数控铣加工基础知识

1．数控铣床的分类

自从工业革命以来，机床工业发生了翻天覆地的变化。大多数人了解的是铣床、车床和钻床，也就是所说的普通机床，这些设备通过技术工人操作手轮移动刀架使刀具沿正确的方向走刀到零件所加工的位置。普通机床需要通过接受过较长时间的专业培训并且具有一定操作技能的操作者在具备一定条件的环境下才能加工出高质量的零件。相对来说，普通设备的加工效率较低，成本较高。

今天，数控设备在相当多的领域已经完全或逐渐取代了普通设备，与普通机床不同，数控机床加工零件的过程完全自动地进行，加工过程中人工不能干预。因此，首先必须将所要加工件的全部信息，包括工艺过程、刀具运动轨迹及走刀方向、位移量、工艺参数（主轴转速、进给量、切削深度）以及辅助动作（换刀

2．数控铣床的主要加工对象

（1）平面类零件

3．数控铣床的坐标系

为了描述点在平面和空间中的位置，首先需要定义一个确定方向和相对位置的坐标系，数控机床的坐标系采用右手直角笛卡儿坐标系。它规定直角坐标X、Y、Z三个坐标轴的正方向用右手法则判定，围绕各坐标轴的旋转轴A、B、C的正方向用右手螺旋法则判定。数控加工采用的是空间三维坐标系，三维坐标系是在二维即平面坐标系的基础上增加了一个垂直方向的轴，通常称之为Z轴，为平行于机床主轴的坐标轴，如图1所示。

图1  数控铣床的坐标系

4．数控铣床的零点

数控程序的刀位点位置和刀位矢量确定依赖于加工坐标系的位置，所以，在加工零件前必须确定加工坐标系或编程坐标系的准确位置。

5．数控铣床偏置

（1）机床偏置的概念

图2  机床偏置示意图

图3  偏置值和坐标系

图4  机床坐标系与加工坐标系

建立另一个工件坐标系指令代码可以是常见的G54～G59，也可以为其他的G代码，完全取决于机床制造商为偏置值而设定的G代码定义格式。必须在你的零件程序中使用该代码定义偏置值或坐标系。调出定义工件偏置值的G代码通常在绝对的安全位置如在程序开始部分：

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

表   坐标系偏置值

（3）工件偏置的作用

在数控编程过程中，为了避免尺寸计算，需要多次将工作坐标系进行适当的平移、旋转。一般数控机床可以预先设定6个（G54～G59）工件坐标系，这些坐标系的坐标原点相对于机床原点的坐标偏置值存储在机床控制单元中，在机床进行回零操作或初始化后仍然存在，一旦程序中指定了该G指令，数控系统即指定并调出该坐标系作为当前的工件坐标系，该工件坐标系原点即为当前程序原点，后续程序中工件移动坐标值均为相对该坐标系原点的坐标值。

（4）Z坐标偏置和刀具长度偏置

Z 轴的坐标偏置值由于主轴上装有刀具而使得Z方向的偏置值设置变得复杂一些，因为该偏置值是机床原点到工件坐标系原点之间的Z轴的偏置值，而不是铣刀刃端到工件坐标系之间的Z轴偏置值。相对来说，X、Y两个轴偏置值的测量和设置相对简单一些，因为操作者可以试着把机床主轴的中心线与工件的边缘对齐。Z坐标偏置值设置则有一些不同之处，原因是数控铣床主轴上装有刀具，因而不得不考虑刀具对Z轴偏置值的影响。刀具长度偏置成为解决这个问题的有效方法。

当控制系统执行程序中的指令使Z轴到达指定的水平位置时，控制系统要做的工作是将程序中的坐标点的数值和刀具长度偏置值都加到Z轴的坐标偏置值中。例如：

控制系统执行的数控程序为：G01 Z-100.0；
Z坐标偏置值为：-12.5；
刀具长度偏置值为：35.8；
则控制系统执行该程序段时迅速进行如下数学运算：
机床Z位置=-100.0+（-12.5）+35.8=-76.7

然后主轴带动刀具移动到该位置。

机床控制系统只执行运动控制点的机床绝对位置也就是机床坐标系的绝对坐标值，而所有的其他数值的作用只是使数控编程和刀具设置变得简单罢了。

当运行数控程序时，数控系统根据刀具长度偏置值使刀具自动离开工件一个适当的距离，来完成刀具长度偏置工作。

在加工过程中，为了控制切削深度或进行试切加工，常常采用加大刀具长度偏置值的方法，以控制刀具的切削深度，而不需重新修改数控程序。

6．刀具参数预设置

刀具预设置常常用来设置最新安装的刀具参数包括长度偏置值、直径值等。设置的方法有试切法、机床内部对刀法、机床外部对刀法，下面介绍最常见的对刀仪测量法。

（1）对刀仪测量法

对刀仪测量法为机床外部对刀法，其目的是在数控机床外部预先设置刀具参数，而不需将数控机床停下来，手动方式使刀具触及到工件来进行刀具参数设置。

对刀仪上有一个预先装好的、与刀柄相配合的锥孔，对刀时先将刀具安装到刀柄上，再将装有刀具的刀柄插到对刀仪的配合锥孔中；然后使用一个无接触光学系统来测量刀具，无接触光学系统通常为一个剖面投影仪，它能通过较大的放大倍数允许操作者测量刀具参数。对刀仪上的光学放大镜可以聚焦刀具的刃端，记录聚焦后的刀具长度偏置值、刀尖圆角和直径值等刀，如图5所示刀具参数；最后将所有的刀具参数值手工输入或通过系统传输到机床控制系统偏置值寄存器中，这样，精确的数控加工就可以开始了。

图5  对刀仪示意图

（2）机外对刀仪的组成

●  刀柄定位机构

对刀仪的刀柄定位机构与标准刀柄相对应，它是测量的基准，所以要有很高的精度，并与加工中心的定位基准要求一样，以保证测量和使用的一致性。定位机构包括回转精度很高的主轴、使主轴回转的传动机构和使主轴与刀具之间拉紧的预紧机构3部分。

●  测头与测量机构

测头有接触式和非接触式两种，接触式测头直接接触刀具的主要测量点（最高点和最大外圆处）；非接触式主要用光学的方法，把刀具投影到屏幕上进行测量。测量机构提供刀刃的切削点处的Z轴和X轴尺寸值，即刀具的轴向尺寸和径向尺寸，测量的读数有机械式（如游标刻线尺）的，也有数显和光学式的。

●  测量数据处理装置

测量数据处理装置的作用是将刀具的测量值自动打印出来，或与上一级管理计算机联网，进行柔性加工，实现自动修正和补偿。

同其他的如手动使刀具接触或试切工件边缘的方法相比，采用对刀仪测量刀具参数的方法更加精确、快捷。通常，手工移动主轴使刀具接触或试切工件边缘的方法受很多情况的限制，如实际刀具的精度、工件试切边缘的精度以及操作者的测量手法等。另一方面，使用对刀仪测量刀具直径偏置比单纯输入一个刀具直径值更精确，操作者和编程员必须考虑到主轴的旋转精度问题，因为实际加工过程中刀具是随主轴一同旋转的。

精度较高的机外对刀仪所配置的系统具有更多的功能，使用更加方便。例如：刀具参数通过数据交换系统自动传输到机床控制系统中，直接成为操作者所需要的刀具参数，这样，就不需要操作者将刀具参数手工输入机床控制单元中，可以避免人为错误的发生。

机外对刀仪主要用来测量刀具的长度、直径、刀具形状、角度。对于加工中心刀库中存放的刀具其主要参数都要有准确的值，这些参数值在编制加工程序时都要加以考虑。使用中因刀具损坏需要更换新刀具时，用机外对刀仪可以测出新刀具的主要参数值，以便掌握与原刀具的偏差，然后通过修改刀补值确保其正常加工。此外，用机外对刀仪还可测量刀具切削刃的角度和形状等参数，有利于提高加工质量。

（3）刀具参数测量注意事项

●  使用对刀仪应注意的问题

使用前要用标准芯轴进行校准。每台对刀仪都随机带有一个标准的对刀芯轴，要妥善保护使其不锈蚀或受到外力作用而变形。每次使用前都要对轴向和径向尺寸进行校准。

●  静态刀具参数测量值的修正

静态测量的刀具尺寸和实际加工出的尺寸之间有一差值。影响这一差值的因素很多，主要有：

    ·刀具和机床的精度和刚度。
    ·加工工件的材料和状况。
    ·冷却液和冷却系统的状态。
    ·使用对刀仪的技巧和熟练程度等。

由于以上原因，静态测量的刀具尺寸应大于加工后的实际尺寸，因此对刀时要考虑一个修正值，这要由操作者的经验来预选，一般要偏大0.01～0.05mm。

●  工件坐标系原点的修正

零件找正或夹具定位装夹后，必须正确测定工件的编程原点在机床坐标系中的坐标值，然后输入到偏置寄存器中。进行试切削时，由于现场环境等因素的影响，如机床的重复定位精度。即便使用同一程序加工，实际加工尺寸也可能因为加工条件的变化而出现较大的偏移，这时可根据实测的结果进行修正，直至满足零件技术要求为止，最终使得刀具运动轨迹与数控编程轨迹完全重合，必要时为了提高工件的加工精度，也可以采用以上方法进行刀具补偿修正。