项目四 数控铣床（加工中心）概述 数控铣床是主要采用铣削方式加工零件的数控机床，它能够进行外形轮廓铣削、平面或曲面型腔铣削及三维复杂型面的铣削，如凸轮、模具、叶片等，另外数控铣床还具有孔加工的功能，通过特定的功能指令可进行一系列孔的加工，如钻孔、扩孔、铰孔、镗孔和攻丝等，如图1-1所示。

图1-1 数控铣床

图1-2 加工中心

第一节 数控铣床（加工中心）的组成和工作原理 一 、数控铣床（加工中心）的 数控铣床（加工中心）大体由输入装置、数控装置、伺服系统、检测及其辅助装置和机床本体等组成。 1、输入装置 数控程序编制后需要存储在一定的介质上，按目前的控制介质大致分为纸介质和电磁介质，相应地通过不同方法输入到数控装置中去。纸带输入方法，即在专用的纸带上穿孔，用不同孔的位置组成数控代码，再通过纸带阅读机将代表不同含义的信息读入。手动输入是将数控程序通过数控机床上的键盘输入，程序内容将存储在数控系统的存储器内，使用时可以随时调用。

数控程序的产生由计算机编程软件或手工输入到计算机中，就可采用通讯方式来传递数控程序到数控系统中，通常使用数控装置的RS232C串行口或RJ45口等来完成。 2、数控装置 一般数控系统是由专用或通用计算机硬件加上系统软件和应用软件组成，完成数控设备的运动控制功能、人机交互功能、数据管理功能和相关的辅助控制等功能。它是数控设备功能实现和性能保证的核心组成部分，是整个数控设备的中心控制机构。随着开放式数控技术的出现，数控系统具备了自我扩展和自我维护的功能，为数控设备的应用提供了自由完善、自定义系统软硬件功能和性能的能力。

图1-4 数控装置

数控装置是数控铣床的核心，是由数控系统、输入和输出接口等组成，它接收到的数控程序，经过编译、数学运算和逻辑处理后，输出各种信号到输出接口上。 3、伺服系统 连接数控装置和机械结构的控制传输通道，它将数控装置的数字量的指令输出转换成各种形式的电动机运动，带动机械结构上执行元件实现其所规定出来的运动轨迹。伺服系统包括驱动放大器和电动机两个主要部分，其任务实质是实现一系列数模或模数之间的信号转化，表现形式就是位置控制和速度控制。

伺服系统接收数控装置输出的各种信号，经过分配、放大、转换等功能，驱动各运动部件，完成零件的切削加工。 4、检测装置 位置检测、速度反馈装置根据系统要求不断测定运动部件的位置或速度，转换成电信号传输到数控装置中，与目标信号进行比较、运算，进行控制。 5、运动部件 由包括床身、主轴箱、工作台、进给机构等组成的机械部件，伺服电机驱动运动部件运动，完成工件与刀具之间的相对运动。

辅助装置是指数控铣床（加工中心）的一些配套部件，包括刀库、液压和气动装置、冷却系统和排屑装置等。 6、辅助装置 辅助装置是指数控铣床（加工中心）的一些配套部件，包括刀库、液压和气动装置、冷却系统和排屑装置等。 二、数控铣床（加工中心）的工作原理 控制面板 输入输出设　备 数控装置 伺服装置（主轴、进给） 驱动装置 测量反馈装置 机 床 主 体 图1-3 数控机床工作原理图

1、数控加工的过程 首先要将被加工零件图上的几何信息和工艺信息数字化，也就是将刀具与工件的相对运动轨迹、加工过程中主轴速度和进给速度的变换、冷却液的开关、工件和刀具的交换等控制和操作，按规定的代码和格式编写成加工程序,然后送入数控系统，数控系统则按照程序的要求，先进行相应的运算、处理，然后发出控制命令，使各坐标轴、主轴及相关的辅助动作相互协调，实现刀具与工件的相对运动，自动完成零件的加工。

2、数控机床的工作过程 数控机床接通电源后，数控系统对各组成部分的工作状况进行自检，并根据厂家设定的参数要求设置为初始状态，一切正常，无报警提示，等待用户输入信息。零件的加工程序编制可以脱开机床编程，也可以在线编程。在线编程就是利用数控系统提供的面板键盘进行输入相关格式指令完成，程序直接进入数控系统的存储区域，可以随时调用；脱机编程是操作者在机床外用计算机进行一种编程方式，编写好的程序存储在磁盘等介质上，要进行使用时，通过数控机床提供的RS-232C、RJ45等接口与计算机相连，用传输软件将数控程序送入数控

系统进行加工，它可以实现DNC方式加工。 在加工之前，为了使机床明白操作者设定的编程坐标，操作者必须通过对刀方式将编程坐标系转换成机床工件坐标系，也就是加工前输入实际使用刀具的参数及工件坐标系原点相对于机床坐标系的坐标值。 加工程序输入后，数控系统启动运行，系统对输入的信息进行内部处理，编译成二进制数据，通过数据计算，转换成控制信号。数控系统对信息预处理后，运行数控加工程序，系统根据程序中给出的几何数据和工艺数据进行插补计算，确定各线段的起点、终点，确定坐

标轴运动的方向、大小和速度，分别向各个控制轴发出运动序列指令。 伺服系统接受信息后完成驱动，再根据机床上位置检测装置测得的实际数值反馈到数控系统内部的位置调节器，与理想数值进行比较、调节，输出补偿信息，控制各坐标轴的精确运动。 数控系统再次进行数控程序中程序段的插补计算和位置控制，逐行完成程序段的编译和处理，直至零件加工程序执行完毕。

第二节 数控铣床（加工中心）的分类和特点 数控机床加工与普通机床有着一定的区别：   数控机床加工与普通机床有着一定的区别： １）工序集中 数控机床一般带有可以自动换刀的刀架、刀库，换刀过程由程序控制自动进行，因此，工序比较集中，减少机床占地面积，节约厂房，同时减少或没有中间环节（如半成品的中间检测、暂存搬运等），既省时间又省人力。 ２）自动化程度高 数控机床加工时，不需人工控制刀具，自动化程度高，对操作工人的要求降低。数控操作工在数控机床上加工出的零件比普通工在传统机床上加工出的零件精度高，而且省时、省力，降低了工人的劳动强度。

３）产品质量稳定　数控机床的加工自动化，免除了普通机床上工人的疲劳、粗心等人为误差，提高了产品的一致性。 ４）加工效率高　数控机床的自动换刀等使加工过程紧凑，提高了劳动生产率。 ５）柔性化高　改变数控加工程序，就可以在数控机床上加工新的零件，且又能自动化操作，柔性好，效率高，因此数控机床很适应市场竞争。 ６）加工能力强　数控机床能精确加工各种轮廓，而有些轮廓在普通机床上无法加工。

数控铣床是一种用途广泛的数控机床，按照不同方法分为不同种类。 1、按主轴轴线位置方向分为数控立式铣床、数控卧式铣床。 一、数控铣床的分类和特点   （一）数控铣床的分类 数控铣床是一种用途广泛的数控机床，按照不同方法分为不同种类。 1、按主轴轴线位置方向分为数控立式铣床、数控卧式铣床。 2、按加工功能分数控铣床、数控仿形铣床、数控齿轮铣床等。 3、按控制坐标轴数分两坐标数控铣床、两坐标半数控铣床、三坐标数控铣床等。 4、按伺服系统方式分为闭环伺服系统、开环伺服系统、半闭环伺服系统数控铣床等。

（二）数控铣床的特点 数控铣床一般都能完成铣平面、铣斜面、铣槽、铣曲面、钻孔、镗孔、攻螺纹等加工，一般情况下，可以在一次装夹中完成所需的加工工序。 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0.0001mm，能保证工件精度。数控加工还可避免工人的操作误差，一批加工零件的尺寸同一性特别好，定位精度比较高，在加工各种复杂模具中显示较好的优越性。 数控铣床的最大特点是高柔性，一般不需要使用专用夹具工艺装备，在更换工件时，只

需调用存储于计算机中的加工程序，装夹工件和调整刀具数据即可，能大大缩短生产周期。 一般的数控铣床都具有铣床、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的装夹误差。 数控机床加工极大地降低了劳动强度，机床操作者的劳动趋于智力型工作。 二、加工中心的分类和特点  （一）加工中心的分类 1、按照机床结构分类 分为立式、卧式、龙门式和万能加工中心。

图1-5 立式加工中心外形图

图1-6 卧式加工中心外形图 、

图1-7 龙门式加工中心外形图

2、按自动换刀装置分类 通常可以分为四类： 1）转塔头加工中心 转塔头加工中心有立式和卧式两种。主轴数一般为6~12个，这种结构换刀时间短、刀具数量少、主轴转塔头定位精度要求较高。一般主要以孔加工为主。 2）刀库+主轴换刀加工中心 这种加工中心特点是无机械手式主轴换刀，其换刀是通过刀库和主轴箱的配合动作来完成，并由主轴箱上下运动进行选刀和换刀，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。

3）刀库+机械手+主轴换刀加工中心 换刀装置是由刀库和机械手组成，换刀机械手完成换刀工作。 4）刀库+机械手+双主轴转塔头加工中心 这种加工中心在主轴上的刀具进行切削时，通过机械手将下一步所用的刀具换在转塔头的非切削主轴上。当主轴上的刀具切削完毕后，转塔头即回转，完成换刀工作，换刀时间短。

3、按加工中心完成功能特征分类 按功能特征分类，可分为镗铣、钻削和复合加工中心；按工艺用途可分为镗铣加工中心、车削加工中心、钻削加工中心、攻螺纹加工中心及磨削加工中心等。 1）镗铣加工中心 以镗铣为主，适用于箱体、壳体类零件加工以及各种复杂零件的特殊曲线和曲面轮廓的多工序加工，用于多品种、小批量的生产方式。 2）钻削加工中心 以钻削为主，刀库形式以转塔头形式为主，适用于中、小批量零件的钻孔、扩孔、较孔、攻螺纹及连续轮廓铣削等多工序加工。

3）复合加工中心 复合加工中心主要指五面复合加工，可自动回转主轴头，进行立卧加工，主轴自动回转后，在水平和垂直面实现刀具自动交换。 4、按加工中心机械结构特征分类 按工作台种类分，加工中心工作台有各种结构，可分为单、双和多工作台。设置工作台的目的是为了缩短零件的辅助准备时间，提高生产效率和机床自动化程度。最常见的是单工作台和双工作台两种形式。

5、按主轴结构特征分类 根据主轴结构特征分类，可分为单轴、双轴、三轴及可换主轴箱的加工中心。 （二）加工中心的特点 加工中心可以自动连续地完成铣、钻、扩、铰、锪、攻螺纹等多工序加工，适合于小型板类、盘类、壳体类、模具等零件的多品种小批量加工。它除了具有数控机床的共同特点外，还具有其独特的特点： 1、工序集中 2、强力切削 3、对加工对象的实用性强 4、加工生产率高

5、高速定位 6、减轻操作者的劳动强度 7、随机换刀 8、经济效益高 9、有利于生产管理的现代化 三、数控铣床及加工中心机械结构的主要组成部分 １、机床基础件，如床身，底座等。 ２、主传动系统，主轴电机及传动部分。主轴组件一般由轴承、支承、传动件和刀具夹紧等装置组成， ３、进给系统。进给系统由联轴节、滚珠丝杠、导轨等组成，如图1-8所示。

图1-8 滚珠丝杠

４、实现工件回转、定位的装置和附件。 实现回转运动通常采用回转工作台和分度工作台，分度工作台只是将工件分度转位，实现分别加工工件的各个表面的目的，而回转工作台除了分度和转位的功能外，还能实现圆周进给运动。 ５、自动换刀装置（ATC）。 带刀库的自动换刀系统是由刀库和换刀机构组成，刀库可以存放很多刀具。刀库类型分为盘式、链式和箱式，盘式刀库又称斗笠式刀库，容量较小；链式刀库容量较大，一般配有30把以上的刀具时采用，箱式刀库容量更大，空间利用率高，但是换刀时间长。刀库与主轴交换方式通常有机械手交换刀具方式和由刀库与机床主轴的相对运动实现刀具交换方式。

６、自动托盘交换装置(APC)。 托盘交换装置按其运动方式有回转式和往复式两种，托盘交换器在机床运行时是加工中心的一个辅件，完成或协助完成物料（工件）的装卸与交换，并起缓冲作用。 ７、辅助装置，如液压、气动、润滑、冷却、排屑、防护等装置。数控机床配备液压和气动装置来完成自动运行功能，液压传动装置使用工作压力高的油性介质，动作平稳，噪音较小；气动装置的气源容易获得，结构简单，动作频率高，适合频繁起动的辅助工作。如图1-9所示的直动式电液伺服阀等。

８、工具系统 一般分为整体式结构和模块式结构两大类。如图1-10所示刀具系统附件，图1-11对刀仪等，整体式刀具系统基本上由整体柄部和整体刃部（整体式刀具）两者组成，传统的钻头、铣刀、铰刀等就属于整体式刀具。模块式刀具系统是把整体式刀具系统按功能进行分割，做成系列化的标准模块（如刀柄、刀杆、接长杆、接长套、刀夹、刀体、刀头、刀刃等），再根据需要快速地组装成不同用途的刀具，当某些模块损坏时可部分更换。这样既便于批量制造，降低成本，也便于减少用户的刀具储备，节省开支，因此模块式刀具系统在使用中倍受推崇。

常用的是40、45、50号7：24长圆锥柄，在该系列中，我国的GB10944-89、德国的DIN69871、美国的ANSIL5 常用的是40、45、50号7：24长圆锥柄，在该系列中，我国的GB10944-89、德国的DIN69871、美国的ANSIL5.50都已与ISO7388标准趋于一致，在主轴端为同一锥度号的主轴孔，以及刀库、换刀机械手之间互相通用。如JT40－XS16－75，其中JT40表示刀柄型式及尺寸，其后数字为相应的ISO锥度号，40代表大端直径44.45的7:24锥度。BT表示采用日本标准MAS403号加工中心机床用锥柄形式；XS16表示刀柄用途及主参数；（XD装三面铣刀刀柄，MW无扁尾氏锥柄刀柄，XS装三面刃铣刀刀柄，M有扁尾氏锥柄刀柄，Z（J）装钻夹头刀柄，XP装削平柄铣刀刀柄）后面的数字表示工具的工作特性，75数字为其轮廓尺寸D或L。

图1-9 直动式电液伺服阀

图1-10 刀柄、对刀器、卸刀器等附件

图1-11 机外对刀仪

工作台尺寸（长×宽）:表示工作台面大小。 行程（X×Y×Z）:表示各轴向最大位移。 四、数控铣床及加工中心主要技术参数   工作台尺寸（长×宽）:表示工作台面大小。 行程（X×Y×Z）:表示各轴向最大位移。 主电机功率:表示主轴电机的额定功率，如7.5/11KW，正常工作可以维持在7.5KW，短时间负载功率可达11KW。 主轴转速范围（无级调速）　主轴转速的调整范围。 定位精度、重复定位精度　各轴定位的精确性。 进给速度　表示各进给轴快进速度。 工作台承重　工作台承受的最大重量。

刀　　柄 ：主轴使用刀柄格式，换刀方式以及换刀时间，刀柄承重和回转直径等。 数控系统：机床使用的控制系统。 机床重量：机床总重量。 五、数控铣床及加工中心的选用原则 １、数控铣床的选用 　数控铣床的选择主要由被加工的零件、加工精度，零件的批量等决定。 　规格较小的数控铣床，其工作台宽度多在400mm以下，它最适宜中小零件的加工和复杂形面的轮廓铣削任务。规格较大的数控铣床，工作台在500mm以上，用来解决大尺寸复杂零件的加工需要。

　　根据加工零件是二维还是三维轮廓的几何形状决定选择两坐标联动和三坐标联动的数控机床，也可根据零件加工要求，增加数控分度头或数控回转工作台，加工螺旋槽、叶片零件等。 　　对于大批量的零件加工，用户可采用专用铣床；中小批量而又是经常周期性重复投产的产品，采用数控铣床是非常合适的，因为第一批量中准备好多工夹具、程序等可以存储起来重复使用。 ２、加工中心的选用

　　加工中心选用主要是由加工零件的复杂程度、精度、加工工序等因素确定。一般来说：具备下列特点的零件适合在加工中心加工： 　　需要用许多把刀具在一个工件上进行加工的零件；有定位孔距精度要求的多孔加工，定位繁琐的工件；重复生产型的工件；复杂形状的零件：如模具、航空用零件等；能借助自动编程软件编程的各种异形零件；箱体类、板类零件适合在卧式加工中心上加工，如主轴箱体、泵体、阀体、内燃机缸体等。连顶面也要一次装夹中加工，可选用五面体加工中心。立式加工中心适合加工箱盖缸盖、平面凸轮等。

　　龙门加工中心用于加工大型箱体、板类零件，如内燃机车缸体、加工中心立柱、床身、印刷墙板机等。 ３、选择数控铣床与加工中心加工零件时注意事项 　　由于零件加工的工序多，使用的刀具种类多，甚至在一次装夹下，要完成粗加工、半精加工与精加工，应周密合理地安排各个工序的加工顺序，有利于提高产品的质量与生产效率。 　　根据加工批量等情况决定换刀形式，对于换刀比较频繁时，就应选择加工中心进行加工，而

对于换刀不频繁工序单一的加工时，宜采用铣床加工，减少了刀具的调整时间，提高效率。 　　加工编程时应充分考虑到换刀的空间，以免发生撞刀事故，有条件的采用机外预调刀具参数，便于操作者在运行程序前，及时修改刀具补偿参数。 　检验与试切工作，对于手工编程有很多人为因素造成错误，所以在加工前要认真进行程序的检查与较验，以防不测事件发生。

思考练习题 1-1    什么是数控、数控技术、数控系统和数控机床？ 1-2    数控机床由哪几部分组成？各有什么作用？ 1-3    采用数控机床与普通机床加工相比较有何特点？ 1-4    数控铣床、加工中心按工艺用途有那些类型？各用于什么场合？