讓我的思路豁然開朗。這對(duì)我的設(shè)計(jì)工 作有很大的推動(dòng)作用，特別是在工藝分析過程上老師更是不斷的加以指導(dǎo)和分 析，通過老師的悉心指導(dǎo)和自己的認(rèn)真學(xué)習(xí)，刻苦分析，查閱相關(guān)資料，最終 做完了此份畢業(yè)設(shè)計(jì)。根據(jù)圖紙的具體要求，再結(jié)合我以前實(shí)際生產(chǎn)的經(jīng)驗(yàn)， 制定出一套加工的詳細(xì)方案。 此次畢業(yè)設(shè)計(jì)對(duì)我以后的學(xué)習(xí)和工作都有很大的幫助，不僅是因?yàn)橥ㄟ^設(shè) 計(jì)我學(xué)到了很多原本不懂的知識(shí)，更是因?yàn)樵谠O(shè)計(jì)中，我們遇到了很多的問題， 老師又教會(huì)了我許多分析問題、解決問題的方法，這些經(jīng)歷將是我今后的人生 道路上的助推劑。 江蘇信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)報(bào)告 24 致 謝 經(jīng)過一個(gè)多月的研究分析，我的畢業(yè)設(shè)計(jì)終于完成。作為一名數(shù)控專業(yè)的畢 業(yè)生，由于本專業(yè)的特殊性，在設(shè)計(jì)過程中，難免有許多考慮不周全的地方，如 果沒有指導(dǎo)老師的指導(dǎo)，以及身邊朋友們的幫助，想靠一己之力完成此次設(shè)計(jì)是 相當(dāng)困難的。 首先，向指導(dǎo)老師致以誠(chéng)摯的謝意和崇高的敬意。從最初的選題到中后期修 改，再到最后定稿，劉老師一直給我提供了許多寶貴的建議。老師嚴(yán)肅的工作態(tài) 度、謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)精神、益求精的工作作風(fēng)、深地感染和激勵(lì)了我。除了敬佩老師的 專業(yè)水平外，其樸實(shí)無華、平易近人的人格魅力更對(duì)我影響深遠(yuǎn)，不僅使我樹立 了遠(yuǎn)大的學(xué)術(shù)目標(biāo)、掌握基本的研究方法，還使我明白了許多待人接物與為人處 事的道理。 其次，要感謝江蘇信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院所有教導(dǎo)老師，你們教會(huì)我的不僅僅是 專業(yè)知識(shí)，更多的是對(duì)待學(xué)習(xí)、對(duì)待生活的態(tài)度，乃至做人的道理。 最后，我要感謝這一路上給過我?guī)椭哪切┱J(rèn)識(shí)乃至不認(rèn)識(shí)的朋友們，因?yàn)?你們的鼓勵(lì)和支持，我的畢業(yè)設(shè)計(jì)才得以順利完成。感謝你們，在我最需要幫助 和鼓勵(lì)的時(shí)候，給與我的一切，我永遠(yuǎn)不會(huì)忘記我們一起奮斗過的日日夜夜，此 時(shí)此刻，就讓一切在記憶中封存。 江蘇信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)報(bào)告 25 參考文獻(xiàn) 1 張超英, 數(shù)控機(jī)床加工工藝、編程及操作實(shí)訓(xùn),高等教育出版社，2003.9 2 倪森壽， 機(jī)械制造基礎(chǔ) ，高等教育出版社，2005.1 3 陳立德， 機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ) ，高等華教育出版社，2004.7 4 李一民， 數(shù)控機(jī)床,東南大學(xué)出版社,2005.7 5 隋秀凜， 現(xiàn)代制造技術(shù) ，高等教育出版社，2002.11 6 于榮賢等， 機(jī)械制圖與計(jì)算機(jī)繪圖 ，機(jī)械工業(yè)出版社，2004.3 7顧京， 數(shù)控加工編程及操作 ，顧京主編，高等教育出版社，2003 .7 8趙長(zhǎng)明 劉萬菊 ， 數(shù)控加工工藝及設(shè)備 ，高等教育出版社 2005.9 9陳洪濤， 數(shù)控加工工藝及編程 ，高等教育出版社，2006.10
先進(jìn)的數(shù)控系統(tǒng)在加工過程中的進(jìn)給率優(yōu)化
Firman Riidwan, Xun Xu
摘要：嚴(yán)格的質(zhì)量要求和嚴(yán)格的客戶需求是更普遍的，是適應(yīng)性強(qiáng)的和可互操作的新一代機(jī)床控制器
的發(fā)展背后的主要推力。一些國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，如 STEP 和 STEP-NC 的發(fā)展，為智能數(shù)控加工提出了一個(gè)原
景。本文提出了 STEP-NC 的功能的機(jī)器狀態(tài)監(jiān)控（MCM）的實(shí)施。該系統(tǒng)允許在加工過程中的優(yōu)化，
以縮短加工時(shí)間，提高產(chǎn)品質(zhì)量。在系統(tǒng)中，optiSTEP NC，AECopt 的控制器和基于知識(shí)的評(píng)估模塊
（KBE）已經(jīng)制定出來的 optiSTEP-NC 系統(tǒng)的目的是執(zhí)行最初的進(jìn)給速率優(yōu)化基于 STEP-NC 的數(shù)據(jù)，
以協(xié)助工藝人員在分配適當(dāng)?shù)募庸?shù)。 AECopt 作為打算提供自適應(yīng)和自動(dòng)優(yōu)化工序加工過程中的
策劃者和加工環(huán)境之間的連接。KBE MTConnect 負(fù)責(zé)獲得加工在。優(yōu)化之前進(jìn)行加工操作過程中或之
后，收集數(shù)據(jù)和監(jiān)測(cè)如機(jī)械振動(dòng)，加速度和加加速度，切割功率和進(jìn)給速率。
關(guān)鍵詞：數(shù)控（CNC），STEP-NC 的進(jìn)給率優(yōu)化，監(jiān)測(cè)
1
介紹
多年來，計(jì)算機(jī)數(shù)控機(jī)床（CNC）已經(jīng)開發(fā)到加工高精密產(chǎn)品的能力。支持?jǐn)?shù)控發(fā)展的技術(shù)之一
是機(jī)器狀態(tài)監(jiān)控（MCM）。在這樣做時(shí)，機(jī)床通過傳感元件，信號(hào)調(diào)節(jié)器件，信號(hào)處理算法和信號(hào)解
釋的監(jiān)督。數(shù)控機(jī)床的實(shí)時(shí)監(jiān)控，各種智能功能，如自適應(yīng)控制，重新生成優(yōu)化的數(shù)據(jù)集和先進(jìn)的優(yōu)
化模型已經(jīng)開發(fā)和實(shí)施。以這種方式，不同的加工過程中的異?？梢栽谠缙陔A段檢測(cè)到，保證了更安
全的加工環(huán)境。
動(dòng)用 MCM 機(jī)床在加工過程中減少了需要人為干預(yù)和允許的機(jī)床的自動(dòng)監(jiān)督。然而，挑戰(zhàn)依然存在，
在應(yīng)對(duì)頻繁的設(shè)計(jì)修改，市場(chǎng)需求的產(chǎn)品如質(zhì)量和更短的時(shí)間更嚴(yán)格。此外，加工一直以客戶為中心，
而不是制造商驅(qū)動(dòng)。要在加工過程中的對(duì)質(zhì)量控制，最好的加工參數(shù)監(jiān)視和控制，使機(jī)床的行為分析
在適當(dāng)時(shí)間采取適當(dāng)行動(dòng)。正在進(jìn)行的進(jìn)程的監(jiān)測(cè)和控制主要關(guān)注的是記錄相關(guān)的數(shù)據(jù)，因此，機(jī)床
的特點(diǎn)是反饋的實(shí)時(shí)反應(yīng)。例如，在加工領(lǐng)域，保持最佳的加工參數(shù)，以避免過度主軸加載過度，這
需要適當(dāng)?shù)慕M合和持續(xù)機(jī)床的性能。了解這些特點(diǎn)，要求精確的實(shí)證模型和系統(tǒng)控制機(jī)床之間的一個(gè)
權(quán)衡。
為了應(yīng)對(duì)這個(gè)問題，MCM 可以自動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)集成與決策程序。其目的是產(chǎn)生自我調(diào)節(jié)的智能系
統(tǒng)，能夠適應(yīng)千變?nèi)f化的加工環(huán)境。此外，隨著技術(shù)的發(fā)展，目前也有授權(quán) CNC 用更先進(jìn)的功能，
如適應(yīng)性，敏捷性，可重構(gòu)性和互操作性的要求和新的前景。為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，有多個(gè)障礙。首先，
盡管技術(shù)成就偉大，但當(dāng)代數(shù)控程序仍在執(zhí)行基于一組連續(xù)的 NC 編程語言，又稱 G 代碼。這些代碼
很少，如果有的話，至少超過 50 年前。代碼的最初設(shè)計(jì)是進(jìn)行低級(jí)別的數(shù)據(jù)集，大多是一步一步的指
示，以推動(dòng)機(jī)床最早的模型。 G 代碼雖然過時(shí)，但仍然被廣泛使用，只能容納一個(gè)子集的信息，這已
經(jīng)成為一個(gè)障礙，不能實(shí)現(xiàn)一個(gè)完整的，智能化和優(yōu)化的加工環(huán)境。舉例來說，雖然各項(xiàng)工作一直致
力于提高優(yōu)化模型，一系列的功能不能被利用并納入代碼。
其次，只有有限的控制程序的允許在加工過程中執(zhí)行，使得它難以改變車間的方案。最后一分鐘
的變化是不允許的。加工操作主要由預(yù)定的 NC 代碼，并在大多數(shù)情況下，機(jī)床不能夠改變?nèi)魏吻?
削條件和加工操作時(shí)的加工順序。此外，因?yàn)樗恢С謫蜗蛐畔⒘鲝脑O(shè)計(jì)到制造，到生產(chǎn)過程中的任
何急劇的改變不能很容易地保存和直接反饋給設(shè)計(jì)師。
最后，G 代碼中的信息流是單向的設(shè)計(jì)，即從 CAD 到車間，并且不會(huì)啟用反饋，。其結(jié)果是，這
種傳統(tǒng)方式 NC 編程被認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)一個(gè)智能的加工環(huán)境的瓶頸。
2 STEP-NC 的啟用 MCM 框架
G 代碼剝奪急需的信息，如工件的特點(diǎn)，工具屬性和優(yōu)化切削參數(shù)，往往是由經(jīng)驗(yàn)豐富的運(yùn)營(yíng)商
提供的加工工藝。開發(fā)的 STEP-NC 的啟用 MCM 系統(tǒng)包括（一）離線優(yōu)化模塊，（二）數(shù)據(jù)模型支持
流程的優(yōu)化，（三）過程監(jiān)測(cè)和控制的功能要求。下面對(duì)這些功能的要求進(jìn)行了說明：
（a）離線優(yōu)化的最佳加工參數(shù)的初步測(cè)定。
（b）開始，分配適當(dāng)?shù)娜魏螜C(jī)加工操作的加工參數(shù)是必要的?？捎糜谀M最佳的加工參數(shù)的工具，
以確定最佳的加工參數(shù)。
（c）數(shù)據(jù)模型，支持流程的優(yōu)化。
（d）智能加工需要一個(gè)全面的數(shù)據(jù)支持自適應(yīng)控制和監(jiān)測(cè)過程中的加工以及優(yōu)化加工操作的監(jiān)督
自治模式。在這方面，STEP-NC 的數(shù)據(jù)模型擴(kuò)展，以滿足用于數(shù)據(jù)建模的優(yōu)化。
(e)連續(xù)加工過程的監(jiān)控和優(yōu)化。
加工過程涉及刀具工件議案，加工參數(shù)和機(jī)床功能之間復(fù)雜的相互作用。連續(xù)監(jiān)測(cè)這些活動(dòng)的一
種重要方法是跟蹤加工中出現(xiàn)的任何異常。處理后的數(shù)據(jù)可以被饋送到用于自適應(yīng)控制算法。
3
開發(fā)的系統(tǒng)
已開發(fā)的系統(tǒng)架構(gòu)，是支持一個(gè)智能的，可互操作的，知識(shí)性和創(chuàng)新的制造平臺(tái)。在加工領(lǐng)域，
它被廣泛地視為過載的主軸，切削力過大，刀具磨損等方面的限制可能導(dǎo)致的重大問題，如刀具破損，
產(chǎn)品質(zhì)量惡化，甚至更糟糕的機(jī)器故障。因此，連續(xù)監(jiān)測(cè)機(jī)器的行為，實(shí)時(shí)優(yōu)化和系統(tǒng)保留的加工知
識(shí)進(jìn)行了整合，從而引發(fā)全面的架構(gòu)稱為 STEP-NC 的啟用 MCM 框架（如圖 3-1）。
如圖 3-1 STEP-NC 使 MCM 系統(tǒng)架構(gòu)
該系統(tǒng)支持三個(gè)層次的信息流：高層次的數(shù)據(jù)，工藝規(guī)劃，用于控制機(jī)器的動(dòng)作和知識(shí)數(shù)據(jù)評(píng)估，
1
為后續(xù)加工操作的機(jī)器控制數(shù)據(jù)。這些信息流發(fā)生在三個(gè)獨(dú)立的子系統(tǒng)：optiSTEP-NC 子系統(tǒng)，AECopt
控制器和以知識(shí)為基礎(chǔ)的評(píng)估子系統(tǒng)。這些子系統(tǒng)是在下面的章節(jié)中討論。
3.1 opttiSTEP-NC
optiSTEP-NC 以執(zhí)行初始的進(jìn)給率優(yōu)化為目的，協(xié)助工藝人員，生產(chǎn) NC 零件程序，分配適當(dāng)?shù)?
加工參數(shù)。它是于兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，最小加工時(shí)間和最佳的表面質(zhì)量。有四個(gè)參與開發(fā) optiSTEP-NC 的任務(wù)。
3.1.1 流程規(guī)劃
工藝規(guī)劃的目的是豐富加工功能，AP-224 與必要的語言信息，形成由 ISO14649 中定義的實(shí)體代
表。這種實(shí)體是那些含有額外的加工參數(shù)的通用信息，切削刀具和工作計(jì)劃。此外，可以使用附加信
息，如材料性質(zhì)和表面狀況的要求，以支持所需的最終部分?？捎玫男畔⒃诖烁袷较聦⒈３制渫ㄓ眯?，
直到此刻 CAM 系統(tǒng)時(shí)，填充的過程中計(jì)劃與本地制造業(yè)信息化，以產(chǎn)生一個(gè)特定的或本地進(jìn)程計(jì)劃。
3.1.2 的離線優(yōu)化器發(fā)展
優(yōu)化模塊是負(fù)責(zé)優(yōu)化加工參數(shù)，模擬特定的加工功能，這是有關(guān)的信息的基礎(chǔ)上在此模塊中的機(jī)
床能力等，獲得切削力切削功率計(jì)算尤其是進(jìn)給速率是獲得適當(dāng)?shù)那邢鬟M(jìn)給速率，主軸轉(zhuǎn)速和切削深
度等參數(shù)。此模塊也可以使用從 KBE 切削力信息來計(jì)算加工參數(shù)。
時(shí)效性的（TC）和品質(zhì)的關(guān)鍵（QC）的優(yōu)化算法已被開發(fā)，對(duì)應(yīng)于最小加工時(shí)間和最佳的表面
質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)，分別。 TC 加工業(yè)務(wù)往往是粗加工的目的，從而增加材料去除率是主要制約因素切削功
率的主要目標(biāo)之一。另一方面，QC 加工操作通常用于精加工表面質(zhì)量的目的是主要關(guān)注的問題。
在開發(fā)的優(yōu)化算法，利用模糊邏輯處理不精確的數(shù)據(jù)。輸出實(shí)現(xiàn)是關(guān)鍵時(shí)間或質(zhì)量的關(guān)鍵目標(biāo)是
優(yōu)化加工參數(shù)。優(yōu)化結(jié)果的列在一個(gè)圖形用戶界面。該模擬器開發(fā)使用 LabWindows / CVI 的虛擬儀器
（C）軟件根據(jù)國(guó)家儀器（圖 3-2）。為了驗(yàn)證系統(tǒng)的性能和算法，在測(cè)試情況下進(jìn)行顯示加工參數(shù)的
行為。為了模擬在實(shí)際的情況下，切削力波動(dòng)，目標(biāo)范圍內(nèi)的隨機(jī)噪聲添加到理論的切削力也已開發(fā)
的表面粗糙度的預(yù)測(cè)模型。很顯然，從實(shí)際加工的切斷力獲得的值也可以被使用作為輸入到仿真器。
這可以通過在加工過程中切削力的實(shí)際值，以驗(yàn)證。參數(shù)方程納入發(fā)展 optiSTEP-NC。
圖 3-2 optiSTEP-NC 模擬器
該接口具有四個(gè)窗格和繪圖區(qū)。輸入的數(shù)據(jù)窗格中包含的信息，如不同類型的銑削操作，工件和
刀具材料的屬性，機(jī)械效率和芯片負(fù)載。用戶有選項(xiàng)來設(shè)置這些數(shù)據(jù)所需的值。為了計(jì)算信息，如允
許在切割深度的基礎(chǔ)上對(duì)加工能力和主機(jī)的電源功率和切割力預(yù)先設(shè)定。機(jī)床數(shù)據(jù)窗格中顯示有關(guān)機(jī)
2
床的功能，比如機(jī)床的電機(jī)功率和最大切削深度的信息。該窗格還提供了兩個(gè)開關(guān)，開/關(guān)和 TC/ QC。
例如 TC 屬性“窗格中顯示預(yù)測(cè)功耗，切削力預(yù)測(cè)，目前的每齒進(jìn)給，進(jìn)給速率和材料去除率。它還包
括功率限制的警告，指示安全限制和超出限度的功耗。
圖 3-2 所示的進(jìn)給速率，切削力和材料去除率，這是通過計(jì)算輸入的機(jī)械效率，不同類型的銑削
過程中，刀具材料，工件材料，刀具幾何形狀，每齒的最大進(jìn)給深度切割機(jī)動(dòng)力都不同。根據(jù)切削力
變化，從計(jì)算的結(jié)果給出了一個(gè)優(yōu)化的進(jìn)給速率。例如，如果計(jì)算出的切削功率大于機(jī)器的電源，進(jìn)
料將計(jì)算出的切削功率降低，直到達(dá)到允許值，即，小于機(jī)器的電源。這樣做，可避免過大的切削力。
3.1.3 發(fā)展翻譯
該解釋器（在圖 3-3 中所示）將 STEP-NC 的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成加工命令。 STEP-NC 數(shù)據(jù)定義的部件 10，
11 和 111 的 ISO14649，以及新開發(fā)的優(yōu)化數(shù)據(jù)模型。這種新開發(fā)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)為 STEP-NC 的數(shù)據(jù)和實(shí)
際加工的優(yōu)化過程之間的接口。以前的解釋是能夠翻譯基本銑削功能。因此，額外的功能是需要處理
的機(jī)器執(zhí)行的優(yōu)化數(shù)據(jù)。
圖 3-3 ISO14649 解釋
該解釋主要有三個(gè)數(shù)據(jù)功能：輸入文件，工具的文件名和錯(cuò)誤文件。一旦開始處理一個(gè) STEP 文
件，面向?qū)ο蟮臄?shù)據(jù)被轉(zhuǎn)換成一組加工特性和工步在典型加工指令（CMC）的形式執(zhí)行。此 CMC 輸
出得到了進(jìn)一步的增強(qiáng)，允許在加工過程中進(jìn)行流程優(yōu)化。
3.1.4 刀具路徑執(zhí)行加工的解釋
CMC 碼的一組執(zhí)行由 CNC 控制器名為 AECopt 的。以這種方式，集成過程中的籌辦，優(yōu)化策略
和機(jī)床能力之間的鏈路。
3.2 AECoptt
機(jī)床控制器已重新設(shè)計(jì)，可支持流程優(yōu)化，持續(xù)監(jiān)測(cè)和控制。這項(xiàng)研究演示了如何利用 CMC 啟
用自適應(yīng)執(zhí)行 STEP-NC 的數(shù)據(jù)，這被稱為 AECopt。 AECopt 本質(zhì)上是一個(gè)開放和自適應(yīng)數(shù)控系統(tǒng)，
提供了三個(gè)功能：（一）通過 MCM 了解機(jī)床的行為和能力，（二）優(yōu)化機(jī)器參數(shù)的自適應(yīng)控制（三）
CMC 一部分的程序執(zhí)行，即模糊推理系統(tǒng)（FIS）的開發(fā)和集成 CMC 零件程序。圖 3-4 示出的進(jìn)給
速率的優(yōu)化過程中的數(shù)據(jù)流。一個(gè)最佳的進(jìn)給速率被定義為一個(gè)進(jìn)給速率的加工時(shí)間很短的一段不超
過銑床的額定最大功率，并不會(huì)導(dǎo)致多余的振動(dòng)。通常情況下，每臺(tái)機(jī)器工具都有其自己的最大額定
功率。這可以被用來作為基準(zhǔn)設(shè)定的機(jī)床能力的限制?？紤]機(jī)床的額定功率，工作切削功率保持在低
于主電機(jī)功率，以保持加工操作過程中的安全區(qū)。以這種方式，如主軸過載，過多的切削力，顫振，
刀具磨損，產(chǎn)品質(zhì)量的惡化，并連機(jī)刀具破損的問題是可以避免的。
3
圖 3-4 基于模糊邏輯的進(jìn)給速率優(yōu)化算法
為獲得最佳的進(jìn)給速率，參考切削功率（NREF）被設(shè)置為一個(gè)值的正下方的最大功率（Nmax 時(shí)），
考慮參考切削功率的電源，可能過沖。優(yōu)化過程的簡(jiǎn)要說明如下，使用圖中的相應(yīng)編號(hào) 4。在粗加工
過程開始于一個(gè)最大切削深度。開始進(jìn)給率是從先前計(jì)算的數(shù)據(jù)得到。該值被分配至 SET_FEED_RATE
的命令。其目的是實(shí)現(xiàn)縮短加工時(shí)間。在加工過程中，刀具可能需要直線或圓弧插補(bǔ)。這是使用
STRAIGHT_FEED，ARC_FEED 和 ELLIPSE_FEED 的命令來實(shí)現(xiàn)。切削力傳感器檢測(cè)的基礎(chǔ)上計(jì)算
切削功率的切削力。使用電機(jī)功率為參照，切削功率誤差（ENC）和切削功率變化（CNC）。在數(shù)學(xué)
上，這兩個(gè)錯(cuò)誤表示為：
EN c(i) = N cref ? N cn (i) （3-1）
CN (i) = N
cn
(i) ? N
cn
(i ?1)
（3-2）
opt 1/ 2
這兩個(gè)錯(cuò)誤作為模糊控制的輸入。模糊推理系統(tǒng)由一個(gè)基本的輸入模糊化，模糊推理引擎，模糊
規(guī)則庫(kù)，隸屬函數(shù)和模糊化?？刂菩盘?hào)是進(jìn)給速率。模糊規(guī)則是用于優(yōu)化分配給軸致動(dòng)器⑤的進(jìn)給速
率。對(duì)于粗加工操作，進(jìn)給率優(yōu)化表達(dá)式（3-3）和（3-4）。
f s1 = Maxf z ( f ≥ 8rRa ) ,amax x(t ) （3-3）
t
opt
si
= M int
m
( f
opt
si
4
, amax
, dsi
)
（3-4）
1/ 2
在精加工操作的情況下，進(jìn)給速率優(yōu)化式表示（3-5）。在這種情況下，系統(tǒng)切換到正常的 CMC。
fs 2 = Minfz ( f ≤ (8rt Ra ) , amin ) （3-5）
實(shí)現(xiàn)此算法是為每一個(gè)工具沿 X，Y 和 Z 軸的移動(dòng)。本程序適用于機(jī)器的所有功能包含進(jìn)給命令，
如 ARC_FEED 和 ELLIPSE_FEED 的。這樣的結(jié)果與優(yōu)化的進(jìn)給速率變化的平穩(wěn)過渡，這是不可能的
基于 G 代碼執(zhí)行刀具運(yùn)動(dòng)。結(jié)束操作中，進(jìn)給速率進(jìn)行了優(yōu)化，以達(dá)到所要求的表面質(zhì)量。
該程序利用數(shù)據(jù)采集卡的電壓的輸入和輸出的控制信號(hào)轉(zhuǎn)換成的值是由計(jì)算機(jī)可解釋的，反之亦
然。美國(guó)國(guó)家儀器公司計(jì)算機(jī)（ PXI-1031）作為它的機(jī)載數(shù)據(jù)采集（DAQ）卡，可用的軟件開發(fā)的
LabWindows / CVI9.0 編程環(huán)境，如。 LabWindows / CVI 的數(shù)據(jù)采集庫(kù)，其中包含閱讀和發(fā)送信號(hào)的
功能。機(jī)床采用的是 2010 年 Sherline 數(shù)控銑床。示于圖 3-5 的 AECopt 控制器系統(tǒng)的接口。
圖 3-5 AECopt 控制器 GUI
該接口提供了兩種類型的控件：手動(dòng)（自動(dòng)）控制。手動(dòng)功能提供 X，Y，Z 軸進(jìn)給倍率，速度
倍率為順時(shí)針（CW）和逆時(shí)針（CCW）旋轉(zhuǎn)。控制功能提供負(fù)載，運(yùn)行和線路的運(yùn)行選項(xiàng)。 LOAD
選項(xiàng)加載一個(gè) CMC 的程序已經(jīng)從 STEP-NC 的文件解釋。 “運(yùn)行”選項(xiàng)，執(zhí)行系統(tǒng)的文件，命令行顯
示。最后，線路運(yùn)行提供了一個(gè)選項(xiàng)，用于顯示由用戶選擇的特定命令的 CMC 的輸出。利用視覺顯
示一組由兩個(gè)控制功能。 START/ STOP 按鈕是用來執(zhí)行 optiCMCs 和系統(tǒng)分別為。 START（開始）“選
項(xiàng)也可以用來開始獲取由切削力的數(shù)據(jù)，這是用來作為 optiCMC 輸入。在同一時(shí)間，一個(gè)加速度傳感
5
器的信號(hào)被收購(gòu)為脫機(jī)數(shù)據(jù)分析。
3.3 以知識(shí)為基礎(chǔ)的評(píng)價(jià)
提供基于機(jī)器狀況的優(yōu)化和更新的參數(shù)，效率和生產(chǎn)力的加工性能是關(guān)鍵。實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的方法
之一是賦予整個(gè)產(chǎn)品開發(fā)過程控制器與智能知識(shí)。這是通過知識(shí)評(píng)價(jià)系統(tǒng)，車間更新的數(shù)據(jù)信息記錄
和評(píng)估?？梢宰龅酵ㄟ^直接記錄或網(wǎng)絡(luò)使用的協(xié)議，如 MTConnect 記錄。在加工過程中直接錄制的方
法是一個(gè)簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)節(jié)電方法。網(wǎng)絡(luò)記錄需要一個(gè)開放的架構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。在記錄過程中，可包括如
實(shí)際的進(jìn)給速率，加速度，加加速度，加工時(shí)間，實(shí)際的切割力和振動(dòng)，然后再評(píng)估，以確保不超過
允許的切削功率的機(jī)床的加工參數(shù)。此信息被用于更新 STEP-NC 的數(shù)據(jù)模型中的數(shù)據(jù)。在系統(tǒng)中的
最后一個(gè)動(dòng)作就是以知識(shí)為基礎(chǔ)的評(píng)估記錄實(shí)際的進(jìn)給速率。
然后，所記錄的信息，以對(duì)更新的機(jī)器狀態(tài)與最新特性 STEP 文件進(jìn)行評(píng)估。因此，加工參數(shù)的
調(diào)整，可以在稍后的時(shí)間進(jìn)行。
3.3.1 MTConneect
MTConnect STEP-NC 的集 成使一 個(gè)可 互操作 的方 法在不 同的 地點(diǎn)訪 問和 處理加 工數(shù) 據(jù)。
MTConnect 是一個(gè)開放的協(xié)議和基于 XML 的標(biāo)準(zhǔn)更高水平的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行數(shù)據(jù)整合，它可以作為一個(gè)推
動(dòng)者。它的體系結(jié)構(gòu)可以很容易地部署和加裝到現(xiàn)有的機(jī)器，因此各種類型的加工環(huán)境中提供靈活性
和便攜性的功能。
MTConnect 有四個(gè)組成部分：設(shè)備，適配器，代理和客戶端。他們共同作為骨干通信標(biāo)準(zhǔn)。該裝
置被稱為是負(fù)責(zé)提供監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的組件，如控制器，傳感器和機(jī)床。這些數(shù)據(jù)是由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)收集的
適配器。適配器是負(fù)責(zé)通信和流媒體的代理。設(shè)備的應(yīng)用程序編程接口（API）與該適配器將溝通作
為數(shù)據(jù)采集過程。代理，然后接受數(shù)據(jù)請(qǐng)求從客戶端應(yīng)用程序，然后返回 XML 格式的數(shù)據(jù)。然后，
客戶端可以從文檔中提取數(shù)據(jù)，并顯示給用戶。這些數(shù)據(jù)可用于更有意義的輸出，通過機(jī)床的當(dāng)前狀
態(tài)的評(píng)估。
3.3.2 數(shù)據(jù)采集和分析
由于 STEP-NC 提供了豐富的數(shù)據(jù)建模方法用于描述加工數(shù)據(jù)，相比與傳統(tǒng)的 NC 代碼結(jié)構(gòu)，因此
可以被保存加工知道如何根據(jù) STEP-NC 數(shù)控系統(tǒng)的整個(gè)產(chǎn)品開發(fā)周期。 STEP-NC 是一個(gè)高層次的數(shù)
據(jù)模型和它的執(zhí)行也需要更具體的加工數(shù)據(jù)。
KBE 系統(tǒng)負(fù)責(zé)三項(xiàng)任務(wù)：數(shù)據(jù)記錄，可視化和評(píng)估。首先，數(shù)據(jù)流式傳輸，通過 MTConnect 被
記錄在一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)中，可以在不同的地點(diǎn)訪問。動(dòng)態(tài)記錄的加工參數(shù)，包括實(shí)際進(jìn)給速度，加速度，
挺舉，切削功率和最大振幅。其次，該系統(tǒng)提供了一個(gè)用戶界面，用于可視化的目的。該接口由一個(gè)
樹形視圖，表和圖形表示所收購(gòu)的動(dòng)態(tài)加工參數(shù)。在圖 3-6 所示的用戶界面的快照。第三，加工參數(shù)
進(jìn)行評(píng)估，其目的獲得另一組隨后的機(jī)械加工操作的最佳參數(shù)。這些措施包括：
（a）實(shí)際切削功率值來計(jì)算最佳的進(jìn)給速率，
（b）加速度和加加速度值進(jìn)行評(píng)估，以獲得平滑的運(yùn)動(dòng)，
（c）分析得出通過觀察振動(dòng)信號(hào)短時(shí)傅立葉變換（STFT），在切割過程中，以避免過多的數(shù)落。
6
圖 3-6 KBE 系統(tǒng)的接口
所有這些評(píng)價(jià)參數(shù)，幫助提供適當(dāng)?shù)陌踩庸げ僮鞯倪M(jìn)給速率。這些進(jìn)給速率，然后分配更新
STEP-NC 的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在 STEP-NC 文件。以這種方式，可以利用的知識(shí)，在執(zhí)行卓越的加工操作。
3.3.3 數(shù)據(jù)評(píng)估
數(shù)據(jù)流通過連續(xù)記錄到一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù) MTConnect。所記錄的數(shù)據(jù)的一部分示于表 1。在表中可以看
出，對(duì)于每一個(gè)時(shí)間增加，可以觀察到的機(jī)器行為的變化。清晰可見的是逐步改變進(jìn)給速率為每一個(gè)
時(shí)間增量。這些進(jìn)給速率的動(dòng)態(tài)行為，可取得進(jìn)一步分化加速性能。在加工過程中，機(jī)械元件的振動(dòng)
的激發(fā)可能導(dǎo)致過度增加加速度，這可能會(huì)導(dǎo)致加速刀具的磨損，提高加工噪聲和大的輪廓加工誤差。
因此，急動(dòng)度可以作為一個(gè)指標(biāo)為光滑的加工操作標(biāo)準(zhǔn)。
表 1 中 記錄數(shù)據(jù)通過 MTConnect
7
T 時(shí)間（s）。CP-切割功率（千瓦）、FR-進(jìn)給率（毫米/分鐘）、A-的加速度（mm/sec2）、J-急動(dòng)度
（mm/sec3）MVA 最大振動(dòng)幅度（1000-1）。
從時(shí)域的數(shù)據(jù)需要被記錄，另外，由于大量的時(shí)域數(shù)據(jù)（在 10,000 Hz 的采樣速率），時(shí)域振動(dòng)信
號(hào)處理使用 STFT 技術(shù)的。圖 3-7 是從所記錄的數(shù)據(jù)的一部分的時(shí)間間隔 8 秒的短時(shí)傅立葉變換得到
的視圖的一個(gè)例子。短時(shí)傅立葉變換，可以執(zhí)行頻率的變化隨時(shí)間的持續(xù)時(shí)間。從這種變化中，可以
發(fā)現(xiàn)，任何重大的喋喋不休，這將決定在那個(gè)時(shí)候進(jìn)給速率值。例如，大量發(fā)生的在喋喋不休頻率為
185.5 赫茲振幅在 3.8 s。所記錄的數(shù)據(jù)表明，該控制器產(chǎn)生的進(jìn)料速率為 127 毫米/分鐘，約 3.8 s 的加
工。其結(jié)果是，進(jìn)給速率為 127mm/分鐘，可確認(rèn)為過速的機(jī)床工作臺(tái)的移動(dòng)。應(yīng)避免在后續(xù)加工操
作更新的 STEP 文件。這種實(shí)時(shí)的進(jìn)給速率值可以控制，使其不超過允許的顫振頻率的振幅的值，通
過設(shè)置在調(diào)諧系統(tǒng)中的進(jìn)給速率的上限。因此，改進(jìn)的進(jìn)給速率可以被分配到控制器。
圖 3-7 STFT 代表性的振動(dòng)分析
4
結(jié)論
使用 STEP-NC 的數(shù)據(jù)模型，根據(jù)相同的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)合并為各種應(yīng)用提供了一個(gè)有前途的平臺(tái)。它
帶來了設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，如幾何尺寸，公差和材料到加工操作過程的控制和監(jiān)測(cè)，成為一個(gè)強(qiáng)大的控制機(jī)制。
出于這樣做的好處，新開發(fā)的架構(gòu)優(yōu)化的目的是擴(kuò)充現(xiàn)有的 STEP-NC 的數(shù)據(jù)模型。為一體的綜合環(huán)
境中，高層次的機(jī)器狀態(tài)監(jiān)測(cè)行使優(yōu)化加工流程是必要的。開發(fā)的 Express 數(shù)據(jù)模型提供了必要的數(shù)
據(jù)進(jìn)行加工優(yōu)化。
STEP-NC 的機(jī)器狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由三個(gè)子系統(tǒng)組成。第一個(gè)子系統(tǒng)， optiSTEP-NC，是負(fù)責(zé)早期階
段優(yōu)化。目的是為了協(xié)助過程規(guī)劃者產(chǎn)生最佳的加工參數(shù)為 STEP-NC 的文件。這是兩種不同的情況：
（一）最大限度地提高進(jìn)給率和切削深度的關(guān)鍵加工（例如，粗加工工序）及（二）最大化的加工質(zhì)
量，質(zhì)量的關(guān)鍵加工操作（例如，精加工業(yè)務(wù)）。模擬器已經(jīng)開發(fā)的最優(yōu)化算法，實(shí)時(shí)的過程控制和監(jiān)
測(cè)算法來驗(yàn)證。
8
第二子系統(tǒng)：一種自適應(yīng)的進(jìn)給速率優(yōu)化（AECopt）控制器 CMC 程序執(zhí)行第 2 副系統(tǒng)的框架。
控制器允許一個(gè)模糊的進(jìn)給率優(yōu)化模塊規(guī)范的機(jī)器要執(zhí)行的命令?？棺h的 NC 程序執(zhí)行的主要特點(diǎn)是
機(jī)床工具的能力范圍內(nèi)保持恒定的負(fù)載能力進(jìn)行自適應(yīng)進(jìn)給率優(yōu)化。此外，還可以幫助優(yōu)化算法減少
喋喋不休幅度。因此，過多的顫振的發(fā)生是可以避免的。這保證了一個(gè)更健康的加工操作環(huán)境。實(shí)驗(yàn)
結(jié)果通過建議的進(jìn)給速率優(yōu)化模塊的有效性。
第三子系統(tǒng)（被稱為以知識(shí)為基礎(chǔ)的評(píng)價(jià)體系）的開發(fā)。內(nèi)容準(zhǔn)確詳實(shí)，更新加工訣竅是用于實(shí)
現(xiàn)自動(dòng)化和智能化加工操作。通過有效地監(jiān)測(cè)和記錄加工過程中的標(biāo)準(zhǔn)化環(huán)境的 STEP-NC 和 MT
Connect 訣竅可以應(yīng)用在任何時(shí)間點(diǎn)，一個(gè)完整的加工利用。 KBE 系統(tǒng)展示了寶貴的加工訣竅有助于
確定最佳的進(jìn)給速率，以便可避免顫振的發(fā)作。該系統(tǒng)還可以記錄的加工參數(shù)，如切割功率，加速度，
加加速度和最大振動(dòng)振幅的努力，以獲得最佳的機(jī)械加工性能，進(jìn)一步評(píng)估這些數(shù)據(jù)?？傮w而言，需
要機(jī)械師 NC 代碼來操作和調(diào)整的最小化。工程師制定有效的流程計(jì)劃所花費(fèi)的時(shí)間減少，最終的決
策由高層經(jīng)理甚至可以遠(yuǎn)程決策。
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