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1、 【摘要】数控机床是集计算机技术、电子技术、自动控制、传感测量、机械制造、网络通讯技术于一体的机电一体化产品。它的发展与应用开创了制造业的新时代。特别是近年来，数控技术的高低已经成为衡量一个国家制造业现代化的核心标志。我国是世界上机床产量最多的国家，随着经济的发展，数控机床的市场占有量和需求量都在不断的增加。但是一些机床的使用时间过长或着相关技术跟不上时代、市场的要求，需要对其进行改造。机床改造已经成为机床发展的趋势，也已经形成了一种产业。数控仿形铣床是一种重要的数控铣床。随着数控相关技术的快速发展，为了使其更好的适应现代机械生产加工的要求，对其进行改造已经成为必然。本文阐述数控机床的产生与发
2、展，对数控仿形铣床的组成、结构形式与工作原理作了相应的介绍和分析。并对数控仿形铣床的主传动系统和进给传动系统，及相应的零部件进行了一定的分析与改造：如主传动系统的主轴、轴承及轴承支撑部件，进给传动系统的联轴器、减速机构等。同时对数空仿形铣床的数控系统和改造时要注意的问题进行了简要的表述与说明。关键词：数控仿形铣床 数控系统 数控改造Abstract:CNC machine is a kind of Electromechanical Integration product that involves computer technology, electronic technology, aut
3、omatic control, sensing measurement, mechanical produce, ICT network. The development and application of it and created a new era of manufacturing. Especially in recent years, NC technology t have become the signs of measure of a country signs the core of modern manufacturing. China is the worlds la
4、rgest country in machine tool production. With the development of economy, CNC machine tool market share and demand are constantly increase. Because some machines were used for too much long time or the technology keep up with the market. We must transform the machines. Machine transformation has be
5、come the trend of development of machine tools, has also formed an industry.CNC Milling Machine Profilingis an important CNC Milling Machine. With The rapid development of technology NC, in order to better adapt to modern machinery production and processing requirements, their transformation has bec
6、ome inevitable.In this paper with a CNC machine tool development, then conducts the comprehensive corresponding description and analysisto the CNC milling machine copying of the composition, structure and working principle. Analysis and the transformation of the CNC milling machine copying the main
7、transmission system and feed drive system, and the corresponding parts and components: for example the transmission spindle, bearings and bearing components support, feed transmission coupling, deceleration institutions. At the same time the number of empty profiling systems and CNC Milling Machine
8、of the issue to be taken when a brief presentation and explanations.Keywords： CNC Milling Machine Profiling NC system NC transformation 目录1 概述51.1数控机床的产生与发展51.1.1数控机床的产生51.1.2数控机床的发展51.1.3国内数控机床的发展。61.1.4国内数控机床的发展趋势61.1.5国外数控技术的发展81.2数控仿形铣床的组成、加工原理与系统构成101.2.2数控仿形铣床的加工原理与系统构成111.3数控仿形铣床的分类121.4数控仿形铣
9、床的主要功能131.5机床改造的意义142 数控仿形铣床的主传动系统142.1主传动系统的特点152.2主传动系统的变速方式152.3主轴部件162.3.1主轴轴承162.3.2主轴部件的支承172.3.3主轴切屑清除装置202.4主轴准停装置202.5主轴润滑与密封202.5.1主轴润滑212.5.2主轴密封212.6电主轴212.7主传动系统故障诊断与维修233数控仿形铣床的进给传动系统253.1进给传动系统的特点253.2滚珠丝杠螺母副263.3联轴器273.4减速机构283.5导轨副283.6导轨润滑304数控仿形铣床的数控系统324.1数控系统的基本组成324.2数控仿形系统344.
10、3数控仿形系统的数字化功能354.4数控仿形系统的硬件结构364.5数控仿形系统的软件体系结构384.5.1系统软件介绍39结束语41谢辞42参 考 文 献431 概述近年来，随着国内各种类型机床改造需求的扩大，机床改造已经逐渐形成了一个产业，其中绝大部分是数控机床的改造。本文以数控龙门铣床为例介绍一下数控机床的改造。1.1数控机床的产生与发展科学技术和社会生产的不断发展，对机械产品的发展和生产率提出越来越高的要求。特别是宇航、造船、军工等领域所需的机械零件，精度高、形状复杂、而批量小。用一般的机床或专用程度化高的机床来加工这些零件显得很不合理，因为生产中要经常改装与调整设备。为了解决这些问题
11、，满足多品种、小批量的自动化生产，数控机床这一新型的机床应运而生了。1.1.1数控机床的产生1952年美国的帕森斯公司与麻省理工学院合作研制了世界上第一台数控机床，这就是直线插补连续控制的三坐标立式铣床。数控仿形铣床是数控机床的一种，是数控铣床的重要发展。它是铣削复杂形面零件的一种专用数控铣床，主要用于各种复杂型腔模具或工件的铣削加工，特别是对不规则的三维曲面和复杂边界构成的工件更是显示出了其优越性。1.1.2数控机床的发展数控机床的发展过程从其产生到现在，经历了两个阶段和六代的发展：（1） 数控（CNC）阶段（19521970）早期计算机运算速度低，这对当时的科学计算和数据处理影响并不大，但
12、不能适应机床的实时控制要求，人们不得不采用数字逻辑电路制成一台机床专用计算机作为数控系统，这被称为硬件连接数控，简称数控。随着器件的发展，这个阶段经历了三代，即1952年的第一代电子管数控机床；1959年的第二代晶体管数控机床；1965年的第三代集成电路数控机床。（2）计算机数控（CNC）阶段（1970现在）1970年，通用小型计算机业已经出现并成批生产，其运算速度比20世纪五六十年代有了大幅度提高，这比逻辑电路专用计算机成本低、可靠性高，于是将它移植过来作为数控系统的核心部件，从此进入了计算机数控（CNC）阶段。1971年，美国INTEL公司在世界上第一次将计算机的两个最核心的部件运算器和控
13、制器，采用大规模集成电路技术集成在一块芯片上，称之为微处理器，又称为中央处理器，1974年，微处理器应用于数控系统。因为微处理器是通用计算机的核心部件，故仍称为计算机数控，到了1990年，PC机性能已发展到很高的阶段，可满足作为数控系统核心部件的要求，而且PC机生产批量很大，价格便宜，可靠性高。数控系统从此进入基于PC机的阶段。总之，计算机数控阶段与经历了三代，即1970年的第四代小型计算机数控机床；1974年的第五代微型计算机数控机床；1990年的第六代基于PC机的数控机床1.1.3国内数控机床的发展。我国自1958年开始研制数控机床。在研制与使用数控机床方面取得了一定成绩。近年来，由于引进
14、了国外的数控系统与伺服系统的制造技术，我国数控机床的品种、数量和质量方面得到了飞速发展。进入21世纪，我国经济与国际全面接轨，进入了一个蓬勃发展的新时期。机床制造业既面临着机械制造业需求水平提升而引发的制造装备发展的良机，也遭遇到加入世界贸易组织后激烈的国际市场竞争的压力，加速推进数控铣床的发展是解决机床制造业持续发展的一个关键。随着制造业对数控铣床的大量需求以及计算机技术和现代设计技术的飞速进步，数控铣床的应用范围还在不断扩大，并且不断发展以更适应生产加工的需要。目前我国已有几十家机床厂能生产不同型号的数控机床和加工中心。我国经济型数控机床的研究、生产和推广工作也取得了较大发展，它必将对我国
15、各行业的技术改造上起到积极的推动作用。现在我国已经建立了以中、低档数控机床为主的产业体系。同时对国外数控技术的引进与消化的基础上，进行了大量的研究开发工作，一些高档的数控系统（五轴联动），分辨率为0.002微米的高精度数控系统，数控仿形系统相继出现，推进了数控装备的专业化生产和使用。在未来的几十年，我国将成为数控机床生产和使用大国。1.1.4国内数控机床的发展趋势随着计算机技术的发展，数控机床不断计算机、控制理论等领域的最新技术成就，它的性能日趋完善，应用领域日益扩大。同时为了满足市场和科学技术发展需要，为了达到现代制造技术对数控机床提出的更高的要求，数控技术及其装备正朝下述几个方向发展：（1
16、） 继续向开放式、基于PC的第六代方向发展基于PC所具有的开放式、低成本、高可靠性、软硬件资源丰富等特点，更多的数控系统生产厂家会走上这条路。至少采用PC机作为它的前端机，来处理人机界面，编程、联网通信的问题，由原有的系统承担数控的任务。PC机所具有的友好的人机界面，将普及到所有的数控系统。远程通讯，远程诊断和维修将更加普遍。（2）向高速化发展在刀具材料和刀具结构不断发展的支持下，切削速度不断地提高。在实际生产中，车、铣45号钢由1950年的80100m/min，至2000年普遍达到500600m/min，50年内切削速度提高了5倍。高速化加工另一个特点是大多从单一的高速切削发展至全面高速化，
17、不仅要缩短切削时间，也要力求降低辅助时间和技术准备时间。（3）向高精度化发展工件加工精度主要取决于机床精度、编程精度、插补精度和伺服精度。提高机床精度，在设计阶段可利用计算机辅助设计和模拟技术提高机床的动态，静态刚度；减速变形，提高其稳定性；克服爬行和提高传动精度。对机床床身等支撑件采用丙烯树脂“混凝土”制成，动刚度比铸件可提高6倍，此外。陶瓷新材料和人造花岗岩也开始用于机床支撑件的制造。（4）向智能化方向发展随着人工智能在计算机领域的不断渗透和发展，数控系统的智能化程度将不断提高。应用自适应控制技术：数控系统能检测过程中一些重要信息，并自动调整系统有关数据，达到改进系统运行状态的目的。引入专
18、家系统指导加工：将熟练工人的经验，加工的一般规律和特殊规律存入系统中，以工艺参数数据库为支撑，建立具有人工智能的专家系统。引入故障诊断专家系统：利用CNC系统的内装程序实现在线诊断，即在整个工作状态中，系统随时对CNC系统本身以及相连的各种设备进行诊断，检查，一旦出现故障，立即采用停机的措施，并通过CRT进行故障报警，提示发生的部位、原因等，并利用：“冗余”技术自动使故障模块脱块，而接通备用模块，一确保无人化工作环境的要求。智能化数字伺服驱动装置：可以通过自动识别负载，而自动调整参数，使驱动系统获得最佳运行。同时数控机床还向复合化，网络化等方向发展。而且由于采用了神经网络控制技术、模糊控制技术
19、、数字化网络技术、机械加工向虚拟制造的方向发展。1.1.5国外数控技术的发展数控仿形铣床的应用不但给传统制造业带来了革命性的变化，使制造业成为工业化的象征，而且随着数控技术的不断发展和应用领域的扩大，他对国计民生的一些重要行业（IT、汽车、轻工、医疗等）的发展起着越来越重要的作用，因为这些行业所需装备的数字化已是现代发展的大趋势。从目前世界上数控技术及其装备发展的趋势来看，其主要研究热点有以下几个方面：（1）高速、高精加工技术及装备的新趋势 效率、质量是先进制造技术的主体。高速、高精加工技术可极大地提高效率，提高产品的质量和档次，缩短生产周期和提高市场竞争能力。为此日本先端技术研究会将其列为5
20、大现代制造技术之一，国际生产工程学会（CIRP）将其确定为21世纪的中心研究方向之一。在轿车工业领域，年产30万辆的生产节拍是40秒/辆，而且多品种加工是轿车装备必须解决的重点问题之一；在航空和宇航工业领域，其加工的零部件多为薄壁和薄筋，刚度很差，材料为铝或铝合金，只有在高切削速度和切削力很小的情况下，才能对这些筋、壁进行加工。近来采用大型整体铝合金坯料“掏空”的方法来制造机翼、机身等大型零件来替代多个零件通过众多的铆钉、螺钉和其他联结方式拼装，使构件的强度、刚度和可靠性得到提高。这些都对加工装备提出了高速、高精和高柔性的要求。从EMO2001展会情况来看，高速加工中心进给速度可达80m/mi
21、n，甚至更高，空运行速度可达100m/min左右。目前世界上许多汽车厂，包括我国的上海通用汽车公司，已经采用以高速加工中心组成的生产线部分替代组合机床。美国CINCINNATI公司的Hyper Mach机床进给速度最大达60m/min，快速为100m/min，加速度达2g，主轴转速已达60 000r/min。加工一薄壁飞机零件，只用30min，而同样的零件在一般高速铣床加工需3h，在普通铣床加工需8h；德国DMG公司的双主轴车床的主轴速度及加速度分别达12000r/mm和1g。在加工精度方面，近10年来，普通级数控机床的加工精度已由10m提高到5m，精密级加工中心则从35m，提高到11.5m，
22、并且超精密加工精度已开始进入纳米级(0.01m)。 在可靠性方面，国外数控装置的MTBF值已达6 000h以上，伺服系统的MTBF值达到30000h以上，表现出非常高的可靠性。为了实现高速、高精加工，与之配套的功能部件如电主轴、直线电机得到了快速的发展，应用领域进一步扩大。（1）轴联动加工和复合加工机床快速发展采用5轴联动对三维曲面零件的加工，可用刀具最佳几何形状进行切削，不仅光洁度高，而且效率也大幅度提高。一般认为，1台5轴联动机床的效率可以等于2台3轴联动机床，特别是使用立方氮化硼等超硬材料铣刀进行高速铣削淬硬钢零件时，5轴联动加工可比3轴联动加工发挥更高的效益。但过去因5轴联动数控系统、
23、主机结构复杂等原因，其价格要比3轴联动数控机床高出数倍，加之编程技术难度较大，制约了5轴联动机床的发展。当前由于电主轴的出现，使得实现5轴联动加工的复合主轴头结构大为简化，其制造难度和成本大幅度降低，数控系统的价格差距缩小。因此促进了复合主轴头类型5轴联动机床和复合加工机床（含5面加工机床）的发展。在EMO2001展会上，新日本工机的5面加工机床采用复合主轴头，可实现4个垂直平面的加工和任意角度的加工，使得5面加工和5轴加工可在同一台机床上实现，还可实现倾斜面和倒锥孔的加工。德国DMG公司展出DMUVoution系列加工中心，可在一次装夹下5面加工和5轴联动加工，可由CNC系统控制或CAD/C
24、AM直接或间接控制。（1） 智能化、开放式、网络化成为当代数控系统发展的主要趋势21世纪的数控装备将是具有一定智能化的系统，智能化的内容包括在数控系统中的各个方面：为追求加工效率和加工质量方面的智能化，如加工过程的自适应控制，工艺参数自动生成；为提高驱动性能及使用连接方便的智能化，如前馈控制、电机参数的自适应运算、自动识别负载自动选定模型、自整定等；简化编程、简化操作方面的智能化，如智能化的自动编程、智能化的人机界面等；还有智能诊断、智能监控方面的内容、方便系统的诊断及维修等。为解决传统的数控系统封闭性和数控应用软件的产业化生产存在的问题。目前许多国家对开放式数控系统进行研究，如美国的NGC(
25、The Next Generation Work-Station/Machine Control)、欧共体的OSACA(Open System Architecture for Control within Automation Systems)、日本的OSEC(Open System Environment for Controller)，中国的ONC(Open Numerical Control System)等。数控系统开放化已经成为数控系统的未来之路。所谓开放式数控系统就是数控系统的开发可以在统一的运行平台上，面向机床厂家和最终用户，通过改变、增加或剪裁结构对象（数控功能），形成系列化
26、，并可方便地将用户的特殊应用和技术诀窍集成到控制系统中，快速实现不同品种、不同档次的开放式数控系统，形成具有鲜明个性的名牌产品。目前开放式数控系统的体系结构规范、通信规范、配置规范、运行平台、数控系统功能库以及数控系统功能软件开发工具等是当前研究的核心。网络化数控装备是近两年国际著名机床博览会的一个新亮点。数控装备的网络化将极大地满足生产线、制造系统、制造企业对信息集成的需求，也是实现新的制造模式如敏捷制造、虚拟企业、全球制造的基础单元。国内外一些著名数控机床和数控系统制造公司都在近两年推出了相关的新概念和样机，如在EMO2001展中，日本山崎马扎克（Mazak）公司展出的“Cyber Pro
27、duction Center”（智能生产控制中心，简称CPC）；日本大隈（Okuma）机床公司展出“IT plaza”（信息技术广场，简称IT广场）；日本大隈（Okuma）机床公司展出“IT plaza”（信息技术广场，简称IT广场）；德国西门子(Siemens)公司展出的Open Manufacturing Environment（开放制造环境，简称OME）等，反映了数控机床加工向网络化方向发展的趋势。1.2数控仿形铣床的组成、加工原理与系统构成数控仿形铣床是数控机床的一种，是数控铣床的重要发展。它是铣削复杂形面零件的一种专用数控铣床，主要用于各种复杂型腔模具或工件的铣削加工，特别是对不规则
28、的三维曲面和复杂边界构成的工件更是显示出了其优越性。1.2.1数控仿形铣床的组成数控仿形铣床由数控系统、主传动系统、进给伺服系统、冷却润滑系统等几大部分组成。（1）主轴部件：主轴部件是切削加工的功率输出部件，它由主轴箱、主轴电动机、主轴和主轴轴承的零件组成。主轴的启、停和变转速等动作均由数控系统控制，并且通过装在主轴上的刀具与切削运动。（2）进给伺服系统：它由进给电机和进给执行机构组成。按照程序设定的进给速度实现刀具和工件之间的相对运动，包括直线进给运动和旋转运动。（3）控制系统：控制系统部分由CNC装置、可编程控制器、伺服驱动装置、以及操作面板等组成。它是执行顺序控制动作和完成加工过程的控制
29、中心。（4）辅助装置：辅助装置包括润滑、冷却、排屑、防护、液压气动和检测系统等部分。这些装置虽然不直接参与切削运动，但是对机床加工效率、加工精度和可靠性起着保障作用。因此也是数控仿形铣床不可缺少的部分（5）机床基础件：机床基础件通常指底座、立柱、横梁等。它是整个机床的基础和框架，它们主要承受机床的静载荷以及在加工时产生的切削负载。因此必须足够的刚度。这些大件可以是铸铁件，也可以是焊接而成的钢结构件，它们是机床中体积和质量最大的部件。1.2.2数控仿形铣床的加工原理与系统构成数控仿形测量和加工的基本原理如图1所示。数控仿形测量和加工的过程可以表述如下：数控仿形测量和加工，首先利用三维接触式或非接
30、触式模拟测头检测实物模型的表面信息（主要指测头变形偏移量和它在机床坐标系中的坐标值），然后由AD转换电路把模拟量转换成数字量（有些数字化测头直接输出数字量）。仿形控制系统根据所测得的信息，按照仿形控制策略分配各个坐标轴的进给速度，并且把所分配的速度送给数控平台，由数控系统驱动各轴电机，完成仿形测量和加工的全部动作。因此数控仿形加工的控制过程可以概括为数据获取、数据处理、决策和控制四个阶段。由于实物模型是各种各样的，我们需要根据不同的模型表面状况，采用不同加工方式和行刀路线。实践表明，如果数控仿形加工系统具备以下三种仿形加工方式，基本上就能够加工现代工业所需要的绝大多数型面。这三种方式是：一维行
31、切仿形方式、二维层切仿形方式和三维清根仿图1-1 数控仿形加工的基本原理形方式。在实际应用中，这三种仿形方式之间可以进行实时切换4。数控仿形加工系统是基于数控系统之上的设备集成，是数控测量与加工在软件、硬件上的集成化与一体化。数控仿形加工系统由数控系统、仿形测量系统和仿形控制软件系统三部分组成。（1）数控系统这是整个系统的底层平台，仿形控制系统和仿形测量系统的所有动作，最终都必须通过数控系统才能实现。数控系统底层软件是DOS内存驻留程序，开机后通过运行批处理文件驻入内存。（2）仿形测量系统测量是仿形的基础，因为仿形控制原理是检测头在X、Y和Z方向上的偏移量，分配X轴、Y轴和Z轴的进给速度。而且
32、通过测量测点的坐标值，为后续的曲面建模或直接编制数控加工代码提供原始数据1。仿形测量系统包括数字化测头、测头接口电路以及相应的采样程序。（3）仿形控制软件系统测头在测量区域中按生成的路径运动时，需要解决测头对曲面的跟随性问题。也就是说，需要对测头的运动设计控制算法，使得测头在仿形运动过程中动态跟随曲面形状的变化，保证测头始终与型面接触，避免测头因变形过大而造成测头超程或变形过小而脱离型面。这是仿形控制软件系统的核心部分。1.3数控仿形铣床的分类数控仿形铣床是铣削复杂形面零件的一种专用铣床，它是利用靠模或样模，通过铣刀与工件间所形成的复合相对运动来实现仿形加工，所以又称靠模铣床。根据铣刀形状的种
33、类、铣削加工的方向和铣削零件的形状，数控仿形铣床可分为以下几种：（1）杯形铣刀数控仿形铣床采用杯形铣刀（或碗形铣刀）对工件外表面或内表面进行立体仿形铣削加工，如脚型、弯腿、鞋楦、假肢等。其工作原理是按零件形状尺寸要求先作一个样模（可以是金履，木质或其它材料，要求有一定的强度和刚度），将仿形辊轮紧靠样模，样模和工件都绕自身轴线作同步回转运动，而安装在仿形刀架上的杯形铣恨，除主切削运动外（铣刀回转运动轴线与工件回转运动轴线相平行），仿型刀架还随仿形辊轮一起同步摆动，使铣刀沿工件纵向（轴线方向）和横向（半径方向）的作同步进给运行，仿形辊轮滚过样模的过程也就是铣刀同步铣削工件的过程，从而将工件加工成与
34、样模形状尺寸都完全相同的复制品。有些杯形铣刀数控仿形铣床还带有砂光装置，在铣削成型后可对型面进行砂光处理。根据被铣削工件的排列形式不同，杯形铣刀数控仿形铣床有立式和卧式两种其刀架上一般装有2个以上（立式多为3-6个，卧式多为4-16个）铣刀头（直径为100-250mm），每个铣刀头上都安装3个杯形铣刀（刀刃圆弧直径为26mm或40mm），一次可同时铣削多个零件（加工直径常为75-250mm，加工长度常为130-800mm）。（2）柱形铣刀数控仿形型铣床利用各种圆柱形雕刻铣刀（端铣刀），既可对工件外表面进行立体仿形铣削加工，也可根据样模形状，在板状工件的表面上铣削各种不同花纹图案或比较复杂的型面
35、（即表面仿型铣削）等，通常又称为仿形雕花机。该类数控仿形型铣床与杯形铣刀数控仿形铣床的区别：一是采用柱形铣刀和仿型销针代替杯形铣刀和仿型辊轮；二是铣刀回转运动轴线与工件回转运动轴线相垂直。除此之外，其工作原理与杯形铣刀数控仿形铣床基本相同。该类仿型雕花机有手动和自动铣削加工两种类型，手动仿型雕花机可以安装2-16铣刀进行同时加工，自动仿型雕花机最多可同时加工36个工件，。数控仿形铣床的操作方法是调整好样模及工件之间的相互回转位置，并用顶尖或卡轴顶紧和固定，以保证样模和工件同步回转。加工完毕后，先进行铣刀复位，然后退回顶或卡轴，最后卸取工件。数控仿形铣床所能加工零件的形状受到仿型辊轮（或仿型销针
36、）曲率半径的影响，同时也受到加工时杯形铣刀（或柱形铣刀）的曲率半径影响，换言之，加工曲线的曲率半径要大于仿型辊轮（或仿型销针）的曲率半径，杯形铣刀（或柱形铣刀）的刀妨曲率半径要小于被加工曲线的曲率半径。数控仿形铣床加工时，零件的加工质量和加工精度主要决定于样模的制造精度、铣刀的刀刃曲率半径大小、以及铣刀与工件之间的复合相对运动是否协调一致。数控仿形铣床的生产率取决于机床的自动化程度以及同时加工工件的数量。1.4数控仿形铣床的主要功能各种类型数控铣床所配置的数控系统虽然各有不同，但各种数控系统的功能，除一些特殊功能不尽相同外，其主要功能基本相同。（1）、数控铣床的点位控制功能数控铣床的点位控制功
37、能可以实现对相互位置精度要求很高的孔系加工。（2）、数控铣床的连续轮廓控制功能数控铣床的连续轮廓控制功能可以实现直线、圆弧的插补功能及非圆曲线的加工。（3）、数控铣床刀具的半径补偿功能此功能可以根据零件图样的标注尺寸来编程，而不必考虑所用刀具的实际半径尺寸，从而减少编程时的复杂数值计算。（4）、数控铣床刀具的长度补偿功能此功能可以自动补偿刀具的长短，以适应加工中对刀具长度尺寸调整的要求。（5）、数控铣床的比例及镜像加工功能数控铣床的比例功能可将编好的加工程序按指定比例改变坐标值来执行。数控铣床的镜像加工又称轴对称加工，如果一个零件的形状关于坐标轴对称，那么只要编出一个或两个象限的程序，而其余象
38、限的轮廓就可以通过镜像加工来实现。（6）、数控铣床的旋转功能该功能可将编好的加工程序在加工平面内旋转任意角度来执行。（7）、数控铣床的子程序调用功能有些零件需要在不同的位置上重复加工同样的轮廓形状，将这一轮廓形状的加工程序作为子程序，在需要的位置上重复调用，就可以完成对该零件的加工。（8）、数控铣床的宏程序功能该功能可用一个总指令代表实现某一功能的一系列指令，并能对变量进行运算，使程序更具灵活性和方便性。 1.5机床改造的意义由于机床数控技术的不断进步，机床改造是一个“永恒”的课题，我国的机床改造业，也已经进入到以数控技术为主的新的行业。那些不能使用，使用效率低的，以及老化的机床设备是一种包袱
39、，但也是一批存量资源，修好了就是财富。只要找出主要的技术难点，解决关键技术问题，就可以以最小的投资盘活最大的存量资产争取到最大的经济效益和社会效益。数控仿形铣床因长时间工作，设备、电器控制元件会老化，整体可靠性差，故障频繁，机械传动偏差大，造成精度不高，速度慢；单轴控制，电路复杂，操作繁琐，性能不稳定，且效率低下。为解决上述问题，也为了适应现代制造工业发展，合理利用资源，针对数控仿形铣床的结构特点，对其进行改造。对数控机床进行改造有一下几点意义：（1）节省资源：机床的改造同购置新的机床相比一般可节省60左右的费用，大型及特殊设备尤为明显，一般大型机床改造只需花新机床购置费的13，即使将原机床的
40、结构进行彻底的改造升级，也只需花购买新机的60费用，并可以利用现有地基。（2）性能稳定可靠：因原机床各基础件经长期时效，几乎不会产生应力变形而影响精度。（3）提高生产效率：机床经改造后即可实现加工，效率比原机床提高数倍，对复杂零件而言难度越高功效提高的越多。2 数控仿形铣床的主传动系统数控仿形铣床主传动系统，是指主轴电动机的原动力通过该传动系统变成可供切削加工用的切削力矩和切削速度。为了适应各种不同材料的加工及各种不同加工方法，要求数控仿型铣床的主传动系统要有较宽的转速范围及相应的输出转矩。此外，由于主轴部件直接装夹刀具来对工件进行加工，因而对加工质量及刀具寿命有很大的影响，所以对主传动系统的
41、要求是很高的。为了能高效率的加工出高精度、低粗糙度的工件，必须要有一个具有良好性能的主传动系统和一个具有高精度、高刚度、振动小、热变形及噪音均能满足需要的主轴部件。2.1主传动系统的特点数控仿形铣床的主传动系统一般采用直流或交流主轴电动机，通过带传动和主轴箱的变速齿轮带动主轴旋转。由于这种电动机调速范围广，又可无极调速，使得主轴箱的结构大为简化。主轴电动机在额定转速时输出全部功率和最大转矩，随着转速的变化，功率和转矩将发生变化。在调速范围内（从额定转速调到最低转速）为恒转速，功率随转速成正比例下将；在调速范围内（从额定转速调到最高转速）为恒功率，转矩随转速升高成正比例减少。这种变化规律是符合正
42、常加工要求的，即低速切削所需转矩大，高速切削消耗功率大。同时也可以看出电动机的有效转速范围并不一定能完全满足主轴的工作需要，所以主轴箱一般仍需要设置几档变速（24档）。机械变档一般采用液压缸推动滑移齿轮实现，这种方法结构简单，性能可靠，一次变速只需一秒。有些小型的或者调速范围不许太大的数控仿形铣床，也常采用由电动机直接带动主轴或用带传动使主轴旋转。为了满足主传动系统的高精度、高刚度和低噪声的要求，主轴箱的传动齿轮都要经过高速滑移齿轮（一般用花键传动），采用内径定心。侧面定心的花键对降低噪声更有利，因为这种定心方式传动间隙小，接触面大，但加工需要专门的刀具和花键磨床。带传动容易产生振动，在传动带
43、长度不一致的情况下更为严重。因此，在选择传动带时，应尽可能缩短带的长度。如果结构限制，带长度无法缩短时，可增设压紧轮，将带张紧，以减少振动。2.2主传动系统的变速方式根据数控机床的类型与大小，其主传动主要有以下三种形式。1带有变速齿轮的主传动如图2-1a所示，它通过少数几对齿轮传动，使主传动成为分段无级变速，以便在低速时获得较大的扭矩，满足主轴对输出扭矩特性的要求。这种方式在大中型数控机床采用较多，但也有部分小型数控机床为获得强力切削所需扭矩而采用这种传动方式。2通过带传动的主传动 如图2-1b所示，电机轴的转动经带传动传递给主轴，因不用齿轮变速，故可避免因齿轮传动而引起的振动和噪声。这种方式
44、主要用在转速较高、变速范围不大的机床上，常用的带有三角带和同步齿形带。3由主轴电机直接驱动的主传动如图2-1c所示，主轴与电机转子合二为一，从而使主轴部件结构更加紧凑，重量轻，惯量小，提高了主轴启动、停止的响应特性，目前高速加工机床主轴多采用这种方式，这种类型的主轴也称为电主轴。 图2-1 数控机床主传动方式2.3主轴部件主轴部件是机床重要部件之一，它带动工件或刀具执行机床的切削运动。因此数控机床主轴部件的精度、抗振性和热变形对加工质量有直接影响，由于数控机床在加工过程中不进行人工调整，这些影响就更为严重。主轴在结构上要处理好卡盘或刀具的装卡、主轴的卸荷、主轴轴承的定位和间隙调整、主轴部件的润
45、滑和密封等一系列问题。对于数控仿形铣床的主轴为实现刀具快速或自动装卸，主轴上还必须设计有刀具的自动装卸、主轴定向停止和主轴孔内的切屑清除装置。2.3.1主轴轴承主轴轴承作为机床的基础配套件，其性能直接影响到机床的转速、回转精度、刚性、抗颤振动切削性能、噪声、温升及热变形等，进而影响到加工零件的精度、表面质量等。因此，高性能的机床必须配用高性能的轴承。滚动轴承的精度一般分为p0、p6、p5、p4和p2五个等级，用于精密机床主轴上的轴承精度应为p5及其以上级，而对于数控机床、加工中心等高速、高精密机床的主轴支承，则需选用p4及其以上级超精密轴承。目前，数控机床主轴轴承基本上限定在角接触球轴承、圆柱
46、滚子轴承、双向推力角接触球轴承和圆锥滚子轴承等四种结构类型。从高速性的角度看，滚动轴承中角接触球轴承最好，圆柱滚子轴承次之，圆锥滚子轴承最差。伴随着数控机床主轴向高速化发展，陶瓷材料（主要指si3n4工程陶瓷）因具有密度小、弹性模量高、热膨胀系数小、耐磨、耐高温、耐腐蚀等优良性能，从而成为制造高速精密轴承的理想材料。陶瓷轴承得到越来越广泛的应用，鉴于陶瓷材料的难加工性，精密陶瓷轴承多为滚动体是陶瓷、内外套圈仍由铬钢制造的混合陶瓷球轴承。角接触球轴承的球（即滚珠）既公转又自转，会产生离心力Fc和陀螺力矩Mg。随着主轴转速的增加，离心力Fc和陀螺力矩Mg也会急剧加大，使轴承产生很大的接触应力，从而
47、导致轴承摩擦加剧、温升增高、精度下降和寿命缩短。因此，要提高这种轴承的高速性能，就应想方设法抑制其Fc和Mg的增加。从角接触球轴承Fc和Mg的计算公式得知，减少球材料的密度、球的直径和球的接触角都有利于减少Fc和Mg，所以现在高速主轴多使用接触角为15或20的小球径轴承。可是，球径不能减小过多，基本上只能是标准系列球径的70%，以免削弱轴承的刚度，更关键的还是要在球的材料上寻求改进。 与GCr15轴承钢相比，氮化矽（Si3N4）陶瓷密度仅为它的41%，用氮化矽制作的球要轻得多，自然在高速回转时所产生的离心力和陀螺力矩也要小得多。与此同时，氮化矽陶瓷的弹性模量和硬度是轴承钢的1.5倍和2.3倍，而热膨胀系数仅为轴承钢的25%，这既可提高轴承的刚度和寿命，又使轴承的配合间隙在不同温升条件下变化小，工作可靠，加之陶瓷耐高温且不与金属发生粘咬，显然用氮化矽陶瓷制作球体更适合进行高速回转。实践表明，陶瓷球角接触球轴承与相应的钢球轴承相比速度能提高25%35%，不过价格也要高一些。2.3.2
