数控铣床及加工中心基础知识.docx

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数控铣床及加工中心基础知识

随着科学技术的不断发展，机械产品的性能、结构及形状在不断改进，对零件加工质量和精度的要求越来越高，且产品变化频繁，目前在一般机械加工中，单件、小批量的产品约占七成以上。

为了保证产品质量，提高劳动生产效率和降低生产成本，不仅要求机床具有较好的通用性和灵活性，而且要求加工过程实现自动化，而传统的加工方法已经远远不能满足生产需要。

使用传统的加工方法进行，不仅生产周期长，精度也受到影响，数控机床就是在这种情况下发展起来的一种自动化机床，它适用于生产高精度、零件形状复杂的单件、小批量产品。

&数控机床概述

&数控机床分类

&数控铣床及加工中心的

组成及特点

&数控铣床及加工中心的

插补原理

&数控铣床及加工中心的

刀补与实例

本章要点

1.1数控机床概述

数控机床概述

1.1.1

数控机床对零件的加工过程，是严格按照加工程序所规定的参数及动作执行的。

它是一种高效能自动或半自动机床，与普通机床相比，具有加工精度高、加工稳定可靠、高柔性、高生产率等特点。

1.1.2

相关知识

1.1.2.1数控机床基本概念

1．数字控制

数字控制（NumericalControl，简称NC），就是用数字化的信息对机床的运动及其加工过程进行控制的一种方法。

简单地说，数控就是采用计算机或专用计算机装置进行数字计算、分析处理、发出相应指令，对机床的各个动作及加工过程进行自动控制的一门技术。

2．数控机床

图1-1数控机床

数控机床是一种利用信息处理技术进行自动加工控制和金属切削的机床，是数控技术运用的典范。

数控机床是现代化制造技术的核心设备，其先进程度和拥有数量代表了一个国家制造工业的现代化水平。

数控机床如图1-1所示。

3．计算机数字控制

计算机数字控制（ComputerNumericalControl，简称CNC）是用计算机存储系统软件实现数字控制功能，使数控系统由模拟控制系统发展为数字控制系统。

对于计算机数字控制而言，不论是运算速度、精度，还是系统的稳定性、可靠性，都比以前的数控系统有很大的提高，为数控技术的发展提供了强大的生命力。

4．数控系统

数控系统是指利用数控技术实现自动控制的系统。

它是数控机床的核心，可对NC代码进行识别、存储和插补运算，并输出相应的脉冲指令经驱动伺服系统变换和放大，驱动机床完成相应的动作。

数控系统主要用于控制对象的位置、角度、定位精度、定位速度、切削速度、温度、压力等。

5．数控加工

数控加工是把根据工件图样和工艺要求等原始条件编好的加工程序输入数控装置，数控装置再将输入的信息进行运算处理后转换成驱动伺服机构的指令信号，最后由伺服机构控制机床刀具与工件的相对运动，实现工件自动加工。

6．数控加工的内容

一般来说，数控加工流程如图1-2所示，主要包括以下几方面的内容。

图1-2数控加工流程图

（1）分析图样。

确定加工方案对所要加工的零件进行技术要求分析，选择合适的加工方式，再根据需要的加工方式，选择合适的数控加工机床。

（2）工件的定位与装夹。

根据零件的加工要求，选择合理的定位基准，并根据零件批量、精度和加工成本选择合适的夹具，完成工件的装夹与工件在夹具中的找正。

（3）刀具的选择与安装。

根据零件的加工工艺性与结构工艺性，选择合适的刀具材料与刀具种类，完成刀具在机床中的安装与对刀，并将对刀所得参数在数控系统中进行正确设定。

（4）编制数控加工程序。

根据零件的加工要求，对零件进行正确的编程，并将这些程序通过控制介质或以手动方式输入机床数控系统。

（5）试切削、试运行并校验数控加工程序。

对所输入的程序进行试运行，并进行首件的试切削。

试切削一方面用来校验所编制的数控程序，另一方面用来校验工件的加工精度。

（6）数控加工。

当程序正确无误后，便可进入数控加工阶段。

（7）工件验收和质量误差分析。

工件入库前，应先进行工件的检验，并进行质量分析，分析误差产生的原因，找出纠正误差的方法。

1.1.2.2FANUC数控系统简介

目前国内外数控系统种类繁多，数控机床也不尽相同，但数控系统的操作与编程原理基本相同。

本书以我国广泛使用的FANUC系统为例，有针对性地讲述数控机床的操作与编程。

在众多系统中，FANUC0i系统得到了各国用户的高度评价，成为世界范围内用户最多的数控系统之一。

FANUC0i系统有彩色图形显示、会话菜单式编程、专用宏功能、多种语言（汉、德、法）显示、目录返回等功能。

新型号的数控系统是在原有型号后加字母“i”，如FANUC0i系列、FANUCl8i系列等。

FANUC0i是一种采用高速32位微处理器的高性能数控系统，其中FANUC0i-M和FOFANUC0i-T分别用于数控镗铣床和数控车床。

FANUC0i系列数控系统具有以下特点。

●该系统是一种小型高精度、高性能的软件固定型CNC。

这不仅提高了系统可靠性，还提高了系统的性价比。

●便于进行系统维修。

系统内部具备多种自诊断功能，并能分类显示CNC内部状态。

一旦发生故障，报警指示灯立即发亮，并使CNC停止工作，同时在CRT上可分类显示出故障详细内容。

在CRT显示器上，可显示出从CNC输出或向CNC输入的接通、关断信号，通过MDI（手动数据输入），能以“位”为单位接通、关断从CNC输出的接通、关断信号。

●可用CRT显示检查数控系统的快速进给速度、加/减速时间常数等各种参数设定值。

●由于采用了高速微处理器的数字式交流伺服系统，无漂移影响，实现了高速、高精度的控制。

1.2数控机床分类

分类概述

1.2.1

随着数控技术的飞速发展，数控机床的品种和规格也越来越多，根据数控机床的功能和组成不同，可将其按以下方法分类。

1.2.2

相关知识

1.2.2.1数控机床分类方式

1．按工艺用途分类

（1）一般数控机床

一般数控机床是在普通通用机床的基础上发展起来的，这种类型的数控机床工艺用途与普通机床相似，不同的是它适合加工单件、小批量和复杂形状的零件，生产效率和自动化程度比普通机床更高。

一般数控机床主要有数控车床、数控铣床、数控钻床、数控镗床、数控磨床等。

XK5040数控铣床和数控车床分别如图1-3和图1-4所示。

图1-3XK5040数控铣床图1-4数控车床

（2）加工中心

图1-5立式镗铣加工中心

数控加工中心机床，简称加工中心（MachiningCentre，简称MC），它是功能较全并具有多种工艺手段的全功能型数控机床。

最常用的数控加工中心有数控镗铣加工中心和数控车削加工中心。

立式镗铣加工中心如图1-5所示。

（3）特种数控机床

特种数控机床是配置有专用的计算机数控系统并自动进行特种加工的机床。

特种加工的含义主要是指加工手段特殊，工件的加工部位特殊，加工的工艺性能要求特殊等。

特种数控机床有数控电火花机床、数控线切割机床、数控激光切割机、数控冲床等。

数控线切割机床、数控电火花机床、多工位数控冲床和数控激光切割机如图1-6～图1-9所示。

图1-6数控线切割机床图1-7数控电火花机床

图1-8多工位数控冲床图1-9数控激光切割机

2．按通用结构用途分类

（1）立式数控铣床

立式数控铣床的主轴轴线垂直于水平面，它在数量上一直占据着数控铣床的大多数，应用范围也最广，如图1-10所示。

小型数控立铣一般采用工作台移动、升降及主轴不动方式，与普通立式升降台铣床差不多；中型数控立铣一般采用纵向和横向工作台移动方式，且主轴沿垂向溜板上下运动；大型数控立铣，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，其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。

从机床数控系统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。

（2）卧式数控铣床

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1-11所示。

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数控转盘来实现4、5坐标加工，这样不但可以把工件侧面上的连续回转轮廓加工出来，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”。

尤其是万能数控转盘（或工作台）可以把工件上各种不同角度或空间角度的加工面摆成水平来加工，这样，可以省去很多专用夹具或专用角度成形铣刀。

对箱体类零件或需要在一次安装中改变工位的工件来说，选择带数控转盘的卧式数控铣床进行加工是非常合适的。

图1-10立式数控铣床图1-11卧式数控铣床

（3）立卧两用数控铣床

目前，这类数控铣床并不少见，这类铣床的主轴方向可以更换，在一台机床上既可以进行立式加工，又可以进行卧式加工，而同时具备上述两类功能的机床，其使用范围更广、功能更全、选择加工对象的余地更大，且可以给用户带来不少方便，如图1-12所示。

当生产批量小、品种多，又需要立、卧两种方式加工时，用户只须购买一台这样的机床就可以解决问题。

立卧两用数控铣床的主轴方向的更换方法有手动与自动两种，特别是采用数控万能主轴头的立卧两用数控铣床，其主轴头可以任意转换方向，可以加工出与水平面呈不同角度的工件表面。

（a）卧式加工状态（b）立式加工状态

图1-12立卧两用数控铣

3．按运动路径分类

（1）点位控制系统R

点位控制系统的数控机床，其数控装置只能控制刀具从一点到另一点的位置，而不控制移动的路径，因为点位控制系统的数控机床只要求获得准确的加工坐标点的位置，而对移动路径没有严格要求，并且在移动和定位过程中不进行任何加工。

为了减少移动部件的运动与定位时间，一般先快速移动到终点附近位置，然后以低速准确移动到终点定位位置，以保证良好的定位精度。

移动过程中刀具不进行切削。

常见的点位数控机床有数控钻床、数控坐标镗床、数控冲床等。

点位控制系统如图1-13所示。

图1-13点位控制系统

（2）直线控制

直线控制系统的数控机床，不但要求刀具或数控工作台从起点坐标运动到终点坐标，而且要求刀具或数控工作台在以给定的速度沿平行于某坐标轴方向运动的过程中进行切削加工。

该类系统也可以控制刀具或数控工作台同时在两个轴向以相同的速度运动，从而沿某坐标轴成45°的斜线进行加工。

常见的直线数控机床有数控车床、数控镗铣床、数控磨床、数控加工中心等。

直线控制系统如图1-14所示。

（3）轮廓控制

轮廓控制系统的数控机床，能够对两个或两个以上的坐标轴同时进行控制，它不仅能够控制机床移动部件的起点和终点坐标值，而且能够控制整个加工过程的每一点的速度与位移，既能控制加工路径又能加工出符合要求的轮廓。

其加工工件可以用直线插补或圆弧插补的方法进行切削加工。

常见的轮廓数控机床有数控车床、数控铣床、数控磨床、数控加工中心、线切割等。

轮廓控制系统如图1-15所示。

图1-14直线控制系统图1-15轮廓控制系统

4．按伺服系统分类

（1）全闭环伺服系统

这类系统带有位置检测装置，能够直接对工作台的位移量进行检测，其原理如图1-16所示。

当数控系统发出位移指令脉冲，经伺服电动机和机械传动装置使机床工作台移动时，安装在工作台上的位置检测元件把工作台的位移量转换为电信号，反馈到CNC装置与给定信号相比较，得到的差值经过变换处理和放大，最后驱动工作台向减少误差的方向移动，直到差值等于零时为止。

图1-16全闭环伺服系统原理示意图

这类伺服系统，因为把机床工作台纳入了位置控制环，故称为全闭环控制系统。

这种系统可以消除包括工作台传动链在内的误差，因而定位精度高、调节速度快，但由于本系统受进给丝杠的扭转刚度、摩擦阻尼特性和间隙等非线性因素的影响，会给调试工作造成很大的困难，而且系统复杂和成本高，故适用于精度要求很高的数控机床。

全闭环伺服系统包括加工中心、数控镗铣床、数控超精车床、数控超精铣床等。

（2）半闭环伺服系统

大多数控机床采用的是半闭环伺服系统，这类驱动系统用安装在丝杠轴端或伺服电动机轴端的角位移测量元件（如旋转变压器、脉冲编码器、光栅尺等）来代替安装在机床工作台上的直线测量元件，用测量丝杠或电动机轴旋转角位移来代替测量工作台直线位移，其原理示意图如图1-17所示。

因为这种系统未将丝杠螺母副、齿轮传动副等传动装置包含在闭环反馈系统中，因而称为半闭环控制系统。

它不能补偿由丝杠等传动装置所带来的误差。

半闭环系统的控制精度没有全闭环系统高，调试却相对更方便，因而在标准型数控机床上得到广泛应用。

图1-17半闭环伺服系统原理示意图

（3）开环伺服系统

这是一种没有位置反馈环节的驱动系统。

数控系统对工件的程序进行处理并输出指令脉冲给伺服系统，驱动机床运动，不带有位置传感器的反馈信号。

最典型的开环伺服系统就是采用步进电动机的伺服系统，如图1-18所示，它一般由环形分配器、功率放大器和步进电动机组成。

数控系统每发出一个指令脉冲，经驱动电路功率放大后，驱动步进电动机旋转一个固定角度（即步距角），再经传动机构带动工作台移动。

这类控制系统的信息流是单向的，即进给脉冲发出去后，工作台的实际移动值不再反馈回来，所以称为开环控制系统。

开环系统由于没有位置反馈环节，因此具有结构简单、系统稳定、容易调试和成本较低等特点。

该系统的缺点是没有误差补偿，精度较低。

这种系统一般适用于经济型数控机床和旧机床改造。

图1-18开环伺服系统

1.2.2.2数控铣床及加工中心的分类

加工中心和数控铣床有很多相似之处，都能够进行铣削、钻削、镗削及攻螺纹等加工。

二者的主要区别在于刀具库和自动刀具交换装置（ATC，AutmaticToolsChanger），加工中心是一种备有刀库并能通过程序或手动控制自动更换刀具对工件进行多工序加工的数控机床。

数控铣床及加工中心根据主轴位置、坐标轴数量及换刀方式的不同，可以按以下方法分类。

●数控铣床按其主轴位置不同可分为立式、卧式、立卧两用铣床3类。

●数控铣床按控制系统的坐标轴数量不同可分为2.5轴、3轴、4轴、5轴联动铣床。

●加工中心按其主轴位置的不同可分为立式、卧式、立卧两用、龙门加工中心。

●加工中心按换刀方式不同可分为带机械手、无机械手、转塔刀库加工中心。

●加工中心按工作台不同可分为单工作台、双工作台、多工作台加工中心。

●加工中心按转塔不同可分为立式转塔加工中心、卧式转塔加工中心。

●加工中心按主轴箱不同可分为单轴、双轴、三轴可换主轴箱加工中心。

1.3数控铣床及加工中心的组成及特点

组成概述

1.3.1

数控铣床及加工中心是一种利用信息处理技术进行自动加工控制和金属切削的机床，主要是用计算机程序对各类控制信息进行处理，不仅具有柔性，而且还可处理逻辑电路难以处理的各种复杂信息。

熟悉数控铣床及加工中心的组成及特点，便于掌握机床的工作流程及其在各行业中的应用。

1.3.2

相关知识

1.3.2.1数控铣床及加工中心组成

数控铣床及加工中心的种类繁多，但从组成一台完整的数控铣床及加工中心的角度讲，主要由输入输出设备、数控装置、伺服系统、反馈系统和机床本体5大部分以及辅助装置组成，如图1-19所示。

图1-19数控铣床及加工中心组成

1．输入输出设备

输入输出设备是数控机床与外部设备的接口，存储介质的加工信息通过输入设备输送到机床的数控系统，机床内存中的加工程序也可以通过输出设备传送到存储介质上。

2．数控系统

数控系统是数控机床及加工中心的核心部分，主要是对输入的加工程序进行数字运算和逻辑运算，然后向伺服系统发出控制信号，使设备按规定的动作执行。

3．伺服系统

伺服系统是数控系统与机床本体之间的电传动联系环节，主要由伺服电动机、驱动控制系统及位置检测系统组成。

其作用是把由数控系统发出的脉冲信号转换成机床移动部件的运动，使机床的工作台按规定移动，精确定位，加工出符合图纸要求的工件。

整个机床的性能主要取决于伺服系统。

常用的伺服电机有直流伺服电机、交流伺服电机、电液伺服电机等。

4．反馈系统

反馈系统主要是对机床的运动速度、方向、位移以及加工状态加以检测并将其结果转化为电信号反馈给数控系统，数控系统根据反馈回来的信息调整机床的运动，实现误差补偿。

5．机床本体

机床本体是数控铣床及加工中心的主体，是用于完成各种切削加工的机械部分，主要包括主运动部件、进给运动部件（如工作台、刀架）和支撑部件（如床身、立柱等）。

有些数控机床还配备特殊部件，如刀库、自动换刀装置等。

除上述5个主要部分外，数控铣床及加工中心还有一些辅助装置和附属设备，如电气、液压、气动系统与冷却、排屑、润滑、照明系统等。

1.3.2.2数控铣床及加工中心的特点

在批量生产条件下，利用数控铣床或加工中心自动化加工，可以取得良好的经济效益。

与普通机床加工相比，采用数控铣床及加工中心加工具有以下特点。

1．简化加工过程

传统加工需要认真编制工艺规程，严格划分工序，然后设计和制造夹具，确定定位方案。

而使用数控加工可以集中工序，减少零件的装夹次数，通过NC程序可以轻松实现对复杂三维零件的加工，大大简化加工过程。

2．加工效率高

数控加工在NC程序引导下有序进行，受到的人工干预少，加工过程中工件的转位时间及换刀时间短，还可以实现多刀并行加工，大大地提高了加工效率。

3．加工精度高

数控加工在程序控制下有序进行，受到的人工干预少，具有较小的加工误差。

同时，现在的数控机床还采用了闭环控制，可以对出现的误差进行补偿，大大地提高了加工精度。

4．加工重复性好

数控加工中编制好的程序可以在加工中重复使用，还可以对已有的程序进行适当的修改和完善，以适应相似的加工对象，特别是随着CAD/CAM技术的不断发展和进步，复杂数控程序的编制变得越来越简单，这为高效地加工出高精度的复杂零件创造出良好的条件。

1.4数控铣床及加工中心的插补原理

插补概述

1.4.1

在轮廓控制加工中，刀具路径必须严格按零件轮廓曲线运动。

插补运算的作用是按一定的关系向机床各个坐标轴的驱动控制器分配进给脉冲，使伺服电动机驱动工作台运动，工作台相对主轴的运动路径以一定精度要求逼近于所加工零件的外形轮廓尺寸。

1.4.2

相关知识

1.4.2.1插补概念

在实际编程加工中，被加工工件的轮廓形状千差万别。

严格说来，为了满足几何尺寸精度的要求，刀具中心路径应该准确地依照工件的轮廓形状来生成，对于简单的曲线，数控系统可以比较容易地实现，但对于较复杂的形状，若直接生成会使算法变得很复杂，计算机的工作量也相应地大大增加，因此，实际应用中，常采用一小段直线或圆弧去进行拟合以满足精度要求（也有需要抛物线和高次曲线拟合的情况），这种拟合方法就是“插补”，实质上插补就是数据密化的过程。

1.4.2.2逐点插补原理

逐点比较插补法的一个插补循环包括偏差判断、加工进给、偏差计算、终点判断4个环节。

●偏差计算：

根据加工点的当前位置，计算偏差函数值。

●偏差判断：

判别偏差函数的正、负，以确定加工点相对曲线的位置。

●加工进给：

根据偏差的情况，朝偏向曲线的方向进给一步。

●终点判断：

判断加工点是否已经达到曲线的终点，以确定是否结束插补。

1．逐点比较法直线插补

直线插补时，以直线起点为原点，给出终点坐标（x4，y4），则直线方程为y=kx。

y=

改写为：

=

yx4-xy4=0

以第一象限直线插补为例，如图1-20所示，插补偏差可能有3种情况，即当前加工点位于直线上方、直线上和下方。

●位于直线上方的1点，则y1x4-x1y4>0；

●位于直线上的2点，则y2x4-x2y4=0；

●位于直线下的3点，则y3x4-x3y4<0。

因此，可取判别函数F为F=yjxe-xiye，可用来判别当前的加工点相对于直线的偏差。

当F>0时，应向+X方向走一步，可接近直线；当F<0时，应向+Y方向走一步，可接近直线；当F=0时，可归入F>0的情况。

整个插补的过程，由原点开始，判一次偏差，走一步，计算一次，周而复始，直到终点。

2．逐点比较法圆弧插补

圆弧插补分为顺时针圆弧插补和逆时针圆弧插补两种。

当加工圆弧时，可以联想到将加工点到圆心的距离和该圆的半径相比较，来反映加工时的偏差。

仍以第一象限逆圆弧为例，推导出圆弧插补的偏差计算公式。

要加工如图1-21所示的圆弧AE，圆弧AE位于第一象限，逆时针走向，半径为R，以原点为圆心，起点坐标为A（x0，y0），对于圆弧上任一加工点的坐标设为P（xi，yj），P点与圆心的距离RP的平方为RP2=xi2+yj2。

图1-20第一象限直线图1-21圆弧插补过程

●若xi2+yj2=x02+y02=R2成立，则P（xi，yj）刚好落在圆弧上；

●若xi2+yj2>x02+y02，则P（xi，yj）在圆弧外侧，即RP>R；

●若xi2+yj2

根据以上可取偏差判别式为：

F=（xi2-x02）+（yj2-y02）。

运用上述法则，使用偏差公式，便可加工出图1-21所示折线的近似圆弧。

1.5刀具半径补偿原理及实例

刀补概述

1.5.1

在数控编程过程中，为使编程工作更加方便，通常将数控刀具的刀尖假想成一个点，该点称为刀位点或刀尖点。

在编程时，一般不考虑刀具半径，只需考虑刀位点与编程路径重合。

但在实际加工过程中，由于不同刀具的半径各不相同，在加工中会产生很大的加工误差。

因此，实际加工时必须通过刀具补偿指令，使数控机床根据实际使用的刀具尺寸，自动调整各坐标轴的移动量，确保实际加工轮廓和编程路径完全一致。

1.5.2

相关知识

1.5.2.1刀具半径补偿的概念

数控机床根据刀具实际尺寸，自动改变机床坐标轴或刀具刀位点位置。

使编程路径加上一个半径补偿值后和实际加工轮廓完全一致的功能，称为刀具补偿，如图1-22所示。

图1-22半径补偿

1.5.2.2刀具半径补偿的作用

在数控编程时，可以不考虑刀具半径，直接按图样所给的尺寸进行编程，实际加工时输入刀具半径补偿值即可，数控机床会自动改变刀具刀位点位置，使实际加工轮廓和编程路径一致。

当刀具磨损引起刀具半径变化时，也可以使用刀具补偿值进行修正，使实际加工轮廓和编程路径一致。

1.5.2.3刀具半径补偿的过程

在实际加工过程中，刀具半径补偿执行过程一般分为以下3步。

半径补偿过程如图1-23所示。

（1）刀补的建立：

在刀具从起点接近工件时，刀心路径从与编程路径重合过渡到与编程路径偏离一个偏置量的过程。

（2）刀补进行：

刀具中心始终与编程路径相距一个偏置量直到刀补取消。

（3）刀补取消：

刀具离开工件，刀心路径要过渡到与编程路径重合的过程。

图1-23半径补偿过程

1.5.2.4刀具半径补偿的实例

刀具半径补偿的实例如表1-1所示。

表1-1刀具半径补偿实例

程序

注解

O0001

程序号

N10G17G90G54G40G49G80G94；

程序初始化

N20M03.S800；

主轴正转，转速为800r/min

N30G00X0.0Y0.0Z100.0；

刀具快速定位X、Y、Z坐标

N40Z5.0；

刀具快速定位Z坐标

N50G41X20.0Y10.0D01；

建立刀补

N60Z-10.0F100.0；

刀具沿Z向进刀

N70G01Y50.0F200.0；

刀补切削

N80X50.0；

N90Y20；

N100X10.0；

N110G00Z100.0；