第1章认识数控铣床

1、精选优质文档-倾情为你奉上第1章 认识数控机床第1节 识别数控机床学习单元1 识别数控机床学习目标熟悉数控机床的基本概念熟悉数控机床的特点熟悉数控机床的产生了解数控机床的基本工作过程熟悉数控机床的组成知识要求一、 何谓数控机床1. 数控机床的定义数控（NC）是数字控制（Numerical Control）的简称，是20世纪中叶发展起来的一种用数字化信息进行自动控制的一种方法。装备了数控技术的机床，称为数控机床，也简称为NC机床。国际信息联盟第五技术委员会对数控机床做了如下定义：数控机床是一个装有程序控制系统的机床，该系统能够逻辑地处理具有使用号码或其他符号编码指令的规定程序。定义中的控制系统就

2、是数控系统。2. 数控机床的特点及应用范围（1）数控机床的特点1）加工精度高。数控机床是由精密机械和自动化控制系统组成的，所以其传动系统与机床结构都有较高的精度、刚度、热稳定性及动态敏感度。目前，数控机床的刀具或工作台最小移动量（脉冲当量）普遍达到了0.001mm，中、小型数控机床定位精度普遍可达0.03mm，重复定位精度可达0.01mm。2）生产效率高。加工零件所需时间包括机动时间和辅助时间两部分。数控机床能有效地减少这两部分时间。在数控加工中心上加工时，一台机床能实现多道工序的连续加工，生产效率的提高更加明显。3）减轻劳动强度、改善劳动条件和劳动环境。4）能产生良好的经济效益。数控机床加工

3、精度稳定，减少了废品率，使生产成本进一步下降。5）有利于生产管理的现代化。数控机床使用数字信号与标准代码作为输入信号，不仅能与计算机通过串行接口直接通讯，还适用于与计算机网络连接，通过计算机远程控制，为计算机辅助设计、制造及管理一体化奠定了基础，实现生产管理的现代化。但是，利用数控机床生产加工，初期设备投资大，维修费用高，对管理及操作人员的专业技术素质要求较高。因此，应合理地选择及使用数控机床，提高企业的经济效益和竞争力。（2）数控机床的应用范围数控机床具有一些独特优点，应用范围较广。但数控机床的技术含量要求高、生产成本高，使用和维修都有一定难度，若从性价比考虑，数控机床一般适用于下列加工情况

4、。1）零件批量。在多品种、小批量零件的生产中优先考虑使用数控机床。2）轮廓要求高。结构较复杂、精度要求较高或必须用数字方法决定的复杂曲线、曲面轮廓的零件加工多以数控机床为主。3）试制阶段。在产品需要频繁改型或试制阶段，数控机床可以随时适应产品的变化。4）关键零件。价格昂贵，不允许报废的关键零件可以由数控机床来保证。5）周期短。对于需要最小生产周期的急需零件，数控机床可以缩短加工时间。6）多工序零件。需进行多工序联合加工的零件，如需要进行钻、扩、铰、攻丝及铣削等的箱体、壳体零件，多以数控加工中心来完成。箱体类零件尤其适合于用带回转工作台的卧式加工中心来加工。3. 数控机床的产生随着社会生产和科学

5、技术的飞速发展，机械制造技术发生了深刻的变化，机械产品结构越来越合理，其性能、精度和效率日趋提高且改型频繁，生产类型由大批大量生产向多品种小批量生产转化。因此，对对机械产品的加工相应地提出了高精度、高柔性与高自动化的要求。数控机床就是为了解决单件、小批量、特别是复杂型面零件加工的自动化并保证质量的要求而产生的。数控机床是用数字代码形式的信息（程序指令），控制刀具按给定的工作程序、运动速度和轨迹进行自动加工的机床，它是在机械制造技术和控制技术的基础上发展起来的，其过程大致如下：1948年，美国帕森斯公司受美国空军委托与麻省理工学院伺服机构研究所合作进行数控机床的研制工作，并于1952年试制成功第

6、一台三坐标数控铣床，当时的数控装置采用电子管元件。但第一台工业用数控机床直到1954年11月才生产出来。1959年，数控装置采用了晶体管元件和印刷电路板，使数控装置进入了第二代。1965年，出现了第三代的集成电路数控装置。60年代末，采用小型计算机控制的计算机数字控制（简称 CNC）系统，使数控装置进入了以小型计算机化为特征的第四代。1974年，研制成功使用微处理器和半导体存贮器的微型计算机数控装置（简称 MNC），这是第五代数控系统。20世纪80年代初，随着计算机软、硬件技术的发展，出现了能进行人机对话式自动编制程序的数控装置；数控装置愈趋小型化，可以直接安装在机床上；数控机床的自动化程度进

7、一步提高，具有自动监控刀具破损和自动检测工件等功能。20世纪90年代后期，出现了PC+CNC智能数控系统，即以PC机为控制系统的硬件部分，在PC机上安装NC软件系统，此种方式系统维护方便，易于实现网络化制造。我国数控机床的研制是从1958年起步的，由清华大学研制出了最早的样机。早期的数控机床因其控制系统采用电子管，体积大，功耗高，只在军事部门应用，只有在微处理机用于数控机床后，才真正使数控机床得到了普及。二、 数控机床基本工作过程数控机床工作原理如图1-1所示。首先根据被加工零件的图样，将工件的形状、尺寸及技术要求等，采用手工或计算机按运动顺序和所用数控机床规定的指令代码及程序格式编成加工程序

8、单，并将这些程序代码存储在穿孔纸带、磁带、磁盘及其他计算机用通信方式等信息载体上（或直接用键盘输入），然后经输入装置， 读出信息并送入数字控制装置。数控装置就依照指令带上的数码指令进行一系列地处理和运算，变成脉冲信号，并将其输入驱动装置，带动机床传动机构，机床工作部件有次序地按要求的程序自动进行工作，加工出图样要求的零件。图1-1 数控机床工作原理图1零件图样 2程序设计 3程序单 4制穿孔带 5穿孔纸带6纸带盘 7光电读带机 8数控装置 9步进电动机 10滚珠丝杠螺母副数控机床基本工作过程如图1-2所示。制成零件零件图纸编制加工程序送入CNC装置命令伺服系统驱动机床部件加工图1-2 数控机床

9、基本工作过程三、 数控机床的组成一台完整的数控机床主要由控制介质（穿孔带、磁带）、数控装置、伺服系统和机床本体四部分及辅助装置组成，如图1-3所示为其基本框图。图1-3 数控机床的组成1 控制介质人与数控机床之间建立某种联系的中间媒介物称为控制介质。在控制介质上存储着加工零件所需要的全部操作信息和刀具相对工件的位移信息。因此，控制介质就是指将零件加工信息传送到数控装置去的信息载体。控制介质有多种形式，它随着数控装置类型的不同而不同，常用的有穿孔带、穿孔卡、磁带、磁盘等。控制介质上记载的加工信息要经过输入装置传送给数控装置，常用的输入装置有光电纸带输入机、磁带录音机和磁盘驱动器等。除了上述几种控

10、制介质以外，还有一部分数控机床采用数码拨盘、数码插销或利用键盘直接将程序及数据输入。另外，随着CAD（计算机辅助设计）/CAM（计算机辅助制造）（计算机辅助设计）技术的发展，有些数控设备利用CAD/CAM软件在其它计算机上编程，然后通过计算机与数控系统通信，将程序和数据直接传送给数控装置。2 数控装置数控装置是数控机床的控制中心，被喻为“中枢系统”，是数控机床最重要的组成部分。数控装置包括输入装置、控制运算器（CPU）和输出装置等构成（见图1-4）。图中虚线内包含部分为数控装置。图1-4 数控装置组成图数控装置的功能是接受控制介质上的各种信息，经过识别与译码后，送到运算控制器进行计算处理再经过

11、输出装置将运算控制器发出的控制命令送到伺服系统，带动机床完成相应的运动。目前均采用微型计算机作为数控装置。微型计算机的中央处理单元（CPU）又称为微处理器，是一种大规模集成电路，它将运算器、控制器集成在一块集成电路芯片中。在微型计算机中，输入与输出电路也采用大规模集成电路，即所谓的I/O接口。微型计算机拥有较大容量的寄存器，并采用高密度的存储介质，如半导体存储器和磁盘存储器等。3 伺服系统伺服系统是数控系统的执行机构，用于将指令信息转换成机床移动部件的运动，它包括驱动、执行和反馈装置。伺服系统接受数控系统的指令信息，并按照指令信息的要求与位置、速度反馈信号相比较后带动机床的移动部件或执行部件动

12、作，加工出符合图纸要求的零件。指令信息以脉冲信号表示，反映到机床移动部件上的移动量称为脉冲当量，常用脉冲当量为0.0010.01mm，脉冲当量在设计数控机床时即已规定。伺服系统直接影响数控机床的工作性能，如速度、位置、加工精度、表面粗糙度等。当前数控机床的伺服系统，常用的位移执行机构有功率步进电动机、直流伺服电动机和交流伺服电动机。后两者都带有光电编码器等位置测量元件，可用来精确控制工作台的实际位移量和移动速度。4 机床本体机床本体是数控机床的实体，是完成实际切削加工的机械部分，它包括床身、底座、工作台、床鞍、主轴等。它与普通机床相比较有所改进，具有以下特点：（1）数控机床采用了高性能的主轴及

13、伺服系统，机械传动结构简化，传动链较短。（2）机械结构具有较高的刚度，阻尼精度及耐磨性，热变形小。（3）更多地采用高效传动部件，如滚珠丝杠副，直线滚动导轨等。5 辅助装置辅助装置主要包括换刀机构、工件自动交换机构、工件夹紧机构、润滑装置、冷却装置、照明装置、排屑装置、液压及气动系统、过载保护与限位保护装置等。学习单元2 数控机床的分类学习目标熟悉数控机床按控制运动轨迹分类熟悉数控机床按工艺类型分类熟悉数控机床按可控制联动的坐标轴分类熟悉数控机床按伺服系统类型分类了解数控机床按数控装置功能水平分类知识要求一、 按控制运动轨迹分类1. 点位控制数控机床点位控制数控机床的特点是控制刀具或机床工作台等

14、移动部件的终点位置，即控制移动部件由一个点准确地移动到另一个点，而点与点之间的运动轨迹没有严格要求。在移动和定位过程中刀具不进行任何切削加工，如图1-5所示。使用这类控制系统的数控机床有数控钻床、数控坐标镗床、数控冲床、数控点焊机、数控折弯机和数控测量机等。图1-5 点位数控机床加工示意图1沿直角坐标方向分两步到达目的点2沿起点与终点连线直接到达目的点2. 直线控制数控机床直线控制数控机床的特点是刀具相对于工件的运动既要控制起点与终点之间的准确位置，又要控制刀具在这两点之间运动的速度和轨迹。刀具相对工件移动轨迹是平行于机床某一坐标轴的直线方向，刀具在移动过程中进行切削（见图1-6）。使用这类控

15、制系统的数控机床有数控车床、数控钻床、数控铣床和数控磨床等。图1-6 直线数控机床加工示意图3. 轮廓切削（连续轨迹）控制数控机床大多数数控机床都具有轮廓切削控制功能，其特点是这类数控机床能控制两个或两个以上的轴，坐标方向同时严格地连续控制，不仅要控制每个坐标的行程，还要控制每个坐标的运动速度，这样可以加工出任意的斜线、曲线或曲面组成的复杂零件（见图1-7）。使用这类控制系统的数控机床有数控车床、数控铣床、数控磨床、数控齿轮加工机床和数控加工中心等。 图1-7 轮廓切削数控机床加工示意图 特别提示目前，数控车床、数控铣床的运动方式通常采用轮廓切削（连续轨迹）控制。二、 按联动轴分类数控机床的计

16、算机数控系统能够控制的坐标数目，反映了计算机数控系统的运算处理能力，联动是指各个坐标轴同时达到空间某一点。按联动轴数控机床可分为以下几种：1. 二轴联动数控机床（见图1-8 a）如数控车床，加工曲面回转体；某些数控铣床，二轴联动铣削斜面。2. 三轴联动数控机床（见图1-8 b）如数控铣床和数控加工中心，三轴联动加工曲面零件。3. 二轴半联动数控机床（见图1-8 c）二轴半联动数控机床是指有3个坐标控制轴（X，Y，Z），其中任意两个轴联动，第三轴作周期性等距运动，如某些数控铣钻床。4. 多轴联动数控机床（见图1-8 d）多轴联动数控机床是指能四轴或四轴以上联动的数控机床。如多轴联动数控铣床和多轴

17、联动数控加工中心等。五轴联动数控机床通常包含3个移动坐标轴和2个回转坐标轴。特别提示回转坐标轴为A、B、C轴，其旋转轴线分别平行于X、Y、Z坐标轴，旋转运动正方向按右手螺旋法则确定。图1-8 数控机床联动轴数a) 二轴联动 b) 三轴联动 c) 二轴半联动 d) 多轴联动三、 按工艺类型分类1. 金属切削类数控机床金属切削类数控机床发展最早，种类繁多，功能差异大。又可分为普通数控机床和数控加工中心。（1）普通数控机床。一般指在加工工艺过程中的一个工序上实现数字控制的自动化机床，与传统的通用机床一样，这类数控机床主要包括数控车床、数控铣床、数控钻床、数控磨床、数控镗床及数控齿轮加工机床等。普通数

18、控机床在自动化程度上还不够完善，刀具的更换与零件的装夹仍需人工来完成。（2）数控加工中心。加工中心是带有刀库和自动换刀装置的数控机床，其特点是工件在一次装夹后，可以进行多种工序加工。典型的数控加工中心有镗铣加工中心和车削加工中心。其中镗铣加工中心是在数控镗铣床基础上发展起来的，是应用最早和最广的加工中心，平时就简称为加工中心。而车削加工中心简称为车削中心，其可控制轴数至少为3。2. 金属成形类数控机床金属成形类数控机床主要包括数控弯管机、数控组合冲床、数控转头压力机等。3. 数控特种加工机床数控特种加工机床主要包括数控线（电极）切割机床、数控电火花加工机床、数控火焰切割机、数控激光切割机等。如

19、数控电火花加工机床是加工过程中，使工具与工件之间不断产生脉冲性的火花放电，靠放电时局部、瞬时产生的高温把材料（能导电）蚀除下来。4. 其它类型的数控机床其它类型的数控机床主要有数控三坐标测量机等。四、 按伺服系统类型分类1. 开环伺服系统数控机床开环伺服系统数控机床构造简单，它没有位置测量装置和反馈装置，不能对移动工作台实际移动距离进行位置测量并反馈回来与原指令值进行比较校正（见图1-9）。这类系统的数控机床一般采用步进电动机或电液脉冲马达，按指令脉冲驱动各轴进给。其移动部件的速度与位移量由输入脉冲的频率和脉冲数决定，位移精度主要决定于该系统各有关零件的制造精度，如步进电动机的转动精度、减速装

20、置和滚珠丝杠的精度等。图1-9 开环伺服系统数控机床2. 闭环伺服系统数控机床闭环伺服系统数控机床有位置测量装置和反馈装置（见图1-10）。加工中将实际测量的结果反馈到数控装置中，与输入的指令进行比较及校正直至差值为零，即实现移动部件的最终精确定位。其特点是加工精度高，但结构复杂，设计和调试较困难，主要用于一些精度较高的数控镗铣床，超精度数控车床和数控加工中心等。图1-10 闭环伺服系统数控机床3. 半闭环伺服系统数控机床半闭环伺服系统数控机床不直接测量机床工作台的位移量，而通过检测丝杠转角间接地测量工作台的位移量，然后反馈给数控装置进行位移校正（见图1-11）。其精度低于闭环系统，但测量装置

21、结构简单，安装调试方便，常用于中档数控机床，如数控车床、数控铣床、数控磨床等。目前，大多数数控机床采用半闭环控制系统。图1-11 半闭环伺服系统数控机床4. 混合环伺服系统数控机床将以上三类控制系统的特点有选择地集中起来，组成混合环控制系统，特别适用于大型数控机床，因为大型数控机床需要较高的进给速度和返回速度，又需要相当高的精度，如果只采用全闭环控制，机床传动链和工作台全部置于控制环中，各种因素十分复杂，很难调试稳定。混合环伺服系统数控机床实际是半闭环和闭环系统的混合形式，内环是速度环，控制进给速度；外环是位置环，主要对数控机床进给运动的坐标位置进行控制。现在采用这类方式控制的数控机床越来越多

22、。五、 按数控装置功能水平分类按数控装置功能水平通常把数控机床分为低、中、高档三类。低、中、高三档的界限是相对的，不同时期，划分标准会有所不同。就目前的发展水平，各档数控机床分类见表1-1。表1-1 不同档次数控功能及指标表功 能低 档中 档高 档系统分辨率10m1m0.1m进给速度815m/min1524m/min24100m/min伺服进给类型开环及步进电动机系统半闭环及直、交流伺服闭环及直、交流伺服联动轴数23轴24轴5轴或5轴以上通信功能无RS-232C或DNCRS-232C、DNC、MAP显示功能数码管显示CRT：图形、人机对话CRT：三维图形、自诊断内装PLC无有强功能内装PLC主

23、CPU8位CPU16位、32位CPU32位、64位CPU第2节 总体认识数控铣床学习单元1 数控铣床特点学习目标了解数控铣床的特点掌握数控铣床的加工工艺特点了解数控铣床的基本术语知识要求一、 数控铣床特点数控铣床是主要采用铣削方式加工工件的数控机床，能完成各种平面、沟槽、螺旋槽、成型表面、平面曲线和空间曲线等复杂型面的加工。 与普通铣床相比，数控铣床具有以下特点：1. 半封闭或全封闭式防护经济型数控铣床多采用半封闭式；全功能型数控铣床会采用全封闭式防护，防止冷却液、切屑溅出，保证安全。2. 主轴无级变速且变速范围宽主传动系统采用伺服电机（高速时采用无传动方式电主轴）实现无级变速，且调速范围较宽

24、，这既保证了良好的加工适应性，同时也为小直径铣刀工作形成了必要的切削速度。3. 采用手动换刀，刀具装夹方便数控铣床没有配备刀库，采用手动换刀，刀具安装方便。4. 一般为三坐标联动数控铣床多为三坐标 （即 X，Y，Z 三个直线运动坐标）、三轴联动的机床，以完成平面轮廓及曲面的加工。5. 应用广泛与数控车削相比，数控铣床有着更为广泛的应用范围，能够进行外形轮廓铣削、平面或曲面型腔铣削及三维复杂型面的铣削，如各种凸轮、模具等，若再增加一个数控回转工作台及相关附件（此时变为四坐标，即可控制轴数为4），则应用范围将更广，可用于加工螺旋桨、叶片等空间曲面零件。此外，随着高速铣削技术的发展，数控铣床可以加工

25、形状更为复杂的零件，精度也更高。二、 数控铣床的应用及加工工艺特点1. 数控铣床应用数控铣床是一种加工功能很强的数控机床，目前迅速发展起来的加工中心、柔性加工单元等都是在数控铣床、数控镗床的基础上产生的，两者都离不开铣削方式。数控铣床能够铣削加工各种平面、斜面轮廓和立体轮廓零件，如各种形状复杂的凸轮、样板、模具、叶片、螺旋槽、螺旋桨等。与加工中心相比，数控铣床除了缺少自动换刀功能以及刀库外，其他方面均与加工中心类似，配上相应的刀具还可以对工件进行钻、扩、铰、锪、镗孔与攻丝等，但其主要还是用来对工件进行铣削加工。2. 数控铣床加工工艺特点数控铣削加工除了具有普通铣床加工的特点外，还有如下特点：

26、（1）对零件加工的适应性强、灵活性好，能加工轮廓形状特别复杂或难以控制尺寸的零件，如模具类零件、壳体类零件等。（2）能加工普通机床无法加工或很难加工的零件，如用数学模型描述的复杂曲线零件以及三维空间曲面类零件。（3）能加工一次装夹定位后，需进行多道工序加工的零件，如在卧式铣床上可方便地对箱体类零件进行钻孔、铰孔、扩孔、镗孔、攻螺纹、铣削端面、挖槽等多道工序的加工。（4）加工精度高、加工质量稳定可靠。普通数控铣床铣削加工平面时的加工精度一般可以达到lT9-1T7级，表面粗糙度可达Ra1.6-6.3m，镗孔加工精度一般可达IT6-IT8级。（5）生产自动化程序高，可以减轻操作者的劳动强度。有利于生

27、产管理自动化。（6）生产效率高。一般可省去划线、中间检验等工作，可省去复杂的工装，减少对零件的安装、调整等工作。能通过选用最佳工艺线路和切削用量，有效地减少加工中的辅助时间，从而提高生产效率。三、 数控铣床的基本术语数控机床的常用术语见表1-2，主要参考国家标准及国际标准化组织（ISO）的提法。表1-2 数控铣床常用术语表名 称英 语 名 称注 解代码Code数据处理机能接受的用符号形式表示的数据和程序指令Instruction规定操作及其运算数的数值或地址的语句命令Command使运动或功能开始操作的控制信号手动数据输入Manual data input用手工把加工程序的信息送入数控装置的一

28、种方法格式Format信息的规定安排形式地址Address（用于数控时）位于字头的字符或字符组，用以识别其后的数据程序段Block作为一个单元处理的一组字、一组字符或一组数字，在控制带上各个程序段通常用“程序段结束”字符来分隔轴Axis机床部件直线运动或旋转运动的方向插补Interpolation（用于数控时）根据给定的数学函数，诸如线性函数、圆函数或高次函数，在理想的轨迹或轮廓上的已知点之间，确定一些中间点的一种方法准备功能Preparatory function（G功能）建立机床或控制系统工作方式的一种命令。用地址G和它后面的数字来指定控制动作方式的功能刀具功能Tool function（

29、T功能）按照适当的格式规范，识别或调入刀具和有关功能的技术说明。指定刀具的功能，用地址T和它后面的代码数来表示辅助功能Miscellaneous function（M功能）控制机床或控制系统的开、关功能的一种命令。它是用地址M和它后面的代码数来指定的进给功能Feed function（F功能）定义进给率技术规范的指令。用地址F和它后面的代码数来表示数控系统Numerical control system这是一种控制系统。它自动阅读输入载体上事先给定的代码和数字值，并将其译码，从而使机床移动和加工零件计算机数控Computerized numerical control即CNC，这是一种数控系统

30、。在此系统中，采用存储程序的专用计算机实现部分或全部基本数控功能直接控制Direcet numerical control即DNC，这是一种控制系统。此系统使一群数控机床与公用零件程序或加工程序存储器发生联系。一旦提出请求，它立即把数据分配给有关机床。直接数控亦称群控伺服机构Servo mechanism用机床上的位置或速度等作为控制量的反馈系统（伺服回路）。这种伺服系统，其中受控变量为机械位置或机械位置对时间的导数加工程序Machine program在数控中指用自动控制语言和格式表示的一套指令，它被记载在适当的输入载体上，以便圆满地实现自控系统的直接操作刀具补偿Tool offset垂直于

31、刀具轨迹的位移，用来修正刀具实际半径或直径与其程序规定的值之差分辨率Resolution两个相邻的分散细节之间可以分辨的最小间隔。就测量系统而言，它是可以测量的最小增量。就控制系统而言，它是可以控制的最小位移增量精确度Accuracy误差自由度的评价或符合理论程度的评价，误差越小，评价越高。在机床上，是用实际的位置与要求的位置之间的一致程度来表示误差Error计算值、观察值或实测值、给定值或理论值之差学习单元2 典型数控铣床学习目标熟悉数控铣床的主要加工对象熟悉数控铣床的类型与选用熟悉一种典型的数控铣床知识要求一、 数控铣床的加工对象数控铣床除了能铣削普通铣床所能铣削的各种零件表面外，还能铣削

32、普通铣床不能铣削的需25坐标联动的各种平面轮廓和立体轮廓。另外，与加工中心相比，数控铣床除了缺少自动换刀功能及刀库外，其他方面均与加工中心类同，也可以对工件进行钻、扩、铰、锪和镗孔加工与攻丝等，但它主要还是被用来对工件进行铣削加工，这里所说的主要加工对象及分类也是从铣削加工的角度来考虑的。根据数控铣床的特点，从铣削加工角度来考虑，适合数控铣削的主要加工对象有以下几类：1. 平面类零件加工面平行或垂直于水平面，或加工面与水平面的夹角为定角的零件。平面类零件是数控铣削加工中最简单的一类零件，一般只需要三坐标数控机床的两坐标联动（即两轴半坐标联动）即可进行加工，目前在数控铣床上加工的绝大多数零件属于

33、平面类零件。2. 变斜角类零件加工面与水平面的夹角呈连续变化的零件。在加工中加工面与铣刀圆周接触的瞬间为一条线，最好采用四坐标或五坐标数控机床摆角加工，没有上述机床时，也可采用三坐标数控铣床，进行两轴半坐标近似加工。3. 曲面类零件加工面为空间曲面的零件。加工时，加工面与铣刀始终为点接触，加工曲面类零件一般采用三坐标数控铣床，有时根据加工需要的不同，采用四坐标或五坐标数控铣床进行加工。随着数控铣床在机械加工中应用愈来愈广泛，它不仅广泛的应用于模具加工制造领域，还较多的应用于中小批量的零件加工。二、 数控铣床的类型数控铣床的分类方法很多，这里介绍常见的两种。1. 按主轴的布置形式及机床的布局特点

34、分类（1）立式数控铣床。主轴轴线垂直于水平面，如图1-12，是数控铣床中最常见的一种布局形式，应用范围最广。 从机床数控系绕控制的坐标数量来看，目前3坐标数控立铣仍占大多数；一般可进行3坐标联动加工，但也有部分机床只能进行3个坐标中的任意两个坐标联动加工（常称为2.5坐标加工）。此外，还有机床主轴可以绕X、Y、Z坐标轴中的其中一个或两个轴作数控摆角运动的4坐标和5坐标数控立铣。主要用于水平面内的型面加工，增加数控分度头后，可在圆柱表面上加工曲线沟槽。 （2）卧式数控铣床。与通用卧式铣床相同，其主轴轴线平行于水平面，如图1-13。为了扩大加工范围和扩充功能，卧式数控铣床通常采用增加数控转盘或万能

35、数控转盘来实现4、5坐标加工。这样，不但工件侧面上的连续回转轮廓可以加工出来，而且可以实现在一次安装中，通过转盘改变工位，进行“四面加工”。如装有数控回转工作台的卧式数控铣床可以实现一次装夹完成箱体的4侧面加工，此时机床除了可以对移动坐标轴X、Y、Z坐标控制以外，还能实现对回转轴（B轴）的控制。（3）立卧两用式数控铣床。立卧两用式数控铣床的主轴轴线方向可以变换，如图1-14，既可以进行立式加工，又可以进行卧式加工，使用范围更大，功能更强。若采用数控万能主轴（主轴头可以任意转换方向），就可以加工出与水平面成各种上角度的工件表面；若采用数控回转工作台，还能对工件实现除定位面外的五面加工。 2. 按

36、数控铣床构造分类（1）工作台升降式数控铣床。这类数控铣床采用工作台移动、升降，而主轴不动的方式。小型数控铣床一般采用此种方式。（2）主轴头升降式数控铣床。这类数控铣床采用工作台纵向和横向移动，且主轴沿垂向溜板上下运动；主轴头升降式数控铣床在精度保持、承载重量、系统构成等方面具有很多优点，已成为数控铣床的主流。（3）龙门式数控铣床。这类数控铣床主轴可以在龙门架的横向与垂向溜板上运动，而龙门架则沿床身作纵向运动，如图1-15。大型数控铣床，因要考虑到扩大行程，缩小占地面积及刚性等技术上的问题，往往采用龙门架移动式。图1-12 立式数控铣床 图1-13 卧式数控铣床图1-14 立卧两用式数控铣床 图

37、1-15龙门式数控铣床三、 数控铣床的选用1. 根据被加工零件的尺寸选用规格较小的升降台式数控铣床，其工作台宽度多在400 mm以下，它最适宜中小零件的加工和复杂形面的轮廓铣削任务。规格较大的如龙门式铣床，工作台在500600 mm以上，用来解决大尺寸复杂零件的加工需要。2. 根据加工零件的精度要求选用我国已制定了数控铣床的精度标准，其中数控升降台铣床已有专业标准。标准规定其直线运动坐标的定位精度为0.04/300 mm，重复定位精度为 0.025 mm，铣圆精度0.035 mm。实际上，机床出厂精度均有相当的储备量，比国家标准的允差值大约压缩20%左右。因此，从精度选择来看，一般的数控铣床即

38、可满足大多数零件的加工需要。对于精度要求比较高的零件，则应考虑选用精密型的数控铣床。3. 根据加工零件的加工特点来选择对于加工部位是框形平面或不等高的各级台阶，那么选用点位-直线系统的数控铣床即可。如果加工部位是曲面轮廓，应根据曲面的几何形状决定选择两坐标联动和三坐标联动的。也可根据零件加工要求，在一般的数控铣床的基础上，增加数控分度头或数控回转工作台，这时机床的系统为四坐标的数控系统，可以加工螺旋槽、叶片零件等。如在圆柱表面加工螺旋槽可选用带A轴的立式数控铣床；需在一次装夹中加工箱体零件的4侧面，可选用带B轴的卧式数控铣床；需在一次装夹中加工箱体零件的5个表面，则要选用立卧两用式数控铣床。4

39、. 根据零件的批量或其他要求选择对于大批量的，用户可采用专用铣床。如果是中小批量而又是经常周期性重复投产的话，那么采用数控铣床是非常合适的，因为第一批量中准备好多工夹具、程序等可以存储起来重复使用。从长远考虑，自动化程度高的铣床代替普通，减轻劳动者的劳动量提高生产率的趋势是不可避免的。四、 典型数控铣床下面简单介绍一种典型的普及型数控铣床FA-32M CNC数控铣床。1. 总体布局FA-32M CNC为小型规格工作台不升降立式铣床，其基本布局为垂直主轴、全封闭形式。与FA-32T CNC数控车床一样，为同一系列产品的两大不同功能的模块化数控机床。数控铣床FA-32M CNC型号的含义如下：FA

40、 - 32 M CNC 计算机数控（Computerized Numerical Control） 铣床（Milling） 工作台宽度的1/10 机床制造公司的简称如图1-16所示为该机床的外形图。图1-16 FA-32M CNC数控铣床的外形图1床身 2床鞍 3主轴箱 4冷却泵 5工作台（1）床身部件。包括底座与立柱两个部分。底座为整台机床的支承与基础，所有机床部件均安装于其上，主电动机与冷却箱置于床身底座内部。立柱则与底座垂直固定。（2）主轴箱。主轴箱用于固定铣床主轴。主电动机通过多楔带将主运动直接传给主轴。（3）床鞍。包括床鞍与工作台两个部分，床鞍位于底座上方的直线导轨上，实现Y轴运动；

41、工作台位于床鞍的直线导轨上，可实现X轴运动。（4）工业控制计算机。工业控制计算机内部安装数控系统操作软件。作为数控系统与外界信息输入的媒介，可进行机床的各种操作。（5）电气控制箱。电气控制箱内部安装各种机床电气控制元件、数控伺服控制单元与部分控制芯板等。2. 主要技术参数工作台面尺寸 320 mm工作台行程 X：400 mm Y：300 mm Z：300 mm工作台T型槽 4×12 mm主轴锥孔 7:24/ISO 40#主轴转速（无级） 1503 600 r/min主电动机（三相异步变频调速电动机） 3.7 kW主轴端面至工作台面距离 35335 mm快速移动速度 X，Y，Z：10

42、m/min进给速度范围 X，Y，Z：15 000 mm/min进给电动机（交流伺服电动机） X，Y，Z：0.75 kW冷却泵电动机 0.12 kW数控轴数目 X，Y，Z：3同时控制轴的数目 X，Y，Z：3脉冲分配方式 直线和圆弧插补数字记入方式 绝对式或增量式分辨率 0.001 mm3. 主要部件特点（1）主传动系统。FA-32M数控铣床的主轴电动机为交流变频调速电动机，以1:1的比率用多楔带直接与主轴相连，如图1-17所示。主轴电动机内没有配备脉冲编码器，因此该铣床无法进行刚性螺纹加工。图1-17 FA-32M CNC 传动系统图1Y向伺服电动机 2主传动带轮 3主电动机 4Z向伺服电动机

43、5主轴 6X向伺服电动机（2）进给传动系统。FA 32M CNC数控铣床可实现工作台的纵向（X）、横向（Y）和刀具的垂向（Z）进给传动的3轴联动，3个进给运动均由交流伺服电动机与滚珠丝杠直接相连而获得，并实现半闭环控制。要注意此数控铣床刀具的垂向进给是靠主轴箱体的上下移动来实现的，而不是靠主轴套筒移动。这样的结构可以在增加主轴刚性的同时，增加Z轴的进给行程，并弥补主轴套筒圆柱形导轨无法补偿间隙的不足。但由于滚珠丝杠无自锁功能，同时还要保证进给的稳定，一般主轴箱体要用链条、链轮连接配重块，且Z轴伺服电动机须加制动功能，因此成本相对较高。该数控铣床的X，Y，Z轴进给运动导轨副均采用单元式直线滚动导

44、轨，具有高的响应，一般用于此类振动较小的小型数控机床上。（3）所配置的数控系统。FA-32M CNC数控铣床同FA-32T CNC数控铣床类似，所配备的数控系统为德国的PA-8000 NT或日本的FANUC-0i，其控制与联动轴为X，Y，Z三轴。第3节 初步认识数控铣床的机械结构与伺服系统学习单元1 数控铣床的机械结构学习目标了解数控铣床主轴的结构特点掌握滚珠丝杠螺母副的优缺点掌握滚珠丝杠螺母副的结构形式掌握滚珠丝杠螺母副的间隙消除方法掌握数控铣床常见导轨形式掌握齿轮传动间隙的消除方法知识要求一、 数控铣床主轴的结构特点看起来，除了数控控制机代替了操纵手柄、手轮外，数控铣床在外观上与通用铣床确

45、有不少相似之处，但实际上数控铣床在结构上的内含要复杂得多。主轴部件是机床的一个关键部件，主轴对零件加工质量有着直接的影响。而数控机床的主轴部件应有更高的精度、刚度和热稳定性，还应满足数控机床所特有的结构要求。如为加工螺纹（刚性攻丝）需配有主轴编码器，为加工中心的自动换刀需配有刀具自动夹紧、放松与主轴准停和吹屑装置等。数控铣床在主轴结构上主要有如下特征：现代数控铣床的主轴开启与停止，主轴正反转与主轴变速等都可以按程序自动执行。不同的机床其变速功能与范围也不同。有的采用变频机组（目前已很少采用），固定几种转速，可任选一种编入程序，但不能在运转时改变；有的采用变频器调速，将转速分为几档，程编时可任选

46、一档，在运转中可通过控制面板上的旋钮在本档范围内自由调节；有的则不分档，程编可在整个调速范围内任选一值，在主轴运转中可以在全速范围内进行无级调整，但从安全角度考虑，每次只能调高或调低在允许的范围内，不能有大起大落的突变。在数控铣床的主轴套筒内一般都设有自动拉、退刀装置，能在数秒种内完成装刀与卸刀，使换刀显得较方便。另外，自动清除主轴孔中的切屑和灰尘是换刀时一个不容忽视的问题。通常采用在换刀的同时，从主轴内孔喷射压缩空气的方法来解决，以保证刀具准确地定位。但数控铣床主轴不象加工中心主轴那样具有准停功能，因而不能实现自动换刀。此外，多坐标数控铣床的主轴可以绕X、Y或Z轴作数控摆动，也有的数控铣床带

47、有万能主轴头，扩大了主轴自身的运动范围，但主轴结构更加复杂。1. 主轴的轴承配置形式数控铣床上主轴轴承的布置形式有各种各样，根据加工要求与加工情况的不同，轴承的承载、转速与回转精度的特点，可采用不同的轴承组合形式。如图1-18所示则为较典型四种配置形式，每种形式的承载与极限转速的比较情况见表1-3。表1-3 数控机床主轴轴承的配置形式性能比较 主轴轴承 配置形式 主轴径向刚度 的比值 主轴轴向刚度 的比值 允许极限转速的比值 （脂润滑） 图1-18a的配置形式 1.0 1.0 1.0 图1-18b的配置形式 0.56 0.56 1.5 图1-18c的配置形式 0.42 0.42 1.8 图1-

48、18d的配置形式 1.25 1.0 0.6（1）中等转速、高刚性。如图1-18 a所示配置形式中主轴的前支承为圆锥孔双列向心短圆柱滚子轴承与双列向心推力球轴承组合，后支承为圆锥孔双列向心短圆柱滚子轴承。这种配置具有中等转速、高刚度的特点。其轴向载荷由双列向心推力球轴承来承受，径向载荷则由圆锥孔双列向心短圆柱滚子轴承来承受，轴承的间隙可以通过修磨轴承之间的隔圈来保证。（2）中等刚性、较高转速。如图1-18 b所示配置形式中主轴的前支承为三个联组的双向角接触向心球轴承，后支承为圆锥孔双列向心短圆柱滚子轴承。这种配置具有中等刚性、较高转速的特点，一般在要求转速较高的数控铣床上应用较多。（3）高转速、

49、低刚性。如图1-18 c所示配置形式中主轴的前后支承均采用同向组合的角接触向心球轴承，这种配置形式具有高转速、低刚性的特点，一般用于转速要求高、刚性较低的场合。（4）高刚性、低转速。如图1-18 d所示配置形式中主轴前支承为带凸肩的双列圆锥滚子轴承，后支承则为单列圆锥滚子轴承，这种配置具有高刚性、低转速的特点，一般用于要求承载能力大、刚性大的场合。图1-18 数控机床常用的主轴轴承的配置形式 a）圆锥孔双列向心短圆柱滚子轴承配置 b）双向联组角接触向心球轴承配置 c）同向组合角接触向心球轴承配置 d）双列圆锥滚子轴承配置2. 主轴编码器数控机床的进给系统与普通机床的进给系统有质的区别，数控机床

50、没有了传统的进给箱、溜板箱和挂轮架，而是直接用伺服电机通过滚珠丝杠来驱动溜板和刀架，来实现进给运动，因而进给系统结构大为简化。数控机床上能加工各种螺纹，这是因为安装了与主轴同步运转的脉冲编码器，以便发出检测脉冲信号，使主轴电机的旋转与切削进给同步，从而实现螺纹切削。主轴脉冲编码器可通过一对齿轮或同步齿形带与主轴联系起来，由于主轴要求与编码器同步旋转，所以此联接必须做到无间隙。二、 滚珠丝杠螺母副传动进给传动结构是进给伺服系统的主要组成部分，它是将伺服电动机的旋转运动转化为执行部件的直线移动或回转运动，以保证刀具与工件相对位置关系为目的。在数控机床中，进给运动是数字控制系统的直接控制对象。无论是

51、开环还是闭环伺服进给系统，工件的精度均要受到进给运动的传动精度、灵敏度和稳定性的影响。为此，数控机床的进给系统应力求做到减少摩擦力，提高传动精度与刚度，消除传动间隙以及减少运动件的惯量等。目前，在数控机床进给驱动系统中常用的机械传动装置主要有：滚珠丝杠螺母副、静压蜗杆-蜗母条、预加载荷双齿轮-齿条及双导程蜗杆等。为了提高数控机床进给系统的快速响应性能和运动精度，必须减少运动件的摩擦阻力和动静摩擦力之差。为此，在中小型数控机床中，滚珠丝杠螺母副是采用最普遍的结构。这也是数控机床与普通机床的进给传动系统的区别所在。1. 滚珠丝杆螺母副的工作原理滚珠丝杠副是回转运动与直线运动相互转换的新型传动装置，

52、是在丝杠和螺母之间以滚珠为滚动体的螺旋传动元件。其结构原理示意如图1-19所示，图中丝杠1和螺母2上都加工有弧形螺旋槽，将它们套装在一起时，这两个圆弧形的螺旋槽对合起来就形成了螺旋滚道，并在滚道内装满滚珠3。当丝杠相对于螺母旋转时，滚珠则既自转又沿着滚道流动。为了防止滚珠从螺母中滚出来，在螺母的滚道两端用返回装置4（又称回珠器）连接起来，使滚珠滚动数圈后离开滚道，通过返回装置4返回其入口继续参加工作，如此往复循环滚动。图1-19 滚珠丝杠螺母副结构原理1滚珠丝杠 2滚珠螺母 3滚珠 4滚珠返回装置2. 滚珠丝杠螺母副的特点由以上滚珠丝杠螺母副传动的工作过程，可以明显看出滚珠丝杠副的丝杠与螺母之

53、间是通过滚珠来传递运动的，使之成为滚动摩擦，这是滚珠丝杠区别于普通滑动丝杠的关键所在，其特点主要有以下几点：（1）传动效率高。滚珠丝杠副的传动效率高达95%98%，是普通梯形丝杠的34倍，功率消耗减少2/33/4，如图1-20所示。图1-20 滚珠丝杠螺母副传动的机械效率（2）灵敏度高、传动平稳。由于是滚动摩擦，动静摩擦系数相差极小。因此低速不易爬行，高速传动平稳。（3）定位精度高、传动刚度高。用多种方法可以消除丝杠螺母的轴向间隙，使反向无空行程，定位精度高，适当预紧后，还可以提高轴向刚度。（4）不能自锁、有可逆性。即能将旋转运动转换成直线运动，也能将直线运动转换成旋转运动。因此丝杠在垂直状态使用时，应增加制动装置或平衡块。（5）制造成本高。滚珠丝杠和螺母等元件的加工精度及表面粗糙度等要求高，制造工艺较复杂，成本高。3. 滚珠丝杠螺母副的结构形式滚珠丝杠副的结构形式根据其滚珠循环方式的不同有两种：滚珠在循环反向过