第一篇：《数控加工工艺及设备》教案2
《数控加工工艺及设备》教案
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第二章
数控机床机械结构
第一节 数控机床机械结构特点
一、数控机床机械结构的组成
主要由以下几部分组成：
1．机床基础部件，如床身、立柱、工作台等； 2．主传动系统； 3．进给传动系统；
4．实现某些动作和辅助功能的系统和装置，如液压、气动、润滑、冷却等系统及排屑、防护装置和刀架、自动换刀装置；
5．工件实现回转、定位的装置及附件，如数控回转工作台； 6．特殊功能装置，如监控装置、加工过程图形显示、精度检测等。掌握这些结构对于正确合理使用数控机床是非常必要的。
二、数控机床的结构特点
为了保证高精度、高效率的加工，数控机床的结构应具有以下特点： 1．高刚度和高抗振性 2．高灵敏度 3．热变形小 4．高精度保持性 5．高可靠性
6．工艺复合化和功能集成化
第二节 数控机床的主传动系统一、数控机床的主传动系统特点
1．主轴转速高、调速范围宽并实现无级调速 2．主轴部件具有较大的刚度和较高的精度 3．良好的抗振性和热稳定性
4．为实现刀具的快速或自动装卸，数控机床主轴具有特有的刀具安装结构
二、数控机床主轴的传动方式
（一）齿轮传动方式（图2-1a）
（二）带传动方式（图2-1b）
同步齿形带传动具有如下优点：
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1．传动效率高，可达98％以上。2．无滑动，传动比准确。3．传动平稳，噪声小。
4．使用范围较广，速度可达50m/s，速比可达10左右，传递功率由几瓦至数千瓦。
5．维修保养方便，不需要润滑。
6．安装时中心距要求严格，带与带轮制造工艺较复杂，成本高。
（三）调速电动机直接驱动主轴传动方式（图2-1c）
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三、主轴组件
主轴、主轴支承、装在主轴上的传动件和密封件等组成了主轴组件。
（一）数控机床的主轴支承
主轴轴承是主轴组件的重要组成部分，它的类型、结构、配置、精度直接影响主轴组件的工作性能。
1．主轴轴承类型
数控机床主轴经常采用滚动轴承和滑动轴承两类轴承。（1）滚动轴承（2）滑动轴承 2．主轴轴承的配置
典型的主轴轴承的结构配置形式有下面三种：
（l）图2-6a结构配置形式是现代数控机床主轴结构中刚性最好的一种。它使主轴的综合刚度得到大幅度提高，可以满足强力切削的要求，所以目前各类数控机床的主轴普遍采用这种配置形式。
（2）前支承采用3个超精密级角接触球轴承组合方式，具有较好的高速性能。后支承结构有采用2个角接触球轴承支承的，如图2-6b，也有用一个圆柱滚子轴承支承的。
（3）圆锥滚子轴承，图2-6c。这种轴承径向和轴向刚度高，能承受重载荷，尤其能承受较大的动载荷，安装与调整性能好，但是这种轴承配置方式限制了主轴的最高转速和精度，所以仅适用于中等精度、低速与重载的数控机床主轴。
3．主轴轴承的装配
采用选配定向法进行装配，可提高主轴组件的精度。装配时尽可能使主轴定位内孔与主轴轴颈的偏心量和轴承内圈与滚道的偏心量接近，并使其方向相反，这样可使装配后的偏心量减小。
4．滚动轴承的间隙与预紧
将滚动轴承进行适当预紧，使滚动体与内外圈滚道在接触处产生预变形，使受载后承载的滚动体数量增多，受力趋向均匀，从而提高承载能力和刚度，有利于减少主轴回转轴线的漂移，提高旋转精度。若过盈量太大，轴承磨损加剧，承载能力将显著下降。轴承所需的预紧量与轴承精度、类型和工作条件等因素有关。
（二）主轴准停功能
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机床的切削扭矩由主轴上的端面键来传递，每次机械手自动装取刀具时，必须保征刀柄上的键槽对准主轴的端面键，这就要求主轴具有准确定位的功能。为满足主轴这一功能而设计的装置称为主轴准停装置或称主轴定向装置。主轴准停装置是加工中心换刀过程中所要求的特别装置，为了将主轴准确地停在某一固定位置上，以便在该处进行换刀等动作，这就要求主轴定向控制。
（三）主轴上刀具自动夹紧和切屑清除
加工中心为了实现刀具在主轴内的自动装卸，其主轴必须设计有刀具的自动夹紧机构。刀杆采用7：24的锥柄，这种锥柄既有利于定心，也为松夹带来了方便。
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第三节 数控机床主传动系统应用
一、SSCK20/500数控车床主传动系统及主轴箱结构
（一）主传动系统
SSCK20/500数控车床的主传动系统由功率为11kw的AC伺服电动机驱动，经l：1的带传动带动主轴旋转，使主轴在 24~2400r/min的转速范围内实现无级调速，主轴箱内省去了齿轮传动变速机构，提高了主轴精度，减少齿轮传动躁声的影响，结构简单，维修方便。改变电机旋转方向，可以得到相应的主轴正、反转，主轴停车是由电机制动来实现。螺纹切削和主轴每转进给量是通过主轴脉冲编码器来实现。
（二）主轴箱结构
交流主轴电动机通过带轮把运动传给主轴。主轴有前后两个支承，前支承采用预加负荷的超精密级角接触球轴承组成，三个一组，其中两个轴承用来承受向后的推力，另一个用于承受向前推力。主轴的后支承采用圆柱滚子轴承，用来承受较大的径向载荷。前支承轴承的间隙用螺母来调整。主轴的支承形式为前端定位，主轴受热膨胀向后伸长。前后支承所用轴承的支承刚性好，前支承中的角接触球轴承能承受较大的轴向载荷，且允许的极限转速高。主轴所采用的支承结构适宜高速重载的需要。
二、JCS－018A加工中心主传动系统及主轴箱结构
（一）主运动传动系统
主轴电动机采用的是FANUC AC电动机。主轴电动机在45~4500r／min转速范围通过一对1：2同步带轮将运动传给主轴，使主轴在22.5~2250r／min转速范围内可以实现无级调速。
（二）主轴箱结构 1．主轴结构
主轴的前支承4配置了三个高精度的角接触球轴承，用以承受径向载荷和轴向载荷。前两个轴承大口朝下，后面一个轴承大口朝上。前支承按预加载荷计算的预紧量由螺母5来调整。后支承6为一对小口相对应的角接触球轴承，它们只
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承受径向载荷，因此轴承外圈不需要定位。该主轴选择的轴承座和配置形式，能满足主轴高转速和承受较大轴向载荷的要求，主轴受热变形向后伸长，不影响加工精度。
2．刀具的自动夹紧机构
它主要由拉杆
7、拉杆端部的四个钢球
3、碟形弹簧
8、活塞
10、液压缸11等组成。机床执行换刀指令，机械手要从主轴拔刀时，主轴需松开刀具。这时液压缸上腔通压力油，活塞推动拉杆向下移动，使碟形弹簧压缩，钢球进入主轴锥孔上端的槽内，刀柄尾部的拉钉（拉紧刀具用）2被松开，机械手即拔刀。之后，压缩空气进入活塞和拉杆的中孔，吹净主轴锥孔，为装入新刀具做好准备。当机械手把下一把刀具插入主轴后，液压缸上腔无油压，在碟形弹簧和弹簧9的恢复力作用下，使拉杆、钢球和活塞退回到图示的位置，即碟形弹簧通过拉杆和钢球拉紧刀柄尾部的拉钉，使刀具被夹紧。
3．主轴准停装置
JCS－018A加工中心采用的是主轴电气式准停装置，即用磁力传感器检测定向。在主轴上安装一个发磁体，使之与主轴一起旋转，在距离发磁体外1~2mm处固定一个磁传感器。磁传感器经过放大器与主轴控制单元连接，当主轴需要定向准停时，便控制主轴停止在预定的位置。
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第四节 数控机床进给传动系统一、数控机床对进给传动系统的要求
对进给系统中的传动装置和元件要求具有高的寿命，高的刚度，无传动间隙，高的灵敏度和低摩擦阻力的特点，如导轨必须摩擦力较小，耐磨性要高，通常采用滚动导轨、静压导轨等。为了提高转换效率，保证运动精度，当旋转运动被转化为直线运动时，广泛应用滚珠丝杠螺母副。为了提高位移精度，减少传动误差，对采用的各种机械部件首先保证它们的加工精度，其次采用合理的预紧来消除轴向传动间隙，因此在进给传动系统中采用各种措施消除间隙，但仍然可能留有微量间隙。此外由于受力而产生弹性变形，也会有间隙，所以在进给系统反向运动时仍然由数控装置发出脉冲指令进行自动补偿。
数控机床进给传动系统的机电部件主要有伺服电动机及检测元件、联轴节、减速机构（齿轮副和带轮）、滚珠丝杠螺母副（或齿轮齿条副）、丝杠轴承、运动部件（工作台、导轨、主轴箱、滑座、横梁和立柱）等。
二、导轨
导轨是用来支撑和引导运动部件沿着直线或圆周方向准确运动的。与支承件连成一体固定不动的导轨称为支承导轨，与运动部件连成一体的导轨称为动导轨。
（一）导轨的类型和要求 1．导轨的类型
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按运动部件的运动轨迹，导轨可分为直线运动导轨和圆周运动导轨。按导轨接合面的摩擦性，导轨可分为滑动导轨、滚动导轨和静压导轨。滑动导轨又可分为普通滑动导轨和塑料滑动导轨。而静压导轨根据介质的不同又可分为液压导轨和气压导轨。
2．导轨的要求（1）高的导向精度
导向精度保证部件运动轨迹的准确性。导向精度受导轨的结构形状、组合方式、制造精度和导轨间隙调整等因素的影响。
（2）良好的耐磨性
耐磨性好可使导轨的导向精度得以长久保持。耐磨性一般受导轨副的材料、硬度、润滑和载荷的影响。
（3）足够的刚度
在载荷作用下，导轨的刚度高则保持形状不变的能力好。刚度受导轨结构和尺寸的影响。
（4）具有低速运动的平稳性
运动部件在导轨上低速移动时，不应发生“爬行”的现象。造成“爬行”的主要因素有摩擦的性质、润滑条件和传动系统的刚度等。
（二）滑动导轨 1．滑动导轨的结构
滑动导轨的常见截面形状有矩形、三角形、燕尾槽形和圆柱形。
矩形导轨（图2-12a）承载能力大，制造简单，水平方向和垂直方向上的位置精度互不相关。侧面间隙不能自动补偿，必须设置间隙调整机构。三角形导轨（图2-12b）的三角形截面有两个导向面，同时控制垂直方向和水平方向的导向精度。这种导轨在载荷的作用下能自行补偿而消除间隙，导向精度较其他导轨高。燕尾槽导轨（图2-12c）的高度值最小，能承受颠覆力矩，摩擦阻力也较大。圆柱形导轨（图2-12d）制造容易，磨损后调整间隙较困难。以上截面形状的导轨有凸形（图2-12上图）和凹形（图2-12下图）两类。凹形导轨容易存油，但也容易积存切屑和尘粒，因此适用于防护良好的环境。凸形导轨需要良好的润滑条件。
直线运动导轨一般由两条导轨组成，不同的组合形式可满足各类机床的工作要求。数控机床上滑动导轨的形状主要为三角形一矩形式和矩形一矩形式，只有少部分结构采用燕尾式。
2．滑动导轨的材料
导轨材料主要有铸铁、钢、塑料以及有色金属。目前常采用一种导轨材料为金属和塑料的滑动导轨，称为塑料导轨（贴塑导轨），它具有刚度好，动、静摩擦系数差值小，在油润滑状态下其摩擦系数约为0.06，耐磨性好，使用寿命为普通铸铁导轨的8~10倍，无爬行，减振性好。其形式主要有塑料导轨板和塑料导轨软带两种。软带是以聚四氟乙烯为基材，添加青铜粉、二硫化铝和石墨的高分子复合材料。软带应粘贴在机床导轨副的短导轨面上，如图2-13所示，圆形导
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轨应粘贴在下导轨面上。塑料导轨软带有各种厚度规格，长与宽由用户自行裁剪，粘贴方法比较固定。由于塑料导轨软带较软，容易被硬物刮伤，因此应用时要有良好的密封防护措施。塑料导轨在机床上的应用形式如图2-14所示。
（三）滚动导轨
滚动导轨是在导轨工作面之间安排滚动件，使两导轨面之间形成滚动摩擦，滚动导轨的摩擦系数小，而且动、静摩擦系数相近，磨损小，润滑容易。因此它低速运动平稳性好，移动精度和定位精度高。但滚动导轨的抗振性比滑动导轨差，结构复杂，对脏物也较为敏感，需要良好的防护。数控机床常用的滚动导轨有直线滚动导轨和滚动导轨块两种。
1．直线滚动导轨
直线滚动导轨又称单元直线滚动导轨，它主要由导轨体、滑块、滚珠、保持架、端盖等组成。导轨体固定在不动部件上，滑块固定在运动部件上。当滑块沿导轨体移动时，滚珠在导轨体和滑块之间的圆弧直槽内滚动，并通过端盖内的滚道从工作负荷区运动到非工作负荷区，然后再滚动回到工作负荷区。这样不断循环，把滚动体和滑块之间的移动变成滚珠的滚动。用密封垫来防止灰尘和脏物进入导轨滚道。
2．滚动导轨块
滚动导轨块用滚动体进行循环运动，滚动体为滚珠或滚柱，承载能力和刚度都比直线滚动导轨高，但摩擦系数略大。它多用于中等载荷的导轨，使用时有专业生产厂家提供各种规格、形式供用户选择。
（四）液体静压导轨
静压导轨通常在两个相对运动的导轨面间通入压力油，使运动件浮起。在工作过程中，导轨面上油腔中的油压能随外加负载的变化自动调节，保证导轨面间始终处于纯液体摩擦状态。所以静压导轨的摩擦系数极小（约为0.0005），功率消耗少。这种导轨不会磨损，因而导轨的精度保持性好，寿命长。它的油膜厚度几乎不受速度的影响，油膜承载能力大、刚性高、吸振性良好。这种导轨的运行很平稳，既无爬行也不会产生振动。但静压导轨结构复杂，并需要有一套过滤效果良好的液压装置，制造成本较高。目前静压导轨一般应用在大型、重型数控机床上。
静压导轨按导轨的形式可分为开式和闭式两种，数控机床上常采用闭式静压导轨。静压导轨按供油方式又可分为恒压（即定压）供油和恒流（即定量）供油两种。
（五）导轨的润滑与防护
导轨润滑的目的是减少摩擦阻力和摩擦磨损，避免低速爬行，降低高速时的温升。常用的润滑剂有润滑油和润滑脂，前者用于滑动导轨，而滚动导轨两者均可采用。数控机床上滑动导轨的润滑主要采用压力润滑。一般常用压力循环润滑和定时定量润滑两种方式。如直线滚动导轨滑块上配有润滑油注油杯，只要定期将锂基润滑脂放入润滑油注油杯即可实现润滑。
导轨面上应有可靠的防护装置。常用的防护装置有刮板式、卷帘式和伸缩式
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等，数控机床上大多采用伸缩式防护罩。这些装置结构简单，由专门厂家制造。
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三、滚珠丝杠螺母副
滚珠丝杠螺母副是回转运动与直线运动相互转换的新型理想传动装置。
（一）滚珠丝杠螺母副的特点
其工作原理是：在丝杠和螺母上加工有弧形螺旋槽，当把它们套装在一起时形成螺旋通道，并且滚道内填满滚珠。当丝杠相对于螺母旋转时，两者发生轴向位移，而滚珠则可沿着滚道流动，按照滚珠返回的方式不同可以分为内循环式和外循环式二种。内循环式带有反向器，如图2-17a，返回的滚珠经过反向器和丝杠外圆返回。外循环式如图2-17b所示，其螺母旋转槽的两端由回珠管连接起来，返回的滚珠不与丝杠外圆相接触，滚珠可以作周而复始的循环运动，在管道的两端还能起到挡珠的作用，用以避免滚珠沿滚道滑出。
钢珠每一个循环闭路称为列。每个滚珠循环闭路内所含导程数称为圈数。内循环滚珠丝杠副的每个螺母有2列、3列、4列、5列等几种，每列只有一圈。外循环每列有1.5圈，2.5圈，3.5圈等几种，剩下的半圈作回珠。外循环滚珠丝杠螺母副的每个螺母有1列2.5圈，1列3.5圈，2列1.5圈，2列2.5圈等，种类很多。
在传动时，滚珠与丝杠、螺母之间基本上是滚动摩擦，所以具有下述特点： 1．摩擦损失小，传动效率高
滚珠丝杠副的传动效率可达92％~98％，是普通丝杠传动的3~4倍。2．传动灵敏，运动平稳，低速时无爬行
滚珠丝杠螺母副滚珠与丝杠和螺母是滚动摩擦，其动、静摩擦系数基本相等，并且很小,移动精度和定位精度高。
3．使用寿命长
滚珠丝杠副采用优质合金钢制成，其滚道表面淬火硬度高达60~62HRC，表面粗糙度值小，另外，因为是滚动摩擦，故磨损很小。
4．轴向刚度高
滚珠丝杠螺母副可以完全消除间隙传动，并可预紧，因此具有较高的轴向刚度。同时，反向时无空程死区，反向定位精度高。
5．具有传动的可逆性
既可以将旋转运动转化为直线运动，也可以把直线运动转化为旋转运动。因为滚珠丝杠副具有这些优点，所以现在被各类中、小型数控机床普遍采用。6．不能实现自锁
由于其摩擦系数小不能自锁，当用于垂直位置时，为防止因突然停断电而造成主轴箱下滑，必须加有制动装置。
7．制造工艺复杂成本高
滚珠丝杠和螺母的材料、热处理和加工要求相当于滚动轴承，螺旋滚道必须磨削，制造成本高。目前已由专门厂集中生产，其规格、型号已标准化和系列化，这样，不仅提高了滚珠丝杠螺母副的产品质量，而且也降低了生产成本，使滚珠
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丝杠螺母副得到广泛的应用。
（二）滚珠丝杠螺母副间隙的调整
轴向间隙通常是指丝杠和螺母无相对转动时，丝杠和螺母之间的最大轴向窜动量。除了结构本身所有的游隙之外，还包括施加轴向载荷后产生弹性变形所造成的轴向窜动量。通常采用双螺母预紧的办法解决，预紧是指它在过盈的条件下工作，把弹性变形量控制在最小限度。而用双螺母加预紧力调整后，基本上能消除轴向间隙。利用双螺母加预紧力消除轴向间隙时，必须注意：
1．预加载荷能够有效地减少弹性变形所带来的轴向位移，预紧力太小不能起到消除间隙的作用。但预紧力也不宜过大，过大的预紧载荷将增加摩擦力，使传动效率降低，缩短丝杠的使用寿命。
2．要特别减小丝杠安装部分和驱动部分的间隙。消除间隙的方法除了少数用微量过盈滚珠的单螺母消除间隙外，常用的双螺母消除轴向间隙的结构形式有垫片预紧方式、螺纹预紧方式和齿差预紧方式等。
（1）图2-18是双螺母垫片预紧方式结构，通过调整垫片的厚度使左右螺母产生轴向位移，就可达到消除间隙和产生预紧力的作用。
（2）图2-19是双螺母螺纹预紧方式结构，用键限制螺母在螺母座内的转动。调整时，拧动圆螺母将螺母沿轴向移动一定距离，在消除间隙之后用圆螺母将其锁紧。
（3）图2-20是双螺母齿差预紧方式结构，在两个螺母1和2的凸缘上各制有一个圆柱外齿轮，两个齿轮的齿数相差一个齿，即z1z21。两个内齿圈3和4与外齿轮齿数分别相同，并用预紧螺钉和销钉固定在螺母座的两端。调整时先将内齿圈取下，根据间隙的大小调整两个螺母1、2分别向相同的方向转过一个或多个齿。使两个螺母在轴向移近了相应的距离达到调整间隙和预紧的目地。间隙消除量△可用下式简便地计算出：
（2-1）
式中
n —— 螺母在同一方向转过的齿数；
t —— 滚珠丝杠的导程；
z1,z2——齿轮的齿数。
ntz1z2备
注
nz1zt 例如，当z1=101，z2=100，t=5mm时，如果两个螺母向相同方向各转过一个齿时，其相对轴向位移量为=5/（100×101）≈0.0005mm，若间隙量为0.002mm，n=0.002×100×101/5=4。则相应的两螺母沿同方向转过4个齿即可消除。
（三）滚珠丝杠螺母副的结构形式
接螺旋滚道法向截面形状分单圆弧型和双圆弧型；按滚珠循环方式分内循环式和外循环式；按消除轴向间隙和调整预紧方式的不同分为垫片预紧方式、螺纹预紧方式和齿差预紧方式三种；按用途分为定位滚珠丝杠副（P类）、传动滚珠丝
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杠副（T类）两类，数控机床进给运动采用P类。
国内生产的滚珠丝杠螺母副螺旋滚道法向截形有两种：单圆弧型和双圆弧型，见图2-21。在螺纹滚道法向剖面内，滚珠与滚道接触点法线与丝杠轴线的垂直线夹角称接触角，理想接触角等于45°。
1．单圆弧型
如图2-21a所示。滚道半径R稍大于滚珠半径rb，取比值：R/rb=1.02~1.12，常取1.04或1.1。接触角随初始间隙和轴向截荷大小而变化。当增大后，轴向刚度、传动效率随之增大。为保证=45°，必须严格控制径向间隙。这种截面形状滚道形状简单，用成形砂轮磨削可得到较高精度。为消除轴向间隙和调整预紧，必须采用双螺母结构。
2．双圆弧型
如图2-21b所示。滚道由半径R稍大于滚珠半径rb的对称双圆弧组成。理论上轴向和径向间隙为零，接触角=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。这种截形滚道接触稳定，但加工较复杂。消除轴向间隙和调整预紧，不仅可以采用双螺母结构，也可以采用增大滚珠直径的单螺母结构。另外两圆弧交接处有一小沟槽，可容纳润滑油和脏物，这对工作有利。
（四）滚珠丝杠螺母副的主要参数及代号 1．滚珠丝杠螺母副的主要参数
（1）公称直径dm：即滚珠丝杠的名义直径（图2-22）。.滚珠与螺纹滚道在理论接触角状态时，包络滚珠球心的圆柱直径，是滚珠丝杠螺母副的特征尺寸。名义直径与承载能力有直接关系，dm越大，承载能力和刚度越大，有的资料推荐滚珠丝杠螺母副的名义直径应大于丝杠工作长度的 1/30。数控机床常用进给丝杠的名义直径dm为30mm至80mm。国际标准ISO规定滚珠丝杠螺母副的名义直径系列为：6，8，10，12，16，20，25，30，40，50，60，80，100，120，125，160及200 mm。
（2）导程L0：丝杠相对于螺母旋转一圈时，螺母上基准点的轴向位移。它按承载能力选取，并与进给系统的脉冲当量要求有关。导程的大小是根据机床的加工精度要求确定的。精度要求高时，应将导程取小一些，这样在一定的轴向力作用下，丝杠上的摩擦阻力较小。但为了使滚珠丝杠具有一定的承载能力，滚珠直径又不能太小。导程过小势必使滚珠直径变小，滚珠丝杠螺母副的承载能力亦随之减小。若丝杠副的名义直径不变，导程减小则螺旋升角也变小，传动效率降低。因此在满足机床加工精度的条件下，导程应尽可能取得大些。国际标准ISO规定滚珠丝杠螺母副的导程为 1，2，2.5，3，4，5，6，10，12，16，20，25，30，40 mm。应尽量选用2.5，5，10，20，40 mm。
此外还有接触角、丝杠螺纹大径d、丝杠螺纹小径d1、螺纹全长l、滚珠直径db、螺母螺纹大径D、螺母螺纹小径D1、滚道圆弧偏心距e 以及滚道圆弧半径R等参数。
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2．精度等级
根据JB3162.2—91滚珠丝杠螺母副按其使用范围及要求分为7个精度等级，即1、2、3、4、5、7和10七个精度等级。一级精度最高，其余依次逐级递减，一般动力传动可选用4、5、7级精度，数控机床和精密机械可选用2、3级精度，精密仪器、仪表机床、螺纹磨床可选用1、2级精度。滚珠丝杠螺母副精度直接影响定位精度，承载能力和接触刚度，因此它是滚珠丝杠副的重要指标，选用时要予以考虑。
3．滚珠丝杠螺母副代号的标注
根据JB3162.2—91滚珠丝杠副代号的标注方法如图2-23a所示。采用汉语拼音字母、数字及汉字结合标注法，标注示例如图2-23b 所示。例如：CDM6012-3.5-P4LH它表示外循环插管式，垫片预紧，回珠管埋入式，公称直径为60mm，导程为12mm，螺纹旋向为左旋，负荷钢球圈数为3.5圈，定位滚珠丝杠，精度等级为4级。滚珠丝杠副的特征代号见表2-1。
（五）滚珠丝杠螺母副的支承
滚珠丝杠主要承受轴向载荷，它的径向载荷主要是卧式丝杠的自重。因此对滚珠丝杠的轴向精度和刚度要求较高。此外，滚珠丝杠的正确安装及其支承的结构刚度也不容忽视。滚珠丝杠两端常用支承形式如图2-24所示。图2-24a是一端固定一端自由的支承形式。其特点是结构简单，轴向刚度低，它适用于短丝杠及垂直布置丝杠，一般用于数控机床的调整环节和升降台式数控铣床的垂直坐标轴。图2-24b是一端固定一端浮动的支承形式，丝杠轴向刚度与图2-24a形式相同，丝杠受热后有膨胀伸长的余地，需保证螺母与两支承同轴。这种形式的配置结构较复杂，工艺较困难，适用于较长丝杠或卧式丝杠。图2-24c是两端固定的支承形式，这种支承结构只要轴承无间隙，丝杠的轴向刚度比一端固定形式高约4倍，固有频率比一端固定的高，可预拉伸，在它的一端装有蝶形弹簧和调整螺母，这样既可对滚珠丝杠施加预紧力，又可使丝杠受热变形得到补偿，保持恒定预紧力，但结构工艺都较复杂，适用于长丝杠。
（六）滚珠丝杠螺母副的密封与润滑 1．密封
通常滚珠丝杠副可用防尘密封圈和防护套密封，防止灰尘及杂质进入滚珠丝杠副。密封圈有接触式和非接触式两种，装在滚珠螺母的两端。防护套可防止尘土及杂质进入滚珠丝杠，影响其传动精度。对于暴露在外面的丝杠一般采用螺旋钢带、伸缩套筒、锥形套管以及折叠式防护罩，以防止尘埃和磨粒粘附到丝杠表面。这些防护罩一端连接在滚珠螺母的端面，另一端固定在滚珠丝杠的支承座上。近年来还出现了一种钢带缠卷式丝杠防护装置。
2．润滑
使用润滑剂，以提高耐磨性及传动效率，从而维持传动精度，延长使用寿命。常用的润滑剂有润滑油和润滑脂两类。润滑脂一般在安装过程中放进滚珠螺母的滚道内，定期润滑。使用润滑油时应注意要经常通过注油孔注油。
（七）滚珠丝杠螺母副的选择方法
备
注
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1．滚珠丝杠螺母副结构的选择
可根据防尘、防护条件以及对调隙及预紧的要求选择适当的结构形式。例如：允许间隙存在（如垂直运动）时，可选用具有单圆弧型螺纹滚道的单螺母滚珠丝杠副；如果必须有预紧，并在使用过程中因磨损而需要定期调整时，应采用双螺母螺纹预紧或齿差预紧式结构；当具备良好的防尘条件，只需在装配时调整间隙及预紧力时，可采用结构简单的双螺母垫片调整预紧式结构。
2．滚珠丝杠螺母副结构尺寸的选择
选用滚珠丝杠螺母副时主要选择丝杠的公称直径和导程。公称直径应根据轴向最大工作载荷，按滚珠丝杠副的尺寸系列选择。在允许的情况下螺纹长度要尽量短。导程（或螺距）应按承载能力、传动精度及传动速度选取。当要求传动速度快时，可选用大导程滚珠丝杠副。
3．滚珠丝杠螺母副的选择步骤
在选用滚珠丝杠螺母副时，必须知道实际的工作条件，包括最大工作载荷（或平均工作载荷、最大载荷作用下的使用寿命、丝杠的工作长度（或螺母的有效行程）、丝杠的转速（或平均转速）、滚道的硬度及丝杠的工作状况等，然后按下列步骤进行选择：
（1）最大的工作载荷；
（2）最大动载荷。对于静态或低速运转的滚珠丝杠，需考虑另一种失效形式—滚珠接触面上的塑性变形，即最大静载荷是否充分地超过了滚珠丝杠的工作载荷；
（3）刚度的验算；
（4）压杆稳定性核算。另外，滚珠丝杠在轴向力的作用下将伸长或缩短，在扭矩的作用下将产生扭转而影响丝杠导程的变化，从而影响传动精度及定位精度，故应验算满载时的预紧量。
备
注
四、传动齿轮间隙消除机构
（一）直齿圆柱齿轮传动间隙的调整 l．偏心套调整
如图2-25所示偏心轴套消除传动间隙结构。电动机1是用偏心套2与箱体连接的，通过转动偏心套2的位置就能调整两啮合齿轮中心距，从而消除齿侧间隙。其结构非常简单，常用于电动机与丝杠之间齿轮传动。
2．垫片调整
如图2-26所示，在加工相互啮合的两个齿轮1、2时，将分度圆柱面制成带有小锥度的圆锥面，使齿轮齿厚在轴向稍有变化，装配时只需改变垫片3的厚度，使齿轮2作轴向移动，调整两齿轮在轴向的相对位置即可达到消除齿侧间隙的目的。
3．双齿轮错齿调整
如图2-27所示，两个相同齿数的薄片齿轮1、2与另外一个宽齿轮啮合。可作相对回转运动的齿轮1、2套装在一起。每个薄片齿轮上分别开有周向圆弧槽，《数控加工工艺及设备》教案
内
容
并在齿轮1、2的槽内压有装弹簧的短圆柱3，在弹簧4的作用下使齿轮1、2错位，分别与宽齿轮的齿槽左右侧贴紧，消除了齿侧间隙。无论正向或反向旋转都分别只有一个齿轮承受扭矩，因此承载能力受到限制，设计时必须计算弹簧4的拉力，使它能克服最大扭矩。
（二）斜齿圆柱齿轮传动间隙的消除 1．轴向垫片调整
如图2-28所示，宽齿轮同时与两个相同齿数的薄片齿轮啮合，薄片齿轮通过平键与轴联结，相互间不能转动。通过调整薄片齿轮之间垫片厚度的增减量，然后拧紧螺母，这时它们的螺旋线产生错位，其左右两齿面分别与宽齿轮的齿槽左右两齿面贴紧消除了齿侧间隙。垫片厚度的增减量t和齿侧间隙的关系可由下式算出：
tctg
（2-2）
式中——斜齿轮的螺旋角；
——齿侧间隙； t——垫片厚度的增减量。
备
注
2．轴向压簧调整
如图2-29所示，轴向压簧调整齿轮齿侧间隙的原理与轴垫片法是一样的。但用弹簧压紧
能自动补偿齿侧间隙，达到无间隙传动。弹簧弹力要用调整螺母达到适当的值。过大会使齿轮磨损加快，降低使用寿命；过小达不到消除齿侧间隙的作用。
（三）圆锥齿轮传动间隙的消除
1．周向压簧调整
如图2-30所示，将大锥齿轮加工成1和2两部分，齿轮的外圈1开有三个圆弧槽8，内圈2的端面上的三个凸爪4，套装在圆弧槽内。弹簧6的两端分别顶在凸爪4和镶块7上，使内外齿圈1、2的锥齿错位与小锥齿轮啮合达到消除间隙的作用。为了安装方便，螺钉5将内外齿圈相对固定，安装完毕后即刻卸去。
2．轴向压簧调整
如图2-31所示，两个锥齿轮相互啮合。在其中一个锥齿轮的传动轴上装有压簧，调整螺母可改变压簧的弹力。锥齿轮在弹力作用下沿轴向移动，从而达到消除齿侧间隙的目的。
五、回转进给系统
数控机床靠回转工作台实现圆周进给运动。常用的回转工作台有分度工作台和数控回转工作台，它们的功能各不相同，分度工作台只是将工件分度转位，实现分别加工工件的各个表面的目的，给零件的加工尤其是箱体类零件的加工带来了很大的方便。而数控回转工作台除了分度和转位的功能之外，还能实现圆周进给运动。
1．分度工作台
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分度工作台是按照数控系统的指令，在需要分度时工作台连同工件按规定的角度回转，有时也可采用手动分度。分度工作台只能够完成分度运动而不能实现圆周运动，并且它的分度运动只能完成一定的回转度数如 90°、60°或45°等。
鼠牙盘式分度工作台其结构如图2-32 所示，它主要由工作台面底座、夹紧液压缸、分度液压缸和鼠牙盘等零件组成。鼠牙盘是保证分度精度的关键零件，在每个齿盘的端面有相同数目的三角形齿。当两个齿盘啮合时，就能自动确定周向和径向的相对位置。
（1）工作台抬起，鼠齿盘脱离啮合
机床需要进行分度时，数控装置发出指令→电磁铁控制液压阀使压力油经孔23进入到工作台7中央的夹紧液压缸下腔10→推动活塞6向上移动→经推力轴承5和13将工作台7抬起→内齿轮12向上套入齿轮11→上下两个鼠齿盘4和3脱离啮合，完成分度前的准备工作。
（2）回转分度
当工作台7上升时，推杆2在弹簧力的作用下向上移动→使推杆1向右移动→微动开关S2复位→使压力油经油孔21进入分度油缸左腔19→推动齿条活塞8向右移动→齿轮11作逆时针方向转动→与齿轮11相啮合的内齿轮12转动→分度台也转过相应的角度。回转角度的大小由微动开关和挡块17决定，开始回转时，挡块14离开推杆15使微动开关S1复位，通过电路互锁，始终保持工作台处于上升位置。
（3）工作台下降，完成定位夹紧图
当工作台转到预定位置附近，挡块17通过16使微动开关S3工作。压力油经油孔22进入到压紧液压缸上腔9→活塞6带动工作台7下降→上鼠齿盘4与下鼠齿盘3在新的位置重新啮合并定位压紧。为了保护鼠齿盘齿面不受冲击，液压缸下腔10的回油经节流阀可限制工作台的下降速度。
（4）复位为下次分度作准备
当分度工作台下降时，推杆2和1启动微动开关S2→分度液压缸右腔18进压力油→活塞齿条8退回→齿轮11顺时针转动→挡块17、14回到原位，为下次分度作准备。
鼠齿盘式分度工作台具有刚性好，承载能力强，重复定位精度高，分度精度高，能自动定心，结构简单等特点。鼠齿盘制造精度要求高，它分度的度数只能是鼠齿盘齿数的整数倍。这种工作台不仅可与数控机床做成一体，也可作为附件使用，广泛应用于各种加工和测量装置中。
2．数控回转工作台
为了实现任意角度分度，并在切削过程中能够实现回转，采用了数控回转工作台。它主要用于数控镗铣床。从外形上看与分度工作台没有多大差别，但在内部结构和功能上则有较大的不同。
如图2-33所示，由传动系统、间隙消除装置及蜗轮夹紧装置等组成了数控回转工作台。它由伺服电动机1驱动，经齿轮2和4带动蜗杆
9、蜗轮10使工作台回转。通过调整偏心环3来消除齿轮2和4啮合侧隙。为了消除轴与套的配合间
备
注
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隙，通过楔形拉紧圆柱销5（A—A剖面）来连接齿轮4与蜗杆9。蜗杆9采用螺距渐厚蜗杆，蜗杆齿厚从头到尾逐渐增厚，这种蜗杆的左右两侧具有不同的导程。但由于同一侧的螺距是相同的，所以仍能保持正确的啮合。通过移动蜗杆的轴向位置来调节间隙，实现无间隙传动。
当工作台静止时，必须处于锁紧状态。为此，在蜗轮底部装有八对夹紧块12及13，并在底座上均布着八个小液压缸14，夹紧液压缸14的上腔通入压力油，使活塞向下运动，通过钢球17撑开夹紧块12及13，将蜗轮夹紧。当工作台需要回转时，数控系统发出指令，夹紧液压缸14上腔的油流回油箱，钢球17在弹簧16的作用下向上抬起，夹紧块12和13松开蜗轮，这时蜗轮和回转工作台可按照控制系统的指令作回转运动。
数控回转工作台的导轨面由大型滚柱轴承支承，并由圆锥滚子轴承及双列圆柱滚子轴承保持回转中心的准确。为消除累积误差，数控回转工作台设有零点，当它作回零运动时首先由安装在蜗轮上的挡块碰撞限位开关，使工作台减速，然后通过感应块和无触点开关的作用使工作台准确停在零点位置上。分度角度位置通常由角度反馈元件圆光栅18反馈给数控系统。
数控回转工作台可作任意角度的回转和分度，因此能够达到较高的分度精度。
备
注
第五节
数控机床进给传动系统应用
一、MJ-50数控车床进给传动系统
（一）特点
数控车床的进给运动是把伺服电动机的旋转运动转化为刀架和滑板X、Z轴的直线运动，而且对移动精度要求很高，X轴最小移动量为0.0005mm（直径编程），Z轴最小移动量为0.00lmm。采用滚珠丝杠螺母传动副，可以有效地提高进给系统的灵敏度、定位精度并防止爬行。另外，消除丝杠螺母副的配合间隙和丝杠两端的轴承间隙，也有利于提高传动精度。
数控车床的进给系统采用伺服电动机驱动，经同步带轮传动到滚珠丝杠上，滚珠丝杠螺母带动刀架或滑板移动，所以刀架或滑板的快速移动和进给运动均为同一传动路线。
（二）X轴进给系统传动装置
图2-34是MJ-50数控车床 X轴进给传动装置的结构简图。如图a所示，功率为0.9kw的AC伺服电动机15经20：24同步带轮 14和 10以及同步带 12带动滚珠丝杠6回转，滚珠丝杠螺距为6mm，其上螺母7带动刀架21（图2-34b所示）沿滑板1的导轨移动，实现X轴的进给运动。电动机轴与同步带轮14用键13连接。滚珠丝杠有前后两个支承。前支承3由三个角接触球轴承组成，其中一个轴承大口向前两个轴承大口向后，分别承受双向的轴向载荷。前支承的轴承由螺母2进行预紧。其后支承9为一对角接触球轴承，轴承大口相背放置，由螺母11进行预紧。这种丝杠两端固定的支承形式，其结构和工艺都较复杂，可以
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保证和提高丝杠的轴向刚度。脉冲编码器16安装在伺服电动机的尾部。图中5和8是缓冲块，在出现意外碰撞时起保护作用。
A-A剖面图表示滚珠丝杠前支承的轴承座 4用螺钉20固定在滑板上。滑板导轨如B-B剖视图所示为矩形导轨，镶条17、18、19用来调整刀架与滑板导轨的间隙。
图2-34b中22为导轨护板，26、27为机床参考点的限位开关和撞块。镶条23、24、25用于调整滑板与床身导轨的间隙。
因为滑板顶面导轨与水平面倾斜30°，回转刀架的自身重力使其下滑，滚珠丝杠和螺母不能以自锁阻止其下滑，故机床依靠AC伺服电动机的电磁制动来实现自锁。
备
注
二、JCS-018A加工中心机床进给传动系统及传动装置
JCS-018A机床的 X、Y、Z三个轴各有一套进给系统，分别由三台功率为1.4kw的脉宽调速直流伺服电动机直接带动滚珠丝杠旋转。三个轴的进给速度均为1~400mm/min，快移速度X、Y轴为14 m/min，Z轴为10 m/min。为了保证各轴的进给传动系统有较高的传动精度，电动机轴和滚珠丝杠之间均采用了锥环无键连接和高精度十字联轴器的连接结构。以Z轴进给装置为例，分析电动机轴与滚珠丝杠之间的连接结构。图2-35为Z轴进给装置中电动机与丝杠连接的局部视图。如图中所示，l为直流伺服电动机，2为电动机轴，7为滚珠丝杠。电动机轴与轴套3之间采用的锥环4无键连接结构。锥面相互配合的内外锥环，当拧紧螺钉时，外锥环向外膨胀，内锥环受力后向电动机轴收缩，从而使电动机轮与轴套连接在一起。这种连接方式无需在被连接件上开键槽，而且两锥环的内外圆锥面压紧后，可以实现无间隙传动，而且对中性较好，传递动力平稳，加工工艺性好，安装与维修方便。选用锥环对数的多少，取决于所传递扭矩的大小。
高精度十字联轴器由三件组成，其中与电动机轴连接的轴套3的端面有与中心对称的凸键，与丝杠连接的轴套6上开有与中心对称的端面键槽，中间一件联轴节5的两端面上分别有与中心对称且互相垂直的凸键和键槽，它们分别与件3和件6相配合，用来传递运动和扭矩。为了保证十字联轴节的传动精度，在装配时凸键与凹键的径向配合面要经过配研，以便消除反向间隙和传递动力平稳。由于主轴箱垂直运动，为防止滚珠丝杠因不能自锁而使主轴箱下滑，所以Z轴电动机带有制动器。
第六节
自动换刀装置自动换刀装置应当满足的基本要求： 1．刀具换刀时间短且换刀可靠； 2．刀具重复定位精度高；
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3．足够的刀具储存量； 4．刀库占地面积小。
备
注
一、自动换刀装置的形式
根据其组成结构，自动换刀装置可分为回转刀架式、转塔式、带刀库式三种形式，下面作分别介绍。
（一）回转刀架自动换刀装置
数控机床上使用的回转刀架是一种最简单的自动换刀装置。根据不同的适用对象，刀架可设计为四方形、六角形或其它形式。回转刀架可分别安装四把、六把以及更多的刀具，并按数控装置发出的脉冲指令回转、换刀。
CK7815型数控车床采用 BA200L刀架，最多可以有 24个分度位置，机床可选用 12位、8位刀盘。其工作循环是：刀架接收数控装置的指令→松开→转到指令要求的位置→夹紧→发出转位结束的信号。按照这个规律就可以分析各种结构刀架的工作过程。
图2-36中，当电动机11通电时，尾部的电磁制动器30ms以后松开，电动机开始转动，通过齿轮10、9、8带动蜗杆7旋转，从而使蜗轮5转动。蜗轮内孔有螺纹，与轴6上的螺纹配合。这时轴6不能回转，当蜗轮转动时，使得轴6沿轴向向左移动，因为刀架1与轴
6、活动鼠牙盘2是固定在一起的，所以刀盘和鼠牙盘也向左移动，鼠牙盘2和3脱开。在轴6上有两个对称槽，内装滑块4，在鼠牙盘脱开后，蜗轮转到一定角度与蜗轮固定在一起的圆盘14上的凸起便碰到滑块4，蜗轮便通过轴6上的螺纹使轴6右移，鼠牙盘2、3结合定位，电磁制动器通电，维持电动机轴上的反转力矩，以保证鼠牙盘之间有一定的压紧力。最后电动机断电，同时轴6右端的小轴13压下微动开关12，发出转位结束信号。刀架的选位由刷形选位器进行选位。松开、夹紧位置检测则由微动开关12实行。整个刀架是一个纯电器系统，结构简单。
（二）转塔式自动换刀装置
在带有旋转刀具的数控机床中，转塔刀架上装有主轴头，主轴头通常有卧式和立式两种，常用转塔的转位来更换主轴头以实现自动换刀，它是一种比较简单的换刀方式，各个主轴头上预先装有各工序加工所需要的旋转刀具，当收到换刀指令时，各主轴头依次的转到加工位置，并接通主运动使相应的主轴带动刀具旋转，而其它处于不加工位置上的主轴都与主运动脱开。如图2-37数控钻镗铣床，它是装有8把刀具且绕水平轴转位的转塔式自动换刀装置。
（三）带刀库的自动换刀装置
带刀库的自动换刀系统由刀库和刀具换刀机构组成，目前这种换刀方法在数控机床上的应用最为广泛。
刀具的交换方式通常分为机械手交换刀具和由刀库与机床主轴的相对运动实现刀具交换即无机械手交换刀具两种。刀具的交换方式及它们的具体结构直接影响机床的工作效率和可靠性。
1．无机械手交换刀具方式
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无机械手的换刀系统一般是采用把刀库放在主轴箱可以运动到的位置，或整个刀库或某一刀位能移动到主轴箱可以到达的位置，同时，刀库中刀具的存放方向一般与主轴上的装刀方向一致。换刀时，由主轴运动到刀库上的换刀位置，利用主轴直接取走或放回刀具。
2．带机械手交换刀具方式
采用机械手进行刀具交换方式在加工中心中应用最为广泛。机械手是当主轴上的刀具完成一个工步后，把这一工步的刀具送回刀库，并把下一工步所需要的刀具从刀库中取出来装入主轴继续进行加工的功能部件。
图2-39a是单臂单爪回转式机械手，带一个夹爪的手臂可自由回转，装刀卸刀均靠这个夹爪进行，因此，换刀时间较长。
图2-39b是单臂双爪摆动式机械手，手臂上的一个夹爪只完成从主轴上取下“旧刀”送回刀库的任务，而另一个夹爪则执行由刀库取出“新刀”送到主轴的任务，其换刀时间较单爪回转式机械手要短。
图2-39c是双臂回转式机械手，手臂两端各有一个夹爪，能够同时完成抓刀→拔刀→回转→插刀→返回等一系列动作。为了防止刀具掉落，各机械手的活动爪都带有自锁机构。由于双臂回转机械手的动作比较简单，而且能够同时抓取和装卸机床主轴和刀库中的刀具，因此换刀时间可进一步缩短，是最常用的一种形式。图右边的机械手在抓取刀具或将刀具送入刀库主轴时，其两臂可伸缩。
图2-39d是双机械手，相当于两个单臂单爪机械手，它们相互配合完成自动换刀动作。
图2-39e是双臂往复交叉式机械手。这种机械手的两臂可以进行往复运动，并交叉成一定的角度。一个手臂从主轴上取下“旧刀”送回刀库，另一个手臂由刀库中取出“新刀”装入主轴，整个机械手可沿某导轨直线移动或绕某个转轴回转，以实现刀库与主轴间的换刀动作。
图2-39f是双臂端面夹紧式机械手。它的特点是靠夹紧刀柄的两个端面来抓取刀具，而其它机械手均靠夹紧刀柄的外圆表面抓取刀具。
备
注
二、刀库
刀库是用来储存加工刀具及辅助工具的，是自动换刀装置中最主要的部件之一。
1．刀库的类型
按刀库的结构形式可分为圆盘式刀库、链式刀库和箱型式刀库。圆盘式刀库如图2-40，结构简单，应用也较多。但因刀具采用单环排列，空间利用率低，因此出现了将刀具在盘中采用双环或多环排列的形式，以增加空间利用率。但这样使刀库的外径扩大，转动惯量也增大，选刀时间也长。所以，圆盘式刀库一般用于刀具容量较小的刀库。链式刀库如图2-41所示，适用于刀库容量较大的场合。链的形状可以根据机床的布局配置，也可将换刀位突出以利于换刀。当需要增加链式刀库的刀具容量时，只需增加链条的长度，在一定范围内，无需变更刀库的线速度及惯量。一般刀具数量30~120把时都采用链式刀库。箱型式刀库的结构
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内
容
也比较简单，有箱型和线型两种，如图2-42，图2-43。箱型刀库一般容量比较大，刀库的空间利用率较高，换刀时间较长，往往用于加工单元式加工中心。线型刀库容量小，一般在十几把刀左右，多用于自动换刀的数控车床，数控钻床也有采用。
另外，按设置部位的不同刀库可以分为顶置式、侧置式、悬挂式和落地式等
备
注
多种类型。按交换刀具还是交换主轴，刀库可分为普通刀库（简称刀库）和主轴箱刀库。
2．刀库的容量
确定刀库的容量首先要考虑加工工艺的需要。对若干种工件进行分析表明，各种加工所必需的刀具数量是：4把铣刀可完成工件95％左右的铣削工艺，10把孔加工刀具可完成70％的钻削工艺，因此，14把刀的容量就可完成70％以上工件的钻铣工艺。如果从完成工件的全部加工所需的刀具数目统计，则80％的工件（中等尺寸，复杂程度一般）完成全部加工任务所需的刀具数为40种以下。所以对于一般的中、小型立式加工中心，配有14~30把刀具的刀库就能够满足70％~95％工件的加工需要。
3．刀库的选刀方式
目前，加工中心刀库使用的选刀方式有顺序选刀和任意选刀两种
顺序选刀是在加工之前，将加工零件所需刀具按照工艺要求依次插入刀库的刀套中，顺序不能有差错。加工时按顺序调刀。加工不同的工件时必须重新调整刀库中的刀具顺序，因而操作十分繁琐，而且加工同一工件中各工序的刀具不能重复使用。这样就会增加刀具的数量，而且由于刀具的尺寸误差也容易造成加工精度的不稳定。其优点是刀库的驱动和控制都比较简单。因此这种方式适合加工批量较大、工件品种数量较少的中、小型自动换刀装置。
随着数控系统的发展，目前绝大多数的数控系统都具有刀具任选功能。任选刀具的换刀方式可以有刀套编码、刀具编码和记忆等方式。刀具编码或刀套编码都需要在刀具或刀套安装用于识别的编码条，如图2-44，一般都是根据二进制编码原理进行编码。刀具编码选刀方式采用了一种特殊的刀柄结构，并对每把刀具编码。由于每把刀具都具有自己的代码，因而刀具可以放在刀库中的任何一个刀座内，这样不仅刀库中的刀具可以在不同的工序中多次重复使用，而且换下的刀具也不用放回原来的刀座，这对装刀和选刀都十分有利，刀库的容量也可以相应地减少。而且还可以避免由于刀具顺序的差错所造成的事故。但是由于每把刀具上都带有专用的编码系统，使刀具的长度加长，制造困难，刀具刚度降低，同时使得刀库和机械手的结构也变得复杂。对于刀套
二、刀库
刀库是用来储存加工刀具及辅助工具的，是自动换刀装置中最主要的部件之一。
1．刀库的类型
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按刀库的结构形式可分为圆盘式刀库、链式刀库和箱型式刀库。圆盘式刀库如图2-40，结构简单，应用也较多。但因刀具采用单环排列，空间利用率低，因此出现了将刀具在盘中采用双环或多环排列的形式，以增加空间利用率。但这样使刀库的外径扩大，转动惯量也增大，选刀时间也长。所以，圆盘式刀库一般用于刀具容量较小的刀库。链式刀库如图2-41所示，适用于刀库容量较大的场合。链的形状可以根据机床的布局配置，也可将换刀位突出以利于换刀。当需要增加链式刀库的刀具容量时，只需增加链条的长度，在一定范围内，无需变更刀库的线速度及惯量。一般刀具数量30~120把时都采用链式刀库。箱型式刀库的结构也比较简单，有箱型和线型两种，如图2-42，图2-43。箱型刀库一般容量比较大，刀库的空间利用率较高，换刀时间较长，往往用于加工单元式加工中心。线型刀库容量小，一般在十几把刀左右，多用于自动换刀的数控车床，数控钻床也有采用。
另外，按设置部位的不同刀库可以分为顶置式、侧置式、悬挂式和落地式等
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注
多种类型。按交换刀具还是交换主轴，刀库可分为普通刀库（简称刀库）和主轴箱刀库。
2．刀库的容量
确定刀库的容量首先要考虑加工工艺的需要。对若干种工件进行分析表明，各种加工所必需的刀具数量是：4把铣刀可完成工件95％左右的铣削工艺，10把孔加工刀具可完成70％的钻削工艺，因此，14把刀的容量就可完成70％以上工件的钻铣工艺。如果从完成工件的全部加工所需的刀具数目统计，则80％的工件（中等尺寸，复杂程度一般）完成全部加工任务所需的刀具数为40种以下。所以对于一般的中、小型立式加工中心，配有14~30把刀具的刀库就能够满足70％~95％工件的加工需要。
3．刀库的选刀方式
目前，加工中心刀库使用的选刀方式有顺序选刀和任意选刀两种
顺序选刀是在加工之前，将加工零件所需刀具按照工艺要求依次插入刀库的刀套中，顺序不能有差错。加工时按顺序调刀。加工不同的工件时必须重新调整刀库中的刀具顺序，因而操作十分繁琐，而且加工同一工件中各工序的刀具不能重复使用。这样就会增加刀具的数量，而且由于刀具的尺寸误差也容易造成加工精度的不稳定。其优点是刀库的驱动和控制都比较简单。因此这种方式适合加工批量较大、工件品种数量较少的中、小型自动换刀装置。
随着数控系统的发展，目前绝大多数的数控系统都具有刀具任选功能。任选刀具的换刀方式可以有刀套编码、刀具编码和记忆等方式。刀具编码或刀套编码都需要在刀具或刀套安装用于识别的编码条，如图2-44，一般都是根据二进制编码原理进行编码。刀具编码选刀方式采用了一种特殊的刀柄结构，并对每把刀具编码。由于每把刀具都具有自己的代码，因而刀具可以放在刀库中的任何一个刀座内，这样不仅刀库中的刀具可以在不同的工序中多次重复使用，而且换下的刀具也不用放回原来的刀座，这对装刀和选刀都十分有利，刀库的容量也可以相应地减少。而且还可以避免由于刀具顺序的差错所造成的事故。但是由于每把刀具
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上都带有专用的编码系统，使刀具的长度加长，制造困难，刀具刚度降低，同时使得刀库和机械手的结构也变得复杂。对于刀套编码的方式，一把刀具只对应一个刀套，从一个刀套中取出的刀具必须放回同一刀套中，取送刀具十分麻烦，换刀时间长。因此，无论是刀具编码还是刀套编码都给换刀系统带来麻烦。目前在加工中心上绝大多数都使用记忆式的任选换刀方式。这种方式是第一次给刀库装刀时，告诉控制系统刀库中的每个刀套号和该刀套上的刀具号，刀具在使用中不一定被送还到原来的刀套上，但是控制系统仍能记住该刀具号所在的新刀套号。这种方式有利于缩短换刀、选刀时间。由于这种方式经常改变刀具号与刀套的对应关系，所以在重新启动机床时必须使刀库回零，校验一下显示器上显示的内容与实际刀具的情况。
刀库选刀方式一般采用就近移动原则，即无论采取哪种选刀方式，在根据程序指令把下一工序要用的刀具移到换刀位置时，都要向距离换刀最近的方向移动，以节省选刀时间。
备
注
三、实例
这是JCS-018A加工中心的自动换刀装置。1．自动换刀工作过程
（1）刀套下转90°
本机床的刀库位于立柱左侧，刀具在刀库中的安装方向与主轴垂直，如图2-45所示。换刀之前，刀库2转动将待换刀具5送到换刀位置，之后把带有刀具5的刀套4向下翻转90°，使刀具轴线与主轴轴线平行。
（2）机械手转75°
如K向视图所示，在机床切削加工时，机械手1的手臂与主轴中心到换刀位置的刀具中心线的连线成75°，该位置为机械手的原始位置。机械手换刀的第一个动作是顺时针转75°，两手爪分别抓住刀库上和主轴3上的刀柄。
（3）刀具松开
机械手抓住主轴刀具的刀柄后，刀具的自动夹紧机构松开刀具。
（4）机械手拔刀
机械手下降，同时拔出两把刀具。
（5）交换两刀具位置
机械手带着两把刀具逆时针转180°（从K向观察），使主轴刀具与刀库刀具交换位置。
（6）机械手插刀
机械手上升，分别把刀具插入主轴锥孔和刀套中。（7）刀具夹紧
刀具插入主轴锥孔后，刀具的自动夹紧机构夹紧刀具。（8）液压缸复位
液压缸复位驱动机械手逆时针转180°的液压缸复位，机械手无动作。
（9）机械手反转75°
机械手反转75°，回到原始位置。
（10）刀套上转 90°
刀套带着刀具向上翻转90°，为下一次选刀做准备。2．机械手传动过程
本机床上使用的换刀机械手为双臂回转式机械手。图2-46为机械手传动结构示意图，它是目前加工中心上用得较多的一种。这种机械手的拔刀、插刀动作大都由油缸完成。根据结构要求可以采取“油缸动、活塞固定”或“活塞动、油缸
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固定”的结构形式。它的手臂的回转动作通过活塞带动齿条齿轮传动来实现，并且活塞的可调行程来保证机械手臂的不同回转角度。
3．刀库结构
图2-47是本机床盘式刀库的结构简图。如图a所示，当数控系统发出换刀指令后，直流伺服电动机1接通，其运动经过十字联轴节
2、蜗杆
4、蜗轮3传到如图b所示的刀盘14，刀盘带动其上面的16个刀套13转动，完成选刀的工作。每个刀套尾部有一个滚子11，当待换刀具转到换刀位置时，滚子11进入拨叉7的槽内。同时气缸5的下腔通压缩空气（如图a所示），活塞杆6带动拨叉7上升，放开位置开关9，用以断开相关的电路，防止刀库、主轴等有误动作。如图 b所示，拨叉 7在上升的过程中，带动刀套绕着销轴 12逆时针向下翻转 90°，从而使刀具轴线与主轴轴线平行。
刀套下转90°后，拨叉7上升到终点，压住定位开关10，发出信号使机械手抓刀。通过图a中的螺杆8，可以调整拨叉的行程，而拨叉的行程又决定刀具轴线相对主轴轴线的位置。
备
注
第七节
辅助装置
一、数控机床的液压和气动系统
1．数控机床中的液压和气动装置功能
液压和气动装置在数控机床中一般完成如下辅助功能
（1）自动换刀所需的动作。如机械手的伸、缩、回转和摆动以及刀具的松开和拉紧动作。
（2）主轴的自动松开、夹紧。
（3）机床运动部件的制动和离合器的控制，齿轮的拨叉挂档等。（4）机床的润滑、冷却、防护罩、门的自动开关。（5）工作台的松开夹紧，交换工作台的自动交换动作等。
（6）机床运动部件的平衡。如机床主轴箱的重力平衡、刀库机械手的平衡等。
2．数控机床中的液压装置
图2-48所示为数控车床液压系统原理图。液压系统采用单向变量液压泵，系统压力调整至4MPa，由压力表显示。泵出口的压力油经过单向阀进入控制油路。机床的卡盘夹紧与松开、夹盘夹紧力的高低压转换、回转刀架的松开与夹紧、刀架刀盘的正转反转、尾座套筒的伸出与退回动作都是由液压系统驱动的，数控系统的PC控制液压系统中各电磁阀电磁铁的动作。
2位四通电磁阀1控制主轴卡盘的夹紧与松开，电磁阀2控制卡盘的高压夹紧与低压夹紧的转换。当卡盘处于正卡（也称外卡）且在高压夹紧状态下，夹紧力的大小由减压阀6来调整，由压力表12显示卡盘压力。系统压力油经减压阀6→电磁阀2（左位）→电磁阀1（左位）→液压缸右腔，活塞杆左移，卡盘夹紧。
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这时液压缸左腔的油液经阀1（左位）直接回油箱。反之，系统压力油经减压阀6→电磁阀2（左位）→电磁阀1（右位）→液压缸左腔，活塞杆右移，卡盘松开。这时液压缸右腔的油液经阀1（右位）直接回油箱。当卡盘处于正卡且在低压夹紧状态下，夹紧力的大小由减压阀7来调整。系统压力油经减压阀7→电磁阀2（右位）→电磁阀1（左位）→液压缸右腔，卡盘夹紧。反之，系统压力油经减压阀7→电磁2（右位）→电磁阀1（右位）→液压缸左腔，卡盘松开。也可对刀架转位、刀盘松开夹紧及尾座套筒动作的控制进行分析。
备
注
二、排屑装置
1．排屑装置在数控机床中的作用
切屑占用加工区域，如果不及时清除必然会覆盖或缠绕在工件和刀具上，使自动加工无法继续进行。此外，炽热的切屑向机床或工件散发热量，使机床或工件产生变形，影响加工的精度。因此迅速、有效地排除切屑对数控机床加工来说十分重要，而排屑装置正是完成该工作的必备附属装置。排屑装置的主要作用是将切屑从加工区域排出到数控机床之外。
2．排屑装置的种类
（1）平板链式排屑装置，图2-49a。该装置以滚动链轮牵引钢质平板链带在封闭箱中运转，加工中的切屑落到链带上而被带出机床。这种装置能排除各种形状的切屑，适应性强，各类机床都能采用。在车床上使用时多与机床的冷却液箱合为一体，以简化机床结构。
（2）刮板式排屑装置，图2-49b。该装置的传动原理与平板链式的基本相同，只是链板不同，它的链板带有刮板。这种装置常用于输送各种材料的短小切屑，排屑能力较强。但因负载大而需采用较大功率的驱动电动机。
（3）螺旋式排屑装置，图2-49c。该装置采用电动机，经减速装置驱动安装在沟槽中的长螺旋杆。螺旋杆转动时，沟槽中的切屑即被螺旋杆推动而连续向前运动，最终排入切屑收集箱中。螺旋式排屑装置占用空间小，适于安装在机床与立柱间空隙狭小的位置上，而且它结构简单，排屑性能良好。但这种装置只适于沿水平或小角度倾斜直线方向排运切屑，不能大角度倾斜、提升或转向排屑。
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编码的方式，一把刀具只对应一
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个刀套，从一个刀套中取出的刀具必须放回同一刀套中，取送刀具十分麻烦，换刀时间长。因此，无论是刀具编码还是刀套编码都给换刀系统带来麻烦。目前在加工中心上绝大多数都使用记忆式的任选换刀方式。这种方式是第一次给刀库装刀时，告诉控制系统刀库中的每个刀套号和该刀套上的刀具号，刀具在使用中不一定被送还到原来的刀套上，但是控制系统仍能记住该刀具号所在的新刀套号。这种方式有利于缩短换刀、选刀时间。由于这种方式经常改变刀具号与刀套的对应关系，所以在重新启动机床时必须使刀库回零，校验一下显示器上显示的内容与实际刀具的情况。
刀库选刀方式一般采用就近移动原则，即无论采取哪种选刀方式，在根据程序指令把下一工序要用的刀具移到换刀位置时，都要向距离换刀最近的方向移动，以节省选刀时间。
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注
三、实例
这是JCS-018A加工中心的自动换刀装置。1．自动换刀工作过程
（1）刀套下转90°
本机床的刀库位于立柱左侧，刀具在刀库中的安装方向与主轴垂直，如图2-45所示。换刀之前，刀库2转动将待换刀具5送到换刀位置，之后把带有刀具5的刀套4向下翻转90°，使刀具轴线与主轴轴线平行。
（2）机械手转75°
如K向视图所示，在机床切削加工时，机械手1的手臂与主轴中心到换刀位置的刀具中心线的连线成75°，该位置为机械手的原始位置。机械手换刀的第一个动作是顺时针转75°，两手爪分别抓住刀库上和主轴3上的刀柄。
（3）刀具松开
机械手抓住主轴刀具的刀柄后，刀具的自动夹紧机构松开刀具。
（4）机械手拔刀
机械手下降，同时拔出两把刀具。
（5）交换两刀具位置
机械手带着两把刀具逆时针转180°（从K向观察），使主轴刀具与刀库刀具交换位置。
（6）机械手插刀
机械手上升，分别把刀具插入主轴锥孔和刀套中。（7）刀具夹紧
刀具插入主轴锥孔后，刀具的自动夹紧机构夹紧刀具。（8）液压缸复位
液压缸复位驱动机械手逆时针转180°的液压缸复位，机
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械手无动作。
（9）机械手反转75°
机械手反转75°，回到原始位置。
（10）刀套上转 90°
刀套带着刀具向上翻转90°，为下一次选刀做准备。2．机械手传动过程
本机床上使用的换刀机械手为双臂回转式机械手。图2-46为机械手传动结构示意图，它是目前加工中心上用得较多的一种。这种机械手的拔刀、插刀动作大都由油缸完成。根据结构要求可以采取“油缸动、活塞固定”或“活塞动、油缸固定”的结构形式。它的手臂的回转动作通过活塞带动齿条齿轮传动来实现，并且活塞的可调行程来保证机械手臂的不同回转角度。
3．刀库结构
图2-47是本机床盘式刀库的结构简图。如图a所示，当数控系统发出换刀指令后，直流伺服电动机1接通，其运动经过十字联轴节
2、蜗杆
4、蜗轮3传到如图b所示的刀盘14，刀盘带动其上面的16个刀套13转动，完成选刀的工作。每个刀套尾部有一个滚子11，当待换刀具转到换刀位置时，滚子11进入拨叉7的槽内。同时气缸5的下腔通压缩空气（如图a所示），活塞杆6带动拨叉7上升，放开位置开关9，用以断开相关的电路，防止刀库、主轴等有误动作。如图 b所示，拨叉 7在上升的过程中，带动刀套绕着销轴 12逆时针向下翻转 90°，从而使刀具轴线与主轴轴线平行。
刀套下转90°后，拨叉7上升到终点，压住定位开关10，发出信号使机械手抓刀。通过图a中的螺杆8，可以调整拨叉的行程，而拨叉的行程又决定刀具轴线相对主轴轴线的位置。
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第二篇：《数控加工工艺及设备》教案
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注
第一章
数控加工工艺及设备基础
第一节
机床数控技术与数控加工设备概述
一、机床中有关数控的基本概念
1．数字控制（数控）及数控技术
一般意义的数字控制是指用数字化信息对过程进行的控制，是相对模拟控制而言的。机床中的数字控制是专指用数字化信号对机床的工作过程进行的可编程自动控制，简称为数控（NC）。这种用数字化信息进行自动控制的技术就叫数控技术。
2．数控系统
是实现数控技术相关功能的软硬件模块的有机集成系统，是数控技术的载体，它能自动阅读输入载体上事先给定的程序，并将其译码，从而使机床运动并加工零件。
在其发展过程中有硬件数控系统和计算机数控系统两类。
早期的数控系统主要由数控装置、主轴驱动及进给驱动装置等部分组成，数字信息由数字逻辑电路来处理，数控系统的所有功能都由硬件实现，故又称为硬件数控系统（NC系统）。
3．计算机数控系统
是以计算机为核心的数控系统，由装有数控系统程序的专用计算机、输入输出设备、可编程逻辑控制器（PLC）、存储器、主轴驱动及进给驱动装置等部分组成，习惯上又称为CNC系统。CNC系统已基本取代硬件数控系统（NC系统）。
4．开放式CNC系统
国际电子与电气工程师协会提出的开放式CNC系统的定义是：一个开放式CNC系统应保证使开发的应用软件能在不同厂商提供的不同的软硬件平台上运行，且能与其它应用软件系统协调工作。
根据这一定义，开放式CNC系统至少包括以下五个特征：
（1）对使用者是开放的：应可以采用先进的图形交互方式支持下的简易编程方法，使得数控机床的操作更加容易；
（2）对机床制造商是开放的：应允许机床制造商在开放式CNC系统软件的基础上开发专用的功能模块及用户操作界面；
（3）对硬件的选择是开放的：即一个开放式CNC系统应能在不同的硬件平台上运行；
（4）对主轴及进给驱动系统是开放的：即能控制不同厂商提供的主轴及进给驱动系统；
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（5）对数据传输及交换等是开放的。
开放式CNC系统是数控系统未来发展的方向。5．数控机床
是指应用数控技术对其加工过程进行自动控制的机床。国际信息处理联盟第五技术委员会对数控机床作了如下定义：数控机床是一种装有程序控制系统的机床，该系统能逻辑地处理具有特定代码或其它符号编码指令规定的程序。
备
注
二、数控机床的组成
1．计算机数控装置（CNC装置）
计算机数控装置是计算机数控系统的核心。其主要作用是根据输入的零件加工程序或操作命令进行相应的处理，然后输出控制命令到相应的执行部件（伺服单元、驱动装置和PLC等），完成零件加工程序或操作者所要求的工作。它主要由计算机系统、位置控制板、PLC接口板、通讯接口板、扩展功能模块以及相应的控制软件等模块组成。
2．伺服单元、驱动装置和测量装置
伺服单元和驱动装置包括主轴伺服驱动装置及主轴电机和进给伺服驱动装置及进给电机。测量装置是指位置和速度测量装置，它是实现主轴、进给速度闭环控制和进给位置闭环控制的必要装置。主轴伺服系统的主要作用是实现零件加工的切削运动，其控制量为速度。进给伺服系统的主要作用是实现零件加工的成形运动，其控制量为速度和位置，特点是能灵敏、准确地跟踪CNC装置的位置和速度指令。
3．控制面板
控制面板又称操作面板，是操作人员与数控机床（系统）进行信息交互的工具。操作人员可以通过它对数控机床（系统）进行操作、编程、调试或对机床参数进行设定和修改，也可以通过它了解或查询数控机床（系统）的运行状态。它是数控机床的一个输入输出部件，主要由按钮站、状态灯、按键阵列（功能与计算机键盘一样）和显示器等部分组成。
4．控制介质与程序输入输出设备
控制介质是记录零件加工程序的媒介，是人与机床建立联系的介质。程序输入输出设备是CNC系统与外部设备进行信息交互的装置，其作用是将记录在控制介质上的零件加工程序输入CNC系统，或将已调试好的零件加工程序通过输出设备存放或记录在相应的介质上。目前数控机床常用的控制介质和程序输入输出设备是磁盘和磁盘驱动器等。
此外，现代数控系统一般可利用通讯方式进行信息交换。这种方式是实现CAD／CAM的集成、FMS（柔性制造系统）和CIMS（计算机集成制造系统）的基本技术。目前在数控机床上常用的通讯方式有：
（1）串行通讯；（2）自动控制专用接口；（3）网络技术。
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5．PLC、机床I/O电路和装置
PLC是用于进行与逻辑运算、顺序动作有关的I/O控制，它由硬件和软件组成；机床I/O电路和装置是用于实现I/O控制的执行部件，是由继电器、电磁阀、行程开关、接触器等组成的逻辑电路。它们共同完成以下任务：
（1）接受CNC的M、S、T指令，对其进行译码并转换成对应的控制信号，控制辅助装置完成机床相应的开关动作；
（2）接受操作面板和机床侧的I/O信号，送给CNC装置，经其处理后，输出指令控制CNC系统的工作状态和机床的动作。
6．机床本体
机床本体是数控系统的控制对象，是实现加工零件的执行部件。它主要由主运动部件（主轴、主运动传动机构）、进给运动部件（工作台、拖板以及相应的传动机构）、支承件（立柱、床身等）以及特殊装置、自动工件交换（APC）系统、自动刀具交换（ATC）系统和辅助装置（如冷却、润滑、排屑、转位和夹紧装置等）组成。
备
注
三、数控机床的分类
1．按控制功能分类（1）点位控制数控机床
这类数控机床仅能控制两个坐标轴带动刀具或工作台，从一个点（坐标位置）准确地快速移动到下一个点（坐标位置），然后控制第三个坐标轴进行钻、镗等切削加工。它具有较高的位置定位精度，在移动过程中不进行切削加工，因此对运动轨迹没有要求。点位控制的数控机床主要用于加工平面内的孔系，主要有数控钻床、数控镗床、数控冲床、三坐标测量机等。
（2）直线控制数控机床
这类数控机床可控制刀具或工作台以适当的进给速度，从一个点以一条直线准确地移动到下一个点，移动过程中能进行切削加工，进给速度根据切削条件可在一定范围内调节。现代组合机床采用数控进给伺服系统，驱动动力头带着多轴箱轴向进给进行钻、镗等切削加工，它可以算作一种直线控制的数控机床。
（3）轮廓控制数控机床
这类数控机床具有控制几个坐标轴同时协调运动，即多坐标轴联动的能力，使刀具相对于工件按程序规定的轨迹和速度运动，能在运动过程中进行连续切削加工。这类数控机床有用于加工曲线和曲面形状零件的数控车床、数控铣床、加工中心等。现代的数控机床基本上都是这种类型。若根据其联动轴数还可细分为2轴（X、Z轴联动或X、Y轴联动）、2.5轴（任意2轴联动，第3轴周期进给）、3轴（X、Y、Z3轴联动）、4轴（X、Y、Z和A或B4轴联动）、5轴（X、Y、Z和A、C或X、Y、Z和B、C或X、Y、Z和A、B5轴联动）联动数控机床，联动坐标轴数越多，则加工程序的编制越难，通常3轴联动以上的零件加工程序只能采用自动编程系统编制。
2．按进给伺服系统类型分类
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按数控系统的进给伺服子系统有无位置测量反馈装置可分为开环数控机床和闭环数控机床，在闭环数控系统中根据位置测量装置安装的位置又可分为全闭环和半闭环两种。
（1）开环数控机床
开环数控机床采用开环进给伺服系统。开环进给伺服系统没有位置测量反馈装置，信号流是单向的（数控装置→进给系统），故系统稳定性好。但由于无位置反馈，精度相对闭环系统来讲不高，其精度主要取决于伺服驱动系统和机械传动机构的性能和精度。该系统一般以步进电机作为伺服驱动元件。它具有结构简单、工作稳定、调试方便、维修简单、价格低廉等优点，在精度和速度要求不高、驱动力矩不大的场合得到广泛应用。
（2）半闭环数控机床
半闭环数控系统的位置检测点是从驱动电机（常用交、直流伺服电机）或丝杠端引出，通过检测电机和丝杠旋转角度来间接检测工作台的位移量，而不是直接检测工作台的实际位置。由于在半闭环环路内不包括或只包括少量机械传动环节，可获得较稳定的控制性能，其系统稳定性虽不如开环系统，但比闭环要好。另外，在位置环内各组成环节的误差可得到某种程度的纠正，位置环外不能直接消除的如丝杠螺距误差、齿轮间隙引起的运动误差等，可通过软件补偿这类误差来提高运动精度，因此在现代CNC机床中得到了广泛应用。
（3）闭环数控机床
闭环进给伺服系统的位置检测点是工作台，它直接对工作台的实际位置进行检测。理论上讲，可以消除整个驱动和传动环节的误差、间隙和失动量，具有很高的位置控制精度。但由于位置环内的许多机械传动环节的摩擦特性、刚性和间隙都是非线性的，很容易造成系统不稳定。因此闭环系统的设计、安装和调试都有相当的难度，对其组成环节的精度、刚性和动态特性等都有较高的要求，价格昂贵。这类系统主要用于精度要求很高的镗铣床、超精车床、超精磨床以及较大型的数控机床等。
3．按工艺用途（机床类型）分类
（1）切削加工类
即具有切削加工功能的数控机床。在金属切削机床常用的车床、铣床、刨床、磨床、钻床、镗床、插床、拉床、切断机床、齿轮加工机床等中，国内外都开发了数控机床，而且品种越来越细。比如，在数控磨床中不仅有数控外圆磨床，数控内圆磨床，集可磨外圆、内圆于一机的数控万能磨床，数控平面磨床，数控坐标磨床，数控工具磨床，数控无心磨床，数控齿轮磨床，还有专用或专门化的数控轴承磨床，数控外螺纹磨床，数控内螺纹磨床，数控双端面磨床，数控凸轮轴磨床，数控曲轴磨床，能自动换砂轮的数控导轨磨床（又称导轨磨削中心）等等，还有工艺范围更宽的车削中心、加工中心、柔性制造单元（FMC）等。
（2）成型加工类
是具有通过物理方法改变工件形状功能的数控机床。如数控折弯机、数控冲床、数控弯管机、数控旋压机等。
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（3）特种加工类
是具有特种加工功能的数控机床。如数控电火花线切割机床，数控电火花成型机床，带有自动换电极功能的“电加工中心”，数控激光切割机床，数控激光热处理机床，数控激光板料成型机床，数控等离子切割机等。
（4）其它类型
一些广义上的数控设备。如数控装配机、数控测量机、机器人等。
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注
四、数控机床的基本结构特征和主要辅助装置
1．数控机床的基本结构特征
（1）机床刚性提高，抗振性能大为改善；（2）机床热变形降低；（3）机床中间传动环节减少；
（4）机床各个运动副间的摩擦系数较小；（5）机床功能部件增多。2．数控机床的主要辅助装置
数控机床的辅助装置是一个完整的机器或装置，其作用是完成配合机床对零件加工的辅助工作。诸如切削液或油液处理系统中的冷却过滤装置，油液分离装置，吸尘吸雾装置，润滑装置及辅助主机实现传动和控制的气、液动装置等，虽然这些装置在某些自动化或精密型非数控机床上已配备使用，但是，数控机床要求配备的装置的质量、性能更为精化。
除上述通用辅助装置外，还有对刀仪、自动排屑器、物料储运及上下料装置等。
五、数控机床的规格、性能和可靠性指标
1．规格指标
规格指标是指数控机床的基本能力指标，主要有以下几方面：
（1）行程范围和摆角范围
行程范围是指坐标轴可控的运动区间，它反映该机床允许的加工空间，一般情况下工件轮廓尺寸应在加工空间的范围之内。摆角范围是指摆角坐标轴可控的摆角区间，也反映该机床的加工空间。
（2）工作台面尺寸
它反映该机床安装工件的最大范围，通常应选择比最大加工工件稍大一点的面积，这是因为要预留夹具所需的空间。
（3）承载能力
它反映该机床能加工零件的最大重量。
（4）主轴功率和进给轴扭矩
它反映该机床的加工能力，同时也可间接反映机床的刚度和强度。
（5）控制轴数和联动轴数
数控机床的控制轴数通常是指机床数控装置能够控制的进给轴数。数控机床控制轴数与数控装置的运算处理能力、运算速度及内存容量等有关。联动轴数是指数控机床同时控制多个进给轴，使它们按规定的路线和进给速度所确定的规律运动的进给轴数目。它反映数控机床的曲面加工能力。
（6）刀库容量
是指刀库能存放加工所需刀具的数量，它反映该机床能加工工序内容的多少。目前常见的中小型加工中心多为16~60把，大型加工中心达
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100把以上。
2．性能指标
（1）分辨率与脉冲当量
分辨率是指两个相邻的分散细节之间可以分辨的最小间隔。对测量系统而言，分辨率是可以测量的最小增量；对控制系统而言，分辨率是可以控制的最小位移增量。数控装置每发出一个脉冲信号，反映到机床移动部件上的移动量，通常称为脉冲当量。脉冲当量是设计数控机床的原始数据之一，其数值的大小决定数控机床的加工精度和表面质量。脉冲当量越小，数控机床的加工精度和加工表面质量越高。
（2）最高主轴转速和最大加速度
最高主轴转速是指主轴所能达到的最高转速，它是影响零件表面加工质量、生产效率以及刀具寿命的主要因素之一。最大加速度是反映主轴速度提速能力的性能指标，也是加工效率的重要指标。
（3）最高快移速度和最高进给速度
最高快移速度是指进给轴在非加工状态下的最高移动速度，最高进给速度是指进给轴在加工状态下的最高移动速度，它们也是影响零件加工质量、生产效率以及刀具寿命的主要因素。
另外，还有换刀速度和工作台交换速度，它们也是影响生产效率的性能指标。3．可靠性指标
（1）平均无故障时间MTBF（Mean time between failures）
它是指一台数控机床在使用中平均两次故障间隔的时间，即数控机床在寿命范围内总工作时间和总故障次数之比，即
MTBF总工作时间
总故障次数备
注
很显然，这段时间越长越好。
（2）平均修复时间MTTR（Mean time to restore。）
它是指一台数控机床从开始出现故障直到能正常工作所用的平均修复时间，即
MTTR总故障停机时间
总故障次数考虑到实际系统出现故障总是难免的，故对于可维修的系统，总希望一旦出现故障，修复的时间越短越好，即希望MTTR越短越好。
（3）平均有效度A 如果把MTBF看作设备正常工作的时间，把MTTR看作设备不能工作的时间，那么正常工作时间与总时间之比称为设备的平均有效度A，即
A平均无故障时间MTBF 平均无故障时间故障平均修复时间MTBFMTTR平均有效度反映了设备提供正确使用的能力，是衡量设备可靠性的一个重要指标。
六、数控机床的精度项目及检验
数控机床的精度项目主要包括几何精度、定位精度和切削精度。1．主要几何精度项目及检验
《数控加工工艺及设备》教案
内
容
数控机床的几何精度
是综合反映机床的关键零部件及其组装后的几何形位误差的指标。该指标可分为两类：一类是对机床的基础件和运动大件（如床身、立柱、工作台、主轴箱等）的直线度、平面度、垂直度等的要求，如工作台面的平面度，各坐标方向移动的直线度和相互垂直度，X、Y（立式）或X、Z（卧式）坐标方向移动时工作台面的平行度，X坐标方向移动时工作台面T形槽侧面的平行度等；另一类是对机床主轴的要求，如主轴的轴向窜动，主轴孔的径向跳动，主轴箱移动时主轴轴线的平行度，主轴轴线与工作台面的垂直度（立式）或平行度（卧式）等。
以卧式加工中心为例，主要有以下各项：（1）X、Y、Z坐标的相互垂直度；（2）工作台面的平面度；
（3）X轴和Z轴移动工作台面的平行度；（4）主轴回转轴心线对工作台面的平行度；（5）主轴在X、Y、Z各轴方向移动的直线度；（6）X轴移动工作台边界定位基准面的平行度；
（7）工作台中心线到边界定位器基准面之间的距离精度；（8）主轴轴向跳动；（9）主轴孔径向跳动。
几何精度常用检测工具有精密水平仪、精密方箱、直角尺、平尺、千分表、测微仪、高精度主轴心棒等。
2．定位精度的项目及检验
数控机床定位精度是指机床各运动部件在数控装置的控制下空载运动所能达到的位置准确程度。根据各轴能达到的位置精度就能判断出加工时零件所能达到的精度。
（l）直线运动定位精度
是指数控机床的移动部件沿某一坐标轴运动时实际值与给定值的接近程度，其误差称为直线运动定位误差。
XijPijPj
（1-1）
XijPijPj
（1-2）i=1，2，3„„n
代表向每一目标趋近的次数；
j=1，2，3„„m
代表目标位置。
备
注
n次单向趋近目标位置Pj时，可得到单向平均位置偏差Xj和Xj的值。Xjn XjnXi1nnij
（1-3）
Xi1ij
（1-4）
这样可得到从正、负方向趋近目标位置Pj时的反向差值Bj。
《数控加工工艺及设备》教案
内
容
BjXjXj
（1-5）n次单向趋近目标位置Pj时的标准偏差Sj和Sj为
备
注
Sj1n11n1Xi1nnijXj
2（1-6）
SjXi1ijXj2
（1-7）
定位精度A可分为单向定位精度Au和双向定位精度Ab二种。单向定位精度Au是取正、负方向趋近目标位置时定位误差中的最大值。正、负方向趋近目标位置时的定位精度如下：
A3S3S
（1-9）双向定位精度A为X3S、X3S中的最大值与X3S、X3S中的最小值之差值，即
AX3SX3S
（1-10）
AuXj3SjmaxXj3Sjmin
（1-8）
ujjmaxjjminbXXjjjjjjjjbjjmaxjjmin正常情况下，实际加工的某一坐标轴任意两点间的距离误差大约为该轴双向定位精度的2倍。
（2）直线运动的重复定位精度
是指在同一台数控机床上，应用相同程序、相同代码加工一批零件，所得到结果的一致程度。一般情况下，重复定位精度是正态分布的偶然性误差，它影响一批零件加工的一致性，是反映轴运动精度稳定性的最基本指标。
重复定位精度R为标准偏差Sj和Sj中最大值的6倍，即
R6Sjmax
（1-11）（3）直线运动的反向误差B
直线运动的反向误差也叫失动量，是该坐标轴进给传动链上驱动部件（如伺服电动机、伺服液压马达和步进电动机等）的反向死区及各机械运动传动副的反向间隙和弹性变形等误差的综合反映。误差越大，则定位精度和重复定位精度也越差。
BBjmax
（1-12）
（4）直线运动的原点返回精度（回零精度）
是指数控机床各坐标轴达到规定零点的准确程度，其误差称为回零误差。实质上是该坐标轴上一个特殊点的重复定位精度。
（5）分度精度A
是指分度工作台在分度时指令要求回转的角度值与实际回转的角度值的差值。
《数控加工工艺及设备》教案
内
容
AQj3Sj备
注
maxQj3Sjmin
（1-13）
3．切削精度的项目及检验
机床的切削精度是一项综合精度指标，它不仅反映了机床的几何精度和定位精度，同时还反映了试件的材料、环境温度、刀具性能以及切削条件等各种因素造成的误差。
（1）镗孔精度检查
（2）端铣刀铣削平面精度检查
（3）直线铣削精度检查
（4）斜线铣削精度检查（5）圆弧铣削精度检查
七、数控机床的主要功能
1．多轴控制功能
是指CNC系统能控制和能联动控制数控机床各坐标轴的进给运动的功能。CNC系统的控制进给轴有：移动轴和回转轴，基本轴和附加轴。
2．准备功能
即G功能——指令机床运动方式的功能。3．多种函数插补功能和固定循环功能
插补功能是指数控系统进行零件表面（平面或空间曲面）加工轨迹插补运算的功能。一般CNC系统仅具有直线和圆弧插补，较为高档的数控系统还具有抛物线、椭圆、极坐标、正弦线、螺旋线以及样条曲线等插补功能。
在数控加工中，有些加工内容如钻孔、镗孔、攻螺纹等，所做的动作需要循环且十分典型，数控系统预先将这些循环动作用G代码进行定义，在加工时使用这类G代码，可大大简化编程工作量，此即固定循环功能。
4．补偿功能
（1）刀具半径和长度补偿功能
该功能能实现按零件轮廓编制的程序控制刀具中心的轨迹，以及在刀具半径和长度发生变化（如刀具更换、刀具磨损）时，可对刀具半径或长度作相应的补偿。该功能由G指令或T指令实现。
（2）传动链误差、反向间隙误差补偿功能
螺距误差补偿可预先测量出螺距误差和反向间隙，然后按要求输入CNC装置相应的储存单元内，在加工过程中进行实时补偿。
（3）智能补偿功能
外界干扰产生的随机误差，可采用人工智能、专家系统等方法建立模型，实施智能补偿。如热变形引起的误差，装置将会在相应地方自动进行补偿。
5．主轴功能
是指数控系统对切削速度的控制功能。主要有以下五种控制功能：（1）主轴转速（切削速度）——实现刀具切削点切削速度的控制功能，单位为r／min（m／min）。
（2）恒线速度控制——实现刀具切削点的切削速度为恒速的控制功能。
《数控加工工艺及设备》教案
内
容
（3）主轴定向控制——实现主轴周向定位于特定点的控制功能。（4）C轴控制——实现主轴周向任意位置的控制功能。
（5）切削倍率——实现人工实时修调切削速度，即通过面板的倍率开关在0％~200％之间对其进行实时修调。
6．进给功能
是指数控系统对进给速度的控制功能。主要有以下三种控制功能：（1）进给速度——控制刀具或工作台的运动速度，单位为mm／min；（2）同步进给速度——实现切削速度和进给速度的同步，单位为mm／r，用于加工螺纹；
（3）进给倍率——实现人工实时修调进给速度，即通过面板的倍率开关在0％~200％之间对其进行实时修调。
7．宏程序功能
通过编辑子程序中的变量来改变刀具路径和刀具位置的功能。8．辅助功能
即M功能——规定主轴的起、停、转向，工件的夹紧和松开，冷却泵的接通和断开等机床辅助动作的功能。
9．刀具管理功能
是实现对刀具几何尺寸和刀具寿命的管理及刀具选择功能。刀具几何尺寸是指刀具的半径和长度，这些参数供刀具补偿功能使用。刀具寿命是指总计切削时间，当某刀具的时间寿命到期时，CNC系统将提示用户更换刀具。另外，CNC系统都具有T功能即刀具号管理功能，它用于标识刀库中的刀具和自动选择加工刀具。
10．人机对话功能
在CNC装置中配有单色或彩色阴极射线管，俗称显示器（CRT），通过软件可实现字符和图形的显示，以方便用户操作和使用。主要功能有：菜单结构的操作界面；数据及零件加工程序的输入及环境编辑；系统和机床参数、状态、故障信息的显示、查询等。
11．自诊断功能
是指CNC系统防止故障发生及故障诊断、故障定位和防止故障扩大的功能。12．通讯功能
通讯功能是指CNC装置与外界进行信息和数据交换的功能。
备
注
第二节
数控加工原理与数控加工工艺概述
数控加工
是根据零件图样及工艺要求等原始条件编制零件数控加工程序（简称为数控程序），输入数控系统，控制数控机床中刀具与工件的相对运动，从而完成零件的加工。
数控加工技术
是将普通金属切削加工、计算机数控、计算机辅助制造等技
《数控加工工艺及设备》教案
内
容
术综合的一门先进加工技术。在以上各个领域的进步推动下，尤其是计算机技术的飞速发展下，数控加工技术正从深度、广度上对机械加工技术进行革命性的变革。
备
注
一、数控加工原理
1．数控加工的过程
首先要将被加工零件图上的几何信息和工艺信息数字化，即将刀具与工件的相对运动轨迹、加工过程中主轴速度和进给速度的变换、冷却液的开关、工件和刀具的交换等控制和操作，都按规定的代码和格式编成加工程序，然后将该程序送入数控系统。数控系统则按照程序的要求，先进行相应的运算、处理，然后发出控制命令，使各坐标轴、主轴以及辅助动作相互协调，实现刀具与工件的相对运动，自动完成零件的加工。
2．数控加工中的数据转换过程（1）译码
译码程序的主要功能是将用文本格式（通常用ASCⅡ码）表达的零件加工程序，以程序段为单位转换成刀补处理程序所要求的数据结构（格式），该数据结构用来描述一个程序段解释后的数据信息。它主要包括：X、Y、Z等坐标值，进给速度，主轴转速，G代码，M代码，刀具号，子程序处理和循环调用处理等数据或标志的存放顺序和格式。
（2）刀补处理（计算刀具中心轨迹）
为方便编程，零件加工程序通常是按零件轮廓或按工艺要求设计的进给路线编制的，而数控机床在加工过程中控制的是刀具中心（准确说是刀位点）轨迹，因此在加工前必须将编程轨迹变换成刀具中心的轨迹。刀补处理就是完成这种转换的处理程序。
（3）插补计算
数控编程提供了刀具运动的起点、终点和运动轨迹，而刀具怎么从起点沿运动轨迹走向终点则由数控系统的插补装置或插补软件来控制。该程序以系统规定的插补周期T定时运行，它将由各种线形（直线、圆弧等）组成的零件轮廓，按程序给定的进给速度F，实时计算出各个进给轴在T内的位移指令（X1、Y1、„），并送给进给伺服系统，实现成形运动。
（4）PLC控制
CNC系统对机床的控制分为对各坐标轴的速度和位置的“轨迹控制”和对机床动作的“顺序控制” 或称“逻辑控制”。后者是指在数控机床运行过程中，以CNC内部和机床各行程开关、传感器、按钮、继电器等开关信号状态为条件，并按预先规定的逻辑关系对诸如主轴的起停、换向，刀具的更换，工件的夹紧、松开，液压、冷却、润滑系统的运行等进行的控制。PLC控制就是实现上述功能的功能模块。
数控加工原理就是将预先编好的加工程序以数据的形式输入数控系统，数控系统通过译码、刀补处理、插补计算等数据处理和PLC协调控制，最终实现零件
《数控加工工艺及设备》教案
内
容 的自动化加工。
备
注
二、数控加工工艺和数控加工工艺过程的概念、主要内容及特点
（一）数控加工工艺和数控加工工艺过程的概念
1．数控加工工艺
是采用数控机床加工零件时所运用各种方法和技术手段的总和，应用于整个数控加工工艺过程。数控加工工艺是伴随着数控机床的产生、发展而逐步完善起来的一种应用技术，它是人们大量数控加工实践的经验总结。
2．数控加工工艺过程
是利用切削工具在数控机床上直接改变加工对象的形状、尺寸、表面位置、表面状态等，使其成为成品或半成品的过程。
（二）数控加工工艺和数控加工工艺过程的主要内容（1）选择并确定进行数控加工的内容；（2）对零件图纸进行数控加工的工艺分析；（3）零件图形的数学处理及编程尺寸设定值的确定；（4）数控加工工艺方案的制定；（5）工步、进给路线的确定；（6）选择数控机床的类型；
（7）刀具、夹具、量具的选择和设计；（8）切削参数的确定；
（9）加工程序的编写、校验与修改；
（10）首件试加工与现场问题处理；（11）数控加工工艺技术文件的定型与归档。
（三）数控加工工艺的特点 1．数控加工工艺内容要求具体、详细 2．数控加工工艺要求更严密、精确
3．制定数控加工工艺要进行零件图形的数学处理和编程尺寸设定值的计算 4．制定数控加工工艺选择切削用量时要考虑进给速度对加工零件形状精度的影响
5．制定数控加工工艺时要特殊强调刀具选择的重要性 6．数控加工工艺的特殊要求
7．数控加工程序的编写、校验与修改是数控加工工艺的一项特殊内容
三、数控加工工艺与数控编程的关系
1．数控程序
输入数控机床，执行一个确定的加工任务的一系列指令，称为数控程序或零件程序。
2．数控编程
即把零件的工艺过程、工艺参数及其它辅助动作，按动作顺序和数控机床规定的指令、格式，编成加工程序，再记录于控制介质即程序载体（磁盘等），输入数控装置，从而指挥机床加工并根据加工结果加以修正的过程。
3．数控加工工艺与数控编程的关系
数控加工工艺分析与处理是数控编程
《数控加工工艺及设备》教案
内
容 的前提和依据，没有符合实际的、科学合理的数控加工工艺，就不可能有真正可行的数控加工程序。而数控编程就是将制定的数控加工工艺内容程序化。
备
注
第三节
数控机床的坐标系统一、数控机床的坐标系
1．标准坐标系和运动方向
标准坐标系采用右手直角笛卡儿定则。基本坐标轴为X、Y、Z并构成直角坐标系，相应每个坐标轴的旋转坐标分别为A、B、C。
基本坐标轴X、Y、Z的关系及其正方向用右手直角定则判定，拇指为X轴，食指为Y轴，中指为Z轴，围绕X、Y、Z各轴的回转运动及其正方向A、B、C分别用右手螺旋定则判定，拇指为X、Y、Z的正向，四指弯曲的方向为对应的A、B、C的正向。与X、Y、Z、A、B、C相反的方向相应用带“′”的X′、Y′、Z′、A′、B′、C′表示。注意，X′、Y′、Z′之间不符合右手直角笛卡儿定则。
由于数控机床各坐标轴既可以是刀具相对于工件运动，也可以是反之，所以ISO标准规定：
（l）不论机床的具体结构是工件静止、刀具运动，或是工件运动、刀具静止，在确定坐标系时，一律看作是刀具相对静止的工件运动。
（2）机床的直线坐标轴X、Y、Z的判定顺序是：先Z轴，再X轴，最后按右手定则判定Y轴。
（3）坐标轴名（X、Y、Z、A、B、C）不带“′”的表示刀具运动；带“′”的表示工件运动，如图1-16所示。
（4）增大工件与刀具之间距离的方向为坐标轴正方向。2．坐标轴判定的方法和步骤（1）Z轴
规定平行于机床主轴轴线的坐标轴为Z轴。对于有多个主轴或没有主轴的机床（如刨床），标准规定垂直于工件装夹面的轴为Z轴。对于能摆动的主轴，若在摆动范围内仅有一个坐标轴平行主轴轴线，则该轴即为Z轴，若在摆动范围内有多个坐标轴平行主轴轴线，则规定其中垂直于工件装夹面的坐标轴为Z轴。
规定刀具远离工件的方向为Z轴的正方向（Z）。（2）X轴
对于工件旋转的机床，X轴的方向是在工件的径向上，且平行于横滑座，刀具离开工件旋转中心的方向为X轴正方向；对于刀具旋转的立式机床，规定水平方向为X轴方向，且当从刀具（主轴）向立柱看时，X正向在右边；对于刀具旋转的卧式机床，规定水平方向仍为X轴方向，且从刀具（主轴）尾端向工件看时，右手所在方向为X轴正方向。
（3）Y轴
《数控加工工艺及设备》教案
内
容
Y轴垂直于X、Z坐标轴。Y轴的正方向根据X和Z坐标轴的正方向按照右
备
注
手直角笛卡儿定则来判断。
（4）旋转运动A、B和C
A、B和C表示其轴线分别平行于X、Y和Z坐标的旋转运动。A、B和C的正方向可按右手螺旋定则确定。
（5）附加坐标轴的定义
如果在X、Y、Z坐标以外，还有平行于它们的坐标，可分别指定为U、V、W。若还有第三组运动，则分别指定为P、Q和R。
（6）主轴正旋转方向与C轴正方向的关系
主轴正旋转方向
从主轴尾端向前端（装刀具或工件端）看顺时针方向旋转为主轴正旋转方向。对于普通卧式数控车床，主轴的正旋转方向与C轴正方向相同。对于钻、镗、铣、加工中心机床，主轴的正旋转方向为右旋螺纹进入工件的方向，与C轴正方向相反。所以不能误认为C轴正方向即为主轴正旋转方向。
二、机床坐标系与工件坐标系
1．机床坐标系与机床原点、机床参考点
（1）机床坐标系
机床坐标系是机床上固有的坐标系，是用来确定工件坐标系的基本坐标系，是确定刀具（刀架）或工件（工作台）位置的参考系，并建立在机床原点上。机床坐标系各坐标和运动正方向按前述标准坐标系规定设定。
（2）机床原点
现代数控机床都有一个基准位置，称为机床原点，是机床制造商设置在机床上的一个物理位置，其作用是使机床与控制系统同步，建立测量机床运动坐标的起始点。
（3）机床参考点
与机床原点相对应的还有一个机床参考点，它也是机床上的一个固定点，通常不同于机床原点。一般来说，加工中心的参考点设在工作台位于负极限位置时的一基准点上。
2．工件坐标系与工件坐标系原点（1）工件坐标系
编程人员在编程时设定的坐标系，也称为编程坐标系。（2）工件坐标系原点
也称为工件原点或编程原点，一般用G92或G54~G59指令指定。（3）工件坐标系坐标轴的确定
坐标原点选定后，接着就是坐标轴的确定。工件坐标系坐标轴确定的原则为：根据工件在机床上的安放方向与位置决定Z轴方向，即工件安放在数控机床上时，工件坐标系的Z轴与机床坐标系Z轴平行，正方向一致，在工件上通常与工件主要定位支撑面垂直；然后，选择零件尺寸较长方向或切削时的主要进给方向
《数控加工工艺及设备》教案
内
容
为X轴方向，在机床上安放后，其方位与机床坐标系X轴方位平行，正向一致；过原点与X、Z轴垂直为Y轴，根据右手定则，确定Y轴的正方向。
3．装夹原点
有的机床还有一个重要的原点，即装夹原点，是工件在机床上安放时的一个重要参考点。
备
注
第四节
插补原理及与加工精度和加工效率的关系
一、数控加工轨迹控制原理——插补原理
插补的任务就是要根据进给速度的要求，完成在轮廓起点和终点之间的中间点的坐标值计算。目前常用的插补方法有两类：脉冲增量插补法和数据采样插补法。
（一）脉冲增量插补
脉冲增量插补是模拟硬件插补的原理，把计算机每次插补运算产生的指令输出到伺服系统，伺服系统根据进给脉冲进给，以驱动工作台运动。计算机每发出一个脉冲，工作台移动一个基本长度单位（脉冲当量），并且每次插补的结果仅产生一个行程增量，每进给一步（一个脉冲当量），计算机就要进行一次插补运算，进给速度受计算机插补速度的限制，因此很难满足现代数控机床高速度的要求。
（二）数据采样插补法
数据采样插补原理是将加工一段直线或圆弧的时间划分为若干相等的插补周期，每经过一个插补周期就进行一次插补计算，算出在该插补周期内各坐标轴的进给量，边计算边加工，若干次插补周期后完成一个曲线段的加工，即从曲线段的起点走到终点。数据采样插补是根据用户程序的进给速度，将给定轮廓曲线分割为每一插补周期的进给段，即轮廓步长。每一个插补周期，执行一次插补运算，计算出下一个插补点（动点）坐标，从而计算出下一周期各个坐标的进给量，如X、Y等，进而得出下一插补点的指令位置。插补周期可以等于采样周期，也可以是采样周期的整倍数。对于直线插补，动点在一个插补周期内运动的直线段与给定直线重合。对于圆弧插补，动点在一个插补周期内运动的直线段以弦线（或切线、割线）逼近圆弧。
圆弧插补常用弦线逼近的方法。如图1-25所示，用弦线逼近圆弧，会产生逼近误差er。设为在一个插补周期内逼近弦所对应的圆心角、r为圆弧半径，则
err1cos
（1-14）
2将上式中的cos用幂级数展开，得
2
《数控加工工艺及设备》教案
内
容
err1cos
22242r11
2!4!备
注
28r
（1-15）
设T为插补周期，F为刀具进给速度，则进给步长（或插补步长）l为 lTF 用进给步长l代替弦长，有
lrTFr
将上式代入式（1-15），得
l21TF er
（1-16）
8r8r
式（1-16）反映了逼近误差er与插补周期T、进给速度F和圆弧半径r的关系。
根据式1-16，可以得到一个关系式：
l8er允r
（1-17）式中
er允——轮廓曲线允许的逼近误差；
r——圆弧半径；
l——轮廓步长，即单位时间（插补周期）内的进给量。
二、插补原理、进给速度与加工精度和加工效率的关系
从式1-16可以看出，逼近误差与进给速度、插补周期的平方成正比，与圆弧半径成反比。较小的插补周期，可以在小半径圆弧插补时允许较大的进给速度。从另一角度讲，进给速度、圆弧半径一定的条件下，插补周期越短，逼近误差就越小。对于一个确定的数控系统，插补周期一般是固定的，插补周期确定之后，一定的圆弧半径，应有与之对应的最大进给速度限定，以保证逼近误差er不超过允许值。对脉冲增量插补，进给速度越快，则脉冲当量值越大，加工误差也就越大，插补周期越短，插补精度越高；进给速度越快，插补精度越低，但效率越高。当加工精度要求很高（如微米级）时，在数控系统一定的情况下，进给速度的快慢将影响工件的形状精度，同时自然影响加工效率。
第五节
当今国际数控加工技术的发展趋势
1．高速切削 2．高精度加工 3．复合化加工 4．控制智能化
《数控加工工艺及设备》教案
内
容
具体体现在以下几个方面：（l）加工过程自适应控制技术（2）加工参数的智能优化与选择（3）故障自诊断功能（4）智能化交流伺服驱动装置 5．互联网络化
6．计算机集成制造系统（Computer Integrated Manufacturing System，缩写为CIMS）
一般认为CIMS应由下列六个子系统组成：（1）计算机辅助经营和生产管理系统；
（2）计算机辅助产品设计／制造等开发工程系统；（3）自动化制造加工系统；（4）计算机辅助储运系统；（5）全厂质量控制系统；（6）数据库与通信系统。
计算机集成制造系统的发展可以实现整个机械制造厂的全盘自动化，成为自动化工厂或无人化工厂，是自动化制造技术的发展方向。
备
注
第三篇：数控加工工艺与设备教案
《数控加工工艺与设备》授课教案 第一章
数控加工工艺及设备基础
第一节 机床数控技术与数控加工设备概述
一、机床中有关数控的基本概念（理解）
二、数控机床的组成（理解）
三、数控机床的分类（理解，掌握）
四、数控机床的基本结构特征和主要辅助装置（理解）
五、数控机床的规格、性能和可靠性指标（理解）
六、数控机床的精度项目及检验（理解）
七、数控机床的主要功能（理解）
第二节 数控加工原理与数控加工工艺概述
一、数控加工原理（理解）
二、数控加工工艺和数控加工工艺过程的概念，主要内容及特点（重点掌握）
三、数控加工工艺与数控编程的关系（理解）第三节 数控机床的坐标系统一、数控机床的坐标系（掌握）
第四节 插补原理及加工精度和加工效率的关系
一、数控加工轨迹控制原理——插补原理（理解）
二、插补原理，进给速度与加工精度和加工效率的关系（掌握）第五节当今国际数控技术的发展趋势（了解）
第二章 数控机床的机械结构
第一节 数控机床机械结构特点
一、数控机床机械结构的组成（了解）
二、数控机床的结构特点（了解）第二节 数控机床主传动系统一、数控机床主传动系统的特点（理解）
二、数控机床主轴的传动方式（掌握）
三、主轴组件（理解）
第三节 数控机床主传动系统应用
一、SSCK20/500数控车床主传动系统及主轴结构（了解）
二、JCS-018A加工中心主传动系统及主轴箱结构（了解）第四节 数控机床进给传动系统一、数控机床对进给传动系统的要求（了解）
二、导轨（理解）
三、滚珠丝杠螺母副（理解）
四、传动齿轮间隙消除机构（理解掌握）
五、回转进给系统（理解掌握）第五节 数控机床进给传动系统应用
一、MJ-50数控机床进给传动系统（了解）
二、JCS-018A加工中心进给传动系统及传动装置（了解）第六节 自动换刀装置
一、自动换刀装置的形式（了解）
二、刀库（了解）
三、实例（了解）第七节 辅助装置
一、数控机床的液压和气动系统（了解）
二、排屑装置（了解）第三章 数控刀具
第一节 数控刀具的种类及特点
一、数控刀具的种类（了解）
二、数控刀具的特点（掌握）第二节 数控刀具材料
一、切削用刀具材料应具备的性能（了解）
二、各种刀具材料（了解）
第三节 数控刀具的失效形式及可靠性
一、数控刀具的失效形式及对策（掌握）
二、刀具失效在线监测方法（了解）
三、数控刀具可靠性（了解）第四节 数控可转位刀片
一、可转位刀片代码（了解）
二、可转位刀片的断屑槽槽型（了解）
三、可转位刀片的夹紧方式（掌握）
四、可转位刀片的选择（掌握）第五节数控刀具的选择
一、选择数控刀具通常应考虑的因素（理解）
二、数控铣削刀具的选择（重点掌握）
三、加工中心刀具的选择（掌握）
四、数控机床刀柄的选择（理解）第六节 工具系统一、工具系统的发展（了解）
二、车削类工具系统（理解）
三、镗铣类工具系统（理解）
四、刀具管理系统（了解）
第四章 数控车削加工工艺及数控车床使用 第一节 概述
一、数控车床的组成及布局（了解）
二、数控车床的分类（了解）
三、数控车削的主要加工对象（掌握）第二节数控车削加工工件的装夹及对刀
一、数控车削加工工件的装夹（重点掌握）
二、数控车削加工的对刀（掌握）（重点与难点）第三节 制定数控车削加工工艺要解决的主要问题
一、选择并确定进行数控加工的内容（理解）
二、对零件图形进行数控加工工艺分析（重点掌握）（难点）
三、零件图形的数学处理及编程尺寸设定值的确定（重点掌握）（难点）
四、数控车削加工工艺过程的拟订（重点掌握）（难点）
五、数控加工余量，工序尺寸及公差的确定（重点掌握）（难点）
六、切削参数的选择（重点掌握）
七、首件试加工与现场问题处理（了解）
第四节 数控车削加工工艺文件（重点掌握）第五节 典型数控车削零件的加工工艺分析
一、轴类零件数控车削加工工艺（重点掌握）
二、轴套类零件数控车削加工工艺（掌握）第六节 难加工材料的数控车削加工
一、难加工材料的种类和特点（理解）
二、难加工材料的数控车削（理解）第七节 数控车拉工艺介绍
一、数控车拉原理（了解）
二、车拉工艺应用（了解）
第五章 数控铣削加工工艺及数控铣床使用 第一节 概述
一、数控铣床的分类（了解）
二、数控铣床的主要加工对象（理解）
第二节 制定数控铣削加工工艺要解决的主要问题
一、选择并确定进行数控铣削加工的内容（掌握）
二、数控铣削加工工艺性分析（重点掌握）
三、零件图形的数学处理（了解）
四、与起刀、进刀、退刀有关工艺问题的处理（重点掌握）
五、逆铣、顺铣及切削方向、切削方式的确定（重点掌握）
六、数控铣削加工工艺参数的确定（理解）第三节 复杂曲线曲面数控铣削加工的刀具轨迹
一、两坐标数控铣削加工刀具轨迹的生成（掌握）
二、多坐标数控铣削加工刀具轨迹的生成（理解）
三、数控铣削加工刀具运动轨迹的编辑（了解）
四、数控铣削加工刀具运动轨迹的干涉检查与修正（了解）第四节 复杂表面自动编辑工艺处理（了解）
一、自动编程加工的基本工作原理（了解）第五节汽车覆盖件模具的数控铣削加工（略）第六节典型数控铣削零件的加工工艺分析
一、支架零件的数控铣削加工工艺（重点掌握）第六章、加工中心加工工艺及加工中心使用 第一节 概述
一、加工中心的分类（了解）
二、加工中心的主要加工对象（掌握）
第二节 加工中心加工零件的安装及对刀，换刀
一、加工中心加工工件的安装（掌握）（难点）
二、加工中心加工的对刀换刀（重点、掌握）第三节 制定加工中心加工工艺要解决的主要问题
一、零件的工艺分析（重点掌握）
二、加工中心的选用（理解）
三、加工中心加工零件的工艺方案设计（重点掌握）（难点）
四、加工中心加工的工步设计（重点掌握）（难点）
五、加工中心加工进给路线的确定（重点掌握）
六、加工余量的确定（理解掌握）
七、工序尺寸及公差的确定（掌握）
八、加工中心加工切削用量的选择（理解）第四节 典型加工中心加工零件的工艺分析
一、盖板类零件加工中心的加工工艺（理解掌握）（难点）
二、支承套零件加工中心的加工工艺（理解）第五节 加工中心使用技术（略）
第七章 大量生产典型零件数控加工工艺 第一节 典型轴类零件数控加工工艺
一、典型轴类零件介绍（了解）
二、工艺分析（掌握）（难点）
三、工艺过程卡和工序卡（掌握）（难点）机动
复习
实验
数控机床机械结构
数控车床 数控铣床 加工中心
第四篇：数控加工工艺教学计划
1 §1-1 2 1 §1-3 3 1 §1-4 4 2 项目一 5 2 项目一 6 2 项目一 7 3 项目二 8 3 项目二
绪论、数控加工基础
数控机床的主要参数指标、刀具角度
切削用量、加工冷却方法 典型数控车削零件一加工工艺分析
典型数控车削零件一加工工艺卡片编写
典型数控车削零件一加工工艺卡片互评
典型数控车削零件二加工工艺分析
典型数控车削零件二加工工艺卡片编写 2 2 2 2 2 2 2 2
预习下一堂课0.5h 预习下一堂课0.5h 预习下一堂课0.5h 预习下一堂课0.5h习题4、5 0.5 h ` 预习下一堂课0.5h 预习下一堂课0.5h 预习下一堂课0.5h 3 4 4 4 5 5 5 6
项目二 典型数控车削零件二加工工艺卡片互评
项目三 典型数控车削零件三加工工艺分析
项目三 典型数控车削零件三加工工艺卡片编写
项目三 典型数控车削零件三加工工艺卡片互评
项目四 典型数控铣削零件一加工工艺分析
项目四 典型数控铣削零件一加工工艺卡片编写
项目四 典型数控铣削零件一加工工艺卡片互评
项目五 典型数控铣削零件二加工工艺分析
2 2 2 2 2 2 2 2
预习下一堂课0.5h 4、5 0.5 h ` 预习下一堂课0.5h 预习下一堂课0.5h 预习下一堂课0.5h 预习下一堂课0.5h 预习下一堂课0.5h 预习下一堂课0.5h
习题10 11 12 13 14 15 16 6 18 6 19 7 20 7 21 7 22 8 23 8 24 8 项目五
项目五 项目六 项目六 项目六 电火花加工 电火花加工 CAPP技术
典型数控铣削零件二加工工艺卡片编写
典型数控铣削零件二加工工艺卡片互评
典型数控铣削零件三加工工艺分析
典型数控铣削零件三加工工艺卡片编写
典型数控铣削零件三加工工艺卡片互评
电火花加工基础知识
电火花加工原理
CAPP技术与先进制造生产模式简介 2 2 2 2 2 2 2 2
预习下一堂课0.5h 1、6共1 h 预习下一堂课0.5h 预习下一堂课0.5h 1、6共1 h 预习下一堂课0.5h 预习下一堂课0.5h
习题习题9 26 9 27 9 28 10
项目七
项目七 项目七 复习总结
典型电火花零件一加工工艺分析
典型电火花零件一加工工艺卡片编写
典型电火花零件一加工工艺卡片互评 复习总结
机动 共计 2
机动4
预习下一堂课0.5h
习题1、6共1 h
第五篇：数控加工工艺作业
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数控加工工艺作业
数控加工工艺作业（3）第4章 数控加工工艺基础
一、单项选择题：
1.D2.A3.C 4.B 5.D 6.B 7.D8.C9.D10.D
二、判断题
1.√2.×3.√4.×5.×6.×7.×8.√ 9.×10.√
三、简答题
1、什么叫工序和工步？划分工序的原则是什么？
答：①.机械加工工艺过程中，一个或一组工人在一个工作地点，对一个或一组工件连续完成的那部分工艺过程，称为工序。划分工序的依据是工作地是否发生变化和工作是否连续。
在不改变加工表面、切削刀具和切削用量的条件下所完成的那部分工位的内容称为工步。划分工步的依据是加工表面和工具是否变化。工序划分的原则
①工序集中原则：每道工序包括尽可能多的加工内容，不适合于大批量生产。
②工序分散原则：将工件的加工分散在较多的工序内进行，每道工序的加工内容很少。适合于大批量生产。
2、数控机床上加工的零件，一般按什么原则划分工序？如何划分？ 答：在数控机床上加工的零件，一般按工序集中原则划分工序，划分
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方法：
①按所用刀具划分：以同一把刀具完成的那一部分工艺过程为一道工序。
②按安装次数划分：以一次安装完成的那一部分工艺过程为一道工序。
③按粗、精加工划分：粗加工为一道工序，精加工为一道工序。
④按加工部位划分：以完成相同型面的那一部分工艺过程为一道工序。
3、划分加工阶段目的在于是什么？ 1）、保证加工质量 2）、合理使用设备 3）、便于及时发现毛坯缺陷 4）、便于安排热处理工序
4、什么是对刀点？对刀点位置确定的原则有哪些？
答：对刀点是数控加工时刀具相对零件运动的起点，又称“起刀点”，也就是程序运行的起点。
对刀点确定的原则：主要是考虑对刀点在机床上对刀方便，便于观察和检测，编程时便于数学处理和有利于简化编程。对刀点可选在零件或夹具上。为提高零件的加工精度，减少对刀误差，对刀点应尽量选在零件的设计基准或工艺基准上。
5、切削加工顺序安排的原则是什么？ 答：
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1）、基面先行原则 2）、先粗后精原则 3）、先主后次原则 4）、先面后孔原则
6、确定加工余量应注意哪些问题？ 答：确定加工余量应注意的问题： 1）采用最小加工余量原则。
2）余量要充分，防止因余量不足而造成废品。3）余量中应包含热处理引起的变形。4）大零件大余量。
5）总加工余量（毛坯余量）和工序余量要分别确定。
7、何谓加工精度？包括哪三个方面？
答：加工精度是指零件加工后的实际几何参数（尺寸、几何形状和相互位置）与理想几何参数相符合的程度，包括三个方面： ①尺寸精度； ②几何形状精度； ③相互位置精度。
8、何谓表面质量？包括哪些方面？
答：表面质量是指零件加工后的表层状态，它是衡量机械加工质量的一个重要方面。表面质量包括以下几个方面： 1）表面粗糙度。指零件表面几何形状误差。2）表面波纹度。指零件表面周期性的几何形状误差。
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3）冷作硬化。表层金属因加工中塑性变形而引起的硬度提高现象。4）残余应力。表层金属因加工中塑性变形和金相组织的可能变化而产生的内应力。
5）表层金相组织变化。表层金属因切削热而引起的金相组织变化。
9、从工艺因素考虑，产生加工误差的原因有哪些？ 答：产生加工误差的原因可分为以下几种： 1）加工原理误差。2）工艺系统的几何误差。3）工艺系统受力变形引起的误差。4）工艺系统受热变形引起的误差。5）工件内应力引起的加工误差。5）测量误差
10、影响表面粗糙度的工艺因素有哪些？
答：影响表面粗糙度的因素主要有工件材料、切削用量、刀具几何参数及切削液等。
四、计算题
1、图1所示为轴类零件图，其内孔和外圆和各端面均已加工好，试分别计算图示三种定位方案加工时的工序尺寸及其偏差。
图1
答：方案一：设计基准与定位基准重合，则A1工序尺寸及其偏差为
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12±0.1 方案二：设计基准与定位基准不重合，要确定A2，则设计尺寸12±0.1是间接得到的，即为封闭环。A2基本尺寸：LA2＝8＋12＝20 0.1＝ESA2－（－0.05）得ESA2＝＋0.05mm －0.1＝EIA2－0得
EIA2＝－0.1mm
故20 mm
方案三：同上，设计尺寸12±0.1是间接得到的，即为封闭环。
A3基本尺寸：LA3＝40－8－12＝20mm ＋0.1＝0－EIA3－（－0.05）得EIA3＝－0.05mm －0.1＝－0.1－ESA3－0得
ESA3＝0mm 故A3的基本尺寸及偏差：20 mm
2、图2所示零件，。因A3不便测量，试重新标出测量尺寸A4及其公差。
图2 答：根据题意可知，A3是封闭环，A2和A4是增环，A1是减环，则列出尺寸链图。
A4的基本尺寸
LA3＝LA4＋LA2－LA1得LA4＝LA3＋LA1－LA2
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＝20＋70－60 ＝30mm ESA3＝ESA2＋ESA4－EIA1得ESA4＝ESA3－ESA2＋EIA1
＝0.19－0＋（－0.07）
＝＋0.12mm EIA3＝EIA2＋EIA4－ESA1得EIA4＝EIA3－EIA2＋ESA1
＝0－（－0.04）＋（－0.02）
＝＋0.02mm 故A4的公差为TA4＝ESA4－EIA4＝0.12－0.02
＝0.10mm
3、图3所示零件，镗孔前A、B、C面已经加工好。镗孔时，为便于装夹，选择A面为定位基准，并按工序尺寸L4进行加工。已知。试计算L4的尺寸及其偏差。
答：下图为尺寸链图。
经分析，列尺寸链如上图，由于设计尺寸L3是本工序加工中间接得到的，即为封闭环。用箭头表示L2、L4为增环，L1为减环。则尺寸L4的计算如下：
基本尺寸：L3＝L2＋L4－L1 得L4＝L3＋L1－L2＝100＋280－80＝
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300mm 上偏差ESL3＝ESL4＋ESL2－EIL1 得ESL4＝ESL3－ESL2＋EIL1
＝0.15－0＋0＝＋0.15mm 下偏差ESI3＝EIL4＋EIL2－ESL1 得EIL4＝EIL3－EIL2＋ESL1
＝－0.15－（－0.06）＋0.1 ＝＋0.01mm 则工序尺寸L4＝300 mm 4.如图4所示套筒，以端面A加工缺口时，计算尺寸A3及其公差。
图4 答：因封闭环A0为12+0.15，在极值法中，封闭环的公差等于各组成环的公差之和，而组成环A1、A2的公差之和为0.20，已经大于A0的公差0.15，所以本题求解A3及其公差应为无解。
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