第三章 数控机床实例 （3.3 加工中心部分） （3.4 电加工部分）加工中心 3.3数控电加工机床 3.4本章小结3.53.3 加工中心加工中心是全功能型数控机床，通常带有刀 库、自动换刀装置和回转工作台，可实现多轴联 动控制特点：加工过程中，数控系统根据程序控制 机床自动选择和更换刀具，由程序控制工作台的 回转或分度，连续地对各加工表面自动地进行铣 （车）、钻、扩、铰、镗、锪、攻螺纹等多种工 序的加工； 适用范围：加工凸轮、箱体、支架、盖板、 模具等各种复杂型面的零件3.3.1 加工中心的分类1. 按机床形态分 （1）立式加工中心 结构特点：主轴轴心线为垂直状态常见结构形式如图所示：工作台为长方形， 无分度回转功能适用与加工盘、套、板类零件 立式加工中心通常 有三个直线运动坐标 立式加工中心特点：装夹方便，便于操作，易于观察加工情况，调试程序容易，应用广泛 但受立柱高度及换刀装置的限制，不能加工太高 的零件在加工型腔下凹的型面时，切屑不易排 出，严重时会损坏刀具，破坏已加工表面，影响 加工的顺利进行2）卧式加工中心 结构特点：主轴轴心线为水平状态常见结构形式如图所示：移动式 立柱，工作台不升 降，T形床身。
卧式加工中心一般具有三轴联动，三四个运 动坐标常见的是三个直线坐标X、Y、Z联动和 一个回转坐标B分度，它能够在一次装夹下完成四个面的加工，最适合加工箱体类零件卧式加工中心的特点：调试程序及试切时不便观察，加工时不便监视，零件装夹和测量不方 便，但加工时排屑容易，对加工有利3）龙门式加工中心(如下图所示)龙门式加工中心主轴多为垂直设置带有自 动换刀装置，及可更换的主轴头附件 （4）万能加工中心 (又称五面加工中心 )常见两种形式(如下图所示)一种是主轴可以旋转90°(a)；另一种是主轴不改变方向，而工作台带着工 件旋转90°(b)5）虚轴加工中心(又称“并联运动机床” )虚轴机床的基本结构是由一个动平台、一个 定平台和六根长度可变的连杆构成动平台上装 有机床主轴和刀具，定平台（或者与定平台固连 的工作台）上安装工件，六根杆实际是六个滚珠 丝杠螺母副，它们将两个平台连在一起，同时将 伺服电动机的旋转运动转换为直线运动，从而不 断改变六根杆的长度，带动动平台产生六自由度 的空间运动，使刀具在工件上加工出复杂地三维 曲面由于这种机床上没有导轨、转台等表征坐 标轴方向的实体构件，故称为虚轴机床 2. 按换刀形式分（1）带刀库、机械手的加工中心 换刀装置由刀库和机械手组成，换刀动作由 机械手完成。
这是加工中心采用最普遍的形式2）无机械手的加工中心 换刀通过刀库和主轴箱的配合动作来完成 多用于小型加工中心3）转塔刀库式加工中心 一般在小型立式加工中心上采用转塔刀库形 式，主要以加工孔为主ZH5120型立式钻削加 工中心就是转塔刀库式加工中心 3. 按加工精度分（1）普通加工中心 分辨率为1μm，最大进给速度为15～25m/min， 定位精度10μm左右2）高精度加工中心 分辨率为0.1μm，最大进给速度为15～100m/min，定位精度为2μm左右介于2～10μm之间的，以 5μm较多，称为精密级加工中心4. 按数控系统功能分根据数控系统控制功能的不同：分为三轴二联 动、三轴三联动、四轴三联动、五轴四联动、六轴 五联动等类型三轴、四轴是指加工中心具有的运 动坐标数，联动是指控制系统可以同时控制运动的 坐标数同时可控轴数越多，加工中心的加工和适 应能力越强 5. 按工作台的数量和功能分单工作台、双工作台及多工作台加工中心多 工作台加工中心有两个以上可更换的工作台，通过 运送轨道可把加工完的工件连同工作台（托盘）一 起移出加工部位，然后把装有待加工工件的工作台 （托盘）送到加工部位。
3.3.2加工中心的结构特征 1. 加工中心的主要加工对象（1）既有平面又有孔系的零件 ①箱体类零件 ；②盘、套、板类零件 （2）结构形状复杂、普通机床难加工的零件 ①凸轮类； ②整体叶轮类； ③模具类 ；（3）外形不规则的异形零件（4）周期性投产的零件 （5）加工精度要求较高的中小批量零件（6）新产品试制中的零件 2. 加工中心的基本组成：（1）基础部件 它是加工中心的基础结构， 由床身、立柱、工作台等组成， （2）主轴部件 由主轴箱、主轴电动机、主 轴、主轴轴承等零件组成 （3）数控系统 单台加工中心的数控部分由 CNC装置、可编程序控制器、伺服驱动装置以及 电机等部分组成 （4）自动换刀系统（5）自动托盘交换系统 （6）辅助装置 包括润滑、冷却、排屑、防 护、液压、气动、检测系统等部分 3.3.3 加工中心的程序编制以FUNAC-6M系统的JCS-018A立式加 工中心为例 1. 数控系统的功能见表3-13～3-16；要求：了解该系统的基本性能；熟记常 用的G、M功能码2. 有关坐标系的指令 （1）建立工件坐标系指令G54（G54～G59）与数控铣床相同，可用G54（G54～G59）指令 进行设定。
指令格式：（G90）G54；（G90）G54 G00 X~ Y~ Z~ ；其中：X~ Y~ Z~ 为刀具移动到工件坐标系里 的位置2）建立工件极坐标指令G15、G16指令格式：G16；…G15；其中：G16为建立极坐标系指令；G15为取消 极坐标系指令当指定XY平面时（G17），+X轴为极轴，程 序中指定X为极径，指定Y为极角；当指定XZ平面 时（G19），+Y轴为极轴，程序中指定Y为极径， 指定Z为极角3. 返回参考点（机床零点）指令（1）自动返回参考点指令G28在加工中进行自动换刀时，一般执行自动返 回参考点指令G28，可使各轴快速返回参考点定位 使用G28指令时，必须先取消刀具半径补偿，而 G28指令包含撤消刀具长度补偿、主轴停止、切削 液关闭等功能指令格式：G28 X~ Y~ Z~ ；其中：G28为自动返回参考点指令，X~ Y~ Z~ 为中间点坐标值2）从参考点返回指令G29执行该指令时，各轴快速移动到G28指定的中 间点，再移动到返回点（G29指定的X、Y、 Z）上 定位如果在G29指令前没有指定中间点，则执行 G29时，各轴经程序零点，移动到返回点上定位。
通常G28和G29配合使用，使机床换刀后直接返回 加工点，而不必计算中间点和参考点之间的实际距 离指令格式：G29 X~ Y~ Z~ ；其中：G29为从参考点返回指令；X~ Y~ Z~ 为返回点坐标值3）准停校验指令G09含有G09指令的程序段在终点处进给速度减速到零，然后执行下一个程序段， 用此指令可使被加工零件在尖角处形成尖 锐的棱角G09指令为非模态指令，仅在本程序段有效4. 刀具补偿功能程序中的刀具运动轨迹都是刀具中心的轨迹 在轮廓、端面或孔的加工中，由于使用的刀具 直径和长度不同，对同一个零件，会编写出不同 的程序如果刀具磨损了又必须修改程序这种 方法显然不符合实际加工的要求刀具补偿功能 可以解决这一问题编程时，只需按零件图的尺 寸编程，使用刀具补偿功能，并在数控系统的“ 刀具参数设定”页面上输入相应的刀具参数，执 行程序时，刀具中心根据给定的数据自动补偿， 保证用不同尺寸的刀具加工出相同尺寸的零件 当刀具磨损后，只需要修改相应的刀具参数而不 必修改程序刀具补偿分刀具半径补偿和刀具长度补偿1）刀具半径补偿功能指令格式：G41（G42） G01 X~ Y~ D~ ；…G40 G00（G01） X~ Y~ ；注意： 1) G41：刀具半径左补偿；G42：刀具半径右补偿。
2)判断左、右补偿的方法：沿刀具运动方向看，刀具在轮廓的左边为左补 偿；刀具在轮廓的右边为右补偿 3)X~ Y~ ：建立/撤消刀具半径补偿时的终点坐标值；D~ ：刀具半径补偿量的存储器地址字，在存储 器中存有刀具半径补偿值从D00到D99，除D00必 须置0外，其余的均存放刀具半径补偿值D00表示撤消刀补4)刀具半径补偿只限于在两维平面内使用；撤消 刀补可用G40指令，也可直接用轴移动指令G01（ G00）X~ Y~ D00实现 5)G41(G42)状态下，只能用G01控制轴的移动；G41(G42)和G40必须成对使用，在G41(G42) 和G40指令之间的程序段不能有任何一个刀具不移动的指令；在XY平面执行刀具半径补偿时，不能出现连 续两个Z轴移动的指令，否则G41（G42）指令无效① 刀具半径补偿的过程刀具半径补偿的过程可分为三个阶段：建立刀补 、实现刀补、撤消刀补 ② 刀具半径补偿状态的转换刀具半径补偿从G41转换到G42或从G42转换到 G41，通常需要经过撤消刀具半径补偿状态，即G40 程序段本系统在G01和G00状态下，可以直接转换 ③ 刀具半径补偿量的改变改变刀具半径补偿量通常要在撤消刀具半径补 偿状态下或换刀时进行。
本系统在G01或G00状态下 可以直接进行④ 刀具半径补偿量的正负与刀具中心轨迹的位置 关系当刀具半径补偿值为负值时G41和G42可以互 相取代利用这一特点，可用同一个程序加工模 具的凹凸两模 ⑤ 利用刀具半径补偿功能实现加工精度的调整可对D存储器中的数据进行修正而不必修改程 序，实现零件加工的精度调整；另外，也可利用此功能，用一个程序实现零 件的粗、精加工；粗加工刀补量＝刀具半径R＋精加工余量Δ（2）刀具长度补偿指令通常在G17的情况下，刀具长度补偿只用于Z 轴的补偿，而对X、Y无效指令格式：G43（G44） Z～ H～ ； …G49；注意：1)G43、G44分别为刀具长度正补偿和刀具 长度负补偿2)Z为补偿后刀位点所在的坐标位置；3)H为刀具长度补偿存储器的地址字，在该 存储器里存放刀具长度补偿值可用H00～H99 表示，H00内必须置0，表示撤消刀补4)执行G43指令时，Z的实际移动值 = Z的指 令值+ H～中的值；5)执行G44指令时，Z的实际移动值 = Z的指 令值—H～中的值6)取消刀具长度补偿指令，可用G49，也可 用G43（G44） H007)刀具长度补偿不能同时在两个或两个以上的坐标轴上进行；每一个补偿号可写入一个补偿量，同一把刀可用几个刀补号写入几个补偿量，用这种方法可在一 个子程序里对零件进行分层切削。
例如图3-79所示为不同指令下刀具的实际位置 ，其中G90 G54 G00 Z0；程序段中没有刀具长度补偿指令，将造成严重事故图3-79 不同指令下刀具的实际位置5. 换刀指令加工中心的换刀动作：刀库选刀、主轴换刀换刀动作必须在主轴准停的情况下进行，换刀 完毕后，启动主轴执行下面的程序段选刀动作可 与机床加工同步进行，即利用切削时间选刀指令格式：T～； 刀库选刀M06； 主轴换刀其中，T～是在刀库中所选的刀号执行M06 指令后，自动将所选的刀具与主轴上的刀具进行更 换；换刀前，先撤消刀补，后用G28指令返回参考 点，避免换刀时主轴与零件发生碰撞6. 孔加工程序的编制加工中心孔加工程序和数控铣床加工程序类似 ，参看3.2节中有关固定循环的内容加工中心常用 的固定循环功能表见表3-17注意：1)固定循环前，必须用M代码规定主轴转动；2)在固定循环指令中，必须有X、Y、Z（包括 R）的位置数据，否则固定循环不执行；3)在固定循环指令中，G43、G44仍起刀具长 度补偿作用 例1：试编制如图3-80所示零件的加工程序该零件要加工三种类型的孔，六个 φ10mm的通孔、三个φ90mm的通孔和四个 φ20mm的沉孔，分别采用刀具T11、T15、 T31，其刀具长度补偿值分别存入H11、H15 、H31存储器中。
图3-80 刀具长度补偿及固定循环指令应用实例O0050 N0010 G90 。