作者：李小平
出版社：电子工业出版社
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数控机床编程与操作试读：
内容简介
本书由7个项目构成。内容以加工中心、数控车床的编程与操作为核心，以FANUC数控系统为主，华中系统和SIEMENS系统为辅，主要包含了数控机床的基本知识、数控加工的工艺分析、数控铣床、加工中心的编程、数控车床编程、加工中心及数控车床的操作、北京VNUC数控仿真系统软件的应用等内容。将理论知识与数控编程及数控机床操作等融为一体，体现了以职业活动为主线，讲中学、学中练的鲜明职业教育特点。
教材内容具有理论联系实际、注重实践教学、实用性强等特点，重点突出、主次分明、循序渐进、图文并茂、实例丰富。在每一项目完成之后还精心挑选了一部分课后练习题，以便学生课后练习。
本书可作为高等职业学院机电类各专业的教材，也可供其它专科院校使用或技术人员参考。
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版权所有，侵权必究。
图书在版编目（CIP）数据
数控机床编程与操作／李小平，刘海兰主编．—北京：电子工业出版社，2013.7
ISBN 978-7-121-20828-7
Ⅰ. ①数… Ⅱ. ①李… ②刘… Ⅲ. ①数控机床－程序设计－高等学校－教材②数控机床－操作－高等学校－教材 Ⅳ. ①TG659
中国版本图书馆CIP数据核字（2013）第143194号
责任编辑：郭乃明 特约编辑：范 丽
印 刷：涿州市京南印刷厂
装 订：涿州市京南印刷厂
出版发行：电子工业出版社
北京市海淀区万寿路173信箱 邮编 100036
开 本：787×1 092 1/16 印张：14 字数：346千字
印 次：2013年7月第1次印刷
定 价：29.00元
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为适应我国现阶段高职教育改革的新形势，按照国家示范性高职院校核心课程建设的要求，根据常州信息职业技术学院教材建设标准，总结笔者多年从事数控机床编程与操作、数控实训的教学经验，结合教学常用的数控设备编写了这本体现任务驱动与项目训练模式的教材。
全书依据“以应用为目的，以必需、够用为度”的原则，从实际应用的需要出发，尽量减少枯燥的理论概念，在编写过程中，以任务为主线，对原有的知识进行合理地解构与重构，形成了全新的具有明显职业教育特色的内容体系。
书中选取的数控系统，以社会上普及率较高的FANUC数控系统为主，详细介绍了数控铣床及加工中心、数控车床的编程与操作以及北京VNUC4.0数控仿真系统软件的应用。重点突出、主次分明、深入浅出，为典型指令准备了富有针对性的实例。在编写过程中，“相关知识”力求精简；“任务实施”力求详细；“归纳总结”力求给出任务实施过程的关键。本书具有鲜明的理论联系实际、注重实践教学、实用性强等特点。
本书适合于高等职业教育机械类各专业教学使用，参考学时为60左右。在使用过程中，教师可根据实际教学时数及教学条件进行适当取舍。
本书由常州信息职业技术学院李小平、刘海兰担任主编。参加本书编写的有李小平（项目三、项目四及附录）、刘海兰（项目一、项目二）、常州信息职业技术学院罗彬宾（项目六、项目七）、常州信息职业技术学院姚建方（项目五）。此外，本书在编写过程中，得到了高飞、夏丽英、虞俊、汤云龙的大力支持和帮助，在此深表感谢。
全书由李小平统稿，宋书善主审。
在编写过程中，得到了常州信息职业技术学院机电工程学院领导的大力支持和帮助，在此一并表示衷心感谢。
由于编者水平有限，数控技术发展迅速，不妥和疏漏之处在所难免，欢迎读者不吝指正。编 者2013年3月项目一 数控机床与操作基础任务一 数控机床的基本知识
一、数控机床的产生与发展
1．数控机床的产生
1952年美国帕森斯公司和麻省理工学院伺服机构实验室合作研制成功世界上第一台三坐标数控立式铣床，用它来加工直升机叶片轮廓检查用样板。这是一台采用专用计算机进行运算与控制的直线插补轮廓控制数控机床，专用计算机采用电子管元件，逻辑运算控制采用硬件连接的电路。1955年，这类机床进入实用阶段，在复杂曲面的加工中发挥了重要作用，这就是第一代数控系统。之后随着自动控制技术、微电子技术、计算机技术、精密测量技术及机械制造技术的迅速发展，数控机床经历了晶体管，中、小规模集成电路，大规模集成电路以及微机时代。
2．数控机床的基本概念（1）数控技术
数控技术，简称数控（Numerical Control，NC）是利用数字化信息对机械运动及加工过程进行控制的一种方法。由于现代数控都采用了计算机进行控制，因此，也可以称为计算机数控（Computer Numerical Control，CNC）。（2）数控系统
为了对机械运动及加工过程进行数字化信息控制，必须具备相应的硬件和软件。用来实现数字化信息控制的硬件和软件的整体称为数控系统。（3）数控机床
采用数控技术进行控制的机床，称为数控机床。它是一种综合应用了计算机技术、自动化技术、精密测量技术和机床设计等先进技术的典型机电一体化产品，是现代制造技术的基础。机床控制也是数控技术应用最早、最广泛的领域，数控机床的水平代表了当前数控技术的性能、水平和发展方向。
3．数控机床的发展（1）高速化
提高生产率是机床技术追求的基本目标之一。数控机床高速化可充分发挥现代刀具材料的性能，不但可大幅度提高加工效率，降低加工成本，而且还可提高零件的表面加工质量和精度，对制造业实现高效率、高精度、低成本生产具有广泛的适用性。（2）高精度
随着现代科学的发展，新材料及新零件不断出现，对精密加工技术不断提出新的要求，提高加工精度，发展新型超精密加工机床，完善精密加工技术，以适应现代科技的发展，是现代数控机床的发展方向之一。（3）高柔性
柔性即适应性，采用柔性自动化设备或系统，是提高加工精度和效率，缩短生产周期，适应市场变化需求和提高竞争能力的有效手段。数控机床在提高单机柔性的同时，也朝着单元柔性化和系统柔性化发展。如出现可编程控制器控制的可调组合机床、数控多轴加工中心、换刀换箱式加工中心、数控三坐标动力单元等具有柔性的高效加工设备、柔性加工单元（FMC）、柔性制造系统（FMS）以及介于传统自动线与柔性制造系统之间的柔性制造线（FTL）。（4）高度智能化
随着人工智能在计算机领域的不断渗透与发展，为适应制造业生产柔性化、自动化发展需要，智能化正成为数控设备研究及发展的热点，它不仅贯穿在生产加工的全过程，还贯穿在产品的售后服务和维修中，目前采取的主要技术措施包括以下几个方面。
① 自适应控制技术。
② 专家系统技术。
③ 故障自诊断、自修复技术。
④ 智能化交流伺服技术。
⑤ 模式识别技术、应用图像识别和声控技术。
⑥ 网络化。
⑦ 开放式体系结构。
二、数控机床的工作原理及基本组成
1．数控机床的工作原理
用数控机床加工零件时，首先应将加工零件的几何信息和工艺信息编制成加工程序，由输入部分送入数控装置，经过数控装置的处理、运算，按各坐标轴的分量送到各轴的驱动电路，经过转换、放大去驱动伺服电动机，带动各轴运动，并进行反馈控制，使刀具与工件及其它辅助装置严格地按照加工程序规定的顺序、轨迹和参数有条不紊地工作，从而加工出零件。
2．数控机床的组成
数控机床主要由输入输出装置、数控装置、伺服系统、检测和反馈装置组成。（1）输入输出装置
数控机床工作时，不需人参与直接操作，但人又必须参与对操作的控制，所以人和数控机床之间必须建立某种联系，这种联系需通过输入输出装置来完成。（2）数控装置
数控装置又称为数控系统的“大脑”，它是数控机床的中枢，用来接受并处理输入介质的信息，并将代码加以识别、存储、运算，并输出相应的脉冲信号，把这些信号传给放大驱动伺服和系统。
数控装置由输入接口，运算器、内部存储器、输出接口组成。如图1-1所示。图1−1 数控装置的组成
数控装置中的译码、处理、计算公式和控制的步骤都是预先安排好的，这种安排可以用专用计算机的刚性结构来实现，也可用小型通用计算机或微型计算机的刚性结构来实现，目前主要采用专用的微型计算机来实现控制。用微型机构构成数控装置，其CPU实现控制和运算，内部存储器中只读存储器存放系统控制程序，读写存储器存放零件的加工程序和系统运行时的工作参数，I/O接口实现输入输出的功能。数控机床的功能强弱主要由数控装置的功能来决定，所以它是数控机床的核心部分。（3）伺服系统
伺服系统是数控装置与机床本体间的电传动联系环节，也是数控系统的执行部分。伺服系统包括驱动和执行机构两大部分，伺服系统把从数控装置输入的脉冲信号通过放大和驱动使机床运动部件运动或使执行机构完成相应动作。伺服系统可分为开环伺服系统、闭环伺服系统和半闭环伺服系统。
目前在数控机床的伺服系统中，常用的位移执行机构有功率步进电机、直流伺服电机和交流伺服电机，后两种都带有感应同步器、光电编码器等位置测量元件，所以伺服机构的性能决定了数控机床的精度与快速响应性。（4）检测和反馈装置
检测和反馈装置的作用是检测位移和速度，将反馈信号发送到数控装置。数控机床的加工精度主要是由检测反馈装置的精度决定的。检测反馈装置具体可分为增量式与绝对式、数字式与模拟式。常用的检测反馈装置元件有：旋转变压器、感应同步器、光电编码器、光栅、磁栅等。不同的数控机床，根据不同的工作环境和不同的检测要求，应采用不同的检测方式。
三、数控机床的分类
1．按工艺用途分类
数控机床按工艺用途可分为普通数控机床、加工中心、特种加工数控机床。（1）普通数控机床
普通数控机床是与传统的普通机床工艺可行性相似的各种数控机床的统称。如果从使用角度考虑并按机床加工特性，又可分为数控车床、数控铣床、数控刨床、数控磨床、数控钻床等。如进一步分析机床的结构等因素，还能进行更细的分类。例如，普通数控车床还可分为卧式、立式、卡盘式和顶尖式数控车床等。（2）加工中心
数控加工中心机床简称加工中心，是带有刀库和自动换刀装置，并具有多种工艺手段的数控机床，其中较为典型的是镗铣加工、车铣加工中心，如图1-2所示。图1-2 加工中心
加工中心设置有刀库和相应的换刀机构，其刀库中可存放几把至几百把不同类型的刀具或检测用工具，这些刀具或检测用具在加工过程中通过加工程序可自动进行选用及更换。图1-3所示为刀库结构图。加式中心的特点是：零件经一次装夹后，能图1-3 加工中心刀库结构自动进行多工序的连续加工，以省去较多的工装时间。其加工的典型零件以复杂、精密的箱体类及盘类零件居多。
加工中心可分为多种类别，除常见的立式、卧式外还有龙门加工中心、复合加工中心等。（3）特种数控加工机床
特种数控机床是配备特殊的数控装置并自动进行特种加工的机床，其特种加工的含义主要是指加工手段特殊，零件的加工部位特殊，加工的工艺性能要求特殊等。常见的特种数控机床有：数控线切割机床，数控激光加工机床、数控电脉冲加工机床等。
2．按运动方式分类（1）点位控制系统
点位控制数控机床的机械运动可实现点到点的准确定位控制，但对其点到点之间的运动轨迹不作严格要求，为减少移动部件的运动与定位时间，一般先快速移动到终点附近位置，然后以低速准确移动到终点定位位置，以保证良好的定位精度，定位运动的过程中刀具不进行切削，如图1-4所示。这类系统大都应用于数控坐标镗床、数控钻床、数控冲床等。（2）点位直线控制系统
点位直线控制系统是指数控系统不仅可控制刀具或工作台从一个点准确地移动到另一个点，而且保证在两点之间的运动轨迹是一条直线的控制系统。移动部件在移动过程中可进行切削，如图1-5所示。这类系统大都应用于数控车床、数控钻床和简易数控铣床等。（3）轮廓控制系统
轮廓控制系统也称为连续控制系统，是指数控系统能够对两个或两个以上的坐标轴同时进行严格连续控制的系统。它不仅能控制移动部件从一个点准确地移动到另一个点，而且还能控制整个加工过程每一点的速度与位移量，将零件加工成一定轮廓形状，如图1-6所示。应用这类控制系统的有数控铣床、数控车床、数控齿轮加工机床和加工中心等。图1−4 点位控制系统图1−5 直线控制系统图1−6 轮廓控制系统
3．按控制方式分类（1）开环控制系统
开环控制系统一般又称为步进电机驱动系统，它的主要特征是系统内没有位置检测反馈装置。这类伺服系统的控制原理如图1-7所示。开环伺服系统在工作中，不需要比较其指令位置与实际位置之间的误差，也不能进行误差补偿控制。这类系统的控制精度主要取决于系统的传动链及驱动电机本身，故控制精度不高，但因其结构简单、工作稳定、调试及维修方便，价格比较低廉。图1−7 开环控制系统（2）半闭环控制系统
半闭环控制系统是在开环控制系统的伺服机构中装有角度位移检测装置的控制系统，它可通过检测伺服机构的滚珠丝杠转角间接检测移动部件的位移，然后反馈到数控装置的比较器中，与输入的指令位移值进行比较，用比较后的差值进行控制，使移动部件补充位移，直至差值消除为止。由于半闭环控制系统未将移动部件的传动丝杠螺母机构包括在闭环中，所以丝杠螺母机构的误差仍然会影响移动部件的位移精度。图1-8所示为半闭环控制系统控制原理图。图1−8 半闭环控制系统（3）闭环控制系统
图1-9所示为闭环控制系统框图，闭环控制系统是在机床移动部件位置上直接装有直线位置检测装置的控制系统，它可将检测到的实际位移反馈到数控装置的比较器中，与输入的原指令位移值进行比较，用比较后的差值控制移动部件进行补充位移，直到差值消除才停止移动，以实现精确定位。闭环系统的精度很高，一般应用在高
精度数控机床上。由于系统增加了检测、比较与反馈装置，所以结构比较复杂，调试维修比较困难。图1−9 闭环控制系统任务二 加工中心的刀具、夹具系统
一、加工中心刀具的基本特点
为了适应数控机床加工精度高、加工效率高、加工工序集中及零件装夹次数少等特点，数控机床对所用的刀具有许多性能上的要求。与普通机床的刀具相比，加工中心用刀具及刀具系统具有以下特点：（1）刀片和刀柄高度通用化、规则化、系列化；（2）刀片和刀具几何参数和切削参数规范化、典型化；（3）刀片或刀具材料及切削参数须与被加工工件的材料相匹配；（4）刀片或刀具的耐用度高，加工刚性好；（5）刀片及刀柄的定位基准精度高，刀柄对机床主轴的相对位置要求也较高；（6）刀柄须有较高的强度、刚度和耐磨性，刀柄及刀具系统的重量不能超标；（7）刀柄的转位、拆装和重复定位精度要求高。
二、加工中心用刀具材料
1．常用刀具材料
常用的数控刀具材料有高速钢、硬质合金、涂层硬质合金、陶瓷、立方氮化硼、金刚石等。其中，高速钢、硬质合金和涂层硬质合金在数控铣削刀具中应用最广。
高速钢是指加了较多的钨、钼、铬、钒等合金元素的高合金工具钢，其常用的牌号有W18Cr4V、W14Cr4VCo5和W6Mo5Cr4V2等。高速钢铣刀具有较高的强度和韧性，主要用于复杂刀具和精加工刀具，但刀具耐热性差。该刀具材料的适用性较广，可用于各种金属的加工，由于其耐热性差，因此不适用于高速切削。
硬质合金分成钨钴（K）类、钨钛钴（P）类、钨钛钽钴（M）类等。常用刀具规格有YG3、YG6、YG8、YT5、YT15、YT30、YW1、YW2等。硬质合金具有高硬度、高耐磨性、高耐热性的特点，但其抗弯强度和冲击韧性较差，因此该材料适用于精加工或加工钢及韧性较大的塑性金属。
涂层硬质合金是在普通硬质合金的基体上通过“涂镀”新工艺而得到的，使得其耐磨、耐热和耐腐蚀性能得到大大提高。因此，其使用寿命比普通硬质合金至少可提高1～3倍。
陶瓷材料是含有金属氧化物或氮化物的无机非金属材料，该材料具有很高的硬度和耐磨性，很强的耐高温性和较低的摩擦系数。因此，陶瓷刀片是加工淬硬钢（达65HRC左右）及其它难加工材料的首选刀具。
立方氮化硼及金刚石材料具有极高的硬度和耐磨性，分别适用于精加工各种淬硬钢及高速精加工钛或铝合金工件，但不宜承受冲击和低速切削，也不宜加工软金属，且价格较高。
2．刀具材料性能比较
以上各刀具材料的硬度和韧性对比如图1−10所示。图1-10 不同刀具材料的硬度与韧性对刀
三、加工中心用刀具的种类
加工中心的刀具种类很多，根据刀具的加工用途，其刀具可分为轮廓类加工刀具和孔类加工刀具等几种类型。
1．轮廓类加工刀具
轮廓类加工刀具主要有面铣刀、立铣刀、键槽铣刀、模具铣刀和成形铣刀等。（1）面铣刀图1−11 面铣刀
面铣刀（图1−11）的圆周表面和端面上都有切削刃，端部切削刃为副切削刃。面铣刀多制成套式镶齿结构，刀齿为高速钢或硬质合金，刀体为40Cr。
刀片和刀齿与刀体的安装方式有整体焊接式、机夹−焊接式和可转位式三种，其中可转位式是当前最常用的一种夹紧方式。采用可转位夹紧方式时，当刀片的一个切削刃用钝后，可直接在机床上将刀片转位或更换新刀片，从而提高了加工效率和产品质量。
根据盘铣刀刀具型号的不同，面铣刀直径可取d = 40～400mm，螺旋角β =10°，刀齿数取Z = 4～20。（2）立铣刀
立铣刀（图1−12）是数控机床上用得最多的一种铣刀。立铣刀的圆柱表面和端面上都有切削刃，圆柱表面的切削刃为主切削刃，端面上的切削刃为副切削刃，它们可同时进行切削，也可单独进行切削。主切削刃一般为螺旋齿，这样可以增加切削平稳性，提高加工精度。端面刃主要用来加工与侧面相垂直的底平面。图1−12 立铣刀
标准立铣刀的螺旋角β 为40°～45°（粗齿）和30°～35°（细齿），套式结构立铣刀的β 为15°～25°；
粗齿立铣刀齿数Z =3～4，细齿立铣刀齿数Z =5～8，套式结构Z =10～20；容屑槽圆弧半径r =2～5mm。当立铣刀直径较大时，还可制成不等齿距结构，以增强抗振性能，使切削过程平稳。
立铣刀的刀柄有直柄和锥柄之分。直径较小的立铣刀一般做成直柄形式。对于直径较大的立铣刀，一般做成7:24的锥柄形式。还有一些大直径（φ25～80mm）的立铣刀，除采用锥柄形式外，还采用内螺孔来拉紧刀具。（3）键槽铣刀
键槽铣刀（图1−13）圆柱面和端面都有切削刃，端面刃延伸至中心，既像立铣刀，又像钻头。加工时先轴向进给达到槽深，然后沿键槽方向铣出键槽全长。
按国家标准规定，直柄键槽铣刀直径d =2～22mm，锥柄键槽铣刀直径d =14～50mm。键槽铣刀直径的精度要求较高，其偏差有e8和d8两种。键槽铣刀重磨时，只需刃磨端面切削刃，因此重磨后铣刀直径不变。（4）模具铣刀
模具铣刀由立铣刀发展而成，可分为圆锥形立铣刀（圆锥半角α /2=3°、5°、7°、10°）、圆柱形球头立铣刀和圆锥形球头立铣刀三种，其柄部有直柄、削平型直柄和莫氏锥柄。模具铣刀中，圆柱形球头立铣刀（图1−14）在数控机床上应用较为广泛。图1−13 键槽铣刀图1−14 球头铣刀（5）成形铣刀和鼓形铣刀
鼓形铣刀的切削刃分布在半径为R的圆弧面上，端面无切削刃。该刀具主要用于斜角平面和变斜角平面的加工。这种刀具的缺点是刃磨困难，切削条件差，而且不适于加工有底的轮廓表面。
成形铣刀是为特定的工件或加工内容专门设计制造的，如角度面、凹槽、特形孔或台等。
2．孔类加工刀具
孔类加工刀具主要有钻头、铰刀、镗刀等。（1）钻头
加工中心常用的钻头（图1−15）有中心钻、标准麻花钻、扩孔钻、深孔钻和锪孔钻等。麻花钻由工作部分和柄部组成。工作部分包括切削部分和导向部分，而柄部有莫氏锥柄和圆柱柄两种。刀具材料常使用高速钢和硬质合金。图1−15 加工中心用钻头
中心钻（图1−15a）主要用于孔的定位，由于切削部分的直径较小，所以中心钻钻孔时，应选取较高的转速。
标准麻花钻（图1−15b）的切削部分有两个主切削刃、两个副切削刃、一个横刃和两个螺旋槽组成。在加工中心上钻孔，因无夹具钻模导向，受两切削刃上切削力不对称的影响，容易引起钻孔偏斜，故要求钻头的两切削刃必须有较高的刃磨精度（两刃长度一致，顶角2Φ对称于钻头中心线或先用中心钻定中心，再用钻头钻孔）。
标准扩孔钻（图1−15c）一般有3～4条主切削刃、切削部分的材料为高速钢或硬质合金，结构形式有直柄式、锥柄式和套式等。在小批量生产时，常用麻花钻改制。
所谓深孔，是指孔深与孔直径之比大于5而小于100的孔。加工深孔时散热差，排屑困难，钻杆刚性差，易使刀具损坏和引起孔的轴线偏斜，从而影响加工精度和生产率。故应选用深孔刀具加工。
锪钻主要用于加工锥形沉孔或平底沉孔。锪孔加工的主要问题是所锪端面或锥面产生振痕。因此，在锪孔过程中要特别注意刀具参数和切削用量的正确选用。（2）铰刀
加工中心大多采用通用标准铰刀进行铰孔。此外，还使用机夹硬质合金刀片单刃铰刀和浮动铰刀等。铰孔的加工精度可达IT6～IT9级、表面粗糙度Ra可达0.8～1.6μm。
标准铰刀（图1−16）有4～12齿，由工作部分、颈部和柄部三部分组成。铰刀工作部分包括切削部分与校准部分。切削部分为锥形，担负主要切削工作。切削部分的主偏角为5°～15°，前角一般为0°，后角一般为5°～8°。校准部分的作用是校正孔径、修光孔壁和导向。校准部分包括圆柱部分和倒锥部分。圆柱部分保证铰刀直径和便于测量，倒锥部分可减少铰刀与孔壁的摩擦和减小孔径扩大量。整体式铰刀的柄部有直柄和锥柄之分，直径较小的铰刀一般做成直柄形式，而大直径铰刀则常做成锥柄形式。（3）镗孔刀具
镗孔所用刀具为镗刀。镗刀种类很多，按加工精度可分为粗镗刀和精镗刀。此外，镗刀按切削刃数量可分为单刃镗刀和双刃镗刀。
① 粗镗刀：粗镗刀（图1−17）结构简单，用螺钉将镗刀刀头装夹在镗杆上。刀杆顶部和侧部有两只锁紧螺钉，分别起调整尺寸和锁紧作用。镗孔时，所镗孔径的大小要靠调整刀具的悬伸长度来保证，调整麻烦，效率低，大多用于单件小批生产。图1−16 机用铰刀图1−17 单刀粗镗刀
② 精镗刀：精镗刀目前较多地选用可调精镗刀（图1−18）。这种镗刀的径向尺寸可以在一定范围内进行调节，调节方便且精度高。调整尺寸时，先松开锁紧螺钉，然后转动带刻度盘的调整螺母，等调至所需尺寸，再拧紧锁紧螺钉。
单刃镗刀刚性差，切削时易引起振动，所以镗刀的主偏角选得较大，以减小径向力。镗铸铁孔或精镗时，一般取主偏角k=90°；粗镗r钢件孔时，取k=60°～75°，以提高刀具的寿命。r
③ 双刃镗刀：双刃镗刀（图1−19）的两端有一对对称的切削刃同时参加切削，与单刃镗刀相比，每转进给量可提高一倍左右，生产效率高。同时，可以消除切削力对镗杆的影响。图1−18 可调精镗刀图1−19 双刃镗刀（4）镗孔刀刀头
镗刀刀头有粗镗刀刀头（图1−20）和精镗刀刀头（图1−21）之分，粗镗刀刀头与普通焊接车刀相类似；精镗刀刀头上带刻度盘，每格刻线表示刀头的调整距离为0.01mm（半径值）。图1−20 粗镗刀刀头图1−21 精镗刀刀头
四、加工中心用刀柄系统
数控铣床、加工中心用刀柄系统由三部分组成，即刀柄、拉钉和夹头（或中间模块）。
1．刀柄
切削刀具通过刀柄与数控铣床主轴连接，其强度、刚性、耐磨性、制造精度以及夹紧力等对加工有直接的影响。数控铣床刀柄一般采用7:24锥面与主轴锥孔配合定位，刀柄及其尾部供主轴内拉紧机构用的拉钉已实现标准化，其使用的标准有国际标准（ISO）和中国、美国、德国、日本等各国国家标准。因此，数控铣床刀柄系统应根据所选用的数控铣床要求进行配备。
加工中心刀柄可分为整体式与模块式两类。根据刀柄柄部形式及所采用国家标准而不同，我国使用的刀柄常分成BT（日本MAS403−75标准）、JT（GB／T10944-1989与IS07388-1983标准，带机械手夹持槽）、ST（ISO或GB，不带机械手夹持槽）和CAT（美国ANSI标准）等几种系列，这几种系列的刀柄除局部槽的形状不同外，其余结构基本相同。根据锥柄大端直径的不同，与其相对应的刀柄又分成40、45、50（个别的还有30和35）等几种不同的锥度号，如BT/JT/ST50和BT/JT/ST40分别代表锥柄大端直径为69.85mm和44.45mm的7:24锥柄。加工中心常用刀柄的类型及其使用场合见表1−1。表1−1 加工中心常用刀柄的类型及其使用场合续表
2．拉钉
加工中心拉钉（图1−22）的尺寸也已标准化，ISO或GB规定了A型和B型两种形式的拉钉，其中A型拉钉用于不带钢球的拉紧装置，而B型拉钉用于带钢球的拉紧装置。刀柄及拉钉的具体尺寸可查阅有关标准的规定。
3．弹簧夹头及中间模块
弹簧夹头有两种，即ER弹簧夹头（图1−23a）和KM弹簧夹头（图1−23b）。其中ER弹簧夹头的夹紧力较小，适用于切削力较小的场合；KM弹簧夹头的夹紧力较大，适用于强力铣削。图1−22 拉钉图1−23 弹簧夹头
中间模块（图1−24）是刀柄和刀具之间的中间连接装置，通过中间模块的使用，提高了刀柄的通用性能。例如，镗刀、丝锥与刀柄的连接就经常使用中间模块。图1−24 中间模块
五、加工中心对刀及对刀装置简介
1．对刀的定义
在加工中心上加工零件，由于工件在机床上的安装位置是任意的，要正确执行加工程序，必须确定工件在机床坐标系中的确切位置。加工中心的对刀就是指用于找出工件坐标系与机床坐标系空间关系的操作过程。简单地说，对刀就是告诉机床工件装在机床工作台的什么地方。
为了保证工件的加工精度要求，对刀位置应尽量选在零件的设计基准或工艺基准上。如以零件上孔的中心点或两条相互垂直的轮廓边的交点作为对刀位置，但对这些对刀位置应提出相应的精度要求，并在对刀以前准备好。
2．对刀器和对刀仪
对刀器（或找正器）是用于测定刀具与工件的相对位置仪器。常用的对刀器具有：对刀量块（芯棒），电子式对刀器（图1−25b，电子式寻边器），机械式找正器（图1−25a，机械偏心式寻边器；图1−25c，机械式Z向对刀器）等。图1−25 加工中心常用对刀仪器
对刀仪分机外对刀仪（图1−25）和机内对刀仪两种。采用机外对刀仪对刀将不占用机床的时间，从而可提高数控车床的利用率，但这种对刀方法必须连同刀具与刀夹一起进行。
六、夹具系统
机床夹具是指安装在机床上，用以装夹工件或引导刀具，使工件和刀具具有正确的相互位置关系的装置。
1．数控机床夹具的组成
数控机床夹具（图1−26）按其作用和功能通常可由定位元件、夹紧装置、安装连接元件和夹具体等几个部分组成。定位元件是夹具的主要定位装置之一，其定位精度将直接影响工件的加工精度。常用的定位元件有V形块、定位销、定位块等。夹紧装置的作用是保持工件在夹具中的原定图1−26 数控铣床夹具位置，使工件不致因加工时受外力而改变原定位置。
连接元件用于确定夹具在机床上的位置，从而保证工件与机床之间的正确加工位置。夹具体是夹具的基础件，用于连接夹具上各个元件或装置，使之成为一个整体，以保证工件的精度和刚度。
2．数控机床夹具的基本要求（1）精度和刚度要求
数控机床具有多型面连续加工的特点，所以对数控机床夹具的精度和刚度要求也同样比一般机床要高，这样可以减少工件在夹具上的定位和夹紧误差以及粗加工的变形误差。（2）定位要求
工件相对夹具一般应完全定位，且工件的基准相对于机床坐标系原点应具有严格的确定位置，以满足刀具相对于工件正确运动的要求。同时，夹具在机床上也应完全定位，夹具上的每个定位面相对于数控机床的坐标系原点均应有精确的坐标尺寸，以满足数控机床简化定位和安装的要求。（3）敞开性要求
数控机床加工为刀具自动进给加工。夹具及工件应为刀具的快速移动和换刀等快速动作提供较宽敞的运行空间。尤其对于需多次进出工件的多刀、多工序加工，夹具的结构更应尽量简单、开敞，使刀具容易进入，以防刀具运动中与夹具工件系统相碰撞。此外，夹具的敞开性还有利于排屑通畅，清除切屑方便。（4）快速装夹要求
为适应高效、自动化加工的需要，夹具结构应适应快速装夹的需要，以尽量减少工件装夹辅助时间，提高机床切削运转利用率。
3．机床夹具的分类
机床夹具的种类很多，按其通用化程度可分为以下几类：（1）通用夹具
数控车床和卡盘、顶尖和数控铣床上的平口钳、分度头等均属于通用夹具。这类夹具已实现了标准化。其特点是通用性强、结构简单，装夹工件时无须调整或稍加调整即可，主要用于单件小批量生产。（2）专用夹具
专用夹具是专为某个零件的某道工序设计的。其特点是结构紧凑，操作迅速方便。但这类夹具的设计和制造的工作量大、周期长、投资大，只有在大批量生产中才能充分发挥其经济效益。专用夹具有结构可调式和结构不可调式两种类型。（3）成组夹具
成组夹具是随着成组加工技术的发展而产生的。它是根据成组加工工艺，把工件按形状尺寸和工艺的共性分组，针对每组相近工件而专门设计的。其特点是使用对象明确、结构紧凑和调整方便。（4）组合夹具
组合夹具是由一套预先制造好的标准元件组装而成的专用夹具。它具有专用夹具的优点，用完后可拆卸存放，从而缩短了生产准备周期，减少了加工成本。因此，组合夹具既适用于单件及中、小批量生产，又适用于大批量生产。
七、单件、小批量工件的装夹与校正（实操部分）
单件、小批量工件通常采用通用夹具进行装夹。
1．平口钳和压板及其装夹与校正（1）平口钳与压板
平口钳具有较大的通用性和经济性，适用于尺寸较小的方形工件的装夹。常用精密平口钳如图1−27所示，常采用机械螺旋式、气动式或液压式夹紧方式。图1−27 平口钳
对于大型工件，无法采用平口钳或其它夹具装夹时，可直接采用压板（图1−28）进行装夹。加工中心压板通常采用T形螺母与螺栓的夹紧方式。（2）装夹与校正
采用压板装夹工件时，应使垫铁的高度略高于工件，以保证夹紧效果；压板螺栓应尽量靠近工件，以增大压紧力；压紧力要适中，或在压板与工件表面安装软材料垫片，以防工件变形或工件表面受到损伤；工件不能在工图1−28 压板、垫铁与T形螺母作台面上拖动，以免工作台面划伤。
工件在使用平口钳或压板装夹过程中，应对工件进行找正，找正方法如图1−29所示。找正时，将百分表用磁性表座固定（图1−30）在主轴上，百分表触头接触工件，通过前后或左右移动主轴，调整工件上下平面与工作台面的平行度。同样在侧平面内移动主轴，找正工件侧面与轴进给方向的平行度。如果不平行，则可用铜棒轻敲工件或垫塞尺的办法进行纠正，然后再重新进行找正。图1−29 压板装夹与找正
采用平口钳装夹工件时，首先要根据工件的切削高度在平口钳内垫上合适的高精度平行垫铁，以保证工件在切削过程中不会受力产生移动；其次要对平口钳钳口进行找正，以保证平口钳的钳口方向与主轴刀具的进给方向平行或垂直。
平口钳钳口的找正方法类似于工件装夹后的找正方法，首先将百分表用磁性表座固定在主轴上，百分表触头接触钳口，沿平行于钳口方向移动主轴（图1−31），根据百分表读数用铜棒轻敲平口钳进行调整，以保证钳口与主轴移动方向平行或垂直。
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