第一篇：數控加工工藝與設備教案

《數控加工工藝與設備》授課教案 第一章

數控加工工藝及設備基礎

第一節 機床數控技術與數控加工設備概述

一、機床中有關數控的基本概念（理解）

二、數控機床的組成（理解）

三、數控機床的分類（理解，掌握）

四、數控機床的基本結構特征和主要輔助裝置（理解）

五、數控機床的規格、性能和可靠性指標（理解）

六、數控機床的精度項目及檢驗（理解）

七、數控機床的主要功能（理解）

第二節 數控加工原理與數控加工工藝概述

一、數控加工原理（理解）

二、數控加工工藝和數控加工工藝過程的概念，主要內容及特點（重點掌握）

三、數控加工工藝與數控編程的關系（理解）第三節 數控機床的坐標系統一、數控機床的坐標系（掌握）

第四節 插補原理及加工精度和加工效率的關系

一、數控加工軌跡控制原理——插補原理（理解）

二、插補原理，進給速度與加工精度和加工效率的關系（掌握）第五節當今國際數控技術的發展趨勢（了解）

第二章 數控機床的機械結構

第一節 數控機床機械結構特點

一、數控機床機械結構的組成（了解）

二、數控機床的結構特點（了解）第二節 數控機床主傳動系統一、數控機床主傳動系統的特點（理解）

二、數控機床主軸的傳動方式（掌握）

三、主軸組件（理解）

第三節 數控機床主傳動系統應用

一、SSCK20/500數控車床主傳動系統及主軸結構（了解）

二、JCS-018A加工中心主傳動系統及主軸箱結構（了解）第四節 數控機床進給傳動系統一、數控機床對進給傳動系統的要求（了解）

二、導軌（理解）

三、滾珠絲杠螺母副（理解）

四、傳動齒輪間隙消除機構（理解掌握）

五、回轉進給系統（理解掌握）第五節 數控機床進給傳動系統應用

一、MJ-50數控機床進給傳動系統（了解）

二、JCS-018A加工中心進給傳動系統及傳動裝置（了解）第六節 自動換刀裝置

一、自動換刀裝置的形式（了解）

二、刀庫（了解）

三、實例（了解）第七節 輔助裝置

一、數控機床的液壓和氣動系統（了解）

二、排屑裝置（了解）第三章 數控刀具

第一節 數控刀具的種類及特點

一、數控刀具的種類（了解）

二、數控刀具的特點（掌握）第二節 數控刀具材料

一、切削用刀具材料應具備的性能（了解）

二、各種刀具材料（了解）

第三節 數控刀具的失效形式及可靠性

一、數控刀具的失效形式及對策（掌握）

二、刀具失效在線監測方法（了解）

三、數控刀具可靠性（了解）第四節 數控可轉位刀片

一、可轉位刀片代碼（了解）

二、可轉位刀片的斷屑槽槽型（了解）

三、可轉位刀片的夾緊方式（掌握）

四、可轉位刀片的選擇（掌握）第五節數控刀具的選擇

一、選擇數控刀具通常應考慮的因素（理解）

二、數控銑削刀具的選擇（重點掌握）

三、加工中心刀具的選擇（掌握）

四、數控機床刀柄的選擇（理解）第六節 工具系統一、工具系統的發展（了解）

二、車削類工具系統（理解）

三、鏜銑類工具系統（理解）

四、刀具管理系統（了解）

第四章 數控車削加工工藝及數控車床使用 第一節 概述

一、數控車床的組成及布局（了解）

二、數控車床的分類（了解）

三、數控車削的主要加工對象（掌握）第二節數控車削加工工件的裝夾及對刀

一、數控車削加工工件的裝夾（重點掌握）

二、數控車削加工的對刀（掌握）（重點與難點）第三節 制定數控車削加工工藝要解決的主要問題

一、選擇并確定進行數控加工的內容（理解）

二、對零件圖形進行數控加工工藝分析（重點掌握）（難點）

三、零件圖形的數學處理及編程尺寸設定值的確定（重點掌握）（難點）

四、數控車削加工工藝過程的擬訂（重點掌握）（難點）

五、數控加工余量，工序尺寸及公差的確定（重點掌握）（難點）

六、切削參數的選擇（重點掌握）

七、首件試加工與現場問題處理（了解）

第四節 數控車削加工工藝文件（重點掌握）第五節 典型數控車削零件的加工工藝分析

一、軸類零件數控車削加工工藝（重點掌握）

二、軸套類零件數控車削加工工藝（掌握）第六節 難加工材料的數控車削加工

一、難加工材料的種類和特點（理解）

二、難加工材料的數控車削（理解）第七節 數控車拉工藝介紹

一、數控車拉原理（了解）

二、車拉工藝應用（了解）

第五章 數控銑削加工工藝及數控銑床使用 第一節 概述

一、數控銑床的分類（了解）

二、數控銑床的主要加工對象（理解）

第二節 制定數控銑削加工工藝要解決的主要問題

一、選擇并確定進行數控銑削加工的內容（掌握）

二、數控銑削加工工藝性分析（重點掌握）

三、零件圖形的數學處理（了解）

四、與起刀、進刀、退刀有關工藝問題的處理（重點掌握）

五、逆銑、順銑及切削方向、切削方式的確定（重點掌握）

六、數控銑削加工工藝參數的確定（理解）第三節 復雜曲線曲面數控銑削加工的刀具軌跡

一、兩坐標數控銑削加工刀具軌跡的生成（掌握）

二、多坐標數控銑削加工刀具軌跡的生成（理解）

三、數控銑削加工刀具運動軌跡的編輯（了解）

四、數控銑削加工刀具運動軌跡的干涉檢查與修正（了解）第四節 復雜表面自動編輯工藝處理（了解）

一、自動編程加工的基本工作原理（了解）第五節汽車覆蓋件模具的數控銑削加工（略）第六節典型數控銑削零件的加工工藝分析

一、支架零件的數控銑削加工工藝（重點掌握）第六章、加工中心加工工藝及加工中心使用 第一節 概述

一、加工中心的分類（了解）

二、加工中心的主要加工對象（掌握）

第二節 加工中心加工零件的安裝及對刀，換刀

一、加工中心加工工件的安裝（掌握）（難點）

二、加工中心加工的對刀換刀（重點、掌握）第三節 制定加工中心加工工藝要解決的主要問題

一、零件的工藝分析（重點掌握）

二、加工中心的選用（理解）

三、加工中心加工零件的工藝方案設計（重點掌握）（難點）

四、加工中心加工的工步設計（重點掌握）（難點）

五、加工中心加工進給路線的確定（重點掌握）

六、加工余量的確定（理解掌握）

七、工序尺寸及公差的確定（掌握）

八、加工中心加工切削用量的選擇（理解）第四節 典型加工中心加工零件的工藝分析

一、蓋板類零件加工中心的加工工藝（理解掌握）（難點）

二、支承套零件加工中心的加工工藝（理解）第五節 加工中心使用技術（略）

第七章 大量生產典型零件數控加工工藝 第一節 典型軸類零件數控加工工藝

一、典型軸類零件介紹（了解）

二、工藝分析（掌握）（難點）

三、工藝過程卡和工序卡（掌握）（難點）機動

復習

實驗

數控機床機械結構

數控車床 數控銑床 加工中心

第二篇：《數控加工工藝及設備》教案

《數控加工工藝及設備》教案

內

容

備

注

第一章

數控加工工藝及設備基礎

第一節

機床數控技術與數控加工設備概述

一、機床中有關數控的基本概念

1．數字控制（數控）及數控技術

一般意義的數字控制是指用數字化信息對過程進行的控制，是相對模擬控制而言的。機床中的數字控制是專指用數字化信號對機床的工作過程進行的可編程自動控制，簡稱為數控（NC）。這種用數字化信息進行自動控制的技術就叫數控技術。

2．數控系統

是實現數控技術相關功能的軟硬件模塊的有機集成系統，是數控技術的載體，它能自動閱讀輸入載體上事先給定的程序，并將其譯碼，從而使機床運動并加工零件。

在其發展過程中有硬件數控系統和計算機數控系統兩類。

早期的數控系統主要由數控裝置、主軸驅動及進給驅動裝置等部分組成，數字信息由數字邏輯電路來處理，數控系統的所有功能都由硬件實現，故又稱為硬件數控系統（NC系統）。

3．計算機數控系統

是以計算機為核心的數控系統，由裝有數控系統程序的專用計算機、輸入輸出設備、可編程邏輯控制器（PLC）、存儲器、主軸驅動及進給驅動裝置等部分組成，習慣上又稱為CNC系統。CNC系統已基本取代硬件數控系統（NC系統）。

4．開放式CNC系統

國際電子與電氣工程師協會提出的開放式CNC系統的定義是：一個開放式CNC系統應保證使開發的應用軟件能在不同廠商提供的不同的軟硬件平臺上運行，且能與其它應用軟件系統協調工作。

根據這一定義，開放式CNC系統至少包括以下五個特征：

（1）對使用者是開放的：應可以采用先進的圖形交互方式支持下的簡易編程方法，使得數控機床的操作更加容易；

（2）對機床制造商是開放的：應允許機床制造商在開放式CNC系統軟件的基礎上開發專用的功能模塊及用戶操作界面；

（3）對硬件的選擇是開放的：即一個開放式CNC系統應能在不同的硬件平臺上運行；

（4）對主軸及進給驅動系統是開放的：即能控制不同廠商提供的主軸及進給驅動系統；

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（5）對數據傳輸及交換等是開放的。

開放式CNC系統是數控系統未來發展的方向。5．數控機床

是指應用數控技術對其加工過程進行自動控制的機床。國際信息處理聯盟第五技術委員會對數控機床作了如下定義：數控機床是一種裝有程序控制系統的機床，該系統能邏輯地處理具有特定代碼或其它符號編碼指令規定的程序。

備

注

二、數控機床的組成

1．計算機數控裝置（CNC裝置）

計算機數控裝置是計算機數控系統的核心。其主要作用是根據輸入的零件加工程序或操作命令進行相應的處理，然后輸出控制命令到相應的執行部件（伺服單元、驅動裝置和PLC等），完成零件加工程序或操作者所要求的工作。它主要由計算機系統、位置控制板、PLC接口板、通訊接口板、擴展功能模塊以及相應的控制軟件等模塊組成。

2．伺服單元、驅動裝置和測量裝置

伺服單元和驅動裝置包括主軸伺服驅動裝置及主軸電機和進給伺服驅動裝置及進給電機。測量裝置是指位置和速度測量裝置，它是實現主軸、進給速度閉環控制和進給位置閉環控制的必要裝置。主軸伺服系統的主要作用是實現零件加工的切削運動，其控制量為速度。進給伺服系統的主要作用是實現零件加工的成形運動，其控制量為速度和位置，特點是能靈敏、準確地跟蹤CNC裝置的位置和速度指令。

3．控制面板

控制面板又稱操作面板，是操作人員與數控機床（系統）進行信息交互的工具。操作人員可以通過它對數控機床（系統）進行操作、編程、調試或對機床參數進行設定和修改，也可以通過它了解或查詢數控機床（系統）的運行狀態。它是數控機床的一個輸入輸出部件，主要由按鈕站、狀態燈、按鍵陣列（功能與計算機鍵盤一樣）和顯示器等部分組成。

4．控制介質與程序輸入輸出設備

控制介質是記錄零件加工程序的媒介，是人與機床建立聯系的介質。程序輸入輸出設備是CNC系統與外部設備進行信息交互的裝置，其作用是將記錄在控制介質上的零件加工程序輸入CNC系統，或將已調試好的零件加工程序通過輸出設備存放或記錄在相應的介質上。目前數控機床常用的控制介質和程序輸入輸出設備是磁盤和磁盤驅動器等。

此外，現代數控系統一般可利用通訊方式進行信息交換。這種方式是實現CAD／CAM的集成、FMS（柔性制造系統）和CIMS（計算機集成制造系統）的基本技術。目前在數控機床上常用的通訊方式有：

（1）串行通訊；（2）自動控制專用接口；（3）網絡技術。

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5．PLC、機床I/O電路和裝置

PLC是用于進行與邏輯運算、順序動作有關的I/O控制，它由硬件和軟件組成；機床I/O電路和裝置是用于實現I/O控制的執行部件，是由繼電器、電磁閥、行程開關、接觸器等組成的邏輯電路。它們共同完成以下任務：

（1）接受CNC的M、S、T指令，對其進行譯碼并轉換成對應的控制信號，控制輔助裝置完成機床相應的開關動作；

（2）接受操作面板和機床側的I/O信號，送給CNC裝置，經其處理后，輸出指令控制CNC系統的工作狀態和機床的動作。

6．機床本體

機床本體是數控系統的控制對象，是實現加工零件的執行部件。它主要由主運動部件（主軸、主運動傳動機構）、進給運動部件（工作臺、拖板以及相應的傳動機構）、支承件（立柱、床身等）以及特殊裝置、自動工件交換（APC）系統、自動刀具交換（ATC）系統和輔助裝置（如冷卻、潤滑、排屑、轉位和夾緊裝置等）組成。

備

注

三、數控機床的分類

1．按控制功能分類（1）點位控制數控機床

這類數控機床僅能控制兩個坐標軸帶動刀具或工作臺，從一個點（坐標位置）準確地快速移動到下一個點（坐標位置），然后控制第三個坐標軸進行鉆、鏜等切削加工。它具有較高的位置定位精度，在移動過程中不進行切削加工，因此對運動軌跡沒有要求。點位控制的數控機床主要用于加工平面內的孔系，主要有數控鉆床、數控鏜床、數控沖床、三坐標測量機等。

（2）直線控制數控機床

這類數控機床可控制刀具或工作臺以適當的進給速度，從一個點以一條直線準確地移動到下一個點，移動過程中能進行切削加工，進給速度根據切削條件可在一定范圍內調節。現代組合機床采用數控進給伺服系統，驅動動力頭帶著多軸箱軸向進給進行鉆、鏜等切削加工，它可以算作一種直線控制的數控機床。

（3）輪廓控制數控機床

這類數控機床具有控制幾個坐標軸同時協調運動，即多坐標軸聯動的能力，使刀具相對于工件按程序規定的軌跡和速度運動，能在運動過程中進行連續切削加工。這類數控機床有用于加工曲線和曲面形狀零件的數控車床、數控銑床、加工中心等。現代的數控機床基本上都是這種類型。若根據其聯動軸數還可細分為2軸（X、Z軸聯動或X、Y軸聯動）、2.5軸（任意2軸聯動，第3軸周期進給）、3軸（X、Y、Z3軸聯動）、4軸（X、Y、Z和A或B4軸聯動）、5軸（X、Y、Z和A、C或X、Y、Z和B、C或X、Y、Z和A、B5軸聯動）聯動數控機床，聯動坐標軸數越多，則加工程序的編制越難，通常3軸聯動以上的零件加工程序只能采用自動編程系統編制。

2．按進給伺服系統類型分類

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按數控系統的進給伺服子系統有無位置測量反饋裝置可分為開環數控機床和閉環數控機床，在閉環數控系統中根據位置測量裝置安裝的位置又可分為全閉環和半閉環兩種。

（1）開環數控機床

開環數控機床采用開環進給伺服系統。開環進給伺服系統沒有位置測量反饋裝置，信號流是單向的（數控裝置→進給系統），故系統穩定性好。但由于無位置反饋，精度相對閉環系統來講不高，其精度主要取決于伺服驅動系統和機械傳動機構的性能和精度。該系統一般以步進電機作為伺服驅動元件。它具有結構簡單、工作穩定、調試方便、維修簡單、價格低廉等優點，在精度和速度要求不高、驅動力矩不大的場合得到廣泛應用。

（2）半閉環數控機床

半閉環數控系統的位置檢測點是從驅動電機（常用交、直流伺服電機）或絲杠端引出，通過檢測電機和絲杠旋轉角度來間接檢測工作臺的位移量，而不是直接檢測工作臺的實際位置。由于在半閉環環路內不包括或只包括少量機械傳動環節，可獲得較穩定的控制性能，其系統穩定性雖不如開環系統，但比閉環要好。另外，在位置環內各組成環節的誤差可得到某種程度的糾正，位置環外不能直接消除的如絲杠螺距誤差、齒輪間隙引起的運動誤差等，可通過軟件補償這類誤差來提高運動精度，因此在現代CNC機床中得到了廣泛應用。

（3）閉環數控機床

閉環進給伺服系統的位置檢測點是工作臺，它直接對工作臺的實際位置進行檢測。理論上講，可以消除整個驅動和傳動環節的誤差、間隙和失動量，具有很高的位置控制精度。但由于位置環內的許多機械傳動環節的摩擦特性、剛性和間隙都是非線性的，很容易造成系統不穩定。因此閉環系統的設計、安裝和調試都有相當的難度，對其組成環節的精度、剛性和動態特性等都有較高的要求，價格昂貴。這類系統主要用于精度要求很高的鏜銑床、超精車床、超精磨床以及較大型的數控機床等。

3．按工藝用途（機床類型）分類

（1）切削加工類

即具有切削加工功能的數控機床。在金屬切削機床常用的車床、銑床、刨床、磨床、鉆床、鏜床、插床、拉床、切斷機床、齒輪加工機床等中，國內外都開發了數控機床，而且品種越來越細。比如，在數控磨床中不僅有數控外圓磨床，數控內圓磨床，集可磨外圓、內圓于一機的數控萬能磨床，數控平面磨床，數控坐標磨床，數控工具磨床，數控無心磨床，數控齒輪磨床，還有專用或專門化的數控軸承磨床，數控外螺紋磨床，數控內螺紋磨床，數控雙端面磨床，數控凸輪軸磨床，數控曲軸磨床，能自動換砂輪的數控導軌磨床（又稱導軌磨削中心）等等，還有工藝范圍更寬的車削中心、加工中心、柔性制造單元（FMC）等。

（2）成型加工類

是具有通過物理方法改變工件形狀功能的數控機床。如數控折彎機、數控沖床、數控彎管機、數控旋壓機等。

備

注

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（3）特種加工類

是具有特種加工功能的數控機床。如數控電火花線切割機床，數控電火花成型機床，帶有自動換電極功能的“電加工中心”，數控激光切割機床，數控激光熱處理機床，數控激光板料成型機床，數控等離子切割機等。

（4）其它類型

一些廣義上的數控設備。如數控裝配機、數控測量機、機器人等。

備

注

四、數控機床的基本結構特征和主要輔助裝置

1．數控機床的基本結構特征

（1）機床剛性提高，抗振性能大為改善；（2）機床熱變形降低；（3）機床中間傳動環節減少；

（4）機床各個運動副間的摩擦系數較?。唬?）機床功能部件增多。2．數控機床的主要輔助裝置

數控機床的輔助裝置是一個完整的機器或裝置，其作用是完成配合機床對零件加工的輔助工作。諸如切削液或油液處理系統中的冷卻過濾裝置，油液分離裝置，吸塵吸霧裝置，潤滑裝置及輔助主機實現傳動和控制的氣、液動裝置等，雖然這些裝置在某些自動化或精密型非數控機床上已配備使用，但是，數控機床要求配備的裝置的質量、性能更為精化。

除上述通用輔助裝置外，還有對刀儀、自動排屑器、物料儲運及上下料裝置等。

五、數控機床的規格、性能和可靠性指標

1．規格指標

規格指標是指數控機床的基本能力指標，主要有以下幾方面：

（1）行程范圍和擺角范圍

行程范圍是指坐標軸可控的運動區間，它反映該機床允許的加工空間，一般情況下工件輪廓尺寸應在加工空間的范圍之內。擺角范圍是指擺角坐標軸可控的擺角區間，也反映該機床的加工空間。

（2）工作臺面尺寸

它反映該機床安裝工件的最大范圍，通常應選擇比最大加工工件稍大一點的面積，這是因為要預留夾具所需的空間。

（3）承載能力

它反映該機床能加工零件的最大重量。

（4）主軸功率和進給軸扭矩

它反映該機床的加工能力，同時也可間接反映機床的剛度和強度。

（5）控制軸數和聯動軸數

數控機床的控制軸數通常是指機床數控裝置能夠控制的進給軸數。數控機床控制軸數與數控裝置的運算處理能力、運算速度及內存容量等有關。聯動軸數是指數控機床同時控制多個進給軸，使它們按規定的路線和進給速度所確定的規律運動的進給軸數目。它反映數控機床的曲面加工能力。

（6）刀庫容量

是指刀庫能存放加工所需刀具的數量，它反映該機床能加工工序內容的多少。目前常見的中小型加工中心多為16~60把，大型加工中心達

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100把以上。

2．性能指標

（1）分辨率與脈沖當量

分辨率是指兩個相鄰的分散細節之間可以分辨的最小間隔。對測量系統而言，分辨率是可以測量的最小增量；對控制系統而言，分辨率是可以控制的最小位移增量。數控裝置每發出一個脈沖信號，反映到機床移動部件上的移動量，通常稱為脈沖當量。脈沖當量是設計數控機床的原始數據之一，其數值的大小決定數控機床的加工精度和表面質量。脈沖當量越小，數控機床的加工精度和加工表面質量越高。

（2）最高主軸轉速和最大加速度

最高主軸轉速是指主軸所能達到的最高轉速，它是影響零件表面加工質量、生產效率以及刀具壽命的主要因素之一。最大加速度是反映主軸速度提速能力的性能指標，也是加工效率的重要指標。

（3）最高快移速度和最高進給速度

最高快移速度是指進給軸在非加工狀態下的最高移動速度，最高進給速度是指進給軸在加工狀態下的最高移動速度，它們也是影響零件加工質量、生產效率以及刀具壽命的主要因素。

另外，還有換刀速度和工作臺交換速度，它們也是影響生產效率的性能指標。3．可靠性指標

（1）平均無故障時間MTBF（Mean time between failures）

它是指一臺數控機床在使用中平均兩次故障間隔的時間，即數控機床在壽命范圍內總工作時間和總故障次數之比，即

MTBF?總工作時間

總故障次數備

注

很顯然，這段時間越長越好。

（2）平均修復時間MTTR（Mean time to restore。）

它是指一臺數控機床從開始出現故障直到能正常工作所用的平均修復時間，即

MTTR?總故障停機時間

總故障次數考慮到實際系統出現故障總是難免的，故對于可維修的系統，總希望一旦出現故障，修復的時間越短越好，即希望MTTR越短越好。

（3）平均有效度A 如果把MTBF看作設備正常工作的時間，把MTTR看作設備不能工作的時間，那么正常工作時間與總時間之比稱為設備的平均有效度A，即

A?平均無故障時間MTBF ?平均無故障時間?故障平均修復時間MTBF?MTTR平均有效度反映了設備提供正確使用的能力，是衡量設備可靠性的一個重要指標。

六、數控機床的精度項目及檢驗

數控機床的精度項目主要包括幾何精度、定位精度和切削精度。1．主要幾何精度項目及檢驗

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數控機床的幾何精度

是綜合反映機床的關鍵零部件及其組裝后的幾何形位誤差的指標。該指標可分為兩類：一類是對機床的基礎件和運動大件（如床身、立柱、工作臺、主軸箱等）的直線度、平面度、垂直度等的要求，如工作臺面的平面度，各坐標方向移動的直線度和相互垂直度，X、Y（立式）或X、Z（臥式）坐標方向移動時工作臺面的平行度，X坐標方向移動時工作臺面T形槽側面的平行度等；另一類是對機床主軸的要求，如主軸的軸向竄動，主軸孔的徑向跳動，主軸箱移動時主軸軸線的平行度，主軸軸線與工作臺面的垂直度（立式）或平行度（臥式）等。

以臥式加工中心為例，主要有以下各項：（1）X、Y、Z坐標的相互垂直度；（2）工作臺面的平面度；

（3）X軸和Z軸移動工作臺面的平行度；（4）主軸回轉軸心線對工作臺面的平行度；（5）主軸在X、Y、Z各軸方向移動的直線度；（6）X軸移動工作臺邊界定位基準面的平行度；

（7）工作臺中心線到邊界定位器基準面之間的距離精度；（8）主軸軸向跳動；（9）主軸孔徑向跳動。

幾何精度常用檢測工具有精密水平儀、精密方箱、直角尺、平尺、千分表、測微儀、高精度主軸心棒等。

2．定位精度的項目及檢驗

數控機床定位精度是指機床各運動部件在數控裝置的控制下空載運動所能達到的位置準確程度。根據各軸能達到的位置精度就能判斷出加工時零件所能達到的精度。

（l）直線運動定位精度

是指數控機床的移動部件沿某一坐標軸運動時實際值與給定值的接近程度，其誤差稱為直線運動定位誤差。

Xij??Pij??Pj

（1-1）

Xij??Pij??Pj

（1-2）i=1，2，3??n

代表向每一目標趨近的次數；

j=1，2，3??m

代表目標位置。

備

注

n次單向趨近目標位置Pj時，可得到單向平均位置偏差Xj?和Xj?的值。Xj??n Xj??n?Xi?1nnij?

（1-3）

?Xi?1ij?

（1-4）

這樣可得到從正、負方向趨近目標位置Pj時的反向差值Bj。

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容

Bj?Xj??Xj?

（1-5）n次單向趨近目標位置Pj時的標準偏差Sj?和Sj?為

備

注

Sj??1n?11n?1??Xi?1nnij??Xj???

2（1-6）

Sj????Xi?1ij??Xj?2

（1-7）

定位精度A可分為單向定位精度Au和雙向定位精度Ab二種。單向定位精度Au是取正、負方向趨近目標位置時定位誤差中的最大值。正、負方向趨近目標位置時的定位精度如下：

?

A??3S??3S??

（1-9）雙向定位精度A為?X??3S??、?X??3S??中的最大值與?X??3S??、?X??3S??中的最小值之差值，即

A??X?3S???X?3S?

（1-10）

Au??Xj??3Sj?max?Xj??3Sj?min

（1-8）

ujjmaxjjminb????X??????Xjjjjjjjjbjjmaxjjmin正常情況下，實際加工的某一坐標軸任意兩點間的距離誤差大約為該軸雙向定位精度的2倍。

（2）直線運動的重復定位精度

是指在同一臺數控機床上，應用相同程序、相同代碼加工一批零件，所得到結果的一致程度。一般情況下，重復定位精度是正態分布的偶然性誤差，它影響一批零件加工的一致性，是反映軸運動精度穩定性的最基本指標。

重復定位精度R為標準偏差Sj?和Sj?中最大值的6倍，即

R?6?Sj?max

（1-11）（3）直線運動的反向誤差B

直線運動的反向誤差也叫失動量，是該坐標軸進給傳動鏈上驅動部件（如伺服電動機、伺服液壓馬達和步進電動機等）的反向死區及各機械運動傳動副的反向間隙和彈性變形等誤差的綜合反映。誤差越大，則定位精度和重復定位精度也越差。

B?Bjmax

（1-12）

（4）直線運動的原點返回精度（回零精度）

是指數控機床各坐標軸達到規定零點的準確程度，其誤差稱為回零誤差。實質上是該坐標軸上一個特殊點的重復定位精度。

（5）分度精度A

是指分度工作臺在分度時指令要求回轉的角度值與實際回轉的角度值的差值。

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內

容

A?Qj?3Sj備

注

??max?Qj?3Sj??min

（1-13）

3．切削精度的項目及檢驗

機床的切削精度是一項綜合精度指標，它不僅反映了機床的幾何精度和定位精度，同時還反映了試件的材料、環境溫度、刀具性能以及切削條件等各種因素造成的誤差。

（1）鏜孔精度檢查

（2）端銑刀銑削平面精度檢查

（3）直線銑削精度檢查

（4）斜線銑削精度檢查（5）圓弧銑削精度檢查

七、數控機床的主要功能

1．多軸控制功能

是指CNC系統能控制和能聯動控制數控機床各坐標軸的進給運動的功能。CNC系統的控制進給軸有：移動軸和回轉軸，基本軸和附加軸。

2．準備功能

即G功能——指令機床運動方式的功能。3．多種函數插補功能和固定循環功能

插補功能是指數控系統進行零件表面（平面或空間曲面）加工軌跡插補運算的功能。一般CNC系統僅具有直線和圓弧插補，較為高檔的數控系統還具有拋物線、橢圓、極坐標、正弦線、螺旋線以及樣條曲線等插補功能。

在數控加工中，有些加工內容如鉆孔、鏜孔、攻螺紋等，所做的動作需要循環且十分典型，數控系統預先將這些循環動作用G代碼進行定義，在加工時使用這類G代碼，可大大簡化編程工作量，此即固定循環功能。

4．補償功能

（1）刀具半徑和長度補償功能

該功能能實現按零件輪廓編制的程序控制刀具中心的軌跡，以及在刀具半徑和長度發生變化（如刀具更換、刀具磨損）時，可對刀具半徑或長度作相應的補償。該功能由G指令或T指令實現。

（2）傳動鏈誤差、反向間隙誤差補償功能

螺距誤差補償可預先測量出螺距誤差和反向間隙，然后按要求輸入CNC裝置相應的儲存單元內，在加工過程中進行實時補償。

（3）智能補償功能

外界干擾產生的隨機誤差，可采用人工智能、專家系統等方法建立模型，實施智能補償。如熱變形引起的誤差，裝置將會在相應地方自動進行補償。

5．主軸功能

是指數控系統對切削速度的控制功能。主要有以下五種控制功能：（1）主軸轉速（切削速度）——實現刀具切削點切削速度的控制功能，單位為r／min（m／min）。

（2）恒線速度控制——實現刀具切削點的切削速度為恒速的控制功能。

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容

（3）主軸定向控制——實現主軸周向定位于特定點的控制功能。（4）C軸控制——實現主軸周向任意位置的控制功能。

（5）切削倍率——實現人工實時修調切削速度，即通過面板的倍率開關在0％~200％之間對其進行實時修調。

6．進給功能

是指數控系統對進給速度的控制功能。主要有以下三種控制功能：（1）進給速度——控制刀具或工作臺的運動速度，單位為mm／min；（2）同步進給速度——實現切削速度和進給速度的同步，單位為mm／r，用于加工螺紋；

（3）進給倍率——實現人工實時修調進給速度，即通過面板的倍率開關在0％~200％之間對其進行實時修調。

7．宏程序功能

通過編輯子程序中的變量來改變刀具路徑和刀具位置的功能。8．輔助功能

即M功能——規定主軸的起、停、轉向，工件的夾緊和松開，冷卻泵的接通和斷開等機床輔助動作的功能。

9．刀具管理功能

是實現對刀具幾何尺寸和刀具壽命的管理及刀具選擇功能。刀具幾何尺寸是指刀具的半徑和長度，這些參數供刀具補償功能使用。刀具壽命是指總計切削時間，當某刀具的時間壽命到期時，CNC系統將提示用戶更換刀具。另外，CNC系統都具有T功能即刀具號管理功能，它用于標識刀庫中的刀具和自動選擇加工刀具。

10．人機對話功能

在CNC裝置中配有單色或彩色陰極射線管，俗稱顯示器（CRT），通過軟件可實現字符和圖形的顯示，以方便用戶操作和使用。主要功能有：菜單結構的操作界面；數據及零件加工程序的輸入及環境編輯；系統和機床參數、狀態、故障信息的顯示、查詢等。

11．自診斷功能

是指CNC系統防止故障發生及故障診斷、故障定位和防止故障擴大的功能。12．通訊功能

通訊功能是指CNC裝置與外界進行信息和數據交換的功能。

備

注

第二節

數控加工原理與數控加工工藝概述

數控加工

是根據零件圖樣及工藝要求等原始條件編制零件數控加工程序（簡稱為數控程序），輸入數控系統，控制數控機床中刀具與工件的相對運動，從而完成零件的加工。

數控加工技術

是將普通金屬切削加工、計算機數控、計算機輔助制造等技

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容

術綜合的一門先進加工技術。在以上各個領域的進步推動下，尤其是計算機技術的飛速發展下，數控加工技術正從深度、廣度上對機械加工技術進行革命性的變革。

備

注

一、數控加工原理

1．數控加工的過程

首先要將被加工零件圖上的幾何信息和工藝信息數字化，即將刀具與工件的相對運動軌跡、加工過程中主軸速度和進給速度的變換、冷卻液的開關、工件和刀具的交換等控制和操作，都按規定的代碼和格式編成加工程序，然后將該程序送入數控系統。數控系統則按照程序的要求，先進行相應的運算、處理，然后發出控制命令，使各坐標軸、主軸以及輔助動作相互協調，實現刀具與工件的相對運動，自動完成零件的加工。

2．數控加工中的數據轉換過程（1）譯碼

譯碼程序的主要功能是將用文本格式（通常用ASCⅡ碼）表達的零件加工程序，以程序段為單位轉換成刀補處理程序所要求的數據結構（格式），該數據結構用來描述一個程序段解釋后的數據信息。它主要包括：X、Y、Z等坐標值，進給速度，主軸轉速，G代碼，M代碼，刀具號，子程序處理和循環調用處理等數據或標志的存放順序和格式。

（2）刀補處理（計算刀具中心軌跡）

為方便編程，零件加工程序通常是按零件輪廓或按工藝要求設計的進給路線編制的，而數控機床在加工過程中控制的是刀具中心（準確說是刀位點）軌跡，因此在加工前必須將編程軌跡變換成刀具中心的軌跡。刀補處理就是完成這種轉換的處理程序。

（3）插補計算

數控編程提供了刀具運動的起點、終點和運動軌跡，而刀具怎么從起點沿運動軌跡走向終點則由數控系統的插補裝置或插補軟件來控制。該程序以系統規定的插補周期?T定時運行，它將由各種線形（直線、圓弧等）組成的零件輪廓，按程序給定的進給速度F，實時計算出各個進給軸在?T內的位移指令（?X1、?Y1、?），并送給進給伺服系統，實現成形運動。

（4）PLC控制

CNC系統對機床的控制分為對各坐標軸的速度和位置的“軌跡控制”和對機床動作的“順序控制” 或稱“邏輯控制”。后者是指在數控機床運行過程中，以CNC內部和機床各行程開關、傳感器、按鈕、繼電器等開關信號狀態為條件，并按預先規定的邏輯關系對諸如主軸的起停、換向，刀具的更換，工件的夾緊、松開，液壓、冷卻、潤滑系統的運行等進行的控制。PLC控制就是實現上述功能的功能模塊。

數控加工原理就是將預先編好的加工程序以數據的形式輸入數控系統，數控系統通過譯碼、刀補處理、插補計算等數據處理和PLC協調控制，最終實現零件

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容 的自動化加工。

備

注

二、數控加工工藝和數控加工工藝過程的概念、主要內容及特點

（一）數控加工工藝和數控加工工藝過程的概念

1．數控加工工藝

是采用數控機床加工零件時所運用各種方法和技術手段的總和，應用于整個數控加工工藝過程。數控加工工藝是伴隨著數控機床的產生、發展而逐步完善起來的一種應用技術，它是人們大量數控加工實踐的經驗總結。

2．數控加工工藝過程

是利用切削工具在數控機床上直接改變加工對象的形狀、尺寸、表面位置、表面狀態等，使其成為成品或半成品的過程。

（二）數控加工工藝和數控加工工藝過程的主要內容（1）選擇并確定進行數控加工的內容；（2）對零件圖紙進行數控加工的工藝分析；（3）零件圖形的數學處理及編程尺寸設定值的確定；（4）數控加工工藝方案的制定；（5）工步、進給路線的確定；（6）選擇數控機床的類型；

（7）刀具、夾具、量具的選擇和設計；（8）切削參數的確定；

（9）加工程序的編寫、校驗與修改；

（10）首件試加工與現場問題處理；（11）數控加工工藝技術文件的定型與歸檔。

（三）數控加工工藝的特點 1．數控加工工藝內容要求具體、詳細 2．數控加工工藝要求更嚴密、精確

3．制定數控加工工藝要進行零件圖形的數學處理和編程尺寸設定值的計算 4．制定數控加工工藝選擇切削用量時要考慮進給速度對加工零件形狀精度的影響

5．制定數控加工工藝時要特殊強調刀具選擇的重要性 6．數控加工工藝的特殊要求

7．數控加工程序的編寫、校驗與修改是數控加工工藝的一項特殊內容

三、數控加工工藝與數控編程的關系

1．數控程序

輸入數控機床，執行一個確定的加工任務的一系列指令，稱為數控程序或零件程序。

2．數控編程

即把零件的工藝過程、工藝參數及其它輔助動作，按動作順序和數控機床規定的指令、格式，編成加工程序，再記錄于控制介質即程序載體（磁盤等），輸入數控裝置，從而指揮機床加工并根據加工結果加以修正的過程。

3．數控加工工藝與數控編程的關系

數控加工工藝分析與處理是數控編程

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內

容 的前提和依據，沒有符合實際的、科學合理的數控加工工藝，就不可能有真正可行的數控加工程序。而數控編程就是將制定的數控加工工藝內容程序化。

備

注

第三節

數控機床的坐標系統一、數控機床的坐標系

1．標準坐標系和運動方向

標準坐標系采用右手直角笛卡兒定則?；咀鴺溯S為X、Y、Z并構成直角坐標系，相應每個坐標軸的旋轉坐標分別為A、B、C。

基本坐標軸X、Y、Z的關系及其正方向用右手直角定則判定，拇指為X軸，食指為Y軸，中指為Z軸，圍繞X、Y、Z各軸的回轉運動及其正方向?A、?B、?C分別用右手螺旋定則判定，拇指為X、Y、Z的正向，四指彎曲的方向為對應的A、B、C的正向。與?X、?Y、?Z、?A、?B、?C相反的方向相應用帶“′”的?X′、?Y′、?Z′、?A′、?B′、?C′表示。注意，?X′、?Y′、?Z′之間不符合右手直角笛卡兒定則。

由于數控機床各坐標軸既可以是刀具相對于工件運動，也可以是反之，所以ISO標準規定：

（l）不論機床的具體結構是工件靜止、刀具運動，或是工件運動、刀具靜止，在確定坐標系時，一律看作是刀具相對靜止的工件運動。

（2）機床的直線坐標軸X、Y、Z的判定順序是：先Z軸，再X軸，最后按右手定則判定Y軸。

（3）坐標軸名（X、Y、Z、A、B、C）不帶“′”的表示刀具運動；帶“′”的表示工件運動，如圖1-16所示。

（4）增大工件與刀具之間距離的方向為坐標軸正方向。2．坐標軸判定的方法和步驟（1）Z軸

規定平行于機床主軸軸線的坐標軸為Z軸。對于有多個主軸或沒有主軸的機床（如刨床），標準規定垂直于工件裝夾面的軸為Z軸。對于能擺動的主軸，若在擺動范圍內僅有一個坐標軸平行主軸軸線，則該軸即為Z軸，若在擺動范圍內有多個坐標軸平行主軸軸線，則規定其中垂直于工件裝夾面的坐標軸為Z軸。

規定刀具遠離工件的方向為Z軸的正方向（?Z）。（2）X軸

對于工件旋轉的機床，X軸的方向是在工件的徑向上，且平行于橫滑座，刀具離開工件旋轉中心的方向為X軸正方向；對于刀具旋轉的立式機床，規定水平方向為X軸方向，且當從刀具（主軸）向立柱看時，X正向在右邊；對于刀具旋轉的臥式機床，規定水平方向仍為X軸方向，且從刀具（主軸）尾端向工件看時，右手所在方向為X軸正方向。

（3）Y軸

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容

Y軸垂直于X、Z坐標軸。Y軸的正方向根據X和Z坐標軸的正方向按照右

備

注

手直角笛卡兒定則來判斷。

（4）旋轉運動A、B和C

A、B和C表示其軸線分別平行于X、Y和Z坐標的旋轉運動。A、B和C的正方向可按右手螺旋定則確定。

（5）附加坐標軸的定義

如果在X、Y、Z坐標以外，還有平行于它們的坐標，可分別指定為U、V、W。若還有第三組運動，則分別指定為P、Q和R。

（6）主軸正旋轉方向與C軸正方向的關系

主軸正旋轉方向

從主軸尾端向前端（裝刀具或工件端）看順時針方向旋轉為主軸正旋轉方向。對于普通臥式數控車床，主軸的正旋轉方向與C軸正方向相同。對于鉆、鏜、銑、加工中心機床，主軸的正旋轉方向為右旋螺紋進入工件的方向，與C軸正方向相反。所以不能誤認為C軸正方向即為主軸正旋轉方向。

二、機床坐標系與工件坐標系

1．機床坐標系與機床原點、機床參考點

（1）機床坐標系

機床坐標系是機床上固有的坐標系，是用來確定工件坐標系的基本坐標系，是確定刀具（刀架）或工件（工作臺）位置的參考系，并建立在機床原點上。機床坐標系各坐標和運動正方向按前述標準坐標系規定設定。

（2）機床原點

現代數控機床都有一個基準位置，稱為機床原點，是機床制造商設置在機床上的一個物理位置，其作用是使機床與控制系統同步，建立測量機床運動坐標的起始點。

（3）機床參考點

與機床原點相對應的還有一個機床參考點，它也是機床上的一個固定點，通常不同于機床原點。一般來說，加工中心的參考點設在工作臺位于負極限位置時的一基準點上。

2．工件坐標系與工件坐標系原點（1）工件坐標系

編程人員在編程時設定的坐標系，也稱為編程坐標系。（2）工件坐標系原點

也稱為工件原點或編程原點，一般用G92或G54~G59指令指定。（3）工件坐標系坐標軸的確定

坐標原點選定后，接著就是坐標軸的確定。工件坐標系坐標軸確定的原則為：根據工件在機床上的安放方向與位置決定Z軸方向，即工件安放在數控機床上時，工件坐標系的Z軸與機床坐標系Z軸平行，正方向一致，在工件上通常與工件主要定位支撐面垂直；然后，選擇零件尺寸較長方向或切削時的主要進給方向

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容

為X軸方向，在機床上安放后，其方位與機床坐標系X軸方位平行，正向一致；過原點與X、Z軸垂直為Y軸，根據右手定則，確定Y軸的正方向。

3．裝夾原點

有的機床還有一個重要的原點，即裝夾原點，是工件在機床上安放時的一個重要參考點。

備

注

第四節

插補原理及與加工精度和加工效率的關系

一、數控加工軌跡控制原理——插補原理

插補的任務就是要根據進給速度的要求，完成在輪廓起點和終點之間的中間點的坐標值計算。目前常用的插補方法有兩類：脈沖增量插補法和數據采樣插補法。

（一）脈沖增量插補

脈沖增量插補是模擬硬件插補的原理，把計算機每次插補運算產生的指令輸出到伺服系統，伺服系統根據進給脈沖進給，以驅動工作臺運動。計算機每發出一個脈沖，工作臺移動一個基本長度單位（脈沖當量），并且每次插補的結果僅產生一個行程增量，每進給一步（一個脈沖當量），計算機就要進行一次插補運算，進給速度受計算機插補速度的限制，因此很難滿足現代數控機床高速度的要求。

（二）數據采樣插補法

數據采樣插補原理是將加工一段直線或圓弧的時間劃分為若干相等的插補周期，每經過一個插補周期就進行一次插補計算，算出在該插補周期內各坐標軸的進給量，邊計算邊加工，若干次插補周期后完成一個曲線段的加工，即從曲線段的起點走到終點。數據采樣插補是根據用戶程序的進給速度，將給定輪廓曲線分割為每一插補周期的進給段，即輪廓步長。每一個插補周期，執行一次插補運算，計算出下一個插補點（動點）坐標，從而計算出下一周期各個坐標的進給量，如?X、?Y等，進而得出下一插補點的指令位置。插補周期可以等于采樣周期，也可以是采樣周期的整倍數。對于直線插補，動點在一個插補周期內運動的直線段與給定直線重合。對于圓弧插補，動點在一個插補周期內運動的直線段以弦線（或切線、割線）逼近圓弧。

圓弧插補常用弦線逼近的方法。如圖1-25所示，用弦線逼近圓弧，會產生逼近誤差er。設?為在一個插補周期內逼近弦所對應的圓心角、r為圓弧半徑，則

???

er?r?1?cos?

（1-14）

2?????將上式中的cos??用冪級數展開，得

?2?

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內

容

???er?r?1?cos?

2??2?????2?4????2???r?1??1??????

2!4!????????備

注

??28r

（1-15）

設T為插補周期，F為刀具進給速度，則進給步長（或插補步長）l為 l?TF 用進給步長l代替弦長，有

??lr?TFr

將上式代入式（1-15），得

l21?TF? er???

（1-16）

8r8r

式（1-16）反映了逼近誤差er與插補周期T、進給速度F和圓弧半徑r的關系。

根據式1-16，可以得到一個關系式：

l?8er允r

（1-17）式中

er允——輪廓曲線允許的逼近誤差；

r——圓弧半徑；

l——輪廓步長，即單位時間（插補周期）內的進給量。

二、插補原理、進給速度與加工精度和加工效率的關系

從式1-16可以看出，逼近誤差與進給速度、插補周期的平方成正比，與圓弧半徑成反比。較小的插補周期，可以在小半徑圓弧插補時允許較大的進給速度。從另一角度講，進給速度、圓弧半徑一定的條件下，插補周期越短，逼近誤差就越小。對于一個確定的數控系統，插補周期一般是固定的，插補周期確定之后，一定的圓弧半徑，應有與之對應的最大進給速度限定，以保證逼近誤差er不超過允許值。對脈沖增量插補，進給速度越快，則脈沖當量值越大，加工誤差也就越大，插補周期越短，插補精度越高；進給速度越快，插補精度越低，但效率越高。當加工精度要求很高（如微米級）時，在數控系統一定的情況下，進給速度的快慢將影響工件的形狀精度，同時自然影響加工效率。

第五節

當今國際數控加工技術的發展趨勢

1．高速切削 2．高精度加工 3．復合化加工 4．控制智能化

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容

具體體現在以下幾個方面：（l）加工過程自適應控制技術（2）加工參數的智能優化與選擇（3）故障自診斷功能（4）智能化交流伺服驅動裝置 5．互聯網絡化

6．計算機集成制造系統（Computer Integrated Manufacturing System，縮寫為CIMS）

一般認為CIMS應由下列六個子系統組成：（1）計算機輔助經營和生產管理系統；

（2）計算機輔助產品設計／制造等開發工程系統；（3）自動化制造加工系統；（4）計算機輔助儲運系統；（5）全廠質量控制系統；（6）數據庫與通信系統。

計算機集成制造系統的發展可以實現整個機械制造廠的全盤自動化，成為自動化工廠或無人化工廠，是自動化制造技術的發展方向。

備

注

第三篇：《數控加工工藝及設備》教案2

《數控加工工藝及設備》教案

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容

備

注

第二章

數控機床機械結構

第一節 數控機床機械結構特點

一、數控機床機械結構的組成

主要由以下幾部分組成：

1．機床基礎部件，如床身、立柱、工作臺等； 2．主傳動系統； 3．進給傳動系統；

4．實現某些動作和輔助功能的系統和裝置，如液壓、氣動、潤滑、冷卻等系統及排屑、防護裝置和刀架、自動換刀裝置；

5．工件實現回轉、定位的裝置及附件，如數控回轉工作臺； 6．特殊功能裝置，如監控裝置、加工過程圖形顯示、精度檢測等。掌握這些結構對于正確合理使用數控機床是非常必要的。

二、數控機床的結構特點

為了保證高精度、高效率的加工，數控機床的結構應具有以下特點： 1．高剛度和高抗振性 2．高靈敏度 3．熱變形小 4．高精度保持性 5．高可靠性

6．工藝復合化和功能集成化

第二節 數控機床的主傳動系統一、數控機床的主傳動系統特點

1．主軸轉速高、調速范圍寬并實現無級調速 2．主軸部件具有較大的剛度和較高的精度 3．良好的抗振性和熱穩定性

4．為實現刀具的快速或自動裝卸，數控機床主軸具有特有的刀具安裝結構

二、數控機床主軸的傳動方式

（一）齒輪傳動方式（圖2-1a）

（二）帶傳動方式（圖2-1b）

同步齒形帶傳動具有如下優點：

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容

1．傳動效率高，可達98％以上。2．無滑動，傳動比準確。3．傳動平穩，噪聲小。

4．使用范圍較廣，速度可達50m/s，速比可達10左右，傳遞功率由幾瓦至數千瓦。

5．維修保養方便，不需要潤滑。

6．安裝時中心距要求嚴格，帶與帶輪制造工藝較復雜，成本高。

（三）調速電動機直接驅動主軸傳動方式（圖2-1c）

備

注

三、主軸組件

主軸、主軸支承、裝在主軸上的傳動件和密封件等組成了主軸組件。

（一）數控機床的主軸支承

主軸軸承是主軸組件的重要組成部分，它的類型、結構、配置、精度直接影響主軸組件的工作性能。

1．主軸軸承類型

數控機床主軸經常采用滾動軸承和滑動軸承兩類軸承。（1）滾動軸承（2）滑動軸承 2．主軸軸承的配置

典型的主軸軸承的結構配置形式有下面三種：

（l）圖2-6a結構配置形式是現代數控機床主軸結構中剛性最好的一種。它使主軸的綜合剛度得到大幅度提高，可以滿足強力切削的要求，所以目前各類數控機床的主軸普遍采用這種配置形式。

（2）前支承采用3個超精密級角接觸球軸承組合方式，具有較好的高速性能。后支承結構有采用2個角接觸球軸承支承的，如圖2-6b，也有用一個圓柱滾子軸承支承的。

（3）圓錐滾子軸承，圖2-6c。這種軸承徑向和軸向剛度高，能承受重載荷，尤其能承受較大的動載荷，安裝與調整性能好，但是這種軸承配置方式限制了主軸的最高轉速和精度，所以僅適用于中等精度、低速與重載的數控機床主軸。

3．主軸軸承的裝配

采用選配定向法進行裝配，可提高主軸組件的精度。裝配時盡可能使主軸定位內孔與主軸軸頸的偏心量和軸承內圈與滾道的偏心量接近，并使其方向相反，這樣可使裝配后的偏心量減小。

4．滾動軸承的間隙與預緊

將滾動軸承進行適當預緊，使滾動體與內外圈滾道在接觸處產生預變形，使受載后承載的滾動體數量增多，受力趨向均勻，從而提高承載能力和剛度，有利于減少主軸回轉軸線的漂移，提高旋轉精度。若過盈量太大，軸承磨損加劇，承載能力將顯著下降。軸承所需的預緊量與軸承精度、類型和工作條件等因素有關。

（二）主軸準停功能

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容

機床的切削扭矩由主軸上的端面鍵來傳遞，每次機械手自動裝取刀具時，必須保征刀柄上的鍵槽對準主軸的端面鍵，這就要求主軸具有準確定位的功能。為滿足主軸這一功能而設計的裝置稱為主軸準停裝置或稱主軸定向裝置。主軸準停裝置是加工中心換刀過程中所要求的特別裝置，為了將主軸準確地停在某一固定位置上，以便在該處進行換刀等動作，這就要求主軸定向控制。

（三）主軸上刀具自動夾緊和切屑清除

加工中心為了實現刀具在主軸內的自動裝卸，其主軸必須設計有刀具的自動夾緊機構。刀桿采用7：24的錐柄，這種錐柄既有利于定心，也為松夾帶來了方便。

備

注

第三節 數控機床主傳動系統應用

一、SSCK20/500數控車床主傳動系統及主軸箱結構

（一）主傳動系統

SSCK20/500數控車床的主傳動系統由功率為11kw的AC伺服電動機驅動，經l：1的帶傳動帶動主軸旋轉，使主軸在 24~2400r/min的轉速范圍內實現無級調速，主軸箱內省去了齒輪傳動變速機構，提高了主軸精度，減少齒輪傳動躁聲的影響，結構簡單，維修方便。改變電機旋轉方向，可以得到相應的主軸正、反轉，主軸停車是由電機制動來實現。螺紋切削和主軸每轉進給量是通過主軸脈沖編碼器來實現。

（二）主軸箱結構

交流主軸電動機通過帶輪把運動傳給主軸。主軸有前后兩個支承，前支承采用預加負荷的超精密級角接觸球軸承組成，三個一組，其中兩個軸承用來承受向后的推力，另一個用于承受向前推力。主軸的后支承采用圓柱滾子軸承，用來承受較大的徑向載荷。前支承軸承的間隙用螺母來調整。主軸的支承形式為前端定位，主軸受熱膨脹向后伸長。前后支承所用軸承的支承剛性好，前支承中的角接觸球軸承能承受較大的軸向載荷，且允許的極限轉速高。主軸所采用的支承結構適宜高速重載的需要。

二、JCS－018A加工中心主傳動系統及主軸箱結構

（一）主運動傳動系統

主軸電動機采用的是FANUC AC電動機。主軸電動機在45~4500r／min轉速范圍通過一對1：2同步帶輪將運動傳給主軸，使主軸在22.5~2250r／min轉速范圍內可以實現無級調速。

（二）主軸箱結構 1．主軸結構

主軸的前支承4配置了三個高精度的角接觸球軸承，用以承受徑向載荷和軸向載荷。前兩個軸承大口朝下，后面一個軸承大口朝上。前支承按預加載荷計算的預緊量由螺母5來調整。后支承6為一對小口相對應的角接觸球軸承，它們只

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承受徑向載荷，因此軸承外圈不需要定位。該主軸選擇的軸承座和配置形式，能滿足主軸高轉速和承受較大軸向載荷的要求，主軸受熱變形向后伸長，不影響加工精度。

2．刀具的自動夾緊機構

它主要由拉桿

7、拉桿端部的四個鋼球

3、碟形彈簧

8、活塞

10、液壓缸11等組成。機床執行換刀指令，機械手要從主軸拔刀時，主軸需松開刀具。這時液壓缸上腔通壓力油，活塞推動拉桿向下移動，使碟形彈簧壓縮，鋼球進入主軸錐孔上端的槽內，刀柄尾部的拉釘（拉緊刀具用）2被松開，機械手即拔刀。之后，壓縮空氣進入活塞和拉桿的中孔，吹凈主軸錐孔，為裝入新刀具做好準備。當機械手把下一把刀具插入主軸后，液壓缸上腔無油壓，在碟形彈簧和彈簧9的恢復力作用下，使拉桿、鋼球和活塞退回到圖示的位置，即碟形彈簧通過拉桿和鋼球拉緊刀柄尾部的拉釘，使刀具被夾緊。

3．主軸準停裝置

JCS－018A加工中心采用的是主軸電氣式準停裝置，即用磁力傳感器檢測定向。在主軸上安裝一個發磁體，使之與主軸一起旋轉，在距離發磁體外1~2mm處固定一個磁傳感器。磁傳感器經過放大器與主軸控制單元連接，當主軸需要定向準停時，便控制主軸停止在預定的位置。

備

注

第四節 數控機床進給傳動系統一、數控機床對進給傳動系統的要求

對進給系統中的傳動裝置和元件要求具有高的壽命，高的剛度，無傳動間隙，高的靈敏度和低摩擦阻力的特點，如導軌必須摩擦力較小，耐磨性要高，通常采用滾動導軌、靜壓導軌等。為了提高轉換效率，保證運動精度，當旋轉運動被轉化為直線運動時，廣泛應用滾珠絲杠螺母副。為了提高位移精度，減少傳動誤差，對采用的各種機械部件首先保證它們的加工精度，其次采用合理的預緊來消除軸向傳動間隙，因此在進給傳動系統中采用各種措施消除間隙，但仍然可能留有微量間隙。此外由于受力而產生彈性變形，也會有間隙，所以在進給系統反向運動時仍然由數控裝置發出脈沖指令進行自動補償。

數控機床進給傳動系統的機電部件主要有伺服電動機及檢測元件、聯軸節、減速機構（齒輪副和帶輪）、滾珠絲杠螺母副（或齒輪齒條副）、絲杠軸承、運動部件（工作臺、導軌、主軸箱、滑座、橫梁和立柱）等。

二、導軌

導軌是用來支撐和引導運動部件沿著直線或圓周方向準確運動的。與支承件連成一體固定不動的導軌稱為支承導軌，與運動部件連成一體的導軌稱為動導軌。

（一）導軌的類型和要求 1．導軌的類型

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按運動部件的運動軌跡，導軌可分為直線運動導軌和圓周運動導軌。按導軌接合面的摩擦性，導軌可分為滑動導軌、滾動導軌和靜壓導軌?；瑒訉к売挚煞譃槠胀ɑ瑒訉к壓退芰匣瑒訉к?。而靜壓導軌根據介質的不同又可分為液壓導軌和氣壓導軌。

2．導軌的要求（1）高的導向精度

導向精度保證部件運動軌跡的準確性。導向精度受導軌的結構形狀、組合方式、制造精度和導軌間隙調整等因素的影響。

（2）良好的耐磨性

耐磨性好可使導軌的導向精度得以長久保持。耐磨性一般受導軌副的材料、硬度、潤滑和載荷的影響。

（3）足夠的剛度

在載荷作用下，導軌的剛度高則保持形狀不變的能力好。剛度受導軌結構和尺寸的影響。

（4）具有低速運動的平穩性

運動部件在導軌上低速移動時，不應發生“爬行”的現象。造成“爬行”的主要因素有摩擦的性質、潤滑條件和傳動系統的剛度等。

（二）滑動導軌 1．滑動導軌的結構

滑動導軌的常見截面形狀有矩形、三角形、燕尾槽形和圓柱形。

矩形導軌（圖2-12a）承載能力大，制造簡單，水平方向和垂直方向上的位置精度互不相關。側面間隙不能自動補償，必須設置間隙調整機構。三角形導軌（圖2-12b）的三角形截面有兩個導向面，同時控制垂直方向和水平方向的導向精度。這種導軌在載荷的作用下能自行補償而消除間隙，導向精度較其他導軌高。燕尾槽導軌（圖2-12c）的高度值最小，能承受顛覆力矩，摩擦阻力也較大。圓柱形導軌（圖2-12d）制造容易，磨損后調整間隙較困難。以上截面形狀的導軌有凸形（圖2-12上圖）和凹形（圖2-12下圖）兩類。凹形導軌容易存油，但也容易積存切屑和塵粒，因此適用于防護良好的環境。凸形導軌需要良好的潤滑條件。

直線運動導軌一般由兩條導軌組成，不同的組合形式可滿足各類機床的工作要求。數控機床上滑動導軌的形狀主要為三角形一矩形式和矩形一矩形式，只有少部分結構采用燕尾式。

2．滑動導軌的材料

導軌材料主要有鑄鐵、鋼、塑料以及有色金屬。目前常采用一種導軌材料為金屬和塑料的滑動導軌，稱為塑料導軌（貼塑導軌），它具有剛度好，動、靜摩擦系數差值小，在油潤滑狀態下其摩擦系數約為0.06，耐磨性好，使用壽命為普通鑄鐵導軌的8~10倍，無爬行，減振性好。其形式主要有塑料導軌板和塑料導軌軟帶兩種。軟帶是以聚四氟乙烯為基材，添加青銅粉、二硫化鋁和石墨的高分子復合材料。軟帶應粘貼在機床導軌副的短導軌面上，如圖2-13所示，圓形導

備

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軌應粘貼在下導軌面上。塑料導軌軟帶有各種厚度規格，長與寬由用戶自行裁剪，粘貼方法比較固定。由于塑料導軌軟帶較軟，容易被硬物刮傷，因此應用時要有良好的密封防護措施。塑料導軌在機床上的應用形式如圖2-14所示。

（三）滾動導軌

滾動導軌是在導軌工作面之間安排滾動件，使兩導軌面之間形成滾動摩擦，滾動導軌的摩擦系數小，而且動、靜摩擦系數相近，磨損小，潤滑容易。因此它低速運動平穩性好，移動精度和定位精度高。但滾動導軌的抗振性比滑動導軌差，結構復雜，對臟物也較為敏感，需要良好的防護。數控機床常用的滾動導軌有直線滾動導軌和滾動導軌塊兩種。

1．直線滾動導軌

直線滾動導軌又稱單元直線滾動導軌，它主要由導軌體、滑塊、滾珠、保持架、端蓋等組成。導軌體固定在不動部件上，滑塊固定在運動部件上。當滑塊沿導軌體移動時，滾珠在導軌體和滑塊之間的圓弧直槽內滾動，并通過端蓋內的滾道從工作負荷區運動到非工作負荷區，然后再滾動回到工作負荷區。這樣不斷循環，把滾動體和滑塊之間的移動變成滾珠的滾動。用密封墊來防止灰塵和臟物進入導軌滾道。

2．滾動導軌塊

滾動導軌塊用滾動體進行循環運動，滾動體為滾珠或滾柱，承載能力和剛度都比直線滾動導軌高，但摩擦系數略大。它多用于中等載荷的導軌，使用時有專業生產廠家提供各種規格、形式供用戶選擇。

（四）液體靜壓導軌

靜壓導軌通常在兩個相對運動的導軌面間通入壓力油，使運動件浮起。在工作過程中，導軌面上油腔中的油壓能隨外加負載的變化自動調節，保證導軌面間始終處于純液體摩擦狀態。所以靜壓導軌的摩擦系數極?。s為0.0005），功率消耗少。這種導軌不會磨損，因而導軌的精度保持性好，壽命長。它的油膜厚度幾乎不受速度的影響，油膜承載能力大、剛性高、吸振性良好。這種導軌的運行很平穩，既無爬行也不會產生振動。但靜壓導軌結構復雜，并需要有一套過濾效果良好的液壓裝置，制造成本較高。目前靜壓導軌一般應用在大型、重型數控機床上。

靜壓導軌按導軌的形式可分為開式和閉式兩種，數控機床上常采用閉式靜壓導軌。靜壓導軌按供油方式又可分為恒壓（即定壓）供油和恒流（即定量）供油兩種。

（五）導軌的潤滑與防護

導軌潤滑的目的是減少摩擦阻力和摩擦磨損，避免低速爬行，降低高速時的溫升。常用的潤滑劑有潤滑油和潤滑脂，前者用于滑動導軌，而滾動導軌兩者均可采用。數控機床上滑動導軌的潤滑主要采用壓力潤滑。一般常用壓力循環潤滑和定時定量潤滑兩種方式。如直線滾動導軌滑塊上配有潤滑油注油杯，只要定期將鋰基潤滑脂放入潤滑油注油杯即可實現潤滑。

導軌面上應有可靠的防護裝置。常用的防護裝置有刮板式、卷簾式和伸縮式

備

注

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等，數控機床上大多采用伸縮式防護罩。這些裝置結構簡單，由專門廠家制造。

備

注

三、滾珠絲杠螺母副

滾珠絲杠螺母副是回轉運動與直線運動相互轉換的新型理想傳動裝置。

（一）滾珠絲杠螺母副的特點

其工作原理是：在絲杠和螺母上加工有弧形螺旋槽，當把它們套裝在一起時形成螺旋通道，并且滾道內填滿滾珠。當絲杠相對于螺母旋轉時，兩者發生軸向位移，而滾珠則可沿著滾道流動，按照滾珠返回的方式不同可以分為內循環式和外循環式二種。內循環式帶有反向器，如圖2-17a，返回的滾珠經過反向器和絲杠外圓返回。外循環式如圖2-17b所示，其螺母旋轉槽的兩端由回珠管連接起來，返回的滾珠不與絲杠外圓相接觸，滾珠可以作周而復始的循環運動，在管道的兩端還能起到擋珠的作用，用以避免滾珠沿滾道滑出。

鋼珠每一個循環閉路稱為列。每個滾珠循環閉路內所含導程數稱為圈數。內循環滾珠絲杠副的每個螺母有2列、3列、4列、5列等幾種，每列只有一圈。外循環每列有1.5圈，2.5圈，3.5圈等幾種，剩下的半圈作回珠。外循環滾珠絲杠螺母副的每個螺母有1列2.5圈，1列3.5圈，2列1.5圈，2列2.5圈等，種類很多。

在傳動時，滾珠與絲杠、螺母之間基本上是滾動摩擦，所以具有下述特點： 1．摩擦損失小，傳動效率高

滾珠絲杠副的傳動效率可達92％~98％，是普通絲杠傳動的3~4倍。2．傳動靈敏，運動平穩，低速時無爬行

滾珠絲杠螺母副滾珠與絲杠和螺母是滾動摩擦，其動、靜摩擦系數基本相等，并且很小,移動精度和定位精度高。

3．使用壽命長

滾珠絲杠副采用優質合金鋼制成，其滾道表面淬火硬度高達60~62HRC，表面粗糙度值小，另外，因為是滾動摩擦，故磨損很小。

4．軸向剛度高

滾珠絲杠螺母副可以完全消除間隙傳動，并可預緊，因此具有較高的軸向剛度。同時，反向時無空程死區，反向定位精度高。

5．具有傳動的可逆性

既可以將旋轉運動轉化為直線運動，也可以把直線運動轉化為旋轉運動。因為滾珠絲杠副具有這些優點，所以現在被各類中、小型數控機床普遍采用。6．不能實現自鎖

由于其摩擦系數小不能自鎖，當用于垂直位置時，為防止因突然停斷電而造成主軸箱下滑，必須加有制動裝置。

7．制造工藝復雜成本高

滾珠絲杠和螺母的材料、熱處理和加工要求相當于滾動軸承，螺旋滾道必須磨削，制造成本高。目前已由專門廠集中生產，其規格、型號已標準化和系列化，這樣，不僅提高了滾珠絲杠螺母副的產品質量，而且也降低了生產成本，使滾珠

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絲杠螺母副得到廣泛的應用。

（二）滾珠絲杠螺母副間隙的調整

軸向間隙通常是指絲杠和螺母無相對轉動時，絲杠和螺母之間的最大軸向竄動量。除了結構本身所有的游隙之外，還包括施加軸向載荷后產生彈性變形所造成的軸向竄動量。通常采用雙螺母預緊的辦法解決，預緊是指它在過盈的條件下工作，把彈性變形量控制在最小限度。而用雙螺母加預緊力調整后，基本上能消除軸向間隙。利用雙螺母加預緊力消除軸向間隙時，必須注意：

1．預加載荷能夠有效地減少彈性變形所帶來的軸向位移，預緊力太小不能起到消除間隙的作用。但預緊力也不宜過大，過大的預緊載荷將增加摩擦力，使傳動效率降低，縮短絲杠的使用壽命。

2．要特別減小絲杠安裝部分和驅動部分的間隙。消除間隙的方法除了少數用微量過盈滾珠的單螺母消除間隙外，常用的雙螺母消除軸向間隙的結構形式有墊片預緊方式、螺紋預緊方式和齒差預緊方式等。

（1）圖2-18是雙螺母墊片預緊方式結構，通過調整墊片的厚度使左右螺母產生軸向位移，就可達到消除間隙和產生預緊力的作用。

（2）圖2-19是雙螺母螺紋預緊方式結構，用鍵限制螺母在螺母座內的轉動。調整時，擰動圓螺母將螺母沿軸向移動一定距離，在消除間隙之后用圓螺母將其鎖緊。

（3）圖2-20是雙螺母齒差預緊方式結構，在兩個螺母1和2的凸緣上各制有一個圓柱外齒輪，兩個齒輪的齒數相差一個齒，即z1?z2?1。兩個內齒圈3和4與外齒輪齒數分別相同，并用預緊螺釘和銷釘固定在螺母座的兩端。調整時先將內齒圈取下，根據間隙的大小調整兩個螺母1、2分別向相同的方向轉過一個或多個齒。使兩個螺母在軸向移近了相應的距離達到調整間隙和預緊的目地。間隙消除量△可用下式簡便地計算出：

??（2-1）

式中

n —— 螺母在同一方向轉過的齒數；

t —— 滾珠絲杠的導程；

z1,z2——齒輪的齒數。

ntz1z2備

注

n??z1zt 例如，當z1=101，z2=100，t=5mm時，如果兩個螺母向相同方向各轉過一個齒時，其相對軸向位移量為?=5/（100×101）≈0.0005mm，若間隙量為0.002mm，n=0.002×100×101/5=4。則相應的兩螺母沿同方向轉過4個齒即可消除。

（三）滾珠絲杠螺母副的結構形式

接螺旋滾道法向截面形狀分單圓弧型和雙圓弧型；按滾珠循環方式分內循環式和外循環式；按消除軸向間隙和調整預緊方式的不同分為墊片預緊方式、螺紋預緊方式和齒差預緊方式三種；按用途分為定位滾珠絲杠副（P類）、傳動滾珠絲

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杠副（T類）兩類，數控機床進給運動采用P類。

國內生產的滾珠絲杠螺母副螺旋滾道法向截形有兩種：單圓弧型和雙圓弧型，見圖2-21。在螺紋滾道法向剖面內，滾珠與滾道接觸點法線與絲杠軸線的垂直線夾角稱接觸角?，理想接觸角等于45°。

1．單圓弧型

如圖2-21a所示。滾道半徑R稍大于滾珠半徑rb，取比值：R/rb=1.02~1.12，常取1.04或1.1。接觸角?隨初始間隙和軸向截荷大小而變化。當?增大后，軸向剛度、傳動效率隨之增大。為保證?=45°，必須嚴格控制徑向間隙。這種截面形狀滾道形狀簡單，用成形砂輪磨削可得到較高精度。為消除軸向間隙和調整預緊，必須采用雙螺母結構。

2．雙圓弧型

如圖2-21b所示。滾道由半徑R稍大于滾珠半徑rb的對稱雙圓弧組成。理論上軸向和徑向間隙為零，接觸角?=45°是恒定的。比值：R/rb也常取1.02~1.12，并也常取1.04或1.1。這種截形滾道接觸穩定，但加工較復雜。消除軸向間隙和調整預緊，不僅可以采用雙螺母結構，也可以采用增大滾珠直徑的單螺母結構。另外兩圓弧交接處有一小溝槽，可容納潤滑油和臟物，這對工作有利。

（四）滾珠絲杠螺母副的主要參數及代號 1．滾珠絲杠螺母副的主要參數

（1）公稱直徑dm：即滾珠絲杠的名義直徑（圖2-22）。.滾珠與螺紋滾道在理論接觸角狀態時，包絡滾珠球心的圓柱直徑，是滾珠絲杠螺母副的特征尺寸。名義直徑與承載能力有直接關系，dm越大，承載能力和剛度越大，有的資料推薦滾珠絲杠螺母副的名義直徑應大于絲杠工作長度的 1/30。數控機床常用進給絲杠的名義直徑dm為?30mm至?80mm。國際標準ISO規定滾珠絲杠螺母副的名義直徑系列為：6，8，10，12，16，20，25，30，40，50，60，80，100，120，125，160及200 mm。

（2）導程L0：絲杠相對于螺母旋轉一圈時，螺母上基準點的軸向位移。它按承載能力選取，并與進給系統的脈沖當量要求有關。導程的大小是根據機床的加工精度要求確定的。精度要求高時，應將導程取小一些，這樣在一定的軸向力作用下，絲杠上的摩擦阻力較小。但為了使滾珠絲杠具有一定的承載能力，滾珠直徑又不能太小。導程過小勢必使滾珠直徑變小，滾珠絲杠螺母副的承載能力亦隨之減小。若絲杠副的名義直徑不變，導程減小則螺旋升角也變小，傳動效率降低。因此在滿足機床加工精度的條件下，導程應盡可能取得大些。國際標準ISO規定滾珠絲杠螺母副的導程為 1，2，2.5，3，4，5，6，10，12，16，20，25，30，40 mm。應盡量選用2.5，5，10，20，40 mm。

此外還有接觸角?、絲杠螺紋大徑d、絲杠螺紋小徑d1、螺紋全長l、滾珠直徑db、螺母螺紋大徑D、螺母螺紋小徑D1、滾道圓弧偏心距e 以及滾道圓弧半徑R等參數。

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2．精度等級

根據JB3162.2—91滾珠絲杠螺母副按其使用范圍及要求分為7個精度等級，即1、2、3、4、5、7和10七個精度等級。一級精度最高，其余依次逐級遞減，一般動力傳動可選用4、5、7級精度，數控機床和精密機械可選用2、3級精度，精密儀器、儀表機床、螺紋磨床可選用1、2級精度。滾珠絲杠螺母副精度直接影響定位精度，承載能力和接觸剛度，因此它是滾珠絲杠副的重要指標，選用時要予以考慮。

3．滾珠絲杠螺母副代號的標注

根據JB3162.2—91滾珠絲杠副代號的標注方法如圖2-23a所示。采用漢語拼音字母、數字及漢字結合標注法，標注示例如圖2-23b 所示。例如：CDM6012-3.5-P4LH它表示外循環插管式，墊片預緊，回珠管埋入式，公稱直徑為60mm，導程為12mm，螺紋旋向為左旋，負荷鋼球圈數為3.5圈，定位滾珠絲杠，精度等級為4級。滾珠絲杠副的特征代號見表2-1。

（五）滾珠絲杠螺母副的支承

滾珠絲杠主要承受軸向載荷，它的徑向載荷主要是臥式絲杠的自重。因此對滾珠絲杠的軸向精度和剛度要求較高。此外，滾珠絲杠的正確安裝及其支承的結構剛度也不容忽視。滾珠絲杠兩端常用支承形式如圖2-24所示。圖2-24a是一端固定一端自由的支承形式。其特點是結構簡單，軸向剛度低，它適用于短絲杠及垂直布置絲杠，一般用于數控機床的調整環節和升降臺式數控銑床的垂直坐標軸。圖2-24b是一端固定一端浮動的支承形式，絲杠軸向剛度與圖2-24a形式相同，絲杠受熱后有膨脹伸長的余地，需保證螺母與兩支承同軸。這種形式的配置結構較復雜，工藝較困難，適用于較長絲杠或臥式絲杠。圖2-24c是兩端固定的支承形式，這種支承結構只要軸承無間隙，絲杠的軸向剛度比一端固定形式高約4倍，固有頻率比一端固定的高，可預拉伸，在它的一端裝有蝶形彈簧和調整螺母，這樣既可對滾珠絲杠施加預緊力，又可使絲杠受熱變形得到補償，保持恒定預緊力，但結構工藝都較復雜，適用于長絲杠。

（六）滾珠絲杠螺母副的密封與潤滑 1．密封

通常滾珠絲杠副可用防塵密封圈和防護套密封，防止灰塵及雜質進入滾珠絲杠副。密封圈有接觸式和非接觸式兩種，裝在滾珠螺母的兩端。防護套可防止塵土及雜質進入滾珠絲杠，影響其傳動精度。對于暴露在外面的絲杠一般采用螺旋鋼帶、伸縮套筒、錐形套管以及折疊式防護罩，以防止塵埃和磨粒粘附到絲杠表面。這些防護罩一端連接在滾珠螺母的端面，另一端固定在滾珠絲杠的支承座上。近年來還出現了一種鋼帶纏卷式絲杠防護裝置。

2．潤滑

使用潤滑劑，以提高耐磨性及傳動效率，從而維持傳動精度，延長使用壽命。常用的潤滑劑有潤滑油和潤滑脂兩類。潤滑脂一般在安裝過程中放進滾珠螺母的滾道內，定期潤滑。使用潤滑油時應注意要經常通過注油孔注油。

（七）滾珠絲杠螺母副的選擇方法

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1．滾珠絲杠螺母副結構的選擇

可根據防塵、防護條件以及對調隙及預緊的要求選擇適當的結構形式。例如：允許間隙存在（如垂直運動）時，可選用具有單圓弧型螺紋滾道的單螺母滾珠絲杠副；如果必須有預緊，并在使用過程中因磨損而需要定期調整時，應采用雙螺母螺紋預緊或齒差預緊式結構；當具備良好的防塵條件，只需在裝配時調整間隙及預緊力時，可采用結構簡單的雙螺母墊片調整預緊式結構。

2．滾珠絲杠螺母副結構尺寸的選擇

選用滾珠絲杠螺母副時主要選擇絲杠的公稱直徑和導程。公稱直徑應根據軸向最大工作載荷，按滾珠絲杠副的尺寸系列選擇。在允許的情況下螺紋長度要盡量短。導程（或螺距）應按承載能力、傳動精度及傳動速度選取。當要求傳動速度快時，可選用大導程滾珠絲杠副。

3．滾珠絲杠螺母副的選擇步驟

在選用滾珠絲杠螺母副時，必須知道實際的工作條件，包括最大工作載荷（或平均工作載荷、最大載荷作用下的使用壽命、絲杠的工作長度（或螺母的有效行程）、絲杠的轉速（或平均轉速）、滾道的硬度及絲杠的工作狀況等，然后按下列步驟進行選擇：

（1）最大的工作載荷；

（2）最大動載荷。對于靜態或低速運轉的滾珠絲杠，需考慮另一種失效形式—滾珠接觸面上的塑性變形，即最大靜載荷是否充分地超過了滾珠絲杠的工作載荷；

（3）剛度的驗算；

（4）壓桿穩定性核算。另外，滾珠絲杠在軸向力的作用下將伸長或縮短，在扭矩的作用下將產生扭轉而影響絲杠導程的變化，從而影響傳動精度及定位精度，故應驗算滿載時的預緊量。

備

注

四、傳動齒輪間隙消除機構

（一）直齒圓柱齒輪傳動間隙的調整 l．偏心套調整

如圖2-25所示偏心軸套消除傳動間隙結構。電動機1是用偏心套2與箱體連接的，通過轉動偏心套2的位置就能調整兩嚙合齒輪中心距，從而消除齒側間隙。其結構非常簡單，常用于電動機與絲杠之間齒輪傳動。

2．墊片調整

如圖2-26所示，在加工相互嚙合的兩個齒輪1、2時，將分度圓柱面制成帶有小錐度的圓錐面，使齒輪齒厚在軸向稍有變化，裝配時只需改變墊片3的厚度，使齒輪2作軸向移動，調整兩齒輪在軸向的相對位置即可達到消除齒側間隙的目的。

3．雙齒輪錯齒調整

如圖2-27所示，兩個相同齒數的薄片齒輪1、2與另外一個寬齒輪嚙合?？勺飨鄬剞D運動的齒輪1、2套裝在一起。每個薄片齒輪上分別開有周向圓弧槽，《數控加工工藝及設備》教案

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并在齒輪1、2的槽內壓有裝彈簧的短圓柱3，在彈簧4的作用下使齒輪1、2錯位，分別與寬齒輪的齒槽左右側貼緊，消除了齒側間隙。無論正向或反向旋轉都分別只有一個齒輪承受扭矩，因此承載能力受到限制，設計時必須計算彈簧4的拉力，使它能克服最大扭矩。

（二）斜齒圓柱齒輪傳動間隙的消除 1．軸向墊片調整

如圖2-28所示，寬齒輪同時與兩個相同齒數的薄片齒輪嚙合，薄片齒輪通過平鍵與軸聯結，相互間不能轉動。通過調整薄片齒輪之間墊片厚度的增減量，然后擰緊螺母，這時它們的螺旋線產生錯位，其左右兩齒面分別與寬齒輪的齒槽左右兩齒面貼緊消除了齒側間隙。墊片厚度的增減量t和齒側間隙?的關系可由下式算出：

t??ctg?

（2-2）

式中?——斜齒輪的螺旋角；

?——齒側間隙； t——墊片厚度的增減量。

備

注

2．軸向壓簧調整

如圖2-29所示，軸向壓簧調整齒輪齒側間隙的原理與軸墊片法是一樣的。但用彈簧壓緊

能自動補償齒側間隙，達到無間隙傳動。彈簧彈力要用調整螺母達到適當的值。過大會使齒輪磨損加快，降低使用壽命；過小達不到消除齒側間隙的作用。

（三）圓錐齒輪傳動間隙的消除

1．周向壓簧調整

如圖2-30所示，將大錐齒輪加工成1和2兩部分，齒輪的外圈1開有三個圓弧槽8，內圈2的端面上的三個凸爪4，套裝在圓弧槽內。彈簧6的兩端分別頂在凸爪4和鑲塊7上，使內外齒圈1、2的錐齒錯位與小錐齒輪嚙合達到消除間隙的作用。為了安裝方便，螺釘5將內外齒圈相對固定，安裝完畢后即刻卸去。

2．軸向壓簧調整

如圖2-31所示，兩個錐齒輪相互嚙合。在其中一個錐齒輪的傳動軸上裝有壓簧，調整螺母可改變壓簧的彈力。錐齒輪在彈力作用下沿軸向移動，從而達到消除齒側間隙的目的。

五、回轉進給系統

數控機床靠回轉工作臺實現圓周進給運動。常用的回轉工作臺有分度工作臺和數控回轉工作臺，它們的功能各不相同，分度工作臺只是將工件分度轉位，實現分別加工工件的各個表面的目的，給零件的加工尤其是箱體類零件的加工帶來了很大的方便。而數控回轉工作臺除了分度和轉位的功能之外，還能實現圓周進給運動。

1．分度工作臺

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容

分度工作臺是按照數控系統的指令，在需要分度時工作臺連同工件按規定的角度回轉，有時也可采用手動分度。分度工作臺只能夠完成分度運動而不能實現圓周運動，并且它的分度運動只能完成一定的回轉度數如 90°、60°或45°等。

鼠牙盤式分度工作臺其結構如圖2-32 所示，它主要由工作臺面底座、夾緊液壓缸、分度液壓缸和鼠牙盤等零件組成。鼠牙盤是保證分度精度的關鍵零件，在每個齒盤的端面有相同數目的三角形齒。當兩個齒盤嚙合時，就能自動確定周向和徑向的相對位置。

（1）工作臺抬起，鼠齒盤脫離嚙合

機床需要進行分度時，數控裝置發出指令→電磁鐵控制液壓閥使壓力油經孔23進入到工作臺7中央的夾緊液壓缸下腔10→推動活塞6向上移動→經推力軸承5和13將工作臺7抬起→內齒輪12向上套入齒輪11→上下兩個鼠齒盤4和3脫離嚙合，完成分度前的準備工作。

（2）回轉分度

當工作臺7上升時，推桿2在彈簧力的作用下向上移動→使推桿1向右移動→微動開關S2復位→使壓力油經油孔21進入分度油缸左腔19→推動齒條活塞8向右移動→齒輪11作逆時針方向轉動→與齒輪11相嚙合的內齒輪12轉動→分度臺也轉過相應的角度?；剞D角度的大小由微動開關和擋塊17決定，開始回轉時，擋塊14離開推桿15使微動開關S1復位，通過電路互鎖，始終保持工作臺處于上升位置。

（3）工作臺下降，完成定位夾緊圖

當工作臺轉到預定位置附近，擋塊17通過16使微動開關S3工作。壓力油經油孔22進入到壓緊液壓缸上腔9→活塞6帶動工作臺7下降→上鼠齒盤4與下鼠齒盤3在新的位置重新嚙合并定位壓緊。為了保護鼠齒盤齒面不受沖擊，液壓缸下腔10的回油經節流閥可限制工作臺的下降速度。

（4）復位為下次分度作準備

當分度工作臺下降時，推桿2和1啟動微動開關S2→分度液壓缸右腔18進壓力油→活塞齒條8退回→齒輪11順時針轉動→擋塊17、14回到原位，為下次分度作準備。

鼠齒盤式分度工作臺具有剛性好，承載能力強，重復定位精度高，分度精度高，能自動定心，結構簡單等特點。鼠齒盤制造精度要求高，它分度的度數只能是鼠齒盤齒數的整數倍。這種工作臺不僅可與數控機床做成一體，也可作為附件使用，廣泛應用于各種加工和測量裝置中。

2．數控回轉工作臺

為了實現任意角度分度，并在切削過程中能夠實現回轉，采用了數控回轉工作臺。它主要用于數控鏜銑床。從外形上看與分度工作臺沒有多大差別，但在內部結構和功能上則有較大的不同。

如圖2-33所示，由傳動系統、間隙消除裝置及蝸輪夾緊裝置等組成了數控回轉工作臺。它由伺服電動機1驅動，經齒輪2和4帶動蝸桿

9、蝸輪10使工作臺回轉。通過調整偏心環3來消除齒輪2和4嚙合側隙。為了消除軸與套的配合間

備

注

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容

隙，通過楔形拉緊圓柱銷5（A—A剖面）來連接齒輪4與蝸桿9。蝸桿9采用螺距漸厚蝸桿，蝸桿齒厚從頭到尾逐漸增厚，這種蝸桿的左右兩側具有不同的導程。但由于同一側的螺距是相同的，所以仍能保持正確的嚙合。通過移動蝸桿的軸向位置來調節間隙，實現無間隙傳動。

當工作臺靜止時，必須處于鎖緊狀態。為此，在蝸輪底部裝有八對夾緊塊12及13，并在底座上均布著八個小液壓缸14，夾緊液壓缸14的上腔通入壓力油，使活塞向下運動，通過鋼球17撐開夾緊塊12及13，將蝸輪夾緊。當工作臺需要回轉時，數控系統發出指令，夾緊液壓缸14上腔的油流回油箱，鋼球17在彈簧16的作用下向上抬起，夾緊塊12和13松開蝸輪，這時蝸輪和回轉工作臺可按照控制系統的指令作回轉運動。

數控回轉工作臺的導軌面由大型滾柱軸承支承，并由圓錐滾子軸承及雙列圓柱滾子軸承保持回轉中心的準確。為消除累積誤差，數控回轉工作臺設有零點，當它作回零運動時首先由安裝在蝸輪上的擋塊碰撞限位開關，使工作臺減速，然后通過感應塊和無觸點開關的作用使工作臺準確停在零點位置上。分度角度位置通常由角度反饋元件圓光柵18反饋給數控系統。

數控回轉工作臺可作任意角度的回轉和分度，因此能夠達到較高的分度精度。

備

注

第五節

數控機床進給傳動系統應用

一、MJ-50數控車床進給傳動系統

（一）特點

數控車床的進給運動是把伺服電動機的旋轉運動轉化為刀架和滑板X、Z軸的直線運動，而且對移動精度要求很高，X軸最小移動量為0.0005mm（直徑編程），Z軸最小移動量為0.00lmm。采用滾珠絲杠螺母傳動副，可以有效地提高進給系統的靈敏度、定位精度并防止爬行。另外，消除絲杠螺母副的配合間隙和絲杠兩端的軸承間隙，也有利于提高傳動精度。

數控車床的進給系統采用伺服電動機驅動，經同步帶輪傳動到滾珠絲杠上，滾珠絲杠螺母帶動刀架或滑板移動，所以刀架或滑板的快速移動和進給運動均為同一傳動路線。

（二）X軸進給系統傳動裝置

圖2-34是MJ-50數控車床 X軸進給傳動裝置的結構簡圖。如圖a所示，功率為0.9kw的AC伺服電動機15經20：24同步帶輪 14和 10以及同步帶 12帶動滾珠絲杠6回轉，滾珠絲杠螺距為6mm，其上螺母7帶動刀架21（圖2-34b所示）沿滑板1的導軌移動，實現X軸的進給運動。電動機軸與同步帶輪14用鍵13連接。滾珠絲杠有前后兩個支承。前支承3由三個角接觸球軸承組成，其中一個軸承大口向前兩個軸承大口向后，分別承受雙向的軸向載荷。前支承的軸承由螺母2進行預緊。其后支承9為一對角接觸球軸承，軸承大口相背放置，由螺母11進行預緊。這種絲杠兩端固定的支承形式，其結構和工藝都較復雜，可以

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容

保證和提高絲杠的軸向剛度。脈沖編碼器16安裝在伺服電動機的尾部。圖中5和8是緩沖塊，在出現意外碰撞時起保護作用。

A-A剖面圖表示滾珠絲杠前支承的軸承座 4用螺釘20固定在滑板上。滑板導軌如B-B剖視圖所示為矩形導軌，鑲條17、18、19用來調整刀架與滑板導軌的間隙。

圖2-34b中22為導軌護板，26、27為機床參考點的限位開關和撞塊。鑲條23、24、25用于調整滑板與床身導軌的間隙。

因為滑板頂面導軌與水平面傾斜30°，回轉刀架的自身重力使其下滑，滾珠絲杠和螺母不能以自鎖阻止其下滑，故機床依靠AC伺服電動機的電磁制動來實現自鎖。

備

注

二、JCS-018A加工中心機床進給傳動系統及傳動裝置

JCS-018A機床的 X、Y、Z三個軸各有一套進給系統，分別由三臺功率為1.4kw的脈寬調速直流伺服電動機直接帶動滾珠絲杠旋轉。三個軸的進給速度均為1~400mm/min，快移速度X、Y軸為14 m/min，Z軸為10 m/min。為了保證各軸的進給傳動系統有較高的傳動精度，電動機軸和滾珠絲杠之間均采用了錐環無鍵連接和高精度十字聯軸器的連接結構。以Z軸進給裝置為例，分析電動機軸與滾珠絲杠之間的連接結構。圖2-35為Z軸進給裝置中電動機與絲杠連接的局部視圖。如圖中所示，l為直流伺服電動機，2為電動機軸，7為滾珠絲杠。電動機軸與軸套3之間采用的錐環4無鍵連接結構。錐面相互配合的內外錐環，當擰緊螺釘時，外錐環向外膨脹，內錐環受力后向電動機軸收縮，從而使電動機輪與軸套連接在一起。這種連接方式無需在被連接件上開鍵槽，而且兩錐環的內外圓錐面壓緊后，可以實現無間隙傳動，而且對中性較好，傳遞動力平穩，加工工藝性好，安裝與維修方便。選用錐環對數的多少，取決于所傳遞扭矩的大小。

高精度十字聯軸器由三件組成，其中與電動機軸連接的軸套3的端面有與中心對稱的凸鍵，與絲杠連接的軸套6上開有與中心對稱的端面鍵槽，中間一件聯軸節5的兩端面上分別有與中心對稱且互相垂直的凸鍵和鍵槽，它們分別與件3和件6相配合，用來傳遞運動和扭矩。為了保證十字聯軸節的傳動精度，在裝配時凸鍵與凹鍵的徑向配合面要經過配研，以便消除反向間隙和傳遞動力平穩。由于主軸箱垂直運動，為防止滾珠絲杠因不能自鎖而使主軸箱下滑，所以Z軸電動機帶有制動器。

第六節

自動換刀裝置自動換刀裝置應當滿足的基本要求： 1．刀具換刀時間短且換刀可靠； 2．刀具重復定位精度高；

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3．足夠的刀具儲存量； 4．刀庫占地面積小。

備

注

一、自動換刀裝置的形式

根據其組成結構，自動換刀裝置可分為回轉刀架式、轉塔式、帶刀庫式三種形式，下面作分別介紹。

（一）回轉刀架自動換刀裝置

數控機床上使用的回轉刀架是一種最簡單的自動換刀裝置。根據不同的適用對象，刀架可設計為四方形、六角形或其它形式。回轉刀架可分別安裝四把、六把以及更多的刀具，并按數控裝置發出的脈沖指令回轉、換刀。

CK7815型數控車床采用 BA200L刀架，最多可以有 24個分度位置，機床可選用 12位、8位刀盤。其工作循環是：刀架接收數控裝置的指令→松開→轉到指令要求的位置→夾緊→發出轉位結束的信號。按照這個規律就可以分析各種結構刀架的工作過程。

圖2-36中，當電動機11通電時，尾部的電磁制動器30ms以后松開，電動機開始轉動，通過齒輪10、9、8帶動蝸桿7旋轉，從而使蝸輪5轉動。蝸輪內孔有螺紋，與軸6上的螺紋配合。這時軸6不能回轉，當蝸輪轉動時，使得軸6沿軸向向左移動，因為刀架1與軸

6、活動鼠牙盤2是固定在一起的，所以刀盤和鼠牙盤也向左移動，鼠牙盤2和3脫開。在軸6上有兩個對稱槽，內裝滑塊4，在鼠牙盤脫開后，蝸輪轉到一定角度與蝸輪固定在一起的圓盤14上的凸起便碰到滑塊4，蝸輪便通過軸6上的螺紋使軸6右移，鼠牙盤2、3結合定位，電磁制動器通電，維持電動機軸上的反轉力矩，以保證鼠牙盤之間有一定的壓緊力。最后電動機斷電，同時軸6右端的小軸13壓下微動開關12，發出轉位結束信號。刀架的選位由刷形選位器進行選位。松開、夾緊位置檢測則由微動開關12實行。整個刀架是一個純電器系統，結構簡單。

（二）轉塔式自動換刀裝置

在帶有旋轉刀具的數控機床中，轉塔刀架上裝有主軸頭，主軸頭通常有臥式和立式兩種，常用轉塔的轉位來更換主軸頭以實現自動換刀，它是一種比較簡單的換刀方式，各個主軸頭上預先裝有各工序加工所需要的旋轉刀具，當收到換刀指令時，各主軸頭依次的轉到加工位置，并接通主運動使相應的主軸帶動刀具旋轉，而其它處于不加工位置上的主軸都與主運動脫開。如圖2-37數控鉆鏜銑床，它是裝有8把刀具且繞水平軸轉位的轉塔式自動換刀裝置。

（三）帶刀庫的自動換刀裝置

帶刀庫的自動換刀系統由刀庫和刀具換刀機構組成，目前這種換刀方法在數控機床上的應用最為廣泛。

刀具的交換方式通常分為機械手交換刀具和由刀庫與機床主軸的相對運動實現刀具交換即無機械手交換刀具兩種。刀具的交換方式及它們的具體結構直接影響機床的工作效率和可靠性。

1．無機械手交換刀具方式

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無機械手的換刀系統一般是采用把刀庫放在主軸箱可以運動到的位置，或整個刀庫或某一刀位能移動到主軸箱可以到達的位置，同時，刀庫中刀具的存放方向一般與主軸上的裝刀方向一致。換刀時，由主軸運動到刀庫上的換刀位置，利用主軸直接取走或放回刀具。

2．帶機械手交換刀具方式

采用機械手進行刀具交換方式在加工中心中應用最為廣泛。機械手是當主軸上的刀具完成一個工步后，把這一工步的刀具送回刀庫，并把下一工步所需要的刀具從刀庫中取出來裝入主軸繼續進行加工的功能部件。

圖2-39a是單臂單爪回轉式機械手，帶一個夾爪的手臂可自由回轉，裝刀卸刀均靠這個夾爪進行，因此，換刀時間較長。

圖2-39b是單臂雙爪擺動式機械手，手臂上的一個夾爪只完成從主軸上取下“舊刀”送回刀庫的任務，而另一個夾爪則執行由刀庫取出“新刀”送到主軸的任務，其換刀時間較單爪回轉式機械手要短。

圖2-39c是雙臂回轉式機械手，手臂兩端各有一個夾爪，能夠同時完成抓刀→拔刀→回轉→插刀→返回等一系列動作。為了防止刀具掉落，各機械手的活動爪都帶有自鎖機構。由于雙臂回轉機械手的動作比較簡單，而且能夠同時抓取和裝卸機床主軸和刀庫中的刀具，因此換刀時間可進一步縮短，是最常用的一種形式。圖右邊的機械手在抓取刀具或將刀具送入刀庫主軸時，其兩臂可伸縮。

圖2-39d是雙機械手，相當于兩個單臂單爪機械手，它們相互配合完成自動換刀動作。

圖2-39e是雙臂往復交叉式機械手。這種機械手的兩臂可以進行往復運動，并交叉成一定的角度。一個手臂從主軸上取下“舊刀”送回刀庫，另一個手臂由刀庫中取出“新刀”裝入主軸，整個機械手可沿某導軌直線移動或繞某個轉軸回轉，以實現刀庫與主軸間的換刀動作。

圖2-39f是雙臂端面夾緊式機械手。它的特點是靠夾緊刀柄的兩個端面來抓取刀具，而其它機械手均靠夾緊刀柄的外圓表面抓取刀具。

備

注

二、刀庫

刀庫是用來儲存加工刀具及輔助工具的，是自動換刀裝置中最主要的部件之一。

1．刀庫的類型

按刀庫的結構形式可分為圓盤式刀庫、鏈式刀庫和箱型式刀庫。圓盤式刀庫如圖2-40，結構簡單，應用也較多。但因刀具采用單環排列，空間利用率低，因此出現了將刀具在盤中采用雙環或多環排列的形式，以增加空間利用率。但這樣使刀庫的外徑擴大，轉動慣量也增大，選刀時間也長。所以，圓盤式刀庫一般用于刀具容量較小的刀庫。鏈式刀庫如圖2-41所示，適用于刀庫容量較大的場合。鏈的形狀可以根據機床的布局配置，也可將換刀位突出以利于換刀。當需要增加鏈式刀庫的刀具容量時，只需增加鏈條的長度，在一定范圍內，無需變更刀庫的線速度及慣量。一般刀具數量30~120把時都采用鏈式刀庫。箱型式刀庫的結構

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也比較簡單，有箱型和線型兩種，如圖2-42，圖2-43。箱型刀庫一般容量比較大，刀庫的空間利用率較高，換刀時間較長，往往用于加工單元式加工中心。線型刀庫容量小，一般在十幾把刀左右，多用于自動換刀的數控車床，數控鉆床也有采用。

另外，按設置部位的不同刀庫可以分為頂置式、側置式、懸掛式和落地式等

備

注

多種類型。按交換刀具還是交換主軸，刀庫可分為普通刀庫（簡稱刀庫）和主軸箱刀庫。

2．刀庫的容量

確定刀庫的容量首先要考慮加工工藝的需要。對若干種工件進行分析表明，各種加工所必需的刀具數量是：4把銑刀可完成工件95％左右的銑削工藝，10把孔加工刀具可完成70％的鉆削工藝，因此，14把刀的容量就可完成70％以上工件的鉆銑工藝。如果從完成工件的全部加工所需的刀具數目統計，則80％的工件（中等尺寸，復雜程度一般）完成全部加工任務所需的刀具數為40種以下。所以對于一般的中、小型立式加工中心，配有14~30把刀具的刀庫就能夠滿足70％~95％工件的加工需要。

3．刀庫的選刀方式

目前，加工中心刀庫使用的選刀方式有順序選刀和任意選刀兩種

順序選刀是在加工之前，將加工零件所需刀具按照工藝要求依次插入刀庫的刀套中，順序不能有差錯。加工時按順序調刀。加工不同的工件時必須重新調整刀庫中的刀具順序，因而操作十分繁瑣，而且加工同一工件中各工序的刀具不能重復使用。這樣就會增加刀具的數量，而且由于刀具的尺寸誤差也容易造成加工精度的不穩定。其優點是刀庫的驅動和控制都比較簡單。因此這種方式適合加工批量較大、工件品種數量較少的中、小型自動換刀裝置。

隨著數控系統的發展，目前絕大多數的數控系統都具有刀具任選功能。任選刀具的換刀方式可以有刀套編碼、刀具編碼和記憶等方式。刀具編碼或刀套編碼都需要在刀具或刀套安裝用于識別的編碼條，如圖2-44，一般都是根據二進制編碼原理進行編碼。刀具編碼選刀方式采用了一種特殊的刀柄結構，并對每把刀具編碼。由于每把刀具都具有自己的代碼，因而刀具可以放在刀庫中的任何一個刀座內，這樣不僅刀庫中的刀具可以在不同的工序中多次重復使用，而且換下的刀具也不用放回原來的刀座，這對裝刀和選刀都十分有利，刀庫的容量也可以相應地減少。而且還可以避免由于刀具順序的差錯所造成的事故。但是由于每把刀具上都帶有專用的編碼系統，使刀具的長度加長，制造困難，刀具剛度降低，同時使得刀庫和機械手的結構也變得復雜。對于刀套

二、刀庫

刀庫是用來儲存加工刀具及輔助工具的，是自動換刀裝置中最主要的部件之一。

1．刀庫的類型

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按刀庫的結構形式可分為圓盤式刀庫、鏈式刀庫和箱型式刀庫。圓盤式刀庫如圖2-40，結構簡單，應用也較多。但因刀具采用單環排列，空間利用率低，因此出現了將刀具在盤中采用雙環或多環排列的形式，以增加空間利用率。但這樣使刀庫的外徑擴大，轉動慣量也增大，選刀時間也長。所以，圓盤式刀庫一般用于刀具容量較小的刀庫。鏈式刀庫如圖2-41所示，適用于刀庫容量較大的場合。鏈的形狀可以根據機床的布局配置，也可將換刀位突出以利于換刀。當需要增加鏈式刀庫的刀具容量時，只需增加鏈條的長度，在一定范圍內，無需變更刀庫的線速度及慣量。一般刀具數量30~120把時都采用鏈式刀庫。箱型式刀庫的結構也比較簡單，有箱型和線型兩種，如圖2-42，圖2-43。箱型刀庫一般容量比較大，刀庫的空間利用率較高，換刀時間較長，往往用于加工單元式加工中心。線型刀庫容量小，一般在十幾把刀左右，多用于自動換刀的數控車床，數控鉆床也有采用。

另外，按設置部位的不同刀庫可以分為頂置式、側置式、懸掛式和落地式等

備

注

多種類型。按交換刀具還是交換主軸，刀庫可分為普通刀庫（簡稱刀庫）和主軸箱刀庫。

2．刀庫的容量

確定刀庫的容量首先要考慮加工工藝的需要。對若干種工件進行分析表明，各種加工所必需的刀具數量是：4把銑刀可完成工件95％左右的銑削工藝，10把孔加工刀具可完成70％的鉆削工藝，因此，14把刀的容量就可完成70％以上工件的鉆銑工藝。如果從完成工件的全部加工所需的刀具數目統計，則80％的工件（中等尺寸，復雜程度一般）完成全部加工任務所需的刀具數為40種以下。所以對于一般的中、小型立式加工中心，配有14~30把刀具的刀庫就能夠滿足70％~95％工件的加工需要。

3．刀庫的選刀方式

目前，加工中心刀庫使用的選刀方式有順序選刀和任意選刀兩種

順序選刀是在加工之前，將加工零件所需刀具按照工藝要求依次插入刀庫的刀套中，順序不能有差錯。加工時按順序調刀。加工不同的工件時必須重新調整刀庫中的刀具順序，因而操作十分繁瑣，而且加工同一工件中各工序的刀具不能重復使用。這樣就會增加刀具的數量，而且由于刀具的尺寸誤差也容易造成加工精度的不穩定。其優點是刀庫的驅動和控制都比較簡單。因此這種方式適合加工批量較大、工件品種數量較少的中、小型自動換刀裝置。

隨著數控系統的發展，目前絕大多數的數控系統都具有刀具任選功能。任選刀具的換刀方式可以有刀套編碼、刀具編碼和記憶等方式。刀具編碼或刀套編碼都需要在刀具或刀套安裝用于識別的編碼條，如圖2-44，一般都是根據二進制編碼原理進行編碼。刀具編碼選刀方式采用了一種特殊的刀柄結構，并對每把刀具編碼。由于每把刀具都具有自己的代碼，因而刀具可以放在刀庫中的任何一個刀座內，這樣不僅刀庫中的刀具可以在不同的工序中多次重復使用，而且換下的刀具也不用放回原來的刀座，這對裝刀和選刀都十分有利，刀庫的容量也可以相應地減少。而且還可以避免由于刀具順序的差錯所造成的事故。但是由于每把刀具

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上都帶有專用的編碼系統，使刀具的長度加長，制造困難，刀具剛度降低，同時使得刀庫和機械手的結構也變得復雜。對于刀套編碼的方式，一把刀具只對應一個刀套，從一個刀套中取出的刀具必須放回同一刀套中，取送刀具十分麻煩，換刀時間長。因此，無論是刀具編碼還是刀套編碼都給換刀系統帶來麻煩。目前在加工中心上絕大多數都使用記憶式的任選換刀方式。這種方式是第一次給刀庫裝刀時，告訴控制系統刀庫中的每個刀套號和該刀套上的刀具號，刀具在使用中不一定被送還到原來的刀套上，但是控制系統仍能記住該刀具號所在的新刀套號。這種方式有利于縮短換刀、選刀時間。由于這種方式經常改變刀具號與刀套的對應關系，所以在重新啟動機床時必須使刀庫回零，校驗一下顯示器上顯示的內容與實際刀具的情況。

刀庫選刀方式一般采用就近移動原則，即無論采取哪種選刀方式，在根據程序指令把下一工序要用的刀具移到換刀位置時，都要向距離換刀最近的方向移動，以節省選刀時間。

備

注

三、實例

這是JCS-018A加工中心的自動換刀裝置。1．自動換刀工作過程

（1）刀套下轉90°

本機床的刀庫位于立柱左側，刀具在刀庫中的安裝方向與主軸垂直，如圖2-45所示。換刀之前，刀庫2轉動將待換刀具5送到換刀位置，之后把帶有刀具5的刀套4向下翻轉90°，使刀具軸線與主軸軸線平行。

（2）機械手轉75°

如K向視圖所示，在機床切削加工時，機械手1的手臂與主軸中心到換刀位置的刀具中心線的連線成75°，該位置為機械手的原始位置。機械手換刀的第一個動作是順時針轉75°，兩手爪分別抓住刀庫上和主軸3上的刀柄。

（3）刀具松開

機械手抓住主軸刀具的刀柄后，刀具的自動夾緊機構松開刀具。

（4）機械手拔刀

機械手下降，同時拔出兩把刀具。

（5）交換兩刀具位置

機械手帶著兩把刀具逆時針轉180°（從K向觀察），使主軸刀具與刀庫刀具交換位置。

（6）機械手插刀

機械手上升，分別把刀具插入主軸錐孔和刀套中。（7）刀具夾緊

刀具插入主軸錐孔后，刀具的自動夾緊機構夾緊刀具。（8）液壓缸復位

液壓缸復位驅動機械手逆時針轉180°的液壓缸復位，機械手無動作。

（9）機械手反轉75°

機械手反轉75°，回到原始位置。

（10）刀套上轉 90°

刀套帶著刀具向上翻轉90°，為下一次選刀做準備。2．機械手傳動過程

本機床上使用的換刀機械手為雙臂回轉式機械手。圖2-46為機械手傳動結構示意圖，它是目前加工中心上用得較多的一種。這種機械手的拔刀、插刀動作大都由油缸完成。根據結構要求可以采取“油缸動、活塞固定”或“活塞動、油缸

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固定”的結構形式。它的手臂的回轉動作通過活塞帶動齒條齒輪傳動來實現，并且活塞的可調行程來保證機械手臂的不同回轉角度。

3．刀庫結構

圖2-47是本機床盤式刀庫的結構簡圖。如圖a所示，當數控系統發出換刀指令后，直流伺服電動機1接通，其運動經過十字聯軸節

2、蝸桿

4、蝸輪3傳到如圖b所示的刀盤14，刀盤帶動其上面的16個刀套13轉動，完成選刀的工作。每個刀套尾部有一個滾子11，當待換刀具轉到換刀位置時，滾子11進入撥叉7的槽內。同時氣缸5的下腔通壓縮空氣（如圖a所示），活塞桿6帶動撥叉7上升，放開位置開關9，用以斷開相關的電路，防止刀庫、主軸等有誤動作。如圖 b所示，撥叉 7在上升的過程中，帶動刀套繞著銷軸 12逆時針向下翻轉 90°，從而使刀具軸線與主軸軸線平行。

刀套下轉90°后，撥叉7上升到終點，壓住定位開關10，發出信號使機械手抓刀。通過圖a中的螺桿8，可以調整撥叉的行程，而撥叉的行程又決定刀具軸線相對主軸軸線的位置。

備

注

第七節

輔助裝置

一、數控機床的液壓和氣動系統

1．數控機床中的液壓和氣動裝置功能

液壓和氣動裝置在數控機床中一般完成如下輔助功能

（1）自動換刀所需的動作。如機械手的伸、縮、回轉和擺動以及刀具的松開和拉緊動作。

（2）主軸的自動松開、夾緊。

（3）機床運動部件的制動和離合器的控制，齒輪的撥叉掛檔等。（4）機床的潤滑、冷卻、防護罩、門的自動開關。（5）工作臺的松開夾緊，交換工作臺的自動交換動作等。

（6）機床運動部件的平衡。如機床主軸箱的重力平衡、刀庫機械手的平衡等。

2．數控機床中的液壓裝置

圖2-48所示為數控車床液壓系統原理圖。液壓系統采用單向變量液壓泵，系統壓力調整至4MPa，由壓力表顯示。泵出口的壓力油經過單向閥進入控制油路。機床的卡盤夾緊與松開、夾盤夾緊力的高低壓轉換、回轉刀架的松開與夾緊、刀架刀盤的正轉反轉、尾座套筒的伸出與退回動作都是由液壓系統驅動的，數控系統的PC控制液壓系統中各電磁閥電磁鐵的動作。

2位四通電磁閥1控制主軸卡盤的夾緊與松開，電磁閥2控制卡盤的高壓夾緊與低壓夾緊的轉換。當卡盤處于正卡（也稱外卡）且在高壓夾緊狀態下，夾緊力的大小由減壓閥6來調整，由壓力表12顯示卡盤壓力。系統壓力油經減壓閥6→電磁閥2（左位）→電磁閥1（左位）→液壓缸右腔，活塞桿左移，卡盤夾緊。

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這時液壓缸左腔的油液經閥1（左位）直接回油箱。反之，系統壓力油經減壓閥6→電磁閥2（左位）→電磁閥1（右位）→液壓缸左腔，活塞桿右移，卡盤松開。這時液壓缸右腔的油液經閥1（右位）直接回油箱。當卡盤處于正卡且在低壓夾緊狀態下，夾緊力的大小由減壓閥7來調整。系統壓力油經減壓閥7→電磁閥2（右位）→電磁閥1（左位）→液壓缸右腔，卡盤夾緊。反之，系統壓力油經減壓閥7→電磁2（右位）→電磁閥1（右位）→液壓缸左腔，卡盤松開。也可對刀架轉位、刀盤松開夾緊及尾座套筒動作的控制進行分析。

備

注

二、排屑裝置

1．排屑裝置在數控機床中的作用

切屑占用加工區域，如果不及時清除必然會覆蓋或纏繞在工件和刀具上，使自動加工無法繼續進行。此外，熾熱的切屑向機床或工件散發熱量，使機床或工件產生變形，影響加工的精度。因此迅速、有效地排除切屑對數控機床加工來說十分重要，而排屑裝置正是完成該工作的必備附屬裝置。排屑裝置的主要作用是將切屑從加工區域排出到數控機床之外。

2．排屑裝置的種類

（1）平板鏈式排屑裝置，圖2-49a。該裝置以滾動鏈輪牽引鋼質平板鏈帶在封閉箱中運轉，加工中的切屑落到鏈帶上而被帶出機床。這種裝置能排除各種形狀的切屑，適應性強，各類機床都能采用。在車床上使用時多與機床的冷卻液箱合為一體，以簡化機床結構。

（2）刮板式排屑裝置，圖2-49b。該裝置的傳動原理與平板鏈式的基本相同，只是鏈板不同，它的鏈板帶有刮板。這種裝置常用于輸送各種材料的短小切屑，排屑能力較強。但因負載大而需采用較大功率的驅動電動機。

（3）螺旋式排屑裝置，圖2-49c。該裝置采用電動機，經減速裝置驅動安裝在溝槽中的長螺旋桿。螺旋桿轉動時，溝槽中的切屑即被螺旋桿推動而連續向前運動，最終排入切屑收集箱中。螺旋式排屑裝置占用空間小，適于安裝在機床與立柱間空隙狹小的位置上，而且它結構簡單，排屑性能良好。但這種裝置只適于沿水平或小角度傾斜直線方向排運切屑，不能大角度傾斜、提升或轉向排屑。

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編碼的方式，一把刀具只對應一

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個刀套，從一個刀套中取出的刀具必須放回同一刀套中，取送刀具十分麻煩，換刀時間長。因此，無論是刀具編碼還是刀套編碼都給換刀系統帶來麻煩。目前在加工中心上絕大多數都使用記憶式的任選換刀方式。這種方式是第一次給刀庫裝刀時，告訴控制系統刀庫中的每個刀套號和該刀套上的刀具號，刀具在使用中不一定被送還到原來的刀套上，但是控制系統仍能記住該刀具號所在的新刀套號。這種方式有利于縮短換刀、選刀時間。由于這種方式經常改變刀具號與刀套的對應關系，所以在重新啟動機床時必須使刀庫回零，校驗一下顯示器上顯示的內容與實際刀具的情況。

刀庫選刀方式一般采用就近移動原則，即無論采取哪種選刀方式，在根據程序指令把下一工序要用的刀具移到換刀位置時，都要向距離換刀最近的方向移動，以節省選刀時間。

備

注

三、實例

這是JCS-018A加工中心的自動換刀裝置。1．自動換刀工作過程

（1）刀套下轉90°

本機床的刀庫位于立柱左側，刀具在刀庫中的安裝方向與主軸垂直，如圖2-45所示。換刀之前，刀庫2轉動將待換刀具5送到換刀位置，之后把帶有刀具5的刀套4向下翻轉90°，使刀具軸線與主軸軸線平行。

（2）機械手轉75°

如K向視圖所示，在機床切削加工時，機械手1的手臂與主軸中心到換刀位置的刀具中心線的連線成75°，該位置為機械手的原始位置。機械手換刀的第一個動作是順時針轉75°，兩手爪分別抓住刀庫上和主軸3上的刀柄。

（3）刀具松開

機械手抓住主軸刀具的刀柄后，刀具的自動夾緊機構松開刀具。

（4）機械手拔刀

機械手下降，同時拔出兩把刀具。

（5）交換兩刀具位置

機械手帶著兩把刀具逆時針轉180°（從K向觀察），使主軸刀具與刀庫刀具交換位置。

（6）機械手插刀

機械手上升，分別把刀具插入主軸錐孔和刀套中。（7）刀具夾緊

刀具插入主軸錐孔后，刀具的自動夾緊機構夾緊刀具。（8）液壓缸復位

液壓缸復位驅動機械手逆時針轉180°的液壓缸復位，機

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械手無動作。

（9）機械手反轉75°

機械手反轉75°，回到原始位置。

（10）刀套上轉 90°

刀套帶著刀具向上翻轉90°，為下一次選刀做準備。2．機械手傳動過程

本機床上使用的換刀機械手為雙臂回轉式機械手。圖2-46為機械手傳動結構示意圖，它是目前加工中心上用得較多的一種。這種機械手的拔刀、插刀動作大都由油缸完成。根據結構要求可以采取“油缸動、活塞固定”或“活塞動、油缸固定”的結構形式。它的手臂的回轉動作通過活塞帶動齒條齒輪傳動來實現，并且活塞的可調行程來保證機械手臂的不同回轉角度。

3．刀庫結構

圖2-47是本機床盤式刀庫的結構簡圖。如圖a所示，當數控系統發出換刀指令后，直流伺服電動機1接通，其運動經過十字聯軸節

2、蝸桿

4、蝸輪3傳到如圖b所示的刀盤14，刀盤帶動其上面的16個刀套13轉動，完成選刀的工作。每個刀套尾部有一個滾子11，當待換刀具轉到換刀位置時，滾子11進入撥叉7的槽內。同時氣缸5的下腔通壓縮空氣（如圖a所示），活塞桿6帶動撥叉7上升，放開位置開關9，用以斷開相關的電路，防止刀庫、主軸等有誤動作。如圖 b所示，撥叉 7在上升的過程中，帶動刀套繞著銷軸 12逆時針向下翻轉 90°，從而使刀具軸線與主軸軸線平行。

刀套下轉90°后，撥叉7上升到終點，壓住定位開關10，發出信號使機械手抓刀。通過圖a中的螺桿8，可以調整撥叉的行程，而撥叉的行程又決定刀具軸線相對主軸軸線的位置。

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第四篇：數控加工工藝與CAM實例教程教案

數控加工工藝與CAM實例教程

責任者：沈鑫剛 索書號：TG659/116 館藏地址：二樓書庫

內容提要

本書主要講解了基于CAM的典型零件的銑削加工編程，以項目化方式組織教材內容，注重軟件知識點與數控操作實踐的緊密結合，教程內容上著重圍繞典型零件的數控加工工藝分析、軟件編程與機床數控加工的真實情境與過程，在編程過程中嚴格執行數控加工工藝分析的內容。另外，教程對后處理器的構建作了詳細介紹。

本書可作為大專院校和高職院校機電、模具、數控等專業的教材，也可作為社會相關專業培訓用書，還可作為從事數控編程與操作的企業技術人員的參考用書。

目錄

項目1零件的數控銑削加工工藝規劃

任務1.1了解數控銑削加工工藝分析與規劃內容

1.1.1零件圖分析 1.1.2加工方法的選擇

1.1.3裝夾定位方案的確定與夾具的選用 1.1.4加工工序安排與走刀路線的擬定 1.1.5切削刀具與切削用量的選用 1.1.6工藝文件的擬定

任務1.2了解數控機床編程與操作

1.2.1數控機床坐標系

1.2.2fanu 0i系統常用數控指令 1.2.3零件的裝夾、找正 1.2.4設立工件坐標系

思考題與習題

項目2UGCAM基本操作

任務2.1了解UG CAM操作流程

任務2.2熟悉UGCAM的基本操作環境

2.2.1加工環境初始化 2.2.2操作導航器

2.2.3加工節點與編程操作的建立 2.2.4UGCAM通用選項的設置

任務2.3練習凸臺零件的UGCAM編程 思考題與習題

項目3吹瓶模固定板鉆削加工

任務3.1認識常用的鉆削加工方法與刀具

任務3.2掌握鉆削加工基本工藝 任務3.3了解孔的鉆削加工方式

任務3.4吹瓶模固定板鉆削加工工藝分析與規劃 任務3.5吹瓶模固定板零件鉆削加工編程 思考題與習題

項目4座盒零件銑削加工

任務4.1認識常用的平面銑削加工方法與刀具 任務4.2平面銑削基本加工工藝設計 任務4.3了解平面銑削加工方式

任務4.4座盒零件銑削加工工藝分析與規劃 任務4.5座盒零件銑削加工編程

4.5.1座盒零件編程模型準備 4.5.2座盒零件銑削加工編程 4.5.3座盒零件銑削加工程序單

思考題與習題

項目5文字與車標銑削加工

任務5.1細筆畫單線條文字加工

5.1.1平面文字 5.1.2曲面文字 5.1.3環形文字

任務5.2大字體粗筆畫文字加工

5.2.1粗筆畫凹形文字的加工

5.2.2粗筆畫凸形文字(印章)的加工 5.2.3具有自相交筆畫的文字處理

任務5.3豐田車標銑削加工 項目6冷沖模銑削加工

任務6.1認識常用曲面銑削加工方法與刀具 任務6.2曲面銑削基本加工工藝設計 任務6.3了解曲面銑削加工方式

6.3.1型腔銑(Cavity_Mill)6.3.2固定軸曲面輪廓銑(Fixe _Contour)任務6.4冷沖模銑削加工工藝分析與規劃 任務6.5冷沖模銑削加工編程

6.5.1冷沖模編程模型準備 6.5.2冷沖模銑削加工編程 6.5.3冷沖模銑削加工程序單

思考題與習題

項目7FANUC后處理器的構建

任務7.1了解UG后處理構造器的原理與功能 任務7.2FANUC后處理器的構建 思考題與習題

附錄A fanuc0i-mb數控指令表(g代碼類)附錄B金屬常用切削用量表 參考文獻

第五篇：數控加工工藝教學計劃

1 §1-1 2 1 §1-3 3 1 §1-4 4 2 項目一 5 2 項目一 6 2 項目一 7 3 項目二 8 3 項目二

緒論、數控加工基礎

數控機床的主要參數指標、刀具角度

切削用量、加工冷卻方法 典型數控車削零件一加工工藝分析

典型數控車削零件一加工工藝卡片編寫

典型數控車削零件一加工工藝卡片互評

典型數控車削零件二加工工藝分析

典型數控車削零件二加工工藝卡片編寫 2 2 2 2 2 2 2 2

預習下一堂課0.5h 預習下一堂課0.5h 預習下一堂課0.5h 預習下一堂課0.5h習題4、5 0.5 h ` 預習下一堂課0.5h 預習下一堂課0.5h 預習下一堂課0.5h 3 4 4 4 5 5 5 6

項目二 典型數控車削零件二加工工藝卡片互評

項目三 典型數控車削零件三加工工藝分析

項目三 典型數控車削零件三加工工藝卡片編寫

項目三 典型數控車削零件三加工工藝卡片互評

項目四 典型數控銑削零件一加工工藝分析

項目四 典型數控銑削零件一加工工藝卡片編寫

項目四 典型數控銑削零件一加工工藝卡片互評

項目五 典型數控銑削零件二加工工藝分析

2 2 2 2 2 2 2 2

預習下一堂課0.5h 4、5 0.5 h ` 預習下一堂課0.5h 預習下一堂課0.5h 預習下一堂課0.5h 預習下一堂課0.5h 預習下一堂課0.5h 預習下一堂課0.5h

習題10 11 12 13 14 15 16 6 18 6 19 7 20 7 21 7 22 8 23 8 24 8 項目五

項目五 項目六 項目六 項目六 電火花加工 電火花加工 CAPP技術

典型數控銑削零件二加工工藝卡片編寫

典型數控銑削零件二加工工藝卡片互評

典型數控銑削零件三加工工藝分析

典型數控銑削零件三加工工藝卡片編寫

典型數控銑削零件三加工工藝卡片互評

電火花加工基礎知識

電火花加工原理

CAPP技術與先進制造生產模式簡介 2 2 2 2 2 2 2 2

預習下一堂課0.5h 1、6共1 h 預習下一堂課0.5h 預習下一堂課0.5h 1、6共1 h 預習下一堂課0.5h 預習下一堂課0.5h

習題習題9 26 9 27 9 28 10

項目七

項目七 項目七 復習總結

典型電火花零件一加工工藝分析

典型電火花零件一加工工藝卡片編寫

典型電火花零件一加工工藝卡片互評 復習總結

機動 共計 2

機動4

預習下一堂課0.5h

習題1、6共1 h