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作者：田萍编

出版社：电子工业出版社

出版时间：2013-07-01

书籍编号：30467432

ISBN：9787121208294

正文语种：中文

字数：156827

版次：3

所属分类：教材教辅-大学

版权信息

书名：数控机床加工工艺及设备（第3版）

作者：田萍

ISBN：9787121208294

版权所有 · 侵权必究

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前　言

《数控机床加工工艺及设备》（第2版）自出版以来，深得各高职高专院校师生以及广大读者的好评。随着当前高等职业教育机电类专业教学改革的发展，配合高职高专院校的教学和教材改革，本着与时俱进、精益求精的精神，我们对《数控机床加工工艺及设备》（第2版）进行了适当修订，修订后的第3版改动如下。

1.保持第2版编写风格，更注重概念及论述的精准，使原来使用本教材的教师易于过渡。

2.对第2版中涉及实践操作性强的内容进行了充实改进，更具操作性。

3.对第2版中与后续课程的衔接部分进行了适当增补。

4.对第2版中的少量图例和习题也进行了调整修订，并为本书配备全面的教学服务内容，包括电子教案、习题答案等。

本书把数控加工工艺与典型的数控设备结合起来，并整合机械制造基础，使传统制造工艺与数控加工工艺融为一体。本书由三峡电力职业学院田萍主编，全书共9章；第1章、第3章、第5章、第8章由田萍编写；第6章、第7章由太原城市职业技术学院雷丽萍编写；第2章、第4章由三峡电力职业学院邓唯一编写；第9章由江西工业贸易职业技术学院魏丹丹编写；苏州工业园区职业技术学院黄志辉主审了全书，全书由田萍统稿。本书可作为机电一体化技术专业、数控技术应用专业中的“数控机床加工工艺及设备”课程及实训的教材，也可供相近专业师生及有关工程技术人员参考。

本书在编写过程中参考了华中精密仪器厂提供的信息，还参阅了大量同行的教材、资料与文献，得到黄柏涛总工程师、付正江副教授等的大力支持和帮助，在此一并表示衷心的感谢。

由于作者水平所限，书中难免有错漏之处，恳请广大读者对本书提出宝贵的意见和建议，以使我们不断修正错误，汲取经验，使教材进一步完善和提高。

欢迎通过E-mail:tp9966@163.com与作者联系交流。

编　者

2013年2月

第1章　绪　论

内容提要及学习要求

本章的宗旨在于建立数控机床及数控加工的整体性认识，要求了解数控与数控机床的相关概念、数控机床的工作原理、加工过程、加工内容及加工特点；熟悉数控机床的组成；掌握数控机床的分类及应用范围；了解数控机床的主要性能指标及数控机床的发展趋势。

数控技术是20世纪40年代后期发展起来的一种自动化加工技术，它综合了计算机、自动控制、电机、电气传动、测量、监控和机械制造等学科的内容，目前在机械制造业中已得到了广泛应用，其中最典型而应用面最广的是数控机床。下面给出几个相关概念。

（1）数字控制（Numerical Contro1）：是一种用数字化信号对控制对象（如机床的运动及其加工过程）进行预定动作控制的技术，简称为数控（NC）。

（2）数控技术：是指用数字、字母和符号对某一工作过程进行可编程自动控制的技术。

（3）数控系统：是指实现数控技术相关功能的软硬件模块的有机集成系统，它是数控技术的载体。

（4）计算机数控系统（Computer Numerical Contro1）：是指以计算机为核心的数控系统，简称为（CNC）。

（5）数控机床（NC Machine）：是指应用数控技术对加工过程进行控制的机床，或者说是装备了数控系统的机床。

1.1　数控加工工艺

所谓数控加工工艺，就是用数控机床加工零件的一种工艺方法。

数控加工与通用机床加工在方法与内容上有许多相似之处，不同点主要表现在控制方式上。

以机械加工为例，用通用机床加工零件时，就某道工序而言，其工步的安排，机床运动的先后次序、位移量、走刀路线及有关切削参数的选择等，都是由操作工人自行考虑和确定的，且是用手工操作方式来进行控制的。

如果采用自动车床、仿型车床或仿型铣床加工，虽然也能达到对加工过程实现自动控制的目的，但其控制方式是通过预先配置凸轮、挡块或靠模来实现的。

在数控机床上加工时，情况就完全不同了。在数控机床加工前，我们要把原先在通用机床上加工时需要操作工人考虑和决定的操作内容及动作，例如工步的划分与顺序、走刀路线、位移量和切削参数等，按规定的数码形式编成程序，记录在数控系统存储器或磁盘上，它们是实现人与机器联系起来的媒介物。

加工时，控制介质上的数码信息输入数控机床的控制系统后，控制系统对输入信息进行运算与控制，并不断地向直接指挥机床运动的机电功能转换部件——机床的伺服机构发送脉冲信号，伺服机构对脉冲信号进行转换与放大处理，然后由传动机构驱动机床按所编程序进行运动，就可以自动加工出我们所要求的零件形状。

1.2　数控加工流程

数控加工流程如图1.1所示，主要包括以下几方面内容：

图1.1　数控加工流程

（1）分析图样，确定加工设备。对所要加工的零件进行技术要求分析，选择并确定进行数控加工的零件的内容及数控加工机床。

（2）工艺分析和工艺设计。结合加工表面的特点和数控设备的功能对零件进行数控加工的工艺分析，并进行数控加工的工艺设计。

（3）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、精度及加工成本选择合适的夹具，完成工件的装夹与找正。

（4）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，并完成刀具的安装与对刀，将对刀所得参数正确设定在数控系统中。

（5）编制数控加工程序。根据零件的加工要求，对零件图形进行数学处理、计算，编写加工程序单，经过初步校验后将其输入机床数控系统。

（6）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。试切削一方面用来对加工程序进行最后的校验，另一方面用来校验工件的加工精度，以进一步修改加工程序，并对现场问题进行处理。

（7）编制数控加工工艺技术文件，如数控加工工序卡、程序说明卡、走刀路线图等。

1.3　数控机床的组成及分类

1.3.1　数控机床的组成

数控机床是典型的机电一体化产品，主要由程序载体、输入/输出装置、计算机数控装置（CNC装置）、伺服系统（位置反馈系统）和机床本体等五部分组成。数控机床组成框图如图1.2所示。

数控机床各组成部分的功能简介如下。

1.程序载体

数控机床是按照输入的零件加工程序运行的。零件加工程序中，包括机床上刀具和工件的相对运动轨迹、工艺参数（进给量、主轴转数等）和辅助运动等，用一定的格式和代码，存储在一种载体上，被称为程序载体。如穿孔纸带、盒式磁带或软磁盘等，通过数控机床的输入装置，将程序信息输入到CNC单元内。

图1.2　数控机床的组成及框图

2.输入/输出装置

输入装置的作用是将信息载体中的数控加工信息读入数控系统的内存。根据程序载体的不同，相应有三种输入方式。

（1）控制介质输入。主要有两种输入方法：一种方法是通过纸带输入，即在特制的纸带上穿孔，用孔的不同位置的组合构成不同的数控代码，通过纸带阅读机将指令输入。另一种方法是对于配置有计算机软驱动器的数控机床，可以将存储在磁盘上的程序通过软驱输入系统。

（2）手动输入。操作者可以利用机床上的显示屏及键盘输入加工程序指令，控制机床的运动，具体说来有三种情况。

① 手动数据输入（Manual Data Input, MDI）：即通过机床面板上的键，把数控程序指令逐条输入到存储器中。这种方法只适用于一些比较短的程序，只能使用一次，机床动作后程序就消失。

② 在控制装置的程序编辑界面（EDIT）状态下，用按键输入加工程序，存入控制装置的内存中。用这种方式可以对程序进行编辑，程序可重复使用。

③ 在具有会话编程功能的数控装置上，可以按照显示屏上提示的问题，选择不同的菜单，将图样上指定的有关尺寸数字等输入，就可自动生成加工程序存入内存。这种方法虽然是手工输入，但却是自动编程。

图形交互自动编程是现在广泛采用的另一种自动编程方式。利用CAD软件的图形编辑功能将零件的几何图形绘制到计算机上，形成零件的图形文件，然后调用数控编程模块，采用人机交互的方式在计算机屏幕上指定被加工的部位，通过键盘手工输入相应的加工参数后，计算机自动编制出数控加工程序。

（3）直接输入存储器。这种方式是数控系统利用通信方式进行信息交互，即通过对有关参数的设定和相关软件，直接读入在自动编程机上及其他计算机上或网络上编制好的加工程序。目前，在数控机床上常用的通信方式有：

① 串行接口。

② 自动控制专用接口。

③ 网络技术。

输出装置的作用是为操作人员提供必要的信息，如程序代码、切削用量、刀具位置、各种故障信息和操作指示等。常用的输出装置有显示器和打印机等，高档数控系统还可以用图形方式直观地显示输出信息。

3.数控装置

数控装置是数控机床最重要的组成部分，数控机床功能的强弱取决于数控装置。主要由信息的输入、处理和输出三个部分组成。程序载体通过输入装置将加工信息给CNC单元，编译成计算机能识别的信息，由信息处理部分按照控制程序的规定，逐步存储并进行处理后，通过输出单元发出位置和速度指令给伺服系统，以控制机床主运动机构和进给传动机构。

数控机床的辅助动作，如刀具的选择与更换、切削液的启停等能够用可编程序控制器（PLC）进行控制。PLC是用于进行与逻辑运算、顺序动作有关的I/O控制，它由硬件和软件组成。应用于数控机床的PLC分两类：一类是CNC生产厂家为实现数控机床顺序控制，而将CNC和PLC综合设计的内装型（或集成型），这种PLC是CNC装置的一部分；另一类是由专门生产厂家开发的PLC系列产品，即独立型（或外装型）的PLC。

4.伺服系统

伺服系统由伺服驱动电路和伺服驱动电动机组成，包括主轴伺服系统和进给伺服系统。主轴伺服系统的主要作用是实现零件加工的切削运动，其控制量为速度。进给伺服系统的主要作用是实现零件加工的成形运动，其控制量为速度和位置，特点是能灵敏、准确地实现CNC装置的位置和速度指令。每个做进给运动的执行部件都配有一套伺服驱动系统。

伺服系统直接影响数控机床加工的速度、位置、精度、表面粗糙度等。数控机床性能的好坏就取决于伺服驱动系统。

5.位置反馈系统

位置反馈分为伺服电动机的转角位移反馈和数控机床执行机构（工作台）的位移反馈两种，运动部分通过传感器将上述角位移或直线位移转换成电信号，输送给CNC单元，与指令位置进行比较，并由CNC单元发出指令，纠正所产生的误差，适时控制机床的运动位置。

6.机床的机械部件

数控机床的机械结构，除了主运动部件、进给运动部件（如工作台、刀架）、辅助部分（如液压、气动、冷却和润滑部分等）和支撑部件（如床身、立柱）等一般部件外，尚有些特殊部件，如储备刀具的刀库、自动换刀装置（ATC）、自动托盘交换装置等。与普通机床相比，数控机床结构发生了很大的变化，普遍采用了滚珠丝杠、滚动导轨（如图1.3所示），传动轻巧精密，效率更高；用滚动导轨或贴塑导轨消除爬行；采用主轴电机和变速齿轮的变速机构，实现无级变速的同时还减少了变速齿轮的级数，使数控机床的传动系统更为简单；机床的工作台可装有位置反馈装置，传动装置的间隙要尽可能小；由于数控机床的运行速度和加工速度一般都比普通机床高，所以对机床的静态和动态刚度、振动频率等方面要求更高，以适应对数控机床高定位精度和良好控制性能的要求。

图1.3　滚珠丝杠结构示意图

1－丝杠；2－滚珠；3－回珠管；4－螺母

1.3.2　数控机床的分类及应用范围

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。

1.按机床运动轨迹分类

（1）点位控制数控机床。点位控制又称为点到点控制。该系统的特点是只控制机床运动部件（刀具对工件）运动起点和终点坐标点的精确定位。移动过程中不进行切削，对它们定位过程中的运动轨迹及移动速度没有严格要求，各坐标轴之间的运动是不相关的（如图1.4所示）。为了确保准确的定位，点位控制系统在高速运行后，一般采用3级减速，以实现慢速接近定位点并最后准确定位。

点位控制的数控机床主要用于平面内的孔系，主要有数控钻床、数控坐标镗床、数控弯管机、数控冲剪床、三坐标测量机等，其采用的数控系统称为点位数控系统。随着数控技术的发展和数控系统价格的降低，单纯用于点位控制的数控系统已不多见。

（2）直线控制数控机床。直线切削控制又称为平行切削控制。这类数控机床不仅要求机床运动部件运动起点和终点之间具有准确定位的功能，而且要求实现平行坐标轴的直线切削加工，并且可以设定直线切削加工的进给速度。该系统也可以控制刀具或工作台同时在两个轴向以相同的速度运动，从而沿着与坐标轴成45°的斜线进行加工，如图1.5所示。因此，一般只能加工矩形、台阶形零件。这类数控机床主要有比较简单的数控镗铣床、数控车床、加工中心和数控磨床等。这种机床的数控系统也称为直线控制数控系统。同样，单纯用于直线控制的数控机床也不多见。

图1.4　点位控制

图1.5　点位直线控制

（3）轮廓控制数控机床。轮廓控制又称为连续轨迹控制。这类数控机床能够对两个或两个以上坐标轴同时进行控制，不仅能够控制机床移动部件的起点与终点坐标，而且能够精确控制整个加工过程中每一点的速度与位移量，也即控制移动轨迹，将零件加工成一定的轮廓形状，见图1.6所示。

图1.6　轮廓控制

两坐标及两坐标以上的数控铣床（加工中心）、可加工曲面的数控车床、数控磨床、数控齿轮加工机床和各类数控切割机床等均采用轮廓控制方式，它们可以取代各种类型的仿形加工，同时提高了加工精度和加工效率，其相应的数控装置称为轮廓控制数控系统。按同时控制且相互独立的轴数，可以有2轴控制、2.5轴控制和3、4、5轴控制等形式。

① 2轴控制：指的是可以同时控制2轴，但机床轴数也可能多于2轴。主要用于数控车床加工回转曲面或数控铣床加工曲线柱面。如在数控铣床上的X、Y、Z三个坐标同时控制X、Y两个坐标时，可以进行图1.7（a）所示的曲线形状加工。同时控制X、Z坐标和Y、Z坐标时，可以加工图1.7（b）所示形状的零件。

图1.7　2轴联动的轮廓加工

② 2.5轴控制：主要用于三轴以上机床的控制，即指两个轴连续控制、第3个轴作周期性的点位或直线控制，从而实现三个坐标轴X、Y、Z内的二维控制。如图1.8所示就是采用这种方式用行切法加工的三维空间曲面。

③ 3轴控制：一般分为两类，一类是指同时控制X、Y、Z三个直线坐标轴联动，这样，刀具在空间的任意方向都可移动，因而能够进行三维的立体加工，比较多的用于数控铣床、加工中心等。如图1.9所示为用球头铣刀铣切三维空间曲面。另一类是除了同时控制X、Y、Z其中两个直线坐标轴外，还同时控制围绕其中某一直线坐标轴旋转的旋转坐标轴。如车削加工中心，它除了纵向（Z轴）、横向（X轴）两个直线坐标轴联动外，还需同时控制围绕Z轴旋转的主轴（C轴）联动，见图5.6所示。

图1.8　2.5轴半联动的曲面加工

图1.9　3轴联动的曲面加工控制

④ 4轴控制：是指同时控制四个坐标运动，即在X、Y、Z三个直角坐标轴之外，再加一个旋转坐标轴。同时控制四个坐标的数控机床如图1.10所示，它可以用来加工叶轮或圆柱凸轮。

⑤ 5轴控制：五轴是指在直线坐标X、Y、Z以外，再加上围绕这些直线坐标旋转的旋转坐标A、B、C中的两个坐标，形成同时控制五个轴联动。这时，刀具可以给定在空间的任意方向，如图1.11所示，它特别适合加工透平叶片、机翼等更为复杂的空间曲面（如图1.12所示）。

图1.10　4轴联动的数控机床

图1.11　5轴联动的加工中心

图1.12　5轴联动的数控加工

2.伺服系统类型的分类

这种分类方法是根据伺服系统测量反馈形式来划分的。

（1）开环伺服系统数控机床。开环伺服系统是不带测量反馈装置的控制系统，如图1.13所示。开环伺服系统的数控机床，采用步进电动机作为伺服驱动执行元件，数控装置将工件加工程序处理后，输出脉冲信号给伺服驱动系统步进驱动器的环形分配器和功率放大器，最终控制相应坐标轴的步进电动机的角位移，再经机械传动链，实现机床运动部件的直线位移，但不检测运动的实际位置，即指令信息单方向传送，并且指令发出后不再反馈回来，故称开环控制。

图1.13　开环伺服系统框图

由此可见，因无位置反馈，开环系统精度（相对闭环系统）不高，其精度主要取决于伺服驱动系统和机械传动机构的性能和精度。但由于开环控制结构简单，调试方便，容易维修，成本较低，仍被广泛应用于精度和速度要求不高的经济型数控和对旧机床的改造上。

（2）闭环伺服系统数控机床。闭环控制系统如图1.14所示，它在机床移动部件的位置上直接装有直线位置检测装置，检测刀具或工作台的实际位移值并将检测到的位移值及时反馈到CNC装置的比较器中，与所要求的位移指令值进行比较，用比较的差值进行控制，直到差值消除为止。可见，闭环控制系统将机械传动链的全部环节都包括在反馈环路之内，其控制精度高。从理论上讲，闭环控制方式的运动精度和定位精度，仅取决于检测装置的精度，而与机械传动的误差无关。但由于位置环内的许多机械传动环节的摩擦特性、刚性、间隙、导轨的低速运动特性及系统的抗振性等都是非线性的，很容易造成系统不稳定，严重时甚至会使伺服系统产生振荡而使机床无法正常进行加工。因此闭环系统的设计、安装和调试都有相当的难度，其对机床的结构刚性、传动部件的间隙及导轨移动的灵敏性等都提出了更高的要求，价格昂贵。

图1.14　闭环伺服系统框图

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、超精磨床以及较大型的数控机床等。闭环控制数控机床的伺服机构采用直流伺服电动机或交流伺服电动机驱动。

（3）半闭环伺服系统数控机床。半闭环控制系统如图1.15所示，它在开环控制系统的丝杠端头或电动机端头上装有检测装置，通过检测丝杠的角位移（转角）和转速，间接地检测移动部件的实际位移量，然后反馈到CNC装置中进行位置比较，用比较的差值进行控制。由于反馈环内没有包含工作台，故称半闭环控制。半闭环控制精度较闭环控制差，但稳定性好，且由于角位移检测装置比直线位移检测装置的结构更为简单，造价较低，同时由于滚珠丝杠制造精度的提高，丝杠、螺母之间侧隙采用了补偿方法，因此，配备精密滚珠丝杠的半闭环控制系统得到广泛采用。

图1.15　半闭环伺服系统框图

目前采用直线电动机作为伺服驱动元件的数控机床，取消了传动系统中将旋转运动变为直线运动的环节，实现了“零传动”。该传动方式从根本上消除了机械传动环节对精度、刚度、快速性及稳定性的影响，使机床获得更高的定位精度、进给精度和加速度。

3.加工工艺类型的分类

（1）金属切削类数控机床。

① 普通型数控机床。这类数控机床和传统的通用机床一样，指采用车、铣、钻、铰、镗、磨、刨等各种切削工艺的数控机床，如数控车床、数控铣床、数控磨床和数控齿轮加工机床等。而且每一类中又有很多品种，例如数控铣床中就有立铣、卧铣、工具铣、龙门铣等。这类机床的工艺性能和通用机床相似，所不同的是它能加工具有复杂形状的零件。

② 加工中心。这是一种在普通数控机床上加装一个刀具库和自动换刀装置而构成的数控机床。它和普通数控机床的区别是：工件经一次装夹后，数控系统能控制机床自动地更换刀具，连续自动地对工件各加工面进行铣（车）、镗、钻、铰、攻螺纹等多工序加工，故此，有些资料上又称它为多工序数控机床，如（镗铣类）加工中心、车削中心、钻削中心等。

（2）金属成形类数控机床。这类机床指采用挤、冲、压、拉等成形工艺方法加工零件的数控机床，如数控冲床、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。数控特种加工机床是指采用电加工技术加工零件的数控机床，即电加工类数控机床。这类机床有数控线（电极）切割机床、数控电火花加工机床、数控火焰切割机、数控激光加工机床等。

（4）其他非加工类型的数控机床。这类机床有数控装配机、数控三坐标测量机、数控对刀仪、数控绘图仪等。

4.数控系统功能水平的分类

数控机床按数控系统功能水平可分为低、中、高三档。就目前的发展水平来看大体可从以下几方面区分，见表l-1。

这种分类方法，目前在我国用得很多，但没有一个确切的定义。

表1-1　数控机床分类表

1.4　数控机床的主要性能指标

1.4.1　数控机床的精度

数控机床的精度主要是指加工精度、定位精度和重复定位精度。精度是数控机床的重要技术指标之一。

1.定位精度和重复定位精度

定位精度是指实际位置与数控指令位置的一致程度。不一致量表现为误差。

定位误差包括伺服系统、进给系统和检测系统的误差，还包括移动部件导轨的几何误差等。定位误差直接影响加工零件的尺寸精度。

重复定位精度是指同一台数控机床上，应用相同程序、相同代码加工一批零件，所得到连续结果的一致程度。重复定位精度受伺服系统特性、进给系统的间隙、刚度以及摩擦特性等因素的影响。一般情况下，重复定位误差是呈正态分布的偶然性误差，它影响批量加工零件的一致性，是一项非常重要的性能指标。

表1-2所示为GB/T16462—1996《数控卧式车床精度检验》中规定的数控车床位置精度指标。

2.分度精度

分度精度是指分度工作台在分度时，指令要求回转的角度值和实际回转的角度值的差值。分度精度既影响零件加工部位在空间的角度位置，也影响孔系加工的同轴度等。

表1-3所示为几种加工中心的精度指标。

表1-2　数控车床位置精度指标

表1-3　加工中心的精度指标

1.4.2　数控机床的控制轴数与联动轴数

数控机床的控制轴数通常指机床数控装置能够控制的进给轴数。数控机床控制轴数与数控装置的运算处理能力、运算速度及内存容量等有关。数控机床完成的运动越多，控制轴数就越多，对应的功能就越强，同时机床结构的复杂程度与技术含量也就越高。

联动轴数是指数控机床同时控制多个坐标轴协调动作的进给轴数目。它反映数控机床的曲面加工能力。数控机床联动轴数越多，控制系统就越复杂，加工能力就越强。

1.4.3　数控机床的运动性能指标

数控机床的运动性能指标主要包括主轴转速、进给速度、坐标行程、回转轴的转角范围、刀库容量及换刀时间等。

1.最高主轴转速和最大加速度

最高主轴转速是指主轴所能达到的最高转速，它是影响零件表面加工质量、生产效率以及刀具寿命的主要因素之一。随着刀具、轴承、冷却、润滑及数控系统等相关技术的发展，使中等规格的数控机床的主轴转速都有了很大的提高，如数控车床从过去的2000r/min提高到6000r/min，加工中心从过去的3000r/min提高到现在的10000r/min以上。在高速加工的数控机床上，通常采用电动机转子与主轴一体的电主轴，可以使主轴达到每分钟数万转。

最大加速度是反映主轴速度提速能力的性能指标，也是加工效率的重要

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