数控车床概论

一．   数控机床与普通机床的结构图比较

    

               图1.数控机床的组成

数控机床——是数字控制机床（Computer numerical control machine tools）的简称，是一种装有程序控制系统的自动化机床。数控机床主要组成有：程序编制及程序载体、输入装置、数控装置、驱动装置和位置检测装置、辅助控制装置、机床本体

数控机床需要根据数控系统的指令，自动完成对主轴转速、进给速度、刀具运动轨迹以及其他机床辅助功能（如自动换刀、自动冷却等）的控制。它必须利用伺服进给系统代替普通机床的进给系统，并可以通过主轴调速系统实现主轴自动变速。因此，在机械结构上，数控机床主轴箱和进给变速箱的结果一般都非常简单；齿轮、轴类零件、轴承的数量大为减少；电动机可以直接连接主轴和滚珠丝杠，不用齿轮。在使用直线电动机、电主轴的场合，甚至可以不用丝杠、主轴箱。在操作上，它不像普通机床那样，需要操作者通过手柄进行调整和变速，操作机构比普通机床要简单的多，许多机床甚至没有手动机械操作机构。此外，由于数控机床的大部分辅助动作都可以通过数控系统 的辅助功能（M功能）进行控制，因此常用的操作按钮也比普通机床少，操作更方便、更简单。

二．  国内外发展趋势与行业需求分析

目前，数控机床的发展日新月异，高速化、高精度化、复合化、智能化、并联驱动化、、极端化、绿色化已成为数控机床发展的趋势和方向。

1..高速化

随着汽车、国防、航空、航天等工业的高速发展以及铝合金等新材料的应用，对数控机

床加工的高速化要求越来越高。其中主要是主轴转速、进给率、运算速度、换刀速度提高

2.高精度化

数控机床精度的要求现在已经不局限于静态的几何精度，机床的运动精度、热变形以及对振动的监测和补偿越来越获得重视。

3.功能复合化

复合机床的含义是指在一台机床上实现或尽可能完成从毛坯至成品的多种要素加工。根据其结构特点可分为工艺复合型和工序复合型两类。工艺复合型机床 如镗铣钻复合——加工中心、车铣复合——车削中心、铣镗钻车复合——复合加工中心等；工序复合型机床如多面多轴联动加工的复合机床和双主轴车削中心等。采 用复合机床进行加工，减少了工件装卸、更换和调整刀具的辅助时间以及中间过程中产生的误差，提高了零件加工精度，缩短了产品制造周期，提高了生产效率和制 造商的市场反应能力，相对于传统的工序分散的生产方法具有明显的优势。

4 控制智能化

随着人工智能技术的发展，为了满足制造业生产柔性化、制造自动化的发展需求，数控机床的智能化程度在不断提高。主要包括加工过程自适应控制技术、加工参数的智能优化与选择、智能故障自诊断与自修复技术、智能故障回放和故障仿真技术、智能化交流伺服驱动装置、智能4M数控系统等。

5. 驱动并联化

并联运动机床克服了传统机床串联机构移动部件质量大、系统刚度低、刀具只能沿固定导轨进给、作业自由度偏低、设备加工灵活性和机动性不够等固有缺 陷，在机床主轴(一般为动平台)与机座(一般为静平台)之间采用多杆并联联接机构驱动，通过控制杆系中杆的长度使杆系支撑的平台获得相应自由度的运动，可 实现多坐标联动数控加工、装配和测量多种功能，更能满足复杂特种零件的加工，具有现代机器人的模块化程度高、重量轻和速度快等优点。

6．极端化(大型化和微型化)

国防、航空、航天事业的发展和能源等基础产业装备的大型化需要大型且性能良好的数控机床的支撑。而超精密加工技术和微纳米技术是21世纪的战略技 术，需发展能适应微小型尺寸和微纳米加工精度的新型制造工艺和装备，所以微型机床包括微切削加工(车、铣、磨)机床、微电加工机床、微激光加工机床和微型 压力机等的需求量正在逐渐增大。

7高可靠性

数控机床与传统机床相比，增加了数控系统和相应的监控装置等，应用了大量的电气、液压和机电装置，易于导致出现失效的概率增大；工业电网电压的波 动和干扰对数控机床的可靠性极为不利，而数控机床加工的零件型面较为复杂，加工周期长，要求平均无故障时间在2万小时以上。

8 加工过程绿色化

随着日趋严格的环境与资源约束，制造加工的绿色化越来越重要，而中国的资源、环境问题尤为突出。因此，近年来不用或少用冷却液、实现干切削、半干 切削节能环保的机床不断出现，并在不断发展当中。在21世纪，绿色制造的大趋势将使各种节能环保机床加速发展，占领更多的世界市场。

数控机床是制造业的“母机”，只有通过机床才能生产出各行各业所需零部件，机床行业的发展直接关系到各行各业的发展，相反，这些应用行业的发展也关系到机床的发展，下面我们来看看都有哪些行业和机床制造密不可分。

航空工业，飞机机翼、机身、尾翼等和发动机零件的制造需要大批高速五轴加工中心、龙门移动式高速加工中心、精密数控车床、精密卧式加工中心、多坐标镗铣中心、精密齿轮和螺纹加工数控机床等。

造船工业急需制造柴油机体的重型、超重型龙门铣镗床和重型数控落地镗铣床以及大型数控车床和车铣中心、大型数控磨齿机、曲轴镗铣床、大型曲轴车铣中心和曲轴磨床等。

汽车制造业是机床的需求大户，约占机床总消费的40%左右。汽车制造业需要大批高效、高性能、专用数控机床和柔性生产线，如用于发动机加工的以高速卧式加工中心为主的柔性生产线、曲轴加工专用数控机床等。汽车零配件生产需求大批数控车床、立卧式加工中心、数控高效磨床和数控齿轮加工机床等

发电设备制造行业需要重型数控龙门镗铣床、大型落地镗铣床、大型数控车床、叶根槽专用铣床和叶片数控加工机床等，输变电设备制造行业需要数控车床、加工中心、数控镗床等。

冶金设备制造业重点解决连铸连轧成套设备的制造，需求大型龙门铣床、大型数控车床等设备。我国黑色金属冶炼及延压加工、有色金属冶炼及延压加工生产规模近年来稳定快速增长，随着我国成为制造业大国，冶炼行业仍有不断增长趋势。

工程机械制造业需求大批中小型数控机床如数控车床、中型加工中心、数控铣床和齿轮加工机床等。

模具制造业需求高速数控铣床、三坐标测量机、精密电加工机床、高精度加工中心、精密磨床等

电子信息设备制造行业需求大批小型精密数控机床：如高速铣削中心、高速加工中心、小型精密车床、小型精密冲床、精密和超精密加工专用数控机床及精密电加工机床等。

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第二篇：数控机床概论(讲稿)

数控机床概论

第1章 绪论

1.1 数控机床的产生与发展

1.1.1 数控机床的产生

目前很多制造企业已经广泛采用了以自动机床、组合机床和专用机床为主体的“刚性”自动生产线，采用多刀、多工位和多面同时加工方法，常年进行着单一产品的高效和高度自动化的生产。尽管这种生产方式需要巨大的初始投资和很长的生产准备周期，但在大批量的生产条件下，由于分摊在每一个加工零件上的费用很少，因此，经济效益仍然是十分显著的。

不过，在制造业并不是所有的产品都具有很大的需求量，单件与小批量生产的零件一般占机械加工总量的80%左右。尤其是航空、航天、船舶、机床、重型机械、食品加工机械、包装机械和军工等产品，不仅加工批量少，而且加工零件形状比较复杂，精度要求也很高，还需要经常改型。如果仍然采用专业化程度很高的自动化机床加工这类产品的零件就显得不尽合理。而经常改装和调整设备，对于专用生产线来讲，不仅会提高产品的生产成本，有时甚至是无法实现的。因此，这种“刚性”的自动化生产方式已逐渐显现出了对现代制造业的不适应性。

为了解决上述问题，从而实现多品种、小批量产品零件的自动化生产，一种称之为数控机床（Numerical Control Machine Tools）的现代机床应运而生。数控机床是数字控制机床的简称，是一种装有程序控制系统的自动化机床。该控制系统能够逻辑地处理具有控制编码或其他符号指令规定的程序，并将其译码，从而驱动机床动作并加工零件。它很好的解决了刚性自动生产线难以经常改型和调整设备的问题，显示出了适应多品种、小批量产品零件生产的“柔性”。

1.1.2 数控机床的发展

从1952年至今，数控机床按照控制机的发展，已经历了六代。

世界上第一台数控机床在美国诞生，是由美国小型飞机工业承包商帕森斯公司和麻省理工学院伺服机构研究所为推进飞机和导弹的研制联合开发的，1955年进入实用阶段，这时数控机床的控制系统（专用电子计算机）采用的是电子管，其体积庞大，功耗高，仅在一些军事部门中承担普通机床难以加工的形状复杂零件，这是第一代数控系统。

1959年，由于在计算机行业中研制出晶体管元件，因而在数控系统中广泛采用晶体管和印刷电路板，从而跨入了第二代。

1965年，出现小规模集成电路，由于它体积小、功耗低，使数控系统的可靠性得以进一步提高。数控系统发展到第三代。

以上三代系统，都是采用专用控制计算机的硬接线数控系统，我们称之为硬线系统，统称为普通数控系统（NC）。

随着计算机技术的发展，小型计算机的价格急剧下降，激烈地冲击着市场。数控系统的生产厂家认识到，采用小型计算机来取代专用控制计算机，经济上是合算的，许多功能可以依靠编制专用程序存在计算机的存储器中，构成所谓控制软件而加以实现，提高了系统的可靠性和功能特色。这种数控系统，称为第四代系统，即计算机数控系统（CNC）。

在1970年前后，美国英特尔（Intel）公司开发和使用了四位微处理器，微处理芯片渗透到各个行业，数控系统也开始采用了相应技术。因此，我们把以微处理机技术为特征的数控系统称为第五代系统（MNC）。

到了1990年，PC机（个人计算机，国内习惯上称为微机）的性能已发展到很高的阶段，可满足作为数控系统核心部件的要求，而且PC机生产批量很大，价格便宜，可靠性高。数控系统从此进入了第六代，即基于PC的阶段。

1.1.3 数控机床的发展动向

⑴ 高速、高效

机床向高速化方向发展，不但可大幅度提高加工效率、降低加工成本，而且还可提高零件的表面加工质量和精度。超高速加工技术对制造业实现高效、优质、低成本生产有广泛适用性。

目前，在超高速加工中，车削和铣削的切削速度已达到5000~8000m/min以上；主轴转数在30000 r/min（有的高达10⁵ r/min）以上；工作台的移动速度（进给速度）在分辨率为1µm时，在100m/min（有的到200m/min）以上，在分辨率为0.1µm时，在24m/min以上；自动换刀速度普遍在1s左右；小线段插补进给速度可达12 m/min。

⑵ 多功能

在零件加工过程中有大量的时间消耗在工件搬运、上下料、安装调整、换刀和主轴的升、降上，为了尽可能减少这些无用时间，人们希望将不同的加工功能整合在同一台机床上，因此，复合功能的机床成为近年来发展很快的机种。

⑶ 智能化

智能化是21世纪制造技术发展的一个大方向。智能加工是一种基于神经网络控制、模糊控制、数字化网络技术和理论的加工，它是要在加工过程中模拟人类专家的智能活动，以解决加工过程中许多不确定性的、要由人工干预才能解决的问题。

智能化的内容包括在数控系统中的各个方面：

① 为追求加工效率和加工质量的智能化，如自适应控制，工艺参数自动生成；

② 为提高驱动性能及使用连接方便的智能化，如前馈控制、电机参数的自适应运算、自动识别负载自动选定模型、自整定等；

③ 简化编程、简化操作的智能化，如智能化的自动编程，智能化的人机界面等；

④ 智能诊断、智能监控，方便系统的诊断及维修等。

⑷ 高精度

在机械加工高精度的要求下，普通级数控机床的加工精度已由±10µm提高到±5µm；精密级加工中心的加工精度则从±3~5µm，提高到±1~1.5µm，甚至更高；超精密加工精度进入纳米级（0.001µm），主轴回转精度要求达到0.01~0.05µm，加工圆度为0.1µm，加工表面粗糙度R_a=0.003µm等。这些机床一般都采用矢量控制的变频驱动电主轴（电机与主轴一体化），主轴径向跳动小于2µm，轴向窜动小于1µm，轴系不平衡度达到G0.4级。

⑸ 高可靠性

随着数控机床网络化应用的发展，数控机床的高可靠性已经成为数控系统制造商和数控机床制造商追求的目标。

⑹ 柔性化和集成化

柔性自动化技术是制造业适应动态市场需求及产品迅速更新的主要手段，是各国制造业发展的主流趋势，是先进制造领域的基础技术。其重点是以提高系统的可靠性、实用化为前提，以易于联网和集成为目标；注重加强单元技术的开拓、完善；CNC单机向高精度、高速度和高柔性方向发展；数控机床及其构成柔性制造系统能方便地与CAD、CAE、CAM、CAPP、MTS联结，向信息集成方向发展；网络系统向开放、集成和智能化方向发展。

1.1.4 我国数控机床的发展情况

我国从1958年开始研究数控机械加工技术，60年代针对壁锥、非圆齿轮等复杂形状的工件研制出了数控壁锥铣床、数控非圆齿轮插齿机等设备，保证了加工质量，减少了废品，提高了效率，取得了良好的效果。70年代针对航空工业等加工复杂形状零件的急需，从1973年以来组织了数控机床攻关会战，经过3年努力，到1975年已试制生产了40多个品种300多台数控机床。据国家统计局的资料，从1973-1979年，7年内全国累计生产数控机床4108台（其中3/4以上为数控线切割机床）。从技术水平来说，我国大致已达到国外60年代后期的技术水平。为了扬长避短，以解决用户急需，并争取打入国际市场，1980年前后我国采取了暂时从国外（主要是从日本和美国）引进数控装置和伺服驱动系统，为国产主机配套的方针，几年内大见成效。1981年，我国从日本发那科（FANUC）公司引进了5，7，3等系列的数控系统和直流伺服电机，直流主轴电机技术，并在北京机床研究所建立了数控设备厂，当年年底开始验收投产，1982年生产约40套系统，1983年生产约100套系统，1985年生产约400套系统，伺服电机与主轴电机也配套生产。这些系统是国外70年代的水平，功能较全，可靠性比较高，这样就使机床行业发展数控机床有了可靠的基础，使我国的主机品种与技术水平都有了较大的发展与提高。1982年，青海第一机床厂生产的XHK754卧式加工中心，长城机床厂生产的CK7815数控车床，北京机床研究所生产的JCS018立式加工中心，上海机床厂生产的H160数控端面外圆磨床等，都能可靠地进行工作，并陆续形成了批量生产。1984年仅机械工业部门就生产数控机床650台，全国当年总产量为1620台，已有少数产品开始进入国际市场，还有几种合作生产的数控机床返销国外，1985年，我国数控机床的品种已有了新的发展，除了各类数控线切割机床以外，其他各种金属切削机床（如各种规格的立式、卧式加工中心，立式、卧式数控车床，数控铣床，数控磨床等），也都有了极大的发展。新品种总计45种。到1989年底，我国数控机床的可供品种已超过300种，其中数控车床占40%，加工中心占27%。

进入21世纪以来，我国数控机床已由成长期进入成熟期，五轴联动数控机床是数控机床技术制高点标志之一，目前，我国已经推出了3种用于航空、航天、造船、冶矿等工业的重型龙门移动式数控五轴联动镗铣床。我国的数控机床无论从产品种类、技术水平、质量和产量上都取得了很大的发展，在一些关键技术方面也取得了重大突破。这一切说明，我国的机床数控技术已经进入了一个新的发展时期。预计在不远的将来，我国将会赶上和超过世界先进国家的水平。

1.2 数控机床的特点

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，具有以下明显特点。

⑴ 适合于复杂异形零件的加工

⑵ 加工精度高

⑶ 加工稳定可靠

实现计算机控制，排除人为误差，零件的加工一致性好，质量稳定可靠。

⑷ 高柔性

⑸ 高生产率

⑹ 劳动条件好

⑺ 有利于生产管理的现代化

⑻ 投资大，维修困难，使用费用高

⑼ 生产准备工作复杂

1.3 数控机床的工作原理及组成

1.3.1 数控机床的工作原理

用数控机床加工零件时，首先应将加工零件的几何信息和工艺信息编制成加工程序，由输入部分送入数控装置，经过数控装置的处理、运算，按各坐标轴的分量送到各轴的驱动电路，经过转换、放大去驱动伺服电动机，带动各轴运动，并进行反馈控制，使刀具与工件及其他辅助装置严格地按照加工程序规定的顺序、轨迹和参数有条不紊地工作，从而加工出零件的全部轮廓。

1.3.2 数控机床的组成

数控机床是利用数控技术，准确地按照事先编制好的程序，自动加工出所需工件的机电一体化设备。数控机床通常由以下几部分组成。

⑴ 程序载体

程序载体是用于存取零件加工程序的装置。可将加工程序以特殊的格式和代码存储在载体上，常用的有磁盘、磁带、硬盘和闪存卡等。

⑵ 控制面板

控制面板又称为操作面板，是操作人员与数控机床（系统）进行信息交互的工具。操作人员可以通过它对数控机床（系统）进行操作、编程、调试或对机床参数进行设定和修改，也可以通过它了解或查询数控机床（系统）的运行状态，主要由按钮站、状态灯、按键阵列和显示器等组成。

⑶ CNC装置

数控机床的自动控制由CNC装置和可编程控制器PLC（Programmable Logic Controller）共同完成。由CPU和存储器组成的CNC装置是计算机数控系统的核心，它负责完成与数字运算和管理有关的功能，如编辑加工程序、插补运算、译码、位置伺服控制等。其主要作用是根据输入的零件加工程序或操作命令进行相应的处理，然后输出控制命令到相应的执行部件（伺服单元、驱动装置和PLC等），完成零件加工。

⑷ 辅助控制装置

辅助控制装置的主要作用是接收CNC装置输出的开关量指令信号，经过编译、逻辑判别和运算，再经功率放大后驱动相应的电器，带动机床的机械、液压、气动等辅助装置完成指令规定的开关量动作。这些控制包括主轴运动部件的变速、换向和启停指令，刀具的选择和交换指令，冷却、润滑装置的启停，工件和机床部件的松开、夹紧，分度工作台转位分度等开关辅助动作。目前，广泛采用可编程控制器PLC作数控机床的辅助控制装置。

⑸ 伺服驱动系统

伺服单元和驱动装置合称为伺服驱动系统，它包括主轴伺服驱动装置、主轴电机、进给伺服驱动装置及进给电机。伺服单元是CNC装置和机床本体的联系环节，它的作用是把来自CNC装置的微弱指令信号解调、转换、放大后通过驱动装置转换成机床工作台的位移运动。驱动装置的作用是将放大后的指令信号转变成机械运动，利用机械传动件驱动工作台移动，使工作台按规定轨迹做严格的相对运动或精确定位，保证能够加工出符合图样要求的零件。对应于伺服单元的驱动装置，有步进电机、直流伺服电机和交流伺服电机等不同种类。

⑹ 检测与反馈装置

检测与反馈装置有利于提高数控机床加工精度。检测装置将数控机床各坐标轴的实际位移检测出来，经反馈系统输入到数控机床的CNC装置中。CNC装置将反馈回来的实际位移值与设定值进行比较，控制驱动装置按指令设定值运动。

⑺ 机床本体

数控机床的本体是指其机械结构实体。它是实现加工零件的执行部件，主要由主运动部件（主轴、主运动传动机构）、进给运动部件（工作台、拖板及相应的传动机构）、支承件（床身、立柱等）以及辅助装置等组成。与传统普通机床相比，数控机床在整体布局、外部造型、主传动系统、进给传动系统、刀具系统、支撑系统和排屑系统等方面有着很大的差异。这些差异是为了更好地满足现代数控技术的要求，并充分适应数控加工的特点。

1.4 数控机床的分类

随着数控技术的发展，数控机床出现了许多分类方法，但通常按以下四个最基本的方面进行分类。

1.4.1 按加工方式和工艺用途分类

⑴ 普通数控机床

普通数控机床一般是指在加工工艺过程中的一个工序上实现数字控制的自动化机床，又可分为金属切削数控机床、金属成形数控机床、特种加工数控机床。尽管这些机床在加工工艺方面存在很大的差异，具体的控制方式也各不相同，但它们都适用于单件、小批量和多品种的零件加工，具有很好的加工尺寸一致性、很高的生产率和自动化程度。

⑵ 加工中心

加工中心是带有刀库和自动换刀装置的数控机床，它将数控铣床、数控镗床、数控钻床的功能组合在一起，零件在一次装夹后，可以对其加工面进行铣、镗、钻、扩、铰及攻螺纹等多工序加工，打破了在一台数控机床上只能完成一两种工艺的传统概念。由于加工中心能有效地避免由于多次安装造成的定位误差，所以它适用于产品更换频繁、零件形状复杂、精度要求高、生产批量不大而生产周期短的产品。

1.4.2 按机床运动轨迹分类

⑴ 点位控制数控机床

只要求控制机床的运动部件从一点到另一点的精确定位，对其移动的运动轨迹则无严格要求，在移动过程中刀具不进行切削加工。主要用在数控钻床、数控坐标镗床、数控冲床、数控电焊机、数控测量机等。为提高生产率又保证定位精度，空行程时以机床设定的最高进给速度快速移动，在接近终点前进行分级或连续降速，然后再以低速准确运动到终点位置，减少因运动部件惯性引起的定位误差。如图1-2所示。

⑵ 直线控制数控机床

在点位控制基础上，除了控制点与点之间的准确定位外，还要求运动部件按指定的进给速度，沿平行于坐标轴或与坐标轴成45°的方向进行直线移动和切削加工，如图1-3所示。目前具有这种运动控制的数控机床已很少。

⑶ 轮廓控制数控机床

轮廓控制亦称连续轨迹控制，如图1-4所示，能够连续控制两个或两个以上坐标方向的联合运动。为了使刀具按规定的轨迹加工工件的曲线轮廓，数控装置具有插补运算的功能，使刀具的运动轨迹以最小的误差逼近规定的轮廓曲线，并协调各坐标方向的运动速度，以便在切削过程中始终保持规定的进给速度，轮廓控制要比点位控制复杂，需要在加工过程中不断进行多坐标轴之间的插补运算，实现相应的速度和位移控制。它包含了实现点位控制和点位直线控制。采用这类控制的有数控车床、数控铣床、数控磨床和加工中心等。

1.4.3 按伺服系统控制方式分类

⑴ 开环控制数控机床

开环控制数控机床不带位置检测装置。数控装置发出的控制指令直接通过驱动电路控制伺服驱动电机的运转，并通过机械传动系统使执行机构（刀架、工作台）运动，如图1-5所示。运动部件的速度与位移量是由输入脉冲的频率和脉冲数所决定的。

开环控制具有结构简单和价格低廉等优点。但通常输出的扭矩值大小受到限制，而且当输入较高的脉冲频率时，容易产生丢步，难以实现运动部件的快速控制。开环控制对运动部件的实际位移量是不进行检测的，因而不能进行运动误差的校正和补偿，步进电动机的步距角误差、齿轮和丝杠组成的传动链误差都将直接影响加工零件的精度。目前，开环控制已不能充分满足数控机床日益提高的对控制功能、运动速度和加工精度的要求。但近年来随着步进电动机的细分技术的发展，出现了专用的细分功率驱动模块，步进电动机在低扭矩、高精度、速度中等的小型设备的驱动控制中仍然有很大的应用空间，特别是在微电子生产设备中充分发挥了它的独特优势。

⑵ 闭环控制数控机床

闭环控制数控机床带有位置检测装置，而且检测装置装在机床运动部件上，用以把坐标移动的准确位置检测出来并反馈给数控装置，将其与插补计算的指令信号相比较，根据差值控制伺服电机工作，使运动部件严格按实际需要的位移量运动，如图1-6所示。

⑶ 半闭环控制数控机床

半闭环控制数控机床也带有位置检测装置，与闭环控制数控机床的不同之处是检测装置装在伺服电动机或丝杠的端部，用测量电动机或丝杠转角的方式间接检测运动部件的坐标位置，如图1-7所示。由于电动机到工作台之间的传动部件有间隙、弹性变形和热变形等因素，因而检测的数据与实际的坐标值有误差。但由于丝杠螺母副、机床运动部件等大惯量环节不包括在闭环内，因此可以获得稳定的控制特性，使系统的安装调试方便，而且半闭环系统还具有价格较便宜、结构较简单、检测元件不容易受到损害等优点，因此，半闭环控制正成为目前数控机床首选的控制方式，广泛用于加工精度要求不是很高的数控机床上。

1.4.4 按数控系统功能水平分类

数控机床按数控系统功能水平可分为高、中、低三档。这种分类方法尚没有一个确切定义，但可以给人们一个清晰地概念。数控机床水平高低由主要技术参数、功能指标和关键部件的功能水平决定。以下几个方面可作为评价数控机床档次的参考条件。

⑴ 分辨率和进给速度

分辨率为10µm，进给速度为8~15m/min为低档；分辨率为1µm，进给速度为15~24m/min为中档；分辨率为0.1µm，进给速度为24~100m/min为高档。

⑵ 多坐标联动功能

低档数控机床最多联动轴数为2~3轴；中档数控机床最多联动轴数为2~4轴；高档则为5轴或5轴以上。

⑶ 显示功能

低档数控机床一般只有简单的数码管显示或简单的CRT字符显示；中档的有较齐全的CRT显示和液晶显示，不仅有字符，而且还有图形、人机对话、自诊断等功能；高档的则还有三维加工仿真显示等。

⑷ 通信功能

低档数控机床无通信功能，中档数控机床有RS232或DNC（Direct Numerical Control, 直接数控或称群控）接口，高档的还有MAP（Manufacturing Automatically Protocol, 制造自动化协议）等高性能通信接口，且具有联网功能。

⑸ 主CPU（Control Processing Unit, 中央处理单元）

低档数控机床一般采用8位、16位CPU，中档数控机床一般采用16位、32位CPU，而高档数控机床已发展到64位CPU，并具有精简指令集的RISC（Reduced Instruction Set Computer）中央处理单元。

此外，进给伺服水平以及PC（Programmable Controller），可编程控制器功能也是衡量数控档次的标准。

1.5 数控机床的坐标系

1.5.1 坐标轴的方向及其命名

为了保证程序的通用性，国际标准化组织(ISO)对数控机床的坐标和方向制订了统一的标准。参照ISO标准，中国也颁布了JB3051—82《数字控制机床坐标和运动方向的命名》的标准，规定直线运动的坐标轴用X、Y、Z表示，围绕X、Y、Z轴旋转的圆周进给坐标轴分别用A、B、C表示。对各坐标轴及运动方向规定的内容和原则是：

⑴ 机床坐标系各坐标轴之间的关系

在机床上建立一个标准坐标系，以确定机床的运动方向和移动的距离，这个标准坐标系也称机床坐标系。机床坐标系中X、Y、Z轴的关系用右手直角笛卡儿法则确定，如图1-8所示。为编程方便，对坐标轴的名称和正负方向都符合右手法则，图中大拇指的指向为X轴的正方向，食指指向为Y轴的正方向，中指指向为Z轴的正方向。围绕X、Y、Z轴旋转的圆周进给坐标轴A、B、C的方向用右手螺旋法则确定。以大拇指指向+X、+Y、+Z方向，则其余手指握轴的旋转方向为+A、+B、+C方向。

⑵ 刀具相对于静止工件而运动的原则

在编程时，为了编程的方便和统一，不论在加工中是刀具移动，还是被加工工件移动，一般都假定工件相对静止不动，而刀具移动。

⑶ 坐标轴正方向的确定

规定刀具远离工件的方向作为坐标轴的正方向。如果把刀具看做相对静止不动，工件移动，则在坐标轴的符号右上角加注标记“'”，如X'、Y'、Z'等。按相对运动的关系，工件运动的正方向恰好与刀具运动的正方向相反。

⑷ 坐标轴的确定

① Z轴的确定。通常将传递切削力的主轴轴线定为Z轴，对刀具旋转的机床，如铣床、钻床、镗床等，将旋转刀具的轴线定为Z轴；针对工件旋转的机床，如车床、外圆磨床等，将工件轴线定为Z轴；当机床有几个主轴时，则选择一个垂直于工件装夹面的主轴定为Z轴；对于工件和刀具都不旋转的机床，如刨床、插床等，将垂直于工件装夹面定为Z轴。

② X轴的确定。X坐标轴一般是水平的，它平行于工件的装夹面且与Z轴垂直。对于车床、外圆磨床等工件旋转的机床，X轴的方向是在工件的径向上，且平行于横滑座。对铣床、钻床、镗床等刀具旋转的机床，则规定当Z轴为水平时，从刀具主轴后端向工件方向看，X轴的正方向为向右方向；当Z轴为垂直轴时，对单立柱机床，面对刀具主轴向立轴方向看，X轴的正方向为向右方向。

③ Y轴的确定。确定了X、Z轴的正方向后，即可按图1-8所示的右手直角笛卡尔坐标系来确定Y坐标轴的正方向。

④ 旋转或摆动轴的确定。旋转或摆动运动中A、B、C的正方向分布沿X、Y、Z轴的右螺旋线前进的方向。

⑤ 其他附加轴的确定。X、Y、Z为主坐标系，通常称为第一坐标系，如除了第一坐标系外，还有平行于主坐标系轴的第二直线运动时，称为第二坐标系，对应命名为U、V、W轴；若还有第三直线运动时，则对应地命名为P、Q、R轴，称为第三坐标系。

1.5.2 机床坐标系与工件坐标系

在坐标系中坐标轴的方向确定以后，接着是确定坐标原点的位置，只有当坐标原点确定后坐标系统才算确定了，加工程序就在这个坐标系内运行。可见，由于坐标原点不同，即使是执行同一段程序，刀具在机床上的加工位置也是不同的。

由于数控系统类型不同，所规定的建立坐标系的方法也不同，下面介绍几种情况：

⑴ 机床坐标系与机床原点

机床坐标系是机床上固有的坐标系，它用于确定被加工零件在机床中的坐标、机床运动部件的特殊位置（如换刀点、参考点）以及运动范围（如行程范围、保护区）等。机床坐标系是最基本的坐标系，是在机床回参考点操作完成以后建立的。一旦建立起来，除了受断电的影响外，不受控制程序和设定新坐标系的影响。

机床坐标系的原点称为机床原点（Machine Origin或Home Position），它是机床上的一个固定点，亦是其他所有坐标系，如工件坐标系、编程坐标系以及机床参考点的基准点，由机床制造厂确定。机床上有一些固定不变的基准线，如主轴的中心线；固定的基准面，如工作台工作表面、主轴端面、工作台侧面和T形槽侧面等。当机床的坐标轴返回各自原点（亦称零点）后，用坐标轴的基准线和基准面之间的距离来决定机床原点的位置。

⑵ 工件坐标系与工件原点

工件坐标系是编程人员在编制零件加工程序时根据零件图纸所确定的坐标系，用于确定工件几何图形上各几何要素（点、直线、圆弧等）的位置。编程尺寸都按工件坐标系中的尺寸确定。工件坐标系的原点即工件原点。选择工件原点的原则是便于将工件图的尺寸方便地转化为编程的坐标值和提高加工精度，故一般选在工件图样的尺寸基准、尺寸精度和粗糙度要求比较高的工件表面或对称几何图形的对称中心上。

在加工时，工件随夹具安装在机床上，测量工件原点与机床原点间的距离（通过测量某些基准面、线之间的距离确定），此方法称为工件原点偏置，如图1-10所示。加工前，将该偏置输入到数控装置，加工时工件原点偏置值便能自动加到工件坐标系上，使数控系统按机床坐标系确定的工件的坐标值进行加工。有了原点偏置，编程人员可在编程时不考虑工件在机床上的安装位置和安装精度，而利用数控系统的原点偏置功能，通过工件原点偏置，补偿工件的装夹误差。

⑶ 绝对坐标与相对坐标

刀具运动轨迹的坐标值均是相对于某一固定坐标原点计算的坐标称为绝对坐标，用X、Y、Z表示如图1-11中的A点（X10,Y10），B点（X60,Y50）；而运动轨迹的坐标值是相对于前一位置来计算时，称为相对坐标（或增量坐标）。用代码表中的第二坐标系U、V、W表示。如图1-11中的B点相对于A点的相对坐标为B（U50，V40），而A电相对于B点的相对坐标为A（U-50，V-40），编程时根据加工精度和编程方便来选用绝对坐标或相对坐标，有时两者可以同时混用。

1.6 数控机床的主要性能指标

数控机床的主要性能指标有精度指标、加工性能指标、坐标轴指标、可靠性指标及运动性能指标，下面对各种指标的含义进行介绍：

⑴ 精度指标

① 分辨率与脉冲当量。分辨率是指数控机床对两个相邻的分散细节之间可以分辨的最小间隔。对测量系统而言，分辨率是可以测量的最小增量；对控制系统而言，分辨率是可以控制的最小唯一位移量。

② 定位精度和重复定位精度。定位精度是指数控机床工作台等移动部件在确定的终点所达到的实际位置的精度，因此移动部件实际位置与理想位置之间的误差称为定位误差。定位误差包括伺服系统、检测系统、进给系统等的误差，还包括移动部件导轨的几何误差等。定位误差将直接影响零件加工的位置精度。重复定位精度是指在同一台数控机床上，应用相同程序相同代码加工一批零件，所得到的连续结果的一致程度。重复定位精度受伺服系统特性，进给系统的间隙与刚性以及摩擦特性等因素的影响。一般情况下，重复定位精度是呈正态分布的偶然性误差，它影响一批零件加工的一致性，是一项非常重要的性能指标。

③ 分度精度。分度精度是指分度工作台在分度时，理论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。

⑵ 加工性能指标

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，它是影响零件加工表面质量、生产效率以及刀具寿命的主要因素之一。最大加速度是反映主轴速度提高能力的性能指标，也是加工效率的重要指标。

② 最快位移速度和最高进给速度。最快位移速度是指进给轴在非加工状态下的最高移动速度；最高进给速度是指进给轴在加工状态下的最高移动速度。这两个物理量在很大程度上会对零件的加工质量造成影响，也是影响生产效率以及刀具寿命的主要因素。这两个性能指标受数控装置的运算速度、机床动态特征及工艺系统刚度等因素控制。

⑶ 坐标轴指标

① 可控轴数。数控机床的可控制轴数是指机床数控装置能够控制的坐标轴数目。一般数控机床可控轴数和数控装置的运算处理能力、运算速度及内存容量等有关，世界上最高级数控装置的可控轴数已达到了24 轴。

② 联动轴数。数控机床的联动轴数是指机床数控装置控制的坐标轴同时达到空间某一点的坐标数目。目前有2 轴联动、3 轴联动、4 轴联动、5 轴联动等，其中3 轴联动的数控机床通常是X 、Y、Z 三个直线坐标联动,可以加工空间复杂曲面，多用于数控铣床；四轴或五轴联动是指同时控制X、Y、Z 三个直线坐标轴以及与一个或者两个围绕这些直线坐标轴旋转的坐标轴，可以加工宇航叶轮、螺旋桨等零件；而两轴半联动是特指可控轴数为三轴而联动轴数为二轴的数控机床。

数控机床的可控轴数与联动轴数影响机床的功能、加工适应性和工艺范围。

⑷ 可靠性指标

① 平均无故障工作时间MTBF。指一台数控机床在使用中平均两次故障间隔的时间，即数控机床在寿命范围内，总工作时间和总故障次数之比。平均无故障工作时间的计算公式如下：

MTBF=总工作时间/总故障次数

② 平均修复时间MTTR。指一台数控机床从开始出现故障直到能正常工作所用的平均修复时间，其计算公式如下：

MTTR=总故障停机时间/总故障次数

③ 有效度。如果把MTBF 看作设备正常工作的时间，把MTTR 看作设备不能工作的时间，那么正常工作时间与总工作时间之比称为设备的有效度A，即

A=MTBF/（MTBF+MTTR）

有效度反映设备提供正确使用的能力，是衡量设备可靠性的一个重要指标。

⑸ 运动性能指标

① 主轴转速。数控机床的主轴一般均采用直流或交流调速主轴电机驱动，选用高速精密轴承支承。主轴一般具有较宽的调速范围和足够高的回转精度、刚度及抗震性。目前，数控机床主轴转速已普遍达到5000r/min-10000r/min，甚至更高，这对各种小孔加工以及提高零件加工质量和表面质量都极为有利。

② 进给速度。数控机床的进给速度是影响零件加工质量、生产效率以及刀具寿命的重要因素，它受数控装置的运算速度、机床动特性及工艺系统刚度等因素的限制。

③ 坐标行程。数控机床坐标轴X、Y、Z 的行程大小构成数控机床的空间加工范围，决定了加工零件的大小。坐标行程是直接体现机床加工能力的指标参数。

④ 摆角范围。具有摆角坐标的数控机床，其转角大小也直接影响到加工零件空间部位的能力。但转角太大又造成机床的刚度下降，会给机床设计带来困难。

⑤ 刀库容量和换刀时间。刀库容量和换刀时间对数控机床的生产率有直接影响。刀库容量是指刀库能存放加工刀具的数量。目前，常见的中小型加工中心多为16把-60把，大型加工中心达100 把以上。换刀时间指将主轴上使用的刀具与装在刀库上的下一工序需用的刀具进行交换所需要的时间。目前，国内一般为10s-20s，国外不少数控机床仅为4s-5s。

第2章 数控机床的控制原理

2.1概述

2.1.1插补的基本概念

插补技术是数控系统的核心技术。在数控加工过程中，数控系统要解决控制刀具或工件运动轨迹的问题，在数控机床中，刀具或工件能够移动的最小位移量称为数控机床的脉冲当量或最小分辨率。刀具或工件是一步一步移动的，移动轨迹是由一个个小线段构成的折线，而不是光滑的曲线。也就是说，刀具不能严格地按照所加工的零件廓形（如直线、圆弧或椭圆、抛物线等其他类型曲线）运动，而只能用折线逼近所需加工的零件轮廓线型。

根据零件轮廓线型上的已知点，如直线的起点、终点，圆弧的起点、终点和圆心等，数控系统按进给速度的要求、刀具参数和进给方向的要求等，计算出轮廓线上中间点位置坐标值的过程称为“插补”。插补的实质就是根据有限的信息完成“数据密化”的工作。数控系统根据这些坐标值控制刀具或工件的运动，实现数控加工，插补运算具实时性，其运算速度和精度直接影响数控系统的性能指标。

2.1.2插补方法的分类

由于直线和圆弧是构成零件轮廓的基本线型，因此CNC系统一般都具有直线插补和圆弧插补两种基本功能。在三坐标以上联动的CNC系统中，一般还具有螺旋线插补功能。在一些高档CNC系统中，已经出现了抛物线插补、渐开线插补、正弦线插补、样条曲线插补和球面螺旋线插补等功能。

插补的方法和原理很多，根据数控系统输出伺服驱动装置的信号的不同，插补方法可归纳为基准脉冲插补和数据采样插补两种类型。

1）基准脉冲插补

基准脉冲插补又称脉冲增量插补或行程标量插补，其特点是数控装置在插补结束时向各个运动坐标轴输出一个基准脉冲序列，驱动各坐标轴进给电机的运动。每个脉冲使各坐标轴仅产生一个脉冲当量的增量，代表了刀具或工件的最小位移；脉冲的数量代表了刀具或工件移动的位移量；脉冲序列的频率代表了刀具或工件运动的速度。

基准脉冲插补的插补运算简单，容易用硬件电路实现，运算速度很快。早期的NC系统都是采用这类方法，在目前的CNC系统中也可用软件来实现，但仅适用于一些由步进电机驱动的中等精度或中等速度要求的开环数控系统。有的数控系统将其用于数据采样插补中的精插补。

基准脉冲插补的方法很多，如逐点比较法、数字积分法、数字脉冲乘法器法、最小偏差法、矢量判断法、单步追踪法、直接函数法等。其中应用较多的是逐点比较法和数字积分法。

2）数据采样插补

数据采样插补又称为数字增量插补、时间分割法或时间标量插补。这种插补方法的特点是数控装置产生的不是单个脉冲，而是标准二进制字。插补运算分两步完成。第一步粗插补，采用时间分割思想，把加工一段直线或圆弧的整段时间细分为许多相等的时间间隔，称为插补周期T。在每个插补周期内，根据插补周期T和编程的进给速度F计算轮廓步长，将轮廓曲线分割为若干条长度为轮廓步长的微小直线段；第二步为精插补，数控系统通过位移检测装置定时对插补的实际位移进行采样，根据位移检测采样周期的大小，采用基准脉冲直线插补，在轮廓步长内再插入若干点，即在粗插补算出的每一微小直线段的基础上再作“数据点的密化”工作。一般将粗插补运算称为插补，由软件完成，而精插补可由软件实现，也可由硬件实现。

计算机除了完成插补运算外，还要执行显示、监控、位置采样及控制等实时任务，所以插补周期应大于插补运算时间与完成其他实时任务所需的时间之和。插补周期与采样周期可以相同，也可以不同，一般取插补周期为采样周期的整数倍，该倍数应等于对轮廓步长实施精插补时的插补点数。如美国A-B公司的7300系列中，插补周期与位置反馈采样周期相同；日本FANUC公司的7M系统中，插补周期T为8ms被调用一次，计算出下一个周期各坐标轴应该行进的增量长度，而位置反馈采样程序每4ms被调用一次，将插补程序算好的坐标增量除以2后再进行直线段的进一步密化（即精插补）。现代数控系统的插补周期已缩短到2~4ms，有的已经达到零点几毫秒。

2.2逐点比较法

逐点比较法又称代数运算法或醉步法，是早期数控机床开环系统中广泛采用的一种插补方法，可实现直线插补、圆弧插补，也可用于其他非圆二次曲线（如椭圆、抛物线和双曲线等）的插补，其特点是运算直观，最大插补误差不大于一个脉冲当量，脉冲输出均匀，调节方便。

逐点比较法的基本原理是每次仅向一个坐标轴输出一个进给脉冲，每走一步都要将加工点的瞬时坐标与理论的加工轨迹相比较，判断实际加工点与理论加工轨迹的偏移位置，通过偏差函数计算二者之间的偏差，从而决定下一步的进给方向。每进给一步都要完成偏差判别、坐标进给、偏差计算和终点判别四个工作节拍。下面分别介绍逐点比较法直线插补和圆弧插补的原理。

2.2.1 逐点比较法直线插补

设在X-Y平面的第一象限有一加工直线，如图2-3所示，起点为坐标原点O，终点坐标为，则直线方程可表示为

，  即

若加工时的动点为，则存在三种情况：

（1）加工点P在直线上，有；

（2）加工点P在直线上方，有；

（3）加工点P在直线下方，有。

令为偏差判别函数，则有：

（1）当时，加工点P在直线上；

（2）当时，加工点P在直线上方；

（3）当时，加工点P在直线下方；

从图2-3可以看出，当点P在直线上方时，应该向+X方向进给一个脉冲当量，以趋向该直线；当点P直线下方时，应该向+Y方向进给一个脉冲当量，以趋向该直线；当点P在直线上时，既可向+X方向也可向+Y方向进给一个脉冲当量，通常，将点P在直线上的情况同点P在直线上方归于一类。则有：

（1）当时，加工点向+X方向进给一个脉冲当量，到达新的加工点，此时，则新加工点的偏差判别函数为

                                  （2-3）

（2）当时，加工点+Y向进给一个脉冲当量，到达新的加工点，此时，则新加工点的偏差判别函数为

              （2-4）

由此可见，新加工点的偏差或是由前一个加工点和终点的坐标值递推出来的，如果按式（2-3）、式（2-4）计算偏差，则计算大为简化。

用逐点比较法插补直线时，每一步进给后，都要判别当前加工点是否到达终点，一般可采用如下三种方法判别：

（1）设置一个终点减法计数器，存入各坐标轴插补或进给总步数N=，在插补过程中每进给一步，就从总步数中减去1，直到计数器中的存数被减为零，表示到达终点；

（2）各坐标轴分别设置一个进给步数的减法计数器，当某一坐标方向有进给时，就从其相应的计数器中减去1，直到计数器中的存数被减为零，表示到达终点；

（3）设置一个终点减法计数器，存入进给步数最多的坐标轴的进给步数，在插补过程中每当该坐标轴方向有进给时，就从计数器中减去，直至计数器中的存数被减为零，表示到达终点。

综上所述，逐点比较法的直线插补过程为每进给一步都要完成以下四个节拍（步骤）：

（1）偏差判别。根据偏差值判别当前加工点位置是在直线的上方（或直线上），还是在直线的下方。起始时，加工点在直线上，偏差值为；

（2）坐标进给。根据判别的结果，控制向某一坐标方向进给一步；

（3）偏差计算。根据递推公式（2-3）、式（2-4）计算出进给一步、到新加工点的偏差，提供下一步作判别的依据；

（4）终点判别。在计算新偏差的同时，还要进行一次终点判别，以确定是否到达了终点，若已达到，就停止插补。

以上仅讨论了逐点比较法插补第一象限直线的原理和计算公式，插补其他象限的直线时，其插补计算公式和脉冲进给方向是不同的，通常有两种方法解决：

⑴ 分别处理法

可根据上面插补第一象限直线的分析方法，分别建立其他三个象限的直线插补，会有4组计算公式；脉冲进给的方向也由实际象限决定。

⑵ 坐标变换法

通过坐标变换将其他三个象限直线的插补计算公式统一于第一象限的公式中，这样都可按第一象限直线进行插补计算；而进给脉冲的方向则仍由实际象限决定，该种方法是最常采用的方法。

坐标变换就是将其他各象限直线的终点坐标和加工点的坐标均取绝对值，这样，它们的插补计算公式和插补流程图与插补第一象限直线时一样，偏差符号和进给方向可用图2-5的简图表示，图中 、 、 、 分别表示第一、二、三、四象限的直线。

2.2.2逐点比较法圆弧插补

逐点比较法圆弧插补过程与直线插补过程类似，每进给一步也都要完成四个工作节拍：偏差判别、坐标进给、偏差计算、终点判别。但是，逐点比较法圆弧插补以加工点距圆心的距离大于还是小于圆弧半径来作为偏差判别的依据。如图2-6所示的圆弧，其圆心位于原点O（0，0），半径为R，令加工点的坐标为，则逐点比较法圆弧插补的偏差判别函数为

                             （2-5）

当时，加工点在圆弧上；当时，加工点在圆弧外；当时，加工点在圆弧内。同插补直线时一样，将同归于一类。

下面以第一象限圆弧为例，分别介绍顺时针圆弧和逆时针圆弧插补时的偏差计算和坐标进给情况。

⑴ 插补第一象限逆圆弧

① 当时，加工点在圆弧上或圆弧外，-X方向进给一个脉冲当量，即向趋近圆弧的圆内方向进给，到达新的加工点，此时，则新加工点的偏差判别函数为：

                                                   （2-6）

② 当时，加工点在圆弧内，+Y方向进给一个脉冲当量，即向趋近圆弧的圆外方向进给，到达新的加工点，此时，则新加工点的偏差判别函数为：

                     （2-7）

⑵ 插补第一象限顺圆弧

① 当时，加工点在圆弧上或圆弧外，-Y方向进给一个脉冲当量，即向趋近圆弧的圆内方向进给，到达新的加工点，此时，则新加工点的偏差判别函数为：

                  （2-8）

② 当时，加工点在圆弧内，+X方向进给一个脉冲当量，即向趋近圆弧的圆外方向进给，到达新的加工点，此时，则新加工点的偏差判别函数为

                （2-9）

由以上分析可知，新加工点的偏差是由前一个加工点的偏差及前一点的坐标值、递推出来的，如果按式（2-6）、式（2-7）、式（2-8）、式（2-9）计算偏差，则计算大为简化。需要注意的是、的值在插补过程中是变化的，这一点与直线插补不同。

与直线插补一样，除偏差计算外，还要进行终点判别。圆弧插补的终点判别可采用与直线插补相同的方法，通常，通过判别插补或进给的总步数及分别判别各坐标轴的进给步数来实现。

插补第一象限逆圆弧的插补流程图如图2-7所示。

以上仅讨论了逐点比较法插补第一象限顺、逆圆弧的原理和计算公式，插补其他象限圆弧的方法同直线插补一样，通常也有两种方法：

⑴ 分别处理法

可根据上面插补第一象限圆弧的分析方法，分别建立其他三个象限顺、逆圆弧的偏差函数计算公式，这样会有8组计算公式；脉冲进给的方向由实际象限决定。

⑵ 坐标变换法

通过坐标变换将其他各象限顺、逆圆弧插补计算公式都统一于第一象限的逆圆弧插补公式，不管哪个象限的圆弧都按第一象限逆圆弧进行插补计算，而进给脉冲的方向则仍由实际象限决定。该种方法也是最常采用的方法。坐标变换就是将其他各象限圆弧的加工点的坐标均取绝对值，这样，按第一象限逆圆弧插补运算时，如果将X轴的进给反向，即可插补出第二象限顺圆弧；将Y轴的进给反向，即可插补出第四象限顺圆弧；将X、Y轴两者的进给都反向，即可插补出第三象限逆圆弧。也就是说，第二象限顺圆弧、第三象限逆圆弧及第四象限顺圆弧的插补计算公式和插补流程图与插补第一象限逆圆弧时一样。同理，第二象限逆圆弧、第三象限顺圆弧及第四象限逆圆弧的插补计算公式和插补流程图与插补第一象限顺圆弧时一样。

从插补计算公式及例2-2、2-3中还可以看出，按第一象限逆圆弧插补时，把插补运算公式的X坐标和Y坐标对调，即以X作Y、以Y作X，那么就得到第一象限顺圆弧。

插补四个象限的顺、逆圆弧时偏差符号和进给方向可用图2-10表示。

逐点比较法插补圆弧时，相邻象限的圆弧插补计算方法不同，进给方向也不同，过了象限如果不改变插补计算方法和进给方向，就会发生错误。圆弧过象限的标准是=0或=0。每走一步，除进行终点判别外，还要进行过象限判别，到达过象限点时要进行插补运算的变换。

2.3 数字积分法

数字积分法又称数字微分分析器（digital differential analyzer, DDA）法，是利用数字积分的原理，计算刀具沿坐标轴的位移，使刀具沿着所加工的轨迹运动。采用数字积分法进行插补，运算速度快、脉冲分配均匀、易于实现多坐标联动或多坐标空间曲线的插补，所以在轮廓控制数控系统中得到了广泛应用。

如图2-11所示，由高等数学可知，求函数对的积分运算，从几何概念上讲，就是求此函数曲线与X轴在积分区间所包围的面积F。

若把自变量的积分区间[a，b]等分成许多有限的小区间，这样，求面积F可以转化成求有限个小区间微小矩形面积之和，即

数字运算时，一般取单位“1”，即一个脉冲当量，则

这样，函数的积分运算变成了对变量的求和运算。当所选取的积分间隔足够小时，则用求和运算代替求积运算所引起的误差可以不超过允许的误差值。

下面分别介绍数字积分法直线和圆弧插补原理。

2.3.1 DDA法直线插补

在X-Y平面上对直线进行插补，如图2-12所示，直线的起点在原点O（0，0），终点为，设进给速度V是均匀的，直线的长度为L，则有

             （2-10）

式中，、分别表示动点在X和Y方向的移动速度；k为比例系数。由式（2-10）可得

                   （2-11）

在时间内，X和Y方向上的移动距离微小增量、应为

                                                                （2-12）

将式（2-11）代入（2-12）得

                      （2-13）

因此，动点从原点走向终点的过程，可以看作是各坐标每经过一个单位时间间隔分别以增量、同时累加的结果。设经过m次累加后，X和Y方向分别都到达终点，则

                   （2-14）

取=1，则有

                              （2-15）

式（2-13）也变为

                                （2-16）

由式（2-15）可知mk=1，即

                                  （2-17）

因为累加次数m必须是整数，所以比例系数k一定为小数。选取k时主要考虑、应不大于1，以保证坐标轴上每次分配的进给脉冲不超过一个单位步距，即由式（2-16）得

                             （2-18）

另外，、的最大容许值受寄存器的位数 n的限制，最大值为，所以由式（2-18）得

，     即

一般取

                               （2-19）

则有

                              （2-20）

式（2-20）说明DDA直线插补的整个过程要经过次累加才能到达直线的终点。

当k=1/时，对二进制数来说，与的差别只在于小数点的位置不同，将的小数点左移n位即为。因此在n位的内存中存放（为整数）和存放的数字是相同的，只是认为后者的小数点出现在最高位数n的前面，这样，对与的累加就分别可转变为对与的累加。

数字积分法插补器的关键部件是累加器和被积函数寄存器，每个坐标方向都需要一个累加器和一个被积函数寄存器。以插补X-Y平面上的直线为例，一般情况下，插补开始前，累加器清零，被积函数寄存器分别寄存和；插补开始后，每来一个累加脉冲，被积函数寄存器里的坐标值在相应的累加器中累加一次，累加后的溢出作为驱动相应坐标轴的进给脉冲或，而余数仍寄存在累加器中；当脉冲源发出的累加脉冲数m恰好等于被积函数寄存器的容量2ⁿ时，溢出的脉冲数等于以脉冲当量为最小单位的终点坐标，表明刀具运行到终点。X-Y平面的DDA直线插补器的示意图如图2-13所示。

数字积分法直线插补的终点判别比较简单。由以上的分析可知，插补一直线段时只需要完成m=2ⁿ次累加运算，即可到达终点位置。因此，可以将累加次数m是否等于2ⁿ作为终点判别的依据，只要设置一个位数亦为n位的终点计算寄存器，用来记录累加次数，当计数器记满2ⁿ个数时，停止插补运算。

用软件实现数字积分法直线插补时，在内存中设立几个存储单元，分别存放及其累加值或及其累加值，在每次插补运算循环过程中进行以下求和运算。

用运算结果溢出的脉冲和控制机床进给，就可走出所需的直线轨迹。

以上仅讨论了数字积分法插补第一象限直线的原理和计算公式。插补其他象限的直线时，一般将其他各象限直线的终点坐标均取绝对值。这样，它们的插补计算公式和插补流程图与插补第一象限直线时一样，而脉冲进给方向总是直线终点坐标绝对值增加的方向。

2.3.2 DDA法圆弧插补

下面以第一象限逆圆弧为例，说明DDA圆弧插补原理。如图2-15所示，设刀具沿半径为R的圆弧AB移动，刀具沿圆弧切线方向的进给速度V，为动点，则有如下关系式：

                              （2-21）

由式（2-21）可得

                                  （2-22）

当刀具沿圆弧切线方向匀速进给，即V为恒定时，可以认为比例常数k为常数。

在一个单位时间间隔内，X和Y方向上的移动距离微小增量、应为：

                                                        （2-23）

根据式（2-23），仿照直线插补的方法也用两个积分器来实现圆弧插补，如图2-15所示。图中系数k的省略原因和直线时类同。但必须注意DDA圆弧插补与直线插补的区别：

⑴ 坐标值，存入被积函数寄存器、的对应关系与直线不同，恰好位置互调，即存入，而存入中。

⑵ 被积函数寄存器、寄存的数值与直线插补时还有一个本质的区别：直线插补时、寄存的是终点坐标或是常数；而在圆弧插补时寄存的是动点坐标或是变量。因此在刀具移动过程中必须根据刀具位置的变化来更改寄存器、中的内容。在起点时，、分别寄存起点坐标值、；在插补过程中，每溢出一个脉冲，寄存器应该加“1”； 反之，当溢出一个脉冲时，应该减“1”。 减“1”的原因是刀具在作逆圆运动时x坐标作负方向进给，动点坐标不断减少。

对于其他象限的顺圆、逆圆插补运算过程和积分器结构基本上与第一象限逆圆弧是一致的，但区别在于，控制各坐标轴的、的进给方向不同，以及修改、内容时是加“1”还是减“1”， 要由和坐标值的增减而定。

数字积分法圆弧插补的终点判别一般采用各轴各设一个终点判别计数器、分别判别其是否到达终点，每进给一步，相应轴的终点判别计数器减1，当某轴的终点判别计数器减为0时，该轴停止进给。当各轴的终点判别计数器都减为0时表明到达终点，停止插补。另外也可根据、中的存数来判断是否到达终点，如果中的存数是、中的存数是，则圆弧插补到终点。

2.3.3 数字积分法插补的进给速度的均化

由前述DDA直线插补的分析可知，判断终点是用累加次数N为条件的，当累加寄存器的位数一旦选定，比如m位，累加次数即为常数N=2^m了，而不管加工行程长短都需作N次计算。这就造成行程长进给速度加快，行程短进给速度变慢，使之各程序段进给速度不均匀，其结果将影响进给表面质量和效率。为此要进行速度均化处理。

先给出寄存器左移规格化的概念。规定：寄存器内的数，经左移后最高位为“1”，称为左移规格化；反之最高位为“0”，称为非规格化，如图2-17所示。

DDA插补进给速度均化处理，一般用左移规格化处理完成。但直线和圆弧插补进给速度均化有所不同，现分别讨论之。

⑴ 直线插补的进给速度均化

其均化方法是：先将终点坐标的缩小值k，k分别转化成二进制装入被积函数寄存器、，然后将这两个寄存器的内容同时左移，直到、之一达到左移规格化为止。与此同时，和每左移一位，判断终点寄存器J_E从最高位自动补“1”右移。此过程如图2-18所示。

上述进给速度均化方法中，和每左移一位，相当于其内容增大2¹倍，如左移p位则增大2^p倍。由于是和同时左移，在其一达到左移规格化后左移位数相同，因而其内容也扩大同样的倍数，保持二数的比值不变，所以直线的斜率不变，故对加工没有影响。另一方面，由于和的内容增加，就使累加次数减少（因为容量一定）。若左移p位，则累加次数就减少2^p倍，即从原来的2^m次减少到2^m-p次。而在一程序段间隔时间内，各坐标分配的脉冲数应等于x_e、y_e值，这样作为判断终点累加次数的寄存器J_E也必须相应减少。这恰恰由J_E右移p位“1”得以实现。此时应注意，装入和的初始值k、k中，k取值应为k=N/n=1，其中N=n=2^m-p。综上所述可以理解：均化处理后，行程短的程序段，累加次数N减少得多，则进给速度提高得多；而行程长得程序段，累加次数N减少得少，则进给速度提高得较少，因而能达到进给速度相对均匀得目的。

⑵ 圆弧插补的进给速度均化   

圆弧插补的进给速度均化方法与直线均化方法类似，但寄存器左移至次高位，即第（m-1）位为“1”，就必须停止左移，不能移至最高位为“1”。这是因为寄存器得内容在插补过程中不断变化，如果取最高位为“1”，可能导致溢出，使插补计算不准确。

当装入y值后，通过左移Q位使次高位为“1”，则y值扩大了2^Q倍，的内容变为2^Qy。当y积分器J_RY有一脉冲溢出时，则中的内容修正值为：

                                2^Q（y+1）=  2^Qy+  2^Q

此式说明：若均化过程左移Q位，当J_RY有一脉冲溢出Dy时，中的数值修正值不是加1，而应是加上2^Q，即寄存器第Q＋1位加“1”。同理，若J_RX寄存器有一脉冲溢出Dx时，J_VY寄存器中的值修正值不是减1，而应减去2^Q，即第Q＋1位减“1”。

2.4 时间分割插补法

2.4.1 时间分割法直线插补

在时间分割插补法中，首先根据加工指令中的进给速度F，计算出每一插补周期的轮廓步长，即用插补周期为时间单位，将整个加工过程分割成许多个单位时间内的进给过程。以插补周期为时间单位，则单位时间内的移动的路程等于速度，即轮廓步长与轮廓速度f相等。插补计算的主要任务是计算出下一个插补点的坐标，从而算出轮廓速度f在各个坐标轴的分速度，即下一个插补周期内的各个坐标的进给量Dx、Dy。控制X、Y坐标分别以Dx、Dy为速度协调进给，即可走出逼近直线段，到达下一个插补点。在进给过程中，对实际位置进行采样，与插补计算的坐标值进行比较，得出位置误差，位置误差在后一采样周期内修正。采样周期可以等于插补周期，也可小于插补周期，如插补周期的1/2。

设指令进给速度为F，其单位为mm/min，插补周期8ms，f的单位为mm/8ms，的单位为mm，则：

                   （2－24）

无论进行直线插补还是圆弧插补，都必须先用式（2－24）计算出单位时间（插补周期）的进给量，然后才能进行插补点的计算。

设要加工XOY平面上的OA，如图2-19所示，直线起点在坐标原点O，终点为A（x_e，y_e）。当刀具从O移动到A点时，X轴和Y轴移动的增量分别为x_e和y_e。要使动点从O到A沿给定直线运动，必须使X轴和Y轴的运动速度始终保持一定比例关系，这个比例关系由终点坐标（x_e，y_e）的比值决定。

设要加工的直线与X轴的夹角为a，om为已计算出的轮廓步长，即单位时间间隔的进给量f。于是有

           Dx＝cosa                   (2-25)

           Dy=          (2-26)

而        (2-27)

式中  Dx—X轴插补进给量；

      Dy—Y轴插补进给量。

时间分割插补法计算结果，就是算出下一单位时间间隔（插补周期）内各个坐标轴的进给量。因此，时间分割插补法插补计算可按以下步骤进行：

（1）       根据加工指令中的速度值F，计算轮廓步长；

（2）       根据终点坐标值x_e，y_e，计算tana；

（3）       根据tana计算cosa；

（4）       计算X轴进给量Dx；

（5）       计算Y轴进给量Dy。

在进给速度不变的情况下，各个插补周期Dx，Dy不变，但在加减速过程中是要变化的。为了和加减速过程采用统一的处理办法，所以即使在匀速段也进行插补计算。

2.4.2 时间分割法圆弧插补

时间分割法圆弧插补，也必须根据加工指令中的进给速度F，计算出轮廓步长，即单位时间（插补周期）内的进给量，才能进行插补运算。圆弧插补运算，就是以轮廓步长为圆弧上相邻两个插补点之间弦长，由前一个插补点的坐标和轮廓步长，计算后一插补点，实质上是求后一插补点到前一插补点两个坐标轴的进给量Dx、Dy。

如图2-20所示，A（x_i，y_i）为当前点，B（x_i+1，y_i+1）为插补后到达的点，图中AB弦正是圆弧插补时在一个插补周期的步长，需计算X轴和Y轴的进给量Dx= x_i+1- x_i，Dy= y_i+1 -y_i 。AP是A点的切线，M是弦的中点，OM⊥AB，ME⊥AG，E为AG的中点。圆心角计算如下：

F_i+1=F_i+d

式中  d—轮廓步长所对应的圆心角增量，也称步距角。

因为  OA^AP （AP为圆弧切线）

所以  DAOC~DPAG

则    ÐAOC=ÐGAP=F_i

因为  ÐPAB+ÐOAM=90º 

所以  ÐPAB=ÐAOM=ÐAOB=d

设    a=ÐGAB=ÐGAP+ÐPAB =F_i+d

在DMOD中

                             

将DH=x_i，OC=y_i，HM= cosa =Dx ，CD=sina =Dy代入上式，则有:

             （2-28）

又因为  

由此可以推出（x_i，y_i）与Dx，Dy的关系式：

                                                （2-29）

式（2-29）反映了圆弧上任意相邻两插补点坐标之间的关系，只要求得Dx和Dy，就可以计算出新的插补点B（x_i+1，y_i+1）

                         

式（2-29）中，cosa和sina均为未知，要计算tana仍然困难。为此，采用一种近似算法，即以cos45^°和sin45^°来代替cosa和sina。这样，上式可改为

                              （2-30）

因为A点的坐标值x_i，y_i为已知，要求出B点的坐标可先求X轴的进给量

                             

因为A（x_i，y_i）和B（x_i＋Dx，y_i-Dy）是圆弧上相邻两点，必须满足下列关系式       

                  

经展开整理后可得

                                （2-31）

由式（2-31）可计算出Dy。上式实际上仍为一个Dy的二次方程，如要用解方程的方法求Dy，则较复杂。这里可以直接用上式进行迭代计算。

第一次迭代，等式左边的Dy由下式决定：Dy＝Dx×tana

    计算出式（2-31）左边的Dy后代入右边再计算左边的Dy，直到等式两边的Dy相等（误差小于一个脉冲当量）为止。

由此可得下一个插补点B（x_i＋1，y_i＋1）的坐标值：

x_i＋1＝x_i＋Dx，y_i＋1＝y_i-Dy

在用式（2-30）进行近似计算tana时，势必造成tana的偏差，进而造成Dx的偏差。但是，这样的近似计算并不影响B点仍在圆弧上。这是因为Dy是通过式（2-31）计算出来的，满足式（2-31），B点就必然在圆弧上。tana的近似计算，只造成进给速度的微小偏差，实际进给速度的变化小于指令进给速度的1％。这么小的进给速度变化在实际切削中是微不足道的，可以认为插补速度是均匀的。

时间分割插补法用弦线逼近圆弧，因此插补误差主要为半径的绝对误差。插补周期是固定的，该误差取决于进给速度和圆弧半径。因为逼近误差（读者自行推导），为此，当加工的圆弧半径确定后，为了使径向误差不超过允许值，对进给速度有一个限制。

由式可得    

式中  e_r—最大径向误差；

      r—圆弧半径。

当要求，插补周期为T=8ms，则进给速度

式中    F—进给速度，单位为mm/min。

2.5刀具半径补偿

数控系统的刀具补偿（简称刀补）即垂直于刀具轨迹的位移，用来修正刀具实际半径或直径与其程序规定的值之差。数控系统对刀具的控制是以刀架参考点为基准的，零件加工程序给出零件轮廓轨迹，如不作处理，则数控系统仅能控制刀架的参考点实际加工轨迹，但实际上是要用刀具的刀尖实现加工的，这样需要在刀架的参考点与加工刀具的刀尖之间进行位置偏置。这种位置偏置由两部分组成：刀具长度补偿及刀具半径补偿。不同种类的机床与刀具，需要考虑的刀补参数也不同。对铣刀而言，只有刀具半径补偿；对钻头而言，只有一坐标长度补偿；但对车刀而言，却需要两坐标长度补偿和刀具半径补偿。

2.5.1刀具半径补偿

为了分析问题方便，ISO标准规定，当刀具中心轨迹在编程轨迹（零件轮廓ABCD）前进方向的左侧时，称为左刀补，用G41表示。反之，当刀具处于轮廓前进方向的右侧时称为右刀补，用G42表示。G40为取消刀具补偿指令。需指出，刀具半径补偿通常不是程序编制人员完成的，编制人员只是按零件图纸的轮廓编制加工程序。同时用指令G41、G42、G40告诉CNC系统刀具是按零件内轮廓运动还是外轮廓运动。实际的刀具半径补偿是在CNC系统内部由计算机自动完成的。CNC系统根据零件轮廓尺寸（直线或圆弧以及起点和终点）和刀具运动的方向指令（G41、G42、G40），以及实际加工中所用的刀具半径自动地完成刀具半径补偿计算。

在实际轮廓加工过程中，刀具半径补偿的执行过程分为刀补的建立、刀补的进行和撤消三个步骤，如图2-22所示。

⑴ 刀具半径补偿的建立

刀具从起刀点接近工件，刀具中心轨迹的终点不在下一个程序段指定轮廓的起点，而是在法线方向上偏移一个刀具半径的距离，即刀具中心从与编程轨迹重合过渡到与编程轨迹距离一个刀具半径值。在该段中，动作指令只能用G00或G01。

⑵ 刀具半径补偿的进行

刀具补偿进行期间，刀具中心轨迹始终偏离编程轨迹一个刀具半径的距离。在此状态下，G00、G01、G02、G03都可使用。

⑶ 刀具半径补偿的撤销

刀具撤离工作，返回原点。即刀具中心轨迹从与编程轨迹相距一个刀具半径值过渡到与编程轨迹重合。此时只能用G00或G01。

刀具半径补偿方法主要分为B（Basic）刀具半径补偿和C（Complete）刀具半径补偿。

2.5.2 B刀具半径补偿

B刀具半径补偿为基本的刀具半径补偿，它根据程序段中零件轮廓尺寸和刀具半径计算出刀具中心的运动轨迹，对于一般的CNC装置，所能实现的轮廓控制仅限于直线和圆弧。对直线而言刀具补偿后的刀具中心轨迹是与原直线相平行的直线，因此刀具补偿计算只要计算出刀具中心轨迹的起点和终点坐标值。对于圆弧而言，刀具补偿后的刀具中心轨迹是与原圆弧同心的一段圆弧，因此对圆弧的刀具补偿计算只需要计算出刀具补偿后圆弧的起点和终点坐标值以及刀具补偿后的圆弧半径值。

B刀具半径补偿要求编程轮廓的过渡方式为圆角过渡，即轮廓线之间以圆弧连接，并且连接处轮廓线必须相切。切削内轮廓角时，过渡圆弧的半径应大于刀具半径。

直线的B刀具半径补偿如图2-23所示。被加工直线段的起点为原点O（0，0），终点A的坐标为（x,y），假定上一程序段加工完后，刀具中心在点O₁且坐标值已知。刀具半径为r，现要计算刀具右补偿后直线段O₁A₁的终点坐标（，）。设刀具补偿矢量AA₁的投影坐标为和，则

由于

则有

圆弧的B刀具半径补偿如图2-24所示。设被加工圆弧的圆心坐标为（0，0），圆弧半径为R，圆弧起点为A（x₀,y₀），终点为B（x_e,y_e），刀具半径为r。

设为前一段程序刀具中心轨迹的终点，且坐标为已知。因为是圆角过渡，点一定在半径OA或其延长线上，与A点的距离为r。点即为本段程序刀具中心轨迹的起点。现在计算刀具中心轨迹的终点和半径。

因为在半径OB或其延长线上，三角形或相似。根据相似三角形定理，有

则有

以上为刀具偏向圆外侧的情况，刀具偏向圆内侧时与此类似。

2.5.3 C刀具半径补偿

对于具有B刀具半径补偿的CNC装置，编程人员必须事先估计轮廓上的尖角点（斜率不连续的点），并人为在程序中加以处理，显然很不方便。

C刀具半径补偿则能自动处理两个相邻程序段之间连接（即尖角过渡）的各种情况，并直接求出刀具中心轨迹的转接交点，然后再对原来的刀具中心轨迹作伸长或缩短修正。

数控系统中C刀具半径补偿方式如图2-25所示，在数控系统内，设置有工作寄存器AS，存放正在加工的程序段信息；刀补寄存器CS存放下一个加工程序段信息，缓冲寄存器BS存放着再下一个加工程序段的信息；输出寄存器OS存放运算结果，作为伺服系统的控制信号。因此，数控系统在工作时，总是同时存储有连续三个程序段的信息。

当CNC系统启动后，第一段程序首先被读入BS，在BS中算得的第一段编程轨迹被送到CS暂存，又将第二段程序读入BS，算出第二段的编程轨迹。接着，对第一、二段编程轨迹的连接方式进行判别，根据判别结果再对CS中的第一段编程轨迹作相应的修正，修正结束后，顺序地将修正后的第一段编程轨迹由CS送到AS，第二段编程轨迹由BS送到CS。随后，由CPU将AS中的内容送到OS进行插补运算，运算结果送往伺服机构以完成驱动动作。当修正了的第一段编程轨迹开始被执行后，利用插补间隙，CPU又命令第三段程序读入BS，随后又根据BS、CS中第三、第二段编程轨迹的连接方式，对CS中的第二段编程轨迹进行修正。如此往复，可见C刀补工作状态下，CNC装置内总是同时存有三个程序段的信息，以保证刀补的实现。

在具体实现时，为了便于交点的计算，需对各种编程情况进行综合分析，从中找出规律。可以将C刀具半径补偿方法中所有的输入轨迹当作矢量进行分析，显然，直线段本身就是一个矢量，而圆弧则将圆弧的起点、终点、半径及起点到终点的弦长都作为矢量。刀具半径也作为矢量，在加工过程中，它始终垂直于编程轨迹，大小等于刀具半径，方向指向刀具圆心。在直线加工时，刀具半径矢量始终垂直于刀具的移动方向；圆弧加工时，刀具半径矢量始终垂直于编程圆弧的瞬时切点的切线，方向始终在改变。

⑴ 程序段间转接情况分析

在CNC系统实际加工过程中，随着前后两段编程轨迹的连接方式不同，相应刀具中心的加工轨迹也会产生不同的转接形式，主要有以下几种：直线与直线连接；直线与圆弧连接；圆弧与圆弧连接。根据两段程序轨迹的矢量夹角和刀具补偿方向的不同，又有伸长型、缩短型和插入型几种转接过渡方式。

① 直线与直线连接的情况

如图2-26所示为直线与直线在刀具半径补偿G41的情况下，刀具中心轨迹在连接处的过渡形式。

图2-26(a）、图2-26(b）中，、为刀具半径矢量。对应于编程轨迹、，刀具中心轨迹与将在C点相交。这样，相对与而言，将缩短一个CB与DC的长度。这种转接称为缩短型转接。

在图2-26(c）中，C点处于与的延长线上，因此称之为伸长型转接。而在图2-26(d）中，若仍采用伸长型转接，势必会增加刀具非切削的空行程时间。为解决这一个不足，令BC等于且等于刀具半径，同时，在中间插入过渡直线。即刀具中心除沿原编程轨迹伸长移动一个刀具半径外，还必须增加一个沿直线的移动，对于原来的程序而言，等于中间插入了一个程序段，这种转接称为插入型转接。在同一坐标平面内直线转接直线时，在0°~360°范围内变化，相应刀具中心轨迹的转接将按缩短型转接、插入型转接和伸出型转接这三种类型顺序地进行。

② 圆弧与圆弧的转接情况、直线与圆弧转接情况

这两种转接类型的判断等效于直线与直线转接，可以由读者参考相关书籍自行思考。

由以上分析可知，以刀具补偿方向、等效规律及角的变化三个条件，各种轨迹间的转接形式分类是不难区分的。转接矢量的计算可采用三角函数法和解析几何法等进行。

⑵ C刀具半径补偿举例

第3章  数控机床的典型结构

3.1数控机床的结构设计要求

3.1.1提高机床的结构刚度

机床刚度是机床的基本技术性能之一，它反映了机床结构抵抗变形的能力，机床在加工过程中，承受多种外力的作用，包括运动部件和工件的自重、切削力、驱动力、加减速时的惯性力、摩擦阻力等。机床的各部件在这些力的作用下将产生变形，如各基础件的弯曲和扭转变形，支承构件的局部变形，固定连接面和运动啮合面的接触变形等。这些变形都会直接或间接地引起刀具与工件之间产生相对位移，破坏刀具和工件原来所占有的正确位置，从而影响机床的加工精度。因此，提高机床的结构刚度是机床结构设计的普遍要求。为了满足数控机床加工的高生产率、高速度、高精度、高可靠性和高自动化程度的要求，规定数控机床的刚度应比类似的普通机床至少高50%以上。

⒈ 合理设计构件形式

⑴ 正确选择截面的形状和尺寸 

在外力的作用下，机床构件将承受弯曲和扭转载荷，其弯曲和扭转变形的大小取决于构件的截面抗弯和抗扭惯性矩。因此，在设计中，应掌握以下原则：在保持相同截面积的情况下，截面形状相同时，应减小壁厚，加大截面轮廓尺寸，可大大增加刚度；封闭截面的刚度远远高于不封闭截面的刚度；圆形截面的抗扭刚度高于方形截面，抗弯刚度则低于方形截面；矩形截面在尺寸大的方向具有很高抗弯刚度；壁上有孔将使刚度下降，在孔四周加上凸缘可使抗弯刚度提高。

图3-1所示为数控车床的床身截面，床身导轨的倾斜布置可有效地改善排屑条件。截面形状采用封闭式箱体结构，加大了床身截面的外轮廓尺寸，使该床身具有很高的抗弯刚度和抗扭刚度。这种倾斜布置的结构在数控车床上得到了普遍应用。

⑵ 合理选择和布置筋板

合理布置筋板可以提高构件的静刚度和动刚度。对于一些薄壁构件，为减小壁面翘曲和构件截面畸变，可以利用蜂窝状加强筋提高构件刚度，同时可减小铸造时的收缩应力。根据不同筋板布置时的静刚度和动刚度实验结果可知：以交叉筋板的作用最好。

图3-2所示为两种立式加工中心立柱的横截面图。因该立柱承受弯扭组合载荷，故截面采用接近正方形的封闭外形，为进一步提高抗弯、抗扭刚度，内部采用了斜方双层壁（相当于斜纵向筋板）和对角线交叉筋板。所以，这两种立柱都有很高的抗弯、抗扭刚度。

⑶ 提高构件的局部刚度

机床的导轨和支承件的连接部分，局部刚度很弱，但是连接方式对局部刚度的影响很大，图3-3所示为导轨和床身连接的几种形式，如果导轨尺寸较宽时，应采用如图(d)、(e)、(f)的双壁连接形式，导轨较窄时，可采用单壁或加厚的单壁连接，或者在单壁上增加垂直筋条，提高局部刚度。

⑷ 适当采用焊接结构

长期以来，机床大型构件主要采用铸铁件。近年来，采用钢板和型钢焊接结构代替铸铁件的趋势不断扩大。在国外，大型机床的构件绝大多数采用钢板焊接结构，而且有向中、小型机床发展的势头。这是由于焊接结构具有能减小质量提高刚度的显著优点。钢的弹性模量约为铸铁的两倍，在形状和轮廓尺寸相同的前提下可以提高构件的谐振频率，使共振不易发生，并有可能将构件做成全封闭的箱形结构，从而有利于提高构件的刚度。

⒉ 采用合理的结构布局

采用合理的结构布局，使构件承受的弯矩和扭矩减小，提高机床的刚度。在图3-4所示的几种以卧式镗床或卧式加工中心布局形式中，(a)、(b)、(c)三种方案的主轴箱是单面悬挂在立柱侧面，主轴箱的自重将使立柱产生弯曲和扭曲变形，从而影响到加工精度。方案(d)的主轴箱的主轴中心位于立柱的对称面内，主轴箱的自重不再引起立柱的变形，相同的切削力所引起的立柱的弯曲和扭转变形均大为减少。这就相当于提高了机床的刚度。

   ⒊ 补偿构件的变形

机床工作时，在外力的作用下，不可避免地存在变形。如果能采用一定措施减小变形对加工精度的影响，其结果相当于提高了机床的刚度。大型龙门铣床，当主轴部件移动到横梁中部时，横梁的下凹弯曲变形最大。为此可将横梁导轨加工成中部凸起的抛物线形，可以使得变形得以补偿。或者通过在横梁内部安装辅助横梁和预校正螺钉将主导轨预调校正。也可以用加平衡重块或其他平衡力的方法，抵消部分直接作用于横梁上的自重，从而减小横梁由于主轴箱的自重而引起的弯曲变形。

3.1.2提高机床结构的抗振性

高速切削是产生动态力的直接因素，数控机床在高速切削时，容易产生振动，轻则在被加工工件的表面留下振纹，影响工件的表面加工质量，重则会使得切削无法进行。机床加工时可能产生两种形式的振动：强迫振动和自激振动。机床的抗振性是指抵抗这两种振动的能力。

强迫振动是在各种动态力（如高速回转零件的不平衡力、往复运动件的换向冲击力、周期变化的切削力等）作用下被迫产生的振动，机床外部的振源通过机床的地基传给机床，也会使其产生强迫振动。如果动态力的频率与机床某部件的固有频率重合，则将发生共振。机床结构抵抗强迫振动的能力可以用动刚度大小来表示。

自激振动是在没有外加动态力的情况下，由切削过程自身所激发的振动。自激振动的频率接近或略高于机床主振型的低阶固有频率，振幅较大，对加工过程产生不利的影响。当机床的刚度、刀具切削角度、工件与刀具材料、切削速度和进给量都一定时，影响自激振动的主要因素是切削宽度，因此，可以把不产生自激振动的最大切削宽度，称为临界切削宽度，作为判断机床切削稳定性（抵抗自激振动的能力）的指标。自激振动的频率是一定的，与外界干扰力的频率无关，而是接近于机床的某一部件某一振型的固有频率。这个部件就是机床在抗振性方面的一个薄弱环节。

提高机床抗振性的具体措施可以从提高静刚度、固有频率和增加阻尼几个方面着手。

⒈ 机床内部振源的处理

机床中高速旋转部件都应仔细进行静、动平衡；采用平衡装置并降低往复运动件的质量以减小产生的激振力；装在机床上的电机或液压油泵、马达等旋转部件需隔振安装以减少机床内部的振源或降低激振力，这样产生强迫振动的可能性就会降低，从而提高机床的抗振性。

⒉ 提高静刚度

提高静刚度可以提高构件或系统的固有频率，从而避免发生共振。而且提高静刚度有利于改善系统的动刚度，合理布置筋板，采用钢板焊接结构等提高静刚度的措施，同样能达到提高固有频率的目的。对于抵抗自激振动来说，提高静刚度可以提高自激振动稳定性极限。当然，如果为了提高静刚度，采用增加构件壁厚等方法，会引起构件质量的增加，造成共振频率偏移，动刚度特性变坏，这是不利的。因此，在结构设计时应强调提高单位质量的刚度。设计时要使支承件各部分的自身刚度、局部刚度和接触刚度互相匹配，达到整体刚度的提高。

⒊ 提高阻尼比

增大阻尼也是提高刚度和提高自激振动稳定性的有效措施。采用滑动轴承较之滚动轴承有更大的阻尼，对滚动轴承适当预紧也能增大阻尼。将型砂或混泥土等阻尼材料填充在支承构件的零部件壁中，可以有效地提高阻尼特性。其原因在于阻尼材料的相对摩擦可以耗散振动能量，抑制振动。在承受弯曲振动的支承件的表面喷涂一层有高内阻和较高弹性模量的粘弹材料也可以增大构件的阻尼、抑制振动的产生。

3.1.3减小机床的热变形

数控机床工作时，由于其主轴转速和进给速度大大高于普通机床，电动机、轴承、液压系统等热源散发的热量，切屑及刀具与工件的相对运动的摩擦产生的热量，通过传导、对流、辐射传递给机床的各个部件，引起温升，产生热膨胀。由于热源分布不均，散热性能不同，零部件各处质量不等，导致机床各部分的温升不一致，从而产生不均匀的温度场和不均匀的热膨胀变形，以致影响刀具与工件的正确相对位置，影响了加工精度。减少机床热变形的措施有以下几种。

⒈ 控制热源和发热量

内部热源的发热是造成热变形的主要原因，因此，在机床布局时，应减少内部热源，尽量考虑将电动机、液压系统等置于机床主机以外。

加工过程中产生的切屑也是一个不可忽视的热源。大量炽热切屑若不及时从机床内部排出，就会引起机床主要部件的热变形。特别当前数控机床加工大走刀强力切削过程较多。因此，机床的工作台或主轴应尽可能呈倾斜或立式布局，以利于排屑，还应设置自动排屑装置，随时将切屑排到机床外。同时在工作台或导轨上设置隔热防护罩，使切屑的热量隔离在机床外。

⒉ 加强冷却和润滑

对于机床上难以分离出去的热源，如装入式电机、轴承、丝杠螺母副和其他运动副等，可采用散热、冷却等办法来降低温度，减少热变形。为控制切削过程产生的热量，现代数控机床，特别是加工中心和数控车床采用多喷嘴、大流量冷却系统直接喷射切削部位，同时也可迅速地将炽热切屑带走，使热量排出。

⒊ 改进机床布局和结构设计

机床布局和结构对机床的热态特性有很大的影响，如图3-5所示为卧式坐标镗床热变形示意，采用热对称结构的设计思想，即以双立柱结构代替单立柱结构，由于左右对称，受热后，主轴轴线除产生垂直方向的平移以外，其他方向变形量很小，而垂直方向的轴线移动可以很容易地用垂直坐标移动的修正量来补偿，减少了热变形对加工精度的影响。因此，双立柱式结构的机床主轴相对于工作台的热变形比单立柱结构小得多。

数控机床主轴箱应尽量使主轴的热变形方向与刀具切入方向垂直，如图3-6所示，以使得热变形对加工精度的影响降低到最小限度。在结构上还应尽可能减少主轴中心与主轴箱底面的距离（如图中尺寸H），以减少热变形量，同时应使主轴箱前后温升一致，避免主轴变形后出现倾斜。

⒋ 控制环境温度

在安装数控机床的区域内应采取保持恒定环境温度的措施，如均匀安排车间内加热器和取暖系统的位置，使热流的方向不朝向机床；建立车间门帘；将精密机床中的坐标镗床、螺纹机床、和齿轮机床等安装在恒温室中使用。此外，精密机床还不应受到阳光的直接照射，以免引起不均匀的热变形。

在恒温环境中，机床启动时应有足够的启动时间，才能使各部件特别是热容量较大的支承件达到与环境温度平衡。在加工精密零件时，尽管有不切削的间断时间，但仍让机床空转，以保持机床的热平衡。

⒌ 采用热变形补偿装置

热变形补偿技术主要有两种方案。第一种方案是通过预测热变形规律，建立数学模型并存入CNC系统中，控制输出值进行实时补偿。补偿用的数学模型包括：热力学模型、线性回归模型、多元回归模型、有限元模型、神经网络和模糊控制模型。热变形附加修正装置已在国外产品上作为商品供货。第二种方案是在热变形敏感位置安装传感元件，实测变形量，经放大后送CNC系统进行修正补偿。

3.1.4改善运动导轨副的摩擦特性

导轨质量对机床刚度、加工精度和使用寿命具有很大的影响，作为机床进给系统的重要环节，数控机床的导轨比普通机床的导轨要求更高。希望其高速进给时不发生振动，低速进给时不出现爬行，灵敏度高，耐磨性好，可在重载下长期连续工作，精度保持性好等。这些都与导轨副的摩擦特性有关，现代数控机床采用的导轨主要有塑料滑动导轨、滚动导轨和静压导轨。

⒈ 塑料滑动导轨

塑料滑动导轨具有摩擦因数低，且动、静摩擦因数差值小；减振性好，具有良好的阻尼性；耐磨性好，有自润滑作用；结构简单、维修方便、成本低等特点。数控机床采用的塑料滑动导轨有铸铁-塑料滑动导轨和镶钢-塑料滑动导轨。塑料滑动导轨常用在导轨副的运动导轨上，与之相配的金属导轨采用铸铁或钢质材料。塑料滑动导轨分为注塑导轨和贴塑导轨，导轨上的塑料常用环氧树脂耐磨涂料和聚四氟乙烯导轨软带。

⒉ 滚动导轨

滚动导轨的特点是：摩擦因数小，摩擦因数一般在0.0025~0.005的范围内，动、静摩擦因数基本相同，启动阻力小，不易产生冲击，低速运动稳定性好；定位精度高，运动平稳，微量移动准确；磨损小，精度保持性好，寿命长；抗振性差，对防护的要求较高，结构复杂，制造较困难，成本较高。现代数控机床常采用的滚动导轨有滚动导轨块和直线滚动导轨两种。

⒊ 静压导轨

静压导轨的导轨面之间处于纯液体摩擦状态，不产生磨损，精度保持性好，摩擦因数低（一般为0.005~0.001），低速时不易产生爬行，承载能力大；刚性好，承载油膜有良好的吸振作用，抗振性好；结构复杂，需配置一套专门的供油系统，制造成本较高。静压导轨分为开式和闭式两种。

3.2数控机床的主传动系统

主传动系统是用来实现机床主运动的传动系统，它应具有一定的转速（速度）和一定的变速范围，以便采用不同材料的刀具，加工不同材料、不同尺寸、不同要求的工件，并能方便地实现运动的开停、变速、换向和制动等。

数控机床主传动系统主要包括主轴电动机、传动系统、主轴组件，它与普通机床的主传动系统相比在结构上比较简单，这是因为变速功能全部或大部分由主轴电动机的无级调速来承担，省去了复杂的齿轮变速机构。数控机床作为高度自动化的设备，其主传动系统除应满足普通机床主传动的基本要求外，还应满足以下要求：

⑴ 调速要求：为了适应不同工件材料、刀具及多种切削工艺的要求，保证在加工时达到最佳切削效果，选用合理切削用量，主轴一般都要求有更大的调速范围，并能自动实现无级变速。

⑵ 功率要求：要求机床主轴系统必须具有足够大的驱动功率或输出转矩，以适应高速、高效、强力切削的加工需要。

⑶ 精度要求：主要指机床主轴的旋转精度和运动精度。数控机床加工精度的提高，又与主传动系统的刚度、抗振性及热稳定性密切相关。为此，要求主轴系统应有高的制造精度、足够的刚度、抗振性及较好的热稳定性。例如，采用高精度的轴承及合理的支承跨距；为了降低噪声、减轻发热、减少振动，主传动系统应简化结构，减少传动件。

⑷ 动态响应要求：升降速时间短，系统灵敏度高。对需要同时实现正反转切削的数控机床，要求换向时可进行自动加减速控制。

3.2.1 主传动调速方式

数控机床的调速是按照控制指令自动进行的，变速机构必须适应自动无级调速要求。现代数控机床的主运动系统广泛采用交流调速电动机或直流调速电动机作为驱动元件，以实现宽范围的无级调速。为扩大调速范围，适应低速大转矩的要求，也经常应用齿轮有级调速和电动机无级调速相结合的调速方式。

目前，数控机床主传动调速控制主要有四种配置方式：

⑴ 带有变速齿轮的主传动

大、中型数控机床采用这种变速方式。如图3-7(a)所示，通过少数几对齿轮降速，扩大输出转矩，以满足主轴低速时对输出转矩特性的要求。数控机床在交流或直流电动机无级变速的基础上配以齿轮变速，使之成为分段无级变速。滑移齿轮的移位大都采用液压缸加拨叉，或者直接由液压缸带动齿轮来实现。

⑵ 通过带传动的主传动

如图3-7(b)所示，这种传动主要应用于转速较高、变速范围不大的机床。电动机本身的调速就能够满足要求，不用齿轮变速，可以避免齿轮传动引起的振动与噪声。它适用于高速、低转矩特性要求的主轴。常用的是V带和同步齿形带。

⑶ 用两个电动机分别驱动主轴

这是上述两种方式的混合传动，具有上述两种性能。高速时电动机通过带轮直接驱动主轴旋转；低速时，另一个电动机通过齿轮传动驱动主轴旋转，齿轮起到了降速和扩大变速范围的作用，克服了低速时转矩不够且电动机功率不能充分利用的缺陷。

⑷ 采用电主轴的主传动

在高速加工机床上，大多数使用将电动机转子和主轴装为一体的电主轴，如图4-7(c)所示。其优点是主轴部件结构紧凑，省去了电动机和主轴间的传动件，系统惯量小，可提高启停响应特性，且有利于控制振动和噪声，从而可以使主轴达到数万转、甚至十几万转的高速。其缺点主要是电动机发热对主轴的影响较大，因此，温度控制和冷却是电主轴的关键问题。

3.2.2 主传动机械结构

主传动的机械结构主要是指主轴部件，包括主轴、主轴的支承、安装在主轴上的传动零件等。主轴部件是数控机床的一个关键部件，其质量的好坏直接影响加工质量。无论哪种数控机床的主轴部件都应能满足下述几个方面的要求：主轴的旋转精度、结构刚度、抗振性、热稳定性、耐磨性和精度保持能力等。对于自动换刀数控机床，为了实现刀具在主轴上的自动装卸与夹持，还必须有刀具的自动夹紧装置、主轴准停装置和切屑清除装置等结构。

⒈ 主轴端部的结构形状

主轴端部用于安装刀具或夹持工件的夹具，在结构上，应能保证定位准确、安全可靠、连接牢固、装卸方便，并能传递足够的扭矩。主轴端部的结构形状都已经标准化，图3-8所示为几种机床上通用的结构形式。

图(a)所示为车床主轴端部，卡盘靠前端的短圆锥面和凸缘端面定位，用拨销传递扭矩，卡盘装有固定螺栓，卡盘装于主轴端部时，螺栓从凸缘上的孔中穿过，转动快卸卡板将数个螺栓同时卡住，再拧紧螺母将卡盘固牢在主轴端部。主轴为空心，前端有莫氏锥度孔，用以安装顶尖或心轴。

图(b) 所示为数控铣、镗床的主轴端部，主轴前端有7：24的锥孔，用于装夹铣刀柄或刀杆。主轴端面有一端面键，既可通过它传递刀具的扭矩，又可用于刀具的轴向定位，并用拉杆从主轴后端拉紧。

图(c)所示为外圆磨床砂轮主轴的端部，图(d)所示为内圆磨床砂轮主轴端部，图(e)所示为钻床与普通镗床锤杆端部，刀杆或刀具由莫氏锥度定位，用锥孔后端第一扁孔传递扭矩，第二个扁孔用以拆卸刀具。但在数控镗床上要使用(b)图所示的形式，图中7：24的锥孔没有自锁作用，便于自动换刀时拔出刀具。

⒉ 主轴部件的支承

机床主轴带着刀具或夹具在支承中作回转运动，应能传递切削扭矩，承受切削抗力，并保证必要的旋转精度。数控机床主轴支承根据主轴部件的转速、承载能力及回转精度等要求的不同而采用不同种类的轴承。一般中小型数控机床（如车床、铣床、加工中心、磨床）的主轴部件多数采用滚动轴承；重型数控机床采用液体静压轴承；高精度数控机床（如坐标磨床）采用气体静压轴承；转速达（2~10）´10⁴r/min的主轴可采用磁力轴承或陶瓷滚珠轴承。在以上各类轴承中，以滚动轴承的使用最为普遍，而且这种轴承又有许多不同类型。

⑴ 主轴常用的几种滚动轴承类型

图3-9(a)所示为锥孔双列圆柱滚子轴承，内圈为1：12的锥孔，当内圈沿锥形轴颈轴向移动时，内圈胀大以调整滚道的间隙。滚子数目多，两列滚子交错排列，因而承载能力大、刚性好、允许转速高。它的内、外圈均较薄，因此，要求主轴颈与箱体孔均有较高的制造精度，以免轴颈与箱体孔的形状误差使轴承滚道发生畸变而影响主轴的旋转精度，该轴承只能承受径向载荷。

图3-9(b)所示为双列推力向心球轴承，接触角60º，球径小、数目多，能承受双向轴向载荷。磨薄中间隔套可以调整间隙或预紧，轴向刚度较高，允许转速高。该轴承一般与双列圆柱滚子轴承配套用作主轴的前支承，并将其外圈外径作成负公差，保证只承受轴向载荷。

图3-9(c)所示为双列圆锥滚子轴承，它有一个公用外圈和两个内圈，由外圈的凸肩在箱体上进行轴向定位，箱体孔可以镗成通孔。磨薄中间隔套可以调整间隙或预紧，两列滚子的数目相差一个，可使振动频率不一致，改善轴承的动态特性。这种轴承能同时承受径向载荷和轴向轴承，通常用作主轴的前支承。

图3-9(d)所示为带凸肩的双列圆柱滚子轴承，结构上与图(c)相似，可用作主轴前支承。滚子作成空心，保持架为整体结构，充满滚子之间的间隙，润滑油由空心滚子端面流向挡边摩擦处，可有效地进行润滑和冷却。空心滚子承受冲击载荷时可产生微小变形，能增大接触面积并有吸振和缓冲作用。

图3-9(e)所示为带预紧弹簧的单列圆锥滚子轴承，弹簧数目为16~20根，均匀增减弹簧可以改变预加载荷的大小。

⑵ 主轴滚动轴承的配置

采用滚动轴承支承时，可以有许多不同的配置形式，目前数控机床主轴轴承的配置主要有如图3-10所示的几种形式。

在图3-10(a) 所示的配置形式中，前支承采用双列短圆柱滚子轴承和60º角接触球轴承组合，承受径向载荷和轴向载荷，后支承采用成对角接触球轴承，这种配置可提高主轴的综合刚度，满足强力切削的要求，普遍应用于各类数控机床。图4-10(b)所示的配置形式中，前轴承采用角接触球轴承，由2~3个轴承组成一套，背靠背安装，承受径向载荷和轴向载荷，后支承采用双列短圆柱滚子轴承，这种配置适用于高速、重载的主轴部件，主轴部件精度较好，但能承受的轴向载荷比前一配置要小。图4-10(c)所示前后支承均采用成组角接触球轴承，以承受径向载荷和轴向载荷，这种配置适用于高速、轻载和精密的数控机床主轴。图4-10(d)所示前支承采用双列圆锥滚子轴承，承受径向载荷和轴向载荷，后支承采用单列圆锥滚子轴承，这种配置可承受重载荷和较强的动载荷，安装与调整性能好。但主轴转速和精度的提高受到限制，适用于中等精度，低速与重载荷的数控机床主轴。

⑶ 主轴滚动轴承的预紧

轴承预紧是使轴承滚道预先承受一定的载荷，消除间隙，并使得滚动体与滚道之间发生一定的变形，增大接触面积，轴承受力时变形减小，抵抗变形的能力增大。

因此，对主轴滚动轴承进行预紧和合理选择预紧量，可以提高主轴部件的回转精度、刚度和抗振性，机床主轴部件在装配时要对轴承进行预紧，使用一段时间以后，间隙或过盈有了变化，还得重新调整，所以要求预紧结构应便于调整。滚动轴承间隙的调整或预紧，通常是使轴承内、外圈相对轴向移动来实现的。常用的方法有轴承内圈移动和修磨座圈或隔套。

⒊ 主轴的准停装置

主轴准停是指数控机床的主轴每次能准确地停在一个固定的位置上，又称为主轴定位（Spindle Specified Position Stop）。在自动换刀的加工中心上，切削扭矩是通过两个端面键来传递的。端面键固定在主轴前端面上，嵌入刀杆的两个缺口槽内。自动换刀时，必须保证端面键对准缺口槽，这就要求主轴具有准确定位于圆周上特定角度的功能。除此之外，在进行反镗、反倒角和通过前壁小孔镗内壁同轴大孔等加工时，也要求主轴实现准停，使刀尖停在一个固定的方位上。

目前，主轴准停主要有机械准停和电气准停两种方式。

图3-11所示为机械准停装置中较典型的V形槽定位盘准停装置，带有V形槽的定位盘与主轴固定在一起，并使V形槽与主轴端面键保持一定的相对位置关系。当执行准停控制指令时，控制系统首先使主轴降速至某一可以设定的低速转动，当无触点开关有效信号被检测到后，立即使主轴电动机停转并断开主轴传动链。此时主轴电动机与主传动件依惯性继续慢速空转，同时定位液压缸定位销伸出，并压向定位盘。当定位盘V形槽与定位销对正时，由于液压缸的压力，定位销插入V形槽，准停到位检测开关LS2发出信号，表明准停动作完成。限位开关LSl为准停释放信号，如果LS1发出信号，表明定位销退出了V形槽。采用这种准停方式时，必须要有一定的逻辑互锁：当LS2有效后，才能进行下面的诸如换刀等动作；而只有当LS1有效时，才能启动主轴电动机正常运转。上述准停控制通常可由数控系统所配的可编程控制器来实现。

机械准停还有其它机构形式，如端面螺旋凸轮准停装置等，其基本原理与此类同。

机械准停装置动作比较准确可靠，但结构较复杂。现代数控机床多采用电气准停装置。电气准停装置主要有磁传感器方式、编码器方式和数控系统方式三种。图3-12为磁传感器主轴准停装置原理图。在主轴上安装一个磁发体与主轴一起旋转，在主轴箱体准停位置上装一个磁传感器。当主轴需要准停时，数控装置发出主轴准停指令，主轴电动机立即减速至准停速度，使主轴以低速回转。当磁发体与磁传感器对准时，磁传感器发出信号，主轴驱动立即进入以磁传感器为反馈元件的位置闭环控制，目标位置即为准停位置。准停完成后，主轴驱动装置输出准停完成信号给数控系统，从而可进行自动换刀或其它相关动作。

编码器准停装置的控制原理与磁传感器装置类似，主要有两点不同：检测元件不同，其中编码器的安装位置更灵活多样；另外，编码器准停的准停位置可由外部开关量信号设定给数控系统，由数控系统向主轴驱动单元发出准停信号，而磁传感器准停装置只能靠调整磁发体或磁传感器的相对位置来实现。

数控系统准停控制方式要求主轴驱动单元具有闭环伺服控制功能，因此对大功率的主轴驱动单元较难适用。

3.3 数控机床的进给传动系统

数控机床进给系统的运动采用无级调速的伺服驱动方式，随着伺服电动机性能的日益提高（其调速范围足够宽，转矩足够大），机械传动链得到大大简化。现代数控机床进给传动系统通常由滚珠丝杠螺母副、或齿轮齿条副、或蜗杆蜗轮副和一到两级齿轮或带轮传动副甚至伺服电动机与滚珠丝杠直接相联所组成。由于这些传动部件与普通机床上的结构大同小异，在此主要强调用于数控机床时，在要求和特点上的不同。

3.3.1 数控机床对进给传动系统的基本要求

数控机床的进给运动完全由数字控制，进给传动系统的精度、灵敏度、稳定性直接影响到数控机床的定位精度和轮廓加工精度。因此，数控机床对进给传动系统的要求可概括如下：

⑴ 提高传动部件的精度和刚度

进给系统的精度与机械传动部件（如滚珠丝杠螺母副、蜗杆蜗轮副等）的精度和刚度密切相关。为此，应保证这些传动部件的传动精度满足要求。另外，在进给传动链中采用减速齿轮传动，可以减少脉冲当量，提高传动精度；对滚珠丝杠螺母副和滚动轴承进行预紧，消除齿轮、蜗杆蜗轮等传动件的间隙等措施也有利于提高进给精度。

目前数控机床直线运动的定位精度和分辨率都已达到微米级甚至更高，回转运动的定位精度和分辨率都已达到角秒级甚至更高，伺服电动机的驱动力矩也很大，如果传动部件的刚度不足，必然会使传动部件产生弹性变形，影响系统的定位精度、动态稳定性和响应快速性。加大滚珠丝杠的直径，对滚珠丝杠螺母副、支承部件进行预紧，对滚珠丝杠进行预拉伸等，都是提高传动系统刚度的有效措施。

⑵ 减小传动部件的惯量

在驱动电动机一定时，传动部件的惯量直接决定了进给系统的加速度，它是影响进给系统快速性的主要因素。因此，在满足系统强度和刚度的前提下，应尽可能减小零部件的质量、直径，以降低惯量。

⑶ 减小系统的摩擦阻力

进给系统的摩擦阻力一方面会降低传动效率，产生发热；另一方面，它还直接影响系统的快速性；此外，由于摩擦力的存在，动、静摩擦系数的变化，将导致传动部件的弹性变形，产生非线性的摩擦死区，影响系统的定位精度和闭环系统的动态稳定性。进给系统的摩擦阻力主要来自滚珠丝杠螺母副和导轨，因此在数控机床进给系统中，广泛采用滚珠丝杠螺母副、静压丝杠螺母副、直线滚动导轨、静压导轨和塑料导轨等高效执行部件，以减少系统的摩擦阻力，提高运动精度，避免低速爬行。

⑷ 系统要有适度的阻尼

阻尼一方面会降低进给伺服系统的快速响应性，但同时又可增加系统的稳定性，系统稳定性是进给伺服系统能正常工作的基本条件。因此，当刚度不足时，运动件之间适度阻尼有利于消除爬行，提高系统稳定性。

数控机床的进给运动分为直线运动和圆周运动两大类。直线进给运动包括机床的基本坐标轴(X、Y、Z)以及和基本坐标轴平行的坐标轴(U、V、W等)的运动；圆周进给运动是指绕基本坐标轴X、Y、Z回转的坐标轴运动。在数控机床上，实现直线进给运动主要有三种型式：①通过丝杠(通常为滚珠丝杠或静压丝杠)螺母副，将伺服电动机的旋转运动变成直线运动。②通过齿轮齿条副，将伺服电动机的旋转运动变成直线运动。③直接采用直线电动机进行驱动。实现圆周运动除少数情况直接使用齿轮副外，一般都采用蜗轮蜗杆副。

为了满足上述数控机床对进给传动系统的基本要求，主要在齿轮变速、丝杠传动、蜗杆蜗轮传动等方面采取相应措施。由于大多数数控机床的进给运动为直线运动，下面主要对齿轮传动副、滚珠丝杠螺母副和齿轮齿条副进行阐述。

3.3.2齿轮传动副

在数控机床进给系统中，常采用机械变速装置将电动机输出的高转速、低转矩转换为进给运动所需的低转速、大转矩，其中应用最广的就是齿轮传动副。

采用齿轮传动副的优点是：

可以降低丝杠、工作台的惯量在系统中所占的比重，提高进给系统的快速性。

可以充分利用伺服电动机高转速、低转矩的性能，使其变为低转速、大转矩输出，获得更大的进给驱动力。

在开环步进系统中还可起到机械、电气间的匹配作用，使数控系统的分辨率和实际工作台的最小移动单位统一，以适应不同丝杠导程、不同步距角和不同脉冲当量的配比。

进给伺服电动机和丝杠中心可以不在同一直线上，布置灵活。

但是，采用齿轮传动副也带来如下问题：

传动装置结构复杂，降低传动效率，增加噪声。

传动级数的增加必将带来传动部件的间隙和摩擦的增加，从而影响进给系统的性能。

齿轮副传动的间隙存在，在开环、半闭环系统中，将影响加工精度；在闭环系统中，由于位置反馈的作用，间隙产生的位置滞后量虽然能通过系统的闭环自动调节得到补偿，但它将带来反向时冲击，甚至导致系统产生振荡而影响系统的稳定性。因此．必须采取相应的措施，使间隙减小到允许的范围内。

消除齿轮间隙的方法通常有刚性调整法和柔性调整法两种。

⒈ 刚性调整法

刚性调整法是指调整后齿侧间隙不能自动补偿的调整方法。因此，齿轮的周节公差和齿厚要严格控制，否则会影响传动的灵活性。这种调整方法结构比较简单，且有较好的传动刚度。

⑴ 偏心轴套调整法

如图3-13所示，齿轮1装在电动机4输出轴上，电动机通过偏心轴套2安装在机床齿轮箱座孔内。转动偏心轴套2，可以调整齿轮1和齿轮3之间的中心距，从而消除齿侧间隙。

⑵ 轴向垫片调整法

如图3-14(a)所示，将一对啮合齿轮1、2的分度圆柱面沿齿厚方向制成带有小锥度的圆锥面，只要改变垫片3的厚度就能使齿轮1轴向移动，改变两个齿轮的轴向相对位置，从而消除齿侧间隙。

图3-14(b)所示是用于斜齿轮的垫片式间隙调整机构。宽斜齿轮4同时与齿数相同的两个薄片斜齿轮1、2啮合，两个薄片斜齿轮通过平键安装在轴上，二者不能相对回转。加工时在两薄片齿轮之间装入厚度为t的垫片3，并将齿形拼装后一起进行加工。装配时，通过改变垫片3的厚度，可以使薄片齿轮1、2的螺旋线发生错位，其左右两面分别与宽齿轮4的齿槽左右侧面贴紧，从而消除齿侧间隙。这种结构无论正反向旋转时，都分别只有一个薄片齿轮承受载荷，故齿轮的承载能力较小，且不能自动补偿齿侧间隙，调整也比较费事。

⒉ 柔性调整法

柔性调整法是指调整后齿侧间隙仍可自动补偿的调整方法。这种方法一般都是将相啮合的一对齿轮中的一个制成宽齿轮，另一个有两个薄片齿轮组成，利用调整弹簧力，使薄片齿轮的左右齿侧分别紧贴在宽齿轮齿槽的左右两侧，以消除齿侧间隙。这种调整方法的优点是可以在齿轮的齿厚和周节变化的情况下，保持齿轮的无间隙啮合；但其结构较复杂，轴向尺寸大，传动刚度低，传动平稳性也较差。

⑴ 轴向压簧调整法

图3-15所示为轴向压簧调整法，用于消除斜齿轮的齿侧间隙。该结构的消隙原理与图3-14(b)所示的轴向垫片式间隙调整机构类似，所不同的只是此处是通过齿轮2右侧的弹簧压力使两个薄片齿轮1、2的左右齿面分别与宽齿轮7的左右齿面贴紧，以消除齿侧间隙。

弹簧压力需调整适当，压力过小消除不了间隙，过大会加快齿轮磨损。图中弹簧3的压力可通过螺母4来调整。

⑵ 周向拉簧调整法

图3-16所示为周向拉簧调整法，用于消除直齿轮的齿侧间隙。两个相同齿数的薄片齿轮1、2与另一个宽齿轮（图中未画出）啮合，两薄片齿轮可相对回转。两个薄片齿轮的端面分别均布四个螺孔，齿轮1端面的螺孔安装凸耳3，齿轮2端面的螺孔安装凸耳8，凸耳8上安装调节螺钉7。齿轮1端面上与凸耳8安装位置对应处还有另外四个通孔，使凸耳8可以从中穿过。弹簧4的两端分别钩在调节螺钉7和凸耳3上。旋转螺母5可以调整弹簧4的拉力，调整完毕用螺母6锁紧。弹簧拉力使薄片齿轮错位，从而使两个薄片齿轮1、2的左右齿面分别与宽齿轮的左右齿面贴紧，以消除齿侧间隙。

3.3.3 滚珠丝杠螺母副

滚珠丝杠螺母副的传动效率高达85％～98％，是普通滑动丝杠的2～4倍摩擦损失小，寿命长；它的动、静摩擦系数之差很小，有利于防止爬行和提高系统灵敏度、定位精度；丝杠螺母预紧后，可以完全消除间隙，有助于提高定位精度和刚度；滚珠丝杠螺母副的摩擦角小于1°，因此不能自锁，既能将旋转运动转换为直线运动，也能将直线运动转换为旋转运动，可满足一些特殊要求的传动场合，但当用于立式升降运动时，则必须有制动装置；滚珠丝杠由专门生产厂制造，可直接订购，使用方便。因此，滚珠丝杠螺母副是目前中、小型数控机床使用最为广泛的传动型式。

⒈ 滚珠丝杠螺母副的结构原理

滚珠丝杠螺母副的工作原理与普通滑动丝杠螺母副基本相同，都是利用螺旋面的升角使螺旋运动转变为直线运动，不同的是普通滑动丝杠螺母副中螺母与丝杠之间为滑动摩擦，而在滚珠丝杠螺母副中，丝杠和螺母都有半圆弧形的螺旋槽，它们套装在一起形成圆弧截面的螺旋滚道，滚道内装满钢珠，从而使丝杠和螺母运动面之间变成滚动摩擦，如图3-17a）所示。

为了构成封闭的螺旋滚道，螺母上有滚珠的回路管道，将数圈螺旋滚道的两端连接起来，当丝杠转动时，滚珠在滚道内即自转又沿滚道循环转动，从而螺母（或丝杠）轴向移动。

根据回珠方式不同，滚珠丝杠螺母副的结构可分为内循环和外循环两种。

内循环方式的滚珠在循环过程中始终与丝杠表面保持接触，如图3-17b）所示。在螺母的侧面孔内装有能连通相邻滚道的回珠器4，当钢珠从A点走到B点、C点、D点后，回珠器4引导钢珠越过丝杠的螺母顶部回到相邻滚道的A点，形成一个循环回路，称为一列。一般在一个螺母上装有2～4个回珠器，并沿螺母圆周均匀分布。内循环方式的优点是结构紧凑，返回滚道短，不易发生滚珠堵塞，摩擦损失小，效率高。缺点是结构较复杂，制造精度要求高。

外循环方式的滚珠在循环返回时，将离开丝杠螺纹滚道，如图3-17c）所示。在螺母体上轴向相隔若干导程处加工两个与螺旋滚道相切的孔，将弯管5的两端插入孔中，形成滚珠返回通道，引导钢珠构成循环回路。外循环方式的优点是结构简单，制造容易。缺点是滚道接缝处很难做得平滑，影响滚珠滚动的平稳性，甚至发生卡珠，噪声也较大。

⒉ 滚珠丝杠螺母副的预紧

滚珠丝杠螺母副的预紧就是使滚珠丝杠螺母副在过盈状态下工作，即进行预加载荷或称为预紧（Preload）。滚珠丝杠螺母副预紧是提高进给系统刚度，减小传动系统间隙的重要措施。

滚珠丝杠螺母副的预紧方法有多种，在机床上常用的是双螺母法。双螺母法预紧的基本原理是使两个螺母间产生相对轴向位移，以达到消除间隙，产生预紧力的目的。如图3-18所示，左螺母2、右螺母4装在一个共同的螺母体内，作为一个整体，在预加载荷F₀的作用下，向相反的方向把滚珠3挤紧在丝杠上，使丝杠螺母处于过盈状态。图3-18a）把左、右螺母往两头撑开，图3-18b）把左、右螺母往中间挤紧。

实现上述原理的具体结构有三种：

⑴垫片式预紧

如图3-19所示，通过改变垫片的厚度，使螺母产生轴向位移。其中，图a）的垫片比零间隙时两螺母端面间的距离厚δ，把左右螺母往两头撑开。图b）的垫片比零间隙时两螺母端面间的距离略薄，靠拧紧螺钉，把左右螺母往中间压紧。这种结构简单可靠，但调整较费时间，很难在一次修磨中完成调整。

⑵螺母式预紧

如图3-20所示，滚珠丝杠左右两个螺母以平键与外套相连，平键可限制螺母在外套内转动，其中右边的一个螺母外伸部分有螺纹。用两个锁紧螺母1、2能使螺母相对丝杠实现轴向移动。这种结构紧凑，工作可靠，调整也方便，但调整位移量不易精确控制。

⑶齿差式预紧

如图3-21所示，在左右螺母的凸缘上加工出齿数分别为Z₁、Z₂（齿数差为1）的外齿轮，并分别与固定在螺母座两侧的相应内齿轮啮合。预紧时，脱开内齿轮，将两个螺母同向转过相同齿数，再合上内齿轮。由于这时两个螺母转过的角度不同，产生的位移不同，从而使两螺母产生相对轴向位移，实现预紧。

当两螺母沿同一方向各转过一个齿时，其相对轴向位移量：

         

式中P_h为丝杠导程。

如Z₁=99，Z₂＝100，P_h＝10mm，则s≈0.001mm。与此可见，这种方法可获得精确的调整量，调整准确可靠，但结构复杂。

⒊ 滚珠丝杠螺母副的支承形式

滚珠丝杠螺母副的支承形式与传动系统的结构、刚度密切相关。合理选择丝杠两端的支承形式、加大螺母座的接触面积、保证安装部位加工精度等都是提高传动系统刚度的重要措施。滚珠丝杠常见到支承形式有以下三种，如图3-22所示。

图3-22a）所示为一端固定、一端自由的支承方式。这种安装方式仅在一端装可以承受双向轴向载荷与径向载荷的轴承，并进行预紧；另一端完全自由，不作支撑。这种支承形式结构简单，但承载能力较小，刚度较低，且随着螺母位置的变化刚度变化较大。通常适用于短丝杠或竖直安装的丝杠。

图3-22b）所示为一端固定、一端简支的支承方式。这种安装方式在一端装可以承受双向轴向载荷与径向载荷的推力角接触球轴承或滚针／推力圆柱滚子轴承，另一端装向心球轴承，仅作径向支撑，轴向游动。与图3-22a）方式相比，提高了临界转速和抗弯强度，可以防止丝杠高速旋转时的弯曲变形，其他方面与图3-22a）方式相似，但可以适用于丝杠长度、行程较长的情况。

图3-22c）所示为两端固定的支承方式。这种安装方式是在滚珠丝杠的两端都装承受双向轴向载荷与径向载荷的推力角接触球轴承或滚针／推力圆柱滚子轴承，并进行轴向预紧，有助于提高传动刚度。这种结构方式可实现丝杠的预拉伸安装，以补偿丝杠热变形对导程的影响，但设计时要注意提高轴承的承载能力和支承刚度。通常用于长丝杠、高转速、要求高精度、高刚度的场合。

⒋ 滚珠丝杠的预拉伸

滚珠丝杠工作时要发热，其热膨胀将使导程加大，影响定位精度。为补偿热膨胀，可将丝杠预拉伸，预拉伸量应略大于热膨胀量，发热后热膨胀量抵消部分预拉伸量，使丝杠的拉应力下降，长度却没有变化。需预拉伸的丝杠在制造时，应使其目标行程(在常温下螺纹部分的长度)等于公称行程(螺纹部分的理论长度，等于公称导程乘以丝杠上螺纹圈数)减去预拉伸量。拉伸后恢复公称行程值，减去的量称为“行程补偿值”。根据预拉伸量和丝杠的尺寸，用拉伸公式可计算出预拉力的大小。

例如有一丝杠，螺纹部分长L₁=1100mm，跨距（两端轴承间的距离）L=1300mm，工作时丝杠温度预计比床身温度高△t=3℃，求预拉伸量。

解：热膨胀量△L为

       

式中，α₁为线膨胀系数，钢的α₁＝11×10^－6

所以       

预拉伸量应略大于△L。若选螺纹部分预拉伸量为0.06mm，则温度升3℃后还有0.024mm的剩余拉伸量。预拉伸力有所下降，但并未完全消失，螺纹部分长度不变，故补偿了热膨胀。在向丝杠厂订货时，应说明行程补偿值为C=-0.06mm。装配时应按跨距拉伸，拉伸量为

CL／L1=(0.06×1300／1100)mm=0.071mm

图3-23是丝杠预拉伸的一种结构图。丝杠2两端由滚针／推力圆柱滚子组合轴承支承。在右支座7中，组合轴承的左动圈3顶在丝杠2的轴肩上，右动圈6通过螺母8和套与丝杠轴向固定。静圈5的左端经套4顶在支座孔的台阶上，右端由端盖9压紧。用螺钉和销子将支座1、7定位在床身上。配作好锥销孔后，卸下支座7，取出调整套4，把4换上加厚的调整套，加厚量等于预拉伸量，再照样装好，固定在床身上。拧紧螺母8使3靠在丝杠的台肩上，再压紧压盖9，使套4两端顶紧在支座7和静圈5上，丝杠即被拉伸，拉伸力通过螺母8、套、轴承右动圈6、静圈5、调整套4作用到支座7上。

3.3.4 齿轮齿条副

齿轮齿条副传动用于行程较长的大型机床上，可以得到较大的传动比，容易实现高速直线运动，刚度及机械效率也高。但其传动不够平稳，传动精度不够高，而且不能自锁。

采用齿轮齿条副传动时，必须采取措施消除齿侧间隙。当传动负载小时，可采用双片薄齿轮调整法，分别与齿条齿槽的左、右两侧贴紧，从而消除齿侧间隙（其原理和结构与3.3.2中齿轮传动副的间隙消除方法类似）。当传动负载大时，可采用双厚齿轮传动结构。这种结构的基本原理如图3-24所示，进给运动由轴2输入，该轴上装有两个螺旋线方向相反的斜齿轮，当在轴2上施加轴向力F时，能使斜齿轮产生微量的轴向移动。此时，轴l和轴3便以相反的方向转过微小的角度，使齿轮4和5分别与齿条的左、右侧的齿槽面贴紧，从而消除间隙。

3.4 数控机床自动换刀装置

一个零件往往需要进行多工序的加工，在加工中需使用多种刀具，无自动换刀功能的数控机床只能完成单工序的加工，如车、钻、铣等。因此，其加工效率的提高受到一定的限制，特别是对于占辅助时间较长的刀具交换和刀具尺寸调整、对刀等还需要手动完成。因此，在加工一个零件的过程中，必须花费大量的时间用于更换刀具、装卸零件、测量和搬运零件等加工辅助时间，切削加工时间仅占整个工时中较小的比例。为了缩短加工辅助时间，充分发挥数控机床的效率，往往采用“工序集中”的原则，20世纪60年代末出现了带有自动换刀装置的数控机床，即“加工中心”机床就是典型的代表。目前，自动换刀装置已广泛用于数控镗铣床、数控铣床、数控钻床、数控车床及其他机床上。使用自动换刀装置再配合精密数控转台，不仅有利于扩大数控机床的使用范围，还可使加工效率得到较大的提高，同时由于零件一次安装可以完成多工序加工，大大减少了零件安装定位次数和装夹误差，从而进一步提高了加工精度。

自动换刀装置的基本功能是能够存放一定数量的刀具，并能完成自动换刀。因此，数控机床的自动换刀装置应满足以下要求：

⑴ 换刀时间短，刀具重复定位精度高；

⑵ 刀具储存量足够；

⑶ 结构简单，便于制造、维修、调整；

⑷ 应具有较好的刚性，避免冲击、振动及噪声，运转安全可靠；

⑸ 布局合理，机床总布局美观大方。

3.4.1 自动换刀装置的型式

自动换刀装置的型式与数控机床类型、工艺范围、需要交换的刀具数量及刀具类型等因素密切相关。现将几种数控机床上常用的自动换刀装置的结构型式及其特点和适用范围介绍如下。

⒈ 自动回转刀架

自动回转刀架是一种简单的自动换刀装置，常用于数控车床。根据不同的机床要求，可以设计成四方、六方刀架或圆盘式刀架等多种型式，并相应地安装四把、六把或更多的刀具，并按数控指令进行换刀。为了承受切削力，自动回转刀架必须具有良好的刚性和强度；另外，由于车削加工精度在很大程度上取决于刀尖位置，对于数控车床来说，加工过程中刀具位置不进行人工调整，刀架的定位直接决定了机床的加工精度，因此，回转刀架要选择可靠的定位方案和合理的定位机构，以保证回转刀架每次转位后具有很高的重复定位精度（一般为0.001～0.005mm）。

回转刀架的具体结构多种多样，有液压驱动的、电动机驱动的；立式的、卧式的（立式回转刀架的回转轴与机床主轴垂直，卧式回转刀架的回转轴与机床主轴平行）等。图3-25所示为数控车床中常用的一种立式四方刀架，该刀架根据数控换刀指令，由驱动电动机作为动力源，通过机械传动系统，自动实现刀架的抬起、转位、定位及夹紧等动作，其换刀动作步骤如下：。

⑴刀架抬起：当数控装置发出换刀指令后，电动机22正转，并经联轴套16、轴17，由滑键(或花键)带动蜗杆18、蜗轮2、轴1、轴套10转动。轴套10与套9之间为螺纹联结关系，因此，轴套10的旋转带动套9、与套9相连的刀架8及上端齿盘6上升，使6与下端齿盘5分开，完成刀架抬起动作。

⑵刀架转位：在套9上端有两处凸起，连接件11外圆上有两个槽。刀架抬起后，轴套10、连接件11仍继续转动，连接件11上的槽与套9上的凸起接触，同时带动刀架8一起旋转，刀架进行转位动作。刀架每转过90°、180°、270°或360°，由微动开关19发出信号给数控装置。具体转过的度数由数控装置的控制信号确定，刀架上的刀具位置一般采用装在轴1上编码盘来确定。

⑶刀架定位：刀架转到要求的位置后，由微动开关发出的信号使电机22反转，连接件11上的槽与套9上的凸起脱离，同时销13使刀架8定位而不随轴套10回转，于是通过螺纹带动刀架8向下移动。上、下端齿盘5、6啮合，完成刀架定位。

⑷刀架压紧：刀架定位完成后，继续转动，压紧力增大。当压紧力大到预先调好的状态，蜗杆18的轴向力压缩弹簧21而产生轴向位移，套筒20外圆曲面压下微动开关19，使电机22停止旋转，从而完成一次转位，换刀动作结束。

⒉ 转塔头式换刀装置

转塔头式换刀装置是带有旋转刀具的数控机床上常用的一种换刀装置，这种换刀装置的转塔头上装有多个主轴，每个主轴上装一把刀具，加工中，通过转塔头自动转位实现自动换刀。

转塔头有卧式和立式两种，图3-26是一数控转塔式镗铣床的外观图。八方形转塔头上装有八根主轴，每根主轴上装有一把刀具。根据工序的要求按顺序自动地将装有所需刀具的主轴转到工作位置，以此实现自动换刀，同时接通主传动，不处在工作位置的主轴便与主传动脱开。转塔头的转位(即换刀)由槽轮机构来实现。

这种换刀装置的转塔头就是一个转塔刀库，结构简单，但储存刀具的数量少，适用于加工较简单的工件。其优点在于省去了自动松、夹、装刀、卸刀以及刀具搬运等一系列的复杂操作，从而缩短了换刀时间（仅为2s左右），并提高了换刀的可靠性。但是由于空间位置的限制，使主轴部件结构  不能设计得十分坚实，因而影响了主轴系统的刚度。为了保证主轴的刚度，必须限制主轴数目，否则将使结构尺寸大大增加。因此，转塔头主轴通常只适应于工序较少，精度要求不太高的机床，如数控钻床、铣床等。

⒊ 带刀库的自动换刀装置

前述回转刀架、转塔头式换刀装置容纳的刀具数量不能太多，不能满足复杂零件的加工需要，因此，目前多工序数控机床多采用带刀库的自动换刀装置。这种自动换刀装置由刀库、选刀机构、刀具交换装置及刀具在主轴上的自动松夹机构等四部分组成。刀库可装在机床的工作台上（如图3-27所示）、立柱上或主轴箱上；当刀库容量大、刀具较重时，也可作为一个独立部件，装在机床之外（如图3-28所示）。

带刀库的自动换刀装置，整个换刀过程较为复杂。首先要把加工过程中使用的全部刀具分别安装在标准刀柄上，在机外进行尺寸预调整后，按一定的方式放入刀库。换刀时，根据选刀指令先在刀库中选刀，再由换刀装置从刀库和主轴上取出刀具，进行交换，将用过的旧刀放回刀库，新刀装入主轴。如果刀库离主轴较远，还要有附加搬运装置来完成主轴与刀库间刀具的运输。这种换刀装置与转塔头式换刀装置相比，刀库具有较大的容量，可以实现复杂零件的多工序加工，大大提高了机床的适应性和加工效率；由于数控机床的主轴箱内只有一根主轴，在结构上有利于提高主轴部件的刚度，以满足精密加工和重切削的加工要求。但换刀过程的动作多，换刀时间长，同时，影响换刀工作可靠性的因素也较多。带刀库的自动换刀系统适用于数控钻削中心和加工中心。

    为了缩短换刀时间，可采用一种用机械手和转塔头配合刀库进行换刀的自动换刀装置，如图3-29所示。它实际上相当于是转塔头式换刀装置和刀库式换刀装置的结合，该机床转塔头3上有两个刀具主轴，其轴线成45°角。当水平方向的主轴加工时，另一主轴处于换刀位置，由机械手将下一步需用的刀具换至该主轴上，待本工序加工完毕后，转塔头回转180°，交换主轴，完成换刀。这种换刀方式，换刀时间大部分和加工时间重合，真正的换刀时间就是转塔头转位的时间，所以换刀时间缩短，可有效提高生产率。

3.4.2 刀库

刀库的作用是用来存放一定数量的刀具，它是自动换刀装置中最主要的部件之一。由于多数加工中心的取送刀位置都是在刀库中的某一固定刀位，因此刀库还需要有使刀具运动及定位的机构来保证换刀的可靠。其动力可采用液动机或电动机，如果需要的话还要有减速机构。刀具的定位机构是用来保证要更换的每一把刀具或刀套都能准确地停在换刀位置上。其控制部分可以采用简易位置控制器或类似半闭环进给系统的伺服位置控制，也可以采用电气和机械相结合的销定位方式。一般要求综合定位精度达到0.1～0.5mm即可。

⒈ 刀库型式

刀库的容量、布局以及具体结构随机床结构的不同而差别很大，种类繁多。加工中心上目前最常见的刀库型式主要有鼓（盘）式刀库和链式刀库，并根据不同的机床可以采用多种布局型式，如图3-30～3-32所示。另外还有鼓轮弹仓式（又称刺猬式）刀库、格子盒式刀库虽然结构紧凑、占地面积小、在相同空间内刀库容量大，但由于选刀、取刀动作太复杂和结构的限制，目前很少用于单机加工中心，而多用于FMS中的集中供刀系统，故在此不作介绍。

⑴ 鼓（盘）式刀库

鼓（盘）式刀库又称为圆盘刀库，其中最常见的型式有刀具轴线与鼓（盘）轴线平行（图3-30所示）布局和刀具轴线与鼓（盘）轴线不平行（图3-31所示）布局两种。

① 刀具轴线与鼓（盘）轴线平行的鼓（盘）式刀库

其典型结构如图3-30所示。刀具环形排列，分径向取刀和轴向取刀两种形式。这种鼓式刀库结构简单，取刀也较方便，应用较多。由于环形排列，空间利用率低，适用于刀库容量较少的情况。为增加刀库空间利用率，可采用双环或多环排列刀具的形式。但鼓(盘)直径增大，转动惯量增加，选刀时间也较长。

② 刀具轴线与鼓（盘）轴线不平行的鼓（盘）式刀库

图3-31a）为刀具轴线与鼓盘轴线成直角的刀库，图3-31b）为刀具轴线与鼓盘轴线成一定倾斜角的刀库。相对而言，这种鼓（盘）式刀库占用空间较大，使刀库安装位置和刀库容量受到限制，故应用较少。

其典型结构如图3-32所示。链式刀库的优点是结构紧凑、布局灵活、刀库容量大。但通常情况下，刀具轴线和主轴轴线垂直，因此，换刀必须通过机械手进行，机械结构比鼓式刀库复杂。

刀库链环可以根据机床的总体布局要求，设计成适当形式以利于换刀机构的工作。在刀库容量较大时，可采用加长链条式布置(图3-32a)所示)或多环链式布置（(图3-32b)所示），使其外形更紧凑、占用空间更小。这种结构型式，在增加刀库容量时，可以通过增加链条长度实现，由于它并不增加链轮直径，故链轮的圆周速度不增加，因此，在刀库容量增加时，刀库的运动惯量不会增加太多，这为刀库的设计和制造带来极大方便。一般刀具数量在30～120把及以上时，多采用链式刀库。

⒉ 选刀方式

刀库内一般存放多把刀具，每次换刀前，应按数控装置的换刀指令，从刀库中将所需要的刀具准确调出并转换到取刀位置，这称为自动选刀。常用的自动选刀方式有顺序选刀和任意选刀两种。

⑴顺序选刀

在加工前，按预定工序的先后顺序将刀具插入刀库的刀座中，使用时按顺序转到取刀位置。用过的刀具放回原来的刀座内，也可以按加工顺序放入下一个刀座内。加工不同的工件时，必须重新排列刀库中的刀具顺序，因而操作较为繁琐。其优点是不需要刀具识别装置，刀库的驱动控制也较简单。但刀库中每一把刀具在不同的工序中不能重复使用，为了满足加工需要只有增加刀具的数量和刀库的容量，这就降低了刀具和刀库的利用率。此外，装刀时必须十分谨慎，如果刀具不按顺序装在刀库中，将会产生严重的后果。因此，顺序选刀方式适合加工批量较大、工件品种数较少、刀具数量较少的数控机床自动换刀。

⑵任意选刀

这种方法根据程序指令的要求任意选择所需要的刀具，加工前刀具在刀库中不必按照工件的加工顺序排列，可以任意存放。每把刀具(或刀座)都编上代码，自动换刀时，刀库运转，每把刀具(或刀座)都经过“编码识别装置”接受识别。当某把刀具(或刀座)的代码与数控指令的代码相符合时，该把刀具被选中，刀库将刀具送到换刀位置，等待刀具交换装置来取刀。任意选刀方式的优点是刀库中刀具的排列顺序与工件加工顺序无关，没有装入刀具失误问题，刀具可重复使用。因此，刀具数量比顺序选择法的刀具可少一些，刀库也相应地小一些，操作较方便，但增加了系统结构的复杂性。目前多数加工中心都采用任意选刀方式。

为了正确识别刀具，任意选刀又分有刀座编码、刀具编码和跟踪记忆三种方法。

① 刀座编码方式

根据二进制编码原理对刀库中的每个刀座进行编码，将刀具放入刀座后就具有了该刀座的编码。在编程时要规定每一工序所需刀具要装入的刀座编码，换刀时靠刀座编码识别装置通过识别刀座来选取刀座中的刀具。

图3-33为一圆盘式刀库的刀座编码装置。在圆盘的圆周上均布若干个刀座，每个刀座外侧边缘装有相应的刀座编码块（或编码条）1，在刀库的下方装有固定不动的刀座编码识别装置2。换刀时，刀库旋转，使各个刀座依次经过编码识别装置，直到找到指令规定的刀座，刀库便停止旋转，等待取刀。

这种编码方式无需对刀具进行编码，有利于简化刀柄结构，编码识别装置的结构也不受刀柄尺寸的限制，而且可以布置在较适当的位置。在自动换刀过程中，从一个刀座中取出的刀具，用过后必须放回同一刀座中，增加了换刀动作，选刀、还刀的时间较长，刀库的运动及控制也较复杂，但与顺序选刀方式比，刀具在加工过程中可重复使用。它适用于选刀、还刀运动与机床加工时间重合的场合。

②刀具编码方式

对每把刀具都根据二进制编码原理进行编码，通过编码识别装置直接识别刀具编码选刀。这种方式需采用一种特殊的刀柄结构，如图3-34所示。在刀柄1后端的拉杆4上套装着等间隔的编码环2，由锁紧螺母3固定。编码环既可以是整体的，也可由圆环组装而成。编码环直径有大小两种，大直径的为二进制的“1”，小直径的为“0”。通过这两种圆环的不同排列，可以得到一系列二进制编码。

这种方式由于每把刀具都具有自己的代码，因而刀具可存放于刀库的任一刀座中，这样刀库中的刀具在不同工序中可多次重复使用，用过的刀具也不一定放回原刀座中，避免了因刀具存放在刀库中的位置差错而造成的事故；同时也有利于缩短刀库运转时间，刀库的运动及控制得到简化。但每把刀具上都带有专用的编码环，刀具长度加长，制造困难，刀库和机械手结构变复杂。

③ 跟踪记忆方式

这是一种利用软件选刀的方法，将刀具号及其所在的刀座号(存刀位置，即刀具地址)一一对应地记忆在数控系统的PLC中。无论刀具存放在哪个刀座中，计算机都能跟踪记忆。因此，刀具可任意取出，任意送回。刀柄采用国际通用结构，没有编码环，结构简单，通用性能好。刀座上也不编码，但刀库上必须设有刀座位置检测装置，以便检测出每个刀座的位置信息。为此，刀库需设有一个机械原点(又称零位)。对于圆周运动选刀的刀库，每次选刀时，刀库正转或反转都不超过180°。目前多数加工中心都采用跟踪记忆方式来实现任选刀具。

3.4.3 刀具交换装置

刀具交换装置是用来实现刀库与机床主轴（或刀架）之间传递和装卸刀具的装置。刀具交换装置的形式和具体结构多种多样，它们对数控机床的总布局、生产率和工作可靠性都有直接的影响。

⒈ 刀具交换装置的形式

刀具交换装置的形式很多，一般可归为如下两类：

⑴ 利用刀库与机床主轴的相对运动实现刀具交换

用这种形式交换刀具时，首先必须将用过的刀具送回刀库，然后再从刀库中取出新刀具，这两个动作不可能同时进行，因此换刀时间较长，换刀动作也较多。图3-27所示的数控立式镗铣床就是采用这类刀具交换方式的实例。它的刀库安放在机床工作台的一端，当某一把刀具加工完毕从工件上退出后，即开始换刀。其刀具交换过程如下：

主轴定向准停，使主轴上的端面键与刀柄键槽方向一致；

按照指令，控制机床工作台快速向右移动，将工件5从主轴2下面移开，同时将刀库4移到主轴下面，使刀库的某个空刀座恰好对准主轴；

主轴内的刀具夹紧装置放松，主轴箱下降，将主轴上用过的刀具3放回刀库的空刀座中；

主轴箱上升，接着刀库回转，将下一工步需用的刀具对准主轴；

主轴箱下降，将下一工步所需的刀具插入机床主轴，同时主轴内的刀具夹紧装置夹紧刀具；

主轴箱及主轴带着刀具上升；

机床工作台快速向左返回，将刀库从主轴下面移开，同时将工件移至主轴下面，使主轴上的刀具对准工件的加工面。

这种自动换刀装置只有一个刀库，不需要其他装置，结构极为简单，然而换刀过程却较为复杂。它的选刀和换刀由三个坐标轴的数控定位系统来完成，因而每交换一次刀具，工作台和主轴箱就必须沿着三个坐标轴作两次往复运动，因而增加了换刀时间。另外，由于刀库置于工作台上，因而减少了工作台的有效使用面积。这种换刀装置多用于小型低价位的加工中心。

⑵ 采用机械手进行刀具交换

采用机械手进行刀具的交换，一方面在刀库的布置和刀具数量的增加上，不像无机械手那样受结构的限制，具有很大的灵活性；而且还可以通过刀具预选，减少换刀时间，提高换刀速度，因此，在加上中心上应用最为广泛。

根据刀库及刀具交换方式的不同，换刀机械手也有多种形式，图3-35为常用的几种形式。图3-35 (a）、(b)、(c)为双臂回转机械手，能同时抓取和装卸刀库及主轴(或中间搬运装置)上的刀具，动作简单，换刀时间少。图(d)虽然不是同时抓取刀库和主轴上的刀具，但换刀准备时间及将刀具返回刀库的时间与机加工时间重复，因而换刀时间也很短。除上述形式外，还有单臂单爪回转式、单臂双爪回转式等多种。当刀库远离机床主轴的换刀装置时，除了机械手外，还必须带有中间搬运装置。

机械手的运动控制可以通过气动、液压、机械凸轮联动机构等方式实现。其中机械凸轮联动换刀与气动、液压换刀相比，具有换刀速度快、换刀可靠、运动平稳等优点，在加工中心上得到了广泛的应用。目前，机械凸轮联动换刀机构已经作为标准部件，由专业生产厂家生产、制造。

    抓刀运动可以是旋转运动，也可以是直线运动。图3-35 (a)为钩手，抓刀运动为旋转运动；图3-35 (b)为抱手，抓刀运动为两个手指旋转；图3-35 (c)、(d)为杈手，抓刀运动为直线运动。由于抓刀运动的轨迹不同，各种机械手的应用场合也不同。抓刀运动为直线时，在抓刀过程中可以避免与相邻的刀具碰撞，所以当刀库中刀具排列较密时，常用杈刀手。钩刀手和抱刀手抓刀运动的轨迹为圆弧，容易和相邻的刀具碰撞，因而要适当增加刀库中刀具之间的距离，合理设计机械手的形状及其安装位置。

    图3-36所示为钩刀机械手换刀一次所需的基本动作。在机械手动作以前，根据数控系统发出的T代码指令，首先完成刀具“预选”，同时主轴定向准停，为刀具交换做好准备。然后开始换刀动作：

    图a)抓刀：手臂旋转90°，同时抓住刀库和主轴上的刀具。

    图b)拔刀：主轴夹头松开刀具，机械手同时将刀库和主轴上的刀具拔出。

    图c)换刀：手臂旋转180°新旧刀具交换。

    图d)插刀：机械手同时将新旧刀具分别插入主轴和刀库，然后主轴夹头夹紧刀具。

    图e)复位：转动手臂，回到原始位置。

⒉ 刀具的夹持

各种类型的刀具必须装在统一的标准刀柄上，以便能安装于主轴、刀库内或由机械手抓取。我国提出了TSG、TMG工具系统，并制定了相应的刀柄标准。标准中有直柄及7：24锥度的锥柄两类，分别用于圆柱形主轴孔及圆锥形主轴孔，其结构分别如图3-37a）、b）所示。

为了使机械手能可靠地抓取刀具，刀柄必须有合理的夹持部分。图3-37中3为刀柄定位部位，2为机械手抓取部位，1为键槽用于传递切削扭矩，4为螺孔用以安装可调节拉钉，供主轴内刀具自动夹紧装置拉紧刀柄用。刀具的轴向尺寸和径向尺寸应先在对刀仪上调整好，才可装入刀库中。丝锥、铰刀要先装在浮动卡具内再装入标准刀柄中。圆柱形刀柄在使用时需在轴向和径向夹紧，因而主轴结构复杂，柱柄安装精度高，但磨损后不能自动补偿。而锥柄稍有磨损不会过分影响刀具的安装精度。在换刀过程中，由于机械手抓住刀柄要作快速回转，作拔、插刀具的动作，还要保证刀柄键槽的角度位置对准主轴上的端面键。因此，机械手的夹持部分要十分可靠，并保证有适当的夹紧力，其活动爪要有锁紧装置，以防止刀具在换刀过程中转动或脱落。

如3-38所示数控机床上一种典型的机械手手爪结构，由固定爪7和活动爪1组成，活动爪1可绕轴2回转，在弹簧柱销6的作用下，将刀具夹持在固定爪和活动爪之间。调整螺栓5以保持手爪适当的夹紧力，挡销3限制活动爪的回转角度。锁紧销4使活动爪牢固地夹持刀柄，防止刀具在交换过程中松脱。要将锁紧销4轴向压进，才能放松活动爪1，以便抓刀或松刀时手爪从刀柄V型槽中退出。

第4章  典型数控机床

4.1 数控车床

4.1.1 概述

数控车床，即用计算机数字控制的车床。主要用于对各种形状不同的轴类或盘类回转表面进行车削加工。在数控车床上可以进行车内外圆、车端面、钻孔、镗孔、铰孔、切槽、车螺纹、滚花、车锥面、车成形面、攻螺纹以及高精度的曲面及端面螺纹等的加工。数控车床上所使用的刀具有车刀、钻头、绞刀、镗刀以及螺纹刀具等。数控车床加工零件的尺寸精度可达IT5~IT6，表面粗糙度R_a可达1.6μｍ以下。与普通车床一样，是目前使用较为广泛的数控机床。

4.1.2 数控车床的分类

随着数控车床制造技术的不断发展，形成了产品繁多、规格不一的局面。对数控车床的分类也出现了几种不同的方法。

⒈ 按数控系统的功能分类

⑴ 经济型数控车床

经济型数控车床一般是在普通车床基础上进行改进设计的，一般采用步进电机驱动的开环伺服系统。此类车床结构简单，价格低廉，但无刀尖圆弧半径自动补偿和恒线速切削等功能。如图4-1所示。

⑵ 全功能型数控车床

全功能型数控车床，一般采用闭环和半闭环控制系统，可以进行多个坐标轴的控制，具有高刚度、高精度和高效率等特点。

⑶ 车削中心

车削中心是在全功能型数控车床基础上发展而来的。它的主体是全功能型数控车床，并配置刀库、换刀装置、分度装置、铣削动力头和机械手等，可实现多工序的车、铣复合加工。在工件一次装夹后，它可完成对回转体类零件的车、铣、钻、铰、攻螺纹等多种加工工序，其功能全面，加工质量和速度都很高，但价格也较贵。

⑷ FMC车床

FMC（Flexible Manufacturing Cell）车床实际上是一个由数控车床、机器人等构成的柔性加工单元。它能实现工件搬运、装卸的自动化和加工调整准备的自动化。

⒉ 按主轴的配置形式分类

⑴ 卧式数控车床

即主轴轴线处于水平位置的数控车床。

⑵ 立式数控车床

即主轴轴线处于垂直位置的数控车床。

此外，还有具有两根主轴的车床，称为双轴卧式数控车床或双轴立式数控车床。

⒊ 按数控系统控制的轴数分类

⑴ 两轴控制的数控车床

机床上只有一个回转刀架，可实现两坐标轴控制。

⑵ 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。

⒋ 其他分类方法

按加工零件的基本类型分为卡盘式数控车床、顶尖式数控车床；按数控系统的不同控制方式分为直线控制数控车床、轮廓控制数控车床等；按性能可分为多主轴车床、双主轴车床、纵切式车床、刀塔式传车床、排刀式车床等。

4.1.3 数控车床的组成与布局

⒈ 数控车床的组成

数控车床一般由以下几个部分组成（如图4-6所示）。

① 车床主机

主机是数控车床的机械部件，主要包括床身、主轴箱、刀架、尾座、进给传动机构等。

② 数控系统

数控系统是数控车床的控制核心，其主体是一台计算机（包括CPU、存储器、CRT等）。

③ 伺服驱动系统

伺服驱动系统是数控车床切削工作的动力部分，主要实现主运动和进给运动，由伺服驱动电路和伺服驱动装置两大部分组成。

④ 辅助装置

辅助装置是数控车床中一些为加工服务的配套部分，如液压、气动装置、冷却、照明、润滑、防护和排屑装置等。

⑤ 机外编程器

机外编程器是在普通计算机上安装一套编程软件，使用这套编程软件以及相应的后置处理软件，就可以生成加工程序。通过车床控制系统上的通信接口或其他存储介质（如软盘、光盘等），把生成的加工程序输入到车床的控制系统中，完成零件的加工。

 从总体上看，数控车床与普通车床相比，其结构上仍然由床身、主轴箱、刀架、进给传动系统、液压、冷却、润滑系统等部分组成。但由于数控车床采用了数控系统，其进给系统与普通车床的进给系统在结构上存在着本质的差别，具体如下。

⑴ 从主运动与进给运动的联系来看

① 数控车床。主运动和进给运动之间没有直接的机械联系，主运动、横向进给运动、纵向进给运动分别由独立的电机驱动，每条传动链较短，结构简单；同时也能够加工各种导程的螺纹，数控车床的主轴上安装有脉冲编码器，主轴的运动通过同步齿形带1：1地传到脉冲编码器。当主轴旋转时，脉冲编码器发出检测脉冲信号给数控系统，使主轴电动机的旋转与刀架的切削进给保持同步关系，即实现加工螺纹是主轴旋转一转，刀具正好移动一个工件导程的运动关系，从而加工出所要求的螺纹。

② 普通车床。主运动和进给运动由一台电机驱动，它们之间存在直接的机械联系，传动链长，结构复杂，变速时需要人工调整；加工米制、模数制、英制等各种导程的螺纹，主要通过配挂轮、基本组、增倍组的配合得到，并要通过查表、计算的方式确定挂轮、基本组、增倍组的齿轮副参数，比较复杂。

⑵ 从驱动、变速方式来看。

① 数控车床。主轴运动有三种驱动方式，分别是分段无级变速、带传动变速以及电机直接驱动变速；进给运动常采用步进电机、交流或直流电机通过有限级的传动副传给进给运动机构实现工作台的直线运动或回转运动。主运动和进给运动均是无级变速方式，驱动装置后串联变速箱主要是为了使驱动电机与工作轴的功率——转矩特性相匹配。

② 普通车床。主运动（如CA6140）由电机经过皮带传动、离合器及滑移齿轮变速使得主轴获得正反方向的多级转速，而机床纵横向运动的实现是主轴通过交换齿轮架、进给箱、溜板箱传到刀架，而纵横向不同进给量的实现主要通过进给箱中基本组、增倍组的不同组合。

③ 从典型部件的结构特点来看

① 数控车床。进给运动采用滚珠丝杠螺母副，摩擦力小，刚性高；刀架移动导轨常采用贴塑导轨或滚动导轨块，快速响应能力好。传动副有消隙措施，加上数控系统对误差的修正，有效地保证了反向运动精度。

② 普通车床。采用普通丝杆螺母副，一般来说传动副之间没有误差消除措施。

⒉ 数控车床的布局

数控车床的主轴、尾座等部件相对于床身的布局形式与普通机床基本一致，而刀架和导轨的布局形式发生了根本的变化，这是因为其直接影响数控车床的使用性能及机床的结构和外观所致。

⑴ 床身和导轨的布局

数控车床的床身、导轨与水平面的相对位置有多种形式，如图4-7所示，它有4种布局形式：（a）为水平床身，（b）为斜床身，（c）为平床身斜滑板，（d）为立床身。

① 水平床身。 水平床身配置水平滑板，其工艺性能好，便于导轨面的加工。水平床身配上水平放置的刀架可提高刀架的运动精度，一般用于大型数控车床或小型精密数控车床的布局。但是水平床身由于下部空间小，故排屑空难。从结构尺寸来看，刀架水平放置使得滑板横向尺寸较大，从而加大了机床宽度方向的结构尺寸。

② 斜床身。 斜床身配置斜滑板，这种结构的导轨倾斜角度多采用30°、45°、60°、75°和90°。倾斜角度小，排屑不便；倾斜角度大，导轨的导向性及受力情况差。导轨倾斜角度的大小还直接影响机床外形尺寸高度和宽度的比例。综合考虑上面的诸因素，中小规格的数控车床，其床身的倾斜度以60°为宜。

③ 平床身斜滑板。水平床身配置倾斜放置的滑板，这种结构通常配置有倾斜式的导轨防护罩，一方面具有水平床身工艺性能好的特点，另一方面机床宽度方向的尺寸较水平配置滑板的要小，且排屑方便。一般被中小型数控车床所普遍采用。

④ 立床身。立床身配置90°的滑板，即导轨倾斜角度为90°的滑板结构称为立床身。

⑵ 刀架的布局

刀架作为数控车床的重要部件，它安装各种切削加工工具，其结构和布局形式对机床整体布局及工作性能影响很大。

数控车床的刀架分为转塔式和排刀式刀架两大类。转塔式刀架是普遍采用的刀架形式，它通过转塔头的旋转、分度、定位来实现机床的自动换刀工作。转塔式回转刀架有两种形式，一种主要用于加工盘类零件，其回转轴线垂直于主轴；另一种主要用于加工轴类零件，其回转轴与主轴平行。两坐标连续控制的数控车床，一般采用6～12工位转塔式刀架，如图4-9所示。排刀式刀架主要用于小型数控车床，适用于短轴或套类零件加工，如图4-10所示。

四坐标轴控制的数控车床，床身上安装有两个独立的滑板和回转刀架，称为双刀架四坐标数控车床。其上每个刀架的切削进给量是分别控制的，因此，两刀架可以同时切削同一工件的不同部位，既扩大了加工范围，又提高了加工效率，适合于加工曲轴、飞机零件等形状复杂、批量较大的零件。

4.1.4 数控车床的特点与工艺范围

⒈ 数控车床的特点

与普通车床相比，数控车床除了独具数控系统之外，还具有以下特点。

⑴ 结构特点

① 传动链短。数控车床上沿纵、横两个坐标轴方向的运动是通过伺服驱动系统完成的，不必使用挂轮、光杆等传动部件，用伺服电动机直接与滚珠丝杠联结带动刀架运动，伺服电动机与丝杆间也可以用同步皮带或齿轮副联结。

② 机床刚度大、转速较高，可实现无级变速。数控车床的总体结构刚性好、抗震性好，能够使主轴的转速更高，实现高速、强力切削，充分发挥数控的优势。它多采用直流或交流主轴控制单元来驱动主轴，按控制指令做无级变速，主轴之间一般通过一级齿轮副实现分段无级调速。

③ 轻拖动、润滑好、排屑方便，机床寿命较长。数控车床的刀架移动多采用安装在专用滚动轴承上的滚珠丝杠副。为使拖动方便，数控车床的润滑都比较充分。大部分采用油雾自动润滑，为使排屑更加方便，一般都配有自动排屑装置。另外，数控车床的滑动导轨耐磨性好，机床精度保持时间长，其使用寿命也可以延长许多。

④ 加工冷却充分、防护较严密。由于车削时，锋利、发烫的切屑对操作者的安全将造成极大的威胁，数控车床自动运转时一般都使用安全防护门实现全封闭或半封闭的加工状态。另外，采用全封闭或半封闭结构，还可以将原来的单向冲淋冷却方式改变成多方位强力喷淋，从而改善了刀具和工件的冷却效果。

⑤ 自动换刀。数控车床都配有自动换刀刀架实现自动换刀，以提高生产效率和自动化程度。

⑥ 模块化设计等。数控车床的制造多采用模块化设计。

⑵ 加工特点

① 高精度。数控车床控制系统的性能不断提高，机械结构不断完善，机床精度日益提高。

② 高效率。随着新刀具材料的应用和机床结构的完善，数控车床的加工效率、主轴转速、传动效率不断提高，使得新型数控车床的空运转时间大大缩短。其加工效率比普通车床提高2~5倍。加工零件形状越复杂，越体现出数控车床的高效率加工特点。

③ 高柔性和高可靠性。数控车床适用70%以上的多品种、小批量零件的自动加工，具有高柔性。随着数控系统的性能提高，数控车床的无故障时间迅速提高，具有高可靠性。

④ 工艺能力强。数控车床既用于粗加工又能用于精加工，可以在一次装夹中完成其全部或大部分工序。

⒉ 数控车床的工艺范围

数控车削是数控加工中用得最多的加工方法之一。其工艺范围较普通机床宽的多，凡是能在数控车床上装夹的回转体零件都能在数控车床上加工，特别是形状复杂的轴类或盘类零件，如图4-11所示。针对数控车床的特点，下列几种零件最适合数控车削加工。

⑴ 精度要求高的回转体零件

由于数控车床刚性好、制造、对刀精度高，加工过程中，经过数控系统的高精度插补运算和伺服系统的伺服驱动作用，所以能加工出直线度、圆度、圆柱度等形状、尺寸和位置精度要求高的零件。

⑵ 轮廓形状复杂的回转体零件

因车床数控装置都具有直线和圆弧插补功能，还有部分车床数控装置具有某些非圆曲线插补功能，故能车削由任意平面曲线轮廓所组成的回转体零件，包括通过拟合计算处理后的、不能用方程描述的曲线回转体零件。

⑶ 表面粗糙度好的回转体零件

数控车床具有恒线速切削功能，能加工出表面粗糙度值小而均匀的零件。在材质、精车余量和刀具已定的情况下，表面粗糙度取决于进给量和切削速度。在普通车床上车削锥面和端面时，由于转速恒定不变，致使车削后的表面粗糙度不一致，只有某一直径处的粗糙度值最小。使用数控车床的恒线速切削功能，就可选用最佳线速度来切削锥面和端面，使切削后的表面粗糙度值既小又一致。数控车削还适合于车削各部分表面粗糙度要求不同的零件，粗糙度值要求大的部位选用大的进给量，要求小的部位选用小的进给量。

⑷ 特殊螺纹的回转体零件

普通车床所能车削的螺纹相当有限，它只能车等导程的直、锥面公、英制螺纹，而且一台车床只能限定加工若干种导程。数控车床具有加工各类螺纹的功能，不但能车削任何等导程的直、锥和端面螺纹，而且能车增导程、减导程，以及要求等导程与变导程之间平滑过渡的螺纹，还可以车高精度的模数螺旋零件（如圆柱、圆弧蜗杆）和端面（盘形）螺旋零件等。

⑸ 超精密、超低表面粗糙度的零件

磁盘、复印机的回转鼓、录像机的磁头、照相机等光学设备的透镜及其模具，以及隐形眼镜等要求超高的轮廓精度和超低的表面粗糙度值，它们适合于在高精度、高功能的数控车床上加工。以往很难加工的塑料散光用的透镜，现在也可以用数控车床来加工。在特种精密数控车床上，还可以加工出几何轮廓精度极高、表面粗糙度极小的超精零件。

因此，数控车床具有加工灵活、通用性强、能适应产品的品种和规格频繁变化的特点，能满足新产品的开发和多品种、小批量、生产自动化的要求，因此被广泛应用于机械制造业。

4.1.5 数控车床的传动系统与机械结构

在数控车床上有三种运动传动系统。这就是数控车床的主运动传动系统、进给运动传动系统和辅助运动传动系统。每种传动系统的组成和特点各不相同，它们一起组成了数控车床的传动系统。下面以MJ-50数控车床为例介绍数控车床的传动与主要机械结构，如图4-13所示。

⒈ 主传动系统

⑴ 主运动传动系统

数控机床主运动要求速度在一定范围内可调，有足够的驱动功率，主轴回转轴心线的位置准确稳定，并有足够的刚性和抗振性。

下面以济南第一机床厂生产的MJ-50数控车床的传动系统图（如图4-14所示）来说明机床主运动传动系统的传动原理。

主传链：由功率为11/15kW交流伺服电机驱动，经一级速比为1：1的皮带传动，直接带动主轴旋转。

主轴能在35r/min~3500 r/min的转速范围内实现无级调速。由于主轴的调速范围不是很大，所以在主轴箱内省去了齿轮传动变速机构，因此减少了齿轮传动对主轴精度的影响，并且维修方便。

⑵ 主轴部件

主轴部件是机床实现旋转运动的执行件，如图4-15所示为MJ-50数控车床主轴箱结构，其工作原理如下。

交流主轴电动机通过带轮15把运动传给主轴7。主轴前后有两个支承。前支承由一个圆锥孔双列圆柱滚子轴承11和一对角接触球轴承10组成，轴承11用来承受径向载荷，两个角接触球轴承一个大口向外（朝向主轴前端），另一个大口向里（朝向主轴后端），用来承受双向的轴向载荷和径向载荷。前支撑轴的间隙用螺母8来支撑。螺钉12用来防止螺母8回松。主轴的后支承为圆锥孔双列圆柱滚子轴承14，轴承间隙由螺母1和6来调整。螺钉17和13是防止螺母1和6回松的。主轴的支承形式为前端定位，主轴受热膨胀向后伸长。前后支承所用圆锥孔双列圆柱滚子轴承的支承刚性好，允许的极限转速高。前支承中的角接触球轴承能承受较大的轴向载荷，且允许的极限转速高。主轴所采用的支承结构适宜低速大载荷的需要。主轴的运动经过同步带轮16和3以及同步带2带动脉冲编码器4，使其与主轴同速运转。脉冲编码器用螺钉5固定在主轴箱体9上。

⒉ 进给传动系统及传动装置

⑴ 进给传动系统

进给传动系统是用数字控制X、Z坐标轴的直接对象，零件最后的轮廓和尺寸精度都直接受进给运动的传动精度、灵敏度和稳定性的影响。为此，数控车床的进给传动系统应充分注意减少摩擦力，提高传动精度和刚度，消除传动间隙以及减少运动件的惯量等。

为了达到数控车床进给传动系统要求的高精度、快速响应、低速大转矩，一般采用交、直流伺服进给驱动装置，通过滚珠丝杠副带动刀架移动。刀架的快速移动和进给移动为同一条传动路线。

如图4-14所示，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。

① X轴进给传动链：X轴进给由功率为0.9kW的交流伺服电动机驱动，经20/24的同步带轮传动到滚珠丝杆，螺母带动回转刀架移动，滚珠丝杠螺距为6mm。

② Z轴进给传动链：Z轴进给也是由交流伺服电动机驱动，经24/30的同步带轮传动到滚珠丝杠，其上螺母带动滑板移动。该滚珠丝杠螺距为10 mm，电动机功率为1.8kW。

⑵　进给系统传动装置

①　横向（Ｘ轴）进给传动装置。如图４-16所示，MJ-50数控车床X轴进给传动装置的结构简图。交流（AC）伺服电动机15经同步带轮14和10以及同步带12带动滚珠丝杆6回转，其上螺母7带动刀架（如图4-16（b））沿滑板的导轨移动，实现X轴的进给运动。

电机轴与同步带轮14之间用键13连接。同步带轮14传动是一种综合了带、链传动优点的新型传动。带的工作面及带轮外圆上均制成齿形，通过带与轮间齿的嵌合，作无滑动的啮合传动。因而，具有以下优点：

l    无滑动，传动比准确。

l    传动效率高，η=98%。

l    传动平稳，噪声小。

l    使用范围广，速度可达50m/s，传动比可达10左右，传动效率由几瓦到数千瓦。

滚珠丝杠前后支承型式：

前支承：采用三个角接触球轴承组成，一个轴承大口向前，两个轴承大口向后，分别承受双向的轴向载荷。前支承的轴承由螺母2进行预紧。

后支承：采用一对角接触球轴承9，主要用于承受径向载荷，同时承受一定的双向轴向载荷。轴承大口相背放置，由螺母11预紧。

这种丝杠两端固定的支承形式，其结构和工艺都比较复杂，但可以保证和提高丝杠的轴向刚度。脉冲编码器16安装在伺服电机的尾部。图中5和8是缓冲块，在出现意外碰撞时可以起保护作用。

A-A剖面图表示滚珠丝杠前支承的轴承座4用螺钉20固定在滑板上。滑板导轨如B-B剖视图所示为矩形导轨，镶条17、18、19用来调整刀架与滑板导轨的间隙。

图4-16（b）中22为导轨护板，26、27为机床参考点的限位开关和撞块。镶条23、24、25用于调整滑板与床身导轨的间隙。

因为滑板顶面导轨与水平面倾斜30°，回转刀架会由于自身的重力而发生下滑，滚珠丝杠和螺母不能以自锁的方式阻止其下滑，所以机床要依靠交流伺服电机的电磁制动来实现自锁。

② 纵向（Z轴）进给传动装置。如图4-17所示，MJ-50数控车床Z轴进给传动装置的结构简图。交流（AC）伺服电动机14经同步带轮12和2以及同步带11传动刀滚珠丝杠5，由螺母4带动滑板连同刀架沿床身13的矩形导轨移动，实现Z轴的进给运动。

如图4-17（b）所示，伺服电机轴与同步带轮12之间用锥环无键联接，局部放大视图中的19和20是锥面相互配合的内外锥环。当拧紧螺钉17时，法兰18的端面就压迫外锥环20，使其向外膨胀，内锥环19受力后向电机轴方向收缩，从而使电机轴与同步带轮连接在一起。这种连接方式无需在被连接件上开键槽，而且两锥环的内外圆锥面压紧后，使连接配合面无间隙，对中性较好。为了传递较大的载荷，单侧压紧时可增至4对环，双侧压紧时可增至8对环。

l  滚珠丝杠左右支承形式

左支承：采用三个角接触球轴承15，其中右边两个轴承与左边一个轴承的大口相对布置，由螺目16进行预紧。如图4-17(a)所示，用于承受径向载荷和部分轴向载荷。

右支承：采用一个圆柱滚子轴承7，只用于承受径向载荷。轴承间隙用螺母8来调整。

滚珠丝杠的支承型式为左端固定，右端浮动，留有丝杠受热膨胀后轴向伸长的余地。3和6为缓冲挡块，起越程保护作用。B向视图中的螺钉10将滚珠丝杠的右支承轴承座9固定在床身13上。

滚珠丝杠螺母轴向间隙可通过施加预紧力的方法消除。预紧载荷能有效地减小弹性变形所带来的轴向位移。但过大的预紧力将增加摩擦阻力，降低传动效率，并使寿命大为缩短。所以，一般要经过几次仔细调整才能保证机床在最大轴向载荷下，既消除间隙，又能灵活运转。

l  脉冲编码器的安装

如图4-17（b）所示，Z轴进给装置的脉冲编码器1与滚珠丝杠5相连，直接检测丝杠的回转角度，从而提高系统对Z向进给的精度控制。

⒊ 数控车床的刀架

刀盘运动是指实现刀架上刀盘的转动和刀盘的开定位、定位与夹紧的运动，以实现刀具的自动转换。

其转位换刀过程为：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动作结束信号。回转刀架的加紧与松开、刀盘的转位均由液压系统驱动、PLC顺序控制来实现。11是安装刀具的刀盘，它与轴6固定联接。当刀架主轴6带动刀盘旋转时，其上的鼠牙盘13和固定在刀架上的鼠牙盘10脱开，旋转到指定刀位后，刀盘的定位由鼠牙盘的啮合来完成。

刀盘松开：当接收到数控系统的换刀指令时，活塞9右腔进油，活塞推动轴承12连同轴6向左移动，使鼠牙盘13与10脱开，刀盘解除定位、夹紧。

刀盘转位：液压马达2启动，推动平板共轭分度凸轮1转动，经齿轮5、齿轮4和轴6连同刀盘旋转，刀盘转位。

刀盘定位夹紧：活塞9左腔进油推动轴6右移使鼠牙盘13与10啮合，实现定位夹紧。

在车床处于自动运行状态下，当程序指定了换刀的刀号后，数控系统可以通过内部的运算判断，实现刀盘就近转位换刀，即刀盘可正转也可反转。但当手动操作车床时，从刀盘方向观察，只允许刀盘顺时针转动换刀。

4.1.6 数控车床的卡盘和尾架

⑴ 数控车床的卡盘

数控车床一般用液压卡盘来加持工件。如图4-19为MJ-50数控车床所使用的液压自定心卡盘示意简图。卡盘3用螺钉固定在主轴前端，回转液压缸5固定在主轴后端，改变液压缸左右腔的通油状态，活塞杆4就可带动卡盘内的驱动器1驱动卡爪2移动，夹紧或松开工件，并通过行程开关6和7发出相应的信号。

⑵ 数控车床的尾架

在数控车床中，尾座是结构较为简单的一个部件。尾座安装在床身导轨上，它可以根据工件的长短调节纵向位置。它的作用是利用套筒安装顶尖，用来支承较长工件的一端，也可以安装钻头、铰刀等刀具进行孔加工。MJ-50数控车床出厂时一般配置标准尾座。如图4-20所示为尾座的结构简图。尾座体的移动由滑板带动移动，由手动控制的液压缸将其锁紧在床身上。在机床调整时，可以手动控制尾座套筒移动。

图4-20中的顶尖1与尾座套筒液压缸2用键连接，尾座套筒液压缸可带动顶尖一起移动。在机床自动运行循环中，可通过加工程序由数控系统控制尾座套筒的移动。当数控系统发出尾座套筒伸出的指令后，液压电磁阀动作，压力油通过活塞杆4的内孔进入套筒液压缸2的左腔，推动尾座套筒伸出；当数控系统指令其退回时，压力油进入套筒液压缸的右腔，从而使尾座套筒退回。

尾座套筒移动的行程，靠调整套筒外部联结的行程杆10上面的移动挡块6来完成。如图中所示移动挡块的位置在右端极限位置时，套筒的行程最长。当套筒伸出到位时，行程杆上的固定挡块7压下确认开关8，向数控系统发出套筒退回的确认信号，停止套筒的运动。

4.2 数控铣车

4.2.1 概述

数控铣床，也称作数控铣削机床，是一种用途广泛的机床，如同传统的通用铣床一样，分立式和卧式两种。一般的数控铣床是指规格较小的升降台式数控铣床，额定功率通常不是很高，其工作台宽度多在400mm以下，规格较大的数控铣床，例如，工作台宽度在500mm以上的，其功能已向加工中心靠近，进而演变成柔性加工单元。数控铣床能被CNC控制的坐标进给运动多为三坐标。其中能两轴联动的机床，也称两轴半机床，即在X、Y、Z三个坐标轴中，任意两轴可以联动，一般情况下，两轴半控制的数控铣床只能用来加工平面曲线的轮廓。三坐标联动的数控铣床能进行在X、Y、Z三个坐标轴联动加工，可以加工空间曲面，目前以三坐标数控立式铣床为发展方向。对于有特殊要求的数控铣床，还可以加一个数控分度头或数控回转工作台，即回转的A坐标或G坐标，这种四坐标的数控铣床可用来加工螺旋槽、叶片等立体曲面零件。

4.2.2 数控铣床的分类

⒈  按照数控铣床的主轴布置形式分类

⑴ 立式数控铣床

立式数控铣床是数控铣床中数量最多的一种，应用范围最广，其主轴垂直于水平面(如图4-21所示)。小型数控铣床X、Y、Z方向的移动一般都由工作台完成，主运动由主轴完成，与普通立式升降台铣床相似。中型数控立铣的纵向和横向移动一般由工作台完成，且工作台还可手动升降，主轴除完成主运动外，还能沿垂直方向伸缩。大型数控立铣，由于需要考虑扩大行程，缩小占地面积和增加刚性等技术问题，多采用龙门架移动式，其主轴可以在龙门架的横向与垂直溜板上运动，而龙门架则沿床身作纵向运动。

⑵ 卧式数控铣床

卧式数控铣床的主轴水平放置，为了扩大加工范围和使用功能，通常采用增加数控转盘或万能数控转盘来实现4~5轴加工。这样不但工件侧面上的连续回转轮廓可以加工出来，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可以把工件上各种不同角度的加工面摆成水平面来加工，可以省去许多专用夹具或专用角度成型铣刀。对箱体类零件或在一次安装中需要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。

⑶ 立、卧两用数控铣床

这类铣床目前正在逐渐增多，它的主轴方向可以变换，能达到在一台机床上既可以进行立式加工，又可以进行卧式加工。其使用范围更广、功能更全，选择的加工对象和余地更大，给用户带来很多方便，特别是当生产批量小，品种较多，又需要立、卧两种方式加工时，用户只需要一台这样的机床就行了。

立、卧两用数控铣床的主轴方向的更换有手动与自动两种。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各种不同角度的工件表面。当立、卧两用数控铣床增加数控转盘后，就可以实现对工件的“五面加工”，即除了工件与转盘贴面的定位面外，其他表面都可以在一次安装中进行加工。因此，其加工性能非常优越。

⒉ 按照数控系统控制的坐标轴数量分类

⑴ 2.5坐标联动数控铣床

机床只能进行X、Y、Z三个坐标中的任意两个坐标轴联动加工。

⑵ 3坐标联动数控铣床

机床能进行X、Y、Z三个坐标轴联动加工。目前3坐标数控铣床仍占大多数。

⑶ 4坐标联动数控铣床

机床主轴可以绕X、Y、Z三个坐标轴中的一个轴作数控摆角运动。

⑷ 5坐标联动数控铣床

机床主轴可以绕X、Y、Z三个坐标轴中的两个轴作数控摆角运动。

一般来说，机床控制的坐标轴越多，特别是要求联动的坐标轴越多，机床的功能、加工范围及可选择的加工对象也越多。但随之而来的是机床的结构更复杂，对数控系统的要求更高，编程的难度更大，设备的价格也更高。

4.2.3 数控铣床的组成与布局

⒈  数控铣床的组成

数控铣床一般由数控系统、主传动系统、进给伺服系统、冷却润滑系统等几大部分组成。立式数控铣床主要由下列几部分组成。

⑴ 主轴部件

主轴部件是切削加工的功率输入部件。它由主轴箱、主轴电动机、主轴和主轴轴承等零件组成。主轴的启、停和变转速等动作均由数控系统控制，并且通过装在主轴上的刀具参与切削运动。

⑵ 进给伺服系统

它由进给电机和进给执行机构组成，按照程序设定的进给速度实现刀具和工件之间的相对运动，包括直线进给运动和旋转运动。

⑶ 控制系统

控制系统部分是由CNC装置、可编程控制器、伺服驱动装置以及操作面板等组成。它是执行顺序控制动作和完成加工过程的控制中心。

⑷ 辅助装置

辅助装置包括润滑、冷却、排屑、防护、液压、气动和检测系统等部分。这些装置虽然不直接参与切削运动，但对数控铣床的加工效率、加工精度和可靠性起着保障作用，因此也是数控铣床中不可缺少的部分。

⑸ 机床基础件

机床基础件通常是指底座、立柱、横梁等，它是整个机床的基础和框架。它们主要承受机床的静载荷以及在加工时产生的切削负载，因此必须有足够的刚度。这些大件可以是铸铁件，也可以是焊接而成的钢结构件，它们是机床中体积和重量最大的部件。

⒉ 数控铣床的布局

数控铣床加工工件时，如同普通铣床一样，由刀具或者工件进行主运动，也可由刀具与工件进行相对的进给运动，以加工一定形状的工件表面。不同的工件表面，往往需要采用不同类型的刀具与工件一起进行不同的表面成型运动，因而就产生了不同类型的数控铣床。铣床的这些运动，必须由相应的执行部件（如主运动部件、直线或圆周进给部件）以及一些必要的辅助运动（如转位、夹紧、冷却及润滑）部件等来完成。

加工工件所需要的运动仅仅是相对运动，因此，对部件的运动分配可以有多种方案。如图4-26所示为数控铣床总体布局示意图，可见同是用于铣削加工的铣床，根据工件的重量和尺寸的不同，可以有四种不同的布局方案。

如图4-26(a)所示是加工工件较轻的升降台铣床，由工件完成三个方向的进给运动，分别由工作台、滑鞍和升降台来实现。

当加工工件较重或者尺寸较高时，则不宜由升降台带着工件进行垂直方向的进给运动，而使改由铣头带着刀具来完成垂直进给运动，如图4-26(b)所示。这种布局方案，铣床的尺寸参数即加工尺寸范围可以取得大一些。

如图4-26(c)所示的龙门数控铣床，工作台载着工件进行一个方向上的进给运动，其他两个方向的进给运动由多个刀架即铣头部件在立柱与横梁上移动来完成。这样的布局不仅适用于重量大的工件加工，而且由于增多了铣头，使铣床的生产效率得到很大的提高。

当加工更大、更重的工件时，由工件进行进给运动，在结构上是难于实现的，因此，采用如图4-26(d)所示的布局方案，全部进给运动均是由铣头运动来完成的，这种布局形式可以减小铣床的结构尺寸和重量。

⒊ 数控铣床总布局的发展趋势

① 今年来，由于大规模集成电路、微处理机和微型计算机技术的发展，使数控装置和强电控制电路日趋小型化，不少数控装置将控制计算机、按键、开关、显示器等集中装在吊挂按钮站上，其他的电器部分则集中或分散与主机的机械部分装在一起，而且还采用气—液传动装置，省去液压油泵站，这样就实现了机、电、液一体化结构，从而见减少铣床占地面积，又便于操作管理。

② 全封闭结构数控铣床的效率高，一般都采用大流量与高压力的冷却和排屑措施；铣床的运动部件也采用自动润滑装置，为了防止切屑与切削液飞溅，避免润滑油外泄，将铣床作成全封闭结构，只在工作区处留有可以自动开闭的门窗，用于观察和装卸零件。

4.2.4 数控铣床的特点与工艺范围

⒈ 数控铣床的特点

⑴ 结构特点

数控铣床在结构上要比普通铣床复杂得多，与其他数控机床（如数控车床）相比，数控铣床在结构上有下列特点。

① 控制机床运动的坐标特征。为了将工件中各种复杂的形状轮廓连续加工出来，必须控制刀具沿设定的直线、圆弧或空间直线、圆弧轨迹运动。这就要求数控铣床的伺服系统能在多坐标方向同时协调动作并保持预定的相互关系，即要求机床能实现多坐标联动。因此，数控铣床所配置的数控系统在档次上一般都比其他数控机床更高一些。

② 数控铣床的主轴特征。在数控铣床的主轴套筒内一般都设有自动夹刀、退刀装置，能在数秒内完成装刀与卸刀，使换刀较为方便。此外，多坐标数控铣床的主轴还可以绕X、Y轴或Z轴做数控摆动，扩大了主轴自身的运动范围，但主轴结构更加复杂。

⑵ 加工特点

① 加工灵活、通用性强。数控铣床的最大特点是高柔性，即灵活、通用、万能，可以加工不同形状的工件。在数控铣床上能完成钻孔、镗孔、铰孔、铣平面、铣斜面、铣槽、铣曲面（凸轮）、攻螺纹等加工。而且在一般情况下，可以一次装夹就完成所需的加工工序。

② 加工精度高。目前数控装置的脉冲当量一般为0.001mm，高精度的数控系统可达0.1μｍ，一般情况下都能保证工件精度。另外，数控加工还避免了操作人员的操作失误，同一批加工零件的尺寸同一性好，大大提高了产品质量。由于数控铣床具有较高的加工精度，能加工很多普通机床难以加工或根本不能加工的复杂型面，所以在加工各种复杂模具时更显出其优越性。

③ 生产效率高。数控铣床上一般不需要使用专用夹具等专用工艺装备。在更换工件时，只需调用储存于数控装置中的加工程序、装夹工件和调整刀具数据即可，因而大大缩短了生产周期。其次，数控铣床具有铣床、镗床和钻床的功能，使工序高度集中，大大提高了生产效率并减少了工件装夹误差。另外，数控铣床的主轴转速和进给速度都是无级变速的，因此有利于选择最佳切削用量。数控铣床加工比普通铣床加工生产效率可提高3~5倍。对于复杂的成型面加工生产效率可提高十几倍，甚至几十倍。

④ 减轻操作者劳动强度。数控铣床对零件加工是按事先编好的加工程序自动完成的，操作者除了操作键盘、装卸工件和中间测量及观察机床运行外，不需要进行繁重的重复性手工操作，大大减轻了劳动强度。

⒉ 数控铣床的工艺范围

数控铣削是机械加工中最常用和最主要的数控加工方法之一，它不仅可以加工各种平面、沟槽、螺旋槽、成型表面和孔，而且还能加工各种平面和空间等复杂型面，适合于加工各种模具、凸轮、板类及箱体类的零件。根据数控铣床的特点，从铣削加工的角度来考虑，适合数控铣削的主要加工对象有以下几类。

⑴ 平面类零件

加工平行或垂直于水平面或其他加工面与水平面的夹角为定角的零件称为平面类零件。如图4-27所示为典型的平面类零件。它的特点是各个加工单元面是平面或可以展开为平面。数控铣床上加工的绝大多数零件是平面类零件。平面类零件是数控铣削加工对象中最简单的一类零件，一般只要用三坐标数控铣床的两坐标联动（2.5坐标联动）就可以加工出来。

⑵ 变斜角类零件

加工面与水平面的夹角呈连续变化的零件称为变斜角类零件。这类零件多为飞机零件，其特点是加工面不能展开为平面，但在加工中，加工面与铣刀圆周接触的瞬间为一条线。加工这类零件最好采用四坐标或五坐标数控铣床摆角加工，如果没有上述机床时，也可采用三坐标数控铣床，进行两轴半坐标近似加工。

⑶ 曲面类零件

加工面为空间曲面的零件称为曲面类零件，又称立体类零件。其特点是加工面不能展开为平面，加工面始终与铣刀点接触。如模具、叶片、螺旋桨等。这类零件在数控铣床的加工中也较为常见，通常采用三坐标联动数控铣床加工，当曲面较复杂时、通道较窄、会伤及相邻表面及需刀具摆动时，要采用四坐标或五坐标联动数控铣床加工。

4.2.5 数控铣床的传动系统与结构

以北京第一机床厂生产的带有万能铣头的立卧两用数控铣床XKA5750为例，讲述数控铣床的传动及结构。

⒈ 机床的主传动系统

如图4-29所示为XKA5750数控铣床的传动系统图。主运动是铣床主轴的旋转运动，由装在滑枕后部的AC交流主轴伺服电机（11kW）驱动，电机的运动通过速比为1：2.4的一对弧齿同步齿形带轮传到滑枕的水平轴I上，再经过万能铣头的两对弧齿锥齿轮副（33/34×26/25）将运动传到主轴IV，转速范围为（50~2500）r/min（电机转速范围为120~6000 r/min）。当主轴转速在625 r/min（电机转速在1500 r/min）以下时为恒转矩输出；主轴转速在（625~1875）r/min时为恒功率输出；超过1875r/min后，输出功率下降；转速到2500r/min时，输出功率下降到额定功率的1/3。

⒉　机床的进给传动系统

工作台的纵向（Ｘ向）进给和滑枕的横向（Ｙ向）进给传动系统，是由ＡＣ交流伺服电机通过速比为1：2的一对同步圆弧齿形带轮，将运动传动至导程为６ｍｍ滚珠丝杠轴V和VI上。

升降台的垂直（Ｚ向）进给运动为交流伺服电机通过速比为1：2的一对同步齿形带轮将运动传到轴VII，再经过一对弧齿锥齿轮传到垂直滚珠丝杠上，带动升降台运动。垂直滚珠丝杠上的弧齿锥齿轮还带动轴IX上的锥齿轮，经单向超越离合器与自锁器相连，防止升降台因自重而下滑。

⒊　升降台自动平衡装置

如图4-30所示是升降台升降传动及平衡机构，主要由锥齿轮、单向超越离合器、自锁器等构成。

⑴ 升降台上升、下降的情形

AC交流伺服电机1经一对齿形带轮2，3将运动传到传动轴VII，轴VII右端的弧齿锥齿轮7带动锥齿轮8使垂直滚珠丝杠VIII旋转，实现升降台上升和下降。

⑵ 传动轴VII的支承形式

左、右支承：采用一对滚动轴承，主要用来承受径向力。

中间支承：采用一对角接触球轴承，主要用来轴向定位。由螺母4锁定轴承与传动轴的轴向位置，并对轴承预紧，预紧量用修磨两轴承的内、外圈之间的隔套5，6厚度来保证。传动轴的轴向定位由螺钉25调节。

⑶ 垂直滚珠丝杠VIII的支承形式

垂直滚珠丝杠螺母副的螺母24由支承套23固定在机床底座上，丝杠通过锥齿轮8与升降台连接，其支承由深沟球轴承9和角接触球轴承10承受径向载荷，由D级精度的推力圆柱滚子轴承11承受轴向载荷。

⑷ 自动平衡机构的作用

图中轴IX的实际安装位置是在水平面内，与轴VII的轴线呈90°相交（图中为展开画法）。其右端为自动平衡机构。因滚珠丝杠无自锁能力，当垂直放置时，在部件自重作用下，移动部件会自动下移。因此升降台驱动电机除带有制动器外，还在传动机构中装有自动平衡机构，一方面防止升降台因自重下落，另外还可平衡上升、下降时的驱动力。

⑸ 单向超越离合器和自锁器工作原理

本机床由单向超越离合器和自锁器组成。其工作原理是：丝杠旋转的同时，通过锥齿轮12和轴IX带动单向超越离合器的星轮21转动。当升降台上升时，星轮的转向使滚子13与超越离合器的外环14脱开，外环14不随星轮21转动，自锁器不起作用；当升降台下降时，星轮21的转向使滚子楔在星轮与外环之间，使外环随轴一起转动，外环与两端固定不动的摩擦环15，22（由防转销20固定）形成相对运动，在碟形弹簧19的作用下，产生摩擦力，增大升降台下降时的阻力，起自锁作用，并使上、下运动的力量平衡。调整时，先拆下端盖17，松开螺钉16，适当旋紧螺母18，压紧碟形弹簧19，即可增大自锁力。但调整前需用辅助装置支承升降台。

4.3 加工中心

4.3.1 概述

世界上第一台加工中心是1958年美国卡尼·特雷克公司制造出来的。加工中心是在数控铣床的基础上加上刀库及自动换刀装置或多个工作台，集数控铣床、数控镗床、数控钻床的功能于一身的一种由计算机来控制的高效、高自动化程度的机床。工件在一次装夹后，数控系统根据加工的需要，自动选择和更换刀具，根据粗精加工的不同要求自动改变机床主轴的转速、进给量和刀具相对于工件的运动轨迹和其他辅助功能，依次完成多工序的加工。减少了工件的装夹、测量和机床调整等时间，使机床的切削时间达到机床开动时间的80%左右（普通机床仅为15%~20%）；同时也减少了工序之间的工件周转、搬运和存放时间，缩短了生产周期，具有明显的经济效益。加工中心适用于零件形状比较复杂、精度要求高、产品更换频繁的中小批量生产。

4.3.2 加工中心的分类

⒈ 按照加工中心布局方式分类

⑴ 立式加工中心

立式加工中心指主轴轴心线为垂直状态设置的加工中心。其结构形式多为固定立柱式，工作台为长方形，无分度回转功能，具有三个直线运动坐标，并可在工作台上安装一个水平轴的数控回转台用以加工螺旋线类零件。立式加工中心主要适合加工盘、套、板类零件。立式加工中心的结构简单、占地面积小、价格低，装卡方便，便于操作，易于观察加工情况，测试程序容易，应用广泛。如图4-31所示。

⑵ 卧式加工中心

卧式加工中心指主轴轴心线为水平状态设置的加工中心。通常都带有可进行分度回转运动的正方形分度工作台。卧式加工中心一般具有3~5个运动坐标，常见的是三个直线运动坐标（沿X、Y、Z轴方向）加一个回转运动坐标（回转工作台），它能够使工件在一次装夹后完成除安装面和顶面以外的其余四个面的加工，最适合箱体类工件的加工。与立式加工中心相比较，卧式加工中心的结构复杂，占地面积大，重量大，价格也较高。

卧式加工中心有多种形式，如固定立柱式或固定工作台式。固定立柱式的卧式加工中心的立柱固定不动，主轴箱沿立柱做上下运动，而工作台可在水平面内做前后、左右两个方向的移动；固定工作台式的卧式加工中心，安装工件的工作台是固定不动的（不做直线运动），沿坐标轴三个方向的直线运动由主轴箱和立柱的移动来实现。

⑶ 龙门式加工中心

龙门式加工中心形状与龙门式数控铣床相似，主轴多为垂直设置，带有自动换刀装置，带有可更换的主轴头附件，数控装置的软件功能也较齐全，能够一机多用，龙门式布局具有结构刚性好，容易实现热对称性设计，尤其适用于大型或形状复杂的工件，如航天工业及大型汽轮机上某些零件的加工。如图4-33所示。

⑷万能加工中心（复合加工中心）

它具有立式和卧式加工中心的功能，工件一次装夹后能完成除安装面外的所有侧面和顶面等五个面的加工，也叫五面加工中心。常见的五面加工中心有两种形式，一种是主轴可以旋转90°，既可以像立式加工中心那样工作，也可以像卧式加工中心那样工作；另一种是主轴不改变方向，而工作台可以带着工件旋转90°，完成对工件五个表面的加工。

复合加工中心主要适用复杂外形、复杂曲线的小型工件加工，例如，加工螺旋桨叶片及各种复杂模具。但是由于五面加工中心存在着结构复杂、造价高，占地面积大等缺点，所以它的使用和生产在数量上远不如其他类型的加工中心。

⑸ 虚轴加工中心

虚轴加工中心改变了以往传统机床的结构，通过连杆的运动，实现主轴多自由度的运动，完成对工件复杂曲面的加工。

⒉ 按换刀形式分类

⑴ 带刀库、机械手的加工中心

加工中心的换刀装置（Automatic Tool Changer, ATC）是由刀库和机械手组成，换刀机械手完成换刀工作。这是加工中心最普遍采用的形式，JCS-018A型立式加工中心就属此类。

⑵ 无机械手的加工中心

这种加工中心的换刀是通过刀库和主轴箱的配合动作来完成。一般是采用把刀库放在主轴箱可以运动到的位置，整个刀库或某一刀位能移动到主轴箱可以达到的位置。刀库中刀具的存放位置方向与主轴装刀方向一致。换刀时，主轴运动到刀位上的换刀位置，由主轴直接取走或放回刀具。多用于采用40号以下刀柄的小型加工中心，XH754型卧式加工中心就是这样。

⑶ 转塔刀库式加工中心

一般在小型立式加工中心上采用转塔刀库形式，主要以孔加工为主。ZH5120型立式钻削加工中心就是转塔刀库式加工中心。

⒊  按加工中心机床的功用分类

⑴ 镗铣加工中心机床

主要用于镗削、铣削、钻孔、扩孔、铰孔及攻螺纹等工序，特别适合于加工箱体类及形状复杂、工序集中的零件。

⑵ 钻削加工中心机床

主要用于钻孔，也可进行小面积的端铣。

⑶ 车削加工中心机床

除用于加工轴类零件外，还进行铣（铣扁、铣六角等），钻（如钻横向孔）等工序的加工，并能实现C轴功能。

⒋ 按照运动坐标轴数和同时控制的坐标轴数分类

加工中心可分为三轴二联动、三轴三联动、四轴三联动，五轴四联动，六轴五联动等。

⒌ 按工作台数量和功能分类

加工中心可分为单工作台加工中心、双工作台加工中心和多工作台加工中心。

⒍ 按加工精度分类

加工中心可分为普通加工中心和高精度加工中心。

4.3.3 加工中心的组成与布局

⒈ 加工中心的组成

加工中心自问世至今已有三十多年，世界各国出现了各种类型的加工中心，虽然外形结构各异，但从总体来看主要由以下几大部分组成。

⑴ 基础部件

基础部件由床身、立柱和工作台等组成，它是加工中心的基础结构，主要承受加工中心的静载荷以及在加工时产生的切削负载，因此必须要有足够的刚度。这些大件可以是铸铁件，也可以是焊接而成的钢结构件，它们是加工中心体积和质量最大的部件。

⑵ 主轴部件

主轴部件由主轴箱、主轴电动机、主轴和主轴轴承等零件组成。主轴的启、停和变转速等动作均由数控系统控制，并且通过装在主轴上的刀具参与切削运动，是切削加工的功率输入部件。主轴是加工中心的关键部件，其结构优劣对加工中心的性能有很大的影响。

⑶ 伺服系统

伺服系统主要是进给传动系统，其作用是把来自数控装置的信号转换为机床移动部件的运动，其性能是决定机床的加工精度、表面质量和生产效率的主要因素之一。加工中心普遍采用半闭环、闭环和混合环三种控制方式。

⑷ 数控系统（CNC）

加工中心的数控部分是由CNC装置、可编程控制器、伺服驱动装置以及操作面板等组成。它是执行顺序控制动作和完成加工过程的控制中心。

⑸ 自动换刀系统（ATC）

自动换刀系统由刀库、机械手等部件组成。当需要换刀时，数控系统发出指令，由机械手（或通过其他方式）将刀具从刀库内取出装入主轴孔中。

⑹ 辅助装置

辅助装置包括润滑、冷却、排屑、防护、液压、气动和检测系统等部分。这些装置虽然不直接参与切削运动，但对加工中心的加工效率、加工精度和可靠性起着保障作用，因此也是加工中心不可缺少的部分。

⒉ 机床的布局

主要由进给运动伺服电机、换刀机械手、数控柜、盘形刀库、机床操作面板、工作台、驱动电源柜、床身、滑座、主轴箱等构成。

如图4-35所示，床身10顶面的横向导轨支承着滑座9，滑座沿床身导轨的运动为Y轴。工作台8沿滑座导轨的纵向运动为X轴。主轴箱5沿立柱导轨的上、下运动为Z轴。工作时，交流变频调速电机将运动经主轴箱5内的传动件传给主轴，实现旋转主运动。3个宽调速直流伺服电机分别经滚珠丝杠螺母副将运动传给工作台8，滑座9，实现X，Y坐标进给运动，传给主轴箱5使其沿立柱导轨进行Z坐标的进给运动。立柱左上侧的圆盘形刀库4可容纳16把刀，通过处于主轴和刀库之间的机械手2进行自动换刀。立柱的左后部为数控柜3，右侧为驱动电柜7。操纵按钮悬伸在机床的右前方，操作者可通过面板上的按键和各种开关实现对机床的控制。

4.3.4 加工中心的特点与工艺范围

⒈ 加工中心的特点

⑴ 结构特点

① 机床的刚度高、抗振性好。为了满足加工中心高自动化、高速度、高精度、高可靠性的要求，加工中心的静刚度、动刚度和机械结构系统的阻尼比都高于普通机床。

② 机床的传动系统结构简单，传递精度高，速度快。加工中心传动装置主要有三种，即滚珠丝杠副；静压蜗杆—蜗轮条；预加载荷双齿轮—齿条。它们由伺服电机直接驱动，省去齿轮传动机构，传递精度高，速度快。一般速度可达15m/min，最高可达100m/min。

③ 主轴系统结构简单，无齿轮箱变速系统（特殊的也只保留1~2级齿轮传动）。主轴功率大，调速范围宽，并可无级调速。目前加工中心95%以上的主轴传动都采用交流主轴伺服系统，速度可从（10~20000）r/min无级变速。

④ 加工中心的导轨都采用了耐磨损材料和新结构，能长期地保持导轨的精度，在高速切削下，保证运动部件不振动，低速进给时不爬行及运动中的高灵敏度。

⑤ 设置有刀库和换刀机构。具有储存加工所需刀具的刀库，它用于储存刀具并根据要求将各工序所用的刀具运送到取刀位置；具有自动装卸刀具的机械手。这是加工中心与数控铣床和数控镗床的主要区别，使加工中心的功能和自动化加工的能力更强了。加工中心的刀库容量少的有几把，多的达几百把。这些刀具通过换刀机构自动调用和更换，也可通过控制系统对刀具寿命进行管理。

⑥ 具有主轴准停机构、刀杆自动夹紧松开机构和切屑自动清除装置。这是加工中心机床主轴部件中三个主要组成部分，也是加工中心机床能够顺利地实现自动换刀所需具备的结构保证。此外，还具有自动排屑、自动润滑、自动报警和工作台自动交换的系统等。

⑵ 加工特点

① 全封闭防护，加工精度高。加工中心同其他数控机床一样具有加工精度高的特点，而且加工中心由于加工工序集中，避免了长工艺流程，减少了人为干扰，故加工精度更高，加工质量更加稳定。

② 能自动进行刀具交换，加工生产率高。零件加工所需要的时间包括机动时间与辅助时间两部分。加工中心带有刀库和自动换刀装置，在一台机床上能集中完成多种工序，因而可减少工件装夹、测量和机床的调整时间，减少工件半成品的周转、搬运和存放时间，使机床的切削利用率（切削时间和开动时间之比）高于普通机床3~4倍，达80%以上。

③ 工序集中，加工连续进行。加工中心备有刀库并能自动更换刀具，对工件进行多工序加工，使得工件在一次装夹后，数控系统能控制机床按不同工序自动选择和更换刀具，自动改变机床主轴转速、进给量和刀具相对工件的运动轨迹以及其他辅助功能，现代加工中心更到程度地使工件在一次装夹后实现多表面、多特征、多工位的连续、高效、高精度加工，即工序集中。这是加工中心最突出的特点。

④ 加工中心能自动改变机床主轴转速、进给量和刀具相对工件的运动轨迹及其他辅助机能。

⑤ 操作者的劳动强度减轻。加工中心对零件的加工时按预先编好的程序自动完成的，操作者除了操作键盘、装卸零件、进行关键工序的中间测量以及观察机床的运行之外，不需要进行繁重的重复性手工操作，劳动强度和紧张程度均可大为减轻，劳动条件也得到很大的改善。

⑥ 功能强大，趋向复合加工，对加工对象的适应性强。加工中心生产的柔性不仅体现在对特殊要求的快速反应上，而且可以快速实现批量生产，提高市场竞争能力。

⑦ 经济效益高，有利于生产管理的现代化。使用加工中心加工零件时，分摊在每个零件上的设备费用是较昂贵的，但在单件、小批生产的情况下，可以节省许多其他方面的费用，因此能获得良好的经济效益。并且用加工中心加工零件，能够准确地计算零件的加工工时，并有效地简化了检验和工夹具、半成品的管理工作。这些特点有利于使生产管理现代化。

由于加工中心具有上述机能，因而可大大减少工件装夹、测量和机床的调整时间，减少工件的周转、搬运和存放时间，使机床的切削时间利用率高于普通机床3~4倍，大大提高了生产率，尤其是在加工形状比较复杂、精度要求较高、品种更换频繁的工件时，更具有良好的经济性。

4.3.5 加工中心的传动系统与结构

下面以原机械工业部北京机床研究所生产的JCS-018A立式镗铣加工中心为例，讲述加工中心的传动及结构。

⒈ 主传动系统

主轴电动机采用的是FANUC AC12伺服电机。主轴电动机的运动通过一对1：2同步带轮传给主轴，使主轴在标准速度（22.5~2250）r/min或高速型速度（45~4500）r/min转速范围内可以实现无级调速，克服了齿轮传动振动大、热变形大、噪声高的特点。主轴转速恒功率范围宽，低速运转扭矩大，由于机床的主要构件刚度高，故可以进行强力切削。

⒉ 主轴箱结构

⑴ 如图4-38所示为JCS-018A主轴箱结构图。

图中主轴的前后支承形式：

前支承：三个高精度的角接触球轴承，用以承受径向载荷和轴向载荷。前两个轴承大口朝下，后面一个轴承大口朝上。前支承按预加载荷计算预紧量由螺母5来调整。

后支承：一对小口相对应的角接触球轴承，用以承受径向载荷。

因此，轴承外圈不需要定位。该主轴选择的轴承座和配置形式，能满足主轴高转速和承受较大轴向载荷的要求，主轴受热变形向后伸长，不影响加工精度。

⑵ 刀具自动夹紧机构

如图4-38所示，主轴内部和后端安装的是刀具自动夹紧机构。它主要由拉杆7、拉杆端部的4个钢球3、碟形弹簧8、活塞10、液压缸11等组成。机床执行换刀指令，机械手要从主轴拔刀时，主轴需松开刀具。这时液压缸上腔通压力油，活塞推动拉杆向下移动，使碟形弹簧压缩，钢球进入主轴锥孔上端的槽内，刀柄尾部的拉钉（拉紧刀具用）2被松开，机械手拔刀。之后，压缩空气进入活塞和拉杆的中孔，吹净主轴锥孔，为装入新刀具做好准备。当机械手把下一把刀具插入主轴后，液压缸上腔无油压，在碟形弹簧和弹簧9的恢复力作用下，使拉杆、钢球和活塞退回到图示的位置，即碟形弹簧通过拉杆和钢球拉紧刀柄尾部的拉钉，使刀具被夹紧。

刀杆夹紧机构用弹簧夹紧，液压放松，以保证在工作中突然停电时，刀杆不会自行松脱。夹紧时，活塞10下端的活塞杆端与拉杆7的上端部之间有一定的间隙（约为4mm），以防止主轴旋转时端面摩擦。

⑶ 主轴准停装置

主轴准停又称为主轴定向功能（Spindle Specified Position Stop），即主轴停止时必须准确停于某固定位置，这是自动换刀所必须的功能。JCS-018A加工中心采用的是主轴电气式准停装置，即用磁力传感器检测定向。在主轴上安装一个发磁体3，使之与主轴5一起旋转，在距离发磁体外1~2 mm处固定一个磁力传感器。磁力传感器经过放大器与主轴控制单元连接，当主轴需要定向准停时，便控制主轴停止在预定的位置。这种准停装置机械结构简单，发磁体与磁感应器间没有接触摩擦，准停的定位精度可达±1°，能满足一般换刀要求，而且定向时间短，可靠性较高。如图4-39所示。

⒊ 机床的进给系统

JCS-018A机床的X、Y、Z三个轴各有一套进给系统，它们分别由3台功率为1.4kW的FANUC-BESK DC15型脉宽调速直流伺服电动机直接带动滚珠丝杠旋转实现的。任意两轴可以联动。为了保证各轴的进给传动系统有较高的传动精度，电动机轴和滚珠丝杠之间均采用了锥环无键连接和高精度十字联轴器的连接结构。以Z轴进给装置为例，分析电动机轴与滚珠丝杠之间的连接结构。

如图4-40所示，电动机轴与轴套3之间采用了锥环4无键连接结构。锥面相互配合的内外锥环，当拧紧螺钉时，外锥环向外膨胀，内锥环受力后向电动机轴收缩，从而使电动机轴与轴套连接在一起。选用锥环对数的多少，取决于所传递扭矩的大小。

高精度十字联轴器由3件组成，其中与电动机轴连接的轴套3的端面有与中心对称的凸键，与丝杠连接的轴套6上开有与中心对称的端面键槽，中间一件联轴节5的两端面上分别有与中心对称且互相垂直的凸键和键槽，它们分别与件3和件6相配合，用来传递运动和扭矩。为了保证十字联轴节的传动精度，在装配时凸键和凹键的径向配合面要经过配研，以便消除反向间隙和使传递动力平稳。

由于主轴箱垂直运动，为防止滚珠丝杠因不能自锁而使主轴箱下滑，所以Z轴电动机带有制动器。

由于机床刚性高，且采用贴塑导轨，因此，机床在高速移动时振动小，低速移动时无爬行现象，并有高的精度和稳定性。

⒋ JCS-018A机床的自动换刀装置（ATC）

如图4-41为自动换刀过程。该机床的自动换刀装置（ATC）由刀库及机械手组成。刀库有16个刀位，刀具由可编程控制器（PLC）管理。刀具不需要设编码和开关，采用任意换刀和最短距离转动的方式。当换刀指令发出后，主轴立即停止旋转并开始自动定向，主轴箱同时回零；刀库中处在换刀位置的刀套向下回转90°；机械手手臂旋转75°抓刀；刀具松开，手臂下降拔刀；手臂回转180°后，上升插刀；刀具夹紧，手臂180°液压缸返回，手臂75°转回，刀套向上回转90°，完成刀具的自动交换。

刀库旋转定位是依靠简易定位装置实现的，刀库最大转角为180°，有自动方向及转角判别机能，换刀时间8s～10s。