数控机床应用中CADCAM软件技术分析

第一篇：数控机床应用中CADCAM软件技术分析

【摘要】分析CAD/CAM技术在数控加工过程中的作用，数控机床在现代工业生产中的地位，介绍CAD/CAM技术与数控机床加工结合对传统生产过程的改变及对生产效率提升的意义，以及CAD/CAM软件在数控NC程序生成中前处理和后处理的方法。

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【关键词】数控机床；CAD；CAM；数据转换

1.引言

随着计算机技术的普及，计算机辅助设计及制造（CAD/CAM）技术已经越来越多地应用在数控加工领域，手工编程以不能满足复杂的曲面零件的程序编制，通过CAD软件进行实体建模、曲面建模，再通过CAM软件进行刀具轨迹处理，完成NC程序编制。

2.数控机床与CAD/CAM

数控技术是机械加工技术，微电子技术、监控检测技术、计算机技术、自动控制技术等多种学科的集成，是一门新兴而又发展十分迅速的高新技术，对机电行业及国民经济的发展具有十分重要的作用。同时，数控技术也是发展自动化技术的基础。以数控技术为核心的数控机床、加工中心是具有代表性的、高水平的机电一体化产品，代表了当今世界自动化技术发展的前沿。

CAD（Computer Aided Design），即计算机辅助设计，在数控加工过程中是一种生产辅助工具。它将计算机高速而精确的运算功能、大容量存储和处理数据的能力，丰富而灵活的图形、文字处理功能与设计者的创造性思维能力、综合分析及逻辑判断能力结合起来，形成一个设计者思想与计算机处理能力紧密配合的系统，大大加快了设计进程。CAD技术包括下列功能：几何建模、参数建模，计算分析、模拟装配，强度分析，仿真与实验、绘图及技术文档生成、工程数据库的管理和共享。

CAM（Computer Aided Manufac

-turing），即计算机辅助制造。CAM概念是指从产品的设计到加工制造的中的一切生产准备活动。应用于数控机床加工中指的是数控程序的编制，包括刀具路径的规划、刀位文件的生成、刀具轨迹仿真以及NC程序的生成等。

目前较为主流的CAD/CAM软件主要分为以下几类：

（1）设计软件

近年来随着一些制图软件在工业方面的应用与普及，机械设计过程也发生了革命性的改变，如现在的徒手绘图只出现在前期的轮廓勾勒中，而在产品的设计过程中，尺规作图全部被CAD软件代替。CAD软件也由传统的点、线2D制图发展成为线、面、体的3D制图。传统的设计过程是，设计师根据产品的性能和要求，在人脑中生成空间立体模型，再由设计师徒手绘制成平面图形，准确的表达出零件的结构，出现了以AutoCAD为代表的2D制图软件。而实际设计过程中根据产品的总体性能，修改某一个零件的局部结构和尺寸是常有的事，2D软件就需要重新绘制图形。包括零件的图样，该零件在其他装配图中的图样全部人工修改，工作量很大。2D制图软件只能表达出点、线信息，对零件的面、体信息不能表达，进而要分析零件的面、体信息就要靠其他的计算手段获得，设计师对某一产品的体信息，如质心、惯性矩等不得不需通过计算得到，3D设计软件的出现使得这一计算过程变得非常容易，只需要通过软件分析即可得到，大大提升了设计效率。3D软件最大的优点在于首先将人脑中的立体模型通过实体信息出现在显示器中，直观性非常高，再由用户根据实体模型自动成产不同视角的2D图形，3D软件普遍具有全参数建模功能，在修改设计时3D实体图形与2D工程图形时时关联，使得设计过程的效率发生了质的改变。3D绘图的代表软件有UG、PRO/E、Cimatron、CAXA等。

（2）制造软件

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通常指CAM软件，是以已有的CAD图形来生成执行语言。执行语言分为ATL语言和NC语言，ATL语言由CAM产生，用来说明刀具轨迹的一种描述性语言，并且可以在CAM软件里逐行进行加工仿真模拟。NC语言是由后处理器产生，是实际输入机床的加工语言。大部分的制造软件也具有建模绘图功能。根据制造对象不同分为二维（点、线信息），二维半（线、面信息）和三维（实体信息）的CAM软件。如：北航海尔的CAXA制造工程师以及MasterCAM，Cimatron，UG、PRO/E等。由制造软件生成标准的NC执行程序，这个过程主要包括设置加工环境，加工工序，生成轨迹文件，及后置处理等。然后将NC执行程序送入机床，机床按照指令自动加工出来。

（3）执行软件

采用不同数控系统的机床在加工时要求的NC执行程序的语言结构不同。比如国产广数系统、华中系统、进口的FANUC系统、SIEMENS系统，其NC语言的指令含义、指令格式不尽相同，这就使得同一零件在不同系统的机床上加工时，其指令程序不同。CAD图形相同、刀具路径相同、ATL程序描述内容相同、NC程序不同，那么要得到不同数控系统的指令程序，就要求有不同的后处理程序来得到适合不同数控系统加工的NC程序。通过R232数据接口或闪存等方式传送到机床存储器上来完成加工。

3.不同软件数据间的文件转换

CAD/CAM软件较多，其应用范围各有不同，所以不同软件间的图形交互也是必须进行的。以常用的设计软件AutoCAD和常用的辅助制造软Master-

CAM软件为例，AutoCAD和MasterCAM两款软件隶属不同的公司，其内核数据库，数据存储类型都不相同，要想用MasterCAM软件直接打开AutoCAD图形来制作NC程序是不行的。那么怎样完成AutoCAD和MasterCAM之间的数据转换，图形共享，优势互补，达到软件间的互相兼容呢？

AutoCAD软件以ACIS（数据格式：*.sat）为开发平台，而Master

-CAM以Parasolid（数据格式：*.X-T）为开发平台，要完成两者之间的数据转换，就必须将图像格式输出成各自能被识别的形式，各软件公司制作设计制造软件时已经考虑到了这个问题，每个软件几乎都有与其他软件的数据转换接口，这些接口就体现在可以进行文件格式转换。这些软件都支持多种文件格式，这样就可以在一种软件中将文件保存或者导出成其他相关软件也支持的文件格式，然后再在相关软件中打开或者导入这个文件中，完成文件共享。然而，这种转换过程也同样按情况的不同要作适当的调整。比如：很多CAM软件都接受dxf文件，但是CAD实体文件若以dxf格式转化到CAM中，CAD实体图形会由实体信息分解成点线信息。在转化过程中可能会有数据的丢失。

4.后置处理文件

后置处理文件是CAM软件特有的一种在NC程序语言生成之前的ATL（刀位运动轨迹信息）文件。因为没有针对某种数控机床的特定的CAM软件，而每个数控机床对指令代码即NC程序语言的格式要求不同，对生成NC程序起决定作用的是CAM软件的后置文件，所以要对不同的数控系统进行不同的后置文件选择，并且根据不同的数控机床的参数对后置处理程序进行适当的调整，以使进入机床的NC程序能够被识别。后置处理实际上是一个文本编辑处理过程，其作用就是将计算出的刀轨（刀位运动轨迹）以规定的标准格式转化为NC程序并输出，此代码再通过接口传输到数控机床的控制器上，由控制器按程序语句驱动机床加工。

5.CAD/CAM的集成软件

不同的CAD软件和CAM软件在进行数据转换时存在数据丢失、参数失效等问题。随着CAD/CAM技术和计算机技术的发展，人们不再满足于这两者的独立发展，从而出现了CAM和CAD的组合，即将两者集成（一体化），这样以适应设计与制造自动化的要求。这种一体化的结合可使在CAD中设计生成的零件信息自动转换成CAM所需要的输入信息，防止了信息数据的丢失。在同一软件中即可实现产品设计、工艺规程设计和产品加工制造的全过程，提高了生产效率，出现了产品生命周期全过程控制工程。因此，在数控加工应用中开发CAD/CAM集成软件可省去中间繁琐的数据转换过程。CAD/CAM集成的关键是信息的交换和共享，如UG、Pro/E等，在集成软件内部是以统一的数据格式直接从CAD系统获取产品几何模型。目前许多三维CAD/CAM软件提供实体设计模块和软件包。我们利用的是UG和Pro/E的实体建模功能，包括零件的几何形状，尺寸和技术要求；然后利用UG或Pro/E特有的CAM软件包，建立起刀具库，完成对产品的工艺参数设定；最后通过软件包的翻译文件将刀具轨迹文件翻译成NC程序。

6.结束语

计算机的发展及软件业的发展，推动着计算机辅助设计软件的不断改进。CAD/CAM技术正向着开放、集成、智能和标准化的方向发展，在数控机床上的运用越来越广泛，以PC技术为基础的DNC开放式系统成为软件的发展方向，另外，CAD/CAM技术也在朝着网络化发展，借助PC技术可以方便的实现网络化通讯，可以高效地满足生产的需求。比如在学校的实验室，实验设备的网络共享是极为迫切的，利用网络技术与CAD/CAM技术的结合，建立CAD/CAM设计―代码传输―机床执行―网络监控整条流程的共享，可实现全部师生共用几台甚至一台数控机床，充分利用设备，大大节省了资金和时间。

参考文献

[1]沈建峰.CAD/CAM应用技术[M].中国劳动出版社,2009.[2]古育红.数控铣削加工技术[M].北京理工大学出版社,2007.[3]朱维克,张延.Mastercam应用教程[M].机械工业出版社,2006.转载请注明来源。原文地址：

第二篇：数控机床应用论文数控机床实习论文

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虚拟数控机床在数控维修教学中的应用

摘要：分析和总结了现有数控维修教学和实训中存在的主要问题，针对存在的 问题，简单介绍了虚拟数控机床的功能，着重阐述了虚拟数控机床在数控维修 教学不同模块中的作用。关键词：数控维修；虚拟数控机床；教学 根据机床行业调查，数控人才的市场需求已从初期的数控操作、数控编程 转向了技术含量较高的数控机床调试、维护与维修，维修力量不足是影响数控 机床利用率和完好率的主要因素，汽车、模具、航空航天、装备制造企业急需 大量数控机床维修人才。数控设备是典型的机电一体化设备，涉及机械、电气、液压、计算机、伺服控制、PLC(可编程控制器)等多个领域，数控维修人才的培 养不仅要求掌握上述相关的理论知识，更重要的是要求对其中的各项技能进行 实践和训练。如何培养出合格的数控设备维修人才是一个紧迫而又系统的工程，数控虚拟机床的发展为该类人才的培养提供了较好的教学和实训手段。1 现有数控维修教学手段的不足 从实际调查结果看，目前各高校或高职院校数控维修专业或课程配备的实 验室大致有数控机床综合实验室、数控机床装拆实验室、数控机床电气实验室 三大类，大部分学校只配备上述三类实验室的一种或两种。根据多年数控维修 教学体会，目前数控维修实训主要存在以下问题： 1.1 数控系统档次低，类型单一 数控机床综合实验平台绝大多数配置的是 FAUNC，SIEMENS 及国产的经济型 和普及型数控系统，高端数控系统涉及少，数控系统类型少。数控装备制造业

经过多年的发展，国内数控机床的使用逐渐从经济型、普及型数控机床发展到 中、高档数控机床，呈现出“数控系统多样化，机床功能复合化”等特点，基 于经济型数控系统的简单车、铣床数控实验台逐渐难以满足数控机床行业蓬勃 发展的需要。1.2 数控机床功能部件装拆实训不够 数控机床拆装实验室提供的可供拆装的机床功能部件（如主轴箱、进给传 动系统、刀架、刀库、机械手、液压站）和机床本体的主要来源是生产型数控 机床中淘汰下来的功能落后或有故障的部件，并且数量有限，种类不全。近年 来，随着数控技术向着高速高精、五轴联动、功能复合的方向快速发展，新型 的功能部件不断出现，结构复杂多样，价格不菲。装拆实验室本身损坏率高等 特点都限制了实验室的建设和发展，现有的组建数控装拆实验室的模式不适合 数控机床行业快速发展的需要，探索新的装拆实验室模式势在必行。

1.3 缺少数控机床传感检测器的相关实验 数控机床传感检测元器件是机床精度的保证，也是故障的高发源，但目前 几乎没有高校为数控维修课程配备数控机床传感检测实验室，即使有也是在论 证和建设阶段。可供学生接触到的传感检测器件也只能在数控机床综合实验平台上，但因为综合实验平台主要功能集中在数控系统和机床 PLC 的调试，大都 采用简化设计的机床结构或不带机床本体，因此在综合实验台的数控机床传感 和检测环节与实际机床相比大为减弱和简化。1.4 机床电气连接实训不够 虽然很多学校都有数控机床电气连接实训环节，但是因为数控机床电气接 线所需的机床低压元器件种类繁多，数控系统和伺服系统的连接电缆不易经常

性的插拔，所用导线、端子等耗材消耗严重，所需工具多，教师对学生接线正 确与否的排查工作量大等原因，使得实际动手率大大下降。1.5 实验室受设备多样性、设备台套数、场地和价格等因素的严重制约 无论是数控机床综合实验平台、机床功能部件，还是传感检测器件都具有 种类多，价格高，发展变化快，所需场地大等特点，这些硬性条件极大地制约 了实验室的建设。2 虚拟数控机床在数控维修教学中的应用 虚拟数控机床采用虚拟现实技术在计算机上建立逼真的三维互动机床模 型。通过对厦门创壹虚拟数控机床的使用，分析了虚拟数控机床在数控维修教 学和培训中的作用，并对基于该虚拟数控机床的实验项目进行了设计。2.1 虚拟机床辅助理论教学 数控机床的功能日渐复合，车削中心、钻削中心、3 轴以

上联动加工中心 的使用日益普及，这类中高档数控机床功能部件的结构、工作原理及其装配工 艺知识日益复杂，普通的课件和 Flash 动画已经无法清晰地展现部件的内部结 构和装配关系，这给学生在理论学习环节的理解和掌握带来不少困难。虚拟数 控机床及其功能部件模型可以任意角度旋转，对整机及各功能部件的内部结构 可以进行逼真的三维动画分解演示，清晰地展现了功能部件的内部结构和原理，并自动同步显示相关原理文字，大大加快加深学生的理解和掌握。2.2 虚拟装拆 虚拟机床及每一个功能部件可以进行虚拟的 3D 交互式装拆。1 所示为铣 图 床整机虚拟安装过程中的某一画面，系统右侧分别为数控机床的装拆设置了零 部件库和工具库，按照实际机床装拆过程，每步首先选择正确的工具，选择正

确的零部件，才能进行正确的安装，提供一个良好的虚拟装拆实训环境。虚拟 装拆是解决目前装拆实验室部件数量有限，种类不全、新型功能部件短缺等问 题最有效的途径。新型数控机床装拆实验室应该是虚拟装拆和实际装拆的有效 结合，虚拟装拆可以使学生尽可能多地接触和熟悉各种新型功能部件，并通过 重复的虚拟装拆练习强化和定型学生对结构和装配关系的掌握，然后在实际的 装拆练习训练装拆技巧、实际设备的调整、手感等，这样可以大大提高实际设 备的利用率、减少实际装拆中损坏率，提升教学培训效果。图 1 数控铣床整机安装 2.3 虚拟电气连接和电气故障 创壹虚拟机床系统可以完成整个数控机床电气柜的电气连接，从电气布局 规划、布置线槽开始，到选择元器件、导线完成电气连线(如图 2 所示)。虚拟 系统还设置了与真实万用表、示波器一样的“虚拟万用表”“虚拟示波器”，在完成电气连接后，还可以对线路进行检测、最终完成虚拟上电调试。同样，利用虚拟仪器仪表能对虚拟线路进行检测，在教学和培训过程中，可以进行机 床电气故障排查的实验实训和考核。根据实际应用效果来看，虚拟的电气连接 练习可以解决机床电气连接中几乎所有的问题，仅仅需要在实际的电气接线中 的锻炼实际接线操作的具体技能(如剥线、压线等)。解决了以往电气连接实训 中耗材消耗大、实验准备复杂、教师评判工作量大等问题。图 2 数控机床的虚拟电气连接 2.4 故障诊断 一台计算机相当于一台数控机床，虚拟数控机床提供了与实际数控机床几 乎完全一样的操作和显示界面，如相同的机床参数设置、I/O 信号查询、PLC程序查询和修改等功能(如图 3 所示)。因此虚拟数控机床可以替代数控综合实 验台或实际数控机床进行机床参数设置、PLC 程序调试等实训，可以进行多种 机床故障诊断和排除实训。虚拟数控机床大大节约学校购买数控机床和数控综 合实验台的压力，特别是价格高昂的高档数控机床和实验台，实现了一人一机。图 3 虚拟数控机床操作和显示界面 3 结束语 数控虚拟机床是数控维修理论和实践教学中的新利器，与现有实验室结合 是解决目前教学问题的有效方式。通过实际的教学效果和体会来看，虚拟数控 机床在装拆及电气连接方面实训效果明显，是新型数控机床装拆和电气实验室 的主角； 许多以前在实际数控机床和实验台上进行的故障诊断和排除实验实训，现在可以在虚拟数控机床上进行，随着虚拟机床功能的完善，这个比例将大大 提高，大大减轻对实际数控机床和实验台的设备（特别是高档设备）压力；虚 拟数控机床一人一机有利于激发学生的学习热情，具有安全、经济等特点。虚拟数控机床存在的不足是在数控检测传感检测元器件的虚拟上不够完 善，有待进一步加强。参考文献 [1]华玲芳.浅谈数控维修专业人才的培养[J].教育研究，2009，16（10）： 68～69 [2]刘树青.基于 FANUC 0iMate-C 系统的数控综合实验平台开发[J].实验科 学与技术，2009，7（5）：14～17 [3]余勤科，岳应娟，刘宏.虚拟数控机床技术及其应用[J].制造业自动化，2001，23（9）：14～15

第三篇：数控机床的分类与应用

北京波尔福电气设备有限公司http://.cn/数控机床的分类与应用

随着数控技术的发展，数控机床出现了许多分类方法，但通常按以下最基本的三个方而进行分类:

一、按工艺用途分类

按工艺用途分类，最常用的数控机床为数控钻床、数控车床、数控铣床、数控镗床、数控磨床和数控齿轮加工机床等金属切削类机床。尽管这些机床在加工工艺方面存在着很大差异，具体的控制方式也各不相同，但它们都适用于单件、小批量和多品种的零件加工，具有很好的加工尺寸的一致性、很高的生产率和自动化程度。除了金属切削加工的数控机床外，数控技术也大量用于冲床、压力机、弯管机、折弯机、线切割机床、焊接机、火焰切割机、等离子切割机、激光切割机和高压水切割机等非金属切削机床。近年来在非加工设备中也大量采用数控技术，其中最常见的有自动装配机、多坐标测量机、自动绘图机和工业机器人等。

由于企业对加工精度和生产率提出了更高的要求，工艺集中的原则正在被采纳，出现了各种类型的加工中心机床。加工中心不但具有一般数控机床的所有功能，而且还带有刀库和自动换刀装置，打破了在一台数控机床上只能完成一两种工艺的传统概念。以铣削加工中心为例，在数控铣床上增加了一个较大容量的刀库(一般可容纳20-120把各类刀具)和自动换刀装置，工件在一次装夹后，可以对零件的大部分加工表面进行铣削、it削、钻孔、扩孔、铰孔和攻螺纹等多工艺加工。近年来还出现了五面体加工中心机床，在一次装夹中可以完成除安装面以外的箱体类所有表而的加工。车削加工中心也得到了广泛应用，它可以在一次装夹中完成回转体零件的所有加工工序(包括车削内外表面、铣平面，铣槽，钻孔和攻螺纹等工序)。

加工中心机床可以有效地避免由于多次装夹造成的定位误差，而且减少了机床的台数

和占地面积，极大地提高了生产率和加工自动化程度。

按工艺用途的分类方法可以为不断开发数控机床的新产品发挥重要的指导作用。

二、按运动方式分类

1.点位控制

点位控制数控机床的特点是机床的运动部件只能够实现从一个位置到另林个位置的精确运动，在运动和定位过程中不进行任何加工工序。数控系统只孺要控制行程的起点和终

点的坐标值，而不控制运动部件的运动轨迹，因为运动轨迹不影响最终的定位精度。因面.图1一4点位技制数控钻床加工示愈图点位控制的几个坐标轴之间的运动不需要保持任何的联系。为了尽可能减少运动部件的运动和定位时伺，并保证稳定的定位精度，通常先以快速运动至接近终点坐标，然后再以低速准确运动到终点位置。最典型的点位控制数控机床有数控钻床，数控坐标镬床、数控点焊机和数控弯管机等。使用数控钻惶床加工零件可以节

省大量钻模板的费用，并能达到较高的孔距精度。图I一4为典型的点位控制数控钻床加工示意图。

2.点位直线控制

点位直线控制的特点是机床的运动部件不仅要实现一个坐标位置到另一个坐标位置的精确移动和定位，而且能实现平行于坐标轴的直线进给运动或控制两个坐标轴实现斜线的进给运动。在数控it床上使用点位直线控制可以扩大惶床的工艺范围，能够在一次安装中对棱柱形工件的平面与台阶进行撞舰加工，然后再进行点位控制的钻孔、锤孔等加工，有效地提高了加工精度和生产率。点位直线控制还可以应用于加工阶梯轴或盘类零件的数控车床。图1-5是点位直线控制数控机床加工示意图，由于只能作简单的直线运动。因此不能实现任意的轮廓轨迹加工。

3.轮廓拉制

轮廓控制(又称连续控制)数控机床的特点是机床的运动部件能够实现两个或两个以上 的坐标轴同时进行联动控制。它不仅要求控制机床运动部件的起点与终点坐标位置，而且要求控制整个加工过程每一点的速度和位移量，即要求控制运动轨迹，将零件加工成在平面内的直线、曲线表面或在空间的曲面。轮廓控制要比点位控制更为复杂，需要在加工过程中不断进行多坐标轴之间的插补运算，实现相应的速度和位移控制。很显然轮廓控制包含了实现点位控制和点位直线控制。

数控铣床、数控车床、数控磨床和各类数控切割机床是典型的轮廓控制数控机床，它们取代了所有类型的仿形加工，提高了加工精度和生产率，并极大地缩短了生产准备时间。

近年来，随着计算机技术的发展，软件功能的不断完善，可以通过计算机插补软件实现多坐标联动的轮廓控制。图1一6是轮廓控制数控机床加工示意图。必须指出，随着计算机数控系统的发展，实图1一‘轮廓控制数控机床加工示愈图

现插补功能已变得比较容易。按运动方式的分类除了系统是否提供插补功能外，还取决于数控机床的工艺需要以及机械功能部件的结构差异。

三、按控制方式分类

I.开环拉制

开环控制是指不带位置反馈装置的控制方式。由功率步进电动机作为驱动器件的运动系统是典型的开环控制。数控装置根据所要求的运动速度和位移量，向环形分配器和功率放大电路翰出一定频率和数量的脉冲，不断改变步进电动机各相绕组的供电状态，使相应坐标轴的步进电动机转过相应的角位移，再经过机械传动链，实现运动部件的直线移动或转动。运动部件的速度与位移量是由输人脉冲的频率和脉冲数所决定。

开环控制具有结构简单和价格低廉等优点。但通常输出的扭矩值的大小受到了限制，而且当翰人较高的脉冲频率时，容易产生失步，难以实现运动部件的快速控制。开环控制对运动部件的实际位移量是不进行检测的，因而不能进行运动误差的校正，步进电动机的步距角误差、齿轮和丝杠组成的传动链误差都将直接影响加工零件的精度。目前，开环控制已

不能充分满足数控机床日益提高的对控制功率、快速运动速度和加工精度的要求。但近年来由于发展了步进电动机的细分技术，出现了专用的细分功率驱动模块，步进电动机在低扭矩、高精度、速度中等的小型设备的驱动控制中得到了广泛应用，特别是在微电子生产设备中充分发挥了它的独特的优势。图I-7

是开环控制的系统

圈1-7开环控制的系统框图框图。

2．半闭环控制

半闭环控制是在开环控制伺服电机轴上装有角位移检测装置，通过检测伺服电动机的转角间接地检测出运动部件的位移(或角位移)反馈给数控装置的比较器，与输人指令进行比较，用差值控制运动部件。随着脉冲编码器的迅速发展和性能的不断完善，作为角位移检测装置可以方便地直接与直流或交流伺服电动机同轴安装，特别是高分辨率的脉冲编码器的诞生，为半闭环控制提供了一种高性能价格比的配置方案。由于惯性较大的机床运动部件不包括在该环之内，控制系统的调试十分方便，并具有良好的系统稳定性。甚至可以将脉冲编码器与伺服电动机设计成一个整体，使系统变得更加紧凑。但由于半闭环控制将运动部件的机械传动链不包括在闭环之内，机械传动链的误差无法得到校正或消除。可幸的是目前广泛采用的滚珠丝杠螺母机构具有很好的精度和精度保持性，而且采取了可靠的消除反向运动间隙的结构，完全可以满足绝大多数数控机床用户的需要。因此，在一般情况下，半闭环控制正在成为首选的控制方式被广泛采用。

图1-8是半闭环控制的系统框图。

3.闭环控制

闭环控制是在机床最终的运动部件的相应位置直接安装直线或回转式检测装置，将直 接测量到的位移或角位移值反馈到数控装置的比较器中与输入指令位移童进行比较，用差值控制运动部件，使运动部件严格按实际需要的位移量运动。闭环控制的主要优点是将机械传动链的全部环节都包括在闭环之内，因而从理论上说，闭环控制的运动精度主要取决于检测装置的精度，而与机械传动链的误差无关。很明显其控制精度将超过半闭环系统，这就为高精度数控机床提供了技术保障。但闭环控制除了价格较昂贵之外，对机床结构及传动链仍然提出了严格的要求，传动链的刚度、间隙，导轨的低速运动特性，以及机床结构的抗振性等因素都会增加系统调试的困难，甚至使伺服系统产生振荡，降低了稳定性。

图I一9是闭环控制的系统框图。

除了以上三种基本分类以外，目前出现了按所使用数控装置的构成方式分类，分为硬件 数控和计算机数控(又称软件数控);也有按控制坐标轴数与联动轴数的分类方法，如三轴一，二联动、四轴四联动等;还有按功能水平的高低分类，如高档数控、中档数控和低档数控(又称经济型数控)等。

第四篇：数控机床在铁路货车车轴加工中的应用

CNC机床在铁路货车车轴加工中的应用

刘胜勇

（济南机车车辆厂转向架）

摘要：文章指出了CNC机床在铁路货车车轴加工中的广泛应用，通过细致地工艺过程分析，介绍了RD2型车轴的程序编制、校核，并就在实际加工中遇到的问题提出了一些行之有效的解决办法。可供有关技术人员参考。

关键词：CNC机床；车轴；加工工艺；

LIU Shengyong

Abstract：This article is indicated that CNC machine tool is applied to the axle machining of the railway truck andintroducedtheprogrammeand proof ofRD2axle by the technologic process’s analyzing detailedly and is put forward the practicable solution to the question oftheaxle machining.It may be refered by the technicians in this field

Key words：CNC machine tool；axle； machining technics

CNC machine tool’s application to the axle machining of the railway truck

一引言

车轴是铁路货车上的重要部件，其加工质量尤其是圆弧成型质量，直接影响了车辆的运行安全，严重者导致切轴事故发生。传统加工工艺是在仿型机床上利用成型靠模加工RD2、RE2车轴，此方法加工精度差，常出现圆弧半径扩大、轴向尺寸及引入部长度不稳定、形状和位置公差超差，生产效率较低，且靠模制作费用较高，不适应中小批量、频繁改型、精度要求高、形状又较复杂工件加工的需要。围绕“装备保工艺、工艺保质量”这一主题，结合CNC机床的加工性能和广泛适应性，我厂自1999年以来，耗资2000万余元购置了4台FANUC—0TD系统CNC机床投入到车轴的成型加工中。经过消化吸收，我们已成功得完成了RD2车轴转型、RE2A车轴的试制及长度为2320~2875mm的重载冶金车轴的加工。

二加工过程分析

CNC机床加工是用系统允许的数字化指令信号，来控制设备运行和刀具运动轨迹，从而完成图1工件的外颈、两处圆弧的加工。为了获得高精度的工件，加工前，要做好准备工作。图1RD2型车轴成品图（GB12814-2002-07)

图2A型轴

图3B型轴

1分析零件图样，确定加工工艺

1.1根据工件特点，合理安排工艺路线

图1在加工前的直径尺寸和两处圆弧的预留量均为4~5mm。考虑到机床的利用率，达到缩短生产周期的目的，在实际中分为半精车、精车两道工序，半精车预留1~1.5mm，精车预留0.3~0.4mm，最终磨削成型。

1.2工件装夹方式确定

半精车为单端加工，采用两顶一夹的装夹方式，主轴端为三爪卡盘夹紧。精车为双端加工，采用两顶一摩擦装夹方式，主轴端为树脂合成摩擦片。

1.3最佳切削参数选择

结合50

1.4切削液选择

为降低切削温度，提高加工精度和刀具的耐用度，并考虑环境保护，采用高压风进行冷却。

1.5坐标系原点确定

以车轴的设计基准为试切对刀点，轴线为X轴，端面为Z轴，点Qp即工件坐标系原点（编程原点）。通过工件试切，测得△X=X—D、△Z=Z，分别输入到offest界面的几何形状X、Z值里，即完成了工件零点偏置。

1.6刀尖的切入切出

落刀时，选择G00快速接近车轴加工表面，G01直线进给切入工件，避免扎刀或折断刀具。抬刀时，使刀具沿工件的直线延长线切出，防止零件表面产生切痕，影响加工质量。

1.7循环指令的使用

半精车分两刀切削完成。为提高加工效率，减少程序编辑和存储量，采用G73固定成型车削循环指令。

1.8刀具补偿的设定

根据走刀路线，选择G41半径补偿，并将补偿值在CRT/MDI面板上用offset功能键置入刀具补偿寄存器内，然后在程序中用T0101指令进行调用。

2运动轨迹点的坐标计算

考虑到车轴圆弧相切性，为保证加工的精确度，采取CAD绘图取点的方式，来确定各基点的坐标值。3加工程序的编制

做完了上述工作，接下来是程序编制阶段。根据点的坐标值，依据CNC机床许可指令方式，完成程序的编辑，并通过CRT/LCD面板上功能键或RS-232C通信口输入加工程序。鉴于篇幅所限，在此紧列出了RD2车轴A型的半精车加工程序O0001，供参考。

O0001；

N010T0101；

N020M03S350；

N030G90G41G00X310.Z5.；

N040M08；

N050G73U1.W1.R2；

N060G73P070Q200U2.W1.；

N070G00X130.425；

N080G01X132.425Z-9.5F140；

N090Z-193.25；

N100G02X133.361Z-205.161R35.F80；

N110X155.419Z-219.059R20.；

N120X157.125Z-219.250R2.；

N130G01X165.025F140；

N140X167.425Z-220.45；

N150Z-241.55；

N160G02X178.603Z-265.554R35.F80；

N170X193.560Z-272.226R20.；

N180G03X194.858Z-273.242R1.2；

N190G01X196.200Z-289.050F140；

N200Z-465.00 ；

N210M09；

N220G40G00X310.Z5.；

N230T0100；

N240M05；

N250M30；仿真绘图和首件试切

在AUTO方式下，选择GRPHA功能键，进行仿真绘图，验证程序的正确性。为了掌握工件的加工精度和准确度，还需进行首件试切。

三常见问题及解决办法

1机床不能正常返回基准，且产生+X、+Z过行程报警

从工作原理可得出脉冲编码器的每转信号未输入，有可能是下面几种原因造成：a.脉冲编码器、连接电缆、抽头是否断线；b.脉冲编码器；c.返回基准点的起动点离基准点太近。根据上述原因，我们对脉冲编码器及电缆进行检查，没有发现任何问题。随用手摇脉冲发生器移动工作台远离基准点，按Reset键复位结果过行程报警消除了，然后选择正确模式进行回零操作，没有再出现类似情况。由此断定返回基准点的起动点与基准点距离不能太近。回零前，先把工作台X、Z向远离基准点50mm，再进行返回基准操作。2机床报警，并在CRT/LCD面板上显示报警号

在日常加工中出现一些报警，我们结合《FANUC Series维修说明书》等资料，进行参数正确调整，运行机器故障消失。明确机床工作原理，使用好机床手册，对CNC机床诊断性维修是很方便的。3精切削立面时，出现颤纹

分析认为：a..切削振动大；b.工件预留量大；c.切削参数不当；d..刀具角度不合适。我们在工艺允许范围内降低主轴转速，调整上工序工件圆弧出预留量，修整切削参数，调整刀具角度，试切削问题得以解决。4机床尾座发热

分析认为有以下几种原因：a.尾座轴承预紧力过大；b.轴承研伤；c.润滑不及时或油脂脏。我们拆卸尾座后发现轴承滚子有坑点，研伤，更换同型号轴承，进行适当预紧保证正常游隙，并用干净润滑油及时进行润滑，经过一段时间使用，未出现发热现象。

在数控机床的维修中，我们应注意不断总结积累经验。遇到故障，应从其工作原理入手，根据实际情况，认真分析查找故障现象，才能准确判定故障原因，并加以解决。

四结束语

通过近几年的使用，CNC机床的高质量、高性能优势已经在铁路货车车轴加工中发挥地淋漓尽致。即提高了加工效率，降低了劳动强度；又提升了产品质量，大大增加了行车的安全性。

[参考文献]

1． 孟少农主编．《机械加工工艺手册》．北京：机械工业出版社，1998

2． 郑晓峰主编．《数控技术及应用》．北京：机械工业出版社，2004

3． RD2型车轴．GB/T12814-2002-07

4． RD2型车轴（半精加工）．GB/T12814-2002-23

5． 《FANUC Series 操作说明书》

6． 《FANUC Series维修说明书》

第五篇：CADCAM技术的应用及发展趋势展望

CAD/CAM技术的应用及发展趋势展望

工业工程2011级姓名：崔成平学号：20111030311

5摘要：

在技术发达的今天工业社会，计算机辅助设计/计算机辅助制造（CAD/CAM)在工程设计、制造等领域具有重要革新、高效率的高新技术。随着计算机技术日益成熟和强大，CAD/CAM自动加工对社会的机械等行业产生了巨大的影响，对社会产生翻天覆地的影响和巨大的经济效益。自从1952年研究出来了数控铣床，即出现CAM技术，利用计算机来进行生产管理和操作；60年代出现CAD,随后在全球范围迅速普及和应用，至今CAD/CAM已经发展了大半个世纪。对制造业来说，CAD/CAM是提高产品设计品质和制造品质、缩短产品开发周期，降低产品开发成本的强有力手段，已成为企业赢得市场的制胜法宝。CAD/CAM技术的出现推动了几乎一切领域的设计革命,到如今CAD/CAM技术的发展和应用水平已成为衡量一个国家科技现代化和工业现代化水平的重要标志之一 本文介绍了CAD/CAM技术的发展过程及应用领域, 阐述该技术的发展对现代化机械技术起到至关重要的作用和影响。并对该技术在集成化、智能化、网络化、绿色化、综合化等方面的发展趋势和应用前景进行展望。

现代各种新科学技术不断发展的今天，产品的设计和制造都可以有计算机来完成。特别是数字化CAD/CAM技术，在各种机械产品的生产和设计过程中有举足轻重的作用和重要地位。就目前而言，CAD/CAM技术和水平已经发展到相对成熟的时候，在工业发达的的国家，CAD/CAM技术应用已经快速的从军事工业向民事工业转移和发展，有大型企业向中小型企业推广，由高新技术产业区域逐步向汽车、日用家电、轻工业普及。由于CAD/CAM技术是逐步综合计算机辅助设计、制造和管理系统，他可以实现零件的设计和分析、有限元分析、虚拟装配和仿真、数控加工和仿真等许多计算机辅助功能，从而在工程设计制造人员的主要设计制造工具，在现代的设计制造业中发挥着愈发重要的作用。

一、CAD/CAMCAD/CAM软件技术现状

1.CAD/CAM技术向一体化技术过渡指的是指的是CAD与CAM各模块之间信息的提取、交换、共享和处理的集成。与之有关的技术有CAD、CAPP（计算机辅助工艺过程设计）、GT、Databases等。其中，产品建模技术、CAPP、及NC技术、工程数据的管理、各模块间的数据交换接口是CAD/CAM一体化的关键技术。基于图形学发展起来的CAD软件，它的基本功能有：产品信息的输入、检查修改和零件图的绘制。优秀的CAD软件，除了线框建模、曲面建模、实体造型的造型和建模方式外，还有特征造型、参数化设计、可变建模等功能。它不仅能提供产品的几何信息，还能提供公差、表面粗糙度、材料性能、加工要求等产品的制造信息。CAD软件系统还包含各种编辑工具、自定义功能、与其它高级语言的接口）并定义有符合国际标准的数据交换格式，以便用户在此基础上进行二次开发。

为了将CAD与CAM集成一个完整的系统集成一个完整的系统，即希望在CAD做出设计后，由计算机辅助工艺师制定出工艺计划，包括刀具选择、刀具轨迹、切削用量、切

削速度、主轴转速等，然后自动生成NC代码，这就是计算机辅助工艺规划（CAPP）。计算机辅助工艺规划是连接CAD和CAM的中间环节。CAD数据库的信息只有经过CAPP系统才能变为CAM的加工信息。CAPP的设计方法有两种。一种是以成组技术（GT）为基础的经验型CAPP，它有派生法或检索法；另一种是依靠事先规定的逻辑决策，利用规定的加工要求和逻辑原则自动生成零件的工艺过程的创成型CAPP（Generative Approach），它属于人工智能型的设计方法。派生法和创成法相结合的设计方法——综合设计法是当前主要的设计方法，它利用派生法设计工艺路线用创成法设计工序内容。一个比较完善的CAPP系统，应具有：加工方法的选择（车、铣、刨、磨、镗、钻等）；工艺路线安排；加工设备与工艺设备（刀具、夹具）的选择；工艺尺寸的换算（加工余量，工序尺寸及公差）；切削参数选择（切削速度，进给量、切削深度）；零件NC编程能力。由上所述，制造单元的计算机辅助制造单元（CAM）不是孤立的，它是以产品的计算机辅助设计（CAD）为基础，以计算机辅助工艺规划（CAPP）为桥梁，完成产品的计算机辅助制造，因此被称为CAD/CAM一体化。目前国内外研制、开发、销售的CAD/CAM软件，实际上是制造单元的CAD/CAM，主要是针对数控机床的CAD/CAM软件

二、数字化CAD/CAM技术应用

既然提到数字化，那么数字化CAD/CAM技术有别于传统的CAD/CAM技术。它是综合了传统的CAD/CAM技术、人机工程技术、工业设计技术、图形显示技术、现代控制技术、网络技术、数据库技术、逆向技术、数控加工技术于一身的多学科技术。CAD/CAM技术是不仅是为了缩短产品的研发周期、提高生产率和降低生产成本，更是对传统设计制造的一次彻底的更新。它不仅是一般意义上的无纸设计和计算机辅助设计制造，而是带来了一次全新的设计制造概念。例如数字化CAD/CAM技术的发展，对飞机制造技术的发生根本性的改变。波音飞机777的问世，标志着过去使用模线—样板—量规—标准样件——零件成型模具和装配型架的模拟量传递体系，转变为全机数字化定义一飞机的结构三维建模—数字化与装配—数控加工—数控检测的数字量传递体系。使工程设计水平和飞机研制效率得到了巨大的提高，设计更改和返工率减少了50%，装配时间出现的装配问题减少了50%到80%，制造成本降低了30%到40%，产品研发周期缩短了40%到60%，产品交货期有18个月减少到12个月。

数字化CAD/CAM技术的发展是决定机械制造产品制造周期和成本的两大核心技术，成为提高机械产品技术水平的关键因素。在机械产品的数字化设计中，利用CAD/CAM等先进技术实现机械产品的结构设计和优化。相对与传统的手工和计算机平面绘图，采用CAD/CAM技术可将机械产品的开发周期大大缩短、提高效率、节约人力、物力和财力。另外采用CAD/CAM技术可实现机械产品的三维可视化建模，有利于设计、制造和终端互相应用之间的沟通和交流，使机械产品延伸到机械产品的设计中。

数字化CAD/CAM技术也在液压系统中得到广泛的应用，如液压成块的设计与制造系统是集设计、工艺、制造、装配等为一体的计算机辅助系统。系统各模块内部以及相互之间存在着大量数据的运输和信息的交换。而工程数据库则是实行数据存取、管理和交换的工具。通过建立液压集成块CAD/CAM系统工程数据库，可以将系统的各项工作联系在一起。实现整个系统高度的集成，提高工作的效率，从而为最终的设计和生产保存数据。

三、CAD/CAM技术发展趋势

21世纪以CAD/CAM技术为代表的制造业的基本特征是高度集成化、智能化、柔性化和网络化，追求的目标是在最快的时间内、以最低的成本生产出满足用户需求的产品。具体表现出以下几个特征：

3.1 集成化

集成化是CAD/CAM技术发展的一个最为显著的趋势。它是指把CAD、CAE、CAPP、CAM以至PPC（生产计划与控制）等各种功能不同的软件有机地结合起来，用统一的执行控制程序来组织各种信息的提取、交换、共享和处理，保证系统内部信息流的畅通并协调各个系统有效地运行。国内外大量的经验表明：CAD系统的效益往往不是其本身，而是通过CAM和PPC系统体现出来；反过来，CAM系统如果没有CAD系统的支持，花巨资引进的设备往往很难得到有效利用；PPC系统如果没有CAD和CAM的支持，既得不到完整、及时和准确的数据作为计划的依据，订出的计划也较难贯彻执行，所谓的生产计划和控制将得不到实际效益。因此，人们着手将CAD、CAE、CAPP、CAM和PPC等系统有机地、统一地集成在一起，从而消除“自动化孤岛”，取得最佳的效益。

3.2 智能化

智能型CAD/CAM系统是人工智能技术应用在产品的设计、分析、制造中，尤其是机器人技术和专家系统技术。专家系统是一种问题求解智能软件系统，在某些专业领域内，它把人类专家的知识和经验转换成计算机能够处理和接收的符号形式，按照专家的控制策略和推理方式，解决该领域内原来只有专家才能解决的问题。CAD/CAM系统应用逐步深入，逐渐提出智能化需求，设计是一个含有高度智能的人类创造性活动。智能CAD/CAM是发展的必然方向。智能设计在运用知识化、信息化的基础上，建立基于知识的设计仓库，及时准确地向设计师提供产品开发所需的知识和帮助，智能地支持设计人员，同时捕获和理解设计人员意图、自动检测失误，回答问题、提出建议方案等；并具有推理功能，使设计新手也能做出好的设计来，现代设计的核心是创新设计，人们正试图把创新技法和人工智能技术相结合应用到CAD技术中，用智能设计、智能制造系统去创造性解决新产品、新工程和新系统的设计制造，这样才能使我们的产品、工程和系统有创造性。

3.3 网络化世纪，制造业从获取需求信息，到产品分析设计、选购原辅材料和零部件、进行加工制造，直至营销，整个生产过程都将实现全球化。CAD/CAM系统的网络化是能使设计人员对产品方案在费用、流动时间和功能上并行处理的并行化产品设计应用系统；是能提供产品、进程和整个企业性能仿真、建模和分析技术的拟实制造系统；是能开发自动化系统，产生并优化工作计划和车间级控制，支持敏捷制造的制造计划和控制应用系统；是能对生产过程中物料进行管理的物料管理应用系统等。随着计算机网络技术的不断完善，CAD/CAE/CAM系统的网络化已成为不可阻挡的发展趋势。网络化可以充分发挥系统的总体优势，使一个项目在多台计算机上协作完成。借助现有的网络，不同设计人员可以通过网络交流设计数据，同时对产品的设计与制造进行操作和评价。

3.4 绿色化

绿色化现已成为CAD/CAM技术的新趋势。当前，全球环境的恶化程度与日俱增，制造业一方面是创造人类财富的支柱产业，但同时又是环境污染的主要源头。因此，无论从技术发展，还是从需求推动的角度，绿色制造已经在影响和引导当今的技术发展方向。从产品设计到制造技术，从企业组织管理到营销策略的制定，一批绿色制造技术的概念已经在发展之中。

3.5 综合化

未来产品的开发设计是机械科学的理论知识与电磁学、光学、控制理论等多学科知识的有机结合。未来的CAD/CAM技术最主要应该是与材料粒子或熔融状态下的模具成型技术有机地结合在一起，运用CAD/CAM 技术设计完成产品的制造流程后，连接CAD/CAM主机的制造系统(粒子填充机或熔融储存器)就会立即在自生系统内运用被无限细分后的小方块特殊板材（耐高温，高压）生成CAD/CAM所设计的零件形状，然后根据在CAD/CAM系统中设计好的材料的粒子或熔融态物质进行填充，填充满后进行冷却即得到所需的零件。当然，这其中还会涉及到粒子或熔融物质填充时的气泡消除技术，粒子或液态物资的冷却技术等相关模具化技术。4）分布式并行处理技术

该技术实现制造系统中各种问题的协同求解，获得系统的全局最优解，实现系统的最优决策。

3.6多学科、多功能综合产品开发技术

机电产品的开发设计不仅用到机械科学的理论与知识（力学、材料、工艺等），而且还用到电磁学、光学、控制理论等。不仅要考虑技术因素，还必须考虑到经济、心理、环境、卫生及社会等方面因素。机电产品的开发要进行多目标全性能的优化设计，以追求机电产品动静热特性、效率、精度、使用寿命、可靠性、制造成本与制造周期的最佳组合。

3.7虚拟现实技术

是利用虚拟实现技术、多媒体技术及计算机仿真技术来实现产品设计制造过程中的几何仿真、物理仿真、制造过程仿真及使用过程仿真，采用多种介质来存储、表达、处理多种信息，融文字、语音、图象、动画于一体，给人一种真实感及身临其境感。

3.8人－机－环境系统技术

将人、机器和环境作为一个系统来研究，发挥系统的最佳效益。研究的重点：人机环境的体系结构及集成技术，人在系统的作用及发挥，人机柔性交互技术，人机智能接口技术，清洁制造等。

总的来说，这些技术主要体现了21世纪制造技术对CAD/CAM技术的要求，也表达了CAD/CAM发展的方向。为今后CAD/CAM技术更加适应社会和科学技术的发展指明了道路。

四、CAD/CAM技术的应用前景CAD/CAM技术的应用前景

4.1 CAD/CAM技术在企业中的应用前景

CAD/CAM系统只有在企业实现以下几个方面的改革后才会得到飞速发展。1)提高重视，加大投入企业特别是中小企业必须提高对CAD/CAM 技术的 重视，不要认为CAD/CAM技术投资大、回报慢。要明白，CAD/CAM 技术虽然投资大、风险高、回报慢，然而这种技术却是目前制造业的先进技术，是未来制造业的一种发展趋势。因此，我们必须在战略上重视对这种先进技术的投入，企业的可持续性发展靠的就是这种对未来发展起关键性作用的具有长远性、战略性的风险投资。因此，企业（特别是中小企业）在规划自己的未来的时候必须把对CAD/CAM 技术的投资和人才的培养考虑进去。

2)加大创新，不断开发具有自主品牌特色的CAD/CAM软件创新是一个民 族进步的灵魂，是一个国家兴旺发达的不竭动力。我们只有坚持走自主开发、拥有自主品牌的道

路，才能在这个竞争激烈的行业中立于不败之地。只有紧跟市场，不断创新，不断满足用户的需求，不断开发出具有自主品牌特色的产品，才能使自己拥有核心竞争力，才不会在市场经济的游戏中被踢出局。国家应加大对开发 CAD/CAM软件的扶持和投资力度，采用免税等方式鼓励中小企业自主研发CAD/CAM 系统。各大高校和企业，应抓住国家高度重视的这一机遇，强强联合，共同开发出具有广阔的市场应用前景的产品。

4.2 CAD/CAM技术在家庭中的应用前景

在未来的 50~100 年内，随着生产力的飞速发展，CAD/CAM技术将会像计算机技术一样逐渐走进千家万户。人们将会在自己的家中与同伴一起运用已有的模块化技术生产自己需要的个性化的产品。他们所要做的只是把计算机与生产设备通过特定的I/O端口连接起来，然后按下按钮，即可实现CAD/CAM的家庭化模块化生产

参考文献：

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