职工培训教材《数控操作技术》

孟州市产业集聚区职工培训中心培训教材数控操作技术数控操作技术主编：郭建成副主编：李国中（河南省中原内配股份有限公司）参编人员：杨艳丽张明卓李韶辉杨智祥刘春山（河南省中原内配股份有限公司）张学俭（河南省中原内配股份有限公司）孟州市产业集聚区职工培训中心

前言本教材是一本具有专业性的数控操作技术培训教材。该教材重在讲解数控机床的操作部分，是培养企业合格数控操作工的一本理想教材，也可为孟州企业数控操作提供参考，本教材的内容和知识点密切联系实际，让员工既能学到理论知识，又能提高专业技能。该教材讲解了最先进的机床操作技术，介绍了软件基本操作和机床操作。企业员工通过培训可以熟练掌握数控机床的操作，并迅速进入岗位工作。这套培训教材共分为两章，第一章概论第一节数控机床的基本概念，由郭建成老师编写；第一章概论第二节数控机床的构成及分类，由杨艳丽老师编写；第一章概论典型的数控机床，由李国中老师（企业）和李韵辉老师编写；第二章数控加工艺基础第一节工艺的基本概念，由张学俭老师（企业）和杨智祥老师编写；第二章数控加工艺基础第二节数控加工工艺参数计算基础，由张明卓和刘春山老师（企业）编写。本书在编写过程中，得到孟州市产业集聚区领导及广大企业的大力支持，为教材编写提出意见和建议，并有多员企业骨干参与教材的编写，在此表示衷心的感谢。当然，由于编者水平有限，本教材的缺点和不足在所难免。在具体教学实践中，我们会不断完善和修改，并期待领导、专家及同行提出批评，更希望本校教师创造性地使用，使本套教材更加充实和完善，更加体现培训教材的特色。编者2012年12月

目录TOC\o"1-2"\h\z\u8106第一章概论 第一章概论第一节数控机床的基本概念一、数控机床的定义数字控制（numericalcontrol）是近代发展起来的一种自动控制技术，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，简称为数控（NC）。数控机床，就是采用了数控技术的机床，或者说是装备了数控系统的机床。国际信息处理联盟（InternationalFederationofInformationProcessing，即IFIP）第五技术委员会，对数控机床作了如下定义：数控机床是一部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规定的程序。定义中所指的那种程序控制系统，就是所说的数控系统。数控系统是一种控制系统，它自动阅读输入载体上事先给定的数字值，并将其译码，从而使机床动作和加工零件。数控系统包括：数控装置、可编程序控制器、主轴驱动及进给驱动装置等部分。数控机床是一种高度机电一体化的产品。二、数控机床加工机械零件的一般过程金属切削机床加工零件，是操作者根据图样的要求，不断地改变刀具与工件之间的运动参数（位置、速度……等），使刀具对工件进行切削加工，最终得到所需要的合格的零件。数控机床的加工，是把刀具与工件的运动坐标分割成一些最小的单位量，即最小位移量，由数控系统按照零件程序的要求，使坐标移动若干个最小位移量，从而来实现刀具与工件的相对运动，以完成零件的加工。通过图1-1，可以了解数控机床加工机械零件的原理。例如，在平面上，要加工任意曲线L的零件。要求刀具T沿工件形状的曲线轨迹运动，进行切削加工。可以将曲线L分解成：Δl0，Δl1，Δl2……，Δli等线段。在数控加工中，使数控机床动作的是数控装置给数控机床传递运动命令的脉冲群，每一个脉冲对应于机床的单位位移量。在进行曲线加工时，可以用一给定的数学函数，来模拟线段Δli。根据给定的数学函数，如线性函、圆函数或高次函数，在理想的轨迹或轮廓上的已知点之间，进行数据点的密化，确定一些中间点的方法，称之为插补。按照规定的直线，给出两端点间的插补数字信息，借此信息控制刀具的运动，加工出理想的曲面，称为直线插补。而按照规定的圆弧、其它二次曲线或高次函数，给出两端点间的插补数字信息，控制刀具运动，加工出理想的曲面，则称为圆弧插补、二次曲线插补（如抛物线插补）或高次函数插补（如螺旋线插补）等。处理这些插补的算法，称之为插补运算。数控装置，就是一台能够接受零件图样加工要求的信息，并按照一定的数学模型进行插补运算。实时地向各坐标轴发出速度控制指令（如Δvzi，Δvyi……等等）及切削用量的特殊用途的电子计算机。除了数控装置以外，为了使数控机床运转，还需要有一个足够的功率，能快速响应的驱动装置。在数控机床上采用的驱动装置，按其原理基本上是两种控制方式。它是按照任意轨迹信息（path-information）的指令W，与实际测量值X，在比较器中比较，形成的控制分量来区分的。1.关断电路（cut-off）在关断电路中，比较器发出的一个信号，符合X-W=02.调节电路（regulation）信号由调节电路送到执行机构时X-W≠0关断电路原理，用于点位（point-to-point）控制，而调节电路则用于轨迹（continuous-path）控制。点位控制和直线控制一般是单轴或两轴联动。而连续轨迹控制则是两轴或者两轴以上的联动。当然，数控机床要实现数控加工，还必须有能满足和实现上述加工方式要求的机床主机、刀具以及其它一整套辅助、配套设备。所以，只要具备了数控装置、驱动装置、机床主机以及相应的配套设备，就可以组成一台数控机床，完成各种零件的数控加工。三、发展数控机床的原因近代，大工业生产大量采用了刚性自动化。在汽车工业及轻工消费品生产方面，采用了大量的组合机床自动线，生产流水线；在标准件（如螺钉、螺母及带轮等）的生产中则采用凸轮控制等用于特殊加工的专用机床。这类机床，适合于大批量零件的生产，但由于建立制造过程较难，所以更换产品及修改生产工艺需要较长的时间和比较多的费用。进入80年代以来，由于市场竞争激烈，产品更新极为迅速，中、小批量零件的生产越来越多。对于工业国家来说，中、小批零件的生产几乎占产品数量的75%-80%。而且随着航空工业、汽车工业以及轻工消费品生产的高速增长，复杂图形的零件越来越多，精度要求也越来越高。这就使传统的刚性自动化不能满足要求，而柔性加工的重要性更加突出，可调的柔性自动化也就迅速地发展起来。数控机床就是实现柔性自动化最重要的装备，是发展柔性生产的基础。数控机床的优点：1）能完成很多普通机床难以完成，或者根本不能加工的复杂型面的零件加工。因此，数控机床首先在航空、航天等领域获得应用。在复杂型面的模具加工中，在蜗轮叶片及螺旋桨的加工中，也都得到了广泛的应用。2）采用数控机床，可以提高零件的加工精度，稳定产品的质量。由于数控机床是按照预定的程序自动加工，加工过程不需要人工干预。而且加工精度还可以利用软件来进行校正及补偿。因此，可以获得比机床本身精度还要高的加工精度及重复精度。3）可以提高生产率。采用数控机床比普通机床可以提高生产率2-3倍。尤其对某些复杂零件的加工，生产率可以提高十几倍甚至几十倍。4）可以实现一机多用。一些数控机床，例如加工中心、车削中心等，都可以自动换刀。一次装卡以后，几乎能完成零件全部加工部位的加工，可以替代5-7台普通机床，并节省了厂房面积。5）几乎不需要专用的工装卡具。采用普通的通用工夹具，只需更换程序，就可适应不同品种及尺寸规格零件的自动加工。6）减少了在制品，从而加速了流动资金的周转，提高经济效益。7）大大减轻了工人的劳动强度。数控机床与普通机床的性能对比见表1-1。从表1-1可以看出，数控机床不仅可以节约劳动力，提高劳动生产率，而且可以提高产品质量，对开发新产品和促进老产品的更新换代、加速流动资金运转和缩短交货期，都起着很大作用。表1-1数控机床与普通机床的对比序号项目数控机床普通机床序号项目数控机床普通机床1加工异形复杂零件的能力强弱7初期投资高低2改变加工对象的柔性程度高低8对操作人员素质的要求高低3加工零件质量和加工精度高低9对生产计划、生产准备和生产调度的要求高低4加工效率高低10运转费（包括人力、原材料、电力、厂房）低高5设备利用率高低11维修技术及费用高低6产品优化设计与CAD连接功能高低12对不合格品再加工（即回用）的费用低高但是，数控机床的初期投资及维修技术等费用较高，要求管理及操作人员的素质也较高。合理地选择及使用数控机床，可以降低企业的生产成本和提高企业的经济效益与竞争能力。综上所述，对于单件、中小批量生产；形状比较复杂，精度要求较高的零件加工；产品更新频繁，生产周期要求短的加工，大都采用数控机床，可以提高产品质量，降低生产成本，满足用户的要求，获得很好的经济效益。数控机床的构成及分类一、数控机床的结构特点为保证达到高精度、高效率、高自动化程度，数控机床的结构具有以下一些特点：①高刚度。因为数控机床要在高速和重切削条件下工作，因此机床的床身、工作台、主轴、立柱、刀架等主要部件，均需具有很高的刚度，工作中应无变形或振动。例如：床身应合理布筋，能承受重载与重切削力；工作台与拖板应具有足够的刚性，能承受工件重量并使工作平稳；主轴在高速下运转，应具有高的径向扭钜和轴向推力；立柱在床身上移动，应平稳，能承受大的切削抗力；刀架在切削加工中应十分平稳而无振动。②高灵敏度。数控机床在自动状态下工作，要求精度比普通机床高，因而运动部件应具有高灵敏度。导轨部件通常用滚动导轨、塑料导轨、静压导轨等，以减少摩擦力，在低速运动时无爬行现象。工作台、刀架等部件的移动，由直流或交流伺服电机驱动，经滚珠丝杠或静压丝杠传动。主轴既要在高刚度、高速下回转，又要有高灵敏度，因而多数采用滚动轴承或静压轴承。③高抗振性。数控机床的一些运动部件，除了应具有高刚度、高灵敏度外，还应具有高抗振性，在高速重切削情况下应无振动，以保证加工工件的高精度和高表面光洁度。应该指出的是，特别要避免切削时的谐振。④热变形小。机床的主轴、工作台、刀架等运动部件，在运动中常易产生热量。为保证部件的运动精度，要求各运动部件的发热量最少，以防产生热变形。为此，立柱一般采取双壁框式结构，在提高刚度的同时，使零件结构对称，防止因热变形而产生倾斜偏移。为使主轴在高速运转中产生的热量最少，通常采用恒温冷却装置，使主轴轴承在运转中产生的热易于消散。为减少电动机运转发热的影响，在电机上安装有散热装置或热管消热装置。⑤高精度保持性。数控机床的加工精度较高。在高速强力切削下满载工作，为保证机床在长期内具有稳定的加工精度，要求数控机床具有高的精度保持性。除了各有关零件应正确选择材料，以防止使用中的变形和快速磨损外，还要求采取一些工艺措施，如淬火和磨削导轨、粘贴抗磨塑料导轨等，以提高运动部件的耐磨性。⑥高可靠性。数控机床在自动或半自动条件下工作，尤其在柔性制造系统中的数控机床，可在24小时运转中实现无人管理，因此要求机床具有高的可靠性。为此，除一些运动部件应保证不出故障外，特别是数控系统动作频繁的刀库、换刀机构、托盘、工件交换装置等部件，必须保证在长期工作中十分可靠。⑦刀具先进。数控机床要能充分发挥效能，实现高精度、高效率、高自动化，除了机床本身应满足上述要求外，刀具也必须先进，应有高耐用度，其结构也要合理。对于不同的数控机床，要有不同的刀具系统及相应的刀片。现代数控机床在技术上的发展趋势，是不断提高精度、效率、自动化程度及智能化。因此，机床的主要部件，如导轨、主轴、工作台、传动丝杠、刀库、机械手、刀具预调装置等，应符合上述要求。目前，数控机床正向着高速化发展。图2-1是加工中心主轴转速高速化发展趋向图，图2-2是加工中心进给速度高速化发展趋向图。数控机床的主要技术参数的进展情况见表2-1，数控机床的结构要求及其对策见表2-2。表2-1数控机床主要技术参数的发展序号项目50年代末60年代初60年代末70年代80年代新近水平1主轴速度（r/min）200030006000800010000～100002快速进给（m/min）4.86～9.8101524～363定位精度（m）±20±15±10±8～±3±5～±14重复精度（m）108520.55加工圆弧真圆度（m）5025201046刀具交换（ATC）刀具数（把）ATC16～48ATC16～60ATC30～120刀具管理～120刀具管理系统～1207工件更换（APC）无APC无APCAPCAPC多个托盘，FMS，无人运输车APC多个托盘，FMS8数控系统真空管晶体管ICLSI磁泡存储器16、32位微处理器，彩色CRT32、64位微处理器，MAP表2－2数控机床的结构要素及其对策项目注意要点床身结构导轨主轴驱动控制机床设计1、根据精度要求正确布局2、在确保精度条件下，提高效率和自动化程度高精度，复杂结构时特别注意布局合理V－V多用超高精度轴承（液体静压）驱动源隔离高分辩率一般精度时注意刚性V－平、平－平多用高精度滚动轴承直接传动半闭环简单结构时注意可靠性平－平轴承间适当距离直接传动精度1、提高关键部件精度2、采取工艺措施提高精度保持性3、采用精度补偿采用长年变化抑制对策非悬伸导轨准直调整消除各种间隙闭环、数字化时效处理对悬伸进行支撑前后支承孔高同心度消除驱动不平衡半闭环加补偿刚度1、提高部件刚度2、一体化适当布筋3、预加载荷接合面提高刚度加适量预加载荷支承间距离大时加粗轴径高刚度伺服电机一体化适当布筋预加载荷，采用合适磨擦副采用复合轴承，预加载荷采用大直径滚珠丝杠，预加载荷伺服刚性化热变形1、减少热源2、采用对称结构3、采用冷却措施热源隔离强制润滑强制冷却螺母预加载荷可调整强制空冷对称结构采用减少摩擦对策前轴承轴向支承力持，低粘度润滑剂进给丝杠有轴向力支承，中空滚珠丝杠低热高效伺服电机振动1、采用抗振材料2、消除不平衡3、隔离振源高衰减材料、铸件内腔夹砂运动面间有合适油膜、气层回转件平衡，主轴电机隔离驱动电机隔离振动接合面减少摩擦适当的摩擦衰弱措施主轴、电机轴对准隔振离合器加减速控制可靠性1、结构上尽量简化2、提高各元部件质量足够刚度不变形高耐磨减摩擦材料适当润滑高刚度正确润滑平衡隔振高质量元件、系统适应控制伺服1、高刚度2、高应答，高灵敏度提高伺服刚度高精度控制，高速应答二、数控机床的构成及其功能特点（一）构成数控机床一般由下列几个部分组成1）主机是数控机床的主体，包括床身、立柱、主轴、进给机构等机械部件。2）CNC装置是数控机床的核心，包括硬件（印刷电路板、CRT显示器、键盘、纸带阅读机……等）以及相应的软件。3）驱动装置是数控机床执行机构的驱动部件，包括主轴驱动单元、进给驱动单元、主轴电机及进给电机……等。4）数控机床的辅助装置指数控机床的一些必须的配套部件，用以保证数控机床运行。它包括液压和气动装置、排屑装置、交换工作台、数控转台和数控分度头，还包括刀具及监控检测装置。5）编程机及其他一些附属装备。（二）功能和特点1.主机主机是数控机床的主体，是用于完成各种切削加工的机械部分。根据不同的零件加工要求，有车床、铣床、钻床、镗床、磨床、重型机床、电加工机床以及其它类型。与普通机床不同的是，数控机床的主机结构上具有以下特点：1）由于大多数数控机床采用了高性能的主轴及伺服传动系统，因此，数控机床的机械传动结构得到了简化，传动链较短。2）为了适应数控机床连续地自动化加工，数控机床机械结构具有较高的动态刚度，阻尼精度及耐磨性，热变形较小。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。2.CNC（computerizednumericalcontrol）装置这是数控机床的核心。用于实现输入数字化的零件程序，并完成输入信息的存储、数据的变换、插补运算以及实现各种控制功能。现代数控机床的数控装置都具备下面一些功能。多坐标控制（多轴联动）。实现多种函数的插补（直线、圆弧、抛物线等）。代码转换（EIA∕ISO代码转换、英制∕公制转换、二－十进制转换、绝对值∕增量值转换等）。人机对话、手动数据输入，加工程序输入，编辑及修改。加工选择，各种加工循环，重复加工、凹（凸）模加工，镜象加工等。可实现各种补偿功能，进行刀具半径、刀具长度、传动间隙、螺距误差的补偿。实现故障自诊断。CRT显示，实现图形、轨迹、字符显示。联网及通信功能。3.驱动装置是数控机床执行机构的驱动部件。普通机床的主轴和进给系统，主要由电机驱动进给箱及主轴箱的齿轮来实现运动和变速。而数控机床主轴和进给则是由数控装置发出进给指令，通过电气或电液伺服系统实现的。当几个进给轴实现了联动时，可以完成点位、直线、平面曲线或空间曲线的加工。一般来说，数控机床的伺服驱动，要求有好的快速响应性能，能灵敏而准确的跟踪由数字控制装置发来的数字指令信号。4.数控机床的辅助装置他是保证数控机床功能充分发挥所需要的配套部件。由于这些配套装置包括的面很广，有电器、液压、气动元件及系统，冷却、排屑、防护、润滑、照明、储运等一系列装置，它对开发数控机床本身的功能具有很大的作用，因此受到了各产业部门的重视，发展极为迅速。5.程编机及其他一些附属设备现代数控机床，不仅可以利用CNC装置上的键盘直接输入零件的程序，也可以利用自动程编机，在机外进行零件的程序编制，将程序记录在信息载体上（如纸带、磁带、磁盘等），然后送入数控装置。对于较为复杂的零件，一般都是采用这种办法。对这种方式，我们称为自动程序编制，或计算机程序编制。大型的，特殊曲面的零件程序，往往要用小型计算机来实现，还可以利用电子计算机的通用外围设备，如打印机、自动穿孔机来制作程序单及控制带。现在随着微电子技术的发展，大多数零件的程序编制工作，已经可以由微型计算机来实现了。为了便于使用，一些公司还可以提供一些专用的程编机，并配有完整的附属设备。使用专用的程编软件，可以方便的，高质量的编制出各种需要的零件程序。三、数控机床的分类目前，为了研究数控机床，可从不同的角度对数控机床进行分类。（一）按控制系统的特点分类1.点位控制数控机床对于一些孔加工用数控机床，只要求获得精确的孔系坐标定位精度，而不管从一个孔到另外一个孔是按照什么轨迹运动，如坐标钻床，坐标镗床以及冲床等，就可以采用简单而价格低廉的点位控制系统。这种点位控制系统，为了确保准确的定位，系统在高速运行后，一般采用3级减速，以减小定位误差。但是由于移动件本身存在惯性，而且在低速运动时，摩擦力有可能变化。所以即使系统关断后，工作台并不立即停止，形成定位误差Δd，而且这个值有一定的分散性。2.直线控制数控机床某些数控机床不仅要求具有准确定位的功能，而且要求从一点到另一点之间按直线移动，并能控制位移的速度（见图1－5）。因为这一类型的数控机床在两点间移动时，要进行切削加工。所以对于不同的刀具和工件，需要选用不同的切削用量及进给速度。这一类的数控机床包括：数控镗铣床、数控机床、加工中心等。一般情况下这些数控机床，有两个到三个可控轴，但同时控制轴只有一个。为了能在刀具磨损或更换刀具后，可得到合格的零件，这类机床的数控系统常常具有刀具半径补偿功能、刀具长度补偿的功能，和主轴转速控制的功能。3.轮廓控制的数控机床更多的数控机床，具有轮廓控制的功能（见图1－6），即可以加工曲线或者曲面的零件。这类机床有二坐标及二坐标以上数控铣床，可加工曲面的数控车床，加工中心等。这类数控机床应能同时控制两个或两个以上的轴具有插补功能（见图1－7），对位移和速度进行严格的不间断控制。现代数控机床绝大多数都具有两坐标或两坐标以上联动的功能，不仅有刀具半径补偿、刀具长度补偿、还有机床轴向运动误差补偿、丝杠、齿轮的间隙误差补偿…等一系列功能。按照可联动（同时控制）轴数，且相互独立的轴数，可以有2轴控制、2.5轴控制、3轴控制、4轴控制、5轴控制等。2.5轴控制（两个轴是连续控制，第三轴是点位或直线控制）的原理，实现了三个主要轴X，Y，Z内的两维控制。3轴控制是三个坐标轴X，Y，Z都同时插补，是三维连续控制（见图1－8）。5轴连续控制是一种很重要的加工形式（见图1－9），这时3个坐标X，Y，Z，与转台的回转，刀具的摆动，同时联动（也可以是与两轴的数控转台联动，或刀具做两个方向的摆动）。由于刀尖可以按数学规律导向，使之垂直于任何双倍曲线平面（doublecurve），因此特别适合于加工透平叶片、机翼等。（二）按执行机构的伺服系统类型分类1.开环伺服系统数控机床这是比较原始的一种数控机床，这类机床的数控系统将零件的程序处理后，输出数字指令信号给伺服系统，驱动机床运动。没有来自位置传感器的反馈信号。最典型的系统就是采用步进电机的伺服系统。这类机床较为经济，但是速度及精度都较低。因此，目前在国内，仍作为一种经济型的数控机床，多用于对旧机床的改造。2.闭环伺服系统数控机床这类机床可以接受插补器的指令，而且随时接受工作台端测得的实际位置反馈信号进行比较，并根据其差值不断地进行误差修正。这类数控机床可以消除由于传动部件制造中存在的精度误差给工件加工带来的影响。这种采用闭环伺服系统的数控机床（见图1－10），可以得到很高的加工精度，但是由于很多的机械传动环节，如丝杠副、工作台都包括在反馈环路内，而各种机械传动环节，包括丝杠与螺母、工作台与导轨的摩擦特性，各部件的刚性，以及位移测量元件安装的传动链间隙等等，都是可变的，都直接影响伺服系统的调节参数。有一些是非线性的参数，因此闭环系统的设计和调整都有较大的难度。设计和调整得不好，很容易形成系统的不稳定。所以，闭环伺服系统数控机床，主要用于一些精度要求很高的镗铣床、超精车床、超精铣床等。3.半闭环伺服系统的数控机床大多数数控机床是半闭环伺服系统，将测量元件从工作台移到电机端头或丝杠端头。这种系统的闭环环路内不包括丝杠、螺母副及工作台，因此可以获得稳定的控制特性。而且由于采用了高分辨率的测量元件，可以获得比较满意的精度及速度。（三）按数控装置类型分类1.硬件式数控机床（即NC机床）这是早期的数控机床，数控装置中的输入、运算、插补运算以及控制功能均由集成电路或晶体管等器件组成。一般来说，不同的数控机床都需要专门设计不同的逻辑电路。这类数控机床数控装置的通用性较差，因其全部由硬件组成，所以功能和灵活性也较差。2.软件式数控机床（即CNC机床）70年代中期，随着微电子技术的发展，芯片的集成度越来越高。利用中、大规模及超大规模的集成电路，组成CNC装置成为可能。采用这一类装置的数控机床，其主要的功能，几乎全由软件来实现，对于不同的数控机床，只需编制不同的软件就可以实现。而硬件几乎可以通用。这就为硬件的大批量生产提供了条件。批量生产有利于保证产品的质量、缩短生产周期，降低生产成本，所以现代数控机床，都采用CNC装置。这种软件式数控，由于有很高的柔性，给机床厂以及机床的用户以很大的方便。他们可以根据各自的需要开发出不同的用户程序，使得数控机床的应用更为广泛，并能深入到机械加工业的各个领域中去。（四）按加工方式分类1.金属切削类数控机床如数控车床、加工中心、数控钻床、数控磨床、数控镗床等。2.金属成型类数控机床如数控折弯机、数控弯管机、数控回转头压力机等。3.数控特种加工机床如数控线（电极）切割机床、数控电火花加工机床、数控激光切割机床等。4.其他类型的数控机床如火焰切割机、数控三坐标测量机等（见表1－2）。表1－2数控机床分类表数控机床的种类控制系统类别执行机构类别加工对象类别数控车床点位、直线控制开环、半闭环没锥度、圆弧的轴轮廓控制开环、半闭环、闭环有锥度、圆弧的轴加工中心机床点位、直线控制开环、半闭环齿轮箱、框架等箱体特殊用途的轮廓控制开环、半闭环、闭环飞机零件的轮廓加工数控铣床点位、直线控制开环、半闭环箱体轮廓控制开环、半闭环、闭环平面轮廓的凸轮、样板、冲模，压、铸模数控钻床点位控制开环、半闭环印刷电路基板、多孔零件数控镗床点位、直线控制开环、半闭环箱体闭环精密箱体数控磨床轮廓控制半闭环、闭环凸轮、轧辊、冲模数控电加工机床轮廓控制开环、半闭环模具数控金属成型机床点位直线轮廓控制半闭环、开环冲压、板材、弯管等（五）按照功能水平分类可以把数控机床分为高、中、低档（经济型）三类：这种分类方法，目前在我国用的很多，但是因为没有一个确切的定义，所以涵意不很明确。这里，我们试图对按照功能水平分类的界限作一个限定。分辨率和进给度分辨率为10m，进给速度在8～15m/min为低档；分辨率为1m，进给速度为15～24m/min为中档；分辩率为0.1m，进给速度为15～100m/min为高档。伺服进给类型采用开环、步进电机进给系统为低档；中高档则采用半闭环的直流伺服系统及交流伺服系统（也包括采用闭环伺服系统）。联动轴数低档数控机床最多联动轴数为2～3轴，中、高档则为2～4轴或3～5轴以上。通信功能低档数控一般无通信功能。中档可以有RS-232或DNC（directnumericalcontrol直接数字控制）接口。高档的还可有MAP（manufacturingautomationprotocal制造自动化协议）通信接口，具有联网功能。显示功能低档数控一般只有简单的数码管显示或简单的CRT（CathodeRayTube阴极射线管）字符显示。而中档数控则具有较齐全的CRT显示，不仅有字符，而且有图形，人机对话，自诊断等功能。高档数控还可以有三维图形显示。内装PC（programmablecontroller可编程控制器）低档数控一般无内装PC，中、高档数控都有内装PC。高档数控具有强功能的内装PC，有轴控制的扩展功能。主CPU（centralprocessingunit中央处理单元）低档数控一般采用8位CPU，中档及高档已经逐步的由16位CPU向32位CPU过渡。外国的一些新的数控系统已经选用了64位CPU，并选用具有精简指令集的RISC中央处理单元，以提高运算速度。根据以上的一些功能及指标，就可以将各种类型的产品分为低、中、高档三类数控系统。所谓经济型数控，都是相对标准型数控而言。在不同的国家和不同的时期含意是不同的。其目的是根据实际机床的使用要求，合理地简化系统，以降低产品价格。在我国，把由单板机、单片机和步进电机组成的数控系统和其它功能简单、价格低的系统称为经济型数控。主要用于车床、线切割机床、以及老机床改造等。它是属于低档数控的一种，目前在我国，这类数控有一定批量的生产。区别于经济型数控，则把功能比较齐全的数控系统，称为全功能数控，或称标准型数控。第三节典型的数控机床数控机床的品种很多，几乎各种类型的机床，都有成功的数控产品。两面介绍几种典型的数控机床产品，其中包括数控车床、数控铣床、加工中心、数控钻、镗床、数控磨床、数控电加工机床及一些特殊类型的数控机床。介绍各类数控机床的特点，以及这类数控机床的典型产品。介绍的产品将以我国在最近几年新开发的品种为代表。至于国外最近推出的新产品、新结构、新的功能将在以后的一些章节中介绍。由于每一类机床，品种都很多，功能和应用范围也有差别。受篇幅限制，这里不能一一列举，只能选择其中的主要品种和机型作简要介绍，以此了解数控机床的概貌。一、数控车床数控车床是目前使用较广泛的数控机床，主要用于轴类和盘类回转体零件的加工，能自动完成内外圆柱面、锥面、圆弧、螺纹等工序的切削加工，并能进行切槽、钻、扩、铰孔等工作，特别适宜复杂形状零件的加工。在车床上由程序确定主轴转速是很必要的，应该有刀具补偿功能，由程序选定刀具并控制转塔刀架。对于工件轮廓形状不太复杂，控制系统带有圆弧插补器，有一个转塔刀架的数控车床，常常采用手工编制程序。只有在加工复杂轮廓或同时有两把刀具进行加工时，才采用计算机自动编制程度。例如S3－1200型数控车床，是沈阳第三机床厂与美国Pratt&Whitney。公司合作生产的产品。这台车床是美国P&W公司1980年设计完成的新产品。结构先进、精度高、刚性好。机床总体布局采用机、电、液一体化，有完善的安全保护装置，除有硬件保护外，还可设定软件区域保护，有多种诊断功能；主传动采用交流无级调速系统。主轴采用预加载荷的推力角接触轴承，既适用于高速强力切削，又适于精加工。有恒速切削机能，可提高加工效率，降低工件表面的粗糙度。床身采用镶钢导轨，在移动的刀架导轨面上粘附聚四氟乙烯软带，并配有可调节流量的自动点滴润滑系统，精度保持性好。星形转塔刀架结构简单，用液压马达转位，共有12个工位，每转一个工位只需0.7s，液压系统采用叠加阀分散布置，管路排列整齐，便于装配维修。刀架定位精度0.01/300mm，重复定位精度0.005mm，加工精度0.005mm。加工外圆的圆度0.004mm。加工表面粗糙度1.6m，刀架移动最小当量（分辨率）0.001mm，反应灵敏，误差不超过两个脉冲当量，机床噪声为72.5～76dB（A）。二、数控铣床主要用于各类较复杂的平面、曲面和壳体类零件的加工。如各类模具、样板、叶片、凸轮、连杆和箱体等。铣削轮廓外形需要轨迹控制，而铣削框形面可以用直线控制。铣削平面零件只要二轴轨迹控制。2eq\o(\s\do-9(１),\s\do0(－),\s\do9(２))轴控制是指用二轴作为轨迹控制，第三轴作逐行进刀运动。三轴轨迹控制，则是切深运动也与其他两轴联动，这样可以进行空间铣削。线性插补器是必不可少的，圆弧插补器适用于手工编制程序的简单铣削加工。主轴转速有时用手动调整，在轨迹控制时，进给量由程序确定。对称功能用作很大，零件偏移对所有铣床都很有用。铣削曲面时建议用刀具直径补偿，能够在垂直于轮廓的任何方向上作直径补偿时，在铣削精密零件时很有用。北京第一机床厂生产的XK5040－1数控立式升降台铣床，就是一种典型的数控铣床。其数控系统可控制x，y，z三个坐标轴，并可同时联动。能完成直线铣削，组成各种往复循环和框式循环或按坐标位置加工，也可铣削具有曲线轮廓的零件。主轴半自动变速，采用电液控制，可以远距离操纵。导轨采用镶钢淬火，以提高寿命和精度保持性。主传动齿轮均用铬钼钢制造，并经淬火和磨齿。花键轴亦经淬火并磨削，而且是内径定心的。有独立的导轨润滑泵，自动定时定量润滑。有半自动的刀具安装及拆卸装置。三、数控仿形铣床数控仿形铣床主要用于各种复杂型腔模具或工件的铣加工，特别对不规则的三维曲面和复杂边界构成的工件更显示其优越性。新型的数控仿形铣床一般包括三个部分：1.数控（CNC）功能它类似一台数控铣床具有的标准数控功能。有用户宏程序，三轴联动，以及刀具半径及长度补偿等。还可以有手动数据输入（MDI），前后台编辑等。2.仿形功能在机床上装有仿形仪，可以选用多种仿形形式，如笔式手动、双向、单向钳位、轮廓、部分轮廓、三向，NTC（numeriealTracercontrol数字仿型）等。还可以有多种离模方式：如切线离模，法向离模，Z轴快退等。3.数字化功能在仿形加工的同时，要采集仿形指运动轨迹数据，并处理成加工所需的标准指令，存入存储器，或其它介质（如软盘）。以后也可以利用存储的数据进行加工。所以要求有大量的数据处理的功能。SKF718数控仿形铣床，是长征机床厂生产的，采用了国内开发的数字化仿形数控系统。在一个控制系统中，实现数控、仿形和数字化的全部功能。除实现数控加工外，还可以用装在主轴箱侧面上的仿形测量仪，在数字化程序控制下，自动扫描模型，直接生成数控加工指令，实时存入软盘，以备进行数字化加工，从而解决了复杂表面和模具加工任务。该机床位置控制分辨率（最小输入单位）为0.001mm，仿形进给速度为2～2000mm/min，数控加工进给速度为0～5000mm/min，快速行程最高速度为10000mm/min。四、加工中心加工中心和数控车床一样，是目前世界上产量最高、应用最广泛的数控机床。它主要用于箱体类零件和复杂曲面零件的加工，能进行铣镗、钻、攻丝等工序。因为它具有自动换刀功能，工件一次装卡后，能自动地完成或者接近完成工件各面的所有加工工序。箱体类零件的加工中心，一般是在镗、铣床的基础上发展起来的，可称为镗铣类加工中心，习惯上简称为加工中心。另外还有一类加工中心，是以轴类零件为主要加工对象。是在车床基础上发展起来的。一般具有C轴控制，除可进行车削、镗削之外，还可进行端面和周面上任意部位的钻削、铣削和攻丝加工。在具有插补功能的条件下，可以实现各种曲面铣削加工。这类加工中心也设有刀库，根据加工工件的需要，配置相应的动力或非动力刀具。这类加工中心，习惯上称为车削中心。大多数加工中心带有轨迹控制。通常在同一系统内可以用增量数据输入（铣削外形），也可以用绝对数据输入（定位），要求多轴同时移动，否则定位时间过长。主轴转速应该由程序选定。进给量和更换刀具也由程序确定。在铣削外形时应有刀具直径补偿功能，在任意方向垂直于铣削曲面的刀具直径补偿功能，对加工精密零件很有用。南京机床厂生产的新产品，TH6150型卧式加工中心。各有能存储60把刀具的链式刀库和双工位自动交换工作台。可完成铣平面、铣沟槽、镗孔、钻孔、扩孔、攻铰螺纹、车螺纹等工序，特别适用于航空、航天、仪器、机床等行业中小批量复杂箱（壳）体类零件的加工。该机工作台面尺寸500×500mm工作台承载500kg主轴转速20～6000r/min主轴电机功率（60％ED）15kW主轴最大扭矩382Nm进给速度1～1000mm/min快速进给速度15m/min这台加工中心采用直流电机可控硅无级调速系统，采用斜齿滑移齿轮作机械扩大组；进给系统和刀库传动采用交流伺服电机驱动。与直流系统相比，过载能力大，响应速度快，维修保养方便。采用光栅直接测量，全闭环控制，机床定位精度高，床身整体结构（x轴和z轴导轨在同一大件上）刚性好、装配、调整方便。镶钢淬硬导轨，使用寿命高，精度保持性好。采用分离式链式刀库，与圆盘式刀库相比，灵活性好，刀库运动不影响立柱精度，机械手结构新，动作可靠，换刀时间短（3s）。穿梭式双工位交换工作台，更新零件不需附加调整时间，机床利用率高。有自动排屑功能。备有大流量冷却系统和刀具内部冷却装置，可提高切削用量和增加刀具的耐用度。全封闭防护罩及安全装置，防止铁屑和冷却液飞溅，保证操作者安全。四坐标控制，可实现三坐标联动，有多种自动诊断功能，可配置自动程编机以实现自动编程。中捷友谊厂从德国沙尔曼（SCHARMANN）公司引进的SOLON3－1卧式镗铣加工中心：工作台面尺寸1000×1000mm交换工作台数2工作台最大载荷6000kg主轴转速12～3000/8～2500r/min主轴电机功率30/15kW主轴最大扭矩1620/1225Nm刀库容量60/80切削进给（x，y，z）1～6000mm/min快速进给（x，y，z）1～12000mm/min这台大型立式加工中心，数控系统可配备西门子8ME或发那科6MB系统。采用镶钢淬火导轨，提高寿命和精度保持性。主轴系统优化设计，高精度、高转速。采用了光栅直接测量系统，工作精度高，设有三个工作台，缩短了辅助时间采用雷尼肖（RENISNAW）公司生产的探针自动测量工件和结果打印。有效的自动排屑装置及全封闭式防护间，保证操作安全。机床主轴有可移动式和非移动式两种由用户自选。该机床应用广泛，最适用于多工作面铣、钻、镗、铰、攻丝、两维、三维面等多种工序加工。对中，小批量、多品种生产，是一种理想的现代化高效设备。这台设备的加工精度高。镗孔圆度0.005mm表面粗糙度0.8m调头镗孔精度同轴度Φ0.01/300mm孔距精度±0.015/300mm铣削接刀精度0.08m沈阳第三机床厂生产的S3－137车削中心，为双刀架四坐标连续控制，并设有C轴坐标，带主轴定向停车装置，分度及圆周定位，上刀架可安装12把刀具，其中有6把可回转动力刀具。下刀架可安装8把刀具，该机床除能进行各种形状的内外表面的车削加工外，还能完成钻削、攻螺纹、铣削以及在圆周面上铣螺旋槽和曲线的加工。机床装有自动对刀装置，可完成对刀和检测刀具磨损，最大限度地减少调整时间。机床还配备了清华大学研制的AE刀具破损监示仪，来监控刀具的破损程度。机床配有美国AB公司8600TC控制系统，可实现多坐标、多过程的控制，还具有多种接口。五、数控钻床及镗床由于加工中心的发展，绝大多数数控钻床已被加工中心取代，但有些以钻为主要工序的零件仍需应用数控钻床来加工。如：加工印刷电路板等，故数控钻床还有一定的需要量，它是能自动进行钻孔的数控机床。大多数钻床用点位控制，同时沿两轴或三个轴移动可以减少定位时间。有时也采用直线控制，为的是进行平行于机床轴线的钻削加工。坐标钻床用作精密镗孔。镗铣床配置直线或轨迹控制。沿两个轴同时移动，使定位加快，多轴同时移动使定位更快。圆弧插补器在轨迹控制器中很有用。转速不一定要由程序控制，但进给量一般要由程序确定。位置显示在镗铣床上很有用。自动程编可减少程编时间和程编差错，特别是对于有复杂而规则的孔系的工件（如同一圆周上的孔系），如果用手工程编，则应该有固定加工循环。采用G代码（G81～G89），一个钻孔循环可以包括：①快速趋近；②以给定进给量钻孔到要求深度；③主轴停止旋转，刀具退出；④刀具抬起，接通快速，准备下一个钻孔循环。钻削中心是一种可以进行钻孔、扩孔、铰孔、攻丝及连续轮廓控制铣削的数控机床。用于电气及机械行业中小型零件的加工。北京第三机床厂生产的ZH5120型立式钻削中心。该机床可安装7把刀具。可以进行各种钻削及攻丝，并可进行高精度铣削（直线及圆弧插补）。采用交流变频调速，无气动和液压环节，无齿轮传动，极大地提高了可靠性。采用高钢性焊接结构的床身和立柱。各坐标滚珠丝杠与驱动电机直接相连，具有螺距误差补偿，间隙补偿，保证高精度定位。六、数控磨床近年来，由于磨具、磨料的发展，磨削技术在金属加工中，用得相当广泛。数控磨床要实行多品种，中小批量零件的自动加工，需要具备以下功能：零件搬运的自动化及工件识别功能。砂轮自动交换及砂轮形状精度、安装精度的检查功能。修整的数控化功能。监视功能（砂轮工作寿命，加工精度机械控制功能）。适应控制功能（砂轮周转速度，砂轮切入等）。对于高精度的数控磨床还需要CNC系统具有更高的分辨率。现在用的最多的是数控外圆磨床、数控平面成型磨床及数控坐标磨床。北京数控设备厂研制的用于外圆磨床的数控系统，可控制三轴，两轴联动，具有直线、圆弧插补、有砂轮修正补偿功能。脉冲当量0.1～0.5m/脉冲，快速10m/min，速度范围0.01～10000mm/min。还具有跳转功能及固定磨削循环。上海机床厂生产的H194数控端面外磨床。是一种砂轮斜切入磨床，主要用于多阶梯轴类零件的自动磨削。主要参数：脉冲当量x轴0.0005mmz轴0.001mm移动速度x轴0.1～2500mm/minz轴1～5000mm/min工件圆度0.007mm，圆柱度0.007mm，工件尺寸分散度0.014，自动测量档0.01，x、z两轴联动，MDI数控输入。具有自动磨削、自动成型修正砂轮、自动补偿、自动对刀、自动测量、及安全联锁、安全保护等功能。当杪轮冲击工件或砂轮冲压电机超过指定负载时，砂轮架即快退、停止、并报警。上海第三机床厂生产的MK9020数控光学曲线磨床，是由数控多自由度的磨头及工作台，精密投影测量仪组成。适用于加工经热处理硬化的各种精密复杂的模具、样板、成型刀具、滚轮等。工作台拖板和滑座采用燕尾式滚针导轨并由滚珠丝杠传动。滑板采用双V型镶钢滚针导轨，并用可调偏心连杆机构传动，往复平稳、换向无冲击，定位精度高。采用交流变频调速系统控制砂轮转速和滑板往复运动，实现无级调速。砂轮架和滑座有多个自由度，可对各个方向进行加工。数控系统是三轴CNC系统，分辨率为1m，可做两轴联动轨迹连续磨削，一轴控制砂轮修正器，可随时修正补偿，确保工件加工精度。七、数控电加工机床数控电加工机床是模具加工的重要设备。主要可以分为两大类，数控线（电极）切割机床和数控电火花加工机床。（一）数控线切割机床在我国早期成功使用的最广泛的数控机床，就是数控线切割机床。它包括主机、脉冲电源及数控系统三个部分。由于结构简单，价格便宜、使用方便，在模具行业得到广泛应用。数控系统一般是单板机，称之为经济型数控线切割机床。新开发的数控线切割机床，是慢走丝数控电火花线切割机床，这类机床都采用半闭环控制，设有精度补偿装置：数控系统内存容量大，控制功能更智能化。x，y，u，v，四轴控制，切割精度可达±0.005mm；切割表面粗糙度可达0.4m，最大切割速度达250mm/min；切割锥度可达±30°。（二）数控电火花成形机床数控电火花成形机床有主轴头、电源、以及数控系统等部分。主轴头有电源伺服主轴头；力矩电机主轴头；直流电机伺服主轴头等。电源主要有两种，晶体管电源和可控硅电源。近年还发展了中、精加工低损耗电源，微机控制电源，超光电源等。可达到的工艺指标为，最大加工速度≤10mm3/min，最佳表面粗糙度0.08m（超光电源），1.25～0.32m（一般电源）；最小加工间隙（单边）0.008～0.02m；最小电极损耗＜0.5％。新型的电火花机床为了满足精密模具的加工，数控系统实现了2～6轴联动；X，Y，Z轴均采用直流电机伺服系统。机床具有以下功能。1）自动交换工件。2）自动交换电极。3）电极位置测显校正，并在确定的范围内进行补偿。4）采用预先确定运动轨迹或三维几何图形，并包括预先确定冲液方式，定时器的设定和过程控制等。线切割机床是加工各类模具和精密零件的一种重要生产设备。目前机械、电器、电机、仪表、轻工及国防等部门已广泛使用。国内自行开发的一种线切割机（通称高速走丝切割机床）不能满足精密零件的加工要求，而下述慢走丝线切割机床可以满足要求。苏州电加工研究所引进的日本FANUC公司数控电火花线切割机床FANUC－H（国产化型号DK7625）其技术指标如下：最大工件尺寸400×320×100mm最大工件重量80kg工作台行程320×200mm加工锥度±1.5°～5°工作液去离子水脉冲电源晶体管电压100～250V，11档脉宽1～99s间隔2～99s切割速度1.6～1.8mm/min加工精度±0.0075mm加工表面粗糙度0.6m八、柔性制造单元（FMC）柔性制造单元是数控机床的扩展。一般来说，可以是一台加工中心加上多工位交换工作台，也可以是车削加工中心或其他CNC加工设备，加上搬运机器人等自动物料（工件、刀具、夹具）存储运输系统。组成柔性加工单元。对于先进的柔性制造单元，还装备了包括加工精度、切削状态和加工过程的自动监控。因此，作为FMC的数控系统，要求能满足一台或多台数控机床和工件装置的集成控制需要，实现加工，成型或联接等作业，自动完成产品制造过程中所需要的一些或全部加工操作，能对设计针对的工件组进行可变批量或混流方式的加工生产。北京机床研究所开发的JCS－FMC－1卧式柔性制造单元和JCS－FMC－2，能够在足够长的时间内，实现多品种自动加工。JCS－FMC柔性制造单元主要规格。该单元有十个工位托盘，主轴有足够的精度、刚度和热稳定性。主轴和进给驱动选用AC主轴电机和AC伺服电机，数控系统配用FANUC11M型。可用于变速齿轮箱等中小型箱体件的加工。图1－20所示CH6144FMC车削柔性制造单元，是济南第一机床厂生产的。配备装卸工件的机械手，工件传送装置，自动排屑装置、刀具检测等装置。它适应多品种小批量生产，能实现一定时间（几小时）的无人看管自动操作，可大幅度提高机床生产率，适用于车削、钻削、镗削、攻丝、铣削加工。具有XC、ZC插补功能。表1－3JCS－FMC－eq\o(\s\do-4(１),\s\do4(２))柔性制造单元主要规格规格JCS－FMC－1交换工作台尺寸（mm）交换工作台台面数分度转台的分度工作台承载量（kg）500×500105°×72400行程（mm）X轴700Y轴550Z轴600主轴锥孔转速（r/min）ISONO.50283150快速移动速度（x，y，z轴）（m/min）刀库容量（把）定位精度（mm）重复定位精度（mm）1060±0.012/300±0.006齐齐哈尔第一机床厂开发的GR5116D立式车削柔性制造单元，是由带12把刀刀库的立式车削加工中心为主机，加上由找正台、传递台，存储台和托板组成的托板系统，形成一个单元，适用于零件种类变化大的单件、小批零件的外圆、内圆、端面螺纹以及复杂型面的加工。该制造单元最大回转直径为1600mm，最大切削高度为1000mm，主机采用直流拖动，机械二档，总调速比达1：125，进给系统采用直流伺服电机，通过一对齿轮，滚珠丝杠使刀架实现x，z向运动。该主机带有机内对刀，工件自动测量装置，横梁分级定位并进入程序。自动换刀系统包括刀库、自动夹紧机构和刀夹。选刀为任意选刀方式，刀夹用二－十进制编码，可编程99把刀。刀库采用机械手换刀，平稳，可靠。主机采用热对称结构，采用立柱座落于工作台底座上的座落式结构。主体件采用不清砂结构，提高了抗振性。全部铸件采用树脂砂造型新工艺。九、数控重型机床一般地说，金属切削机床的重量为10t以上者属大型机床、30t以上者属重型机床、100t以上者属超重型机床。现代数控重型机床主要品种包括单柱和双柱数控立车、数控刨台式镗铣床、数控落地铣镗床、数控龙门镗铣床、数控卧式车床、数控立式滚齿机等，以及在这些品种为基型基础上发展起来的加工中心、车削中心、柔性制造单元。这些数控重型机床，除了有一般重型机床的特点外，由于数控是一种自动化加工，因此还有以下特点：1）数控重型机床的工件都较大，要求所配置的CNC系统，具有更大的最大指令值（Maxprogrammabledimensions），也就是要有更大的内存容量。2）大型工件加工时间更长。要求数控系统有更高的可靠性。3）一般来说，数控重型机床都采用大功率的主轴及伺服单元。4）在数控重型机床上，要求装备更多的监控及检测系统，以保证正常的加工。避免出现废品。5）重型机床一般都有巨大的床身及传动链。因此，在重型机床的数控系统中可以采用间隙补偿及热变形补偿的功能，用以提高重型机床的机械加工精度。武汉重型机床厂生产的TK65系列数控刨台卧式铣镗床。主轴直径有Φ130mm及Φ160mm。主轴转速3～1000r/min主轴进给范围0.5～6000mm/min主轴轴向行程800mm主轴箱垂直行程1500mm主电机功率25～30kW主轴箱进给范围1～6000mm/min刀库容量50工位以上TK65系列数控刨台卧式铣镗床，床身与工作台采用分离式，可按需要共用不同承载和行程的工作台及不同行程高度的立柱。主传动采用直流驱动，有4档机械级实现无级调速。镗轴、主轴箱、滑座、工作台的进给均采用宽调速直流伺服电机驱动。各运动导轨则采用预载恒流静压导轨或氟塑软带导轨。主传动齿轮和轴承采用自动循环润滑；滚珠丝杠、氟塑软带导轨采用自动定程润滑。镗轴采用氮化钢；镗轴套采用轴承钢，硬度高，能长期保持精度。刀具的装卸由自动拉刀机构完成。工作台4×90°分度精度±5″以内。FB系列数控落地铣镗床（图1－22），则是该厂生产的适用于汽轮机、核反应堆和重型机械等大型零件的加工。镗轴直径为160～320mm。床身和立柱采用焊接件、立柱、滑座为一体、刚性强。机床运用有限元法优化计算设计，具有与数控系统相匹配的最佳动态特性。主轴轴承和导轨均采用每腔一泵式预载恒流静压系统，由PC监控，机床在重切削时，移动导轨间具有良好的液态摩擦。进给系统采用了滚珠丝杠螺母副和消除间隙的双齿轮传动，提高了微进给精度。主轴箱重心偏移采用全自动补偿装置。热平衡系统有效地减少了机床的热变形，光栅尺保证了机床定位精度；机床具有自诊断功能，可准确无误地排除故障。十、其他数控机床这里介绍几种常用的板材和管料加工机床，如数控回转头压力机、数控步冲压力机、数控弯管机、数控火焰切割机、数控激光热处理机、数控三坐标测量机。（一）板材和管料数控加工机床金属板材零件（包括由金属板材焊接零件及管料），由于它的经常性和良好的工艺性，在机器制造业，电子、汽车、农机能源、化工等各个行业都得到了广泛的应用。因此，板材和管料加工成为金属加工的一个很重要的门类。板材和管料数控加工机床是近年来才发展起来的一类数控机床。杨州锻压机床厂与济南铸造锻压机械研究所合作生产的J92K系列数控冲模回转头压力机，是一种高效、精密的板材加工设备。在这种压力机上，设有一对储存着若干套模具的转盘，加工板件夹持在夹钳上，沿x轴和y轴方向移动。工作时按规定程序，板件在x、y轴方向定位，并任意选择转盘上模具进行冲孔。也可以采用步冲方式，用小冲模冲出大的圆孔，方孔及任意形状的曲线孔。c型机还具有两套模具自身回转的功能，可冲放射形孔、棱形孔及不规则多边孔，从而进一步扩展了该机的功能。J92K－25型公称为250kN，30型公称为300kN，40型公称为400kN。J92K－25C及30C型数控压力机上、下转盘上装有24套模具，J92K－40型数控压力机上、下转盘上装有32套模具。还设有中心孔模具，供用户试件和作为以后进一步工作基准。该机床的数控系统具有冲压机床特有的图样功能和螺栓孔圆（G26）、斜线（G28）、圆弧（G29）、网格1、2（G36、G37）、圆弧步冲（G68）、直线步冲（G69）功能。还有单循环、步冲、手动冲压等功能。该机床加工精度高，定位精度为±0.15mm，最高可达到±0.05～0.07mm。与普通冲孔相比，可提高生产率20～30倍。并可减少模具设计制造费用，缩短生产准备周期，适应灵活多变的市场要求。齐齐哈尔第二机床厂从德国Trumpf公司引进的板材加工机床制造技术，生产TCQ2025型数控步冲压力机，该机加工的最大板材厚度6.4mm，加工范围为2000×1000mm，板材在计算机控制下作x、y方向移动，实现定位冲孔和步冲，可冲出几乎是任何形状的轮廓。该机伺服系统与两个额定力矩为8N.m，与2500r/min的直线伺服电机相匹配，使工件（最大重量100kg）移动速度在x轴方向为40m/min，y轴方向为30m/min，滑块行程速度为265次/min，因此要求电机起、停迅速。该机最小编程增量为0.01mm，工件达到的定位精度为±0.1mm，重复定位精度±0.03mm。数控系统采用西门子3N系统，能调出并显示被选择的零件程序和图形，并能对正在编制的零件程序按加工顺序连续作图，该系统具有零件程序手动输入，纸带输入等功能，还具有人机对话编程功能。对批量零件，可在各张板材上进行排样编制程序，减少重复编制程序，提高板材利用率，对排样工件可一次加工完毕，减少更换模具和装卡时间。上海机床研究所与上海冲剪机厂研制的数控弯管机，可以较好地完成管子的折弯。控制轴数两轴x，y定位精度0.01mm最大速度20m/min最大行程±8388.607mm可根据不同的管料及厚度，自动计算折弯力，折弯深度及折弯角度补偿等。具有可选择的下补功能，下模参数可以预先存放在存储器中，不会丢失。上海冲剪机床厂生产的WC67K数控板料折弯机。该机采用二轴CNC系统（x轴控制滑块，y轴控制后挡料），具有人机对话，屏幕显示各种形状数值的功能，对于滑块的运动速度转换点、上限位点位置、折弯压力、折弯角、后挡料运行位置等参数皆可编入程序实行控制，当操作技术参数产生差错，该系统能自动测出，并立即加以修正。（二）数控火焰切割机和数控激光热处理机数控火焰切割机是造船、锅炉、车辆及建筑机械制造中广泛应用的一种数控设备。一般都是采用焊接结构的门型台车，可在地上敷设轨道（x轴向），前后移动。在台车上有一个与x轴轨道垂直的轨道（y轴向），气割枪座在y轴上左右移动。通过台车的x方向移动及气割枪的y方向移动，可以进行任意封闭曲线的轮廓控制。气割机的大小及气割枪数可以根据加工对象来决定，分为10m，120m的，重量有几吨到十几吨的。火焰切割机数控系统有其特殊要求，由于气割是利用氧气流使钢产生燃烧反应进行工作的，因此在移动过程中不允许瞬时停顿。因为瞬时停顿会造成一个大短口。所以气割用数控系统需要有读出一个程序段的功能和缓冲寄存器。当发生逆火或切割差错时，为了从中断处重新开始切割，要有返回功能。上海机床研究所与上海气焊机厂开发的数控火焰切割机，加工范围广，可切割由直线、圆弧段组合的轮廓线工件。最大编程圆弧半径88m，最大编程长度88m。控制轴数4轴（x，y1，y2，c）联动轴数3轴双轴同步驱动y1，y2同步误差＜.1mm分辨率0.01mm及0.1mm最高运动速度15m/min宏程序数为100个割缝补偿0～99.99mm该机具有坡口连续轨迹切割功能（x，y，c）及切口距离高度自动调整；比例绘图功能可缩小比例1：2，1：5，1：10，1：50，1：500；还有自诊断功能，原轨迹全程逆行返回功能，延时预热设定及控制，预热氧及切割高压氧的控制，其它的辅助功能有：喷粉划线，快速冲印，重力打点等。JCS－033数控激光热处理机，是北京机床研究所开发的新产品。其特点是：激光束位置不变，工作台作x，y方向移动。各传递光束部件均设置调整环节，能迅速、准确地调整光束；各坐标采用直流伺服电机和滚珠丝杠副驱动，并且各导轨分别采用聚四氟乙烯塑料及直线滚动导轨，运动灵活，低速无爬行，保证了较高的定位精度。数控系统采用FANUC－BESk3M系统，配备有CRT显示器及示教功能。这种处理机，可用于对金属零件表面进行激光相变硬化，激光涂覆和激光合金化等激光热处理；也可用于激光切割和焊接。该机广泛用于汽车、机车车辆、机床、纺织机械和印刷机械等行业，对板条类、轴套类和箱体类等零件进行激光表面处理。采用三坐标联动，可对零件进行空间曲面的表面处理。（三）数控三坐标测量系统三坐标测量机，是一种高精度、高效率、多功能的测量仪器，它几乎可以测量任何几何尺寸和形位误差。快速地完成复杂零件的三维空间零件的测量。x，y，z三个坐标可以灵活的移动。三维测头对被测零件采样，显示装置显示测量结果，并可进行数控处理。结构上一般都采用金花岗石固定龙门式结构。数控三坐标测量机，可以预先选定被测量工件的许多点，用编程方法或示数方法，记录各测量点的位置。然后即可自动的、反复的测量。这种机器多应用在生产线上。第二章数控加工工艺基础第一节工艺的基本概念一、工艺的基本概念国家标准CB/T4863－1985对工艺的定义：使各种原材料、半成品成为产品的方法和过程。不同的国家对工艺有不同的命名。中国对工业制作技艺的总称传统上叫“工艺”，与苏联的命名相当。这是由于20世纪50年代，我国大量引进苏联的制造技术，工艺这个词便被广泛应用起来，沿用至今。英文的“工艺”与“技术”是同一单词“TECHNOLOGY”，也可称“制造技术”。英、美等国的企业没有单设工艺部门，这并还是没有工艺部门，而是将工艺工作职能放在制造部。日本称工艺为“生产技术”，工艺工作职能设在生产技术部。我国普遍应用“工艺”这个规范的术语。二、工艺诀窍工艺是企业的Know－how，是企业的看家本领，即企业的核心竞争力。一般认为，企业间竞争的实质是技术实力的竞争。评价一个企业的技术能力，主要有三个方面：一是设计技术能力，掌握产品核心部件的设计技术；二是工艺技术能力，具有制造该产品的工艺基础；三是员工的技术素质和职业道德水准的高低。不少人认为引进产品可通过测绘进行仿制，但制作出的产品能与原产品完全一样吗？答案显而易见，这里一定存在差距，就像过去人仍买电视机都愿意买原装品一样。这是因为重要的零部件是原产地生产的质量好，且国内装配工艺水平与国外相比有差距。20世纪80年代中期，天津市经委的一位领导曾悟出一今道理，为什么引进了这么多技术，做出来的产品还有差距？经分析发现是工艺上的差距。工艺Know－how就像一张纸，一捅破就都知道了，因为这是人家的看家本领。所以说制造工艺是企业参与竞争、谋求发展的核心技术竞争能力。三、工艺是企业生产的基本要素工艺是科学技术第一生产力的基本要素。只要有生产，就得有工艺。这是因为：第一，在产品生产的全过程中，都是按照工艺要求进行施工作业的。特别是现代化大工业的生产，工艺的基础作用尤为重要和明显。第二，工艺是组织、指挥生产的技术依据。依靠工艺工作的基础与纽带作用，使人、机、料、法、环、测等生产要素有机地结合起来，并有效地开展生产活动。第三，企业工艺先进性决定了生产的现代化水平。评价工艺的先进性，应该对工艺做技术与经济的全面、综合的评价，而不能单纯地考虑工艺的先进性与装备的自动化程度等等。工艺的先进性、适用性是企业技术资源的优化配置和合理运用的程度，其评价标准是适合企业生产与发展的工艺能力。因此工艺的进步是企业生产现代化的重要和基本内涵。很难设想，一个实行现代化管理的企业，却沿用着落后的工艺。第二节数控工艺设计的基本过程正如第一章所述，用数控机床加工零件的过程与普通机床和机械自动化机床是明显不同的，数控机床加工零件的过程如图2－1所示。由图可知，采用数控机床加工零件，应首先根据被加工零件图纸，按规定的代码将加工内容、尺寸要求和操作步骤等以数控指令形式记录在介质上（磁盘或穿孔带），然后由介质将数控加工信息输入控制机，控制机再将输入的信息进行运算后转换成驱动信号，使机床实现规定的运动，自动加工出零件。图中虚线部分包含数控工艺和数控程序编制两部分内容，一般统称为数控加工程序编制，简称为数控编程。即由零件图纸到制成数控介质的全部过程。可以看出，数控编程步骤如下：1.分析零件图在数控加工程序编制之前，首先是根据零件图纸，分析零件形状、尺寸、精度要求、毛坯形式、材料选择和热处理要求等，以便确定该零件是否适宜在数控机床上加工，适宜在哪种数控机床上加工。有时还要确定在某台数控机床上加工该零件的哪些工序或哪几个表面等。2.工艺过程的制定工艺过程的制定就是根据零件结构形状、技术要求等确定零件数控加工工艺，也就是确定定位夹紧方案、切削加工路线（如对刀点、走刀路线）、选择刀具及选择切削用量（如主轴转速、走刀速度、切削宽度和切削深度）等。表2－1为某柴油机机体数控加工工艺卡。3.数学处理阶段根据零件图纸和确定的工艺路线计算出走刀轨迹和每个程序段所需数据。例如零件轮廓相邻几何元素的交点和切点坐标计算；对非圆曲线（如渐开线、双曲线等）需要用小直线段或圆弧段逼近，根据要求的精度要计算逼近零件轮廓时相邻几何元素的交点或切点坐标；自由曲线、曲面及组合曲面的数学处理更为复杂，必须使用计算机辅助设计。表2－1数控加工工艺卡产品名称6L42数控加工工艺卡设备名称数控钻床卡编号6L42－05－B102－13NC图号700619－7.5名称气缸体上平面共12页第1页工序编号工序内容工步编号简图与操作说明刀具编号与名称切削参数Sr/minVm/minFmm/minFmm/r工上平面（1）加工准备：将所缸按简图2－2所示，吊上机床工作台，上平面朝上放置。（2）加工内容：压板螺钉孔5×M8，冷却水孔两侧联接螺孔6＊8×M10，滑表2－1（完）产品名称6L42数控加工工艺卡设备名称数控钻床卡编号6L42－05－B102－13NC图号700619－7.5名称气缸体上平面共12页第1页工序编号工序内容工步编号简图与操作说明刀具编号与名称切削参数Sr/minVm/minFmm/minFmm/r各孔12345油管道外围连接螺孔6＊4×M16，冷却水孔6＊4×φ20，缸盖螺钉孔6＊8×M56，缸盖螺钉孔阶梯孔6＊8×φ58。（3）调整要求：X方向调整到0.05mm以内，Y方向调整到0.03mm以内，水平面调整到0.05mm以内。（4）对刀方式：X方向和Y方向以缸套孔为基准对刀。（5）加工方式：X方向和Y方向对刀后，将主轴移至缸套孔中心位置，即可启动程序，按简图2－2所示逐缸对刀加工。（6）加工程序：上平面主程序号为：上平面子程序号为：程序编制人及日期：用Φ4中心钻，预钻压板螺钉孔5×M8，冷却水孔两侧连接螺孔6＊8×M10，滑油管道外围连接螺孔6＊4×M16，缸盖螺钉孔6＊8×M56，中心孔用Φ6.8麻花钻，钻压板螺钉孔5×M8底孔，深16mm，见O－O剖视图用倒角刀，对压板螺钉孔5×M8各孔口倒角，c=16mm，见O－O剖视图用Φ8.5麻花钻，钻冷却水孔两侧连接螺孔6＊8×M10底孔，深17.5mm，见O－O剖视图。用倒角刀，对冷却水孔两侧连接螺孔6＊8×M10各孔口倒角，c=1.0mm，见O－O剖视图。7698891492711119310.019037.19.037.530.8400.1104.4320.083.50.0400.4500.0700.4500.0704.编写数控程序单将有关的数控编程指令及几何元素的指令以及相应的坐标值，按走刀路线的顺序进行分段和排列，同时将所需要求的诸如转速，进给速度、刀号以及刀具位置补偿、冷却、开停车等辅助功能指令填写到相应的程序段中。段与段之间还要用规定的代码符号隔开，从而构成一张完整的程序单。程序单上有时还应附上工艺简图和刀具布置图以及必要的说明，供调整机床和操作机床时用。5.制作控制介质与介质上信息的读取控制介质就是记录零件加工程序信息的载体。目前常用的介质是穿孔纸带和磁盘。制作控制介质就是将程序单上的内容用标准代码记录到控制介质上。例如通过计算机将程序单上的代码记录在磁盘上等。纸带上的信息将通过纸带阅读机送入数控装置。磁盘上的信息可以通过穿孔机将信息转送于纸带上，也可以通过接口电路直接送入数控装置。简单的数控程序可以直接通过键盘输入数控控制器。穿孔纸带是控制机输入最常用的一种介质，其上载有加工一个零件所必需的全部信息。上前国内应用最多的是25.4mm宽八通道黑色纸带。它的代码形式根据国际通用标准有两种，即ISO（InternationalStandardOrganization）标准代码和EIA（ElectronicIndustriesAssociation）标准代码（ISO标准代码和EIA标准代码见附录1）。我国规定采用ISO代码作为国内通用标准，但是EIA代码也有应用。这两种代码的纸带尺寸规格按照EIARS-227标准规定、如图2－3所示。纸带上共有九列孔，其中的一系列小孔称为同步孔或中导孔，用来产生阅读纸带的同步控制信号。其余八列大孔（信号孔）用来表示数控、字母和符号。信号孔1、2、3、4若用来表示数控，则分别为20、21、22、23。例如为表示十进制数字“7”，则需在1、2、3信号孔位置上穿孔。6.程序校核控制介质上的数控加工程序必须经过校核试切加工合格后才能认为这个零件的编程工作结束，然后进入正式加工。校核的方法主要有：1）计算机模拟此方法是应用一个模拟软件将加工过程中的刀具轨迹一步步显示在屏幕上。如果程序有错；可通过显示找出程序出错处。模拟软件使用对于学生（初学者）来说是一种较好的方法，因为目前各院校（单位）计算机很多，而计算机数字控制机床很少，应用模拟软件可以使每个学生都能验证自己所编计算机数控程序的正确性。计算机模拟方法是计算机辅助设计（CAD）/计算机辅助制造（CAM）教育中的一个重要工具。2）在绘图机上绘制切削加工轨迹目前有些自动编程软件提供此功能，但一般也是画二维图形。例如Nalor公司的APT3软件能在绘图机上绘制切削加工轨迹。在计算机数控控制机床上切削加工轨迹同用绘图机绘图本质上是一样的，唯一区别是在数控机床上可以看到主轴变速和换刀功能。3）首件试加工在数控机床上试切加工是最真实的方法，但占用了数控机床加工零件的宝贵时间是很不经济的方法。第三节数控加工工艺参数计算基础一、数控工艺特点随着数控机床特别是加工中心的发展，为采用工序集中原则组织生产创造了条件。在加工中心上，一次装夹可以加工以前多道工序的内容，甚至一次装夹就可加工出合格零件。所谓数控工艺实际上是指在数控机床上加工零件的工艺。一般来说，数控加工的工序内容要比普通机床加工的内容复杂，这是因为数控机床价格昂贵，若只加工简单的工序，在经济上不合算，从技术上讲不合理。所以在数控机床上尽可能安排较复杂的工序，甚至是在普通机床上难以完成的那些工序。数控工艺是数控加工程序编制的依据，数控机床上的数控零件加工程序都有相应的数控工艺与此对应。数控工艺不仅包括详细描述的切削加工步骤，而且还包括工夹具型号、规格、切削用量和其他特殊要求的内容以及标有数控加工坐标位置的工序图等。为此，数控工艺也是机床操作工人配置刀具、调整机床和观察加工是否正常的依据。对于简单的零件，数控工艺过程一般都在数控编程员的脑子里，一般没有规范的数控工艺。对于复杂零件，一般都有与数控程序对应的数控工艺，但数控工艺详细程度有很大区别。因为编制复杂零件的数控工艺时间长，在手工编程的情况下，数控工艺往往比较简单。这样数控编程员在编制数控程序时要做很多工艺细化工作，这不仅增加数控编程时间，而且由于简单的数控工艺别人不易