1．?dāng)?shù)控銑床的分類

自從工業(yè)革命以來，機(jī)床工業(yè)發(fā)生了翻天覆地的變化。大多數(shù)人了解的是銑床、車床和鉆床，也就是所說的普通機(jī)床，這些設(shè)備通過技術(shù)工人操作手輪移動(dòng)刀架使刀具沿正確的方向走刀到零件所加工的位置。普通機(jī)床需要通過接受過較長時(shí)間的專業(yè)培訓(xùn)并且具有一定操作技能的操作者在具備一定條件的環(huán)境下才能加工出高質(zhì)量的零件。相對來說，普通設(shè)備的加工效率較低，成本較高。

今天，數(shù)控設(shè)備在相當(dāng)多的領(lǐng)域已經(jīng)完全或逐漸取代了普通設(shè)備，與普通機(jī)床不同，數(shù)控機(jī)床加工零件的過程完全自動(dòng)地進(jìn)行，加工過程中人工不能干預(yù)。因此，首先必須將所要加工件的全部信息，包括工藝過程、刀具運(yùn)動(dòng)軌跡及走刀方向、位移量、工藝參數(shù)（主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給量、切削深度）以及輔助動(dòng)作（換刀、變速、冷卻、夾緊、松開）等，按加工順序采用標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)定的程序指令編寫出正確的數(shù)控加工程序，然后輸入到數(shù)控設(shè)備的控制系統(tǒng)中，隨后控制系統(tǒng)按數(shù)控程序的要求控制數(shù)控機(jī)床對零件進(jìn)行加工。所謂數(shù)控編程，一般指包括零件圖樣分析、工藝分析與設(shè)計(jì)、圖形數(shù)學(xué)處理、編寫并輸入程序清單、程序校驗(yàn)的全部工作過程。數(shù)控編程可分為手工編程和自動(dòng)編程兩種方式。

 

數(shù)控銑床可進(jìn)行鉆孔、鏜孔、攻螺紋、輪廓銑削、平面銑削、平面型腔銑削及空間三維復(fù)雜型面的銑削加工。加工中心、柔性加工單元是在數(shù)控銑床的基礎(chǔ)上產(chǎn)生和發(fā)展起來的，其主要加工方式也是銑加工方式。

 

數(shù)控銑床可按通用銑床的分類方法分為以下3類：

 

（1）數(shù)控立式銑床

 

數(shù)控立式銑床主軸軸線垂直于水平面，這種銑床占數(shù)控銑床的大多數(shù)，應(yīng)用范圍也最廣。目前三坐標(biāo)數(shù)控立式銑床占數(shù)控銑床的大多數(shù)，一般可進(jìn)行三軸聯(lián)動(dòng)加工。

 

（2）臥式數(shù)控銑床

 

臥式數(shù)控銑床的主軸軸線平行于水平面。為了擴(kuò)大加工范圍和擴(kuò)充功能，臥式數(shù)控銑床通常采用增加數(shù)控轉(zhuǎn)臺或萬能數(shù)控轉(zhuǎn)臺的方式來實(shí)現(xiàn)四軸和五軸聯(lián)動(dòng)加工。這樣既可以加工工件側(cè)面的連續(xù)回轉(zhuǎn)輪廓，又可以實(shí)現(xiàn)在一次裝夾中通過轉(zhuǎn)臺改變零件的加工位置也就是通常所說的工位，進(jìn)行多個(gè)位置或工作面的加工。

 

（3）立臥兩用轉(zhuǎn)換銑床

 

這類銑床的主軸可以進(jìn)行轉(zhuǎn)換，可在同一臺數(shù)控銑床上進(jìn)行立式加工和臥式加工，同時(shí)具備立、臥式銑床的功能。

2．?dāng)?shù)控銑床的主要加工對象
 

（1）平面類零件
 

 

平面類零件的特點(diǎn)表現(xiàn)在加工表面既可以平行水平面，又可以垂直于水平面，也可以與水平面的夾角成定角；目前在數(shù)控銑床上加工的絕大多數(shù)零件屬于平面類零件，平面類零件是數(shù)控銑削加工中最簡單的一類零件，一般只需要用三坐標(biāo)數(shù)控銑床的兩軸聯(lián)動(dòng)或三軸聯(lián)動(dòng)即可加工。在加工過程中，加工面與刀具為面接觸，粗、精加工都可采用端銑刀或牛鼻刀。

 

（2）曲面類零件

 

曲面類零件的特點(diǎn)是加工表面為空間曲面，在加工過程中，加工面與銑刀始終為點(diǎn)接觸。表面精加工多采用球頭銑刀進(jìn)行。

3．?dāng)?shù)控銑床的坐標(biāo)系
 

為了描述點(diǎn)在平面和空間中的位置，首先需要定義一個(gè)確定方向和相對位置的坐標(biāo)系，數(shù)控機(jī)床的坐標(biāo)系采用右手直角笛卡兒坐標(biāo)系。它規(guī)定直角坐標(biāo)X、Y、Z三個(gè)坐標(biāo)軸的正方向用右手法則判定，圍繞各坐標(biāo)軸的旋轉(zhuǎn)軸A、B、C的正方向用右手螺旋法則判定。數(shù)控加工采用的是空間三維坐標(biāo)系，三維坐標(biāo)系是在二維即平面坐標(biāo)系的基礎(chǔ)上增加了一個(gè)垂直方向的軸，通常稱之為Z軸，為平行于機(jī)床主軸的坐標(biāo)軸，如圖1所示。 #p#分頁標(biāo)題#e#

 

 

 

                           

圖1 數(shù)控銑床的坐標(biāo)系

 

（1）建立加工坐標(biāo)系的步驟

 

為了在數(shù)控設(shè)備上加工零件，首先需要確定工件在機(jī)床上的位置，因此，必須建立一個(gè)與加工零件相關(guān)的坐標(biāo)系，雖然數(shù)控設(shè)備的優(yōu)勢在于允許或者機(jī)床上、或者工件上、或者夾具上的任何位置都可以作為數(shù)控編程的零點(diǎn)而建立坐標(biāo)系，但最佳的解決方案選擇既簡單又方便定位的位置，這樣操作者通過按控制面板上的幾個(gè)按鈕就可以完成建立加工坐標(biāo)系了。具體操作可以簡單的定義為以下幾個(gè)步驟：

 

① 根據(jù)數(shù)控編程坐標(biāo)系或加工坐標(biāo)系確定零件坐標(biāo)系的位置和坐標(biāo)軸的方向。

 

② 利用零件和夾具上定位面建立加工坐標(biāo)系。

 

③ 校正加工坐標(biāo)系，通過校正加工坐標(biāo)系，使建立的加工坐標(biāo)系滿足數(shù)控加工的要求。

 

（2）建立加工坐標(biāo)系的要素

 

幾何元素點(diǎn)、線、面對找正和校正加工坐標(biāo)系非常有用，一個(gè)關(guān)鍵的因素是可以確定零件和夾具上的特征位置，進(jìn)而確定加工坐標(biāo)系的位置。在實(shí)際操作中，零件和夾具上的定位面、定位孔等經(jīng)常作為找正和校正加工坐標(biāo)系的主要手段，這主要基于通過簡單的幾何運(yùn)算就可以將機(jī)床坐標(biāo)系和零件坐標(biāo)系聯(lián)系起來。以下是建立加工坐標(biāo)系的三個(gè)要素。

 

① 確定坐標(biāo)平面：選擇和找正定位面確定工作平面的方向和位置。

 

② 確定坐標(biāo)軸方向：平移或旋轉(zhuǎn)所測量的元素作為方向矢量確定加工坐標(biāo)系的坐標(biāo)軸方向，旋轉(zhuǎn)元素需垂直于已找正的元素。這控制著軸線相對于工作平面的旋轉(zhuǎn)定位。

 

③ 確定坐標(biāo)系原點(diǎn)：作為定義X、Y、Z坐標(biāo)軸的原點(diǎn)或零點(diǎn)。

 

4．?dāng)?shù)控銑床的零點(diǎn)

數(shù)控程序的刀位點(diǎn)位置和刀位矢量確定依賴于加工坐標(biāo)系的位置，所以，在加工零件前必須確定加工坐標(biāo)系或編程坐標(biāo)系的準(zhǔn)確位置。

 

在普通設(shè)備上加工工件時(shí)，操作技師通常使用刀具的刃邊或刃口來確定工件的邊緣位置作為加工的零點(diǎn)，然后用機(jī)床刻度盤的刻度值或者數(shù)字顯示器顯示的讀數(shù)通過簡單的數(shù)學(xué)運(yùn)算來確定工作坐標(biāo)系的零點(diǎn)，所有的位置都以此點(diǎn)作為參考點(diǎn)，這也就是加工坐標(biāo)系的由來。

 

數(shù)控銑床和普通銑床的工作原理是一樣的：加工前必須確定工件在機(jī)床上的位置，或者用刻度盤值或者用位置數(shù)字顯示器的數(shù)值給零件定位。然后，操作者通過按數(shù)控機(jī)床控制面板上的按鈕來建立加工坐標(biāo)系，也就是通常所說的零點(diǎn)。只不過零點(diǎn)的位置確定通過數(shù)控設(shè)備控制系統(tǒng)內(nèi)部的運(yùn)算來完成。

 

在數(shù)控銑床上建立工件的加工坐標(biāo)系，是為了確定工件在加工坐標(biāo)系中的準(zhǔn)確位置，首先應(yīng)該了解兩個(gè)零點(diǎn)的概念，它們分別是機(jī)床坐標(biāo)系原點(diǎn)和加工坐標(biāo)系原點(diǎn)。   數(shù)控銑床都有一個(gè)參考點(diǎn)，也就是通常所說的機(jī)床坐標(biāo)系原點(diǎn)或機(jī)床的初始位置，是由機(jī)床制造商設(shè)置在機(jī)床上的一個(gè)固定基準(zhǔn)位置點(diǎn)，通過限位開關(guān)或傳感器來建立。作用是使機(jī)床與控制系統(tǒng)同步，建立測量機(jī)床運(yùn)動(dòng)的起始點(diǎn)。從實(shí)際意義上講，機(jī)床零點(diǎn)是固定不變的，通常在機(jī)床的右上方。當(dāng)機(jī)床啟動(dòng)后，機(jī)床必須執(zhí)行返回到機(jī)床零點(diǎn)的固定循環(huán)程序即初始化程序，然后將機(jī)床參考點(diǎn)和機(jī)床原點(diǎn)之間的偏置值自動(dòng)存儲在機(jī)床控制單元MCU（Machine Control Unit）中。 #p#分頁標(biāo)題#e#   對于數(shù)控編程和數(shù)控加工來說，還有一個(gè)重要的原點(diǎn)是程序原點(diǎn)，是編程員在進(jìn)行數(shù)控編程時(shí)定義的幾何基準(zhǔn)點(diǎn)，并以此點(diǎn)作為加工坐標(biāo)系的原點(diǎn)，即通常所說的工件原點(diǎn)。工件坐標(biāo)系是零件進(jìn)行數(shù)控編程時(shí)確定的加工坐標(biāo)系。

5．?dāng)?shù)控銑床偏置
 

（1）機(jī)床偏置的概念 
 

機(jī)床零點(diǎn)和工作零點(diǎn)之間的距離，叫做偏置，如圖2所示。每個(gè)坐標(biāo)軸都有互相關(guān)聯(lián)的各自的偏置值，該值存儲在機(jī)床控制單元的偏置寄存器中。在進(jìn)行零件數(shù)控加工時(shí)，機(jī)床控制單元將一直存儲這些偏置值，并利用這些偏置值自動(dòng)跟蹤和移動(dòng)刀具到正確的位置。偏置值也可以在機(jī)床控制單元中進(jìn)行編輯或調(diào)整。例如：在X-偏置值上加1mm，則整個(gè)坐標(biāo)系就會向X正向移動(dòng)1mm，一種常見的控制工件加工質(zhì)量而進(jìn)行的調(diào)整方法。

 

                       

圖2  機(jī)床偏置示意圖

 

（2）機(jī)床坐標(biāo)系的設(shè)置和偏置 現(xiàn)在，大多數(shù)數(shù)控機(jī)床都能建立多個(gè)工件偏置來定義多個(gè)工件坐標(biāo)系。事實(shí)上，即便加工同一個(gè)工件需要建立多個(gè)工件坐標(biāo)系，也無需完全重新建立工作坐標(biāo)系。該任務(wù)可以通過設(shè)置G代碼或G指令來完成工件的偏置。最常用的坐標(biāo)系設(shè)置指令為G54，其他坐標(biāo)系設(shè)置指令為G55～G59等。如圖3所示的X軸偏置值和Y軸偏置值即為G54指令所設(shè)定的工作坐標(biāo)系。

 

 

 

                        

圖3  偏置值和坐標(biāo)系

 

其他的工作坐標(biāo)系設(shè)置，如G55指令所定義的工作坐標(biāo)系可以存儲在同一個(gè)坐標(biāo)工作平面如G54中，如圖4所示，選擇G55指令也就是通常所說的建立另一個(gè)工件坐標(biāo)系G55。

 

 

                  

圖4  機(jī)床坐標(biāo)系與加工坐標(biāo)系

建立另一個(gè)工件坐標(biāo)系指令代碼可以是常見的G54～G59，也可以為其他的G代碼，完全取決于機(jī)床制造商為偏置值而設(shè)定的G代碼定義格式。必須在你的零件程序中使用該代碼定義偏置值或坐標(biāo)系。調(diào)出定義工件偏置值的G代碼通常在絕對的安全位置如在程序開始部分：

O1111；
N5 G54 G90 G40 G70；
或者在換刀后：
N20 M06 T09；
N25 G54 G00 X50.0 Y20.0 Z100.0；

設(shè)置工件偏置必須通過刀尖或刀具刃部接觸零件或其他方法來完成，所定義的工件各軸的偏置值X、Y、Z存儲在機(jī)床控制單元的寄存器中。若查看數(shù)控機(jī)床控制面板上的偏置記錄，如下表所示。

表   坐標(biāo)系偏置值 #p#分頁標(biāo)題#e#

 

Designation

X-offset

Y-offset

Z-offset

G54

-30.221

-65.864

0

G55

-7.987

-33.366

-9.873

G56

-15.765

-7.832

-35

G57

-50.352

-0.788

-8.963

 

（3）工件偏置的作用

在數(shù)控編程過程中，為了避免尺寸計(jì)算，需要多次將工作坐標(biāo)系進(jìn)行適當(dāng)?shù)钠揭啤⑿D(zhuǎn)。一般數(shù)控機(jī)床可以預(yù)先設(shè)定6個(gè)（G54～G59）工件坐標(biāo)系，這些坐標(biāo)系的坐標(biāo)原點(diǎn)相對于機(jī)床原點(diǎn)的坐標(biāo)偏置值存儲在機(jī)床控制單元中，在機(jī)床進(jìn)行回零操作或初始化后仍然存在，一旦程序中指定了該G指令，數(shù)控系統(tǒng)即指定并調(diào)出該坐標(biāo)系作為當(dāng)前的工件坐標(biāo)系，該工件坐標(biāo)系原點(diǎn)即為當(dāng)前程序原點(diǎn)，后續(xù)程序中工件移動(dòng)坐標(biāo)值均為相對該坐標(biāo)系原點(diǎn)的坐標(biāo)值。

（4）Z坐標(biāo)偏置和刀具長度偏置

Z 軸的坐標(biāo)偏置值由于主軸上裝有刀具而使得Z方向的偏置值設(shè)置變得復(fù)雜一些，因?yàn)樵撈弥凳菣C(jī)床原點(diǎn)到工件坐標(biāo)系原點(diǎn)之間的Z軸的偏置值，而不是銑刀刃端到工件坐標(biāo)系之間的Z軸偏置值。相對來說，X、Y兩個(gè)軸偏置值的測量和設(shè)置相對簡單一些，因?yàn)椴僮髡呖梢栽囍褭C(jī)床主軸的中心線與工件的邊緣對齊。Z坐標(biāo)偏置值設(shè)置則有一些不同之處，原因是數(shù)控銑床主軸上裝有刀具，因而不得不考慮刀具對Z軸偏置值的影響。刀具長度偏置成為解決這個(gè)問題的有效方法。

當(dāng)控制系統(tǒng)執(zhí)行程序中的指令使Z軸到達(dá)指定的水平位置時(shí)，控制系統(tǒng)要做的工作是將程序中的坐標(biāo)點(diǎn)的數(shù)值和刀具長度偏置值都加到Z軸的坐標(biāo)偏置值中。例如：

控制系統(tǒng)執(zhí)行的數(shù)控程序?yàn)椋篏01 Z-100.0；
Z坐標(biāo)偏置值為：-12.5；
刀具長度偏置值為：35.8；
則控制系統(tǒng)執(zhí)行該程序段時(shí)迅速進(jìn)行如下數(shù)學(xué)運(yùn)算：
機(jī)床Z位置=-100.0+（-12.5）+35.8=-76.7

然后主軸帶動(dòng)刀具移動(dòng)到該位置。

機(jī)床控制系統(tǒng)只執(zhí)行運(yùn)動(dòng)控制點(diǎn)的機(jī)床絕對位置也就是機(jī)床坐標(biāo)系的絕對坐標(biāo)值，而所有的其他數(shù)值的作用只是使數(shù)控編程和刀具設(shè)置變得簡單罷了。

當(dāng)運(yùn)行數(shù)控程序時(shí)，數(shù)控系統(tǒng)根據(jù)刀具長度偏置值使刀具自動(dòng)離開工件一個(gè)適當(dāng)?shù)木嚯x，來完成刀具長度偏置工作。

在加工過程中，為了控制切削深度或進(jìn)行試切加工，常常采用加大刀具長度偏置值的方法，以控制刀具的切削深度，而不需重新修改數(shù)控程序。 #p#分頁標(biāo)題#e#

6．刀具參數(shù)預(yù)設(shè)置

刀具預(yù)設(shè)置常常用來設(shè)置最新安裝的刀具參數(shù)包括長度偏置值、直徑值等。設(shè)置的方法有試切法、機(jī)床內(nèi)部對刀法、機(jī)床外部對刀法，下面介紹最常見的對刀儀測量法。

（1）對刀儀測量法

對刀儀測量法為機(jī)床外部對刀法，其目的是在數(shù)控機(jī)床外部預(yù)先設(shè)置刀具參數(shù)，而不需將數(shù)控機(jī)床停下來，手動(dòng)方式使刀具觸及到工件來進(jìn)行刀具參數(shù)設(shè)置。

對刀儀上有一個(gè)預(yù)先裝好的、與刀柄相配合的錐孔，對刀時(shí)先將刀具安裝到刀柄上，再將裝有刀具的刀柄插到對刀儀的配合錐孔中；然后使用一個(gè)無接觸光學(xué)系統(tǒng)來測量刀具，無接觸光學(xué)系統(tǒng)通常為一個(gè)剖面投影儀，它能通過較大的放大倍數(shù)允許操作者測量刀具參數(shù)。對刀儀上的光學(xué)放大鏡可以聚焦刀具的刃端，記錄聚焦后的刀具長度偏置值、刀尖圓角和直徑值等刀，如圖5所示刀具參數(shù)；最后將所有的刀具參數(shù)值手工輸入或通過系統(tǒng)傳輸?shù)綑C(jī)床控制系統(tǒng)偏置值寄存器中，這樣，精確的數(shù)控加工就可以開始了。

 

                       

圖5  對刀儀示意圖

（2）機(jī)外對刀儀的組成

●  刀柄定位機(jī)構(gòu)

對刀儀的刀柄定位機(jī)構(gòu)與標(biāo)準(zhǔn)刀柄相對應(yīng)，它是測量的基準(zhǔn)，所以要有很高的精度，并與加工中心的定位基準(zhǔn)要求一樣，以保證測量和使用的一致性。定位機(jī)構(gòu)包括回轉(zhuǎn)精度很高的主軸、使主軸回轉(zhuǎn)的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和使主軸與刀具之間拉緊的預(yù)緊機(jī)構(gòu)3部分。

●  測頭與測量機(jī)構(gòu)

測頭有接觸式和非接觸式兩種，接觸式測頭直接接觸刀具的主要測量點(diǎn)（最高點(diǎn)和最大外圓處）；非接觸式主要用光學(xué)的方法，把刀具投影到屏幕上進(jìn)行測量。測量機(jī)構(gòu)提供刀刃的切削點(diǎn)處的Z軸和X軸尺寸值，即刀具的軸向尺寸和徑向尺寸，測量的讀數(shù)有機(jī)械式（如游標(biāo)刻線尺）的，也有數(shù)顯和光學(xué)式的。

●  測量數(shù)據(jù)處理裝置

測量數(shù)據(jù)處理裝置的作用是將刀具的測量值自動(dòng)打印出來，或與上一級管理計(jì)算機(jī)聯(lián)網(wǎng)，進(jìn)行柔性加工，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)修正和補(bǔ)償。

同其他的如手動(dòng)使刀具接觸或試切工件邊緣的方法相比，采用對刀儀測量刀具參數(shù)的方法更加精確、快捷。通常，手工移動(dòng)主軸使刀具接觸或試切工件邊緣的方法受很多情況的限制，如實(shí)際刀具的精度、工件試切邊緣的精度以及操作者的測量手法等。另一方面，使用對刀儀測量刀具直徑偏置比單純輸入一個(gè)刀具直徑值更精確，操作者和編程員必須考慮到主軸的旋轉(zhuǎn)精度問題，因?yàn)閷?shí)際加工過程中刀具是隨主軸一同旋轉(zhuǎn)的。

精度較高的機(jī)外對刀儀所配置的系統(tǒng)具有更多的功能，使用更加方便。例如：刀具參數(shù)通過數(shù)據(jù)交換系統(tǒng)自動(dòng)傳輸?shù)綑C(jī)床控制系統(tǒng)中，直接成為操作者所需要的刀具參數(shù)，這樣，就不需要操作者將刀具參數(shù)手工輸入機(jī)床控制單元中，可以避免人為錯(cuò)誤的發(fā)生。

機(jī)外對刀儀主要用來測量刀具的長度、直徑、刀具形狀、角度。對于加工中心刀庫中存放的刀具其主要參數(shù)都要有準(zhǔn)確的值，這些參數(shù)值在編制加工程序時(shí)都要加以考慮。使用中因刀具損壞需要更換新刀具時(shí)，用機(jī)外對刀儀可以測出新刀具的主要參數(shù)值，以便掌握與原刀具的偏差，然后通過修改刀補(bǔ)值確保其正常加工。此外，用機(jī)外對刀儀還可測量刀具切削刃的角度和形狀等參數(shù)，有利于提高加工質(zhì)量。 #p#分頁標(biāo)題#e#

（3）刀具參數(shù)測量注意事項(xiàng)

●  使用對刀儀應(yīng)注意的問題

使用前要用標(biāo)準(zhǔn)芯軸進(jìn)行校準(zhǔn)。每臺對刀儀都隨機(jī)帶有一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的對刀芯軸，要妥善保護(hù)使其不銹蝕或受到外力作用而變形。每次使用前都要對軸向和徑向尺寸進(jìn)行校準(zhǔn)。

●  靜態(tài)刀具參數(shù)測量值的修正

靜態(tài)測量的刀具尺寸和實(shí)際加工出的尺寸之間有一差值。影響這一差值的因素很多，主要有：

    ·刀具和機(jī)床的精度和剛度。
    ·加工工件的材料和狀況。
    ·冷卻液和冷卻系統(tǒng)的狀態(tài)。
    ·使用對刀儀的技巧和熟練程度等。

由于以上原因，靜態(tài)測量的刀具尺寸應(yīng)大于加工后的實(shí)際尺寸，因此對刀時(shí)要考慮一個(gè)修正值，這要由操作者的經(jīng)驗(yàn)來預(yù)選，一般要偏大0.01～0.05mm。

●  工件坐標(biāo)系原點(diǎn)的修正

零件找正或夾具定位裝夾后，必須正確測定工件的編程原點(diǎn)在機(jī)床坐標(biāo)系中的坐標(biāo)值，然后輸入到偏置寄存器中。進(jìn)行試切削時(shí)，由于現(xiàn)場環(huán)境等因素的影響，如機(jī)床的重復(fù)定位精度。即便使用同一程序加工，實(shí)際加工尺寸也可能因?yàn)榧庸l件的變化而出現(xiàn)較大的偏移，這時(shí)可根據(jù)實(shí)測的結(jié)果進(jìn)行修正，直至滿足零件技術(shù)要求為止，最終使得刀具運(yùn)動(dòng)軌跡與數(shù)控編程軌跡完全重合，必要時(shí)為了提高工件的加工精度，也可以采用以上方法進(jìn)行刀具補(bǔ)償修正。