典型零件的數(shù)控銑加工編程設(shè)計【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)計報告 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，普通機械逐漸被高效率、高精度的數(shù)控機械所代替，形成了巨大的 生產(chǎn)力。專家們預(yù)言：二十一世紀(jì)機械制造業(yè)的競爭，其實是數(shù)控技術(shù)的競爭。 數(shù)控技術(shù)是制造業(yè)實現(xiàn)自動化、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、提高勞動生產(chǎn)率、提高企業(yè)的市場適應(yīng)能力和 競爭能力必不可少的物質(zhì)手段；數(shù)控技術(shù)是國防現(xiàn)代化的重要戰(zhàn)略物質(zhì)，是國 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 家戰(zhàn)略地位和體現(xiàn)國家綜合國力水平的重要基礎(chǔ)性產(chǎn)業(yè)，其水平高低和擁有量 是衡量一個國家工業(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。隨著我國工業(yè)現(xiàn)代化進程逐步加快，數(shù)控技術(shù)在制造業(yè)中越來越 多地得到應(yīng)用。目前，我國制造工業(yè)中，從事數(shù)控機床制造和生產(chǎn)的科技人員 以及數(shù)控機床的操作員、程序員和維修人員都非常缺乏。特別是在我國的經(jīng)濟 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)計的作用 本課題是數(shù)控專業(yè)學(xué)生在畢業(yè)時的任務(wù)，其作用主要為驗證我們在學(xué)校所 學(xué)的知識，并通過此課題的編寫，讓我們對在校所學(xué)的知識進行一次綜合的應(yīng) 用，為今后的實踐工作打下基礎(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)計報告 3 江蘇信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計報告 4 2 零件的圖樣分析 2.1 零件的結(jié)構(gòu)特點分析 如圖 2.1 所示零件圖，圖中有不清晰之處請查看附圖，其毛坯材料為 45 鋼，單件小批量生 產(chǎn)，試運用所學(xué)知識對零件進行工藝分析，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)為一凸臺類零件，零件主要由凸 臺、凹槽、孔等特征組成。其輪廓曲線較簡單，主要由直線、圓弧、橢圓組成， 無復(fù)雜曲面，在編程時比較容易，為了提高編程效率，可以選擇軟件編程，這 樣不僅能節(jié)約時間，同時也能保證程序的準(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，以及實現(xiàn)的可能性，重點 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。 同時通過分析以確定技術(shù)要求是否過于嚴(yán)格，因為過高的精度和過小的表面粗 糙度要求會使工藝過程變得復(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)計報告 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 的精度等級為 IT7 級，厚度尺寸 28035.021. 的精度等級為 IT78 級，表面粗糙度為 Ra3.2um。027. （2）橢圓凹槽：尺寸精度等級為 IT78 級，表面粗糙度要求為 Ra3.2um。 （3）凸臺：尺寸精度等級為 IT7 級，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)計報告 6 3 零件的工藝規(guī)程設(shè)計 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)計基準(zhǔn)一般同零件圖一致。筆者認(rèn)為這種設(shè)計方法并不合理，這 是因為從毛坯尺寸的作用來講并不要求它和零件圖一致，對它提出的要求是:(1) 保證它在機械加工時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，該零件需要進行兩次裝夾方能完成零件的加工。在第一次裝夾時 為銑削零件的底面，采用平口虎鉗進行裝夾；第二次裝夾時加工零件的上表面， 此次裝夾可以以加工好的底面及外邊進行定位，用虎鉗壓緊即可。 3.4 加工順序的安排 工件的機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為：銑底面銑外輪廓銑凹槽 江蘇信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計報告 7 加工中心圓角凸臺銑橢圓槽鉆 4-10 孔銑 2-14 臺階孔調(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輪廓銑 鍵槽。 江蘇信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計報告 8 4 設(shè)備及其工藝裝備的確定 4.1 機床的選擇 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)控機床，確定選擇由云南 CY 集團有限公司生產(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 機床結(jié)構(gòu)：臺灣主軸、全防護、貼塑滑軌、電柜空調(diào) 備注：16 把斗笠式刀庫、20 把圓盤式刀庫 機床重量(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)合實際情況，盡可能選用各種先進刀具，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，還應(yīng)考 慮以下幾個方面： 切削性能好 數(shù)控加工能采用大的背吃刀量和高進給速度，刀具必須要 有能夠承受高速切削和強力切削的性能。同時，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)計報告 9 壽命方面一定要穩(wěn)定，以便實現(xiàn)按刀具壽命換刀或由數(shù)控系統(tǒng)對刀具壽命進行 管理。 精度高 為適應(yīng)數(shù)控加工的高精度和自動換刀等要求，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到 0.005mm 等。 可靠性高 要保證數(shù)控加工中不會發(fā)生刀具意外損傷及潛在缺陷而影響 到加工的順利進行，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 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刀次數(shù)， 從而提高數(shù)控機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床加工那樣， 能及時由人工處理，切屑易纏在刀具和工件上，會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，使得銑刀工作時有合理的切入/切出角；切銑刀直徑應(yīng)盡量包容整 個工件加工寬度，以提高加工精度和效率，并減少相鄰兩次進給之間的接刀痕。 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 工序號 刀具編號 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)計報告 10 刀 5 切削用量的選取 數(shù)控編程時，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、背吃刀量及進給速度等。對于不同的加工 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動參數(shù)。 “三要素”是指：切削速度，進給量，背吃刀量。 選擇切削用量時考慮的因素： （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，其它二參數(shù)必須減小。因此，在制訂切削用量時，三要素 獲得最佳組合，此時的高生產(chǎn)率才是合理的。 （2）刀具壽命 切削用量三要素對刀具壽命影響的大小，按順序為 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，首先應(yīng)采用盡可能大的背吃刀量； 然后再選用大的進給量；最后求出切削速度。 （3）加工表面粗糙度 精加工時，增大進給量將增大加工表面粗糙度值。因此，它是精加工時抑 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，其它二參數(shù)必須減小。因此，在制訂切削用量時，三要素 獲得最佳組合，此時的高生產(chǎn)率才是合理的。 （4）刀具壽命 切削用量三要素對刀具壽命影響的大小，按順序為 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，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)計報告 11 然后再選用大的進給量；最后求出切削速度。 （5）加工表面粗糙度 精加工時，增大進給量將增大加工表面粗糙度值。因此，它是精加工時抑 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)計報告 12 6 工藝卡片 6.1 工藝過程卡 序號 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、銑矩形凸臺輪廓、銑心 型凸臺輪廓、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 手檢 5 鉗 去毛刺 6 入庫 入庫 6.2 數(shù)控加工工序卡 工序卡一 夾具名稱 機用平口虎鉗 使用設(shè)備 銑削加工中心 工序號 2 程序編號 O0001 工步 號 工步內(nèi)容 刀具 主軸轉(zhuǎn)數(shù) (r/min) 進給速度 (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 機用平口虎鉗 使用設(shè)備 銑削加工中心 工序號 3 程序編號 O0002 工步 號 工步內(nèi)容 刀具 主軸轉(zhuǎn)數(shù) (r/min) 進給速度 (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)計報告 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 銑矩形凸臺輪廓 T02 1500 120 5 4 銑心型凸臺輪廓 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)計報告 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編程兩種。 （1）手工編程是指主要由人工來完成數(shù)控機床程序編制各個階段的工作。 當(dāng)被加工零件形狀不十分復(fù)雜和程序較短時，都可以采用手工編程的方法。 （2）自動編程 自動編程是指借助數(shù)控語言編程系統(tǒng)或圖形編程系統(tǒng)，由計算機來自動生 成零件加工程序的過程。編程人員只需根據(jù)加工對象及工藝要求，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，對加工 過程與要求進行較簡便的描述，而由編程系統(tǒng)自動計算出加工運動軌跡，并輸 出零件數(shù)控加工程序。由于在計算機上可自動地繪出所編程序的圖形及進給軌 跡，所以能及時地檢查程序是否有錯，并進行修改，得到正確的程序。 為了節(jié)省編程時間，提高效率，保證刀具路徑的正確性，選擇該零件程序 使用 ug 軟件進行自動編程。 7.2 編程坐標(biāo)系的確定 由零件圖可知，該零件的設(shè)計基準(zhǔn)在零件的對稱中心上，故在編程時將其 編程原點設(shè)置在此處能夠方便對刀和編程。 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 軟件進行自動生成刀具軌跡， 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)計報告 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)計報告 16 圖 7.16 銑凹槽仿真效果圖 圖 7.17 加工中心圓角凸臺仿真效果圖 江蘇信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計報告 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)計報告 18 圖 7.20 銑 2-14 臺階孔 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)計報告 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)計報告 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)計報告 21 圖 7.24 銑倒圓角凸臺輪廓的仿真效果圖 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)計報告 22 江蘇信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計報告 23 設(shè)計總結(jié) 本次課題貫穿本專業(yè)所學(xué)到的議論知識與實踐操作技術(shù)，從分析設(shè)計到計 算、操作得到成品，同時本次選題提供了自主學(xué)習(xí)，自主選擇，自主完成的機 會。畢業(yè)設(shè)計有實踐性，綜合性，探索性，應(yīng)用性等特點，通過對該零件的加 工設(shè)計，使自己能夠運用 Mastercam 進行實體繪制，并能夠完成銑削零件的自 動編程，對刀具路徑有了更深一步的理解。 通過此次的畢業(yè)設(shè)計，使我對數(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心型凸臺零件進行工藝分析及編制。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)們請教，盡量使自己在加工之前把整個圖紙內(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。這對我的設(shè)計工 作有很大的推動作用，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。根據(jù)圖紙的具體要求，再結(jié)合我以前實際生產(chǎn)的經(jīng)驗， 制定出一套加工的詳細(xì)方案。 此次畢業(yè)設(shè)計對我以后的學(xué)習(xí)和工作都有很大的幫助，不僅是因為通過設(shè) 計我學(xué)到了很多原本不懂的知識，更是因為在設(shè)計中，我們遇到了很多的問題， 老師又教會了我許多分析問題、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)計報告 24 致 謝 經(jīng)過一個多月的研究分析，我的畢業(yè)設(shè)計終于完成。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)計是 相當(dāng)困難的。 首先，向指導(dǎo)老師致以誠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)、深地感染和激勵了我。除了敬佩老師的 專業(yè)水平外，其樸實無華、平易近人的人格魅力更對我影響深遠(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，你們教會我的不僅僅是 專業(yè)知識，更多的是對待學(xué)習(xí)、對待生活的態(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)識乃至不認(rèn)識的朋友們，因為 你們的鼓勵和支持，我的畢業(yè)設(shè)計才得以順利完成。感謝你們，在我最需要幫助 和鼓勵的時候，給與我的一切，我永遠(yuǎn)不會忘記我們一起奮斗過的日日夜夜，此 時此刻，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)計報告 25 參考文獻 1 張超英, 數(shù)控機床加工工藝、編程及操作實訓(xùn),高等教育出版社，2003.9 2 倪森壽， 機械制造基礎(chǔ) ，高等教育出版社，2005.1 3 陳立德， 機械設(shè)計基礎(chǔ) ，高等華教育出版社，2004.7 4 李一民， 數(shù)控機床,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， 機械制圖與計算機繪圖 ，機械工業(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 先進的數(shù)控系統(tǒng)在加工過程中的進給率優(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)性強的和可互操作的新一代機床控制器 的發(fā)展背后的主要推力。一些國際標(biāo)準(zhǔn)，如 STEP 和 STEP-NC 的發(fā)展，為智能數(shù)控加工提出了一個原 景。本文提出了 STEP-NC 的功能的機器狀態(tài)監(jiān)控（MCM）的實施。該系統(tǒng)允許在加工過程中的優(yōu)化， 以縮短加工時間，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的評估模塊 （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)化之前進行加工操作過程中或之 后，收集數(shù)據(jù)和監(jiān)測如機械振動，加速度和加加速度，切割功率和進給速率。 關(guān)鍵詞：數(shù)控（CNC），STEP-NC 的進給率優(yōu)化，監(jiān)測 1 介紹 多年來，計算機數(shù)控機床（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 是機器狀態(tài)監(jiān)控（MCM）。在這樣做時，機床通過傳感元件，信號調(diào)節(jié)器件，信號處理算法和信號解 釋的監(jiān)督。數(shù)控機床的實時監(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)集和先進的優(yōu) 化模型已經(jīng)開發(fā)和實施。以這種方式，不同的加工過程中的異?？梢栽谠缙陔A段檢測到，保證了更安 全的加工環(huán)境。 動用 MCM 機床在加工過程中減少了需要人為干預(yù)和允許的機床的自動監(jiān)督。然而，挑戰(zhàn)依然存在， 在應(yīng)對頻繁的設(shè)計修改，市場需求的產(chǎn)品如質(zhì)量和更短的時間更嚴(yán)格。此外，加工一直以客戶為中心， 而不是制造商驅(qū)動。要在加工過程中的對質(zhì)量控制，最好的加工參數(shù)監(jiān)視和控制，使機床的行為分析 在適當(dāng)時間采取適當(dāng)行動。正在進行的進程的監(jiān)測和控制主要關(guān)注的是記錄相關(guān)的數(shù)據(jù)，因此，機床 的特點是反饋的實時反應(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)機床的性能。了解這些特點，要求精確的實證模型和系統(tǒng)控制機床之間的一個 權(quán)衡。 為了應(yīng)對這個問題，MCM 可以自動監(jiān)測技術(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。為實現(xiàn)這一目標(biāo)，有多個障礙。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)計是進行低級別的數(shù)據(jù)集，大多是一步一步的指 示，以推動機床最早的模型。 G 代碼雖然過時，但仍然被廣泛使用，只能容納一個子集的信息，這已 經(jīng)成為一個障礙，不能實現(xiàn)一個完整的，智能化和優(yōu)化的加工環(huán)境。舉例來說，雖然各項工作一直致 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，機床不能夠改變?nèi)魏吻? 削條件和加工操作時的加工順序。此外，因為它只支持單向信息流從設(shè)計到制造，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)計師。 最后，G 代碼中的信息流是單向的設(shè)計，即從 CAD 到車間，并且不會啟用反饋，。其結(jié)果是，這 種傳統(tǒng)方式 NC 編程被認(rèn)為是實現(xiàn)一個智能的加工環(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，工具屬性和優(yōu)化切削參數(shù)，往往是由經(jīng)驗豐富的運營商 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)測和控制的功能要求。下面對這些功能的要求進行了說明： （a）離線優(yōu)化的最佳加工參數(shù)的初步測定。 （b）開始，分配適當(dāng)?shù)娜魏螜C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）智能加工需要一個全面的數(shù)據(jù)支持自適應(yīng)控制和監(jiān)測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)和機床功能之間復(fù)雜的相互作用。連續(xù)監(jiān)測這些活動的一 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)，是支持一個智能的，可互操作的，知識性和創(chuàng)新的制造平臺。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，甚至更糟糕的機器故障。因此，連續(xù)監(jiān)測機器的行為，實時優(yōu)化和系統(tǒng)保留的加工知 識進行了整合，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)支持三個層次的信息流：高層次的數(shù)據(jù)，工藝規(guī)劃，用于控制機器的動作和知識數(shù)據(jù)評估， 1 為后續(xù)加工操作的機器控制數(shù)據(jù)。這些信息流發(fā)生在三個獨立的子系統(tǒng)：optiSTEP-NC 子系統(tǒng)，AECopt 控制器和以知識為基礎(chǔ)的評估子系統(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)。它是于兩個標(biāo)準(zhǔn)，最小加工時間和最佳的表面質(zhì)量。有四個參與開發(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 中定義的實體代 表。這種實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眯裕? 直到此刻 CAM 系統(tǒng)時，填充的過程中計劃與本地制造業(yè)信息化，以產(chǎn)生一個特定的或本地進程計劃。 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 床能力等，獲得切削力切削功率計算尤其是進給速率是獲得適當(dāng)?shù)那邢鬟M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 切削力信息來計算加工參數(shù)。 時效性的（TC）和品質(zhì)的關(guān)鍵（QC）的優(yōu)化算法已被開發(fā)，對應(yīng)于最小加工時間和最佳的表面 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)。輸出實現(xiàn)是關(guān)鍵時間或質(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)國家儀器（圖 3-2）。為了驗證系統(tǒng)的性能和算法，在測試情況下進行顯示加工參數(shù)的 行為。為了模擬在實際的情況下，切削力波動，目標(biāo)范圍內(nèi)的隨機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)測模型。很顯然，從實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際值，以驗證。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，機械效率和芯片負(fù)載。用戶有選項來設(shè)置這些數(shù)據(jù)所需的值。為了計算信息，如允 許在切割深度的基礎(chǔ)上對加工能力和主機的電源功率和切割力預(yù)先設(shè)定。機床數(shù)據(jù)窗格中顯示有關(guān)機 2 床的功能，比如機床的電機功率和最大切削深度的信息。該窗格還提供了兩個開關(guān)，開/關(guān)和 TC/ QC。 例如 TC 屬性“窗格中顯示預(yù)測功耗，切削力預(yù)測，目前的每齒進給，進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 所示的進給速率，切削力和材料去除率，這是通過計算輸入的機械效率，不同類型的銑削 過程中，刀具材料，工件材料，刀具幾何形狀，每齒的最大進給深度切割機動力都不同。根據(jù)切削力 變化，從計算的結(jié)果給出了一個優(yōu)化的進給速率。例如，如果計算出的切削功率大于機器的電源，進 料將計算出的切削功率降低，直到達到允許值，即，小于機器的電源。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 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 該解釋主要有三個數(shù)據(jù)功能：輸入文件，工具的文件名和錯誤文件。一旦開始處理一個 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 出得到了進一步的增強，允許在加工過程中進行流程優(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 和機床能力之間的鏈路。 3.2 AECoptt 機床控制器已重新設(shè)計，可支持流程優(yōu)化，持續(xù)監(jiān)測和控制。這項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)上是一個開放和自適應(yīng)數(shù)控系統(tǒng)， 提供了三個功能：（一）通過 MCM 了解機床的行為和能力，（二）優(yōu)化機器參數(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 示出的進給 速率的優(yōu)化過程中的數(shù)據(jù)流。一個最佳的進給速率被定義為一個進給速率的加工時間很短的一段不超 過銑床的額定最大功率，并不會導(dǎo)致多余的振動。通常情況下，每臺機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)定的機床能力的限制?？紤]機床的額定功率，工作切削功率保持在低 于主電機功率，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 基于模糊邏輯的進給速率優(yōu)化算法 為獲得最佳的進給速率，參考切削功率（NREF）被設(shè)置為一個值的正下方的最大功率（Nmax 時）， 考慮參考切削功率的電源，可能過沖。優(yōu)化過程的簡要說明如下，使用圖中的相應(yīng)編號 4。在粗加工 過程開始于一個最大切削深度。開始進給率是從先前計算的數(shù)據(jù)得到。該值被分配至 SET_FEED_RATE 的命令。其目的是實現(xiàn)縮短加工時間。在加工過程中，刀具可能需要直線或圓弧插補。這是使用 STRAIGHT_FEED，ARC_FEED 和 ELLIPSE_FEED 的命令來實現(xiàn)。切削力傳感器檢測的基礎(chǔ)上計算 切削功率的切削力。使用電機功率為參照，切削功率誤差（ENC）和切削功率變化（CNC）。在數(shù)學(xué) 上，這兩個錯誤表示為： EN c(i) = N cref ? N cn (i) （3-1） CN (i) = N cn (i) ? N cn (i ?1) （3-2） opt 1/ 2 這兩個錯誤作為模糊控制的輸入。模糊推理系統(tǒng)由一個基本的輸入模糊化，模糊推理引擎，模糊 規(guī)則庫，隸屬函數(shù)和模糊化。控制信號是進給速率。模糊規(guī)則是用于優(yōu)化分配給軸致動器⑤的進給速 率。對于粗加工操作，進給率優(yōu)化表達式（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） 實現(xiàn)此算法是為每一個工具沿 X，Y 和 Z 軸的移動。本程序適用于機器的所有功能包含進給命令， 如 ARC_FEED 和 ELLIPSE_FEED 的。這樣的結(jié)果與優(yōu)化的進給速率變化的平穩(wěn)過渡，這是不可能的 基于 G 代碼執(zhí)行刀具運動。結(jié)束操作中，進給速率進行了優(yōu)化，以達到所要求的表面質(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轉(zhuǎn)換成的值是由計算機可解釋的，反之亦 然。美國國家儀器公司計算機（ PXI-1031）作為它的機載數(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，其中包含閱讀和發(fā)送信號的 功能。機床采用的是 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（自動）控制。手動功能提供 X，Y，Z 軸進給倍率，速度 倍率為順時針（CW）和逆時針（CCW）旋轉(zhuǎn)。控制功能提供負(fù)載，運行和線路的運行選項。 LOAD 選項加載一個 CMC 的程序已經(jīng)從 STEP-NC 的文件解釋。 “運行”選項，執(zhí)行系統(tǒng)的文件，命令行顯 示。最后，線路運行提供了一個選項，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。在同一時間，一個加速度傳感 5 器的信號被收購為脫機數(shù)據(jù)分析。 3.3 以知識為基礎(chǔ)的評價 提供基于機器狀況的優(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。實現(xiàn)這一目標(biāo)的方法 之一是賦予整個產(chǎn)品開發(fā)過程控制器與智能知識。這是通過知識評價系統(tǒng)，車間更新的數(shù)據(jù)信息記錄 和評估。可以做到通過直接記錄或網(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 法是一個簡單的數(shù)據(jù)節(jié)電方法。網(wǎng)絡(luò)記錄需要一個開放的架構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。在記錄過程中，可包括如 實際的進給速率，加速度，加加速度，加工時間，實際的切割力和振動，然后再評估，以確保不超過 允許的切削功率的機床的加工參數(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 最后一個動作就是以知識為基礎(chǔ)的評估記錄實際的進給速率。 然后，所記錄的信息，以對更新的機器狀態(tài)與最新特性 STEP 文件進行評估。因此，加工參數(shù)的 調(diào)整，可以在稍后的時間進行。 3.3.1 MTConneect MTConnect STEP-NC 的集 成使一 個可 互操作 的方 法在不 同的 地點訪 問和 處理加 工數(shù) 據(jù)。 MTConnect 是一個開放的協(xié)議和基于 XML 的標(biāo)準(zhǔn)更高水平的標(biāo)準(zhǔn)進行數(shù)據(jù)整合，它可以作為一個推 動者。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)測數(shù)據(jù)的組件，如控制器，傳感器和機床。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，通過機床的當(dāng)前狀 態(tài)的評估。 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)的整個產(chǎn)品開發(fā)周期。 STEP-NC 是一個高層次的數(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)三項任務(wù)：數(shù)據(jù)記錄，可視化和評估。首先，數(shù)據(jù)流式傳輸，通過 MTConnect 被 記錄在一個數(shù)據(jù)庫中，可以在不同的地點訪問。動態(tài)記錄的加工參數(shù)，包括實際進給速度，加速度， 挺舉，切削功率和最大振幅。其次，該系統(tǒng)提供了一個用戶界面，用于可視化的目的。該接口由一個 樹形視圖，表和圖形表示所收購的動態(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) 進行評估，其目的獲得另一組隨后的機械加工操作的最佳參數(shù)。這些措施包括： （a）實際切削功率值來計算最佳的進給速率， （b）加速度和加加速度值進行評估，以獲得平滑的運動， （c）分析得出通過觀察振動信號短時傅立葉變換（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 所有這些評價參數(shù)，幫助提供適當(dāng)?shù)陌踩庸げ僮鞯倪M給速率。這些進給速率，然后分配更新 STEP-NC 的數(shù)據(jù)存儲在 STEP-NC 文件。以這種方式，可以利用的知識，在執(zhí)行卓越的加工操作。 3.3.3 數(shù)據(jù)評估 數(shù)據(jù)流通過連續(xù)記錄到一個數(shù)據(jù)庫 MTConnect。所記錄的數(shù)據(jù)的一部分示于表 1。在表中可以看 出，對于每一個時間增加，可以觀察到的機器行為的變化。清晰可見的是逐步改變進給速率為每一個 時間增量。這些進給速率的動態(tài)行為，可取得進一步分化加速性能。在加工過程中，機械元件的振動 的激發(fā)可能導(dǎo)致過度增加加速度，這可能會導(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，急動度可以作為一個指標(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 時間（s）。CP-切割功率（千瓦）、FR-進給率（毫米/分鐘）、A-的加速度（mm/sec2）、J-急動度 （mm/sec3）MVA 最大振動幅度（1000-1）。 從時域的數(shù)據(jù)需要被記錄，另外，由于大量的時域數(shù)據(jù)（在 10,000 Hz 的采樣速率），時域振動信 號處理使用 STFT 技術(shù)的。圖 3-7 是從所記錄的數(shù)據(jù)的一部分的時間間隔 8 秒的短時傅立葉變換得到 的視圖的一個例子。短時傅立葉變換，可以執(zhí)行頻率的變化隨時間的持續(xù)時間。從這種變化中，可以 發(fā)現(xiàn)，任何重大的喋喋不休，這將決定在那個時候進給速率值。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)生的進料速率為 127 毫米/分鐘，約 3.8 s 的加 工。其結(jié)果是，進給速率為 127mm/分鐘，可確認(rèn)為過速的機床工作臺的移動。應(yīng)避免在后續(xù)加工操 作更新的 STEP 文件。這種實時的進給速率值可以控制，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)中的進給速率的上限。因此，改進的進給速率可以被分配到控制器。 圖 3-7 STFT 代表性的振動分析 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)用提供了一個有前途的平臺。它 帶來了設(shè)計數(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，成為一個強大的控制機制。 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，高層次的機器狀態(tài)監(jiān)測行使優(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)進行加工優(yōu)化。 STEP-NC 的機器狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)由三個子系統(tǒng)組成。第一個子系統(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，實時的過程控制和監(jiān) 測算法來驗證。 8 第二子系統(tǒng)：一種自適應(yīng)的進給速率優(yōu)化（AECopt）控制器 CMC 程序執(zhí)行第 2 副系統(tǒng)的框架。 控制器允許一個模糊的進給率優(yōu)化模塊規(guī)范的機器要執(zhí)行的命令?？棺h的 NC 程序執(zhí)行的主要特點是 機床工具的能力范圍內(nèi)保持恒定的負(fù)載能力進行自適應(yīng)進給率優(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。這保證了一個更健康的加工操作環(huán)境。實驗 結(jié)果通過建議的進給速率優(yōu)化模塊的有效性。 第三子系統(tǒng)（被稱為以知識為基礎(chǔ)的評價體系）的開發(fā)。內(nèi)容準(zhǔn)確詳實，更新加工訣竅是用于實 現(xiàn)自動化和智能化加工操作。通過有效地監(jiān)測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)用在任何時間點，一個完整的加工利用。 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振幅的努力，以獲得最佳的機械加工性能，進一步評估這些數(shù)據(jù)。總體而言，需 要機械師 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劃所花費的時間減少，最終的決 策由高層經(jīng)理甚至可以遠(yuǎn)程決策。 參考文獻 [1] Elbestawi MA, Dumitrescu M, E-G NG. 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