刀柄复合磨削数控系统设计

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3.0 牛悦 2024-11-19 4 4 1.98MB 69 页 15积分

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摘要

复合磨床允许在一台磨床上完成从半成品到成品的全部加工过程，所以说复

合磨床的发展在很大程度上提高了工序的集中度，简化了加工过程链节，有助于

提高多品种单件小批量生产的加工效率。本文结合上海机床厂有限公司自主开发

的数控刀柄复合磨床及其数控系统设计开发的需要，对数控技术及复合加工技术

进行了深入研究，包括对西门子数控加工系统与复合加工工艺的研究，也包括复

合磨床数控操作系统的设计与软件的开发工作。主要工作可以概括为以下几点：

首先，分析了复合磨床加工工件——数控刀柄的加工面情况以及尺寸表示方

式，介绍了刀柄复合磨床的整体结构以及数控系统所要达到的控制要求和界面应

该满足的功能。同时也简单介绍了 SINUMERIK 840D 数控系统 OEM 的特点及操

作系统的整体开发过程，为用户操作系统的开发奠定了基础。

其次，基于遗传算法和模式识别理论，研究了复合磨床的干涉检测算法。通

过对复合磨床碰撞情况的分析，简化复合磨床上可能碰撞的部件的轨迹，通过对

动轨迹和静轨迹进行全局检测，寻找轨迹间是否有碰撞点，实现了砂轮架与机床

静止部件间的干涉检验。

再次，针对复合磨削加工顺序安排的问题，以数控刀柄的复合磨削为例，采

用有限元方法，根据不同的加工顺序设计不同的加载方式，进行零件温度场和热

变形分析，为刀柄复合加工顺序的优化安排提供理论依据，同时为其它复合磨削

的加工顺序的制定提供相应的理论依据和技术支持。

最后，介绍了操作系统运行过程中界面所显示的主要状态和功能，包括磨床

参数设置、工艺编辑、砂轮修整、零件加工、数据管理、碰撞检测等主要相关界

面，并对这些界面的设计及功能进行了简要地解释和说明。

关键词： 840D 数控系统干涉检测工序优化有限元模型

ABSTRACT

Multy-tasking grinder allowed people to machine from the semi-finished product to

the finished product in one grinder, so it is said that the development of the

multy-tasking grinder has greatly improved the process concentration, simplified the

process chain and helped to improve the processing efficiency of a single variety pieces

of small batch. This paper connected with a CNC tool handle grinder which was

made a thorough studied at the numerical control technology and multy-tasking

grinding technology, including the research of the Siemens CNC machining system, the

multy-tasking grinding technology, and the development of the CNC grinding operating

systems. The major work can be summarized as follows:

Firstly, the workpiece was analyzed, including the surface and the representation of

the size. Then the overall structure of the CNC grinding system, the requirements the

system should achieved, and the functions the interface should meet were introduced.

Also, the SINUMERIK 840D CNC system, the operating system of OEM and the

overall development process were introduced, which laid the foundation for the

development of the user's operating system.

Secondly, based on genetic algorithms and pattern recognition theory, the

interference detection algorithm of the multy-tasking grinder has been studied. Through

the collision analysis of the multy-tasking grinding machine, the orbits of the grinder

were simplified. Through the whole trajectory of the moving parts and the static parts,

found whether there were collision points. Then the interference between the wheel

frame and tools’ static parts can be founded.

Again, in order to solution the process arrangement problem of the CNC tool

handle, the finite element method was used. Depending on the processing orders of

loading methods, the part temperature and thermal deformation analysis were made,

which provided a theoretical basis for optimizing the process order of the tool handle. It

also provided the corresponding formulation of the theoretical basis and technical

support to other multy-tasking grinding process.

Finally, the main interfaces of the operating system were introduced, including the

grinding parameters, the process editing interface, the wheel dressing, the spare parts

processing, the data management, the collision detection and other related interfaces.

The design process and the function of these interfaces were briefly explained and

described.

Key Words: process optimization, 840D CNC system, interference

detection, finite element model

中文摘要

ABSTRACT

第一章绪论 ...............................................................................................................1

§1.1 课题的背景及意义 ........................................................................................1

§1.1.1 背景 .....................................................................................................1

§1.1.2 复合加工技术及复合机床 .................................................................1

§1.1.3 本课题的来源及意义 .........................................................................2

§1.2 国内外研究现状 ............................................................................................3

§1.3 本文研究内容及工作重点 ............................................................................4

§1.4 本文结构 ........................................................................................................5

第二章刀柄复合磨床介绍及磨削数控系统分析 .......................................................6

§2.1 复合磨床的设计背景 ....................................................................................6

§2.1.1 加工对象分析 .....................................................................................6

§2.1.2 刀柄的表示形式 .................................................................................8

§2.1.3 数控刀柄的技术要求 .......................................................................11

§2.1.4 被加工面加工顺序的确定 ...............................................................11

§2.2 复合磨床的结构简介 ..................................................................................12

§2.3 840D 数控系统平台简介 ............................................................................13

§2.3.1 系统内部结构 ...................................................................................13

§2.3.2 软件系统 ...........................................................................................14

§2.4 复合磨床数控系统 OEM 开发要求及技术支持 .......................................15

§2.4.1 复合磨削系统开发要求 ...................................................................15

§2.4.2 OEM 技术支持 .................................................................................16

§2.5 基于 VB 的数控系统设计的实现 .............................................................. 17

§2.6 本章小结 ......................................................................................................18

第三章基于模式识别的复合磨床干涉检验 ...............................................................20

§3.1 复合磨床碰撞干涉 ......................................................................................20

§3.1.1 碰撞情况简介 ...................................................................................20

§3.1.2 防碰撞系统 .......................................................................................21

§3.1.3 复合磨床上的碰撞 ...........................................................................21

§3.2 轨迹的简化 ..................................................................................................23

§3.3 模式识别的应用 ..........................................................................................24

§3.3.1 模式识别概述 ...................................................................................24

§3.3.2 最小距离判决 ...................................................................................25

§3.4 遗传算法求解碰撞检测问题 ......................................................................26

§3.4.1 遗传算法概述 ...................................................................................26

§3.4.2 遗传算法的思路 ...............................................................................27

§3.5 干涉算法的概述与应用实例 ......................................................................28

§3.5.1 干涉算法概述 ...................................................................................28

§3.5.2 应用实例 ...........................................................................................29

§3.6 干涉检测软件的开发 ..................................................................................29

§3.7 本章小结 ......................................................................................................32

第四章复合加工工序优化方法 ...................................................................................33

§4.1 引言 ..............................................................................................................33

§4.2 温度场和热变形 ..........................................................................................33

§4.3 热载荷计算和系数计算 ..............................................................................35

§4.3.1 磨削生热量的计算 ...........................................................................35

§4.3.2 对流系数的确定 ...............................................................................36

§4.4 加工顺序方案描述 ......................................................................................36

§4.5 数控刀柄复合磨削顺序优化 ......................................................................37

§4.6 本章小结 ......................................................................................................42

第五章数控系统功能介绍 ...........................................................................................43

§5.1 操作系统界面 ..............................................................................................43

§5.1.1 主功能界面 .......................................................................................44

§5.1.2 工艺编辑功能 ...................................................................................47

§5.1.3 工件磨削过程监控功能 ...................................................................52

§5.1.4 砂轮修整界面 ...................................................................................53

§5.1.5 数据管理 ...........................................................................................55

§5.1.6 碰撞检测 ...........................................................................................58

§5.2 本章小结 ......................................................................................................59

第六章结论与展望 .....................................................................................................60

§6.1 总结 ..............................................................................................................60

§6.2 展望 ..............................................................................................................61

参考文献 .........................................................................................................................62

第一章绪论

§1.1 课题的背景及意义

§1.1.1 背景

在国务院印发的《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006-2020）》以及《关

于加快振兴装备制造业的若干意见》文件中，对于制造业的发展，明确提出了如

下要求：“发展大型、精密、高速数控装备和数控系统及功能部件，改变大型、

高精度数控机床大部分依赖进口的现状，满足机械、航空、航天等工业发展的需

要。”由此可见，数控机床作为实现现代化的重要装备，越来越受到国家的重视。

随着科学技术和社会生产力的不断发展以及机械产品的形状和结构的不断改

进，零部件的加工要求越来越高。但是由于产品外形变化的多样性与频繁性，单

件小批量生产的产品约占机械加工的 70%-80% [1]。为了能够保证产品质量、提高

生产效率，同时为了降低生产成本，要求机床不仅具有较好的灵活性和通用性，

并且要求加工过程能够实现自动化。

我国数控机床水平虽然在不断的提高，产量也在不断的增加，但距离数控机

床强国的要求还有很大的差距。目前，国内生产的数控机床中主要以中低档产品

为主，真正中高档的产品比例不高，在国际市场上占据的份额也不多，尤其是在

中档机床的可靠性、稳定性、使用寿命等方面存在着较大差距。因此，开拓中高

档数控机床国有市场已成为发展国产中高档数控机床的重中之重[2]。

§1.1.2 复合加工技术及复合机床

围绕高效、高速、高精度和柔性化发展的总体技术目标，数控机床正向以下

五个方面不断迈进：(1)以缩短加工过程链、提高加工效率为目标，大力推进复合

加工技术；(2)发展高速加工技术；(3)机床的工作精度平均每年提升 8%-10%，向

亚微米级精度迈进；(4)对于中大批量生产，采用以数控机床为核心的柔性生产线，

并且在可重组制造技术支持下构建生产制造系统；(5)向着以减少对环境污染和节

省能源为重点的绿色设计和制造迈进。

复合加工技术正是以上提到的五个方面之一，也是目前广泛研究的一个重要

领域。所谓复合，是指将不同的工序和工种集中在一台机床上完成。机床的复合

突破了传统的机加工观念，在一定程度上改善和提高了机加工技术，有效提高了

加工精度和加工效率，符合机床的发展趋势。

复合机床是多功能复合加工数控机床简称，是指在一台机床上实现（或尽可

能）完成从毛坯到成品的全部加工过程。20 世纪 80 年代以来，以刀具旋转做主切

刀柄复合磨削数控系统设计

削运动的镗铣加工中心和以工件旋转做主运动的车削加工中心的出现，极大地推

进了数控机床的工序集中进程。对于比较复杂的零件，传统意义上的数控机床并

不能完成从毛坯到成品的全部工序的加工。并且由于工件在多台机床间的转移，

增加了安装误差，不利于加工精度的保证，也不利于加工效率的提高。

复合机床的发展，能够在很大程度上提高工序的集中度，简化加工过程链节，

提高多品种单件小批量生产的加工效率。同时，复合数控机床可以减少工件在不

同数控机床间进行工序转换而引起的待工时间以及多次上下料时间。在现有的生

产车间里，通常这些时间大约占零件整个生产周期的 40%-60%，即使在自动化程

度较高以及信息管理良好的情况下，仍将占 20%左右[3]。

复合机床根据其加工特点和用途，可以分为两大类：一类是跨加工类别的工

艺复合型数控加工机床，如车铣加工中心、镗铣加工中心和激光铣削加工机床等，

其特点主要表现为不同加工方式的复合以及刀具回转加工、工件回转加工或特种

加工等多类功能的复合。二是多面多轴联动加工的工序复合型数控机床，主要是

指把工件不同的工序集中在一台机床上完成。

§1.1.3 本课题的来源及意义

本课题是国家重大专项项目“高效复合磨床关键技术研究"中的一部分，该项

目是与上海机床厂有限公司和上海交通大学共同合作进行的。项目的目的在于跟

踪国外复合磨削先进技术，实现自主创新，将不同加工表面的磨削复合到一台磨

床上，使得数控刀柄的加工在一次装卡（或者尽量少的装夹次数中）就能完成多

个加工面磨削，提高加工精度。在项目的开展过程中，我们从国情出发，深入探

索数控复合磨床的国产化技术，充分利用计算机技术和人工智能技术，使数控复

合磨床的数控系统向智能化、开放化方向上发展，从而使我国的复合磨床技术能

处于世界领先水平。

数控刀柄由于其精度要求高，被加工面多，导致加工比较复杂与困难，需要

调用多台磨床进行加工。为了提高其加工精度，减少重复定位产生的误差，同时

为了提高加工效率，考虑采用复合加工技术，在一次装夹中完成端面、外锥面、

外圆、内圆的粗精磨削。通过将几道工序集合于一台设备上，能有效减小设备的

占地面积，缩短零件的生产周期以及非生产时间，最重要的是减少装夹作业次数，

使生产质量更高更稳定。数控复合磨床是近年来兴起并迅速发展的品种，主要针

对工件不能一次装夹在卧式外圆磨床上完成磨削加工的难题而开发的。

所以，本课题需要针对数控刀柄的磨削工艺，设计一台复合磨床，但需要同

时兼顾该磨床的通用性。

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摘要：

摘要复合磨床允许在一台磨床上完成从半成品到成品的全部加工过程，所以说复合磨床的发展在很大程度上提高了工序的集中度，简化了加工过程链节，有助于提高多品种单件小批量生产的加工效率。本文结合上海机床厂有限公司自主开发的数控刀柄复合磨床及其数控系统设计开发的需要，对数控技术及复合加工技术进行了深入研究，包括对西门子数控加工系统与复合加工工艺的研究，也包括复合磨床数控操作系统的设计与软件的开发工作。主要工作可以概括为以下几点：首先，分析了复合磨床加工工件——数控刀柄的加工面情况以及尺寸表示方式，介绍了刀柄复合磨床的整体结构以及数控系统所要达到的控制要求和界面应该满足的功能。同时也简单介绍了SINUMER...

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