《数控机床与维修》课程学习指导

数控机床概论

学习导论：

随着科学技术的不断发展，对机械产品的质量和生产率提出了越来越高的要求。为了有效地提高产品质量、生产效率、降低生产成本、改善工人的劳动条件。一种新型的数字程序控制机床应运而生。它有效地解决了在普通机床加工中存在的缺点和不足，为单件、小批量生产的精密复杂零件提供了自动化加工手段。本章主要介绍了数控机床的发展过程和趋势，数控机床的基本概念，数控机床的组成、工作原理及分类，数控加工的特点。使读者对数控机床相关知识有一个全面的了解，建立对数控机床的总体认识，并为后面章节讲到的学习要点作好铺垫。

学习小结

1．点位控制、点位直线控制、轮廓控制系统。三者的区别主要在于控制的加工轨迹及运动状态不同。

2．开环、半闭环、闭环伺服系统。三者的区别在于系统中有无反馈装置及反馈装置的安放位置的不同，并且加工精度逐一提高。

3．数控系统和伺服系统。它们是数控机床区别于普通机床的基本特征。

数控机床的典型部件

学习导论：

本章主要包含六部分内容：数控机床的主轴驱动装置；数控机床进给系统；数控机床的导轨；数控机床的位置检测装置；数控机床辅助装置；数控机床刀具。

通过本章的学习，你将获得以下知识：

１）数控机床主轴驱动装置的基本要求，主轴驱动装置的工作原理和类型，数控机床主轴驱动方式、特点及应用范围，数控机床主轴的机械结构，高速主轴与电主轴的基本知识。

２）数控机床进给系统的机械结构的基本要求，数控机床进给系统齿轮传动副、滚珠丝杆螺母副、数控机床联轴器的组成、工作原理、基本分类、结构特点和消除间隙的方法，数控回转工作台及分度工作台的工作原理和使用场合，高速数控机床进给系统基本要求，传统进给系统存在的问题及其解决问题的途径。

３）数控机床导轨的基本要求，数控机床导轨的类型、结构和特点，数控机床导轨的润滑与防护。

４）数控机床位置检测装置的基本要求，数控机床位置检测装置的类型，常见位置检测装置的结构及工作原理。

５）数控机床自动排屑装置的作用和典型的自动排屑装置，数控机床液压与气压装置的功能。

６）数控机床刀具的基本要求、种类和刀具材料，数控机床刀具系统的构成，数控机床刀具的选择，高速加工刀具技术。

通过以上内容的学习，能够使学生理解数控机床典型部件在数控机床中的重要作用，从而 为合理使用数控机床，正确编制加工程序，维修、维护、调整数控机床奠定一定的理论基础。高速加工技术是近年来迅速崛起的一项先进制造技术，本章特别增加了一些高速加工的内容，以开阔学生眼界。

学习小结

本章主要介绍了数控机床的典型部件，通过本章的学习，你已经掌握了以下六个方面的知识：数控机床的主轴驱动装置；数控机床进给系统；数控机床的导轨；数控机床的位置检测装置；数控机床辅助装置；数控机床刀具。下面是学完本章后应该掌握的要点：

一、数控机床的主轴驱动装置

1．对主轴驱动的要求

包括宽的调速范围，高的输出功率，实现恒线速度加工以及刀具的自动更换等。

2．数控机床主轴驱动方式、支承方式

（1）主轴传动的三种配置方式：分段无级变速、带传动变速以及电机直接驱动方式；

（2）主轴三种常见的支承方式、各自的特点及应用范围：有满足强力切削的主轴、有用于高速，轻载，高精密的数控机床的主轴以及用于中等精度，低速，重载的数控机床的主轴；

3．数控机床的润滑与密封：常见的密封与润滑方式与结构；

4．典型主轴部件：包括高速主轴与电主轴的结构和特点、JCS-018A主轴部件的带传动方式、刀具自动夹紧及换刀机构的结构及工作原理、利用压缩空气的切屑清除装置和主轴准停装置。

二、数控机床进给系统

１．对数控机床进给系统的机械结构的要求：高传动刚度、高谐振、低摩擦、低惯量、无间隙等要求。

２．数控机床上直齿圆柱齿轮副、斜齿圆柱齿轮副、锥度齿轮副、齿轮齿条副常用刚性调整法或柔性消隙方法。

３．滚珠丝杆螺母副的工作原理和特点，结构类型，滚珠丝杆副的支承方式，滚珠丝杆螺母副的制动装置，滚珠丝杆螺母副的密封与润滑。

4．数控机床回转工作台及分度工作台的结构特点、定位夹紧方式、回转或分度运动的实现。

三、数控机床的导轨

1．对导轨的基本要求：结构简单、工艺性好、导向精度高、精度保持性好、低速运动平稳。

2．机床上常用的导轨：以贴塑、注塑为代表的滑动导轨、以滚动导轨块为代表的滚动导轨和液压导轨的结构特点及适用范围。

3．导轨的油润滑和脂润滑润滑方式、每种润滑方式的应用场合以及导轨面上应有可靠的防护装置。

四、数控机床的位置检测装置

1．对位置检测装置的要求：能满足精度和速度的要求；能可靠地工作、抗干扰能力强；能长期保持精度、成本低、寿命长；易于与数控系统连接、使用维护简单方便；易于实现高速的动态测量和处理、易于实现测量自动化。

2．由于工作条件和测量要求不同，数控机床常用以下几种测量方式：绝对值测量方式和增量测量方式、数字式测量和模拟式测量、直接测量和间接测量。

3．常用的位置检测元件：光电编码器、感应同步器、光栅、旋转变压器

五、现代数控机床在实现全自动化加工的过程中，除数控系统外，自动排屑装置、液压装置等辅助设施同样具有很重要的作用。

六、数控机床刀具

１．数控机床刀具的基本要求。

2．机床刀具的种类：从刀具的结构来分有整体式、镶嵌式、减振式、内冷式、特殊形式；从切削工艺的不同有车削刀具、孔加工刀具、铣削刀具；根据数控机床刀具系统的发展，又有整体式刀具系统和模块化式刀具系统。

3．数控刀具采用的材料：高速钢刀具、硬质合金刀具、陶瓷刀具、立方氮化硼刀具、聚晶金刚石刀具。

4．数控机床刀具的选择，刀片(刀具)的选择、镗孔(内孔)刀具的选择和铣刀的选择。

数控车床

学习导论：

本章主要包含这样几个部分的内容:数控车床的工艺用途和主要构成；常见数控车床的布局形式；数控车床的分类；MJ-50数控车床以及车削中心。重点介绍了MJ-50数控车床的机械传动链、典型结构（包括主轴箱、纵向进给装置、横向进给装置、回转刀架、自动定新卡盘等）、数控车床加工螺纹的方法以及液压系统等。同时也较详细地介绍了车削中心的C轴功能、传动系统和典型结构，从而对数控车床的机械结构有一个较全面的了解。

学习小结

数控车床与普通车床在从驱动方式、传动链、传动件结构上是有区别的：数控车床的主运动和各方向的进给运动都是由独立的电机驱动，传动链短，传动件结构上从减小摩擦力、消除传动侧隙等都有一定的措施；而普通车床主运动和进给运动之间存在着机械联系，传动链长，采用普通丝杠螺母副传动。

数控车床的布局型式：主轴箱和尾座的布局形式与普通车床类似；床身和导轨的布局形式，分为水平床身水平导轨、水平床身倾斜导轨、倾斜床身倾斜导轨等几种方式；刀架的布局有回转轴线垂直于主轴轴线、回转轴线平行于主轴轴线等方式。

MJ-50数控车床采用半闭环数控系统，数控车床有四条传动链，包括主运动传动链；纵、横向进给运动传动链；回转刀架传动链。采用了水平床身倾斜滑板的布局形式，纵向进给装置采用锥环传递扭矩，横向进给装置丝杠有制动措施，机床采用卧式回转刀架及自动定心液压卡盘。

数控铣床

学习导论：

数控铣床是一种由计算机控制具有广泛通用性和较大灵活性的高度自动化的新型机床。它有双轴、三轴、四轴、五轴联动等功能，适用于加工具有各种平面或立体曲面等形状复杂、精度要求高的工件。本章主要以XKA5750数控铣床为例，介绍数控铣床的基本组成和传动系统，重点介绍了万能铣头、工作台纵向进给机构、升降台以及数控回转工作台等典型部件的结构及工作原理。

学习小结

数控铣床分为立式数控铣床、卧式数控铣床以及立卧两用数控铣床，并可进行多轴联动。

XKA5750数控立式铣床由机床本体部分和控制部分构成。机床本体部分存在工作台纵向移动、升降滑座垂直升降运动以及滑枕的横向进给运动。

万能铣头通过两个互成45°的回转面A和B调节主轴的方位，使主轴轴线处于前半球面的任意角度位置。

工作台的纵向移动通过滚珠丝杠螺母副实现，在伺服电机中的脉冲编码器使系统成为半闭环系统。丝杠的支承需要预紧，以提高刚度和减小丝杠的热变形。

由于丝杠没有自锁能力，升降工作台垂直升降机构需要制动装置和自动平衡机构。

加工中心

学习导论：

本章主要包含五个部分的内容：加工中心的特点；加工中心的基本构成；加工中心的常见类型；加工中心的自动换刀系统以及JCS-018A加工中心体系结构。

加工中心是一个工序高度集中、自动化程度高的机电一体化设备，工件一次装夹后可以进行多工序加工。加工中心由基础部件、主轴部件、伺服进给装置、CNC系统、自动换刀装置以及辅助装置等构成。加工中心有多种分类方法，既可以按照主轴的布局形式分，也可以按照换刀方式的不同进行分类。加工中心的自动换刀系统包括刀库、刀库驱动及分度装置、刀具识别装置、刀具交换装置等，刀具的选择方式有顺序选刀、编码选刀以及软件选刀等。作为一个示例，本章重点介绍了JCS-018A加工中心的工艺用途、主要构成及主要结构。

学 习 小 结

本章从加工中心的特点、加工中心的基本构成、加工中心的分类、加工中心的自动换刀系统、典型加工中心机床等多个方面介绍了加工中心的典型结构及数控系统。

加工中心的典型特征是具有刀库和自动换刀装置，工件一次装夹后可以进行多工序加工。加工中心由基础部件、主轴部件、伺服进给装置、CNC系统、自动换刀装置以及辅助装置等构成。其中主轴部件要实现带动刀具旋转、刀具的自动夹紧、切屑清除和主轴准停等功能。加工中心的自动换刀系统包括刀库、刀库驱动及分度装置、刀具识别装置、刀具交换装置等，刀库中存放着加工过程中需要的所有刀具，刀库能够在数控指令的要求下作选刀旋转运动，并能在规定的位置准停。JCS-018A加工中心是一台立式加工中心，主轴带动刀具的旋转运动为机床的主运动，工作台可以作纵横向进给运动，主轴箱实现垂向进给运动。主轴通过端面键带动刀具旋转，采用电气式主轴准停装置，通过压缩空气对装刀位置进行吹扫。JCS-018A加工中心采用卧式圆盘刀库，软件选刀，由机械手实现换刀。JCS-018A加工中心采用FANUC-BESK  7CM CNC 系统。

数控磨床

学习导论：

数控磨床用于对工件特别是高硬度材料工件进行精密加工。本章主要介绍了数控外圆磨床、数控坐标磨床以及数控工具磨床的主要构成、存在的运动以及典型部件的结构。通过对这部分内容的学习，可以掌握常见数控磨床的结构及工作原理。

学习小结

数控磨床常用于对工件的精加工，尤其是淬硬钢件、高硬度材料的精加工。

数控外圆磨床由床身、工件头架、工作台、砂轮架、尾架、砂轮架横向进给机构、工作台纵向进给机构等构成，存在砂轮旋转主运动、砂轮架的横向进给运动、工件旋转的圆周进给运动以及工作台带动工件的纵向进给运动等运动。砂轮架主轴带动砂轮旋转并由“三瓦”动压滑动轴承支承。砂轮架的横向进给运动采用直流伺服电机经滚珠丝杠传动。

数控坐标磨床具有精密坐标定位装置。砂轮磨头可高速旋转并作Z轴冲程运动、主轴箱中的主轴可作C轴旋转运动从而实现高速磨头的行星运动，而磨头的公转直径可通过U轴拖板进行调节。

数控工具磨床用于刃磨各种形状复杂而无法用常规方法刃磨的刀具，各个方向的运动均可通过数控系统控制进行动作或实现联动。

电火花加工机床

学习导论：

本章主要介绍了电火花加工的原理、电火花加工机床的常见类型、电火花加工机床的基本构成、电火花加工设备的主要部件结构。通过本章的学习，能够全面地了解影响电火花加工的工艺因素。正是因为这些加工工艺的要求，决定了电火花加工设备自身的结构特点：详细介绍了电火花加工机床典型结构如主轴头、平动头、油杯以及工作液系统等的结构及工作原理。

学习小结

电火花加工必须具备这样几个条件：必须使两极表面之间经常保持一定的放电间隙；所使用的电源应该具有脉冲性、间歇性；电火花加工必须在绝缘的液体介质中进行。电火花加工的最大特点是不受待加工工件材料硬度的限制。放电间隙、加工斜度、电规准参数、电极损耗、极性效应等均是影响电火花加工的工艺因素。

目前所使用的电火花加工设备多是数控的穿孔、成形类机床。主轴头是电火花加工机床的主要部件，工具电极被安装在主轴头上，由自动控制系统控制主轴头作伺服进给运动，以保证合适的放电间隙。平动头是主轴头的重要附件，是实现单电极型腔电火花加工的必备工艺装备，其作用是用一个电极便能实现对工件的粗、精加工，决定了平动头上所有点都绕其原始位置作小圆周运动的结构特点。油杯可实现加工过程中的冲油和抽油，工作液系统保证工作箱中工作液的清洁和良好的绝缘性性能。

电火花数控线切割加工机床

学习导论：

数控线切割机床是通过线电极对工件进行电加工的设备，待加工工件的形状完全通过工作台相对于电极丝的运动而形成。本章主要介绍了线切割加工的原理、影响线切割加工的工艺因素、线切割加工机床的基本构成、线切割加工机床的主要运动以及包括坐标工作台、储丝走丝部件、丝架导轮部件等在内的典型结构及工作原理，同时也简单介绍了线切割机床的数控系统。

学习小结

数控线切割技术是电火花加工技术的特例，线切割加工必须满足工件与电极丝之间保持合适的放电间隙、使用合适的电规准参数、必须有一定绝缘性能的工作液以及满足运动要求等条件。脉冲宽度、脉冲间隔、加工电压幅值、加工电流幅值、放电波形、电加工极性、工作台进给速度以及电极丝的材料等都是影响线切割加工的工艺因素。

线切割加工机床由纵横向工作台、储丝走丝部件、丝架导轮部件、工作液循环系统等构成。工作台相对于电极丝作纵横向进给运动，形成待加工工件的形状并达到精度要求。储丝筒要做旋转运动和轴向运动以避免电极丝在筒上重叠。储丝走丝机构分为快走丝机构和慢走丝机构。丝架的作用是通过丝架上的导轮来支撑电极丝，保证电极丝与工作台面成一定的角度及电极丝合适的张紧力。为了满足不同厚度工件的加工要求，机床常采用可变跨距机构的丝架。

数控线切割机床控制系统主要具备轨迹控制和加工控制两大功能。

数控多轴联动激光加工设备

学习导论：

数控激光加工设备是集光、机、电技术于一体的先进加工设备，适合于加工和处理多种材料并能对加工过程进行自动控制，具有广泛的用途。本章重点介绍了数控激光切割设备和数控多轴联动激光加工设备的基本构成、激光器的工作原理和类型、设备存在的基本运动和典型设备的基本结构及工作原理等。通过本章的学习，对激光加工设备的作用、工作原理及应用范围有一定的了解。

学习小结

数控激光加工设备能对材料进行热处理、表面熔覆、切割和焊接、并能对加工过程进行自动控制，因而在工业具有广泛用途。

数控激光切割设备是利用高功率密度激光束照射工件，使被照射的材料迅速熔化、汽化、烧蚀或达到燃点，从而实现将工件割开。分为激光汽化切割、激光熔化切割、激光氧气切割等类型。激光切割机床主要由激光器、导光系统、数控系统、伺服系统、割炬等构成，通过割炬、工作台的相互运动，可以切割出具有各种曲线或曲面的工件，满足不同的切割加工要求。常使用的激光器有CO₂激光器和YAG激光器，使用时要注意激光模式的选择、光斑直径大小的调整以及割炬透镜焦距的调整等。

数控五轴联动激光加工机床是一种多功能加工设备，可以实现热处理、表面熔覆、切割、焊接、焦点位置的自动检测与控制等功能。由机床本体、激光器、外光路系统及数控系统构成。通过激光束处于不同的模式（高阶模、低阶模）以及更换不同的“光头”，获得不同的加工效果。机床本体能够实现五轴联动，对于每一个运动，都由独立的伺服电机驱动。机床的CNC系统的功能由工控机实现。

三坐标测量机

学习导论：

本章主要介绍三坐标测量机的类型、三坐标测量机的基本构成、三坐标测量机的测量方式以及ZOO典型三坐标测量机。通过本章的学习，可以了解三坐标测量机的作用、工作方式、三个方向运动的实现、各坐标轴的支承方式、典型测头的结构及工作原理等。

学习小结

三坐标测量机是一种高效、高精密的测量仪器，有多种结构形式。三坐标测量机主要由测量机主体部分、测量系统、控制系统和数据处理系统构成。三坐标测量机有三种测量方式：直接测量、程序测量和自学习测量。ZOO三坐标测量机是一种小型测量机，采用点位测量方式，测头的纵横向直线进给运动由直流伺服电机通过光杆与斜轮传动来实现，并通过空气轴承支承。工作台、横梁及Z轴采用优质花岗岩材料，不易变形。同时采用电气接触式测头作为检测元件。ZOO三坐标测量机采用专用数控系统，能够实现连续轨迹控制功能。