基于仿真软件的五轴数控铣削加工

摘要

本设计是基于VERICUT的五轴数控铣削加工及仿真，首先应了解和掌握了数控系统的结构、工作原理、控制方式等知识后根据它配备伺服系统、主轴控制系统和辅助运动控制系统，通过查阅资料对铣床的硬件进行选择，了解各个模块的工作原理，并设计外部硬件线路，最终设计出能完成演示主轴控制、进给运动控制、辅助装置控制等功能。不仅可作为数控铣床电气故障的维修实训添加丰富的内容，也可以增长同学的实际动手能力。通过此次课题可以使学生掌握数控铣床系统控制原理、电气设计方法、元器件的选择、铣床电气安装及调试、故障诊断维修等多项实验内容，达到工业生产现场实习效果。

关键字：数控铣床；数控系统；伺服系统；电气控制

Abstract

This design is the debugging and running the SINUMERIK 808D system of CNC milling machine based on Siemens company, first should understand and grasp the Siemens 808D CNC system structure, working principle, control mode of knowledge according to it is equipped with servo system, control system of spindle and auxiliary motion control system, hardware selection through access to information on milling machine, understanding the working principle of each module, and the external hardware circuit design, the final design to finished the demonstration spindle control, motion control, auxiliary device control functions. Not only can be used as electrical faults of CNC milling machine repair training add rich content, can also increase the students practical ability. The content of the subject so that students can master the control principle of NC system, electrical design, component selection, machine electrical installation and debugging, fault diagnosis and repair many experiments, to achieve the effect of industrial production field.

Keywords: NC milling machine；CNC system；Servo system；Electrical control

第一章绪论

1.1选题的背景

1.1.1 VERICUT仿真软件

VERICUT是由美国CGTech公司开发的一款数控加工仿真软件件，是利用软件在计算机上虚拟制造过程，采用了先进的三维显示及虚拟现实技术，可以验证和检测NC程序可能存在的碰撞、干涉、过切、欠切、切削参数不合理等问题。从1988年起，VERICUT就成为行业的标准，被广泛的应用于航空航天、兵器、船舶、电子、汽车、地面交通、模具、消费品、动力及重工业。产品特点及优势：

1. Vericut是基于实体的、基于特征的并记录历史的仿真，所以通过Vericut生成的具有历史和特征的切削模型，可以方便、准确、快速地分析尺寸，检测错误。而一般软件不是基于特征的实体仿真，模拟后的这些加工特征已经丢失，这样缺点是切削模拟精度不高，模型数据量大，模拟速度不温度，会越来越慢，分析测量模型不方便。

2. Vericut仿真是和实际生产完全匹配的，是对整个生产流程的模拟。一个零件的生产，从毛料到粗加工到半精加工再到精加工，切削模型可以在不同机床不同系统不同夹具中自动转移。一般软件只是简单的单工位模拟，不支持零件整个生产流程的模拟，零件翻面或换机床模拟操作不方便。 3. Vericut 在程序模拟之前（预览程序），模拟过程中或模拟结束三个阶段都可以分析检测各种错误，包括：过切、碰撞、超程、旋转方向、极限切削参数（最大切削深度、最大切削宽度、最大切削速度、最大切削转速、最大材料去除率等）等。而且程序窗口、图像窗口和错误信息栏窗口三个窗口相互关联，分析定位错误直接直观。

4. Vericut检查分析过切有曲面和实体两种方式，而且可以直接定位到特定程序特定程序行发生的过切，这样更方便更直观。

5. 模型输出。VERICUT在模拟切削过程的任何阶段，都可以将具体加工特征（孔，槽，凸台，腹板，筋等）的切削模型输出，以不同的数据标准格式保存，如Step，IGS，ACIS，CATIA V5等格式。Vericut是基于特征的模拟，可以输出具有加工特征的模型供后续操作。用途：第一，与CAM软件结合，实现真正的基于过程模型的驱动编程；第二，利用过程切削模型，可以方便地在CAD软件中生产过程工艺检验测量草图；第三，可以将旧的程序转化为具有特征的实体模型，给设计或优化工艺使用。

6. Vericut可以产生丰富的工艺报告，如过程测量报告，结合具有特征的过程切削模型（其他模拟软件工具不具有的），分析测量，生成带有3D的图片的表格检测报告。Vericut还可以生成数控车间各个环节需要的三维草图和报表，为车间无图纸生产提供完美的数据和文档。

7. Vericut有友好的配置指令界面窗口。用户可以根据自己机床的需求，方便地自由地配置机床和系统的高级功能（特殊的G代码和M代码）和特性。Vericut产品可以构建和模拟任何复杂的机床，可以自由的根据机床和控制系统配置任何复杂的指令，以满足用户需求。

8. Vericut模拟精度高，性能稳定，速度稳定；Catia模拟性能不稳定，特别是在模拟复杂的大零件、五轴联动程序、切削毛料时。Vericut有FastMill模式，可以大大提高三轴和固定轴（3＋2）铣削速度；Vericut有OpenGL显示模式，可以大大提高图象操作速度。

9. Vericut可以优化刀具长度，并可设定安全间隙距离。无论是三轴程序还是多轴程序，Vericut根据当前毛料几何，结合使用的夹具，刀具刀柄计算并优化刀具长度，会将短的刀具拉长，长的刀具缩短，最后以报告列表的形式将每一把刀具优化长度列出。这样可以解决刀具长度使用不当，产生碰撞（刀具太短）或零件表面质量差（刀具太长，加工中颤刀）的问题。

10. Vericut可以优化进给速度，根据模拟生成过程切削模型，和所使用的刀具及每步走刀轨迹，计算每步程序的切削量，并在余量大程序行降低速度，余量小的高速度，进而修改程序，插入新的进给速度，最终创建更安全更高效的数控程序。

11. Vericut可以模拟任何软件生成的程序（机床直接使用的G代码或刀轨APT程序），也可以模拟手写程序，并可以模拟实际机床和控制系统子程序，这样模拟就更加和实际加工统一了。

12. Vericut可以模拟各种切削方式，除了一般的机械加工车、铣、镗、钻、磨外，还可以模拟拉削、插齿、滚齿，支持零件主轴与刀具主轴之间同时转动切削方式；还可以模拟机器人加工（钻铆），数控铆接等。

13. Vericut模拟支持各种类型的刀具，包括成型刀或3D STEP模型刀具。而一般软件都不支持这关键的技术。 14. Vericut模拟生产的切削模型可以被操作，如剖面，重新定位，输出STP模型格式后再进行修改等。

15. CGTech（Vericut的产品供应商）是成熟的专业的数控加工仿真软件供应商，是数控加工仿真和程序优化领域的领导者，从1988年开始服务于航空等行业，Vericut软件已经该领域的事实的标准。同行业的成飞、西飞、沈飞、昌飞、陕飞、西安航空发动机等机械加工企业，已经引进并成功实施了VERICUT数控加工仿真软件，为企业带来了可观的经济效益。

1.1.2数控机床在我国的发展

随着电子信息技术的发展，世界机床业已进入了以数字化制造技术为核心的机电一体化时代，其中数控机床就是代表产品之一。数控机床是制造业的加工母机和国民经济的重要基础。它为国民经济各个部门提供装备和手段，具有无限放大的经济与社会效应。目前，欧、美、日等工业化国家已先后完成了数控机床产业化进程，而中国从20世纪80年代开始起步，仍处于发展阶段。

“十五”期间，中国数控机床行业实现了超高速发展。其产量2001年为17521台，2002年24803台，2003年36813台，2004年51861台，2004年产量是2000年的3.7倍，平均年增长39％；2005年国产数控机床产量59639台，接近6万台大关，是“九五”末期的4.24倍。“十五”期间，中国机床行业发展迅猛的主要原因是市场需求旺盛。固定资产投资增速快、汽车和机械制造行业发展迅猛、外商投资企业增长速度加快所致。

2006年，中国数控金切机床产量达到85756台，同比增长32.8%，增幅高于金切机床产量增幅18.4个百分点，进而使金切机床产值数控化率达到37.8%，同比增加2.3个百分点。此外，数控机床在外贸出口方面亦业绩骄人，全年实现出口额3.34亿美元，同比增长63.14%，高于全部金属加工机床出口额增幅18.58个百分点。

2007年，中国数控金切机床产量达123,257台，数控金属成形机床产量达3,011台；国产数控机床拥有量约50万台，进口20万台。

2008年10月，中国数控机床产量达105,780台，比2007年同比增长2.96％。长期以来，国产数控机床始终处于低档迅速膨胀，中档进展缓慢，高档依靠进口的局面，特别是国家重点工程需要的关键设备主要依靠进口，技术受制于人。究其原因，国内本土数控机床企业大多处于“粗放型”阶段，在产品设计水平、质量、精度、性能等方面与国外先进水平相比落后了5-10年；在高、精、尖技术方面的差距则达到了10-15年。同时中国在应用技术及技术集成方面的能力也还比较低，相关的技术规范和标准的研究制定相对滞后，国产的数控机床还没有形成品牌效应。同时，中国的数控机床产业目前还缺少完善的技术培训、服务网络等支撑体系，市场营销能力和经营管理水平也不高。更重要原因是缺乏自主创新能力，完全拥有自主知识产权的数控系统少之又少，制约了数控机床产业的发展。国外公司在中国数控系统销量中的80％以上是普及型数控系统。如果我们能在普及型数控系统产品快速产业化上取得突破，中国数控系统产业就有望从根本上实现战略反击。同时，还要建立起比较完备的高档数控系统的自主创新体系，提高中国的自主设计、开发和成套生产能力，创建国产自主品牌产品，提高中国高档数控系统总体技术水平。

“十二五”期间，中国数控机床产业将步入快速发展期，中国数控机床行业面临千载难逢的大好发展机遇，根据中国数控车床以往消费数量，通过模型拟合，预计到2015年数控车床销售数量将达18万台，年均增长率为达16%以上。在技术方面也将得到大幅度提高，现在国外的部分技术垄断现象也将得到有效缓解，真正意义上实现从“中国制造”到“中国创造”的转型。

1.2选题的目的及意义

随着科学技术的不断进步设社会生产力的不断断发展，以数控技术为基础的先进制造技术正以较快的速度逐步取代传统的机械制造技术,这已成为当今机械制造技术发展的趋势。数控机床在制造业中的大量应用,使社会对能熟练掌握数控机床的操作,编程及维修的工程应用人才的需求量越来越大。近年来各院校相应开出的数控专业,便从教育的层面上反映出社会的这种需求。然而这也向我们提出了数控教学如何培养适应工程应用的数控人才的问题。数控人才的培养离不开实践操作，而现今真正投入生产的数控设备价格一般都很昂贵，因此研究和开发一套用于经济适用的数控仿真实训台就变得很有必要。而数控仿真实训台既可以提高学生们的动手实践能力，又能提高学生们对数控的各个组成部分的认知度。

本次课题使用的五轴数控铣床实训台，该装置采用开放式结构、模块化设计，既可用于教学、也可用于课程设计、毕业设计和实训，有利于提高学生设计数控机床电气控制系统、诊断数控设备故障的能力。该课题也可以帮助学生进一步了解数控铣床结构，同时也为技术人员进行数控铣床系统的二次开发提供了必要条件。操作过程与实际生产接轨，而且经济实用，不仅解决了学员培训费用高的问题，而且更能体现仿真操作的真实性，使教学效果得到明显提高。

本课题是基于五轴数控铣床的调试与运行，不仅可以为以后数控铣床电气故障的维修实训添加丰富的内容，也可以增长同学的实际动手能力和提高学生对数控的系统的熟悉程度。该课题目的是使学生掌握数控铣床系统控制原理、电气设计方法、元器件的选择、铣床电气安装及调试、故障诊断维修等多项技能的锻炼。课题任务是对五轴数控铣床进行调试与运行。

课题完成的主要任务是：了解其各个组成部分，并完成对电气模块进行计算和选用。完成对其电气控制电路进行设计。完成PLC程序的设计。完成电路的连接、PLC的输入，并对其进行调试与运行。

课题完成形成的成果文件包括：电气控制的电路图和PLC程序图。

总结

此设计是根据五轴数控铣床的工作原理、电气原理图并安装、编写铣床的PLC梯形图设等方面。设计出电气控制和PLC梯形图，并在五轴数控铣床的实训台进行调试与运行。

本次毕业设计，综合利用了以前所学的一些知识，并将它们与实际应用灵活结合。通过利用网络进行大量的资料检索，学到了很多课本上没有的知识，同时更培养了自学能力，为以后的学习深造打下了基础。此篇设计也许是在学校完成的最后一篇极有价值的论文作品，所以有太多的感慨和领悟。

首先，要认真负责治学严谨。在整个设计过程的前后中，我很幸运的是每天能联系到指导老师。每次有疑惑就赶紧向指导老师请教，老师也总是不厌其烦的给我做细致认真的讲解，他们的认真治学的精神十分感人。设计过程中在网上找到的很多资料都是讲解不全甚至有的互相矛盾。我时常在想，我的设计完成后流传网上，如果错误百出，那将会害多少学弟学妹走弯路。

其次，通过网络的苦苦查询，我发现中国数控技术还是不够发达。具体型号的数控设备，除了广告就是简单的图片，至于具体的技术介绍很多都是一片空白。关于数控车床主轴速度控制成系统的介绍也是寥寥无几，这也激发了我的设计热情。因为我知道，现在我写的不是百无一用的高考官样作文。所以，每一个章节我都尽自己的最大努力写的全面清楚。虽然其中也有很多参考，但基本都是用我的理解去重新阐述。此次毕业设计，虽然篇幅很大，但由于时间紧迫和能力有限，也留下了不少的遗憾。在以后的工作和学习中，我会坚持认真负责的态度，把该做的事情做到最好！

最后本次设计遗憾的是由于时间的问题做得并不全面和完美，还有很多的欠缺的地方，以后有机会我一定会把它补充完整，使之不再有遗憾。还要感谢我的指导老师在我困难的时候他给予我很大的帮助，还要感谢我的母校和所有的任课老师，他们曾经授予我的知识，在我做本次毕业设计的过程中起到了关键的作用。

参考文献

[1] 韩洪鸾主编.图解SIEMENS数控机床维修从新手到高手-北京：化学工业出版社

[2] 顾国洪主编.简明数控技术工具丛书.数控铣分册-北京：北京理工大学出版社

[3] 陈先锋编著.西门子数控系统故障诊断与电气调试-北京化学工业出版社，2012.8

[4] 孙勋群编著.数控机床电器维修笔记：积累、经验和心得-北京：机械工业出版社

[5] 侯晓方主编.数控机床故障诊断维护-陕西国防工业职业技术学院

[6] 高鸿斌，孔美静，赫孟合编著.西门子PLC与工业控制网络应用；电子工业出版社

[7] 朱仕学主编.数控系统故障诊断与维修，清华大学出版社

[8] 宫淑贞主编.可编程控制器原理及应用，人民邮电出版社

[9] 祝红芳主编.PLC及其在数控机床中的应用，人民邮电出版社

[10] SINUMERIK 808D_PLC 子程序库手册_2012051440