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1、 第七章 加工中心 w 加工中心概述加工中心概述w 加工中心的基本構成加工中心的基本構成w 加工中心的分類加工中心的分類 w 自動換刀裝置自動換刀裝置w JCS-018A立式加工中心立式加工中心一、加工中心的特點（1）w 加工中心具有以下特點加工中心具有以下特點(1)：n工序高度集中；n一般帶有自動分度回轉工作臺或主軸箱可自動轉角度，工件一次裝夾后，自動完成多個平面或多個角度位置的加工；n能夠自動改變加工工藝參數；n有的帶有交換工作臺，工件在工作位置的工作臺上進行加工，待加工或加工完畢的工件在裝卸位置的工作臺上進行裝卸，不影響工件的正常加工，同時提高生產效率。一、加工中心的特點（2）w 加工中
2、心具有以下特點加工中心具有以下特點(2)：n加工中心由于具有上述特點，大大減少了工件的裝夾、測量和機床的調整時間，減少工件的周轉、搬運和存放時間，使機床的切削時間利用率高于普通機床的34倍；同時具有較好的加工一致性，與單機、人工操作方式比較，能排除工藝流程中人為干擾因素；特別適合加工形狀較復雜、精度要求較高、品種更換頻繁工件的加工。加工中心的基本構成 一、加工中心基本構成（1）w 基礎部件基礎部件 n由床身、立柱和工作臺等大件組成，是加工中心的基礎構件，它們可以是鑄鐵件，也可以是焊接鋼結構件，均要承受加工中心的靜載荷以及在加工時的切削載荷。故必須是剛度很高的部件，亦是加工中心質量和體積最大的部
3、件。一、加工中心基本構成（2）w 主軸組件主軸組件 n它由主軸電動機、主軸箱、主軸和主軸支承等零部件組成。其起動、停止和轉動等動作均由數控系統控制，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。主軸是加工中心的關鍵部件，其結構優(yōu)劣對加工中心的性能有很大的影響。一、加工中心基本構成（3）w 控制系統控制系統 n單臺加工中心的數控部分是由CNC裝置、可編程序控制器、伺服驅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中的控制中心。 一、加工中心基本構成（4）w 伺服系統伺服系統 n伺服系統的作用是把來自數控裝置的信號轉換為機床移動部件的運動,其性能是決定機
4、床的加工精度、表面質量和生產效率的主要因素之一。加工中心普遍采用半閉環(huán)、閉環(huán)和混合環(huán)三種控制方式。一、加工中心基本構成（5）w 自動換刀裝置自動換刀裝置 n它由刀庫、機械手和驅動機構等部件組成。刀庫是存放加工過程所使用的全部刀具的裝置。刀庫有盤式、鼓式和鏈式等多種形式，容量從幾把到幾百把，當需換刀時，根據數控系統指令，由機械手(或通過別的方式)將刀具從刀庫取出裝入主軸中。機械手的結構根據刀庫與主軸的相對位置及結構的不同有多種形式。有的加工中心不用機械手而利用主軸箱或刀庫的移動來實現換刀。盡管換刀過程、選刀方式、刀庫結構、機械手類型等各不相同，但都是在數控裝置及可編程序控制器控制下，由電動機、液
5、壓或氣動機構驅動刀庫和機械手實現刀具的選擇與交換。一、加工中心基本構成（6）w 輔助系統輔助系統 n包括潤滑、冷卻、排屑、防護、液壓和隨機檢測系統等部分。輔助系統雖不直接參加切削運動，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，也是加工中心不可缺少的部分。一、加工中心基本構成（7）w 自動托盤更換系統自動托盤更換系統 n有的加工中心為進一步縮短非切削時間，配有兩個自動交換工件托盤，一個安裝在工作臺上進行加工，另一個則位于工作臺外進行裝卸工件。當完成一個托盤上的工件加工后，便自動交換托盤，進行新零件的加工，這樣可減少輔助時間，提高加工工效。加工中心的分類 一、按照加工中心布局方式
6、分類（1）w 立式加工中心 n立式加工中心是指主軸軸心線為垂直狀態(tài)設置的加工中心，如圖所示。其結構形式多為固定立柱式，工作臺為長方形，無分度回轉功能，適合加工盤類零件。在工作臺上安裝一個水平軸的數控回轉臺，可用于加工螺旋線類零件。立式加工中心的結構簡單，占地面積小，價格低。JCS-018立式鏜銑加工中心外形圖例一、按照加工中心布局方式分類（2）w 臥式加工中心臥式加工中心 （1） n臥式加工中心是指主軸軸線為水平狀態(tài)設置的加工中心，如圖所示。通常都帶有可進行分度回轉運動的正方形分度工作臺。臥式加工中心一般具有35個運動坐標，常見的是三個直線運動坐標(沿X、Y、Z軸方向)加一個回轉運動坐標(回轉
7、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。臥式加工中心圖例一、按照加工中心布局方式分類（3）w 臥式加工中心臥式加工中心 （2） n臥式加工中心有多種形式，如固定立柱式或固定工作臺式。固定立柱式的臥式加工中心的立柱固定不動，主軸箱沿立柱做上下運動，而工作臺可在水平面內做前后、左右兩個方向的移動；固定工作臺式的臥式加工中心，安裝工件的工作臺是固定不動的（不做直線運動），沿坐標軸三個方向的直線運動由主軸箱和立柱的移動來實現。n與立式加工中心相比較，臥式加工中心的結構復雜，占地面積大，重量大，價格也較高。一、按照加工中心布局方式分類（4）w
8、龍門式加工中心龍門式加工中心 n龍門式加工中心如圖所示，形狀與龍門銑床相似，主軸多為垂直設置。帶有自動換刀裝置及可更換的主軸頭附件，數控裝置的軟件功能也較齊全，能夠一機多用。尤其適用于大型或形狀復雜的工件加工，如航天飛機及大型汽輪機上的某些零件的加工。龍門式加工中心圖例一、按照加工中心布局方式分類（5）w 萬能加工中心（復合加工中心）萬能加工中心（復合加工中心） n具有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面和頂面（五個面）的加工，也叫五面加工中心。常見的五面加工中心有兩種形式，一種是主軸可實現立、臥轉換；另一種是主軸不改變方向，工作臺帶著工件旋轉90，完成對工件五個
9、表面的加工。n如圖所示是MAHO公司的兩軸數控轉臺，它除了可繞水平軸回轉以外，還可繞垂直軸作360回轉。如圖所示是MAOH公司的可傾斜轉臺，既可以繞垂直軸作360旋轉，也可以繞水平軸擺動。復合加工中心主要適用于復雜外觀、復雜曲線的小型工件加工，例如加工螺旋槳葉片及各種復雜模具。MAHO公司的數控轉臺圖例MAHO公司的可傾斜轉臺圖例二、 按換刀形式分類（1）w 帶刀庫、機械手的加工中心帶刀庫、機械手的加工中心 n加工中心的換刀裝置(ATC)是由刀庫和機械手組成，由機械手完成換刀工作。這是加工中心采用最普遍的形式。例如：JCS-018型立式加工中心就是采用這種換刀方式。二、 按換刀形式分類（2）w
10、 無機械手的加工中心無機械手的加工中心 n加工中心的換刀是通過刀庫和主軸箱的配合動作來完成，刀庫中刀具存放位置方向與主軸裝刀方向一致。換刀時，主軸運動到刀位上的換刀位置，由主軸直接取走或放回刀具。例如：XH754型臥式加工中心采用這種換刀方式。二、 按換刀形式分類（3）w 轉塔刀庫式加工中心轉塔刀庫式加工中心 n小型立式加工中心一般采用轉塔刀庫形式，主要以孔加工為主。例如：ZH5120型立式鉆削加工中心就是轉塔刀庫式加工中心。三、按加工中心機床的功用分類w 鏜銑加工中心機床鏜銑加工中心機床 n主要用于鏜削、銑削、鉆孔、擴孔、餃孔及攻螺紋等工序，特別適合于加工箱體類及形狀復雜、工序集中的零件。一
11、般將此類機床簡稱為加工中心。w 鉆削加工中心機床鉆削加工中心機床 n主要用示鉆孔，也可進行小面積的端銑。w 車削加工中心機床車削加工中心機床 n除用于加工軸類零件外，還進行銑(如銑扁、銑六角等)、鉆(如鉆橫向孔)等工序的加工，并能實現C軸功能。自動換刀裝置 一、刀庫的種類（1）w 刀庫用于存放刀具，它是自動換刀裝置中的主要部件之一。根據刀庫存放刀具的數量和取刀方式的不同，刀庫可設計成不同類型。如圖所示為常見的幾種刀庫的結構形式：刀庫的各種形式圖例一、刀庫的種類（2）w 直線刀庫直線刀庫 n如圖a所示，刀具在刀庫中直線排列，結構簡單，存放刀具數量有限(一般8把12把)，較少使用。一、刀庫的種類（
12、3）w 圓盤刀庫圓盤刀庫 n圖b所示刀庫，刀具徑向布置，占有較大空間，一般置于機床立柱上端。n圖c所示刀庫，刀具軸向布置，常置于主軸側面，刀庫軸心線可垂直放置，也可以水平放置，較多使用。n圖d所示刀庫，刀具為傘狀布置，多斜放于立柱上端。n上述三種圓盤刀庫是較常用的形式，存刀量最多50把60把，存刀量過多則結構尺寸龐大，與機床布局不協調。n為進一步擴充存刀量，有的機床使用多圈分布刀具的圓盤刀庫（圖e），多層圓盤刀庫（圖f）和多排圓盤刀庫（圖g）。多排圓盤刀庫每排4把刀，可整排更換。后三種刀庫形式使用較少。一、刀庫的種類（4）w 鏈式刀庫鏈式刀庫 n鏈式刀庫是較常使用的形式（圖h、i），這種刀庫刀
13、座固定在鏈節(jié)上,常用的有單排鏈式刀庫（圖h）,一般存刀量小于30把，個別達到60把。若進一步增加存刀量，可使用加長鏈條的鏈式刀庫（圖i）。如圖所示給出了鏈式刀庫的應用。鏈式刀庫圖例一、刀庫的種類（5）w 其他刀庫其他刀庫 n刀庫的形式還有很多，值得一提的是格子箱式刀庫，如圖j、k，刀庫容量較大，可使整箱刀庫與機外交換。為減少換刀時間，換刀機械手通常利用前一把刀具加工工件的時間，預先取出要更換的刀具，當然所配的數控系統應具備該項功能。圖j為單面式，圖k為多面式。二、常見的換刀方式（1） w 無機械手換刀（無機械手換刀（1） n無機械手換刀主要通過刀庫和機床主軸的相對運動來實現換刀。換刀時，必須首
14、先將用過的刀具送回刀庫，然后再從刀庫中取出新刀具，這兩個動作不可能同時進行，因此換刀時間長。如圖所示分別給出了立式加工中心和臥式加工中心無機械手換刀的結構。立式加工中心無機械手換刀圖例 臥式加工中心無機械手換刀圖例二、常見的換刀方式（2） w 無機械手換刀（無機械手換刀（2） n臥式加工中心無機械手換刀的過程 ：數控系統發(fā)出換刀指令，圓盤式刀庫轉至所需刀具座位置，主軸移動到換刀位置，刀具座夾持待更換的刀具，刀庫前移，拔出用過的刀具，刀庫旋轉，直至下一工序要用的刀具位于主軸軸線位置，刀庫后退，裝上“新”刀，主軸下移至工作位置，換刀過程完畢。二、常見的換刀方式（3） w 機械手換刀機械手換刀 （1
15、） n采用機械手換刀的方式在加工中心中應用最為廣泛。當主軸上的刀具完成一個工步后，機械手把這一個工步的刀具送回刀庫，并把下一個工步所需要的刀具從刀庫中取出來并裝在主軸部件上。對機械手的具體要求是迅速可靠，準確協調。由于不同的加工中心的刀庫與主軸的相對位置不同，所以各種加工中心所使用的換刀機械手結構也不盡相同。從手臂的類型來看，有單臂機械手、雙臂機械手等。二、常見的換刀方式（4） w 機械手換刀機械手換刀 （2） n雙臂機械手中最常用的有如圖所示的幾種結構形式：圖a是鉤手，圖b是抱手，圖C是伸縮手，圖d是插手。這幾種機械手能夠完成抓刀一拔刀一回轉一插刀一返回等一系列動作。為了防止刀具掉落，各機械
16、手的活動爪都帶有自鎖機構。由于雙臂回轉機械手的動作比較簡單，而且能夠同時抓取和裝卸機床主軸和刀庫中的刀具，因此換刀時間進一步縮短。雙臂機械手常用結構圖例 二、常見的換刀方式（5） w 機械手換刀機械手換刀 （3） n如圖所示是雙刀庫機械手裝置，其特點是兩個刀庫和兩個單臂機械手進行工作，因而機械手的工作行程大為縮短，可有效的節(jié)省換刀時間。另外，還由于刀庫分兩處設立，故使機床整體布局較為合理。雙刀庫機械手換刀裝置圖例 二、常見的換刀方式（6） w 轉塔式自動換刀轉塔式自動換刀 n轉塔式自動換刀裝置是數控機床中比較簡單的換刀裝置。轉塔刀架上裝有主軸頭，轉塔轉動時更換主軸頭以實現自動換刀。在轉塔各個主
17、軸頭上，預先安裝有各工序所需要的旋轉刀具。如圖所示數控鉆鏜銑床采用轉塔刀庫換刀，可繞水平軸轉位的轉塔自動換刀裝置上裝有8把刀具，但只有處于最下端“工作位置”上的主軸才能與主傳動鏈接通并轉動。待該工步加工完畢需要換刀時，首先脫開主傳動鏈，然后轉塔按照指令轉過一個或幾個位置，完成自動換刀，再進入下一步的加工。轉塔刀庫換刀圖例三、 刀具的選擇方式（1）w 順序選擇順序選擇 n刀具的順序選擇方式是將刀具按加工工序的順序，依次放入刀庫的每一個刀座內。每次換刀時，刀庫按順序轉動或移動一個刀座的位置，并取出所需要的刀具。已經使用過的刀具可以放回到原來的刀座內，也可以按順序放入下一個刀座內。采用這種方式的刀庫
18、不需要刀具識別裝置，而且驅動控制也比較簡單，可以直接由刀庫的分度機構來實現。三、 刀具的選擇方式（2）w 刀具編碼選擇（刀具編碼選擇（1） n刀具的編碼選擇方式采用一種特殊的刀柄結構，對每把刀具進行編碼。換刀時通過編碼識別裝置，按換刀指令代碼，在刀庫中尋找出所需要的刀具。由于每一把刀具都有自己的代碼，因而刀具可以放入刀庫中的任何一個刀座內，這樣不僅刀庫中的刀具可以在不同的工序中重復使用，而且換下來的刀具也不必放回原來的刀座，這對裝刀和選刀都十分有利，刀庫的容量也可相應地減少，而且還可以避免由于刀具順序的差錯所造成的事故。三、 刀具的選擇方式（3）w 刀具編碼選擇（刀具編碼選擇（2） n編碼刀柄
19、的結構編碼刀柄的結構 如圖所示為編碼刀柄示意圖。在刀柄的尾部的拉緊螺桿3上套裝著一組等間隔的編碼環(huán)1，并由鎖緊螺母2將它們固定。編碼環(huán)的外徑有大小兩種不同的規(guī)格，分別表示二進制 “1”和“0”。通過對兩種圓環(huán)的不同排列，可以得到一系列的代碼。例如，圖中所示的7個編碼環(huán)，就能夠區(qū)別出127種（27-1）刀具。通常全部為0的代碼不允許使用，以避免與刀座中沒有刀具的狀況相混淆。為便于操作者的記憶和認別，也可以采用二八進制編碼來表示。編碼刀柄結構圖例 三、 刀具的選擇方式（4）w 刀具編碼選擇（刀具編碼選擇（3） n刀具識別裝置刀具識別裝置 如圖所示為接觸式刀具編碼識別裝置示意圖。當刀庫中帶有編碼環(huán)的
20、刀具依次通過編碼識別裝置時，識別裝置中的觸針分別與編碼環(huán)的大環(huán)接觸，相應的繼電器通電，其數碼為“1”；觸針與小環(huán)不接觸，相應的繼電器不通電，其數碼為“0”。當識別裝置的繼電器讀出的數碼與程序中所需刀具的編碼一致時，控制裝置發(fā)出信號，刀庫停止運動，等待換刀。接觸式刀具識別裝置圖例三、 刀具的選擇方式（5）w 刀具編碼選擇（刀具編碼選擇（4） n刀具識別裝置刀具識別裝置 如圖所示為非接觸式磁性刀具編碼認別裝置示意圖。編碼環(huán)用直徑相等的導磁材料(如軟鋼)和非導磁材料(如黃銅、塑料)制成，分別表示二進制“1”和“0”。識別裝置由一組感應線圈組成。刀庫中的刀具通過識別裝置時，對應軟鋼編碼環(huán)的線圈感應出高
21、電位(輸出為1)，其余線圈則輸出為低電位(表示0)，然后再經專門的識別電路選出所需刀具。磁性識別裝置沒有機械接觸和磨損，因此可以快速選刀，而且結構簡單、工作可靠、壽命長和無噪聲。非接觸式刀具識別裝置圖例三、 刀具的選擇方式（6）w 刀座編碼選擇（刀座編碼選擇（1 1） n刀座編碼方式是對刀庫中的刀座進行編碼和對刀具進行編號。裝刀時，將與刀座編碼相對應的刀具放入刀座中，然后根據刀座的編碼選取刀具。刀座編碼的識別原理與刀具編碼的識別原理完全相同。刀座編碼方式取消了刀柄中的編碼環(huán)，使刀柄的結構大為簡化。因此刀具識別裝置的結構不受刀柄尺寸的限制，而且可以放置在較為合理的位置上。采用這種編碼方式時，當操
22、作者把刀具誤放入編碼不符的刀座內，仍然會造成事故。刀具在自動交換過程中必須將用過的刀具放回原來的刀座內，增加了刀庫動作和復雜性。與順序選擇相比，刀座編碼選擇方式最突出的優(yōu)點是刀具可以在加工過程中重復多次選用。三、 刀具的選擇方式（7）w 刀座編碼選擇（刀座編碼選擇（2 2） n永久性編碼永久性編碼 將一種與刀座編號相對應的刀座編碼板安裝在每個刀座的側面，它的編碼是固定不變的。如圖所示為圓盤形刀庫的刀座編碼裝置。圓盤周圍均布若干個刀座，其外側邊緣上裝有相應的刀座編碼塊1，在刀庫的下方裝有固定不動的刀座識別裝置。刀庫旋轉，刀座 (刀具)通過識別裝置時，選中所需刀具(刀座)，刀庫停止轉動等待換刀。永
23、久性刀座編碼選刀裝置圖例三、 刀具的選擇方式（8）w 刀座編碼選擇（刀座編碼選擇（3 3） n臨時性編碼臨時性編碼 也稱鑰匙編碼，它采用了一種專用的代碼鑰匙（如圖a），并在刀座旁設專用的代碼鑰匙孔（如圖b）。編碼時先按加工程序的規(guī)定給每一把刀具系上表示該刀具號碼的代碼鑰匙，在刀具任意放入刀座的同時，將對應的代碼鑰匙插入該刀座旁的代碼鑰匙孔內，通過鑰匙把刀具的代碼記到該刀座上，從而給刀座編上了代碼。鑰匙編碼圖例三、 刀具的選擇方式（9）w 刀座編碼選擇（刀座編碼選擇（4 4） n臨時性編碼臨時性編碼 刀座編碼原理如圖b所示。鑰匙1沿水平方向的鑰匙縫插入鑰匙孔座，然后順時針方向旋轉90，處于鑰匙有
24、齒部分3的接觸片2被撐起，表示代碼“1”，處于無齒部分的接觸片5保持原狀，表示代碼“0”。刀庫上裝有數碼讀取裝置，它由兩排成80分布的炭刷組成。當刀庫轉動選刀時，鑰匙刀孔的兩半排接觸片依次通過炭刷，依次讀出刀座的代碼，直到尋找到所需要的刀具。三、 刀具的選擇方式（10）w 任意選刀（任意選刀（1 1） n在這種選刀與換刀方式中，刀庫上的刀具與主軸上的刀具直接交換，即隨機任意選刀換刀。主軸上換上的新刀號及還回刀庫中的刀具號，均在計算機(或可編程序控制器)內部相應的存儲單元記憶，不論刀具放在哪個地址，都始終能跟蹤記憶。這種刀具選擇方式需在計算機內部設置一個模擬刀庫的數據表，其長度和表內設置的數據與
25、刀庫的刀座位置數和刀具號相對應。這種方法主要用軟件完成選刀，從而消除了由于識刀裝置的穩(wěn)定性、可靠性所帶來的選刀失誤。三、 刀具的選擇方式（11）w 任意選刀（任意選刀（2 2） n自動換刀控制和刀號數據表 如圖a所示，刀庫有8個刀座，可存放8把刀具。刀座固定位置編號為方框內18號，主軸刀位號為方框內0號，刀具編號可以任意設定，如圖中括號內編號（10）（18）。一旦給某把刀具編號，這個編號不應隨意改變。為了使用方便，刀號也可采用BCD碼編寫。三、 刀具的選擇方式（12）w 任意選刀（任意選刀（3 3） n自動換刀控制和刀號數據表 在計算機內部建立一個模擬刀庫的刀號數據表，如圖b所示。數據表的序號與刀庫刀具的編號對應，每個表序號中的內容就是對應刀座中所插入的刀具號。圖中刀號表首地址TAB單元固定存放主軸上刀具的號數，TAB+1TAB+8存放刀庫上的刀具號。由于刀具數據表實際上是刀庫中存放刀具的位置的一種映象，所以刀號表與刀庫中刀具的位置應始終保持一致。隨機選刀、換刀圖例
第七章加工中心加工中心概述加工中心的基本構成加工中心的分類
