数控铣床

自动加工设备

数控铣床

数控铣床又称CNC（Computer Numerical Control）铣床。英文意思是用电子计数字化信号控制的铣床。[0]数控铣床是在一般铣床的基础上发展起来的一种自动加工设备，两者的加工工艺基本相同，结构也有些相似。[2]数控铣床有分为不带刀库和带刀库两大类。其中带刀库的数控铣床又称为加工中心。[3]

数控铣床又称CNC（Computer Numerical Control）铣床。英文意思是用电子计数字化信号控制的铣床。[1]

数控铣床是在一般铣床的基础上发展起来的一种自动加工设备，两者的加工工艺基本相同，结构也有些相似。[3]数控铣床有分为不带刀库和带刀库两大类。其中带刀库的数控铣床又称为加工中心。[4]

随着技术的发展以及世界先进制造技术的兴起和不断成熟，对数控加工技术提出了更高的要求，超高速切削、超精密加工等技术的应用，对数控机床的数控系统、伺服性能、主轴驱动、机床结构等提出了更高的性能指标。FMS的迅速发展和CIMS的不断成熟，又对数控机床的可靠性、通信功能、人工智能和自适应控制等技术提出更高的要求。随着微电子和计算机技术的发展，数控系统的性能日臻完善，数控技术的应用领域日益扩大。[5]

数控铣床是一种加工功能很强的数控机床，目前迅速发展起来的加工中心、柔性加工单元等都是在数控铣床、数控镜床的基础上产生的，两者都离不开铣削方式。由于数控铣削工艺最复杂，需要解决的技术问题也最多，因此人们在研究和开发数控系统及自动编程语言的软件时，也一直把铣削加工作为重点。[5]

简史

随着社会生产和科学技术的迅速发展，机械产品日趋精密复杂，且需频繁改型。特别是在宇航、造船、军事等领域所需的机械零件，精度要求高，形状复杂，批量小。加工这类产品需要经常改装或调整设备，普通机床或专用化程度高的自动化机床已不能适应这些要求。为了解决上述问题，一种新型的机床——数控机床应运而生。这种新型机床具有适应性强、加工精度高、加工质量稳定和生产效率高等优点。它综合应用了电子计算机、自动控制、伺服驱动、精密测量和新型机械结构等多方面的技术成果,是今后机床控制的

发展方向。[6]

数控机床的产生

数控机床的研制最早是从美国开始的。1948年，美国帕森斯公司（ParsonsCo.）在研制加工直升机浆叶轮廓用检查样板的加工机床任务时，提出了研制数控机床的初始设想。1949年，在美国空军部门的支持下，帕森斯公司正式接受委托，与麻省理工学院伺服机构实验室（Servo Mechanism laboratory of the Massachusetts Institute of Technology）合作，开始从事数控机床的研制工作。经过三年时间的研究,于1952年试制成功世界上第一台数控机床试验性样机。这是一台采用脉冲乘法器原理的直线插补三坐标连续控制铣床。其数控系统全部采用电子管元件，数控装置体积比机床本体还要大。其控制装置由2000多个电子管组成，占了一个普通实验室那么大。这台数控铣床的诞生，标志着机械制造的数字控制时代的开始。后又经过三年的改进和自动编程研究,于1955年进人实用阶段。一直到20世纪50年代末，由于价格和技术上的原因，数控机床局限在航空工业中应用，品种也多为连续控制系统。到了60年代，由于晶体管的应用，数控系统提高了可靠性且价格开始下降，一些民用工业开始发展数控机床，其中多数是钻床、冲床等点位控制的机床。数控技术不仅在机床上得到实际应用，而且逐步推广到焊接机、火焰切割机等，使数控技术不断地扩展应用范围。[6]

发展

自1952年，美国研制成功第一台数控机床以来，随着电子技术、计算机技术、自动控制和精密测量等相关技术的发展，数控机床也在迅速地发展和不断地更新换代，先后经历了五个发展阶段。[6]

第一代数控：1952--1959.年采用电子管元件构成的专用数控装置（NC）。[6]

第二代数控：从1959年开始采用晶体管电路的NC系统。[6]

第三代数控：从1965年开始采用小、中规模集成电路的NC系统。[6]

第四代数控：从1970年开始采用大规模集成电路的小型通用电子计算机控制的系统（Computer Numerical Control,CNC)。[6]

第五代数控：从1974年开始采用微型电子计算机控制的系统（Microcomputer Numerical Control,MNC)。[6]

目前，第五代微机数控系统基本上取代了以往的普通数控系统，形成了现代数控系统。它采用微处理器及大规模或超大规模集成电路，具有很强的程序存储能力和控制功能。这些控制功能是由一系列控制程序（即存储在系统内的管理程序）来实现的。这种数控系统的通用性很强，几乎只需改变软件，就可以适应不同类型机床的控制要求，具有很大的柔性。随着集成电路规模的日益扩大，光缆通信技术应用于数控装置中，使其体积日益缩小，价格逐年下降可靠性显著提高功能也更加完善数控装置的故障已从数控机床总的故障次数中占主导地位降到了很次要的地位。[6]

近年来,微电子和计算机技术的日益成熟，它的成果正在不断渗透到机械制造的各个领域中，先后出现了计算机直接数控（Direct Numerical Control,DNC）,柔性制造系统（Flexible Manufacturing System,FMS）和计算机集成制造系统（Computer- Integrated Manufacturing System,CIMS)。所有这些高级的自动化生产系统均是以数控机床为基础，它们代表着数控机床今后的发展趋势。[6]

工作原理

数控铣床的基本工作原理：在数控铣床上加工零件时，首先根据零件图样的要求，结合所采用的数控铣床的功能、性能和特点，确定合理的加工工艺，编制相应的数控加工程序，并采用适当的方式将程序输入到数控装置。在数控铣床加工过程中，数控装置对数控加工程序进行编译、运算和处理，输出坐标控制指令到伺服驱动系统，顺序逻辑控制指令到PLC，通过伺服驱动系统和PLC驱动机床主轴或工作台按照数控加工程序规定的轨迹和工艺参数运动，从而加工出符合图纸要求的零件。[7]

在数控铣床的运动控制过程中，工作台（或刀具）的最小移动单位是一个脉冲当量。因此，刀具的运动轨迹是具有极小台阶所组成的折线（数据点密化），从而合成所需的运动轨迹（直线或曲线）。数控系统根据给定的直线、圆弧（曲线）函数，在理想的轨迹上的已知点之间，进行数据点密化，确定一些中间点的方法，称为插补。数学上对加工轨迹进行逼近的方法叫做插补运算，它是在坐标系内完成的。下面以逐点比较法为例进行说明。[7]

逐点比较法的进刀过程是一步步执行的。它通过数学方法来跟踪计算刀具的当前位置坐标，再和编程轨迹坐标进行比较，以确定刀具相对于编程轨迹的位置，控制刀具沿着编程轨迹进行下一步移动。在逐点比较法中，每进给一步都需要进行偏差判别、坐标进给、偏差计算和终点比较四个节拍。[7]

计算机从起点坐标（坐标原点）起，开始逐点判断当前刀具位置是在编程轨迹之上还是之下。如果在上方，则向十X进一步；如果在下方，则向十Y进一步。每进给一次，还要和终点坐标相比较，如果已经到达终点，则进给停止。通过逐点比较和选择进给方向，实现对编程轨迹的跟踪。逐点比较法在其他象限也有对应的比较进给原则。[7]

在数控系统中，早期是用硬件插补器进行计算的，现在由于计算机速度的大幅度提高，这一过程已经完全可由软件来完成。[7]

插补计算除了逐点比较法以外，还有数字积分法、比较积分法、数字脉冲相乘法、矢量判别法、最小偏差法等。[7]

基本构造

数控铣床形式多样,不同类型的数控铣床在组成上虽有所差别，但却有许多相似之处。下面以XK5040A型数控立式升降台铣床为例介绍其组成情况。XK5040A型数控立式升降台铣床配有FANUC-3MA数控系统，采用全数字交流伺服驱动。该机床由6个主要部分组成，即床身部分，铣头部分，工作台部分，横进给部分，升降台部分，冷却、润滑部分。[8]

XK5040A型数控铣床的布局图
XK5040A型数控铣床的布局图

XK5040A型数控铣床的布局图中数字所代表依次为：1-底座；2-强电柜；3-变压器箱；4-垂直升降（z轴）进给伺服电动机；5-主轴变速手柄和按钮板；6-床身；7-数控柜；8、11-保护开关（控制纵向行程硬限位）；9-挡铁（用于纵向参考点设定）；10-操纵台；12-横向溜板；13-纵向（X轴）进给伺服电动机；14-横向（Y轴）进给伺服电动机；15-升降台；16-纵向工作台。[8]

床身

床身内部布局合理，具有良好的刚性，底座上设有4个调节螺栓便于机床进行水平调整,切削液储液池设在机床座内部。[8]

铣头

铣头部分由有级（或无级）变速箱和铣头两个部件组成。铣头主轴支承在高精度轴承上，保证主轴具有高回转精度和良好的刚性；主轴装有快速换刀螺母,前端锥孔采用ISO50#锥度；主轴采用机械无级变速，其调节范围宽，传动平稳，操作方便。刹车机构能使主轴迅速制动，可节省辅助时间,刹车时通过制动手柄撑开止动环使主轴立即制动。启动主电动机时，应注意松开主轴制动手柄。铣头部件还装有伺服电动机、内齿带轮、滚珠丝杠副及主轴套筒，它们形成垂向(z向)进给传动链，使主轴作垂向直线运动。[8]

工作台

工作台与床鞍支承在升降台较宽的水平导轨上，工作台的纵向进给是由安装在工作台右端的伺服电动机驱动的。通过内齿带轮带动精密滚珠丝杠副，从而使工作台获得纵向进给。工作台左端装有手轮和刻度盘，以便进行手动操作。床鞍的纵横向导轨面均采用了TURCTIE-B贴塑面，从而提高了导轨的耐磨性、运动的平稳性和精度的保持性，消除了低速爬行现象。[8]

升降台（横向进给部分）

升降台前方装有交流伺服电动机，驱动床鞍作横向进给运动，其传动原理与工作台的纵向进给相同。此外，在横向滚珠丝杠前端还装有进给手轮，可实现手动进给。升降台左侧装有锁紧手柄，轴的前端装有长手柄，可带动锥齿及升降台丝杆旋转，从而获得升降台的升降运动。[8]

冷却系统

机床的冷却系统是由冷却泵、出水管、回水管、开关及喷嘴等组成，冷却泵安装在机床底座的内腔里，冷却泵将切削液从底座内储液池打至出水管，然后经喷嘴喷出,对切削区进行冷却。[8]

润滑系统

润滑系统是由手动润滑油泵、分油器、节流阀、油管等组成。机床采用周期润滑方式，用手动润滑油泵，通过分油器主轴套筒、纵横向导轨及三向滚珠丝杆进行润滑，以提高机床的使用寿命。[8]

数控铣床
数控铣床

按形式布局分类

按机床主轴的布置形式及机床的布局特点分类，数控铣床可分为立式数控铣床、卧式数控铣床、龙门数控铣床和立卧两用数控铣床等。[9]

立式数控铣床

立式数控铣床的主轴轴线垂直于水平面，是数控铣床中最常见的一种布局方式，应用范围也最广。立式结构的铣床一般适应用于加工盘、套、板类零件，一次装夹后，可对上表面进行铣、钻、扩、镜、、攻螺纹等工序以及侧面的轮廓加工。[9]

卧式数控铣床

卧式数控铣床的主轴轴线平行于水平面，主要用于加工箱体类零件。为了扩大加工范围和扩充功能，通常采用增加数控转盘或万能数控转盘来实现4～5轴加工。一次装夹后可完成除安装面和顶面以外的其余四个面的各种工序加工，尤其是万能数控转盘可以把工件上各种不同角度的加工面摆成水平面来加工。[9]

龙门数控铣床

对于大尺寸的数控铣床，一般采用对称的双立柱结构，以保证机床的整体刚性和强度，即数控龙门铣床，有工作台移动和龙门架移动两种形式。它适用于加工飞机整体结构件零件、大型箱体零件和大型模具等。[9]

立卧两用数控铣床

立卧两用数控铣床也称万能式数控铣床，主轴可以旋转90°或工作台带着工件旋转90°，一次装夹后可以完成对工件五个表面的加工，即除了工件与转盘贴面的定位面外，其他表面都可以在一次安装中进行加工。其使用范围更广、功能更全，选择加工对象的余地更大，给用户带来了很多方便，特别是当生产批量小，品种较多，又需要进行立、卧两种方式加工时，用户只需要台这样的机床就行了。[9]

按按数控系统的功能分类

按数控系统的功能分类数控铣床可为经济型数控铣床、全功能数控铣床和高速铣削数控铣床等。[9]

经济型数控铣床

一般采用经济型数控系统，采用开环控制，可以实现三坐标联动。[9]

全功能数控铣床

采用半闭环控制或闭环控制，数控系统功能丰富，一般可以实现四坐标以上联动，加工适应性强，应用最广泛。[9]

高速铣削数控铣床

高速铣削是数控加工的一个发展方向，技术已经比较成熟，已逐渐得到广泛的应用。[9]

性能指标

数控铣床形式多样,不同类型的数控铣床性能参数也不一样，下面以XK5025数控铣床为例，对该机床的性能及主要规格，参数进行简要介绍。[10]

XK5025数控立式升降台式铣床，对主轴套筒和工作台纵横向移动进行数字式自动控制或手动控制。用户加工零件时,按照待加工零件的尺寸及工艺要求，编制零件加工程序,通过控制器面板上的操作键盘输入计算机,计算机经过处理发出伺服需要的脉冲信号,该信号经驱动单元放大后驱动步进电机,实现数控铣床的X、Y、Z三坐标联动功能（也可加装第四轴）,从而完成各种复杂形状零件的加工。[10]

该机床适用于多品种小批量生产的零件,对各种复杂曲线的凸轮、样板、弧形槽等零件的加工效能尤为显著。其驱动部件为高性能、很可靠的混合式步进电机，输出力矩大,高、低速性能均好，且系统具备手动回机械零点功能,机床的定位精度和重复定位精度较高不需要模具就能确保零件的加工精度，同时本机床所配系统具备刀具半径补偿和长度补偿功能，降低了编程复杂性,提高了加工效率。此外,其还具备零点偏置功能，可实现多工件的同时加工。[10]

下面列出XK5025数控铣床的一些主要规格和参数供参考。[10]

名称规格和参数
工作台面积（宽×长）250mm ×1120mm[10]
工作台纵向行程680mm[10]
工作台横向行程350mm[10]
升降台垂直行程400mm[10]
T型槽数及宽度3×15.87mm或3×14mm[10]
T型槽间距65mm[10]
工作台允许最大载重250kg[10]
主轴中心至床身导轨面的距离360mm[10]
主轴孔锥度7:24 IS030#[10]
主轴套筒行程130mm[10]
主轴转速有级65r/min~4750r/min[10]
主轴转速，无级60r/min~3500r/min[10]
铣削进给速度0mm/min~350mm/min[10]
快速移动速度2500mm/min[10]
分辨率0.001mm[10]
定位精度±0.013mm/300mm[10]
重复定位精度±0.005mm[10]
机床外形尺寸1405mm ×1712mm ×2296mm[10]

应用领域

数控铣床一般是指规格较小的升降台数控铣床，其工作台宽度多在630mm以下，规格较大的数控铣床（例如工作台宽度在500mm以上的）多属于床身式布局或龙门式布局。[11]随着技术的发展以及世界先进制造技术的兴起和不断成熟，对数控机床的可靠性、通信功能、人工智能和自适应控制等技术提出更高的要求。随着微电子和计算机技术的发展，数控系统的性能日臻完善，数控技术的应用领域日益扩大。[5]在航空航天、汽车制造、机械加工和模具制造业中，应用非常广泛。[11]

尺寸

规格较小的升降台式数控铣床，其工作台宽度多在400mm以下，它最适宜中小零件的加工和复杂形面的轮廓铣削任务。规格较大的如龙门式铣床，工作台在500—600mm以上，用来解决大尺寸复杂零件的加工需要。[12]

精度

我国已制定了数控铣床的精度标准，其中数控立式铣床已有专业标准。标准规定其直线运动坐标的定位精度为0.04/300mm，重复定位精度为0.025mm，铣圆精度为0.035mm。实际上，机床出厂精度均有相当的储备量，比国家标准的允差值大约压缩20%左右。因此，从精度选择来看，一般的数控铣床即可满足大多数零件的加工需要。对于精度要求比较高的零件，则应考虑选用精密型的数控铣床。[13]

现状前景

随着工业4.0和智能制造的兴起，升降台铣床也在不断融合先进的信息技术。数据分析、远程监控和自适应加工等技术的应用，使得铣床能够更加智能地进行加工，进一步提高了生产效率和质量。[14]

随着用户的需求多样化，从汽车制造业到航空航天领域，不同行业对升降台铣床的性能、规格和用途有着不同的要求；制造商需要与下游用户保持密切沟通，了解用户需求和市场变化，不断调整产品设计和生产策略，以满足不同行业用户的个性化需求。[14]

升降台铣床行业的发展前景广阔，未来将迎来一系列的技术升级和智能化发展。随着制造业的数字化转型和智能制造的兴起，升降台铣床行业将倾向于采用更先进的数控技术、自动化控制和智能化系统，提高设备的精度、效率和自适应性，2022年中国升降台铣床行业市场规模同比增长5.7%。[14]

参考资料 14

  1. 参考 1
  2. 参考 2
  3. 数控铣项目：中国队在这个项目上实现了三连冠 — m.toutiao.com
  4. 参考 4
  5. 参考 5
  6. 参考 6
  7. 参考 7
  8. 参考 8
  9. 参考 9
  10. 参考 10
  11. 参考 11
  12. 参考 12
  13. 参考 13
  14. 2023年中国升降台铣床行业产业链及市场规模分析 — 搜狐网
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