【正文】 自動換刀數(shù)控車床或車削中心區(qū)別開來。 加工中心的結(jié)構(gòu)組成 加工中心的組成 隨 機床的類別、功能、參數(shù)的不同而有所區(qū)別。機床本身分基本部件和選擇部件，數(shù)控系統(tǒng)有基本 功能和選用功能，機床參數(shù)有主參數(shù)和其它參數(shù)。機床制造廠可根據(jù)用戶提出的要求進行生產(chǎn)，但在同類機床的基本功能和部件組成一般差別不大。從總體上看，加工中心基本上由以下幾大部分組成。 ㈠ 基礎(chǔ)部件 主要由床身、立柱和工作臺等大件組成。它們是加工中心的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，要承受加工中心的靜載荷以及在加工時的切削負載，因此必須是剛度很高的部件。這些大件可以是鑄鐵件也可以是焊接的剛結(jié)構(gòu)件，是加工中心中重量和體積最大的部件。 ㈡ 主軸系統(tǒng) 主要由主軸箱、主軸電動機、主軸和主軸軸承等零部件組成。主軸的啟動、停止和變轉(zhuǎn)速等 動作均由數(shù)控系統(tǒng)控制，并通過裝在主軸上的刀具參與切削運動，是切削加工的功率輸出部件。主軸系統(tǒng)是加工中心的關(guān)鍵部件，其結(jié)構(gòu)的好壞，對加工中心的性能有很大的影響。 ㈢ 數(shù)控系統(tǒng) 主要由 CNC 裝置、可編程序控制器、伺服驅(qū)動裝置以及電動機等部分組成，它們是加工中心執(zhí)行順序控制動作和完成加工過程的控制中心。 ㈣ 自動換刀系統(tǒng) 主要由刀庫、自動換刀裝置等部件組成。刀庫是存放加工過程所要使用的全部刀具的裝置。當需要換刀時，根據(jù)數(shù)控系統(tǒng)的指令，由機械手（或通過別的方式）將刀具從刀庫取出裝入主軸孔中。刀庫有盤式、 鏈式和鼓式等多種形式，河南理工大學萬方科技學院本科畢業(yè)論文 3 容量從幾把到幾百把。機械手的結(jié)構(gòu)根據(jù)刀庫與主軸的相對位置幾結(jié)構(gòu)的不 同 也有多種形式。如單臂式、雙臂式。回轉(zhuǎn)式和軌道式等等。有的加工中心利用主軸箱或刀庫的移動來實現(xiàn)換刀。 ㈤ 輔助系統(tǒng) 包括潤滑、冷卻、排屑防護、液壓和隨機檢測系統(tǒng)等部分。輔助系統(tǒng)雖不直接參與切削運動。但對加工中心的加工效率、加工精度和可靠性起到保障作用，因此也是加工中心中不可缺少的部分。 另外，為進一步縮短非切削時間，有的加工中心還配備了自動托盤交換系統(tǒng)。例如，配有兩個自動交換工件托盤的加工中心，一個安裝工件在工作 臺上加工，另一個則位于工作臺外進行工件的裝卸。當完成一個托盤上工件的加工后，便自動交換托盤，進行新零件的加工，這樣可以減少輔助時間，提高加工效率。 加工中心的分類 按照加工中心形態(tài)不同進行分類，可分為立式、臥式和五坐標加工中心。 ㈠ 立式加工中心（如圖 11） 立式加工中心的主軸軸心線為垂直狀態(tài)配置，結(jié)構(gòu)形式多為固定立柱式，工作臺為長方形，適合加工小型板類、盤類、殼體類零件。 ㈡ 臥式加工中心（如圖 12） 臥式加工中心是指主軸軸線為水平狀態(tài)設(shè)置的加工中心，通常都帶有可進行分度回轉(zhuǎn)運動的正方形分 度工作臺。臥式加工中心一般具有 3~5 個運動坐標，常見的是三個直線運動坐標 (沿 X、 Y、 Z 軸方向 )加一個回轉(zhuǎn)運動坐標 (回轉(zhuǎn)工作臺 )，它能夠使工件在一次裝夾后完成除安裝面和頂面以外的其余四個面的加工，最適合箱體類工件的加工。 ㈢ 五坐標加工中心 五坐圖 11 立式加工中心 圖 12 臥式加工中心 河南理工大學萬方科技學院本科畢業(yè)論文 4 標加工中心 兼具 立式和臥式加工中心的功能，工件一次裝夾后能完成除安裝面外的所有側(cè)面和頂面等五個面的加工，因此也叫五面加工中心。常見的五坐標加工中心有兩種結(jié)構(gòu)形式，一種是主軸可以 90? 旋轉(zhuǎn) ，另一種是工作臺可以 90? 旋轉(zhuǎn)。 加工中心的主要優(yōu)點 ㈠ 提高加工質(zhì)量 工件一次裝夾，即可實現(xiàn)多工序集中加工，大大減少多次裝夾所帶來的誤差。另外，由于是數(shù)控加工，較少依賴操作者的技術(shù)水平，可得到相當高的穩(wěn)定精度。 ㈡ 縮短加工準備時間 加工中心既然可以頂替多臺通用機床，那么加工一個零件 所 需準備時間，是每臺加工單元所損耗的準備時間之和。從這個意義上說，加工中心的準備時間顯然短得多。 ㈢ 減少在制品 以往的加工方式是 工件流動與多臺通用機床之間，這就要有相當數(shù)量的在制品，而在加工中心上加工，即可發(fā)揮其 “多工序集中 ”的優(yōu)勢，在一臺機床上完成多個工序，就能大大減少在制品數(shù)量。 ㈣ 減少刀具費 把分散設(shè)置在各通用機床上的刀具，集中在加工中心刀庫上，有可能用最少量的刀具，實現(xiàn)公共有效利用。這樣既提高刀具利用率，又減少了道具數(shù)量。 ㈤最少的直接勞務(wù)費 由 NC 裝置實現(xiàn)多工序加工的信息集約化和一人多臺管理，以及用工作臺自動托盤交換裝置（ Automatic Pallet Changer 簡稱 APC）等輔助裝置，實現(xiàn)夜間無人運轉(zhuǎn) 。這些都可縮減直接勞務(wù)費。 ㈥ 最少的簡介勞務(wù)費 由于工序集中，工件搬運和質(zhì)量檢查工作量都大為減少，這就使間接勞務(wù)費最少。 ㈦設(shè)備利用率高 加工中心設(shè)備利用率為通用機床的幾倍。另外，由于工序集中，容易適應(yīng)多品種、中小批量生產(chǎn)。 加工中心的發(fā)展趨勢 ㈠ 立式加工中心 立式加工中心主要的用戶層面為 ,以看好的汽車零部件行業(yè)為首，還有模具、飛機、醫(yī)療設(shè)備、 IT、光學設(shè)備等行業(yè)。在飛機制造業(yè)因絕大多數(shù)加工件為多品種、小批量的河南理工大學萬方科技學院本科畢業(yè)論文 5 產(chǎn)品，因此五軸加工機為主的立式加工中心有潛在的需求。今后電子零部件、精密機枝零部 件、半導體模具等行業(yè)也具有需求潛力。各生產(chǎn)廠家面對預(yù)期需求擴大的飛機、模 立式加工中心主要的用戶層面為 ,以看好的汽車零部件行業(yè)為首，還有模具、飛機、醫(yī)療設(shè)備、 IT、光學設(shè)備等行業(yè)。在飛機制造業(yè)因絕大多數(shù)加工件為多品種、小批量的產(chǎn)品，因此五軸加工機為主的立式加工中心有潛在的需求。今后電子零部件、精密機枝零部件、半導體模具等行業(yè)也具有需求潛力。 ㈡ 臥式加工中心 臥式加工中心因其加工面是垂直的，切屑易脫落，比較適應(yīng)時間無操作。又因是模塊結(jié)構(gòu)，可以短時間內(nèi)導入最適當規(guī)模的系統(tǒng)。因其無人操作時間較長，在成本費用 方面與單機相比效果更好。 從技術(shù)開發(fā)動向來看，是謀求提高主軸轉(zhuǎn)速、進給速度、提高精密度、并將對應(yīng)熱變位、模塊化等集中體現(xiàn)出來。其中，作為機床基本課題的高速化研究也不斷取得成果。 由于提高進給速度直接關(guān)系到產(chǎn)品的加工時間，以利提高生產(chǎn)效率，因此在高速進給技術(shù)方面，驅(qū)動裝置采用直線電機的機型正在增多。同時也有廠家在開發(fā)不使用直線電機，采用進給軸以大導程滾珠絲杠為驅(qū)動，進給加速度 ~ 2G、快速進給速度 120 mm／ min 的高速臥式加工中心。并在主軸上采用雙面約束刀具、主軸轉(zhuǎn)速為 2 萬 r/min、快 速進給速度為 60 m/min、以盡量縮短重復(fù)定位、刀至刀等的非切削時間。為解決速度提高帶來的熱變位影響，防止精度下降，一般都采用獨自的補正裝置或主軸冷卻結(jié)構(gòu)、冷卻裝置等。 刀庫 刀庫簡介 刀庫是自動換刀裝置中最主要的部件之一，其容量、布局以及具體結(jié)構(gòu)對加工中心的設(shè)計有很大影響。刀庫是用來儲存加工刀具及輔助工具的地方。由于多數(shù)加工中心的取送刀位置都是在刀庫中的某一固定刀位，因此刀庫還需要有使刀具運動及定為的機構(gòu)來保證換刀的可靠。其動力可采用液動機或電動機，如果需要還要有減速機構(gòu)。刀庫的定為機構(gòu)是用來保證更 換的每一把刀具或刀套都能準確地停在換到位置上。其控制部分可以采用簡易位置控制器或類似半閉環(huán)進給系統(tǒng)的伺服位置控制，也可以采用電氣和機械相結(jié)合的銷定為方式，一般要求綜合定為精度達到 ～ mm。 河南理工大學萬方科技學院本科畢業(yè)論文 6 根據(jù)刀庫所需要的容量和取刀方式，可以將刀庫設(shè)計成多種形式。圖 13 列出了常用的幾種刀庫。圖 13 ~ad是但盤式刀庫，為適應(yīng)機床主軸的布局，刀庫的刀具軸線可以按不同的方向配置，圖 13d 是刀具可作 90? 翻轉(zhuǎn)的圓盤刀庫，采用這種結(jié)構(gòu)能夠簡化取刀動作。單盤式刀庫的結(jié)構(gòu)簡單，取刀也較為方便，因此應(yīng)用最為廣泛。但由于圓盤尺寸受限制，刀庫的容量較小（通常裝 16～ 32 把刀）。 當需要存放更多數(shù)量的刀具時，可以采用圖 13 ~eh形式的刀庫，它們充分利用了機床周圍的有效空間，且刀庫的外形尺寸又不致過于龐大。圖 13e 是鼓筒彈夾式刀庫，其結(jié)構(gòu)十分緊湊，在相同的空間內(nèi)，它的刀庫容量較 大，但選刀和取刀的動作較復(fù)雜。圖 13f 是鏈式刀庫，其結(jié)構(gòu)有較大的靈活性，存放刀具的數(shù)量也較多，選刀和取刀動作十分簡單。當鏈條較長時，可以增加支撐鏈輪的數(shù)目，使鏈條折迭回繞，提高了空間利用率。圖 13g 和 13h 分別為多盤式和格子式刀庫，它們雖然也具有結(jié)構(gòu)緊湊的特點，但選刀和取刀動作復(fù)雜，較少應(yīng)用。 刀庫的類型 加工中心上普遍采用的刀庫是盤式刀庫和鏈式刀庫。密集型的固定刀庫目前于用于 FMS 中的集中供刀系統(tǒng)。 圖 13 刀庫的形式 a）軸向式 b）徑向式 c）斜向式 d）刀具翻轉(zhuǎn)式 e）鼓筒彈夾式 f）鏈式 g）多盤式 h）格子式 河南理工大學萬方科技學院本科畢業(yè)論文 7 ㈠ 盤式刀庫 盤式刀庫結(jié)構(gòu)簡單，應(yīng)用較多，如圖 14 所示。由于刀具環(huán)形排列 ，空間利用率低。因此出現(xiàn)了將刀具在盤中采用雙環(huán)或多環(huán)排列，以增加空間的利用率。但這樣一來使刀庫的外徑過大，轉(zhuǎn)動慣量也很大，選刀時間也較長。因此，盤式刀庫一般適用于刀具容量較少的刀庫。 ㈡ 鏈式刀庫 如圖 15 所示，鏈式刀庫的結(jié)構(gòu)緊湊，刀庫容量較大，鏈環(huán)的形狀可以根據(jù)機床的布局配置成各種形狀，也可將換刀位突出以利換刀。當鏈式刀庫需增加刀具容量時，只需增加鏈條的長度和支承鏈輪的數(shù)目，在一定范圍內(nèi)，無需變更線速度及慣量。這些特點也為系列刀庫的設(shè)計與制造帶來了很大的方便，可以滿足不同使用條件。一般刀具數(shù)量在 30~120 把時，多采用鏈式刀庫。 圖 15 鏈式刀庫的形式 圖 14 盤式刀庫的形式 a）徑向取刀形式 b）軸向取刀形式 c）刀具徑向安裝 d）刀具斜向安裝 河南理工大學萬方科技學院本科畢業(yè)論文 8 ⑴ 換刀位置 為保證刀套準停精度和刀套定位剛性，鏈式刀庫的換刀位置一般設(shè)在主動鏈輪上如圖 16 所示，或者設(shè)在盡可能靠近主動鏈輪的刀套處，如圖 17 所示 ⑵ 鏈條形式 我國目前還沒有廠家生產(chǎn)加工中心刀庫專用鏈條，因而不得不用標準套筒輥子鏈，通過連接器把刀套固定在鏈條上。這種方式不僅結(jié)構(gòu)復(fù)雜，裝配調(diào)試費時，而且套筒位置精度亦差 我國部分廠家，購買日本椿本鏈條公司（ TSUBAKI CHAIN Co.）生產(chǎn)的已轉(zhuǎn)有刀套的刀庫專用鏈條來 裝備刀庫，效果頗佳。考慮到刀具重量和刀庫工作的平穩(wěn)性，推薦采用： HP 型鏈條 這種鏈條是套筒式鏈條，其輥子本身就是刀套，該鏈條型式及尺寸見表 11 表11 1） HPT型 ①鏈條型號 刀具錐柄號 P O L H W R T HP 40 90 55 88 60 68 ?????? ??????????定位塊手爪圖 17 鏈式刀庫換刀位置 定位插銷定位盤鏈輪手爪圖 16 鏈式刀庫換刀位置 河南理工大學萬方科技學院本科畢業(yè)論文 9 鏈輪節(jié)圓直徑 pD NPDp?18 0sin/? 式中 N——當量齒數(shù)（實際齒數(shù) /3） ② 鏈輪外徑 D0 ? ? ?????? ??? N～PD 180c 式中 P——鏈條節(jié)距 注：鏈輪齒數(shù)可從 9 個起使用。但是為了增加鏈條的耐用度和運行效率，齒數(shù)還是盡可能多為好。鏈輪之間的中心距，以取鏈條節(jié)距整數(shù)倍為宜。 方案的分析論證及確定 機械結(jié)構(gòu)方案的提出 方案一：直接在刀庫與主軸之間換刀 方案二：用機械手在刀庫與主軸之間換刀 方案三：用機械手和轉(zhuǎn)塔頭配合刀庫進行換刀 傳動方案的提出 方案一：轉(zhuǎn)動用步進電機帶傳動，移動用氣壓或液壓傳動 方案二：轉(zhuǎn)動用步進電機帶傳動，移動用絲杠傳動 方案三：轉(zhuǎn)動用步進電機齒輪傳動，移動用氣壓或液壓傳動 方案四：轉(zhuǎn)動用步進電機蝸輪蝸桿傳動，移動用氣壓傳動 方案的可行性分析 機械結(jié)構(gòu)方案的可行性分析 方案一：直接在刀庫與主軸之間換刀 這種換刀裝置只有一個刀庫，刀庫中儲存著加工過程中需要使用的刀具，利用機床本身與刀庫的運動實現(xiàn)換刀過程。它的刀庫需要整體運動，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，而且刀庫容量較小。主要運用在需要刀具 較少的數(shù)控車床中。 方案二：用機械手在刀庫與主軸之間換刀 這是目前用的最普遍的一種自動換刀裝置，其布局結(jié)構(gòu)多種多樣。它利用機械手在河南理工大學萬方科技學院本科畢業(yè)論文 10 刀庫和機床之間實現(xiàn)換刀過程。由于這種結(jié)構(gòu)有一個中間介質(zhì)機械手，因此結(jié)構(gòu)設(shè)計比較靈活，也比較簡單。 方案三：用機械手和轉(zhuǎn)塔頭配合刀庫進行換刀 這種換刀裝置實際上是轉(zhuǎn)塔頭式換刀裝置和刀庫換刀裝置的結(jié)合。這種換刀裝置轉(zhuǎn)塔頭上有兩個刀具主軸，當一個