典型零件數(shù)控加工工藝-項目一 數(shù)控加工工藝基礎(chǔ)

典型零件數(shù)控加工工藝-項目式教學(xué)法項目一

數(shù)控加工工藝基礎(chǔ)CONTENTS目錄01任務(wù)一

數(shù)控加工與數(shù)控加工工藝概述

020304任務(wù)四數(shù)控機床精度檢驗05任務(wù)五

數(shù)控加工技術(shù)的發(fā)展趨勢任務(wù)二

數(shù)控機床的組成、分類及機械結(jié)構(gòu)任務(wù)三數(shù)控機床加工原理06任務(wù)六

思考與練習(xí)題[課程思政]“工欲善其事，必先利其器”，培養(yǎng)學(xué)生精益求精的大國工匠精神。

[學(xué)習(xí)目標]1、了解數(shù)控加工工藝過程的組成；2、掌握數(shù)控機床主傳動系統(tǒng)和進給伺服系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和特點；3、了解數(shù)控機床的加工原理；4、理解數(shù)控機床精度檢驗的方法和步驟；5、了解數(shù)控加工技術(shù)的發(fā)展趨勢。[項目重點]1、數(shù)控機床主傳動系統(tǒng)和進給伺服系

統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和特點；2、數(shù)控機床精度檢驗的方法和步驟。[項目難點]1、數(shù)控機床的加工原理。01任務(wù)一

數(shù)控加工與數(shù)控加工工藝概述一、數(shù)控加工數(shù)控加工是指根據(jù)零件圖樣及工藝要求等原始條件編制零件數(shù)控加工程序（簡稱為數(shù)控程序），輸入數(shù)控系統(tǒng)，控制數(shù)控機床中刀具與工件的相對運動，從而完成零件的加工。數(shù)控機床是用數(shù)字信息來控制機床的運動。機床的所有運動包括主運動、進給運動及各種輔助運動，這些運動都是用輸人數(shù)控裝置的數(shù)字信號來控制的。具體而言，數(shù)控機床的工作過程，即加工零件的過程，如圖1－1所示。任務(wù)一

數(shù)控加工與數(shù)控加工工藝概述圖1-1

數(shù)控加工過程二、數(shù)控加工工藝數(shù)控加工工藝是采用數(shù)控機床加工零件時所運用各種方法和技術(shù)手段的總和，應(yīng)用于整個數(shù)控加工工藝過程。數(shù)控加工工藝是伴隨著數(shù)控機床的產(chǎn)生、發(fā)展而逐步完善起來的一種應(yīng)用技術(shù)，它是人們大量數(shù)控加工實踐的經(jīng)驗總結(jié)。數(shù)控加工工藝的主要內(nèi)容如圖1－2所示。圖1-2

數(shù)控加工工藝主要內(nèi)容任務(wù)一

數(shù)控加工與數(shù)控加工工藝概述02任務(wù)二數(shù)控機床的組成、分類及機械結(jié)構(gòu)一、數(shù)控機床的組成

數(shù)控機床主要由以下幾個部分組成，

如圖1－3所示。（1）輸入、輸出裝置（2）數(shù)控裝置（3）伺服系統(tǒng)（4）機床本體（5）輔助控制裝置任務(wù)二數(shù)控機床的組成、分類及機械結(jié)構(gòu)圖1-3

數(shù)控機床的組成二、數(shù)控機床的分類

數(shù)控機床可以根據(jù)不同的方法進行分類，常用的有按數(shù)控機床加工工藝方法分類、按數(shù)控機床運動軌跡分類、按進給伺服系統(tǒng)控制方式分類和按數(shù)控系統(tǒng)的功能水平分類。（1）按傳統(tǒng)的加工工藝方法來分有：數(shù)控車床、數(shù)控鉆床、數(shù)控鏜床、數(shù)控銑床、數(shù)控磨床、數(shù)控齒輪加工機床、數(shù)控沖床、數(shù)控折彎機、數(shù)控電加工機床、數(shù)控激光與火焰切割機和加工中心等。其中，現(xiàn)代數(shù)控銑床基本上都兼有鉆鏜加工功能。當某數(shù)控機床具有自動換刀功能時，即可稱之為“加工中心”。（2）按數(shù)控機床運動軌跡分類主要有點位控制運動、直線控制運動利輪廓控制運動三種形式。①點位控制的數(shù)控機床點位控制的數(shù)控機床只控制刀具相對于工件定位點的位置。不控制點與點之間的運動軌跡，被動過程中東進行切削加工，如數(shù)控鉆床、數(shù)控坐標鏜床、數(shù)控沖床等。為捉高生產(chǎn)效率和保證定位精度。機床設(shè)定快速進給、臨近終點時自動減速，從而減少運動部件因慣性而引起的定位誤差。數(shù)控機床運動軌跡如圖1—5所示。②直線控制的數(shù)控機床直線控制運動指刀具或工作臺以給定的速度按直線運動。平面輪廓加工的數(shù)控系統(tǒng)，控制刀具或機床工作臺以給定速度沿平行于某一坐標軸方向?；蜓刂c坐標軸成一定角度的斜線方向，從一個位置到另一個位置的精確移動并進行切削加工。任務(wù)二數(shù)控機床的組成、分類及機械結(jié)構(gòu)③輪廓控制的數(shù)控機床輪廓控制運動也稱為連續(xù)控制運動，指刀具或工作臺技工件的輪廓軌跡運動，運動軌跡為任意方向的直線、圓弧、拋物線或其他函數(shù)關(guān)系的曲線。這種數(shù)控系統(tǒng)有一個軌跡插補器，根據(jù)運動軌跡和速度精確計算并控制各個伺服電動機沿軌跡運動。大多數(shù)按機床能同時控制2－5個坐標軸，使刀具和工件按平面、曲面或空間曲面輪廓的規(guī)律進行相對運動，加工出復(fù)雜的零件。運動軌跡是任意斜率的直線、圓弧、螺旋線等。圖1－5數(shù)控機床運動軌跡示意圖（3）按進給伺服系統(tǒng)控制方式，數(shù)控機床分為開環(huán)控制系統(tǒng)、閉環(huán)控制系統(tǒng)和半閉環(huán)控制系統(tǒng)。①開環(huán)控制系統(tǒng)這種控制系統(tǒng)采用步進電動機，無位置測量元件，輸入數(shù)據(jù)經(jīng)過數(shù)控系統(tǒng)運算。輸出指令脈沖控制步進電動機工作，如圖1—6所示。這種控制方式對執(zhí)行機構(gòu)不檢測，無反饋控制信號，因此稱為開環(huán)控制系統(tǒng)。開環(huán)控制系統(tǒng)的設(shè)備成本低，調(diào)試方便，操作簡單，但校制精度低，工作速度受到步進電動機的限制。任務(wù)二數(shù)控機床的組成、分類及機械結(jié)構(gòu)圖1－6開環(huán)進給伺服系統(tǒng)（3）按進給伺服系統(tǒng)控制方式，數(shù)控機床分為開環(huán)控制系統(tǒng)、閉環(huán)控制系統(tǒng)和半閉環(huán)控制系統(tǒng)。②半閉環(huán)環(huán)控制系統(tǒng)如團1—7所示，測量伺服電機的轉(zhuǎn)角(脈沖編碼器)經(jīng)過推取得出工作臺位移動值，反饋至位置比較電路，與指令中的位移值相比較，用比較的誤差值控制伺服電動譏工作，稱為半閉環(huán)控制系統(tǒng)。半閉環(huán)控制系統(tǒng)的控制精度高于開環(huán)控制系統(tǒng)，調(diào)試比閉環(huán)控制系統(tǒng)容易，設(shè)備的成本介于開環(huán)與閉環(huán)控制系統(tǒng)之間。任務(wù)二數(shù)控機床的組成、分類及機械結(jié)構(gòu)圖1－7半閉環(huán)進給伺服系統(tǒng)（3）按進給伺服系統(tǒng)控制方式，數(shù)控機床分為開環(huán)控制系統(tǒng)、閉環(huán)控制系統(tǒng)和半閉環(huán)控制系統(tǒng)。③閉環(huán)環(huán)控制系統(tǒng)如圖1—8所示，測量元件(光柵尺)安裝在工作臺上，測出工作臺的實際位移位反饋給數(shù)控裝置。位置比較電路將測量元件反饋的工作臺實際位移值與指令的位移位相比較，用比較的誤差值控制伺服電動機工作，直至到達實際位置，誤差值消除。稱為閉環(huán)控制。閉環(huán)控制系統(tǒng)的控制精度高，但要求機床的剛性好，對機床的加工、裝配要求高，調(diào)試較復(fù)雜，而且設(shè)備的成本高。任務(wù)二數(shù)控機床的組成、分類及機械結(jié)構(gòu)圖1－8閉環(huán)進給伺服系統(tǒng)（4）按照數(shù)控系統(tǒng)的功能水平，通?？砂褦?shù)控機床劃分為低、中、高檔三類。①經(jīng)濟型數(shù)控機床經(jīng)濟型數(shù)控機床結(jié)構(gòu)簡單，精度中等，但價格便宜，僅能滿足一般精度要求的加工，能加工形狀較簡單的直線、斜線、圓弧及帶螺紋類的零件。②普及型數(shù)控機床普及型數(shù)控機床具有人機對話功能，應(yīng)用較廣，且價格適中，通常稱為全功能數(shù)控機床。③高級型數(shù)控機床高級型數(shù)控機床是指加工復(fù)雜形狀的多軸控制或工序集中、自動化程度高、柔性度高的數(shù)控機床。這種劃分方式的界限也是相對的，不同時期其劃分標準會有所不同。任務(wù)二數(shù)控機床的組成、分類及機械結(jié)構(gòu)三、數(shù)控機床主傳動系統(tǒng)主傳動部分是數(shù)控機床的重要組成部分之一。在數(shù)控機床上，主軸夾持工件或刀具旋轉(zhuǎn)，直接參加表面成形運動。主軸部件的剛度、精度、抗振性和熱變形直接影響加工零件的精度和表面質(zhì)量。主運動的轉(zhuǎn)速高低及范圍、傳遞功率大小和動力特性，決定了數(shù)控機床切削加工效率和加工工藝能力。（1）主傳動系統(tǒng)的特點①主軸轉(zhuǎn)速高、調(diào)速范圍寬并實現(xiàn)無級調(diào)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(wěn)定性④為實現(xiàn)刀具的快速或自動裝卸，數(shù)控機床主軸具有特有的刀具安裝結(jié)構(gòu)（2）數(shù)控機床主軸的傳動方式數(shù)控機床的主傳動要求具有較大的調(diào)速范圍，以保證加工時能選用合理的切削用量，從而獲得最佳的生產(chǎn)率、加工精度和表面質(zhì)量。數(shù)控機床的變速是按照控制指令自動進行的，因此變速機構(gòu)必須適應(yīng)自動操作的要求，故大多數(shù)數(shù)控機床采用無級變速系統(tǒng)。任務(wù)二數(shù)控機床的組成、分類及機械結(jié)構(gòu)①直接驅(qū)動如圖1－9（a）所示，電機軸與主軸用聯(lián)軸器同軸連接。大大簡化了主軸箱和主軸結(jié)構(gòu)，有效地提高了主軸部件的剛度，但主軸輸出扭矩不能放大，電動機發(fā)熱對主軸捎度影響較大?，F(xiàn)多采用交流伺服電動機，功率大，輸出功率與實際消耗的功率能保持同步，效率高。②齒輪傳動如圖1－9(b)所示，主軸電動機經(jīng)二級齒輪變速，

使主軸獲得低速和高速兩種轉(zhuǎn)速，成為分段無級變速。

通過齒輪傳動降速后，輸出轉(zhuǎn)矩可以擴大，以滿足主軸

低速時輸出扭矩特性的要求。這種配置方式在大中型數(shù)

控機床中采用較多，小型數(shù)控機床也有采用，以獲得強

力切削時所需要的扭矩。③帶傳動如圖1－9(c)所示，帶傳動是一種傳統(tǒng)的傳動方式，常見帶的類型有V帶、平帶、多楔帶和同步帶。帶傳動主要應(yīng)用在小型數(shù)控機床上，可克服齒輪傳動時引起的振動和噪聲的缺點，但它只能適用于低轉(zhuǎn)矩特性要求。④電主軸調(diào)速如圖1－9(d)所示，電動機轉(zhuǎn)子軸即為機床主軸的電動機主軸，簡稱電主軸，是近年來新出現(xiàn)的一種結(jié)構(gòu)，其優(yōu)點是主軸部件結(jié)構(gòu)更緊湊，剛度強，重量輕，慣量小，可提高調(diào)速電動機啟動、停止的響應(yīng)特性。其缺點是電機發(fā)熱引起熱變形問題，造價較高。任務(wù)二數(shù)控機床的組成、分類及機械結(jié)構(gòu)圖1－9直接驅(qū)動主軸傳動方式（3）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，如圖1－10所示。在加工過程中，主軸帶動工件或刀具執(zhí)行機床的切削運動，因此數(shù)控機床主軸組件的精度、剛度、抗振性和熱變形對加工質(zhì)量和生產(chǎn)效率等有著重要的影響。而且由于數(shù)控機床在加工過程中不進行人工調(diào)整，這些影響就更為重要。任務(wù)二數(shù)控機床的組成、分類及機械結(jié)構(gòu)圖1－10主軸組件主軸在結(jié)構(gòu)上要處理好卡盤或刀具的裝夾、主軸的卸荷、主軸軸承的定位和間隙調(diào)整、主軸組件的潤滑和密封等一系列問題。對于加工中心的主軸，為實現(xiàn)刀具的快速或自動裝卸，主軸上還必須設(shè)有刀具的自動裝卸、主軸定向停止和主軸孔內(nèi)的切屑清除裝置。①主軸軸承類型數(shù)控機床主軸經(jīng)常采用滾動軸承和滑動軸承兩類軸承。滾動軸承的類型如圖1－11所示，角接觸球軸承(圖a)、單列圓錐滾子軸承(圖b)、雙向推力角接觸球軸承(圖c)、雙列圓錐滾子軸承(圖d)、雙列圓柱滾子軸承(圖e)等。任務(wù)二數(shù)控機床的組成、分類及機械結(jié)構(gòu)圖1－11主軸常用滾動軸承①主軸軸承類型數(shù)控機床常用的液體靜壓滑動軸承的類型如圖1－12所示，徑向軸承(圖a)、推力軸承(圖b)、錐式軸承(圖c)、球面式軸承(圖d)等。任務(wù)二數(shù)控機床的組成、分類及機械結(jié)構(gòu)圖1－12主軸常用液體靜壓滑動軸承②主軸軸承的配置如圖1－13所示，數(shù)控機床主軸軸承常見的配置有三種形式。如圖1－13(a)所示，前支承采用雙列短圓柱滾子軸承和角接觸雙列向心推力軸承組合，后支承采用雙列向心推力軸承。此配置形式使主軸的徑向和軸向綜合剛度大幅度提高。可以滿足強力切削的要求，普遍應(yīng)用于各類數(shù)控機床的主軸。這種配置的后支承也可用圓柱滾子軸承，以進一步提高后支承的徑向剛度。如圖1－13(b)所示。前支承采用高精度雙列向心推力軸承和深溝球軸承，后支承采用高精度雙列向心推力軸承。向心推力軸承具有良好的高速性能，主軸最高轉(zhuǎn)速可達4000r／min，但它的承受能力較小、主軸剛度較小。因而適用于高速、輕載和精密的數(shù)控機床的主軸。這種配置形式往立式、臥式加工中心機床上得到廣泛應(yīng)用，滿足了這類機床轉(zhuǎn)速范圍大、最高轉(zhuǎn)速高的要求。為提高這種形式配置的主軸剛度，前支承可以用四個或更多個的軸承相組配，后支承用兩個軸承相組配。如圖1－13(c)所示，前支承采用高精度雙列向心推力軸承和深溝球軸承，

后支承采用雙列圓柱滾子軸承。這種軸承能承受較大的徑向和軸向力，

能承受重載荷，尤其能承受較強的動載荷，安裝與調(diào)整性能好，但這種

配置方式限制了主軸最高轉(zhuǎn)速和精度，適用于中等精度、低速與重載

(尤其是動載荷)的數(shù)控機床主軸。任務(wù)二數(shù)控機床的組成、分類及機械結(jié)構(gòu)圖1－13主軸軸承的配置（4）主軸的潤滑與冷卻①主軸軸承潤滑方式（a）油脂潤滑方式：這是當前數(shù)控機床主軸軸承上最常用的潤滑方式，特別在前支承軸承上更是常用。如主軸箱中無冷卻潤滑油系，則后支承軸承和其它軸承，亦應(yīng)采用油脂潤滑方式。所用油脂種類：高級鋰基油脂或德國產(chǎn)NBU－15型油脂。主軸軸承油脂填充量，通常為軸承空間容積的10％，切忌隨意填滿。油脂過多，會加劇主軸發(fā)熱。若用油脂潤滑方式，則要采用有效的密封措施，以防止切削液或潤滑油進入軸承中。（b）油液循環(huán)潤滑方式：在中等轉(zhuǎn)速的數(shù)控機床主軸上，有采用油液循環(huán)潤滑方式的。裝有法國GAMET軸承的主軸，即可使用這種方式。對一般軸承來說。在主軸后支承上采用這種潤滑方式較為常見。（c）油霧潤滑方式：采用油霧潤滑方式，冷卻效果好。油霧潤滑通常采用(0.05－0.25MPa)的壓縮空氣以每個軸承5－10L／min的空氣流量和0.25－1m1／h的供油量噴入軸承內(nèi)形成油霧，但油霧容易被吹出，污染環(huán)境，與油脂潤滑相比，摩擦力矩和溫升都大。（d）油氣潤滑方式：油氣潤滑方式是針對高速主軸而開發(fā)的新型

潤滑方式（如圖1－14所示）。它是定時地將0.01－0.06m1的微

量油送進0.3－0.5MPa(8－16min約0.03立方厘米)的壓縮空氣中，

供油量比油霧潤滑少，但可準確穩(wěn)定供給極少量的油，且對油的粘

度和極壓添加劑不受限，壓縮空氣壓力較高，流量大可產(chǎn)生冷卻效

果，無油霧污染，可防止切削液和粉塵進入軸承。與油脂潤滑相比，

摩擦力短和溫升低。任務(wù)二數(shù)控機床的組成、分類及機械結(jié)構(gòu)圖1－14主軸油氣潤滑方式輕載高速軸承宜采用油脂潤滑、油霧潤滑和油氣潤滑方式。載荷較大且高速的條件下適宜采用噴射潤滑。這種噴射潤滑的方法通常以壓力為0.1－0.5MPa的壓縮空氣和1－5l／min的供油量通過口徑為1－2mm的噴嘴向內(nèi)圈和保持架之間噴射而貫入軸承內(nèi)部。它可保證滾動接觸面完全分離形成射流潤滑，使接觸壓力遠低于每平方毫米2000牛頓的長期耐久極限。②主軸軸承冷卻方式主軸軸承冷卻方式以電主軸水套冷卻為例子，如圖1－15所示。水套冷卻方式能夠減少軸承和切割磁力線發(fā)熱，同時有效地排除已產(chǎn)生的熱量。任務(wù)二數(shù)控機床的組成、分類及機械結(jié)構(gòu)圖1－15電主軸軸承潤滑與冷卻方式（5）主軸的密封主軸的密封分接觸式和非接觸式兩種。非接觸式密封的形式如圖1－16所示。圖1－16（a）是利用軸承蓋與軸的間隙密封的，軸承蓋的孔內(nèi)開槽則是為了提高密封效果。這種密封形式用在工作環(huán)境比較清潔的油脂潤滑處；圖1－16（b）是在螺母的外圓上開鋸齒形環(huán)槽，當油向外流時，靠主軸傳動的離心力把油沿斜面甩到端蓋1的空腔內(nèi)，油液流回箱內(nèi)；圖1－16（c）是迷宮式密封結(jié)構(gòu)，在切屑多、灰塵大的工作環(huán)境下可獲得可靠的密封效果，這種結(jié)構(gòu)適用油脂或油液潤滑的密封。非接觸式的油液密封時，為了防漏，應(yīng)保證回油能盡快排掉以及回油孔的暢通。接觸式密封的形式如圖1－17所示。圖1－17（a）為油氈圈密封；圖1－17（a）為耐油橡膠密封圈密封。任務(wù)二數(shù)控機床的組成、分類及機械結(jié)構(gòu)圖1－16非接觸密封圖1－17接觸式密封四、數(shù)控機床進給伺服系統(tǒng)數(shù)控機床的進給伺服系統(tǒng)示意圖如圖1－18所示。數(shù)控機床的進給傳動系統(tǒng)常用伺服進給系統(tǒng)來工作。伺服進給系統(tǒng)的作用是根據(jù)數(shù)控系統(tǒng)傳來的指令信息，進行放大以后控制執(zhí)行部件的運動，不僅控制進給傳動的速度，同時還要梢確控制刀具相對于工件的移動位置和軌跡。因此，數(shù)控機床進給系統(tǒng)，尤其是輪廓控制系統(tǒng)，必須對進給傳動的位置和傳動的速度兩方面同時實現(xiàn)自動控制。（1）進給伺服系統(tǒng)的要求①穩(wěn)定性好：穩(wěn)定是指系統(tǒng)在給定輸入或干擾作用下，能在短暫的調(diào)節(jié)過程后到達新的或者回復(fù)到原有平衡狀態(tài)。②精度高：伺服系統(tǒng)的精度是指輸出量能跟隨輸入量的精確程度。作為精密加工的數(shù)控機床，要求的定位精度或輪廓加工精度通常都比較高，允許的偏差一般都在0.01～0.00lmm之間。③快速響應(yīng)性好：快速響應(yīng)性是伺服系統(tǒng)動態(tài)品質(zhì)的標志之一，即要求指令信號的響應(yīng)要快，一方面要求過渡過程時間短，一般在200ms以內(nèi)，甚至小于幾十毫秒；另一方面，為滿足超調(diào)要求，要求過渡過程的前沿陡，即上升率要大。④寬的進給調(diào)速范圍伺服進給系統(tǒng)在承擔(dān)全部工作負載的條件下，應(yīng)具有很寬的調(diào)速范圍，以適應(yīng)各工件材料、尺寸和刀具等變化的需要，工作進給速度范圍可達3～6000mm／min(調(diào)速范圍1：2000)。為了完成精密定位，伺服系統(tǒng)的低速趨近速度達0.1mm／min；為了縮短期助時間，提高加工效率，快速移動速度應(yīng)高達15m／min。在多坐標聯(lián)動的數(shù)控機床上，合成速度維持常數(shù)，是保證表面粗糙度要求的重要條件。為保證較高的輪廓精度，各坐標方向的運動速度也要配合適當，這是對數(shù)控系統(tǒng)和伺服進給系統(tǒng)提出的共同要求。⑤穩(wěn)定性好壽命長穩(wěn)定性是伺服進給系統(tǒng)能夠正常工作的最基本的條件，特別是在低速進給情況下不產(chǎn)生爬行，并能適應(yīng)外加負載的變化而不發(fā)生共振。進給系統(tǒng)壽命是指各傳動部件能夠保持原來制造精度的周期。任務(wù)二數(shù)控機床的組成、分類及機械結(jié)構(gòu)圖1－18進給伺服系統(tǒng)示意圖（2）滾珠絲杠螺母副①工作原理滾珠絲杠螺母副的結(jié)構(gòu)有內(nèi)循環(huán)和外循環(huán)兩種方式。圖1—19所示為外循環(huán)方式的滾珠絲杠螺母副的結(jié)構(gòu)，由絲杠1、滾珠2、回珠管3和螺母4組成。在絲桿1和螺母4上各加工有圓弧形螺旋槽，將它們套裝起來便形成了螺旋形滾道，在滾道內(nèi)裝滿滾珠2。當絲杠相對于螺母旋轉(zhuǎn)時，絲杠的旋轉(zhuǎn)面經(jīng)滾珠推動螺母軸向移動，同時滾珠沿螺旋形滾道滾動，使絲杠和螺母之間的滑動摩擦轉(zhuǎn)變?yōu)闈L珠與絲杠、螺母之間的滾動摩擦。螺母螺旋槽的兩端用回珠管3連接起來、使?jié)L珠能夠從一端重新回到另一端，構(gòu)成一個閉合的循環(huán)回路。任務(wù)二數(shù)控機床的組成、分類及機械結(jié)構(gòu)1、絲杠2、滾珠3、回珠管4、螺母圖1－19滾珠絲杠螺母副（2）滾珠絲杠螺母副圖1－20所示為內(nèi)循環(huán)方式的滾珠絲杠螺母結(jié)構(gòu)。滾珠在循環(huán)過程中始終與絲扛接觸的稱為內(nèi)循環(huán)。在螺母的側(cè)孔中裝有圓柱凸輪式反向器，反向器上銑有S形凹珠槽，將相鄰兩螺紋滾道聯(lián)接起來。滾珠從螺紋滾道進人反向器，借助反向器迫使?jié)L珠越過絲杠牙頂進入相鄰滾道，實現(xiàn)循環(huán)。內(nèi)循環(huán)方式的結(jié)構(gòu)緊湊、剛度好、滾珠流通性好、摩擦損失小，但制造困難，用于高靈敏度、高精度的進給系統(tǒng)，不宜用于重載傳動中。螺旋滾道形面常見的有單圓弧形面和雙圓弧形面兩種，還有矩形面等。任務(wù)二數(shù)控機床的組成、分類及機械結(jié)構(gòu)圖1－20內(nèi)循環(huán)方式（2）滾珠絲杠螺母副圖1－21所示為外循環(huán)方式的滾珠絲杠螺母結(jié)構(gòu)。滾珠在循環(huán)過程中有時與絲杠脫離接觸的稱為外循環(huán)。外循環(huán)滾珠絲杠螺母副在螺母外圓上銑有兩個回珠槽，其兩端與螺旋滾珠滾道相通，引導(dǎo)滾珠通過回珠槽形成多圈循環(huán)鏈。外循環(huán)方式結(jié)構(gòu)簡單、工藝性好、承載能力較高，但徑向尺寸較大，應(yīng)用較為廣泛，也可用于重載傳動系統(tǒng)中。任務(wù)二數(shù)控機床的組成、分類及機械結(jié)構(gòu)圖1－21外循環(huán)方式②特點（a）傳動效率高，摩擦損失小滾珠絲杠螺母副的傳動效率91%－96%，而一般的常規(guī)(滑動)絲杠螺母副20%－40%。故滾珠絲杠螺母副的傳動效率比常規(guī)絲杠螺母副提高了3－4倍。因此,功率消耗只相當于常規(guī)絲杠螺母副的1/4－1/3。（b）給予適當?shù)念A(yù)緊，可消除絲杠和螺母螺紋間隙適當預(yù)緊后的該珠絲杠副，可消除螺紋間隙，這樣反向時就可以沒有空程死區(qū)，反向定位精度高。與常規(guī)絲杠螺母副相比有較高的軸向剛度。（c）運動平穩(wěn)，無爬行現(xiàn)象，傳動精度高滾珠絲杠副基本是滾動摩擦，摩擦阻力小，摩擦阻力約大小幾乎與運動速度完全無關(guān)。這樣就可以保證運動的平穩(wěn)性而不易出現(xiàn)爬行現(xiàn)象，故傳動精度高。（d）有可逆性由于滾珠絲杠副摩擦損失小，可以從旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換為直線運動，也可以從直線運動轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)運動，即絲杠和螺母都可作為主動件，也可作為從動件。（e）磨損小，使用壽命長因為滾動摩擦的摩擦系數(shù)小，磨損亦小，故壽命長。（f）制造工藝復(fù)雜滾珠絲杠和螺母等元件的加工精度要求高，表面粗糙度值要求低，例如絲杠和螺母上的螺旋槽滾道，一般都要求磨削成型，故制造成本高。（g）不能自鎖特別是垂直安裝的絲杠，由于自身質(zhì)量的慣性力的作用，下降時當傳動切斷后，不能立即停止運動，故常需要添加制動裝置。任務(wù)二數(shù)控機床的組成、分類及機械結(jié)構(gòu)③間隙的調(diào)整為了保讓滾珠絲杠副的反向傳動精度和軸向剛度，必須消除軸向間隙。常采用雙螺母施加預(yù)緊力的辦法消除軸向間隙，但必須注意預(yù)緊力不能太大，預(yù)緊力過大會造成傳動效率降低、摩擦力增大，磨損增大，使用壽命降低。常用的雙螺母消除間隙的方法有如下幾種。（a）墊片調(diào)整間隙法如圖1－22所示，調(diào)整墊片的厚度，使左右兩螺母產(chǎn)生軸向位移，從而消除滾珠絲杠螺母副的間隙和產(chǎn)生預(yù)緊力。這種方法簡單、可靠，但調(diào)整費時，適用于一般精度的傳動。（b）齒差調(diào)整間隙法如圖1－23所示，兩個螺母1、2的凸緣為圓柱外齒輪，齒差數(shù)為1，兩個內(nèi)齒輪3、4用螺釘、定位銷緊固在螺母座上。調(diào)整時先將內(nèi)齒輪卸下，根據(jù)間隙大小使兩個螺母分別向相同方向轉(zhuǎn)過1個齒或幾個齒，然后再插入內(nèi)齒輪，使螺母在軸向相互移動了相應(yīng)的距離，從而消除兩個螺母的軸向間隙。這種方法的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，尺寸較大，適用于高精度的傳動。（c）螺紋調(diào)整間隙法如圖1－24所示，右螺母外圓上有普通螺紋，并用兩螺母固定。當調(diào)整圓左螺母時，即可調(diào)整軸向間隙，然后用右螺母鎖緊。這種方法結(jié)構(gòu)緊湊，工作可靠，滾道磨損后可隨時調(diào)整，但預(yù)緊力不準確。任務(wù)二數(shù)控機床的組成、分類及機械結(jié)構(gòu)1、2螺母3、螺母座4、墊片圖1－22墊片調(diào)整間隙法1、2螺母3、4內(nèi)齒輪圖1－23齒差調(diào)整間隙法圖1－24螺紋調(diào)整間隙法④滾珠絲杠螺母副的支承數(shù)控機床的進給系統(tǒng)要獲得較高的傳動剛度，除了加強滾珠絲杠螺母副本身的剛度外，滾珠絲杠螺母副的正確安裝及支承結(jié)構(gòu)的剛度也是不可忽視的因素。例如，為減少受力后的變形，螺母座應(yīng)有加強肋，增大螺母座與機床的接觸面積，并且要聯(lián)接可靠。同時，也可以采用高剛度的推力軸承來提高滾珠絲杠的軸向承載能力。圖1－25所示是一端安裝推力軸承的方式。這種安裝方式只適用于行程小的短絲杠，其承載能力小，軸向剛度低，一般用于數(shù)控機床的調(diào)整環(huán)節(jié)或升降臺式數(shù)控銑床的垂直進給傳動結(jié)構(gòu)。圖1－26所示所示為一端安裝推力軸承，另一端安裝深溝球軸承的方式。這種方式用于絲杠較長的情況，當熱變形造成絲杠伸長時，其一端固定，只—端能作微量的軸向移功。為減少絲桿熱變形的影響，安裝時應(yīng)使電動機熱源和絲杠工作時的常用段遠離止推端。圖1－27所示為兩端安裝推力軸承的方式。把推力軸承安裝在滾珠絲杠的兩端，并施加預(yù)緊力，可以提高軸向剛度，但這種安裝方式對絲杠的熱變形較為敏感。任務(wù)二數(shù)控機床的組成、分類及機械結(jié)構(gòu)圖1－25僅一端安裝推力軸承圖1－26一端安裝推力軸承，一端安裝深溝球軸承圖1－27兩端安裝推力軸承⑤滾珠絲杠螺母副代碼的識別常見滾珠絲杠螺母副代號的標注格式如圖所示。（a）循環(huán)方式（b）預(yù)緊方式任務(wù)二數(shù)控機床的組成、分類及機械結(jié)構(gòu)循環(huán)方式標記代號內(nèi)循環(huán)浮動式F固定式G外循環(huán)插管式C預(yù)緊方式單螺母變位導(dǎo)程預(yù)緊雙螺母墊片預(yù)緊雙螺母齒差預(yù)緊雙螺母螺紋預(yù)緊單螺母無預(yù)緊標記代號BDCLW（c）結(jié)構(gòu)特征d）公稱直徑滾珠與螺紋滾道在理論接觸角狀態(tài)時包絡(luò)滾珠球心的圓柱直徑，它是滾珠絲杠副的特征尺寸(如圖1－29所示)。公稱直徑越大，承載能力和剛度越大，推薦滾珠絲杠副的公稱直徑應(yīng)大于絲杠工作長度的1／30。數(shù)控機床常用的進給絲杠公稱直徑為mm。公稱直徑系列為：6mm、8mm、10mm、12mm、l6mm、20mm、25mm、32mm、40mm、50mm、63mm、80mm、100mm、120mm、125mm、160mm及200mm。結(jié)構(gòu)特征標記代號導(dǎo)珠管埋入式M導(dǎo)珠管凸出式T（e）導(dǎo)程L絲杠相對螺母旋轉(zhuǎn)任意弧度時，螺母上基準點的軸向位移。導(dǎo)程L是絲杠相對于螺母旋轉(zhuǎn)一周時，螺母上的基準點的軸向位移。導(dǎo)程系列為：1mm、2mm、2．5mm、3mm、4mm、5mm、6mm、8mm、10mm、12mm、16mm、20mm、25mm、32mm、40mm。盡量選用2.5mm、5mm、10mm、20mm、40mm。（f）螺紋旋向右旋不標，左旋者標記代號為“LH”。（g）負荷鋼球圈數(shù)試驗結(jié)果已表明，在每一個循環(huán)回路中，各圈滾珠所受的軸向負載是不均勻的，第一路滾珠承受總負載的50％左右，第二四約承受30％，第三團約為20％。因此，滾珠絲杠螺母副中的每個循環(huán)回路的滾珠工作因數(shù)取為2.5～3.5圈，工作圈數(shù)大于3.5則無實際意義。滾珠的總數(shù)n一般不超過150個。（h）類型P類為定位滾珠絲杠螺母副，即通過旋轉(zhuǎn)角度和導(dǎo)程控制軸向位移量的滾珠絲杠螺母副。T類為傳動滾珠絲杠副，用于傳遞動力的滾珠絲杠螺母副，與旋轉(zhuǎn)角度無關(guān)。（i）精度等級根據(jù)GB／T17587.2—1998，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(shù)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l、2級精度。滾珠絲杠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。任務(wù)二數(shù)控機床的組成、分類及機械結(jié)構(gòu)例如：CDM6012－2.5－P4表示為外循環(huán)插管式C，雙螺母墊片預(yù)緊D，導(dǎo)珠管埋人式的滾珠絲杠副M，公稱直徑為60mm，基本導(dǎo)程為10mm，螺紋旋向為右旋，負荷總?cè)?shù)2.5圈，P類為定位滾珠絲杠螺母副，精度等級為4級的滾珠絲杠螺母副。（3）導(dǎo)軌導(dǎo)軌主要用來支承和引導(dǎo)運動部件沿一定的軌道運動。在導(dǎo)軌副中，運動的部件稱為動導(dǎo)軟，不動的部件稱為支承導(dǎo)軌。動導(dǎo)軌相對于支承導(dǎo)軌的運動，通常是直線運動或回轉(zhuǎn)運動。①對導(dǎo)軌的要求（a）導(dǎo)向精度高；（b）耐磨性好及壽命長；(c)足夠的剛度；(d)低速運動的平穩(wěn)性；(e)工藝性好設(shè)計導(dǎo)軌時，要注意到制造、調(diào)整和維修方便，力求結(jié)構(gòu)簡單、工藝性好及經(jīng)濟性好。按運動部件的運動軌跡，導(dǎo)軌可分為直線運動導(dǎo)軌和圓周運動導(dǎo)軌。按導(dǎo)軌接合面的摩擦性，導(dǎo)軌可分為滑動導(dǎo)軌、滾動導(dǎo)軌和靜壓導(dǎo)軌。滑動導(dǎo)軌又可分為普通滑動導(dǎo)軌和塑料滑動導(dǎo)軌。前者是金屬與金屬相摩擦，摩擦系數(shù)大，而且動、靜摩擦系數(shù)差大，一般在普通機床上使用。后者簡稱塑料導(dǎo)軌，是塑料與金屬相摩擦，導(dǎo)軌的滑動性能好，在數(shù)控機床上廣泛采用。而靜壓導(dǎo)軌根據(jù)介質(zhì)的不同又可分為液壓導(dǎo)軌和氣壓導(dǎo)軌。任務(wù)二數(shù)控機床的組成、分類及機械結(jié)構(gòu)②滑動導(dǎo)軌滑動導(dǎo)軌面有若干個平面，從制造、裝配和檢驗來說，平面的

數(shù)量應(yīng)盡可能少，常用有矩形、三角形、燕層形及圓形截面形

狀，如圖所示。矩形導(dǎo)軌(圖(a))易加工制造，剛度和承載能力大，安

裝調(diào)整方便。矩形導(dǎo)軌中支承導(dǎo)軌上表面起支承兼導(dǎo)向作用，

起主要導(dǎo)向作用的左右兩側(cè)面磨損后不能自動補償間隙，需要

有間隙調(diào)整裝置。它適用于載荷大且導(dǎo)向精度要求不高的機床。

三角形導(dǎo)軌(圖(b))由左右兩個平面組成，起支承和導(dǎo)向作用。在垂直載荷作用下，導(dǎo)軌磨損后能自動

補償，不產(chǎn)生間隙，導(dǎo)向精度高，但仍需設(shè)壓板面間隙調(diào)整裝置。三角形頂角夾角為，若重型機床承受載荷大時，

為增大承載面積，夾角可取，但導(dǎo)向精度差。精密機床夾角可采用小于，以提高導(dǎo)向精度。燕層形導(dǎo)軌(如圖(c))

是閉式導(dǎo)軌中接觸面最少的一種結(jié)構(gòu)，磨損后不能自動補償間隙，需用鑲條調(diào)整。燕尾面兩側(cè)面起導(dǎo)向和壓板

作用。燕尾導(dǎo)軌可承載傾覆力矩，制造、檢驗和維修較復(fù)雜，摩撩阻力大，剛度較差。導(dǎo)軌面的夾角為，用于

高度小的多層移動部件。圓柱形導(dǎo)軌(圖(d))剛度高，易制造，外徑可磨削，內(nèi)孔可珩磨達到精密配合，但磨損

后間隙調(diào)整困難。它適用于受軸向載荷的場合，如壓力珩磨機、攻螺紋機和機械手等。任務(wù)二數(shù)控機床的組成、分類及機械結(jié)構(gòu)②滑動導(dǎo)軌直線運動導(dǎo)軌一般由兩條導(dǎo)軌組成，不同的組合形式可滿足各類機床的工作要求。數(shù)控機床上滑動導(dǎo)軌的形狀主要為三角形－矩形式和矩形－矩形式，只有少部分結(jié)構(gòu)采用燕尾式。塑料導(dǎo)軌己廣泛用于數(shù)控機床上，其摩擦系數(shù)小，且動、靜摩擦系數(shù)差很小，能防止低速爬行現(xiàn)象。塑料導(dǎo)軌多與鑄鐵導(dǎo)軌或淬硬鋼導(dǎo)軌相配合使用。塑料導(dǎo)軌道有貼塑料導(dǎo)軌軟帶的貼塑導(dǎo)軌和注塑導(dǎo)孰，常用前一種。貼塑導(dǎo)軌具有剛度好，動、靜摩擦系數(shù)差值小，在油潤滑狀態(tài)下其摩擦系數(shù)約為0.06，耐磨性好，使用壽命為普通鑄鐵導(dǎo)軌的8～10倍，無爬行，減振性好。其形式主要有塑料導(dǎo)軌板和塑料導(dǎo)軌軟帶兩種。軟帶是以聚四氟乙烯為基材，添加青銅粉、二硫化鉬和石墨的高分子復(fù)合材料。軟帶應(yīng)粘貼在機床直線導(dǎo)軌副的短導(dǎo)軌面上，圓形導(dǎo)軌應(yīng)粘貼在下導(dǎo)軌面上。塑料導(dǎo)軌軟帶有各種厚度規(guī)格，長與寬由用戶自行裁剪，粘貼方法如圖1—31所示，比較固定。由于塑料導(dǎo)軌軟帶較軟，容易被硬物刮傷，因此應(yīng)用時要有良好的密封防護措施。任務(wù)二數(shù)控機床的組成、分類及機械結(jié)構(gòu)③滾動導(dǎo)軌滾動導(dǎo)軌是指在動導(dǎo)軌面和支撐導(dǎo)軌面之間安放多個滾動體(如滾珠、滾柱或滾針)，使兩導(dǎo)軌之間的滑動摩擦成為滾動摩擦的導(dǎo)軌。滾動導(dǎo)軌被廣泛應(yīng)用于各類機床，特別是數(shù)控機床。其優(yōu)點是：運動靈敏度高，牽引力??；低速運動平穩(wěn)性好，定位精度高；磨損小，精度保持性好，使用壽命長；潤滑簡單，可以采用最簡單的油脂潤滑，維修方便；但滾動導(dǎo)軌的剛度和抗振性較差，對臟物比較敏感，必須有良好的防護裝置。按照滾動體類型，可以分為滾珠、滾柱和該針三種結(jié)構(gòu)形式。滾珠導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)緊湊，容易制造，但因為是點接觸，所以承載能力低，剛度差，適用于載荷較小的場合。該林導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)簡單，制造精度高，承載能力和剛度都比滾珠導(dǎo)軌高，適用于載荷較大的機床。滾針比該柱的長徑比大，因此，滾針導(dǎo)軌的尺寸小，結(jié)構(gòu)緊湊，承載能力大，但摩擦系數(shù)也大，可以用在結(jié)構(gòu)尺寸受到限制的場合。按照滾動體循環(huán)與否，可以分為循環(huán)式和非循環(huán)式。非循環(huán)式結(jié)構(gòu)簡單，一般用于短行程導(dǎo)軌，逐漸被循環(huán)式滾動導(dǎo)軌代替。循環(huán)式導(dǎo)軌安裝、使用、維護方便，已經(jīng)基本形成系列產(chǎn)品，由專業(yè)廠家生產(chǎn)，主要有滾珠導(dǎo)套、整體式滾珠導(dǎo)軌和滾柱導(dǎo)軌塊等。任務(wù)二數(shù)控機床的組成、分類及機械結(jié)構(gòu)④靜壓導(dǎo)軌靜壓導(dǎo)軌是將具有一定壓力的油液輸入到導(dǎo)軌副間形成承載油膜。工作過程中，導(dǎo)軌面油腔中的油壓能隨著外載荷的變化自動調(diào)節(jié)，并與之相平衡。靜壓導(dǎo)軌的持點是摩擦系數(shù)小，傳動效率高，驅(qū)動功率小，導(dǎo)軌面幾乎不磨損，油膜厚度幾乎不受速度影響，運動平穩(wěn)性好，承載能力大，剛度高，吸振性好。但需要一套供油系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，調(diào)整維修比較麻煩。因此，適用于各種大型、重型機床、數(shù)控機床和精密機床。靜壓導(dǎo)軌按照所承受的載荷不同，可以分為開式和閉式兩種結(jié)構(gòu)形式；按照靜壓導(dǎo)軌供油方式，又可以分為定壓供油和定量供油兩類。其中，圖所示為閉式靜壓直線導(dǎo)軌示意圖。任務(wù)二數(shù)控機床的組成、分類及機械結(jié)構(gòu)03任務(wù)三數(shù)控機床加工原理一、插補方法零件的形狀輪廓由各種線型(如直線、圓弧、螺旋線、拋物線、自由曲線等)組成，數(shù)控加工就是控制刀具或工件，讓它們按輪廓形狀相對運動，同時使加工出的零件滿足幾何尺寸精度和表面租糙度的要求，這是數(shù)控系統(tǒng)的核心任務(wù)。根據(jù)零件輪廓來控制數(shù)控機床的相對運動，把刀具補償之后數(shù)控系統(tǒng)中存儲的數(shù)據(jù)變成驅(qū)動數(shù)控機床運動部件的一系列命令，是插補要完成的工作。所謂插補，就是數(shù)據(jù)密化的過程，計算機根據(jù)曲線的特征，對輸人數(shù)控系統(tǒng)的有限坐標點(例如起點、終點)，運用一定的計算方法，自動地在有限坐標點之間生成一系列的坐標數(shù)據(jù)。這些坐標致?lián)兂勺寵C床驅(qū)動電機正反轉(zhuǎn)運動的命令，通過絲杠螺母或齒輪齒條轉(zhuǎn)化為運動部件的直線運動，幾個直線運動合成為刀具軌跡，以滿足加工形狀和精度的要求。如果要求刀具的相對運動軌跡完全符合工件形狀輪廓，會使算法變得非常復(fù)雜，計算機的工作量也將大大增加。在實際加工過程中，常常用小段直線或圓弧來逼近(擬合)零件的輪廓曲線。從理論上講，如果已知零件的輪廓方程，如，則x方向增加△x時，可計算出△y的值。只要合理控制△x、△y的值，就可以得到滿足幾何尺寸精度和表面租糙度要求的零件輪廓。但用這種直接計算的方法，曲線次數(shù)越高，計算也就越復(fù)雜，占用CPU的時間也越多，加工效率也越低。此外，還有一些用離散數(shù)據(jù)表示的曲線、曲面等，無法用上述方法進行計算。因此，數(shù)控系統(tǒng)不采用這種直接計算的方法。除了點位控制系統(tǒng)和直線控制系統(tǒng)不需要插補功能外，其他數(shù)控系統(tǒng)(包括硬件NC系統(tǒng)和計算機CNC系統(tǒng))必須具備插補功能，插補功能是數(shù)控系統(tǒng)的核心功能。插補方式可以不同，在CNC系統(tǒng)中，一般采用軟件或軟件和硬件相結(jié)合的方法完成插補運算，稱為軟件插補；在NC系統(tǒng)中，有一個專門實現(xiàn)插補計算的計算裝置(插補器)，稱為硬件插補。軟件插補和硬件插補的原理相同，其作用都是根據(jù)給定的信息進行計算。在計算過程中不斷向各坐標軸發(fā)出相互協(xié)調(diào)的進給脈沖，使數(shù)控機床按指定的軌跡運動。數(shù)控技術(shù)中常用的插補算法可歸納為兩類：一類是脈沖增量插補，另一類是數(shù)據(jù)采樣插補。任務(wù)三數(shù)控機床加工原理二、脈沖增量插補方法脈沖增量插補法適用于以步進電動機為驅(qū)動裝置的開環(huán)數(shù)控系統(tǒng)，這類插補算法的特點是每一次插補的結(jié)果僅產(chǎn)生一個行程增量，以一個脈沖的方式輸出給步進電動機。脈沖增量插補的實現(xiàn)方法較簡單，通常僅用加法和移位就可完成插補，容易用硬件來實現(xiàn)，而且，用硬件實現(xiàn)這類運算的速度很快。但是，數(shù)控系統(tǒng)一般均用軟件來完成這類算法，用軟件實現(xiàn)的脈沖增量插補算法一般要執(zhí)行20多條指令。如果CPU的時鐘為5MHz，那么計算一個脈沖當量所需的時間大約為40us，當脈沖當量為0.001mm時，可以達到的坐標軸極限速度為5m/min，如果要控制兩個或兩個以上坐標，且還要承擔(dān)其他必要的數(shù)控功能時，所能形成的輪廓插補進給速度將進一步降低。如果要求保證一定的進給速度，只能增大脈沖當量，使精度降低，例如當脈沖當量為0.01mm時，單坐標控制速度為15m/min。因此脈沖增量插補輸出的速率主要受插補程序所用時間的限制，它僅僅適用于中等精度和中等速度、以步進電動機為執(zhí)行機構(gòu)的機床數(shù)控系統(tǒng)。在逐點比較法中,每進給一步都需要4個節(jié)拍：偏差判別；坐標進給，根據(jù)偏差情況，決定進給方向；偏差計算，每走一步都要計算新的偏差值，作為下一步偏差判別的依據(jù)；終點判斷，每走一步都要判斷是否到終點，若到終點，則停止插補，否則繼續(xù)插補。圖示為逐點比較法直線插補和圓弧插補的走步軌跡圖。任務(wù)三數(shù)控機床加工原理三、數(shù)據(jù)采樣插補方法使用基準脈沖插補的數(shù)控系統(tǒng)，計算機每進行一次插補，坐標軸進給一個脈沖當量，進給速度受到計算機插補速度的限制。難以滿足現(xiàn)代數(shù)控機床高速度的要求。而在使用數(shù)據(jù)采樣插補的數(shù)控系統(tǒng)中，插補輸出的是下一個插補周期內(nèi)各坐標軸的運動距離，不需要每進給一個脈沖當量都插補一次，因此可以達到很高的運行速度。隨著計算機技術(shù)和伺服技術(shù)的發(fā)展，以伺服電機作為驅(qū)動裝置的計算機閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)已成為CNC系統(tǒng)的主流。在這些系統(tǒng)中，插補計算一般都采用不同類型的數(shù)據(jù)采樣插補算法。數(shù)據(jù)采樣插補是將被加工零件的輪廓曲線分割為插補采樣周期的進給步長。根據(jù)加工直線或圓弧段的進給速度，計算出每一個插補周期內(nèi)的插補進給量，即步長。對于曲線插補。插補步長和插補周期越短，插補精度就越高；進給速度越快，插補精度就越低。插補算法由兩部分組成，一部分是精插補，用硬件實現(xiàn)；另一部分是粗插補，用軟件實現(xiàn)。在每一插補周期中，調(diào)用一次插補程序。用軟件粗插補計算出各坐標軸在下一插補周期內(nèi)的位移增量(而不是單個脈沖)，然后送到硬件插補器內(nèi)，經(jīng)過硬件插補器插補器精插補后，再控制電動機驅(qū)動運動部件達到相應(yīng)的位置。插補周期與插補運算時間有密切的關(guān)系，一旦選定了插補算法，完成插補運算的最大指令條數(shù)也就確定了，則此算法占用計算機CPU的時間也就確定了。一般來說，插補周期必須大于插補運算時間，因為在一個插補周期內(nèi)，不僅要完成基本的插補運算，一般來說還要留出約3／4個插補周期進行后續(xù)程序段的插補預(yù)處理計算和完成其他數(shù)控功能，包括編程、存儲、采集運行狀態(tài)數(shù)據(jù)、監(jiān)視系統(tǒng)和機床等數(shù)控功能。因此在計算機CPU的處理速度不變的情況下，通過縮短插補周期來提高插補精度和進給速度的潛力是有限的。另外，插補周期還會對圓弧的插補誤差產(chǎn)生一定的影內(nèi)。插補周期與位置反饋采祥周期可以相同。也可以不同。若不相同，則取插補周期為位置反饋采樣周期的整數(shù)倍。例如日本FANUC7M系統(tǒng)的插補周期是8ms,而位置控制周期是4ms。華中I型數(shù)控系統(tǒng)的插補周期也是8ms，位置控制周期可以設(shè)定為1ms、2ms、4ms、8ms。任務(wù)三數(shù)控機床加工原理04任務(wù)四數(shù)控機床精度檢驗

一、機床精度概念機床的加工精度是衡量機床性能的一項重要指標。影響機床加工精度的因素很多，

有機床本身的精度影響

，還有因機床及工藝系統(tǒng)變形、加工中產(chǎn)生振動、機床的磨損以及刀具磨損等因素的影響。在上述各因素中

，機床本身的精度是一個重要的因素。例如在車床上車削圓柱面，其圓柱度主要決定于工件旋轉(zhuǎn)軸線的穩(wěn)定性、車刀刀尖移動軌跡的直線度以及刀尖運動軌跡與工件旋轉(zhuǎn)軸線之間的平行度，即主要決定于車床主軸與刀架的運動精度以及刀架運動軌跡相對于主軸的位置精度。機床的精度包括幾何精度、傳動精度、定位精度以及工作精度等，

不同類型的機床對這些方面的要求是不一樣的。（1）幾何精度

機床的幾何精度是指機床某些基礎(chǔ)零件工作面的幾何精度

，它指的是機床在不運動

(

如主軸不轉(zhuǎn)

，工作臺不移動)或運動速度較低時的精度它規(guī)定了決定加工精度的各主要零、部件間以及這些零、部件的運動軌跡之間的相對位置允差。該指標可分為兩類：一類是對機床的基礎(chǔ)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上T形槽側(cè)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、主軸軸線與工作臺面的垂直度(立式)或平行度(臥式)等。在機床上加工的工件表面形狀，是由刀具和工件之間的相對運動軌跡決定的，而刀具和工件是由機床的執(zhí)行件直接帶動的，所以機床的幾何精度是保證加工精度最基本的條件。任務(wù)四數(shù)控機床精度檢驗

（2）傳動精度

機床的傳動精度是指機床內(nèi)聯(lián)系傳動鏈兩末端件之間的相對運動精度。這方面的誤差就稱為該傳動鏈的傳動誤差。例如車床在車削螺紋時，主軸每轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)，刀架的移動量應(yīng)等于螺紋的導(dǎo)程。但是，實際上，由于主軸與刀架之間的傳動鏈中，齒輪、絲杠及軸承等存在著誤差，使得刀架的實際移距與要求的移距之間有了誤差，這個誤差將直接造成工件的螺距誤差。為了保證工件的加工精度，不僅要求機床有必要的幾何精度，而且還要求內(nèi)聯(lián)系傳動鏈有較高的傳動精度。

（3）定位精度

機床定位精度是指機床主要部件在運動終點所達到的實際位置的精度。實際位置與預(yù)期位置之間的誤差稱為定位誤差。對于主要通過試切和測量工件尺寸來確定運動部件定位位置的機床，如臥式車床、萬能升降臺銑床等普通機床，

對定位精度的要求并不太高。但對于依靠機床本身的測量裝置、定位裝置或自動控制系統(tǒng)來確定運動部件定位位置的機床，如各種自動化機床、數(shù)控機床、坐標測量機等，對定位精度必須有很高的要求。機床的幾何精度、傳動精度和定位精度通常是在沒有切削載荷以及機床不運動或運動速度較低的情況下檢測的，故一般稱之為機床的靜態(tài)精度。靜態(tài)精度主要決定于機床上主要零、部件，

如主軸及其軸承、絲杠螺母、齒輪以及床身等的制造精度以及它們的裝配精度。

任務(wù)四數(shù)控機床精度檢驗

（4）工作精度靜態(tài)精度只能在一定程度上反映機床的加工精度，因為機床在實際工作狀態(tài)下，還有一系列因素會影響加工精度。例如，由于切削力、夾緊力的作用,機床的零、部件會產(chǎn)生彈性變形在機床內(nèi)部熱源

(

如電動機、液壓傳動裝置的發(fā)熱，軸承、齒輪等零件的摩擦發(fā)熱等

)

以及環(huán)境溫度變化的影響下，機床零、部件將產(chǎn)生熱變形由于切削力和運動速度的影響，

機床會產(chǎn)生振動機床運動部件以工作速度運動時，由于相對滑動面之間的油膜以及其他因素的影響，其運動精度也與低速下測得的精度不同所有這些都將引起機床靜態(tài)精度的變化，

影響工件的加工精度。機床在外載荷、溫升及振動等工作狀態(tài)作用下的精度，稱為機床的動態(tài)精度。動態(tài)精度除與靜態(tài)精度有密切關(guān)系外，還在很大程度上決定于機床的剛度、抗振性和熱穩(wěn)定性等。目前,

生產(chǎn)中一般是通過切削加工出的工件精度來考核機床的綜合動態(tài)精度，稱為機床的工作精度。工作精度是各種因素對加工精度影響的綜合反映。常見的檢驗項目有：鏜孔精度檢查；斜線銑削精度檢查；端銑刀銑削平面精度檢查；圓弧銑削精度檢查；直線銑削精度檢查。任務(wù)四數(shù)控機床精度檢驗

二、數(shù)控機床軸線定位精度檢驗（1）球柄儀測量球柄儀（DBB）是由兩個高精度的金屬球通過一根伸縮桿相聯(lián)結(jié)組成的，兩球之間的距離是通過安裝在伸縮桿上線性光柵來測量的，測量時可以沿一系列的圓形輪廓軌跡進行數(shù)據(jù)采集，DBB系統(tǒng)還可以對機床一些常見的誤差源做較快的分析。球柄儀的測量結(jié)果三種情況的綜合。第一種情況是鋸齒狀條紋，齒狀條紋多為該軸的速度控制回路和位置控制回路未調(diào)整好產(chǎn)生的，少數(shù)情況下是由于機械負載變化不均勻、低速爬行防護罩摩擦力不均勻或檢測元件傳動不均勻等產(chǎn)生的。第二種情況為兩半圓錯位，這是由一個軸存在反向失動量而引起的。反向失動量是由機械傳動間隙、不穩(wěn)定的彈性變形和變動的摩擦阻尼等造成的。首先應(yīng)調(diào)整機械環(huán)節(jié)加以消除。若調(diào)整后通過快速定位測出某軸仍有失動量，則可以在調(diào)整機床時由電控系統(tǒng)加以補償。第三種情況為斜橢圓，是由于兩坐標軸實際的系統(tǒng)增益不一致造成的。盡管在控制系統(tǒng)上兩坐標系統(tǒng)增益設(shè)置成完全一樣，但由于機械部分結(jié)構(gòu)、裝配質(zhì)量和負載情況等不同，就會造成實際系統(tǒng)增益的差異，可根據(jù)實際情況適當調(diào)整速度反饋增益、位置回路增益、系統(tǒng)增益參數(shù)等環(huán)節(jié)以求改善。用磁性球柄儀對數(shù)控數(shù)控機床進行測量，具有精度較高，測量時間短，成本低，并且不需專業(yè)人員，可以在生產(chǎn)現(xiàn)場測量的優(yōu)點。但也有其不盡人意的地方，由于DBB采用接觸式測量方法，使得鋼球和磁性凹座之間的有一定的摩擦，從而降低了測量精度；同時，DBB檢測的路徑是按一定半徑進行圓周運動，由于運動半徑受到檢測設(shè)備本身的影響，只能在一定的范圍變化，使其應(yīng)用范圍受到一些限制。任務(wù)四數(shù)控機床精度檢驗

二、數(shù)控機床軸線定位精度檢驗（2）ReniShaw雙頻激光干涉儀①工作原理以renishaw雙頻激光干涉儀測量機床的線性位移誤差為例,其測量原理如圖所示。從激光頭發(fā)出的激光被分光鏡分為兩束光，一束經(jīng)過固定的反射鏡形成參考光，另一束經(jīng)過移動的反射鏡形成測量光，反射光和測量光經(jīng)過分光鏡后匯合，并且彼此干涉(如圖所示)。如果兩束光相位相同，則光波會疊加增強，表現(xiàn)亮條紋；如果相位相反，則光波會相互抵消，表現(xiàn)為暗條紋。激光干涉儀通過接收到的激光的明暗條紋變化，再通過電子細分，從而知道距離的細微和準確變化。在線性測量過程中，一個光學(xué)組件保持靜止不動，另一個光學(xué)組件沿線性軸移動，通過監(jiān)測測量光束和參考光束之間的光路差異值變化，產(chǎn)生定位精度測量值。一般將反射鏡設(shè)定為移動光學(xué)部件，將干涉鏡設(shè)定為靜止部件，為了測量，當對于短軸測量時，也可以將干涉鏡設(shè)定為移動部件，但對于長軸測量時，要將反射鏡設(shè)定為移動光學(xué)部件。任務(wù)四數(shù)控機床精度檢驗因為激光干涉測量時用激光實時波長作為測量基準,所以為提高測試精度及增強適用范圍,采用環(huán)境補償系統(tǒng)對整個測量過程中的波長進行實時補償,并對被測機床溫、濕度誤差進行補償,從而使系統(tǒng)可應(yīng)用于環(huán)境不同的生產(chǎn)現(xiàn)場。

二、數(shù)控機床軸線定位精度檢驗（2）ReniShaw雙頻激光干涉儀②激光測試儀組成用來測量線性定位誤差的Renishaw激光干涉儀主要由以下部分組成:ML10激光器、EC10環(huán)

境補償器和傳感器、直線測量光學(xué)組件、PCM20接口卡和連接線、三角架和電腦，各部件的

安裝與調(diào)試，如圖所示。③安裝及對光（a）安裝置機床于恒定溫度(最好20℃左右)24小時,使機床剛性穩(wěn)定,調(diào)整數(shù)控機床呈水平狀態(tài)。測量X、Y軸時,把工作臺降至最低,關(guān)閉門窗,使空氣無流動,以免影響激光的傳播而降低機床檢測精度。接電源,光路為激光發(fā)生器—→干涉鏡—→反射鏡。圖為雙頻激光干涉儀直線定位精度測量示意圖,左邊為雙頻激光發(fā)生器,中間為干涉鏡,右邊在工作臺上的為反射鏡。氣溫傳感器是空氣溫度、濕度傳感器，用來測量實驗時室內(nèi)的溫度和濕度，x軸末端放置的是材料溫度傳感器，用來測量x軸的表面溫度。氣溫傳感器和材料溫度傳感器獲得的數(shù)據(jù)，通過EC10環(huán)境補償器采集后傳輸給電腦，電腦根據(jù)實驗的需要，通過軟件補償系統(tǒng)，自動的調(diào)整環(huán)境參數(shù)。（b）對光檢查并保持干涉鏡、反射鏡干凈。先以反射鏡上某點(如螺紋孔)為基準點,調(diào)整激光發(fā)生器上的左右、上下螺絲,使激光束斑點在絲桿運行全程上與基準點始終重合,即表示激光已平行于機床導(dǎo)軌絲桿；轉(zhuǎn)動反射鏡,讓反射光反射到激光發(fā)生器的接收孔內(nèi)(下孔),保證在全行程上激光器右上角紅燈亮；裝干涉鏡于發(fā)生器與反射鏡之間,使干涉后的光線與反射光重合,激光器右上角紅燈亮。任務(wù)四數(shù)控機床精度檢驗

二、數(shù)控機床軸線定位精度檢驗（2）ReniShaw雙頻激光干涉儀④測量程序的編制測量循環(huán)方式有線性循環(huán)、階梯循環(huán)、擺動循環(huán)，一般是采用線性循環(huán)方式。編制機床數(shù)控程序使運動部件按標準檢驗循環(huán)(如圖所示)，沿著軸線勻速運動到各個目標位置，按GB/T17421.2－2000《機床檢驗通則第2部分：數(shù)控軸線的定位精度和重復(fù)定位精度的確定》的規(guī)定，測量循環(huán)次數(shù)為5次。在編制機床數(shù)控程序過程中，注意運動部件的進給速度不應(yīng)過快，防止移動光學(xué)部件振動引起測量光信號不穩(wěn)；運動部件目標位置的停頓時間要比激光干涉儀數(shù)據(jù)采集時間來得長(一般長0.5－1S)，便于激光干涉儀的數(shù)據(jù)采集；為了使得激光干涉儀能夠采集到每個目標位置的數(shù)據(jù)，所以數(shù)控編程的時候要求要有一定的越程量，來保證運動部件到達最后一個目標位置后，反向時激光干涉儀還能采集到目標數(shù)據(jù)。在安裝調(diào)整反射鏡和干涉鏡時，應(yīng)先檢查機床的運動部件按照已編好的數(shù)控程序進行試運行，其是否會影響到反射鏡或干涉鏡的預(yù)設(shè)安裝位置，防止碰壞測量光學(xué)鏡組。任務(wù)四數(shù)控機床精度檢驗

二、數(shù)控機床軸線定位精度檢驗（2）ReniShaw雙頻激光干涉儀⑤軟件系統(tǒng)Renishaw激光干涉儀配套的處理軟件RenishawLaser10如圖6所示，該處理軟件具有十分強大的數(shù)據(jù)處理能力。激光的光束發(fā)射角小、能量集中、單色性好，其產(chǎn)生的干涉條紋可用光電接收器接收,變?yōu)殡娦盘柌⒂捎嫈?shù)器記錄下來，從而提高了測量精度。雙頻激光干涉儀具有精度高(極限誤差<0.1um)、方法簡便等優(yōu)點。但激光干涉儀的測量所需的時間很長。通常,對多軸數(shù)控機床完成其運動精度檢測時,一般需要1～3天。因此,激光干涉儀多用于數(shù)控機床的出廠驗收。如果在數(shù)控機床的加工過程中或在柔性加工生產(chǎn)線上檢測數(shù)控機床的運動精度時,測量效率比較低的激光干涉儀應(yīng)用得就比較少。任務(wù)四數(shù)控機床精度檢驗05任務(wù)五數(shù)控加工技術(shù)的發(fā)展趨勢隨著計算機技術(shù)突飛猛進的發(fā)展，數(shù)控技術(shù)正不斷采用計算機、控制理論等領(lǐng)域的最新技術(shù)成就，使其朝著高速化、高精化、智能化、復(fù)合化、、高柔性化及信息網(wǎng)絡(luò)化等方向發(fā)展。整體數(shù)控加工技術(shù)向著CIMS（計算機集成制造系統(tǒng)）方向發(fā)展。一、高速化高速加工技術(shù)是自上個世紀80年代發(fā)展起來的一項高新技術(shù)，其研究應(yīng)用的一個重要目標是縮短加工時的切削與非切削時間，對于復(fù)雜形狀和難加工材料及高硬度材料減少加工工序，最大限度地實現(xiàn)產(chǎn)品的高精度和高質(zhì)量。由于不同加工工藝和工件材料有不同的切削速度范圍，因而很難就高速加工給出一個確切的定義。高速加工是通過高性能的機床，以幾倍甚至幾十倍的加工速度來實現(xiàn)對工件加工的高精度、高效率，最終達到提高生產(chǎn)率的目的。一般而言，高速加工包含兩層含義：一是高主軸轉(zhuǎn)數(shù)，一般情況下，主軸轉(zhuǎn)數(shù)至少在12000ｒ／ｍｉｎ左右，最高可達200000ｒ／ｍｉｎ；二是高速進給，進給速度一般在每分鐘幾米甚至幾十米。高速加工技術(shù)以其顯著的加工優(yōu)勢和無法替代的先進性，首先在國外工業(yè)發(fā)達國家中迅速發(fā)展起來，其進程也堪稱“高速”。我國起步較晚，競爭力明顯處于劣勢，因此推廣應(yīng)用這一先進技術(shù)就顯得刻不容緩了。實現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)的高速度化。首先要求計算機在讀入加工指令和加工數(shù)據(jù)后，能高速處理并計算出伺服電動機的位移量；其次要求伺服電動機能夠高速做出響應(yīng)，此外，、還要求主軸轉(zhuǎn)速、進給率、刀具交換、托盤交換等相關(guān)部件都能實現(xiàn)高速度化。提高微處理器的位數(shù)和速度是提高CNC速度的最有效手段。目前高速CNc普遍采用32位微處理器技術(shù)，指令執(zhí)行速度達到100萬條每妙，可以實現(xiàn)在最小移動單位為0.1的情況下，最大進給速度達到100m／min；在數(shù)控機床的高速度化中。提高主軸轉(zhuǎn)速占重要地位。研究報告指出，由于主軸的高速度化，使得切削時間比過去縮短了80％。高速主軸一般采用內(nèi)裝式主軸電動機(俗稱電主軸)，主軸轉(zhuǎn)速可提高到200000r／min。高速加工作為一種新的技術(shù)，其優(yōu)點是顯而易見的，它給傳統(tǒng)的數(shù)控加工帶來了一種革命性的變化，但是，目前既便是在加工機床水平先進的瑞士、德國、日本、美國，對這一嶄新技術(shù)的研究也還處在不斷的摸索研究中。有許多問題有待于解決：如高速機床的動態(tài)、熱態(tài)特性；刀具材料、幾何角度和耐用度問題；機床與刀具間的接口技術(shù)（刀具的動平衡、扭矩傳輸）；冷卻潤滑液的選擇；CAD/CAM的程序后處理問題；高速加工時刀具軌跡的優(yōu)化問題等等。國內(nèi)數(shù)控機床技術(shù)水平和產(chǎn)品質(zhì)量不斷提升，與國外先進水平逐漸拉近。在過去幾年中，我國數(shù)控機床制造企業(yè)積極引進和消化國外先進技術(shù)，加大自主創(chuàng)新力度，不斷提升產(chǎn)品的精度、速度、可靠性等關(guān)鍵指標，進而提高了整體競爭力。任務(wù)五數(shù)控加工技術(shù)的發(fā)展趨勢二、高精化高精加工是高速加工技術(shù)與數(shù)控機床的廣泛應(yīng)用的結(jié)果。以前汽車零件的加工精度要求在0.01mm數(shù)量級，現(xiàn)在隨著計算機硬盤、高精度液壓軸承等精密零件的增多，高精加工所需精度已提高到0.1μm，加工精度進入了亞微米世界。提高數(shù)控機床加工精度的途徑，一是減少數(shù)控系統(tǒng)誤差，二是采用補償技術(shù)。為減小控制誤差，一方面可提高數(shù)控系統(tǒng)的分辨率，以微小程序段實現(xiàn)連續(xù)進給，使CNC單元精細化；另一方面通過提高位置檢測精度以及在位置伺服系統(tǒng)中采用前饋控制和非線性控制等先進控制技術(shù)。數(shù)控系統(tǒng)目前采取的補償技術(shù)，除間隙補償、絲杠螺距補償和刀具補償之外，熱變形補償技術(shù)也在被大力研究和逐漸采用。一方面設(shè)法減少電動機、回轉(zhuǎn)主軸和傳動絲杠副在運轉(zhuǎn)中發(fā)熱(如采用流動油波對內(nèi)裝主軸電動機和主軸軸承進行冷卻)；另一方面采取熱補償技術(shù)。可以提高數(shù)控機床加工精度的措施如圖所示。任務(wù)五數(shù)控加工技術(shù)的發(fā)展趨勢三、智能化現(xiàn)代數(shù)控系統(tǒng)的智能化發(fā)展趨勢主要指將專家系統(tǒng)和智能控制技術(shù)引入數(shù)控系統(tǒng)，模擬專家智能控制技術(shù)對制造中出現(xiàn)的問題進行分析、推斷、構(gòu)思和決策，同時用計算機取代或延伸制造環(huán)境中人的腦力勞動，對專家系統(tǒng)的制造智能進行收集、存儲、完善和發(fā)展?，F(xiàn)代數(shù)控系統(tǒng)的智能化主要體現(xiàn)在以下幾個方面。（1）加工過程自適應(yīng)控制技術(shù)通過監(jiān)測加工過程中的切削力、主軸和進給電機的功率、電流、電壓等信息，利用傳統(tǒng)的或現(xiàn)代的算法進行識別，以辯識出刀具的受力、磨損、破損狀態(tài)及機床加工的穩(wěn)定性狀態(tài)，并根據(jù)這些狀態(tài)實時調(diào)整加工參數(shù)(主軸轉(zhuǎn)速、進給速度)和加工指令，使設(shè)備處于最佳運行狀態(tài)，以提高加工精度、降低加工表面粗糙度并提高設(shè)備運行的安全性。（2）加工參數(shù)的智能優(yōu)化