【文章內(nèi)容簡介】 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。 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。 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。 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(dāng)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?zhǔn)胶凸氖降榷喾N形式，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)的不痛也有多種形式。如單臂式、雙臂式?；剞D(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。 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。 四川理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 3 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(dāng)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(biāo)加工中心。 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。 圖 11 立式加工中心 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(biāo)，常見的是三個直線運動坐標(biāo) (沿 X、 Y、 Z 軸方向 )加一個回轉(zhuǎn)運動坐標(biāo) (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。 第一章 緒論 4 圖 12 臥式加工中心 五坐標(biāo)加工中心 五坐標(biāo)加工中心間距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(biāo)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 （ 1）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(dāng)高的穩(wěn)定精度。 （ 2）縮短加工準(zhǔn)備時間 加工中心既然可以頂替多臺通用機床，那么加工一個零件嗦需準(zhǔn)備時間，是每臺加工單元所損耗的準(zhǔn)備時間之和。從這 個意義上說，加工中心的準(zhǔn)備時間顯然短得多。 （ 3）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(dāng)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。 （ 4）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。 （ 5）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。 四川理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 5 （ 6）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。 （ 7）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 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(xué)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(dǎo)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(xué)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(dǎo)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、模具、半導(dǎo)體等行業(yè)，正在抓緊開發(fā)五軸加工機。和 幾年前的以生產(chǎn)一般零部件為主的立式加工中心形成鮮明對比的，突出以加工模具為主的設(shè)備方案不斷從廠家出現(xiàn)，由此可明顯地看出對高速、高效、高品位加工的需求正在增加。 針對高精度加工，一些廠家比較注重研制對不易切削材質(zhì)搞重切削加工的機型。同時，以減少工件更換時間和集中工序為目的的復(fù)合化加工技術(shù)也在不斷創(chuàng)新。為進一步提高效率，有些廠家正在嘗試在立式加工中心的控制軸方面再加上 l~2 個軸，形成五軸控制，樣對于形狀復(fù)雜的工件和自由曲面等工件都可完成一次裝卡加工。 在產(chǎn)品開發(fā)方面，由于用戶的要求更加嚴(yán)格，不得不 在保持低價位的同時不斷追求高性能的技術(shù)。由于正在加快適應(yīng)環(huán)保要求的新技術(shù)開發(fā)，因此，更加需要可以調(diào)整品種、數(shù)量的可形成柔性線結(jié)構(gòu)的設(shè)備。 現(xiàn)在干式切削也在研制之中，如已經(jīng)出現(xiàn)的使用高純度氮氣的干式加工系統(tǒng)，以氧化來控制精度變化。同時為改善作業(yè)環(huán)境、提高經(jīng)濟效率，對于切屑的處理也采用了易于回收的方式。 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。又因是第一章 緒論 6 模塊結(jié)構(gòu)，可以短時間內(nèi)導(dǎo)入最適當(dāng)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。 從用戶需求來看，對臥式加工中心的要求更加趨向于適應(yīng)多品種小批量的生產(chǎn)，要求加工設(shè)備能夠靈活地適應(yīng)工序集中導(dǎo)致的生產(chǎn)型加工件的變化?，F(xiàn)在由于汽車廠家的設(shè)備投資呈上升趨勢，需求可望進一步擴大。此外，因?qū)τ诋a(chǎn)品制造的認(rèn)識和對生產(chǎn)體系的看法正在發(fā)生根本的轉(zhuǎn)變，由此而派生的新的生產(chǎn)體系可能對能形成柔性線的小型機種產(chǎn)生需求。 著手生產(chǎn)以上機型的廠家在追求高速、高精度的同時，還在如何使機體小型化及成本控制方面下功夫。也就是說此類產(chǎn)品的開發(fā)重點在于機體的小型化、適應(yīng)形成柔性線體系方面。 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(dǎo)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。 數(shù)控立式車床 適合于加工大直徑、大噸位外圓型工件的立式車床，也被各行業(yè)采用。由于其市場的局限性，產(chǎn)品在很大程度上反應(yīng)了用戶的意向，很多是以專用機的形式交貨投付使用的，這也是用戶和廠家形成密切聯(lián)系的原因。 最近，對中出口看好的建設(shè)機械廠家對立式車床的需求令人矚目，造船行業(yè)的訂貨則似乎暫告一段落。從去年起，數(shù)控車床生產(chǎn)廠家期待著在飛機、高性能發(fā)電機、風(fēng)力發(fā)電 機等方面設(shè)備投資比較活躍的重電機行業(yè)的訂貨。 由于市場在交貨期、質(zhì)量、價格方面的要求越來越高，一些中小規(guī)模的設(shè)備用戶為縮短產(chǎn)品的生產(chǎn)周期，更青睞一次裝卡、可搞多種加工的復(fù)合型加工機。 四川理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 7 考慮到環(huán)保要求而采用半干式加工的需求也在增加，根據(jù)這類用戶的要求， OM 制作所以產(chǎn)學(xué)協(xié)作的方式開發(fā)出采用氣化熱半干式加工技術(shù)，并加強了節(jié)省能源的措施，控制了電力的使用。 現(xiàn)在，市場對于提高了通用性的、低價位的小型數(shù)控立式車床的需求仍在擴大，同時，和臥式數(shù)控車床一樣，帶有加工中心意識的功能型復(fù)合機的開發(fā)研制比較 活躍。例如，隨著對復(fù)雜形狀工件成品加工要求的提高，也在研制將立式車床功能加上鉆、攻絲、鏜等旋轉(zhuǎn)方面的加工功能。 因配置了 C 軸，不同的復(fù)合加工也可通過一次裝卡進行。此外，在以切削為主的同時，加上采用單刀具的雙面約束 ATC 方式后，在銑加工功能方面也見到不少可進行重切加工的工序集約型產(chǎn)品。 本文研究的主要內(nèi)容 —— 刀庫 刀庫的類型 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(zhǔn)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 ~ 。 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?。ㄍǔＱb 15~30 把刀）。 第一章 緒論 8 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?zhǔn)? g）多盤式 h）格子式 當(dāng)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?zhǔn)降稁?，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(dāng)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?zhǔn)降稁?。密集型的固定刀庫目前于用于FMS 中的集中供刀系統(tǒng)。 （ 1）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。 四川理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 9 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 （ 2）鏈?zhǔn)降稁? 如圖 15 所示，鏈?zhǔn)降稁斓慕Y(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(dāng)鏈?zhǔn)降稁煨柙黾拥毒呷萘繒r，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?zhǔn)降稁臁? 圖 15 鏈?zhǔn)降稁斓男问? 本文所設(shè)計的刀庫 由于是使用在小型加工中心上，所以采用的是圓盤刀庫的結(jié)構(gòu)形式，以下是介紹本設(shè)計的結(jié)構(gòu)組成與傳動過程。 換刀過程 在介紹刀庫結(jié)構(gòu)之前，先了解一下?lián)Q刀過程。刀庫位于立柱左側(cè)，其中刀庫的安裝 方向與主軸軸線垂直，換刀前應(yīng)改變在換刀位置的刀具軸線方向， 使之與主軸軸線平行。某工序加工完畢，主軸定向后，可由自動換刀裝置換刀，如圖 16 所示。 （ 1）刀套下翻 換刀前，刀庫 2 轉(zhuǎn)動，將待換刀具 5 送到換刀位置。換刀時，帶有刀具 5 的刀套 4 下翻 90? ，使刀具軸線與主軸軸線平行。 （ 2）機械手抓刀 機械手 1 從原始位置順時針旋轉(zhuǎn) 75? （ K 向觀察），兩手爪分別抓住刀庫上和主軸 3 上的刀具。 第一章 緒論 10 （ 3）刀具松開