第一章 数控加工及数控车铣设备

1、第一章数控加工及数控车铣设备第一节数控加工概述第二节数控加工工艺概述第三节数 控 车 床第四节数 控 铣 床第五节数控机床坐标系第一节数控加工概述一、数控加工零件分析在不同的机械中，会用到不同类型的零件，下面几种零件是在机械中比较常见的。1.轴类零件图1-1典型轴类零件第一节数控加工概述2.套类零件图1-2套类零件第一节数控加工概述3.模具类零件图1-3模具型芯4.平面凸轮第一节数控加工概述图1-4平面凸轮5.箱体类零件第一节数控加工概述1-5.TIF二、数控加工的基本概念第一节数控加工概述数控(Numerical Control，NC)是以数字化信号对机床运动及加工过程进行控制的一种方法。早

2、期数控机床的NC装置由各种逻辑元件、记忆元件组成随机逻辑电路，是固定接线的硬件结构，由硬件来实现数控功能，称作硬件数控。用这种技术实现的数控机床一般称作NC机床。三、数控加工的特点与普通机床加工相比，数控机床本身的性能与功能具有如下优势：1.柔性加工程度高2.自动化程度高3.加工精度较高4.加工质量稳定可靠第一节数控加工概述5.生产率较高6.良好的经济效益四、数控加工的内容数控加工的内容主要包括：1)确定零件上需要数控加工的表面。2)对零件图样进行数控加工的工艺分析。3)设计数控加工工艺。4)编制加工程序。5)输入加工程序。6)校验和修改加工程序。7)运行加工程序，对零件进行加工。五、数控加工

3、的适用范围第一节数控加工概述数控机床具有一般机床所不具备的许多优点，所以数控机床加工技术的应用范围在不断扩大。针对数控机床这种高度机电一体化、技术含量高、成本高、使用与维修都有较高要求的特征，最适于数控加工的零件范围为：1)多品种、小批量生产的零件或新产品试制中的零件。2)几何形状复杂的零件。3)加工过程中必须进行多工序加工的零件。4)用普通机床加工时，需要昂贵工装设备(工具、夹具和模具)的零件。5)必须严格控制公差，对精度要求高的零件。6)需全部检验的产品。7)工艺设计需多次改型的零件。第一节数控加工概述8)价格昂贵，加工中不允许报废的关键零件。9)要求生产周期很短的零件。1)需要在机床上进

4、行较长时间调整的加工内容，如以毛坯的粗基准定位来加工第一个精基准的工序。2)数控编程取数困难、易于和检验依据发生矛盾的型面、轮廓。3)不能在一次安装中完成加工的其他零星加工表面，采用数控加工又很麻烦，可采用通用机床补充加工。4)加工余量大而又不均匀的粗加工。第二节数控加工工艺概述一、数控加工工艺的概念数控加工工艺是采用数控机床加工零件时所运用各种方法和技术手段的总和，应用于整个数控加工过程。数控加工工艺是数控编程的前提和依据，没有符合实际的、科学合理的数控加工工艺，就不可能有真正可行的数控加工程序。反过来，数控编程将制订的数控加工工艺内容程序化。二、数控加工工艺的特点数控机床加工与通用机床加工

5、相比，在许多方面遵循基本一致的原则，在使用方法上也有很多相似之处。但由于数控机床本身自动化程度较高，设备费用较高，设备功能较强，使数控加工相应形成了如下几个特点：1.数控加工的工艺内容明确具体第二节数控加工工艺概述2.数控加工的工艺准确严密3.数控加工的工序相对集中4.注重加工的适应性三、数控加工工艺的内容第二节数控加工工艺概述数控加工与普通机床加工在方法和内容上很相似，最主要的区别在于加工过程的控制方式不同。以通用机床上加工小批量的零件为例，对于一个具体的工序，其工步的安排、机床运动的先后次序、进给路线及相关切削参数的选择等，虽然有工艺文件说明，但操作上往往是由操作者根据具体情况自行确定的，

6、而且是用手工方式进行控制的；在数控机床上加工时则由数控机床的数控装置实施控制，完全按照事先编制的加工程序的要求，加工所需要的零件。实现数控加工，加工程序编制是关键。而数控工艺就是程序编制前的准备工作和程序编制后的调整处理工作。严格说来，数控编程也属于数控加工工艺的范畴。综合起来考虑，数控加工工艺主要包括以下几方面的内容：1)选择并确定需要进行数控加工的内容。第二节数控加工工艺概述2)进行数控加工工艺分析，使加工内容及技术要求具体化。3)设计加工工序，选择刀具、夹具及切削用量。4)处理特殊的工艺问题，如对刀点、换刀点确定，加工路线确定，刀具补偿，加工误差分配等。5)针对具体的系统处理工艺指令，编

7、制工艺文件。第三节数 控 车 床一、车床的组成及布局1.车床的组成及特点图1-6卧式车床的外观图1主轴箱2刀架3尾座4床身5、9床脚6光杠7丝杠8溜板箱10进给箱11交换齿轮变速机构第三节数 控 车 床图1-7CA6140型卧式车床的传动系统第三节数 控 车 床图1-8数控车床的外观图1床身2数据读取器3机床操纵台4数控系统操作面板5导轨6回转刀架7防护门8尾座9排屑装置第三节数 控 车 床图1-9数控车床的结构示意图2.数控车床的布局第三节数 控 车 床(1)床身导轨的布局如图1-10所示，根据数控车床床身导轨与水平面的相对位置不同，可以有多种布局形式：图1-10a所示为平床身平滑板，图1-

8、10b所示为斜床身斜滑板，图1-10c所示为平床身斜滑板，图1-10d所示为斜床身平滑板，图1-10e所示为立式床身立滑板。图1-10数控车床布局a)平床身平滑板b) 斜床身斜滑板c) 平床身斜滑板d)斜床身平滑板e)立式床身立滑板第三节数 控 车 床(2)刀架的布局刀架作为数控车床的重要部件，其布局形式对机床整体布局及工作性能影响很大。图1-11刀架形式a)立式回转刀架b)卧式回转刀架第三节数 控 车 床图1-12双刀架结构二、数控车床的用途第三节数 控 车 床数控车床与卧式车床一样，也是用来加工轴类或盘类等回转体零件。但是，由于数控车床是自动完成内外圆柱面、圆锥面、圆弧面、端面、螺纹等工序

9、的切削加工，所以数控车床特别适合加工形状复杂的轴类或盘类零件。其加工零件的公差等级可以达到IT5IT6，加工表面的粗糙度值可以达到Ra16m甚至以下。三、数控车床的分类对数控车床的分类可以采用不同的方法。1.按机床主轴布局形式分类(1)卧式数控车床其主轴轴线处于水平位置。1)刀架前置的数控车床。第三节数 控 车 床图1-13刀架前置数控车床2)刀架后置式数控车床。第三节数 控 车 床(2)立式数控车床立式数控车床的主轴垂直于水平面，并有一个直径很大的圆形工作台，供装夹工件用，如图1-16所示。图1-14数控车床用四方刀架结构1电动机2联轴器3蜗杆轴4蜗轮丝杆5刀架底座6粗定位盘7刀架体8球头销

10、9转位套10电刷座11发信体12螺母13、14电刷15粗定位销第三节数 控 车 床2.按数控系统控制的轴数分类(1)两轴控制的数控车床机床上只有一个回转刀架，可实现X、Z两坐标轴控制，图1-13和图1-15所示即两轴控制的数控车床。(2)双刀架四轴控制的数控车床机床上有两个独立的回转刀架，可实现四轴控制。图1-15刀架后置式数控车床第三节数 控 车 床图1-16立式数控车床(3)三轴控制的车削中心车削中心是在数控车床的基础上发展起第三节数 控 车 床来的，主要特征是在数控车床的转塔刀架上增设了多种自驱动刀具并对刀具主轴(C轴)进行伺服控制。(4)五轴联动双端面车磨复合加工中心如图1-18所示的

11、数控车磨复合加工中心采用五轴控制，实施五轴三联动。图1-17数控车削加工中心第三节数 控 车 床图1-18数控车磨复合加工中心四、数控车床的结构第三节数 控 车 床下面以济南第一机床集团有限公司的MJ50型数控车床为例进行介绍，机床外观如图所示。图1-19MJ-50数控车床外观图1脚踏开关2对刀仪3主轴卡盘4主轴箱5机床防护门6压力表7对刀仪防护罩8导轨防护罩9对刀仪转臂10操作面板11回转刀架12尾座13滑板14床身第三节数 控 车 床1. MJ-50数控车床的用途、布局及技术参数(1)MJ-50数控车床的用途MJ-50数控车床主要用来加工轴类零件的内外圆柱面、圆锥面、螺纹表面、成形回转体表

12、面；对于盘类零件，可进行钻孔、扩孔、铰孔、车孔等加工。(2)MJ-50数控车床的布局MJ-50数控车床为两轴联动的卧式车床。(3)MJ-50数控车床的主要技术参数1)机床的主要参数2)数控系统的主要技术规格。第三节数 控 车 床表1-1FANUC-OTE系统的主要技术参数第三节数 控 车 床表1-1FANUC-OTE系统的主要技术参数第三节数 控 车 床2.主传动系统及主轴箱(1)主运动传动系统MJ-50数控车床的传动系统如图1-20所示。(2)主轴箱1)主轴箱结构。图1-20MJ-50数控车床传动系统第三节数 控 车 床图1-21MJ-50数控车床主轴箱结构1、6、8螺母2同步带3、16同步

13、带轮4脉冲编码器5、12、13、17螺钉7主轴9主轴箱体10角接触球轴承11、14双列圆柱滚子轴承15带轮第三节数 控 车 床2)液压卡盘结构。图1-22液压卡盘a)卡盘与主轴联接图b)卡盘内楔形结构图1回转液压缸2拉杆3联接套4滑套5接套6活塞7、10螺钉8回转液压缸箱体9卡盘体11卡爪座12卡爪3.进给传动系统及传动装置第三节数 控 车 床(1)进给传动系统的特点数控车床的进给传动系统是控制X、Z坐标轴的伺服系统的主要组成部分，它将伺服电动机的旋转运动转化为刀架的直线运动，而且对移动精度要求很高，X轴最小移动量为0.0005mm(直径编程)，Z轴最小移动量为0.001mm。(2)进给传动系

14、统MJ-50数控车床的进给传动系统分为X轴进给传动和Z轴进给传动。(3)进给系统传动装置1)X轴进给传动装置。第三节数 控 车 床图1-23MJ-50数控车床X轴进给传动装置结构简图1滑板2、7、11螺母3前支承4轴承座5、8缓冲块6滚珠丝杠9角接触球轴承10、14同步带轮12同步带13键15AC伺服电动机16脉冲编码器17、18、19、23、24、25镶条20螺钉21刀架22导轨护板26、27参考点限位开关和撞块第三节数 控 车 床2)Z轴进给传动装置。图1-24MJ-50数控车床Z轴进给传动装置图a)传动装置简图b)电动机与同步带轮联接图1脉冲编码器2、12同步带轮3、6缓冲挡块4螺母5滚

15、珠丝杠7圆珠滚子轴承8、16调整螺母9右支承轴承座10、17螺钉11同步带13床身14伺服电动机15角接触球轴承18法兰19内锥环20外锥环第三节数 控 车 床4.自动回转刀架(1)盘形回转刀架数控车床的盘形自动回转刀架转位换刀过程为：当接收到数控系统的换刀指令后，刀盘松开刀盘旋转到指令要求的刀位刀盘夹紧并发出转位结束信号。图1-25MJ-50数控车床回转刀架结构图1分度凸轮2液压马达3锥环无键联接4、5齿轮6刀架主轴7、12推力球轴承8双列滚针轴承9活塞10、13鼠牙盘11刀盘第三节数 控 车 床(2)四方回转刀架四方刀架的结构如图1-14所示，该刀架广泛应用于经济型数控车床。1)刀架抬起。

16、2)刀架转位。3)刀架定位。4)刀架夹紧。5.机床尾座图1-26MJ-50数控车床尾座结构简图1顶尖2尾座套筒3尾座体4活塞杆5端盖6移动挡块7固定挡块8、9确认开关10行程杆第四节数 控 铣 床图1-27普通铣床演变为数控铣床一、数控铣床的组成、布局及其机械结构主要特点第四节数 控 铣 床1.数控铣床的组成2.数控铣床的布局图1-28XK5040A数控铣床的布局1底座2强电柜3变压器箱4垂直升降进给伺服电动机5主轴变速手柄和按钮6床身7数控柜8、11保护开关9挡铁10操纵台12横向溜板13纵向进给伺服电动机14横向进给伺服电动机15升降台16纵向工作台第四节数 控 铣 床3.数控铣床机械结构

17、的主要特点(1)高刚度和高抗振性刚度是铣床的技术性能之一，它反映了铣床结构抵抗变形的能力。1)提高铣床构件的静刚度和固有频率。2)改善数控铣床结构的阻尼特性。3)采用新材料和钢板焊接结构。(2)铣床热变形影响铣床的热变形是影响加工精度的重要因素之一。1)改进铣床布局和结构 采用热对称结构。这种结构相对热源是对称的，在产生热变形时，其工件或者刀具回转中心对称线的位置基本保持不变，因而可以减少对加工件的精度影响。第四节数 控 铣 床 采用倾斜床身和斜滑板结构。 采用热平衡措施。2)控制温度。3)对切削部位采取强冷措施。4)热位移补偿。(3)简化的传动系统机械结构数控铣床的主轴驱动系统和进给驱动系统

18、，分别采用交流、直流主轴电动机和伺服电动机驱动。(4)高传动效率和无间隙传动装置数控铣床在高进给速度下，工作要求平稳，并有高定位精度，因此，其进给系统中的机械传动装置和元件应具有高寿命、高刚度、无间隙、高灵敏度和低摩擦阻力的特点。(5)低摩擦因数的导轨铣床导轨是铣床的基本结构之一。第四节数 控 铣 床二、数控铣床的用途数控铣床的功能分为一般功能和特殊功能。一般功能是指各类数控铣床所普遍具有的功能，如点位控制功能、连续轮廓控制功能、刀具半径补偿功能、镜像加工功能、固定循环功能等。特殊功能是指数控铣床在增加了某些特殊装置或附件以后，分别具有或兼备的一些特殊功能，如刀具长度补偿功能、靠模加工功能、自

19、动变换工作台功能、数据采集功能等。(1)平面类零件图1-4所示的被加工零件就属于平面类零件。(2)变斜角类零件这类零件多为飞机零件，如飞机的整体梁、框、缘条与肋等。(3)曲面(立体)类零件曲面零件的特点是：加工面不能展开为平面；加工面与铣刀始终为点接触。第四节数 控 铣 床三、数控铣床的分类1.数控铣床图1-29大型立式数控龙门铣床第四节数 控 铣 床图1-30立式、卧式数控铣床a) 立式数控铣床b) 卧式数控铣床第四节数 控 铣 床2.数控仿形铣床(1)数控功能类似一台数控铣床具有的标准数控功能，新型数控仿形铣床有三轴联动功能、刀具半径补偿和长度补偿功能、用户宏程序及手动数据输入功能和程序编

20、辑功能等。(2)仿形功能在机床上装有仿形头，可以采集仿形方式，如笔式手动、双向钳位、轮廓、部分轮廓、三向、NTC(Numerical Tracer Control)等。(3)数字化功能在仿形加工的同时，可以采集仿形头运动轨迹数据，并处理成加工所需要的标准指令，存入存储器或其他介质(如软盘)，以便以后可以利用存储的数据进行加工。3.数控工具铣床4.数控钻床第四节数 控 铣 床5.数控龙门铣床四、数控铣床的主要技术参数1. XK714型数控铣床以及TK6411A型数控铣床的布局图1-31XK714型数控铣床和TK6411A型数控铣床a)XK714型b)TK6411A型第四节数 控 铣 床2. XK

21、714型数控铣床和TK6411A型数控铣床的主要技术参数表1-2XK714型数控铣床的主要技术参数第四节数 控 铣 床表1-3TK6411A型数控铣床的主要技术参数第四节数 控 铣 床五、数控铣床的主传动系统及主轴部件数控铣床主传动系统的作用是将主轴电动机的原动力通过这一传动系统变成可供切削加工用的切削力矩和切削速度。为了适应各种不同材料的加工及各种不同的加工方法，要求数控铣床的主传动系统要有较宽的转速范围及相应的输出转矩；高精度、高刚度、低振动、热变形及噪声都能满足需要的主轴部件。六、数控铣床的进给传动系统及传动装置XK5040A型数控铣床的进给运动有工作台纵向、横向和垂直三个方向，如图13

22、2所示。纵向、横向进给由该轴直流伺服电动机驱动，经圆柱斜齿轮副带动滚珠丝杠转动。垂直方向进给运动由带制动器的Z轴直流伺服电动机驱动，经锥齿轮副带动滚珠丝杠转动；断电时Z向制动，以防止工作台因自重而下滑。第四节数 控 铣 床图1-32 XK5040A型数控铣床传动系统第四节数 控 铣 床图1-33XK5040A型数控铣床升降台自动平衡装置1伺服电动机2、3、4锥齿轮5星轮6滚子7外壳8螺母9锁紧螺母第四节数 控 铣 床七、数控铣床的主要辅助装置结构1.润滑系统2.液压和气动装置3.排屑装置第五节数控机床坐标系一、数控坐标系的基础知识规定数控机床坐标轴及运动方向，是为了准确地描述机床运动，简化编程

23、，并使所编程序具有互换性。图1-34笛卡儿坐标系1.刀具相对于静止工件运动的原则2.标准坐标系第五节数控机床坐标系3.运动方向的确定(1)Z轴由传递切削力的主轴决定，与主轴轴线平行的坐标轴即为Z轴，如图1-35、图1-36所示。图1-35卧式车床第五节数控机床坐标系图1-36立式升降台铣床第五节数控机床坐标系图1-37卧式铣床(2)X轴X轴为水平且平行于工件的装夹面，第五节数控机床坐标系这是在刀具或工件定位平面内运动的主要坐标轴。(3)Y轴Y轴垂直于X、Z轴，Y轴的正方向根据X和Z轴的正方向，按右手笛卡儿直角坐标系来判断。(4)旋转运动A、B和CA、B和C相应地表示其轴线平行X、Y和Z轴的旋转运动。二、绝对坐标与增量坐标所有坐标值均