数控加工系统

第1章数控加工系统（时间：3次课，6学时）第1章数控加工系统教学目标：数控是“用数字化信号对机床运动及其加工过程进行控制的一种方法”。数控加工就是用数控机床加工零件，它是在传统加工基础上发展起来的，是伴随数控机床的产生而逐步发展起来的一种应用技术。数控加工与通用机床加工在方法和内容上有许多相似之处，而不同点主要表现在控制方式上。用数控机床加工时，编程人员要把加工过程的一切内容，按规定的代码形式编排程序，经输入装置传输到数控系统，进行运算和控制，实现机床的各种动作，自动加工出所需要的零件形状。数控加工系统指由数控机床以及与其配套的刀具系统和夹具系统组成的工艺系统，是实现数控加工的物质基础。通过本章的学习，要求读者了解数控加工的优点、数控机床的性能指标、数控机床的组成和一些典型结构、刀具及夹具系统。掌握数控加工的基本过程。第1章数控加工系统教学重点和难点：数控加工的基本过程。数控机床的结构与性能。数控加工系统。第1章数控加工系统1.1数控加工及其特点1.2数控机床的工作原理及性能指标1.3数控机床的典型机械结构1.4数控刀具系统1.5夹具及对刀工具简介1.6数控加工技术的发展1.7实训1.8习题1.1数控加工及其特点数控技术是机械加工自动化的基础，是数控机床的核心技术，其水平高低关系到国家战略地位和体现国家综合实力的水平。它随着信息技术、微电子技术、自动化技术和检测技术的发展而发展。用数控技术实施加工控制的机床，或者说装备了数控系统的机床称为数控(NumericalControl，NC)机床。在数控机床上加工零件时，一般是先编写零件加工程序单，即用程序规定零件加工的路线和工艺参数(如主轴转速、切削速度等)，数控系统根据加工程序自动控制机床的运动，将零件加工出来，区别于传统加工方式中的依靠手工操作控制机床运动。数控加工经历了半个多世纪的发展，已成为应用于当代各个制造领域的先进制造技术的基础。数控加工的最大特征有两点：一是可以极大地提高精度，包括加工质量精度及加工时间误差精度。因为加工零件的质量及加工时间是由数控程序决定而不是由机床操作人员决定的，所以可以稳定加工质量，保持加工零件质量的一致；二是可以极大地改善劳动条件。具体地说，数控加工具有如下优点。(1) 可以加工具有复杂型面的工件。在数控机床上，所加工零件的形状主要取决于加工程序，因此，只要能编写出程序，无论工件形状多么复杂都能加工。1.1数控加工及其特点(2) 提高加工精度并且保持加工质量。数控机床本身的精度比普通机床高，一般数控机床的定位精度为±0.01mm，重复定位精度为±0.005mm。而且在数控机床的加工过程中，避免了操作人员的人为误差。(3) 提高生产效率。通过合理选择切削用量，充分发挥刀具的切削性能，可以减少零件的加工时间。另外，传统机床需要用多道工序完成的工件，用数控加工可以一次装卡完成，减少了各道工序间的周转，减少了辅助加工时间。(4) 生产准备周期短。数控加工可以省去一些专用工装卡具，节省了大量的准备时间。(5) 容易实现操作过程的自动化。一个人可以操作多台机床，同时，很容易和CAD/CAM系统结合起来实现设计制造过程一体化，实现由计算机对多台机床的控制，建立网络化管理的制造过程。(6) 改善了劳动条件和环境。数控加工极大地减轻了体力劳动强度，同时，数控机床的安全防护以及防粉尘污染措施较普通机床加工有很大的进步，极大地改善了劳动环境，也减轻了加工所造成的环境污染。数控加工与传统加工方式相比，其优势是毋庸置疑的，与此同时，数控加工的应用和普及，也为我们提出了更高的要求。首先，由于数控加工设备大都综合了机、电、液和计算机技术，对使用和维修人员的技术要求较高；其次，数控设备一般价格贵，因此设备投资较大。不过这些都是暂时的问题，随着数控加工技术的日益迅猛发展，现阶段的这些问题会得到解决的，并且伴随着制造业信息化的进程，数控加工的优势会更加突出。1.2数控机床的工作原理及性能指标1.2.1数控机床组成及工作原理1.2.2数控机床的分类及性能指标1.2数控机床的工作原理及性能指标数控机床是一种装有程序控制系统的机床，程序控制系统逻辑地处理具有特定代码或其他符号编码指令规定的程序，机床执行部件执行程序发出的动作指令，从而完成零件的加工。本节重点介绍数控机床的组成及工作原理，按照不同方式对数控机床的分类以及数控机床的主要性能指标。1.2.1数控机床组成及工作原理如图1.1所示是某数控机床的整体外形结构。图1.1某数控机床整体外形图1—操纵面板；2—主轴及卡盘；3—转塔刀架；4—防护窗；5—自动排屑装置；6—导轨1.2.1数控机床组成及工作原理数控机床通常由程序输入、数控系统和机床本体等部分组成。如图1.2所示是采用计算机数控装置的数控机床组成框图，虚线框内的部分属于数控系统。数控机床的功能强弱主要由数控系统来决定，因此它是数控机床的核心部分。1.2.1数控控机床组成成及工作原原理图1.2数数控机机床组成框框图1.2.1数控控机床组成成及工作原原理1.程序序输入数控程序是是以特定代代码表示的的零件加工工工艺过程程，程序输输入就是把把数控加工工程序通过过某种装置置和方式输输送到数控控装置中，，最初数控控加工程序序的输入是是用纸带、、磁带及其其相应的阅阅读机实现现的，现在在普遍应用用的是键盘盘直接输入入、磁盘输输入、串口口以及以太太网通信方方式输入入。键盘直接输输入，就是是把编好的的数控程序序用手工通通过键盘输输入到数控控装置内，，这种方法法的弊病是是效率低、、占用机时时长、易出出错。利用串行端端口以及以以太网通信信方式输入入数控加工工程序正越越来越得到到广泛的应应用，它是是实现数控控机床联网网以及计算算机集成制制造所必需需的途径。。1.2.1数控控机床组成成及工作原原理2.数控控系统一般地说，，数控系统统由操作面面板、输入入输出接口口、数控装装置、可编编程控制器器、伺服驱驱动系统组组成。(1)操操作面板一般的数控控系统操作作面板划分分为显示器器、NC键键盘、功能能键、机床床控制面板板。NC键键盘用于零零件程序的的编制、参参数输入、、MDI及及系统管理理操作等；；功能键中中的每个功功能包括不不同的操作作菜单，采采用层次结结构；机床床控制面板板用于直接接控制机床床的动作或或加工过程程。有的数数控机床还还有“手轮轮”，它由由手摇脉冲冲发生器、、坐标轴选选择开关组组成。(2)输输入输出装装置输入装置可可将不同加加工信息传传递给数控控系统计算算机的存储储单元。在在数控机床床产生的初初期，输入入装置为穿穿孔纸带，，现已趋于于淘汰；目目前使用的的键盘、磁磁盘等，大大大方便了了信息输入入工作。输出装置指指输出系统统内部的工工作参数(含机床正正常、理想想工作状态态下的原始始参数，故故障诊断参参数等)，，一般在机机床刚进入入工作状态态时需输出出这些参数数作记录保保存，待工工作一段时时间后，再再将输出与与原始记录录资料作比比较、对照照，可帮助助判断机床床工作是否否维持正常常。(3)数数控装置数控装置是是数控机床床的运算和和控制系统统，完成所所有加工数数据的处理理、计算工工作，最终终实现对数数控机床各各功能的指指挥工作。。一般由输输入输出接接口、存储储器、控制制器、运算算器及相应应的软件等等组成。1.2.1数控控机床组成成及工作原原理输入接口接接受输入介介质或操作作面板上的的信息，并并将信息代代码加以识识别，经译译码后送入入相应的存存储器，作作为控制和和运算的原原始依据。。控制器根据据输入的指指令控制运运算器和输输出接口，，使机床按按规定的要要求协调地地进行工作作。运算器接受受控制器的的指令，及及时地对输输入数据进进行运算，，并按控制制器的控制制信号不断断地向输出出接口输出出脉冲信号号。输出接口则则根据控制制器的指令令，接受运运算器的输输出脉冲，，经过功率率放大，驱驱动伺服系系统，使机机床按规定定要求运动动。(4)可可编程控制制器可编程控制制器(PLC)是一一种工业控控制计算机机，具有抗抗干扰能力力强、可靠靠性极高、、体积小等等显著优点点，是实现现机电一体体化的理想想控制装置置。它在机机床上主要要完成M、、S、T功功能动作的的控制，即即除了进给给运动以外外的辅助运运动，目前前，PLC在机床上上的功能正正在逐渐扩扩大。例如如，用它直直接控制坐坐标轴。在中、高档档数控机床床中，PLC是CNC装置的的重要组成成部分。其其作用是：：接收来自自零件加工工程序的开开关功能信信息(辅助助功能M、、主轴转速速功能S、、刀具功能能T，如控控制主轴转转速、主轴轴正反转和和停止、切切削液开关关、卡盘夹夹紧松开、、机械手取取送刀等动动作)、机机床操作面面板上的开开关量信号号及机床侧侧的开关量量信号，进进行逻辑处处理，完成成输出控制制功能，实实现各功能能及操作方方式的联锁锁。数控机床的的PLC有有两种类型型，即内装装型和独立立型。内装型PLC与CNC其他电电路同装在在一个机箱箱内，共用用一个电源源和地线。。PLC使使用CNC装置本身身的I/O接口电路路。采用内内装型PLC造价低低，具有较较高的性价价比。独立型PLC装置和和CNC均均有自己的的I/O接接口电路，，需将PLC与CNC装置以以及PLC与机床侧侧对应的I/O信号号的接口电电路连接起起来。CNC的控制制功能易于于扩展，但但在性价比比上不如内内装型PLC。1.2.1数控控机床组成成及工作原原理通常，单微微处理器的的CNC装装置采用内内装型PLC为多，，而独立型型PLC主主要用在多多微处理器器CNC装装置上。(5)伺伺服驱动系系统伺服驱动系系统简称伺伺服系统(Servesystem)包括驱驱动单元和和伺服电机机，是一种种以机械位位置或角度度作为控制制对象的自自动控制系系统。它是是把来自数数控装置的的脉冲信号号经驱动单单元放大后后给电机，，带动机床床移动部件件的运动，，使工作台台(或溜板板)精确定定位或按规规定的轨迹迹作严格的的相对运动动，以加工工出符合图图纸要求的的零件。对对于数控机机床，如果果说CNC装置是数数控机床的的“大脑””，是发布布“命令””的“指挥挥机构”，，那么伺服服驱动系统统便是数控控机床的““四肢”，，是一种““执行机构构”，准确确地执行由由CNC装装置发出的的运动命令令。如图1.3所示示是某伺服服进给驱动动单元和伺伺服电机。。数控装置每每发出一个个脉冲，伺伺服系统驱驱动机床运运动部件沿沿某一坐标标轴进给一一步，产生生一定的位位移量，这这个位移量量称之为脉脉冲当量。。常用的脉脉冲当量为为每脉冲0.001～0.01mm。。显然，数数控装置发发出的脉冲冲数量决定定了机床移移动部件的的位移量，，而单位时时间内发出出的脉冲数数(即脉冲冲频率)则则决定了部部件的移动动速度。1.2.1数控控机床组成成及工作原原理图1.3伺伺服进进给驱动单单元和伺服服电机1.2.1数控控机床组成成及工作原原理对于闭环控控制系统，，则还包括括工作台等等机床运动动部件的位位移检测装装置。检测测反馈装置置由检测元元件和相应应的电路组组成，主要要是检测速速度和位移移，并将信信息反馈于于数控装置置，实现闭闭环控制以以保证数控控机床加工工精度。伺服系统的的性能在很很大程度上上决定了数数控机床的的性能。例例如，数控控机床的最最高移动速速度、定位位精度等重重要指标，，均取决于于进给伺服服系统的静静、动态特特性。伺服驱动系系统的分类类如下。① 按控制制对象和使使用目的的的不同，数数控机床伺伺服系统可可分为进给给伺服系统统、主轴伺伺服系统和和辅助伺服服系统。其中，进给给伺服系统统用于控制制机床各坐坐标轴的切切削进给运运动，是一一种精密的的位置跟踪踪、定位系系统，它包包括速度控控制和位置置控制，是是一般概念念的伺服驱驱动系统。。而主轴伺服服系统用于于控制机床床主轴的旋旋转运动和和切削过程程中的转矩矩和功率，，一般只以以速度控制制为主。辅助伺服系系统用在各各类加工中中心或多功功能数控机机床中，用用来控制刀刀库、料库库等辅助系系统，一般般多采用简简易的位置置控制。② 按伺服服系统调节节理论分类类，数控机机床的进给给伺服系统统可分为开开环、闭环环和半闭环环系统。③ 按驱动动部件的动动作原理又又可将其分分为电液控控制系统和和电气控制制系统。其其中，电气气控制系统统按所用驱驱动元件的的类型，又又有步进电电动机驱动动系统、直直流伺服电电动机驱动动系统和交交流电动机机驱动伺服服系统之分分。④ 按反馈馈比较控制制方式，数数控机床的的进给伺服服系统有脉脉冲比较、、相位比较较、幅值比比较和全数数字等伺服服系统之分分。1.2.1数控控机床组成成及工作原原理3.机床床本体数控机床的的本体，包包括床身、、主轴、进进给传动机机构等机械械部件。数控机床是是在普通机机床的基础础上发展起起来的，但但也作了许许多改动和和提高，如如采用轻巧巧的滚珠丝丝杠进行传传动，采用用滚珠导轨轨或贴塑导导轨消除爬爬行，采用用带有刀库库及机械手手的自动换换刀装置来来实现自动动快速换刀刀，以及采采用高性能能的主轴系系统，并努努力提高机机械结构的的动刚度和和阻尼精度度等。在机床加工工过程中，，如何减少少切削热量量对加工精精度的影响响是极为关关键的一个个问题，对对加工精度度和速度要要求都较高高的数控机机床来说更更是如此。。为了减小小热变形，，数控机床床常采取以以下措施：：采用热对对称结构及及热平衡措措施；对于于发热部件件(如主轴轴箱、静压压导轨液压压油等)采采取散热、、风冷、液液冷等控制制温升；对对切削部位位采取强冷冷措施；专专门采用热热位移补偿偿，即预测测热变形规规律建立数数学模型存存入计算机机，来进行行实时补偿偿。1.2.1数控控机床组成成及工作原原理数控机床加加工工件的的基本过程程大致如下下。(1)编编制加工程程序。把机机床加工过过程中所需需的全部指指令信息，，都用数字字化的代码码来表示，，由编程人人员编制成成规定的加加工程序，，这些指令令信息包括括加工过程程所需的各各种操作(如主轴变变速、主轴轴启动和停停止、工件件夹紧与松松开、选择择刀具与换换刀、刀架架或工作台台转位、进进刀与退刀刀、冷却液液开关等)、机床各各部件的动动作顺序以以及刀具与与工件之间间的相对位位移量等。。(2)程程序输入并并校验。把把程序输入入数控装置置后，通过过校验运行行操作并结结合刀具轨轨迹显示功功能，对程程序进行检检查。(3)加加工零件。。通过对机机床的正确确操作，加加工出所需需的工件。。在此过程程中，数控控装置根据据这些指令令信息进行行运算与处处理，不断断地发出各各种指令，，控制机床床的伺服系系统和其他他执行元件件(如电磁磁铁、液压压缸等)动动作，自动动地完成预预定的工作作。1.2.2数控控机床的分分类及性能能指标1.数数控机床床的分类类数控机床床种类繁繁多，主主要分类类方法如如下。1)按按加工工工艺范围围分类可分为3种。金金属切削削类：数数控车床床、数控控铣床、、数控磨磨床等；；金属成成型类：：数控压力力机、数控冲床床、数控折弯弯机等；特种种加工类类：NC线切切割机床床、NC电火火花成型型机床、数控激光光切割机机等。2)按按机床有有无自动动换刀装装置分类类可分为普普通数控控机床和和加工中中心。普普通数控控机床包括数控控车床数控铣床床、数控磨磨床等；；加工中中心包括括立式加工工中心(如图1.4所所示)、、卧式加工工中心、、车削加加工中心心(如图1.5所所示)、、磨削中中心等。。加工中中心与一一般的数数控机床床相比，，其主要要特点是是带有一一个容量量较大的的刀库(可容纳纳的刀具具数量一一般为10～120把把)和自自动换刀刀装置。。1.2.2数数控机机床的分分类及性性能指标标3)按按控制运运动的方方式分类类① 点位位控制(或位置置控制)数控机机床。只只能控制制工作台台(或刀刀具)从从一个位位置(点点)精确确地移动动到另一一个位置置(点)，在移移动过程程中不进进行加工工，各个个运动轴轴可以同同时移动动，也可可以依次次移动。。如数控控镗床、、数控钻钻床、数数控冲床床。如图图1.6(a)所示。。② 直线线控制数数控机床床。这类类机床一一般有2～3个个可控轴轴，但同同时控制制轴只有有一个，，它只作作平行坐坐标轴的的直线进进给运动动，因此此不能加加工复杂杂的工件件轮廓，，如图1.6(b)所所示。这这种控制制方式用用于简易易数控车车床、数数控铣床床和数控控磨床。。1.2.2数数控机机床的分分类及性性能指标标图1.4立立式加工工中心1—刀库库；2——机械手手；3——主轴；；4—操操作面板板；5——数控转转台；6—工件件；7——排屑桶桶1.2.2数数控机机床的分分类及性性能指标标图1.5车车削加工工中心1—动力力刀架；；2—第第二主轴轴；3——转塔刀刀架；4—主轴轴1.2.2数数控机机床的分分类及性性能指标标③ 轮廓廓控制数数控机床床。这类类机床的的特点是是能同时时对两个个或两个个以上的的坐标轴轴进行严严格的连连续控制制。它不不仅要控控制移动动部件的的起点和和终点位位置，而而且还要要控制整整个加工工过程中中每一点点的位置置和速度度。例如如：二坐坐标以上上的数控控铣床、、可加工工曲面的的数控车车床、加加工中心心等。如如图1.6(c)所示示。4)按按伺服系系统类型型分类①开环控制制数控机机床。这类机机床采用用开环伺伺服系统统，一般般由步进进电机、、变速齿齿轮和丝丝杠螺母母副等组组成(如如图1.7所示示)，步步进电机机每接收收一个电电脉冲信信号，它它就转过过一定角角度，从从而带动动工作台台移动一一定距离离。② 闭环环控制数数控机床床(如图图1.8所示)。这类类机床采采用闭环环伺服系系统，通通常由直直流伺服服电机(或交流流伺服电电机)、、变速齿齿轮、丝丝杠螺母母副和位位移检测测装置组组成。从从理论上上讲，这这类机床床运动部部件的位位移精度度主要决决定于检检测装置置的检测测精度，，而与机机床传动动链的精精度无关关。③ 半闭闭环控制制数控机机床(如如图1.9所示示)。这这类机床床的伺服服系统也也属于闭闭环控制制的范畴畴，只是是位移检检测装置置不是装装在机床床的工作作台上，，而是装装在传动动丝杠或或伺服电电机轴上上。由于于丝杠螺螺母副等等传动机机构不在在控制环环内，它它们的误误差不能能进行校校正，因因此这种种机床的的精度不不及闭环环控制数数控机床床高。④ 混合合环控制制数控机机床。它它是将上上述三种种形式有有选择地地集中起起来，特特别适用用于大型型数控机机床，因因为大型型数控机机床需要要较高的的进给速速度和返返回速度度，又需需要相当当高的精精度，如如采用全全闭环控控制，机机床传动动链和工工作台全全置于控控制环中中，因素素十分复复杂，难难以调试试稳定。。现在采采用半闭闭环和闭闭环系统统混合控控制方式式的数控控机床越越来越多多。1.2.2数数控机机床的分分类及性性能指标标1.2.2数数控机机床的分分类及性性能指标标图1.7开开环伺服服系统1.2.2数数控机机床的分分类及性性能指标标图1.8闭闭环伺服服系统1.2.2数数控机机床的分分类及性性能指标标图1.9半半闭环伺伺服系统统1.2.2数数控机机床的分分类及性性能指标标5)按按数控系系统档次次分类按照数控控装置的的功能水水平可大大致把数数控机床床分为低低档(经经济型)数控机床床、中档数控控机床和高档数控控机床。大体上上可从分分辨率、、进给速速度、伺伺服系统统、同时时控制轴轴数(联联动轴数数)、通通信功能能、显示示功能、、有无PLC及及主CPU水平平等几方方面加以以区分，，见表1.1。。6)按按照可联联动(同同时控制制)轴数数分类可分为2轴控制制、2.5轴控控制、3轴控制制、4轴轴控制、、5轴控控制等等等。2.5轴控控制是指指两个轴轴是连续续控制，，第三轴轴是点位位或直线线控制。。3轴控控制是三三个坐标标轴X、Y、Z都同时插插补，是是三维连连续控制制，如图图1.10所示示。5轴轴连续控控制是一一种很重重要的加加工形式式，如图图1.11所示示，这时时3个坐坐标X、Y、Z与转台的的回转、、刀具的的摆动同同时联动动。1.2.2数数控机机床的分分类及性性能指标标1.2.2数数控机机床的分分类及性性能指标标2.数数控机床床的主要要性能指指标1)数数控机床床的精度度指标① 定位位精度：：是指数数控机床床工作台台等移动动部件在在确定的的终点所所达到的的实际位位置的精精度。定定位误差差：移动动部件实实际位置置与理想想位置之之间的误误差。定定位误差差包括伺伺服系统统、检测测系统、、进给系系统等误误差。定定位误差差直接影影响零件件加工的的位置精精度。② 重复复定位精精度：是是指在同同一台数数控机床床上，应应用相同同程序相相同代码码加工一一批零件件，所得得到的连连续结果果的一致致程度。。它是一一项非常常重要的的性能指指标。2)分分辨度与与脉冲当当量分辨度：：是可以以控制的的最小位位移增量量，即数数控装置置每发出出一个脉脉冲信号号，反映映到机床床移动部部件上的的移动量量，一般般称为脉脉冲当量量。脉冲冲当量越越小，数数控机床床的加工工精度和和表面质质量越高高。目前前：普通数控控机床的的脉冲当当量一般般采用0.001mm；简易数控控机床的的脉冲当当量一般般采用0.01mm；；精密或超超精密数数控机床床的脉冲冲当量采采用0.0001mm。3)数数控机床床的可控控轴数与与联动轴轴数数控机床床的可控控轴数是是指机床床数控装装置能够够控制的的坐标数数目。世世界上最最高级的的数控装装置的可可控轴数数已达到到31轴轴，我国国目前最最高数控控装置的的可控轴轴数为9轴。数控机床床的联动动轴数是是指机床床数控装装置控制制的坐标标轴同时时达到空空间某一一点的坐坐标数目目。世界界上最高高级的数数控装置置的联动动轴数已已达到24轴，，我国目目前达到到的可联联动轴数数为9轴轴联动。。1.2.2数数控机机床的分分类及性性能指标标图1.10三三轴联联动的数数控机床床1.2.2数数控机机床的分分类及性性能指标标图1.11五五轴联联动的数数控机床床1.3数数控控机床的的典型机机械结构构1.3.1数数控机机床主传传动系统统1.3.2数数控机机床的进进给传动动系统1.3.3数数控机机床的自自动换刀刀装置1.3数数控控机床的的典型机机械结构构数控机床床是在传传统机床床的基础础上发展展起来的的，大体体结构和和传统机机床是一一样的，，但为了了适应数数字控制制的需要要以及数数控机床床的高速速度、高高精度等等方面的的要求，，数控机机床有其其特殊的的结构。。1.3.1数数控机机床主传传动系统统1.数数控机床床主传动动系统的的特点(1)主主轴转转速高、、调速范范围宽并并实现无无级调速速。这样样能使数数控机床床进行大大功率切切削和高高速切削削，实现现高效率率加工。。通常，，数控机机床比同同类型普普通机床床主轴最最高转速速高出两两倍左左右右。(2)主主轴部部件具有有较大的的刚度和和较高的的精度。。因为数数控机床床的加工工通常一一次装夹夹要完成成全部或或绝大部部分切削削加工，，包括粗粗加工和和精加工工。同时时，数控控机床要要能够适适应为提提高效率率的强力力切削。。(3)良良好的的抗振性性和热稳稳定性。。主轴部部件要有有较高的的固有频频率，较较好的动动平衡，，且要保保持合适适的配合合间隙，，并要进进行循环环润滑。。(4)为为实现现刀具的的快速或或自动装装卸，数数控机床床主轴具具有特有有的刀具具安装结结构。主主轴上设设计有刀刀具自动动装卸、、主轴定定向停止止和主轴轴孔内的的切屑清清除装置置。1.3.1数数控机机床主传传动系统统2.数数控机床床主轴的的传动方方式(1)齿齿轮传传动方式式，如图图1.12(a)所示示。大、、中型数数控机床床多采用用此方式式。它通通过几对对齿轮降降速，确确保低速速时的扭扭矩，以以满足主主轴输出出扭矩特特性的要要求。有一部分分小型数数控机床床也采用用这种传传动方式式，以获获得强力力切削时时所需要要的扭矩矩。(2)带带传动动方式，，如图1.12(b)所示。。带传动动主要应应用在小小型数控控机床上上，可克克服齿轮轮传动时时引起振振动和噪噪声的缺缺点，它它只能适适用于低低扭矩特特性要求求。数控机床床上较多多应用的的是多楔楔带，如如图1.13所所示，又又称复合合三角带带，它能能够满足足主传动动要求的的高速、、大转矩矩和不打打滑的要要求。多多楔带安安装时需需较大的的张紧力力，使得得主轴和和电动机机承受较较大的径径向负载载，这是是多楔带带的一大大缺点。。1.3.1数数控机机床主传传动系统统图1.12数数控机机床主传传动方式式1.3.1数数控机机床主传传动系统统图1.135MS型号的的多楔带带1.3.2数数控机机床的进进给传动动系统数控机床的进进给传动系统统承担了数控控机床各直线线坐标轴、回回转坐标轴的的定位和切削削进给，它的的传动精度、、灵敏度和稳稳定性直接影影响被加工件件的最后轮廓廓精度和加工工精度，因此此，对数控机机床的进给传传动系统的结结构及性能要要求较高。1.3.2数数控机床床的进给传动动系统1.数控机机床进给传动动系统的结构构特点(1) 采用用低摩擦阻力力、耐磨性好好，精度保持持性好的塑料料导轨、滚动动导轨、静压压导轨。尽量量实现高速进进给时不振动动、低速进给给时不爬行、、能在重载下下长期连续工工作，并有高高的导向精度度和足够的刚刚度。液体静压导轨轨(简称静压压导轨)是机机床上经常使使用的一种静静压导轨。静静压导轨通常常在两个相对对运动的导轨轨面间通入压压力油，使运运动件浮起。。摩擦系数极极小，功率消消耗少。这种种导轨不会磨磨损，因而导导轨的精度保保持性好，寿寿命长。但是是它的制造成成本较高。目目前静压导轨轨一般应用在在大型、重型型数控机床上上。(2) 平稳稳、无间隙的的传动。广泛泛应用滚珠丝丝杠螺母副传传动机构。各各种机械部件件首先保证它它们的加工精精度，其次采采用合理的预预紧来消除其其传动间隙。。1.3.2数数控机床床的进给传动动系统2.滚珠丝丝杠螺母副传传动结构(1) 滚珠珠丝杠螺母副副的特点① 摩擦损失失小，传动效效率高；② 传动灵敏敏，运动平稳稳，低速时无无爬行；③ 使用寿命命长；④ 轴向刚度度高；⑤ 具有传动动的可逆性，，不能实现自自锁；⑥ 制造工艺艺复杂，成本本高。1.3.3数数控机床床的自动换刀刀装置为完成对工件件的多工序加加工而设置的的存储及更换换刀具的装置置称为自动换换刀装置(AutomaticToolChanger，ATC)。自动换换刀装置可帮帮助数控机床床节省辅助时时间，并满足足在一次安装装中完成多工工序、多工步步加工要求。。数控机床对自自动换刀装置置的要求是：：换刀迅速、、时间短，重重复定位精度度高，刀具储储存量足够，，所占空间位位置小，工作作稳定可靠。。1.3.3数数控机床床的自动换刀刀装置1.自动换换刀装置的形形式根据其组成结结构可分为：：回转刀架式式、转塔式和和带刀库式。。(1) 回转转刀架自动换换刀装置。其其结构类似普普通车床上的的回转刀架，，刀架可设计计为四方形、、六角形或其其他形式，由由数控系统发发出指令进行行回转换刀。。回转刀架在在结构上必须须有良好的强强度和刚性，，以及合理的的定位结构，，以保证回转转刀架在每一一次转位之后后具有尽可能能高的重复定定位精度。(2) 转塔塔式自动换刀刀装置。各主主轴头预先装装好所需刀具具，依次转至至加工位置，，接通主运动动，带动刀具具旋转。该方方式的优点是是省去了自动动松夹、装卸卸刀具、夹紧紧及刀具搬动动等一系列的的复杂操作，，缩短了换刀刀时间，提高高了换刀可靠靠性，其缺点点是主轴部件件的刚性差，，且主轴的数数目不可能太太多。(3) 带刀刀库的自动换换刀装置。将将加工中所需需刀具分别装装于标准刀柄柄，在机外进进行尺寸调整整之后按一定定方式放入刀刀库，由刀具具交换装置完完成刀库和主主轴之间的刀刀具交换。带带刀库的自动动换刀装置的的数控机床主主轴箱和转塔塔主轴头相比比较，主轴部部件有足够刚刚度，因而能能够满足各种种精密加工的的要求。1.3.3数数控机床床的自动换刀刀装置2.刀具交交换的方式刀具交换的方方式通常分为为两种。(1) 无机机械手交换刀刀具方式：它它是依靠刀库库与机床主轴轴的相对运动动实现刀具交交换的。优点点是结构简单单，成本低，，换刀的可靠靠性较高。缺缺点是刀库因因结构所限容容量不多。这这种换刀系统统多为中、小小型加工中心心采用。(2) 带机机械手交换刀刀具方式：如如图1.17所示，它是是依靠机械手手实现换刀动动作的，当主主轴上的刀具具完成一个工工步后，机械械手把这一工工步的刀具送送回刀库，并并把下一工步步所需要的刀刀具从刀库中中取出来装入入主轴以便继继续进行加工工。其优点是是换刀时间短短，主轴刚度度好，加工区区空间大。机机械手换刀是是目前最为常常见的一种换换刀方式。刀库形式按结结构可分为：：圆盘式，如如图1.18(a)～图图1.18(d)所示，，它结构简单单，容量小，，适于中小型型加工中心；；链式，如图图1.18(e)所示，，这种刀库容容量较大，一一般能装30～120把把刀具，适于于大型加工中中心；箱格式式刀库，如图图1.18(f)所示，，刀具容量大大，适于单元元式加工中心心。数控刀具系统统在数控加工工中具有极其其重要的意义义，正确选择择和使用与数数控机床相匹匹配的刀具系系统是充分发发挥机床的功功能和优势、、保证加工精精度以及控制制加工成本的的关键。数控控加工用夹具具基本上沿用用了传统加工工的装夹方式式，只是在自自动化水平、、精度和速度度等方面有所所提高。1.3.3数数控机床床的自动换刀刀装置图1.17机机械手交交换刀具方式式的数控加工工中心1.3.3数数控机床床的自动换刀刀装置1.3.3数数控机床床的自动换刀刀装置图1.18不不同结构构形式的刀库库1.4数数控刀具系统统1.4.1数数控刀具具的特点1.4.2数数控刀具具的分类1.4数数控刀具系统统1.4.1数数控刀具具的特点数控加工刀具具与普通金属属切削刀具相相比，应具有有以下特点。。(1) 刀柄柄的强度要高高、刚性要好好。(2) 刀片片或刀具的热热变形小，耐耐磨性要好。。(3) 刀具具应具有较高高的精度，包包括刀具的形形状精度、刀刀片及刀柄对对机床主轴的的相对位置精精度、刀片及及刀柄的转位位及拆装的重重复精度。(4) 刀具具应能可靠地地断屑或卷屑屑，以利于切切屑的排除。。(5) 刀具具应便于调整整、互换，以以减少换刀调调整时间。(6) 刀片片及刀柄高度度的通用化、、规格化、系系列化，以利利于编程和刀刀具管理。1.4.2数数控刀具具的分类1.从结构构上分整体式、镶嵌嵌式、特殊型型式(如减震震式刀具、内内冷式刀具等等)。镶嵌式式又可分为焊焊接式和机夹夹式，机夹式式根据刀体结结构不同还可可分为可转位位和不转位。。目前数控刀刀具主要采用用机夹式可转转位刀具。硬质合金可转转位刀片的国国家标准采用用了ISO国国际标准。为为适应我国的的国情还在国国际标准规定定的9个号位位之后，加一一短横线，用用一个字母和和一位数字表表示刀片断屑屑槽形式和宽宽度。因此，，我国可转位位刀片的型号号，共用10个号位的内内容来表示刀刀片主要参数数的特征。例例如，刀片标标记“TNUM160408ERA2”所表示的的含义如下。。T：刀片形状状——正三角角形；N：后角———0°；U：尺寸偏差差等级——U级；M：刀片类型型——M型(单面断屑槽槽，紧固方式式：有圆形中中心孔)；16：刀刃长长度——主切切削刃尺寸整整数表示，圆圆刀片用直径径表示；04：刀片厚厚度——4.76mm；；08：刀尖圆圆弧半径———0.8mm；E：刃口形状状——E型；；R：切削方向向——右切；；A2：断屑槽槽型与宽度———A型，宽宽度2mm。。1.4.2数数控刀具具的分类2.从制造造所采用的材材料上分(1) 高速速钢刀具。(2) 硬质质合金刀具。。目前，硬质质合金刀具使使用最普遍，，涂层硬质合合金刀片是在在韧性较好的的工具表面涂涂上一层耐磨磨损、耐溶蚀蚀、耐反应的的物质，使刀刀具在切削中中同时具有既既硬而又不易易破损的性能能。常见的涂涂层材料有TiC、TiN、TiCN、Al2O3等陶瓷瓷材料。图1.19为硬硬质合金涂层层刀片。(3) 陶瓷瓷刀具。高温温强度好，多多用于高速连连续切削。(4) 立方方氮化硼刀具具。超高速加加工的首选刀刀具材料。(5) 金刚刚石刀具。金金刚石刀具适适用于高效地地加工有色金金属和非金屑屑材料。材料的硬度、、耐磨性，金金刚石最高，，递次降低到到高速钢。材材料的韧性则则是高速钢最最高，金刚石石最低。1.4.2数数控刀具具的分类图1.19硬硬质合金金涂层刀片1.4.2数数控刀具具的分类3.从切削削工艺上分(1) 车削削刀具。数控控车床一般使使用标准的机机夹可转位刀刀具，如图1.20(a)、图1.20(e)所示。机夹夹可转位刀具具的刀片和刀刀体都有标准准，刀片材料料采用硬质合合金、涂层硬硬质合金以及及高速钢。数控车床机夹夹可转位刀具具类型有外圆圆刀具、外螺螺纹刀具、内内圆刀具、内内螺纹刀具、、切断刀具、、孔加工刀具具(包括中心心孔钻头、镗镗刀、丝锥等等)。机夹可转位刀刀具夹固不重重磨刀片时通通常采用螺钉钉、螺钉压板板、杠销或楔楔块等结构。。(2) 钻削削刀具，如图图1.20(f)所示，，分小孔、短短孔、深孔、、攻螺纹、铰铰孔等。钻削刀具可用用于数控车床床、车削中心心，又可用于于数控镗铣床床和加工中心心。因此它的的结构和连接接形式有多种种。有直柄、、直柄螺钉紧紧定、锥柄、、螺纹连接、、模块式连接接(圆锥或圆圆柱连接)等等多种。(3) 镗削削刀具，如图图1.20(g)所示，，分粗镗、精精镗等刀具。。(4) 铣削削刀具，分面面铣、立铣、、键槽铣刀、、鼓形铣刀、、成形铣刀等等刀具。面铣刀(也叫叫端铣刀，如如图1.20(h)所示示)：面铣刀刀的圆周表面面和端面上都都有切削刃，，端部切削刃刃为副切削刃刃。面铣刀多多制成套式镶镶齿结构和刀刀片机夹可转转位结构，刀刀齿材料为高高速钢或硬质质合金，刀体体为40Cr。立铣刀：立铣铣刀是数控机机床上用得最最多的一种铣铣刀。立铣刀刀的圆柱表面面和端面上都都有切削刃，，它们可同时时进行切削，，也可单独进进行切削。结结构有整体式式(如图1.20(i)所示)和和机夹式(如如图1.20(b)、图图1.20(c)、图1.20(d)所示)等等，高速钢和和硬质合金是是铣刀工作部部分的常用材材料。模具铣刀：模模具铣刀由立立铣刀发展而而来，可分为为圆锥形立铣铣刀、圆柱形形球头立铣刀刀和圆锥形球球头立铣刀三三种。它的结结构特点是球球头或端面上上布满切削刃刃，可以作径径向和轴向进进给。铣刀工工作部分常用用高速钢或硬硬质合金材料料制造。1.4.2数数控刀具具的分类1.4.2数数控刀具具的分类4.按刀具具系统分现在数控机床床的刀具已不不是普通机床床的“一机一一刀”模式，，而是多种不不同类型的刀刀具轮换使用用，自动换刀刀。“刀具””已发展成““数控工具系系统”，不同同的刀具类型型和刀柄的结结合构成一个个品种规格齐齐全的刀具系系统，供用户户选择和组合合使用，目前前的数控工具具形成了两大大系统：镗铣铣类工具系统统、车削工具具系统。数控镗铣类工工具系统一般般由与机床连连接的锥柄、、延伸部分的的连杆和工作作部分的刀具具组成。它们们经组合后可可以完成钻孔孔、扩孔、铰铰孔、镗孔、、攻螺纹等加加工工艺。连连接主轴刀柄柄与主轴孔一一般是锥度为为7∶24的的锥面。镗铣铣类工具系统统分为整体式式结构和模块块式结构两大大类。(1) 整体体式结构它的特点是将将锥柄和接杆杆连成一体，，不同品种和和规格的工作作部分都必须须带有与机床床相连的柄部部，如图1.21所示。。其优点是结结构简单，使使用方便、可可靠，更换迅迅速等。我国国TSG工具具系统就属于于整体式结构构的工具系统统。如图1.22所示是是TSG工具具系统，选用用时一定要按按图示进行配配置。不同结结构、尺寸的的工具用不同同的代码表示示。(2) 模块块式结构镗铣类模块式式工具系统是是把整体式刀刀具分解成柄柄部(主柄模模块)、中间间连接块(连连接模块)、、工作头部(工作模块)三个主要部部分，然后通通过各种连接接结构，在保保证刀杆连接接精度、强度度、刚性的前前提下，将这这三部分连接接成整体，如如图1.23所示。这种工具系统统可以用不同同规格的中间间连接块，组组成各种用途途的模块工具具系统，既灵灵活、方便，，又大大减少少了工具的储储备。我国生生产的TMG10、TMG21工具具系统就属于于模块式结构构工具系统，，该工具系统统应用广泛，，是加工中心心使用的基本本工具。数控车削工具具系统的构成成和结构，与与机床刀架的的形式、刀具具类型及刀具具是否需要动动力驱动等因因素有关。数数控车床常采采用立式或卧卧式转塔刀架架作为刀库，，刀库容量一一般为4～8把刀具，常常按加工工艺艺顺序布置，，由程序控制制实现自动换换刀。其特点点是结构简单单，换刀快速速，每次换刀刀仅需l～2s。如图1.24所示示为数控车削削加工用工具具系统的一般般结构体系。。德国DIN

69880工具系统统属于此类系系统。1.4.2数数控刀具具的分类图1.21整整体式数数控刀具结构构1.4.2数数控刀具具的分类图1.22TSG工工具系统1.4.2数数控刀具具的分类图1.23模模块式工工具系统的组组成1.4.2数数控刀具具的分类图1.24数数控车削削加工工具系系统的一般结结构体系1.5夹夹具及对刀工工具简介1.5.1数数控机床床的夹具1.5.2数数控机床床的对刀工具具1.5夹夹具及对刀工工具简介数控机床的高高精度、高速速度、高柔性性的加工特点点，对夹具、、对刀等辅助助加工工具及及方法也有较较高的要求。。目前，已经经形成了一些些组合、高精精密、多功能能的夹具以及及数控机床上上专用的一些些对刀工具。。1.5.1数数控机床床的夹具1.夹具的的类型夹具是由定位位元件、夹紧紧装置、连接接元件、对刀刀或导向元件件、夹具体、、其他装置等等组成的。按按其通用性可可分为通用夹夹具和专用夹夹具。按其动动力源可分为为手动夹具、、气动夹具、、液压夹具、、电动夹具、、磁力夹具等等。按其使用用机床可分为为车床夹具、、铣床夹具、、钻床夹具、、磨床夹具等等。1.5.1数数控机床床的夹具2.数控加加工夹具的特特点作为机床夹具具，首先要满满足机械加工工时对工件的的装夹要求。。同时，数控控加工的夹具具还有它本身身的特点。(1) 数控控加工适用于于多品种、中中小批量生产产，为了能够够装夹不同尺尺寸、不同形形状的多品种种工件，数控控加工的夹具具应具有柔性性，即经过适适当调整就可可以夹持多种种形状和尺寸寸的工工件。(2) 传统统的专用夹具具具有定位、、夹紧、导向向和对刀四种种功能，而数数控机床上一一般都配备有有接触试测头头、刀具预调调仪及对刀部部件等设备，，可以由机床床解决对刀问问题。(3) 为适适应数控加工工的高效率，，从结构上要要力求装卸工工件迅速方便便，同时，数数控加工夹具具应尽可能使使用气动、液液压、电动等等自动夹紧装装置快速夹紧紧，以缩短辅辅助时间。(4) 夹具具本身应有足足够的刚度，，以适应大切切削用量切削削。(5) 为适适应数控多面面加工，要避避免夹具结构构包括夹具上上的组件对刀刀具运动轨迹迹的干涉，夹夹具结构不要要妨碍刀具对对工件各部位位的多面加工工。(6) 夹具具的定位要可可靠，定位元元件应具有较较高的定位精精度，定位部部位应便于清清屑，无切屑屑积留。以满满足数控加工工的精度要求求和安全生产产。(7)对对刚度小的的工件，应应保证最小小的夹紧变变形，如使使夹紧点靠靠近支承点点，避免把把夹紧力作作用在工件件的中空区区域等。(8)尽尽可能在一一次装夹中中进行多个个表面的多多工序加工工，减少零零件的重新新装夹次数数。1.5.2数控控机床的对对刀工具数控加工中中，应首先先确定零件件的加工原原点，以建建立准确的的加工坐标标系，同时时也要考虑虑刀具的不不同尺寸对对加工的影影响。这些些都需要通通过对刀来来解决。常常用的对刀刀设备有：：刀具预调调仪、对刀刀器等。1.6数数控加工工技术的发发展1.6.1数控控系统的发发展1.6.2数控控机床的发发展1.6数数控加工工技术的发发展20世纪中中期，市场场竞争日趋趋激烈，产产品更新换换代加快，，大批量产产品越来越越少，小批批量产品生生产的比重重越来越大大，迫切需需要一种精精度高、柔柔性好的数数控加工设设备来满足足上述需求求。同时，，电子技术术和计算机机技术的飞飞速发展为为数控机床床的进步提提供了坚实实的技术基基础。数控控加工技术术正是在这这种背景下下诞生和发发展起来的的。它的产产生给自动动化技术带带来了新的的概念，推推动了加工工自动化技技术的发展展。数控加工技技术的发展展可以分为为数控系统统的发展和和数控机床床的发展两两个方面。。1.6.1数控控系统的发发展从1952年第一台台试验性数数控系统问问世，至今今已有50多年的历历史，计算算机数控(CNC)从20世世纪70年年代中期出出现，到现现在也已有有20多年年了。数控控系统由当当初的电子子管式起步步，经历了了以下几个个发展阶段段：分立式式晶体管式式——小规规模集成电电路式———大规模集集成电路式式———小型计算算机式———超大规模模集成电路路——微机机式的数控控系统。目前，一个个高性能的的数控系统统已经具有有以下特性性和功能：：友好的、