数控铣削类加工项目实训

12　数控铣、加工中心、数控雕铣技术与项目实训

12.1　数控铣削类加工项目实训

12.1.1　实训目的和要求

1）基本知识

（1）了解数控技术在铣削加工中的应用及数控铣削加工特点。

（2）了解数控铣床、加工中心、数控雕铣机的工作原理、主要组成部分及其作用。（3）熟悉数控铣床、加工中心、数控雕铣机的程序编制和操作。

（4）掌握数控铣床加工零件的工艺过程和基本操作方法。

2）基本技能

（1）熟悉数控铣床、加工中心、数控雕铣机的基本操作与保养。

（2）掌握数控铣削类机床的安全操作规范。

（3）了解工件与刀柄的正确安装与调试。

（4）熟悉面板功能及机床手动、自动方式操作。

（5）能根据零件轮廓图编制加工程序，程序输入并模拟（含仿真训练）。

（6）掌握对刀（建立工件坐标系）的基本操作及简单零件的加工过程。

12.1.2　实训设备使用规程及操作安全守则

为了合理正确地使用数控机床，保证机床正常运转及操作者的安全，必须制定比较完整的安全操作规程，通常应注意以下一些方面：

（1）机床通电后，检查各开关、按钮和键是否正常、灵活，机床有无异常现象。

（2）检查电压、气压、油压、润滑系统是否正常。

（3）各坐标轴要手动回参考点，若某轴在回零前已经处在或超出零位，必须先将该轴移动离开零点一段距离后，再手动回零。

（4）数控机床空运转达15min以上，使机床达到热平衡状态。

（5）程序输入后，应认真核对，其中包括代码、指令、地址、数值、正负号、小数点及语法等保证正确无误。

（6）按工艺规程安装找正夹具。

（7）正确测量和计算工件坐标系，并对所得结果进行验证。

（8）将零偏数值正确输入到规定的参数区，并认真核对。

（9）未安装工件之前可空运行一次程序，观察程序是否顺利执行，刀具长度选取和夹具安装是否合理，有无超程现象。

（10）正确设置刀具的几何参数，要对刀号、补偿值进行认真核对。

（11）检查夹具、工件在加工中是否与刀具发生碰撞等干涉现象。

（12）无论是首次加工的零件，还是周期性重复加工的零件，首件都必须对照图样工艺、程序和刀具调整卡，进行逐段程序的试切。

（13）单段试切时，倍率旋钮应打到较低档。（西门子系统的ROV应设置有效）

（14）程序运行过程中，要观察数控系统上的坐标显示，与机床的实际运动进行比对，检查二者是否一致。

（15）试切进刀时，在刀具运行距离工件较近时，应减慢进给速度，检查各轴余程与图样是否一致。

（16）程序修改后，对修改部分一定要严格检查和认真核对。

（17）手摇进给和手动进给时，必须检查各种开关所选位置是否正确，严格判断正负方向，防止方向出现错误而发生撞刀事故。

（18）当加工程序出现异常情况时，按下机床操作面板上的“急停”按钮，机床各运动部件在运动中紧急停止，数控系统复位。排除故障后要恢复机床工作，必须进行手动返回参考点操作。如果在换刀过程中按了急停按钮，必须用MDI方式把换刀机构调整好。

（19）两人及以上操作同一台机器时应以一人为主，相互合作，互相照应。

（20）机床运行时应关闭舱门，不要将头手伸入机床，如有特殊需要，应注意安全。

（21）加工完毕，应清扫机床，并将各坐标轴停在中间位置。

12.1.3　项目实训内容

（1）利用常用编程指令进行编程训练。

（2）利用高级编程指令进行编程训练。

（3）仿真软件操作及机床基本操作训练。

（4）对刀及刀具补偿设定及实际加工训练。

（5）CAD/CAM、程序传输及实际加工训练。

（6）数控雕铣编程及雕铣机操作训练。

12.2　数控铣削加工

数控铣床是一种功能强大的机床，它的加工范围较广，工艺也很复杂，涉及的技术问题较多。目前迅速发展的加工中心、柔性制造系统等都是在数控铣床的基础上生产和发展起来的。

图12-2-1　立式数控铣床

图12-2-2　卧式数控铣床

数控铣床主要用于平面和曲线轮廓等的表面形状加工，也可以加工一些复杂的型面，如模具、凸轮、样板、螺旋槽等。还可以进行一系列孔的加工，如钻、扩、镗、铰孔和锪孔加工。另外，在数控铣床上还可以加工螺纹。

12.2.1　数控机床的分类

根据主轴的不同位置，数控铣床也像普通铣床那样分为立式（图21-2-1）、卧室（图12-2-2）和立卧两用式数控铣床，以及龙门数控铣床（图12-2-3）等。立式数控铣床一般适合加工平面、凸轮、样板、形状复杂的平面或立体零件以及模具的内外表面等；卧式数控铣床适合加工箱体、泵体、壳体类零件。

根据系统进行分类，有经济型（图12-2-4）和全功能型的数控铣床。

图12-2-3　龙门数控铣床

图12-2-4　经济型数控铣床

12.2.2　数控铣床的功能

各类数控铣床由于其配置的操作系统不同，其功能也不尽相同。以下内容按SIEMENS系统为例进行介绍。

1）点位控制

利用这一功能，数控铣床可以进行只需要点位控制的钻孔、扩孔、铰孔、镗孔、锪孔等表面的加工。

2）轮廓控制

数控铣床利用直线插补和圆弧插补的方式，可以进行刀具运动轨迹的连续轮廓控制，加工出由直线和圆弧两种几何要素构成的各种轮廓工件。对于一些非圆曲线，如椭圆、双曲线、抛物线等二次曲线及螺旋线和列表曲线等构成的轮廓，在经过直线和圆弧逼近后，也可以加工。

3）刀具半径自动补偿

利用这一功能，在编程时可以很方便地按工件的实际轮廓形状和尺寸进行编程计算，在实际加工中，刀具的中心会自动偏离工件轮廓一个距离，这个距离（称为刀具半径补偿量）可以根据实际需要自由设定，从而加工出符合要求的轮廓表面。利用这种功能，即使使用不同半径的刀具，也不需要修改程序，都可以加工出相同的轮廓；也可以利用该功能，通过修改刀具半径补偿量的方法来弥补铣刀制造的尺寸精度误差，扩大刀具半径选用范围及刀具半径返修刃磨的允许误差。还可以利用改变刀具半径补偿值的方法，以同一程序实现分层铣削和粗、精加工或用于提高加工精度。另外，通过改变刀具半径补偿值的正负号或修改程序里的刀具补偿方向，可以用来加工某些需要配合的工件。

4）刀具长度补偿

在无须修改加工程序的情况下，利用该功能可以自动改变切削平面高度，同时可以降低在制造与返修时对刀具长度尺寸的精度要求，也可以用来补偿刀具轴向对刀误差。

5）子程序调用

利用该功能可以使程序编写过程大大简化，减少程序内容。当刀具要反复执行一些相同的动作时或被加工的工件表面有相同的形状（尺寸相同，或者成一定的比例关系，也可以是一定的角度关系）时，可以将其写成子程序，反复调用。同一主程序可以反复调用不同的子程序，不同的主程序也可反复调用同一子程序。在手工编程时，常使用该功能。

6）固定循环调用

利用该功能也可用来简化程序编写。对于工件上出现的一些较为典型的表面形状，如孔、圆、矩形、圆槽、端面加工等，数控机床的数控系统已经设置好这样的一些固定循环的模块，在程序编写的过程中可以进行直接调出该循环，根据其中的各项参数进行实际设定，就可以加工大小不同或形状不同的工件轮廓及孔径、孔深不同的孔。

7）偏移、镜像、旋转、缩放加工功能

偏移：利用此项功能可将要加工的表面形状移到其他的任何位置；

镜像：利用此项功能，只要编写出整个对称图形的基本部分形状，可以将整个图形加工出来；

旋转：利用此项功能，可将程序编制的基本形状沿着基准点在360°内任意旋转加工；

缩放：利用此项功能，可将程序编制的基本形状沿着基准点根据各轴的不同比例进行缩放加工。

特别指出的是，上述各种功能不仅可以单独使用，操作者也可以根据实际的加工需要灵活、综合的运用这些功能！

12.2.3　数控铣床基本编程指令及规则（SIEMENS）

1）坐标系

（1）机床坐标系（MCS）

图12-2-5　数控铣床坐标

机床坐标系有三根坐标轴：X、Y、Z，各轴位置（图12-2-5）符合右手笛卡儿坐标系的位置关系。轴的正负方向为刀具相对工件的运动方向（刀具不一定做绝对运动），坐标系的原点定在机床零点，是所有坐标轴的零点位置；该点作为参考点，位置由机床制造厂家确定。机床通电后，一般各轴需执行回参考点的操作，从而建立机床坐标系。

（2）工件坐标系（WCS）

图12-2-6　工件坐标系

工件坐标系是为了方便编写程序而设定的坐标系，也称编程坐标系。坐标原点的位置由编程人员根据加工的实际需要自由设定，各坐标轴的方向与机床坐标系应保持一致（图12-2-6）。实际加工时，工件坐标系是要建立在机床坐标系基础上的，如果机床坐标系的零点发生漂移，工件坐标系的零点位置也会同步变化。

（3）各坐标系的位置关系

编程人员可以利用各种指令，根据实际需要来偏移工件坐标系的零点位置，从而可以建立三级（二、三、四级）工件坐标系，具体关系见图12-2-7。

需要特别指明的是，底层坐标系发生变化时，上层坐标系的绝对位置也会同步发生变化。此关系也仅限于西门子系统，其他的操作系统不可盲目套用。

可设定的零点偏置指令：G54（G55、G56、G57、G58、G59），用该组指令建立工件坐标系与机床坐标系的关系如图12-2-8所示。

图12-2-7　SIEMENS系统各坐标系的关系

图12-2-8　工件坐标系与机床坐标系的关系

西门子系统特别提醒：用G54～G59建立的工件坐标系，只有在程序运行了此指令后才会激活该层工件坐标系；若运行M02指令或按动RESET（复位）键便会关闭该层工件坐标系。

2）程序名称

主程序　如：RAHMEN32（.MPF）

开始的两个字符必须是字母；

其后的符号可以是字母、数字或下划线；

最多为16位字符；

不得使用分隔符。

子程序　如：L888（.SPF）

子程序名为L1～L9999999

主程序中调用子程序的格式为L…P…（P为1～9999），P为循环次数。

3）程序结构

NC程序由各个程序段组成；

每个程序段执行一个加工步骤；

程序段由若干个字组成；

最后一个程序段包含程序结束符：M02；

程序结构见表12-2-1。

表12-2-1　程序结构

注意：

（1）一个程序段中应含有执行一个工序所需的全部数据；

（2）程序段中有很多指令时建议按以下顺序：

4）基本编程指令

SIEMENS系统指令见表12-2-2.

表12-2-2　SIEMENS　系统指令表

续　表

（1）运动指令　G00　G01　G02　G03

①G00　快速线性移动指令

该指令用于快速定位刀具，不可对工件表面进行加工。可以在几个轴上同时执行快速移动，由此产生一条线性轨迹。

编程举例：N10　G00X10Y20Z-2

②G01　带进给率的线性插补指令

刀具以直线方式从起点出发移动到目标点，以地址F下编程的进给速度运行，所有坐标轴可以同时运行。

编程举例：N10　G01X1Y20Z-5F80

注意：利用该指令对工件表面进行切削时，必须启动主轴旋转！

③G02　顺时针圆弧插补　　G03　逆时针圆弧插补

刀具沿着圆弧轮廓从起点运行到目标点。在各个平面内的方向如图12-2-9所示。

图12-2-9　圆弧插补平面

圆弧插补指令格式（图12-2-10）：

G02/G03圆心终点格式

G02/G03半径终点格式

说明：只有圆心终点格式才可以编辑整圆。

CR＝-　表明该圆弧段是一个大于半圆的圆弧段。

本组中的指令均为一直有效，直到被本组的其他指令取代！

图12-2-10　（XY平面）圆弧插补图解

（2）进给率　F

指刀具轨迹速度，它是所有坐标轴移动速度的矢量和；

进给率在G1、G2、G3插补方式中生效，并一直有效，直到被新的F地址取代！

（3）G94　G95

G94　直线进给率　毫米/分钟

G95　旋转进给率　毫米/转　（只有主轴旋转才有意义）

编程举例：

N60　G94G01X25Y50Z-2F100　刀具以每分钟100毫米的速度从起点出发直线移动到目标点

N70　G95G02X55CR＝15F0.1　　刀具以主轴每转1圈移动0.1mm的速度从起点出发沿圆弧路径移动到目标点

（4）绝对和增量位置数据指令：G90，G91，AC，IC

绝对位置数据输入：　　　　G90　　该指令表示坐标系中目标点的坐标尺寸。

增量（相对）位置数据输入：G91　　该指令表示各轴待运行的位移量。

X（Y、Z）＝AC（____）；　某轴以绝对尺寸输入，程序段方式

X（Y、Z）＝IC（____）；　某轴以相对尺寸输入，程序段方式

编程举例：

N10G90G01X10Z50F100　　　；绝对尺寸

N20X25Y20Z＝IC（-10）　　　；X、Y是绝对尺寸，Z是增量尺寸

N30G91G01X10Y20　　　　；转换为增量尺寸

N40X-10Y＝AC（10）　　　　；X仍然是增量尺寸，Y是绝对尺寸

（5）平面选择指令：G17　G18　G19

功能：

①在计算刀具长度补偿和刀具半径补偿时必须首先确定一个平面，即确定一个两坐标轴的坐标平面，在这个平面内进行刀具半径补偿；

②在垂直这个平面的坐标轴上进行刀具长度补偿；

③确定在不同平面上的圆弧旋转方向。

表12-2-3　平面及补偿坐标轴

（6）公制尺寸指令G71；英制尺寸指令G70

功能：系统根据所设定的状态把所有的几何值转换成公制尺寸或英制尺寸。

编程举例：N10　G70X20Z40　　　；英制尺寸

N20　X30Z50　　　　　；G70继续有效

N30　G71X18Z25　　　；转换成公制尺寸

（7）暂停　G04

功能：在两个程序段之间插入G04程序，可以使加工暂停给定的时间。

编程格式：G04F ；暂停时间（秒）

G04S ；暂停主轴转数

编程举例：

N10S600M03　　　　；启动机床主轴

N20　G01Z-10F50　　；

N30　G04F2　　　　　；暂停2秒

N40　Z50　　　　　　；

N50　G04S20　　　　；主轴暂停20转，（若主轴为S400，倍率100%，则暂停时间为

0.05分钟）

G04在实际加工中的应用：

●切槽至槽底部时为了槽底平整，应暂停。

●加工平底孔时为了底孔平整，应暂停。

●攻螺纹至深度时，主轴需要反转，应暂停，然后反转退出工件。

●镗孔至深度时，防止拉出螺旋刀痕，应暂停再抬刀。

（8）辅助功能M

①暂停：M00

功能：在自动运行状态下，系统暂停进入下一程序段运行，在按动［循环启动］键后，继续运行下个程序段。

编程举例：

N40　G3X20Y20CR＝20F80

N50　M00　　　　　　　按动［循环启动］键继续运行下一程序段

N60　G1Y40Z-2

②程序选择停止　M01

功能：与M00类似，在包含M01的程序段执行以后，自动运行停止。只是当机床操作面板上的任选停止按下时，这个代码才有效。

应用：用于关键尺寸的检查或一些临时的停车。

③程序结束M02

功能：程序结束指令，通常写在程序最后一段；

光标自动返回程序第一段；

关闭G54建立的工件坐标系。

④M03　M04　M05

主轴顺时针旋转：M03

主轴逆时针旋转：M04

主轴停：　　　　M05

⑤M06　自动换刀指令（应用于加工中心）

⑥M07　M08　M09

功能：冷却液开：M07　M08

冷却液关：　M09

注意：该功能系统本身并无定义，具体由机床厂家设定。

（9）刀具T

功能：编程T指令可以选择刀具。在此，是用T指令直接更换刀具还是仅仅进行刀具的预选，必须要在机床数据中确定。

应用于加工中心：用T指令直接更换刀具。

数控铣床：选用当前工作的刀具号。

用T指令预选刀具（不换刀），还须用M06指令才可进行刀具更换。

编程举例：

N10　T2　　　　；预选刀具2

N20　M06　　　；执行刀具更换；然后T02有效

（10）刀具补偿号D

功能：用D及其相应的序号，可以编程专门一个切削刃，序号可以从D1到D9，如程序并未编写D指令，则系统执行默认D1；

D0表示刀具补偿值无效。

（11）主轴转速S

功能：当机床主轴可以受到系统控制时，主轴转速可以通过地址S进行设定，单位为转/分钟；主轴的旋转方向则由M指令规定。

编程举例：

N10　S500M03　　　；主轴以500转/分钟启动正转

N20　G0Z100

N30　S1000　　　　；主轴变速至1000转/分钟

…

N190　M05　　　　　；主轴停

…

N220　M03　　　　　；主轴启动，转速为1000转/分钟

5）综合编程示例

下图（图12-2-11右）为X/Y平面曲线式铣槽中心轨迹图，采用φ8成型键槽铣刀加工，Z轴切入工件1.5mm；用G54设定工件坐标系如图所示，工件上表面为Z轴0点。

图12-2-11　沟槽加工件

JX04（.MPF）

N10　G94G54G90G17G71　　激活（G54）工件坐标系

N15　T1D1　　　　　　　　　　调用1号刀具的1号刀沿参数

N20　G0Z100　　　　　　　　　Z轴定位至安全高度

N30　X0Y0　　　　　　　　　　X、Y定位至切入点

N40　M03S1000

N50　Z10　　　　　　　　　　下刀至慢速下刀位置

N55　M08

N60　G01Z-1.5F60　　　　　　切入工件至指定平面高度

N70　Y20F100

N80X20

N90　G3X32Y8CR＝12（或G3X32Y8I-12J0）

N100　G1Y0

N110G2X10Y0CR＝11（或G2X10Y0I-11J0）

N120　G1X0

N130　M09

N140　G1Z10F300　　　　　　　退刀

N150　G0Z100　　　　　　　　提升刀具至安全高度

N160　M05

N170　M02　　　　　　　　　　关闭工件坐标系、结束程序

12.2.4　数控系统操作面板、控制面板及软件功能

1）SIEMENS　802D键盘符号及定义（图12-2-12）

图12-2-12　SIEMENS系统控制面板

2）机床外部控制面板及定义（图12-2-13）

12-2-13　SIEMENS系统操作面板

3）屏幕显示状态（图12-2-14）

图12-2-14　屏幕显示状态

4）操作状态及其说明

（1）开机和回参考点

机床和数控系统通电后，不管刀具处于任何位置，其位置显示状态如图12-2-15，其实刀具不一定处于机床零点，所以首先应进行回参考点的操作，修复系统坐标的开机错误显示状态，使系统的零点和机床的零点完全一致。

操作步骤及说明：

图12-2-15　回参考点显示状态

●按动，进入回参考点状态；

●按动　分别将各坐标轴回到零点；

●坐标轴未回到参考点坐标轴已经回到参考点。

●各轴回参考点之前应处于零点以内。

●选择另一种运行方式（MDA、AUTO、JOG）结束该功能。

（2）　参数设定

①输入刀具参数和刀具补偿参数

按动进入刀具参数设定界面（图12-2-16）。

刀具参数包括刀具补偿长度、半径、磨损量参数和刀具型号。

通过以下步骤输入补偿参数：

●在输入区定位光标

图12-2-16　刀具参数设置状态

●输入适当数据

进行数据确认

清除刀具所有刀沿的补偿参数

刀具补偿值立即生效

建立新刀沿

建立一个新刀具的半径补偿（最多可建32个刀具）

②确定刀具补偿值

该功能可以计算刀具T未知的几何长度（图12-2-17）。

图12-2-17　测量刀具示意图

操作步骤如下：

●将主轴移至某一参考位置并设置X0、Y0、Z0（可利用G54）

●选择，打开刀具补偿值窗口，自动进入位置操作区。

●选择［手动测量］打开补偿值窗口（图12-2-18），按【设置长度】或【设置直径】，系统根据所选择的坐标轴计算出它们相应的几何长度和直径，并被存储。

●如果在刀具和工件之间装有间隔物，可以在［清除］区定义它的厚度。

图12-2-18　刀具测量显示状态

③输入或修改零点偏置值

在回参考点之后实际值存储器以及实际值的显示均以机床零点为基准，而工件的加工程序则以工件坐标系的零点为基准，这个差值就可以作为可设定的零点偏置量输入。

按进入零偏设置界面（图12-2-19）。

操作步骤：

●将光标移到适当位置；

●通过移动光标或［输入］键输入零点偏置的具体数值；

●选择［改变有效］，使数据立即生效。

图12-2-19　零偏设置状态

④自动计算零点偏置值

选择，进入如下操作界面（图12-2-20）

图12-2-20　自动计算零偏状态

操作步骤：

●将刀具移动至相对工件的所需位置（相对工件坐标系的已知位置）；

●按 ，选择零点偏置方式（如G54）；

●分别选定要计算的坐标轴，在偏置项输入偏置尺寸；

●选择［计算］，系统自动计算出零点位置，并实现同步保存。

（3）手动控制运行JOG方式

操作步骤及说明：

●选择进入位置显示状态；

●选择；

●操作相应的

…，实现手动控制坐标轴移动；

●按…，控制主轴运动；

●通过进给倍率和主轴转速倍率旋钮可以调节各轴移动速度或主轴转速（ROV必须有效）；

●可以选择［基本设定］设置基本零偏；

●选择［手轮方式］，通过旋转手轮移动各轴。

（4）手动输入运行MDI方式

操作步骤及说明：

●选择进入位置显示状态；

●按，激活编辑窗口；

●在已经激活的编辑区通过字符键输入程序段；

●按，执行输入的程序段；

●程序执行完毕，输入内容仍然保留，可以重新执行，也可将其删除。

●可以选择［端面加工］软键，直接调用循环执行端面铣削。

（5）自动运行方式

操作步骤：

●选择进入位置显示状态；

●按，显示状态如图（图12-2-21）；

●按，执行当前的程序。

软键功能说明：

图12-2-21　自动加工状态

所有到进给轴和主轴的数据被禁止输出，给定值区域显示当前运行数值。对单个程序段逐个解码，程序段结束时有一个暂停。

M01的暂停有效。

主轴转速倍率修调和进给倍率修调有效。

显示状态切换至刀具的运行轨迹线图。

由RS232接口连接外部计算机，通过执行［外部程序］实现DNC加工。

（6）程序输入

选择，打开程序管理窗口（图12-2-22）

在程序目录中，用光标移动键选择零件程序。也可直接输入该程序的名称进行查找。

部分软键功能说明：

选择将要执行加工的程序。

进入程序编辑窗口，输入新的程序。

图12-2-22　程序管理状态

打开当前程序，进行查看或编辑。

删除当前程序。

通过RS232接口将NC程序传至计算机。

通过RS232接口向数控系统装载NC程序。

在程序编辑状态下（打开状态），选择［模拟］软键，可以进行程序的模拟运行，显示刀具的运动轨迹线图（图12-2-23）。

图12-2-23　模拟显示状态

12.2.5　数控铣床的工艺装备及应用

与普通铣床的工艺装备相比较，数控铣床工艺装备的制造精度更高、灵活性好、适用性更强，一般采用电动、气动、液压甚至计算机控制，其自动化程度更高。合理使用数控铣床的工艺装备，能提高零件的加工精度。

1）数控回转工作台

图12-2-24　数控回转工作台

数控回转工作台可以使数控铣床增加一个或两个回转坐标，通过数控系统实现4坐标或5坐标联动，从而有效地扩大工艺范围，加工更为复杂的工件。数控铣床一般采用数控回转工作台。通过安装在机床工作台上，可以实现A、B或C坐标运动，但占据的机床运动空间也较大，如图12-2-24所示。

图12-2-25　指针式Z轴对刀器

2）Z轴对刀器

Z轴对刀器主要用于确定工件坐标系原点在机床坐标系的Z轴坐标，或者说是确定刀具在机床坐标系中的高度。Z轴对刀器有光电式和指针式（图12-2-25）等类型，通过光电指示或指针，判断刀具与对刀器是否接触，对刀精度一般可达100.0± 0.0025（mm），对刀器标定高度的重复精度一般为0.001～0.002（mm）。对刀器带有磁性表座，可以牢固地附着在工件或夹具上。Z轴对刀器高度一般为50mm或100mm。

Z轴对刀器的使用方法如下：

（1）将刀具装在主轴上，将Z轴对刀器吸附在已经装夹好的工件或夹具平面上。

（2）快速移动工作台和主轴，让刀具端面靠近Z轴对刀器上表面。

（3）改用步进或电子手轮微调操作，让刀具端面慢慢接触到Z轴对刀器上表面，直到Z轴对刀器发光或指针指示到零位。

（4）记下机械坐标系中的Z值数据。

（5）在当前刀具情况下，工件或夹具平面在机床坐标系中的Z坐标值为此数据值再减去Z轴对刀器的高度。

（6）若工件坐标系Z坐标零点设定在工件或夹具的对刀平面上，则此值即为工件坐标系Z坐标零点在机床坐标系中的位置，也就是Z坐标零点偏置值。

3）寻边器

寻边器主要用于确定工件坐标系原点在机床坐标系中的X、Y零点偏置值，也可测量工件的简单尺寸。它有偏心式、回转式和光电式（图12-2-26）等类型。

图12-2-26　寻边器

偏心式、回转式寻边器为机械式构造。机床主轴中心距被测表面的距离为测量圆柱的半径值。

光电式寻边器的测头一般为10mm的钢球，用弹簧拉紧在光电式寻边器的测杆上，碰到工件时可以退让，并将电路导通，发出光讯号。通过光电式寻边器的指示和机床坐标位置可得到被测表面的坐标位置。利用测头的对称性，还可以测量一些简单的尺寸。

4）夹具

在数控铣削加工中使用的夹具有通用夹具、专用夹具、组合夹具以及较先进的工件统一基准定位装夹系统等，主要根据零件的特点和经济性选择使用。

（1）通用夹具　它具有较大的灵活性和经济性，在数控铣削中应用广泛。常用的各种机械虎钳或液压虎钳。图12-2-27所示为内藏式液压角度虎钳、平口虎钳。

图12-2-27　内藏式液压角度虎钳、平口虎钳

（2）组合夹具

它是机床夹具中一种标准化、系列化、通用化程度很高的新型工艺装备。它可以根据工件的工艺要求，采用搭积木的方式组装成各种专用夹具，如图12-2-28所示。

图12-2-28　组合夹具的使用（钻孔、铣削）

组合夹具的特点：灵活多变，为生产迅速提供夹具，缩短生产准备周期；保证加工质量，提高生产效率；节约人力、物力和财力；减少夹具存放面积，改善管理工作。

组合夹具的不足之处：比较笨重，刚性也不如专用夹具好，组装成套的组合夹具，必须有大量元件储备，开始投资的费用较大。

5）数控刀具系统

（1）刀柄　数控铣床使用的刀具通过刀柄与主轴相连，刀柄通过拉钉和主轴内的拉刀装置固定在轴上，由刀柄夹持传递速度、扭矩。数控铣床刀柄一般采用7∶24锥面与主轴锥孔配合定位，这种锥柄不自锁，换刀方便，与直柄相比有较高的定心精度和刚度。数控铣床的通用刀柄分为整体式和组合式两种。为了保证刀柄与主轴的配合与连接，刀柄与拉钉的结构和尺寸均已标准化和系列化，在我国应用最为广泛的是BT40和BT50系列刀柄和拉钉，如图12-2-29、图12-2-30所示。

图12-2-29　数控铣床的刀柄和拉钉

2-2-30　数控铣床的通用刀柄

相同标准及规格的加工中心用刀柄也可以在数控铣床上使用，其主要区别是数控铣床所用的刀柄上没有供换刀机械手夹持的环形槽。

（2）数控铣削刀具　与普通铣床的刀具相比较，数控铣床刀具具有制造精度更高，要求高速、高效率加工，刀具使用寿命更长。刀具的材质选用高速钢、硬质合金、立方氮化硼、人造金刚石等，高速钢、硬质合金采用TiC和TiN涂层及TiC-TiN复合涂层来提高刀具使用寿命。在结构形式上，采用整体硬质合金或使用可转位刀具技术。

数控铣刀种类和尺寸一般根据加工表面的形状特点和尺寸选择，具体选择如表12-2-4所示。

表12-2-4　铣削加工部位及所使用铣刀的类型

（3）刀具的装卸　数控铣床采用中、小尺寸的数控刀具进行加工时，经常采用整体式或可转位式立铣刀进行铣削加工，一般使用7∶24莫氏转换变径夹头和弹簧夹头刀柄来装夹铣刀。不允许直接在数控机床的主轴上装卸刀具，以免损坏数控机床的主轴，影响机床的精度。铣刀的装卸应在专用卸刀座上进行，如图12-2-31所示。

图12-2-31　卧式装刀卸刀座示意图

12.2.6　高级编程指令介绍

1）子程序应用

当程序中有固定的顺序和重复的模式时，可将其作为子程序存放，使程序简单化。

主程序编制过程中如需要某一子程序，可以通过一定的子程序调用格式在主程序中插入子程序，调用完毕回到主程序。

子程序调用格式：L…P…；P为调用次数。

应用举例：

2）可设定的零点偏置　G54～G59、G500、G53

相应指令说明：

G500＊　取消可设定的零点偏置（模态有效）

G53　　取消可设定的零点偏置（程序段有效）（包括取消可编程的零点偏置）

功能：利用第一（G54）～第六（G59）可设定的零点偏置指令可以同时建立最多6个工件坐标系，用来简化程序编写或减少工件装夹次数。用该组指令建立的工件坐标系与机床坐标系关系如图12-2-32所示。

图12-2-32　用零点偏置指令建立工件坐标系

3）可编程零点偏置　TRANS，ATRANS　（独立程序段）功能及应用格式：

TRANS　X…Y…Z…　　　　；

在上一级的坐标系基础上重新建立一个坐标系（将零点进一步进行偏移）；清除有关偏移、比例系数、旋转、镜像的指令。

ATRANS　X…Y…Z…　　　　；

在上一级的坐标系基础上重新建立一个坐标系（将零点进一步进行偏移）；附加于当前指令。

TRANS　　　　　　；

清除偏移、比例系数、旋转、镜像的指令。

编程举例（图12-2-33）：

N40　G1X20Y15　　　　；将刀具移到要偏移的零点位置

N50　TRANS　X20Y15　　；可编程零点偏置

N60　L10　　　　　　　；子程序调用，其中包含待偏移的几何量

……

N200　TRANS　　　　　　；取消偏移

图12-2-33　TRANS偏移工件坐标系

4）可编程镜像　MIRROR；AMIRROR

图12-2-34　MIRROR编程

…

N10G17

N20L10

N30MIRROR　X0 N40L10

N50MIRROR　Y0 N60L10

N70AMIRROR　X0 N80L10

N90MIRROR

…

使用说明：

●用MIRROR（AMIRROR）可以以坐标轴镜像工件的几何尺寸。编辑了镜像功能的坐标轴，其运动都以反向进行（如图12-2-34）。

●指令要求一个独立的程序段。

●在镜像功能有效时，已经使能的刀具半径补偿（G41/G42）自动反向。

●在镜像功能有效时旋转方向G2/G3自动反向。

5）可编程的比例系数　SCALE，ASCALE

应用格式：

SCALE　X…Y…Z…　　　；

可编程的比例系数，清除所有有关比例系数、偏移、旋转、镜像指令。

ASCALE　X…Y…Z…　；

可编程的比例系数，附加于当前的指令。

SCALE　　　　　　　　；

不带数值，清除所有有关比例系数、偏移、旋转、镜像指令。

功能及说明：

●用SCALE（ASCALE）可以为所有坐标轴编程一个比例系数，按此比例使给定的坐标轴放大或缩小。

●图形为圆时，两个轴的比例系数必须一致。

●在SCALE（ASCALE）有效时编程ATRANS，则偏移量一样缩放。

●独立程序段使用。

编程举例（图12-2-35）：

图12-2-35　SCALE编程

…

N10G17

N20L10

N30SCALE　X2Y2

N40L10

N50ATRANS　X2.5Y18

N60L10

…

6）可编程旋转　ROT，AROT

应用格式：

ROT　RPL＝…　　　　　；

可编程旋转，清除所有有关比例系数、偏移、旋转、镜像指令。

AROT　RPL＝…　　　　；

可编程旋转，附加于当前的指令。

ROT　　　　；

没有设定值，清除所有有关比例系数、偏移、旋转、镜像指令。

功能及说明：

●在当前的平面G17、G18、G19中执行旋转，值为RPL＝…　，单位是度。

●ROT（AROT）使用时要求独立程序段。

编程举例（图12-2-36）：

图12-2-36　ROT　RPL编程

…

N10　G17

N20　TRANS　X20Y10

N30　L10

N40　TRANS　X30Y26

N50　AROT　RPL＝45

N60　L10

N70　ROT

…

7）刀具补偿

（1）刀具半径补偿

图12-2-37　刀具参数设定

功能：在编制某个工件的加工程序时，无须考虑刀具的切削半径，直接根据图纸上相对应的轮廓线进行编程；刀具半径参数输入到一个专门的数据区（补偿存储器）（图12-2-37），在程序中只要调用所需的刀具号及其补偿参数，控制器利用这些参数执行所要求的轨迹补偿，从而加工出所要求的工件。

G41　刀具半径左补偿（图12-2-38）

G42　刀具半径右补偿

G40　取消刀具半径补偿

使用条件：

●直接参考工件轮廓形状作为刀具中心轨迹编程；

●选择刀补的平面：G17、G18、G19；

图12-2-38　刀具半径补偿

●必须有相应的T、D号，且在刀具补偿存储器内设定刀具半径值；

●G41（G42、G40）须与G1（或G0）配合使用。

如：G1（G0）G41（G40、G42）X0Y0F100

说明：

使用半径补偿时，保证刀具运行不发生碰撞。

在实际加工之前必须在刀具补偿存储器内输入使用刀具的半径值。

编程举例：

ABCD2

N10G94G54G90G17

N20T1D1

N30G0Z100

N35S1200M03

N40X60Y60

N45G1Z10F1000

N50Z-4F60

N60G42G1X40Y35F100

N70X-40

N80Y20

N90G2X-25Y5CR＝15

N100G1Y-5

N105G2X-40Y-20CR＝15

N110G1Y-35

N120X40

N130Y-20

N140G2X25Y-5CR＝15

N150G1Y5

N160G2X40Y20CR＝15

N170G1X40Y35

N180G40G1X60Y60

N190Z10F200

N200G0Z100

N210M02

使用半径补偿按轮廓编程得到的刀具轨迹见图12-2-39。

图12-2-39　刀具半径补偿进行外轮廓加工

（2）刀具长度补偿

刀具长度补偿指刀具在Z方向的实际位移比程序给定值增加或减少一个偏置值。图12-2-40中，如偏置数值为正时，刀具实际到达位置在程序设定Z值的上方；如偏置数值为负，则刀具实际到达位置在设定Z值的下方。

图12-2-40　刀具长度补偿

12.2.7　数控铣床综合加工实例

以图12-2-41为例说明数控铣床的操作方法。

1）加工分析

●该零件只执行曲线轮廓加工，工件呈中心完全对称形状。

●设定工件坐标系（XY轴）为轮廓中心（如图），Z轴零点为工件上表面。

●将第一象限内的基本形状编写成子程序（L20），其他象限用镜像加工完成。

●刀具选用φ20mm立铣刀，每次切削深度2mm。

2）编制加工程序

编制子程序：

L20

N10　G90G0X5Y65

N15　G91G1Z-12F80

N20　G90G41G1X0Y65F200　　；使用刀具半径左补偿

N30　G1X0Y45F80

N40　G3X15Y30CR＝15F100

N50　G2X30Y15CR＝15

N60　G3X45Y0CR＝15

图12-2-41　综合加工实例

N70　G91G1Z10F200

N80　G90G40G1Y10　　　　　　；取消刀具半径补偿

N90　M02

编制主程序：

JGSX06

N10G17G54G90G94　　　　；定义初始状态，激活工件坐标系

N20T1D1

N30G0Z100

N40X0Y0

N50　S1000M03

N55　M08

N60G0Z10

N70L20P3　　；调用子程序，加工第一象限内基本形状

N80MIRROR　X0

N90G0Z10

N100L20P3　　　　　　　；镜像加工第二象限

N110AMIRROR　Y0

N120G0Z10

N130L20P3　　　　　　　；镜像加工第三象限

N140MIRROR　Y0

N150G0Z10

N160L20P3　　　　　　　；镜像加工第四象限

N170MIRROR　　　　　　；取消镜像

N180G0Z100

N190M09

N200　M05

N210　M02

3）装夹工件

根据工件的形状，选用合理的夹具进行装夹。该工件可以采用三爪卡盘进行装夹，并将卡盘固定在机床工作台上。

4）装夹找正工具（仪器）并对刀

找正工具（仪器）可以用寻边器和Z轴设定器。

利用寻边器设定工件坐标系的X、Y轴零点，并输入至G54参数区。

利用Z轴设定器，找正Z轴零点，同样也要输入至G54参数区。

5）输入刀具几何参数

打开 ，选择1号刀具参数，输入刀具半径值10。如刀具参考平面和工件零点重合，则刀具长度补偿为0。

6）输入并检验程序

可以通过系统操作面板用人工直接输入的方式进行，也可利用与数控系统连接的计算 机内相关程序输入到数控系统，并检查确认程序无输入错误。

在程序编辑状态下，选择［模拟］软键，通过模拟运行检验刀具的轨迹。如存在问题，及时进行修改。

7）试切工件

选择执行《JGSX06》程序，进入［自动运行］，检查ROV是否处于激活状态，启动［单步运行］，按 键，启动运行程序。操作者密切监视机床运行情况，通过倍率旋钮控制主轴和进给运行速度，如加工过程产生异常情况，应停止运行并及时处理。

8）工件检验

首个工件试切完成后，应严格检查工件，如不能达到图纸要求，应认真分析，并提出解决方案；如首个工件检验合格，可进行正式加工。

12.3　加工中心

12.3.1　加工中心的特点及主要加工范围

1）加工中心的特点

加工中心是备有刀库，并能自动更换刀具，对工件进行多工序加工的数字控制机床。工件经一次装夹后，数字控制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及其他辅助功能，依次完成工件几个面上多工序的加工。

加工中心由于工序的集中和自动换刀，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，具有明显的经济效果。

2）加工中心的主要加工范围

加工中心主要适用于加工形状复杂、工序多、精度要求高的工件。

（1）箱体类工件

这类工件一般都要求进行多工位孔系及平面的加工，定位精度要求高，在加工中心上加工时，一次装夹可完成普通机床60%～95%的工序内容。

（2）复杂曲面类工件

复杂曲面一般可以用球头铣刀进行三坐标联动加工，加工精度较高，但效率低。如果工件存在加工干涉区或加工盲区，就必须考虑采用四坐标或五坐标联动的机床。如飞机、汽车外形，叶轮、螺旋桨、各种成型模具等。

（3）异形件

异形件是外形不规则的零件，大多需要点、线、面多工位混合加工。加工异形件时，形状越复杂，精度要求越高，使用加工中心越能显示其优越性，如手机外壳等。

（4）盘、套、板类工件

这类工件包括带有键槽和径向孔，端面分布有孔系、曲面的盘套或轴类工件，如带法兰的轴套、带有键槽或方头的轴类零件等；具有较多孔加工的板类零件，如各种电机盖等。

（5）特殊加工

在加工中心上还可以进行特殊加工，如在主轴上安装调频电火花电源，可对金属表面进行表面淬火。

12.3.2　加工中心分类

第一台加工中心是1958年由美国卡尼-特雷克公司首先研制成功的。它在数控卧式镗铣床的基础上增加了自动换刀装置，从而实现了工件一次装夹后即可进行铣削、钻削、镗削、铰削和攻丝等多种工序的集中加工。

20世纪70年代以来，加工中心得到迅速发展，出现了可换主轴箱加工中心，它备有多个可以自动更换的装有刀具的多轴主轴箱，能对工件同时进行多孔加工。

这种多工序集中加工的形式也扩展到了其他类型数控机床，例如车削中心，它是在数控车床上配置多个自动换刀装置，能控制三个以上的坐标，除车削外，主轴可以停转或分度，而由刀具旋转进行铣削、钻削、铰孔和攻丝等工序，适于加工复杂的旋转体零件。

加工中心按主轴的布置方式分为立式和卧式两类。卧式加工中心一般具有分度转台或数控转台，可加工工件的各个侧面；也可作多个坐标的联合运动，以便加工复杂的空间曲面。立式加工中心一般不带转台，仅作顶面加工。此外，还有带立、卧两个主轴的复合式加工中心，和主轴能调整成卧轴或立轴的立卧可调式加工中心，它们能对工件进行五个面的加工。

图12-3-1　卧式加工中心

图12-3-2　立式加工中心

1）卧式加工中心

是指主轴轴线与工作台平行设置的加工中心，主要适用于加工箱体类零件，如图12-3-1。

2）立式加工中心

是指主轴轴线与工作台垂直设置的加工中心，主要适用于加工板类、盘类、模具及小型壳体类复杂零件，如图12-3-2。

图12-3-3　龙门式加工中心

3）龙门式加工中心

龙门式加工中心的形状与数控龙门铣床相似，如图12-3-3所示。龙门式加工中心主轴多为垂直设置，除自动换刀装置以外，还带有可更换的主轴头附件。数控装置的功能也较齐全，能够一机多用，尤其适用于加工大型工件和形状复杂的工件。

4）五轴加工中心

五轴加工中心具有立式加工中心和卧式加工中心的功能，如图12-3-4所示。五轴加工中心，工件一次安装后能完成除安装面以外的其余五个面的加工。常见的五轴加工中心有两种形式：一种是主轴可以旋转90°，对工件进行立式和卧式加工；另一种是主轴不改变方向，而由工作台带着工件旋转90°，完成对工件五个表面的加工。

5）虚轴加工中心

如图12-3-5所示。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。

图12-3-4　五轴加工中心

图12-3-5　虚轴加工中心

12.3.3　加工中心的主要装置

1）支撑系统

（1）床身

床身是机床的基础件，要求具有足够高的静、动刚度和精度保持性。在满足总体设计要求的前提下，应尽可能做到既要结构合理、筋板布置恰当，又要保证良好的冷、热加工工艺性。

车削加工中心床身，为提高其刚性，一般采用斜床身，斜床身可以改善切削加工时的受力情况，截面可以形成封闭的腔形结构，其内部可以充填泥芯和混凝土等阻尼材料，在振动时利用相对磨损来耗散振动能量。

（2）立柱

加工中心立柱主要是对主轴箱起到支承作用，满足主轴的Z向运动，立柱应具有较好的刚性和热稳定性。加工中心采用封闭的箱形结构，内部采用斜板提高立柱的抗弯、抗扭能力，整个结构采用铸造实现。

（3）导轨

加工中心的导轨大都采用直线滚动导轨。滚动导轨摩擦系数很低、动静摩擦系数差别小，低速运动平稳、无爬行，因此可以获得较高的定位精度。但是这些精度的实现，必须建立在底座处于正确状态的基础上，否则垂直方向的支撑高低误差会造成结构侧向扭曲.进而造成全行程内摩擦阻力的变化.导致产生定位精度的误差。以往采用滑动导轨时，导轨的配合面要刮研精修，在装配过程中可发现导轨扭曲现象，并通过修配实现校正。改用滚动导轨，不存在修正过程，很难避免床身扭曲或安装所造成的轨道扭曲，因此有的底座采用了三点支撑的方式。

2）刀库及自动换刀装置

加工中心利用刀库实现换刀，这是目前加工中心大量使用的换刀方式。由于有了刀库，机床只要一个固定主轴夹持刀具，有利于提高主轴刚度。独立的刀库，大大增加了刀具的储存数量，有利于扩大机床的功能，并能较好地隔离各种影响加工精度的干扰因素。

刀库换刀，按照换刀过程有无机械手参与，分成有机械手换刀和无机械手换刀两种情况。在有机械手换刀的过程中，使用一个机械手将加工完毕的刀具从主轴中拔出，与此同时，另一机械手将在刀库中待命的刀具从刀库拔出，然后两者交换位置完成换刀过程。无机械手换刀时，刀库中刀具存放方向与主轴平行，刀具放在主轴可到达位置换刀时，主轴箱移到刀库换刀位置上方，利用主轴Z向运动将加工用毕的刀具插入刀库中要求的空位处，然后刀库中待换刀具转到待命位置.主轴Z向运动将待用刀具从刀库中取出，并将刀具插入主轴。有机械手的系统在刀库配置、与主轴的相对位置及刀具数量上都比较灵活，换刀时间短。无机械手方式结构简单，只是换刀时间要长。

图12-3-6　盘式刀库

（1）加工中心刀库形式

刀库有多种形式，加工中心常用的有盘式、链式两种刀库。

盘式结构（图12-3-6）中，刀具可以沿主轴轴向、径向、斜向安放，刀具轴向安装的结构最为紧凑。但为了换刀时刀具与主轴同向，有的刀库中的刀具需在换刀位置作90°翻转。在刀库容量较大时，为在存取方便的同时保持结构紧凑，可采取弹仓式结构，目前大量的刀库安装在机床立柱的顶面或侧面。在刀库容量较大时，也有安装在单独的地基上，以隔离刀库转动造成的振动。

链式刀库的刀具容量比盘式的要大，结构也比较灵活。可以采用加长链带方式加大刀库的容量，也可采用链带折叠回绕的方式提高空间利用率，在要求刀具容量很大时还可以采用多条链带结构。

（2）加工中心的自动换刀装置

自动换刀装置可分为五种基本形式，即转塔式、180°回转式、回转插入式、二轴转动式和主轴直接式。自动换刀的刀具预先固紧在专用刀夹内，每次换刀时将刀夹直接装入主轴。

①转塔式换刀装置

用转塔实现换刀是最早的自动换刀方式。转塔是由若干与铣床动力头（主轴箱）相连接的主轴组成，在运行程序之前将刀具分别装入主轴，需要那把刀具时，转塔就转到相应的位置。

这种装置的缺点是主轴的数量受到限制。要使用数量多于主轴数的刀具时，操作者必须卸下已用过的刀具，并装上后续程序所需要的刀具。转塔式换刀并不是拆卸刀具，而是将刀具和刀夹一起换下，所以这种换刀方式很快。目前NC钻床等还在使用转塔式刀库。

②180°回转式换刀装置

图12-3-7　180°回转式换刀装置

最简单的换刀装置是180°回转式换刀装置，如图12-3-7所示。接到换刀指令后，机床控制系统便将主轴控制到指定换刀位置；与此同时，刀具库运动到适当位置，换刀装置回转并同时与主轴、刀具库的刀具相配合；拉杆从主轴刀具上卸掉，换刀装置将刀具从各自的位置上取下；换刀装置回转180°并将主轴刀具与刀具库刀具带走；换刀装置回转的同时，刀具库重新调整其位置，以接受从主轴取下的刀具；接下来，换刀装置将要换上的刀具与卸下的刀具分别装入主轴和刀具库；最后，换刀装置转回原“待命”位置。至此，换刀完成，程序继续运行。这种换刀装置的主要优点是结构简单、涉及的运动少、换刀快。主要缺点是刀具必须存放在与主轴平行的平面内，与侧置后置刀具库相比，切屑及切削液易进入刀夹，因此必须对刀具另加防护。刀夹锥面上有切屑会造成换刀误差，甚至有损坏刀夹与主轴的可能。有些加工中心使用了传递杆，并将刀具库侧置。当换刀指令被调用时，传递杆将刀具库的刀具取下，转到机床前方，并定位于与换刀装置配合的位置。180°回转式换刀装置既可用于卧式机床，也可用于立式机床。

图12-3-8　回转插入式换刀装置

③回转插入式换刀装置

回转插入式换刀装置（最常用的形式之一），是回转式换刀装置的改进形式。回转插入机构是换刀装置与传递杆的组合。图12-3-8为回转插入式换刀装置的工作原理，其应用在卧式加工中心上。这种换刀装置的结构设计与180°回转式换刀装置基本相同。当接到换刀指令时，主轴移至换刀点，刀具库转到适当位置，使换刀装置从其槽内取出欲换上的刀具；换刀装置转动并从位于机床一侧的刀具库中取出刀具，换刀装置回转至机床的前方，在该位置将主轴上的刀具取下，回转180°将欲换上的刀具装入主轴；与此同时，刀具库移至适当位置以接受从主轴取下的刀具；换刀装置转到机床的一侧，并将从主轴取下的刀具放入刀具库的槽内。这种装置的主要优点是刀具存放在机床的一侧，避免了切屑造成主轴或刀夹损坏的可能性。与180°回转式换刀装置相比，其缺点是换刀过程中的动作多，换刀所用的时间长。

图12-3-9　二轴转动式换刀装置

④二轴转动式换刀装置

图12-3-9所示是二轴转动式换刀装置的工作原理。这种换刀装置可用于侧置或后置式刀具库，其结构特点最适用于立式加工中心。接到换刀指令，换刀机构从“等待”位置开始运动，夹紧主轴上的刀具并将其取下，转至刀具库，并将刀具放回刀具库；从刀具库中取出欲换上的刀具，转向主轴，并将刀具装入主轴；然后返回“等待”位置，换刀完成。

这种装置的主要优点是刀具库位于机床一侧或后方，能最大限度地保护刀具。其缺点是刀具的传递次数及运动较多。这种装置在立式加工中心中的应用已逐渐被180°回转式和主轴直接式换刀装置所取代。

⑤主轴直接式换刀装置

主轴直接式换刀装置不同于其他形式的换刀装置。这种装置中，要么刀具库直接移到主轴位置，要么主轴直接移至刀具库。图12-3-10为主轴直接式换刀装置在卧式加工中心中的应用。换刀时，主轴移动到换刀位置，圆盘式刀具库转至所需刀槽的位置，将刀具从“等待”位置移出至换刀位置，并与装在主轴内的刀夹配合；拉杆从刀夹中退出，刀具库前移，卸下刀具；然后刀具库转到所需刀具对准主轴的位置，向后运动，将刀具插入主轴并固紧；最后，刀具库离开主轴向上移动，回到“等待”位置，换刀完成。

图12-3-10　主轴直接换刀装置

对于立式加工中心，小型的一般是刀库移动实现换刀；一些大型机床，换刀过程与上述有所不同，由于大型机床的刀具库太大，移动不方便，所以是主轴移动实现卸、装刀具，或使用机械手实现换刀。图12-3-11所示为机械手臂和手爪的结构，图12-3-12为机械手换刀的工作过程。

图12-3-11　机械手臂和手爪结构

图12-3-12　单臂双爪机械手

12.3.4　加工中心基本编程指令及编程实例

1）加工中心基本编程指令

表12-3-1　FANUC　Oi-MC系统的G代码指令表

续　表

2）FANUC　Oi-MC系统加工中心编程实例

如图12-3-13所示零件，毛坯已经过粗加工，现要求进行曲面轮廓的精加工和钻孔加工，材料为45钢，厚度为25mm，曲线轮廓加工采用φ20立铣刀，钻孔加工采用φ10麻花钻。

（1）工艺设计

由于工件为较小的矩形材料，采用机用平口钳进行装夹，用垫铁支撑工件伸出足够加工高度；用百分表等工具找正钳口。

工步顺序安排为，先用φ20立铣刀加工曲线轮廓，再用φ10麻花钻加工孔。

数控加工刀具卡片：

图12-3-13

（2）数据处理

将工件坐标系设定在工件中心，Z轴零点为工件的上表面。

采用半径补偿加工曲线轮廓，补偿起始点坐标（下刀点）（X70，Y0），轮廓加工第一接点坐标为（X35.Y12.087），以下每节点坐标为（逆时针）：

（X29.Y21.252），（X21.252　Y29.）

（X12.087　Y35.），（X-12.087　Y35.），（X-21.252　Y29.），（X-29.Y21.252）

（X-35.Y12.087），（X-35　Y-12.087），（X-29.Y-21.252），（X-21.252　Y-29.）（X-12.087　Y-35.），（X12.087　Y-35），（X21.252　Y-29.）

（X29.Y-21.252），（X35.Y-12.087），（X35.Y12.087）。

钻孔圆心坐标依次为（逆时针）（X35，Y35），（X-35，Y35），（X-35，Y-35），（X35，Y-35）。

（3）编制加工程序

O1001　　　　　　　　　　　　　　　　程序号

N10　　G90G54G94G49G40；　　　利用G54建立工件坐标系

N20　　T01M06；　　　　　　　　　换T01号刀具

N30　　S1500M03；　　　　　　　　　启动主轴，正向旋转

N40　　G43G00Z100.H01；　　　　Z轴定位至安全高度，调用H01号长度补偿

N50　　X70.Y0.；　　　　　　　　　　XY轴定位至下刀点

N60　　Z10.；

N70　　G01Z-6.F60.　M08；　　　下刀至指定高度，打开冷却液。

N80　　G42D01X35.Y12.087F100；　使用半径右补偿开始加工曲线轮廓

N90　　G03X29.Y21.252R10.；

N100　G02X21.252Y29.R15.；

N110　G03X12.087Y35.R10.；

N120　G01X-12.087；

N130　G03X-21.252Y29.R10.；

N140　G02X-29.Y21.252R15.；

N150　G03X-35.Y12.087R10.；

N160　G01Y-12.087；

N170　G03X-29.Y-21.252R10.；

N180　G02X-21.252Y-29.R15.；

N190　G03X-12.087Y-35.R10.；

N200　G01X12.087；

N210　G03X21.252Y-29.R10.；

N220　G02X29.Y-21.252R15.；

N230　G03X35.Y-12.087R10.；

N240　G01Y12.087；

N250　G40G01X70.；　　　　　　　轮廓加工完毕，取消刀具半径补偿

N260　Z10.F300M09；

N270　G49G00Z100.；　　　　　　　取消刀具长度补偿

N280　T02M06；　　　　　　　　　　换刀，调用T02号刀具

N290　S600M03；

N300　G43G0Z100.H02；　　　　Z轴定位至安全高度，调用H02号长度补偿

N310　G90G98G81X35.Y35.Z-16.R10.F80；第一钻孔循环

N320　X-35.Y35.；　　　　　　　　钻第二孔

N330　X-35.Y-35.；　　　　　　　钻第三孔

N340　X35.Y-35.；　　　　　　　　钻第四孔

N350　G80G00X0.Y0.；　　　　　取消钻孔循环

N360　G49G00Z150.；　　　　　　提刀至安全高度，取消刀具长度补偿

N370　M05；

N380　M02；　　　　　　　　　　　程序结束

12.4　数控雕铣

12.4.1　数控雕铣概述

国际加工领域里，高速加工正在起着越来越重要的作用。相对于低速切削而言，高速加工不但可以成倍地提高生产效率，还可进一步改善零件的加工精度和表面质量。进入20世纪90年代以来，不少高速加工中心和其他高速、大功率、精密数控机床已陆续投放国际市场，这标志着高速加工技术已开始进入工业应用阶段，并已取得显著的由技术带来的经济效益。而在国内，汽车、模具、眼镜等行业的迅速发展已不满足于传统的低速数控加工。数控雕铣机的出现，极大地满足了市场的需求。

数控雕铣机（图12-4-1）是集雕刻和铣削加工于一体的数控机床（CNC Milling and Engraving Machine），可采用雕刻刀（0.1mm～10mm之间）或整体铣刀（球头立铣刀或平头立铣刀φ1～φ12之间）进行加工。雕铣机适合加工的领域非常广泛，在模具业、汽车业、玩具业、航天业、工艺品、医疗器械、眼镜制造等领域，无论是零件加工或模具制造都有较广泛的应用。

图12-4-1　数控雕铣机

12.4.2　雕铣机加工特点

1）雕铣机与数控铣床、火花机的加工应用区别

雕铣机集合了数控铣床与火花机的功能，弥补了它们加工能力的不足。这三种机床在加工领域分别具有如下特点：

●数控铣床主要用于加工去削量较大的工件，主轴功率较大。

●火花机加工主要用于铣床不能完成的部分：多腔、精密、细微以及不易切削的材料。

●雕铣机主要适用于小切削量但表面质量要求较高的钢件或电极等有色金属的高速切削。

2）雕铣机与高速铣床、电脑雕刻机的区别

●高速铣床用于加工各种去削量的钢件和有色金属，具有雕铣机和数控铣床的功能，但造价和刀具比较昂贵。

●电脑雕刻机适合加工有色金属及非金属材料，在钢件加工方面表现较差。

12.4.3　雕铣机的主要结构特点

雕铣机主要采用了两方面的技术，一是高速的数控系统，高位置换和高速环增益，从而保证了加工的轮廓精度在高速和低速的一致性；另一方面是机械部分固定部件（如床身、横梁、立柱等）的刚性足以抵抗运动部件的加速度冲击，并且移动部件应该轻巧、灵活。

雕铣机的主要部件要符合高速度、高精密加工的要求。高速主轴一般采用两种形式：一种是在1～2.2kW以内采用的直接式高速电主轴，转速在36　000r/min以下，切削扭力为1～2N，一般为空气冷却主轴；另一种是在2.2～7.5kW以内采用的内藏式高速电主轴，转速在30　000r/min以下，切削扭力为3～9N，一般采用水或油冷却主轴。

复习思考题

1.简述数控铣床的分类。

2.概括介绍数控铣床的基本功能。

3.何为机床坐标系？何为工件坐标系？如何建立工件坐标系？

4.刀具半径补偿和长度补偿在数控铣削加工中有何意义？

5.加工中心分为哪几类？其主要特点有哪些？

6.加工中心的编程与数控铣床的编程有何区别？

7.数控雕铣加工有何特点？