加工中心简介

刘帅123456

      加工中心简介

【摘要】  介绍了数控机床、加工中心的原理及标准结构

【关键词】 加工中心；结构

1．概述

20世纪40年代末，美国开始研究数控机床，1952年，美国麻省理工学院(MIT)伺服机构实验室成功研制出第一台数控铣床，并于1957年投入使用。这是制造技术发展过程中的一个重大突破，标志着制造领域中数控加工时代的开始。数控加工是现代制造技术的基础，这一发明对于制造行业而言，具有划时代的意义和深远的影响。

用一句通俗易懂的话来说，数控机床就是由电脑直接控制进行机械加工的机床。用专业术语来说，数控机床即“数字程序控制机床”，即“CNC”（computer numerically controlled）机床。它是用数字和字母形式来表达工件的形状和尺寸等技术要求及加工工艺要求，经过数控装置运算，用数字代码信息(程序指令)控制刀具按给定的工作程序、运动速度和轨迹进行自动加工的机床。

狭义来说，数控机床特指那些只能完成车、铣、镗、磨、钻等单一工序的数控机床，在类型上可分为数控车床、数控铣床、数控镗床、数控磨床、数控钻床等等。广义来说，数控机床还包括加工中心。加工中心其实就是备有自动换刀装置的数控机床，其控制系统能控制机床自动换刀，连续地按一定顺序对各个加工面自动地完成车削、铣削、镗削、钻孔、攻丝等多工序的加工，因而又称为“多工序自动换刀数控机床”。

加工中心的出现，使数控机床的发展进入一个新的阶段。加工中心能做到一次装夹，多工序加工，把许多相关的分散工序集中在一起，形成一个以工件为中心的多工序自动加工系统，从而大大缩短了机床上零件的装卸时间和更换刀具的时间，改变了过去小批量生产中一人、一机、一刀的局面。

随着计算机软硬件技术的发展，产生了人机对话式编制程序的数控装置，并具有了自动检测工件等功能。CAD/CAM（CAD指计算机辅助设计，CAM指计算机辅助制造）的出现，使数控机床的自动化水平进一步提高，实现了自动生成程序控制数控机床。开辟了无纸全自动制造这一机械加工制造的新途径，从而节省了大量的材料、资金和人力，给机械设计和加工带来了革命性变革。

2．加工中心的特点

与普通机床相比，加工中心有以下的特点：

（l）工序集中

加工中心备有刀库并能自动更换刀具，可以对工件进行多工序加工。数控系统能控制机床按不同工序，自动选择和更换刀具，自动改变机床主轴转速、进给量和刀具相对工件的运动轨迹，以及其他辅助功能，加工中心更大程度地使工件在一次装夹后实现多表面、多特征、多工位的连续、高效、高精度加工，即工序集中．这是加工中心最突出的特点．

（2）对加工对象的适应性强

加工中心生产的柔性不仅体现在对特殊要求的快速反应上．而且可以快速实现批量生产，提高市场竞争能力．

（3）加工精度高

加工中心同其他数控机床一样具有加工精度高的特点，而且加工中心由于加工工序集中，避免了长工艺流程，减少了人为干扰，故加工精度更高，加工质量更加稳定。

（4）加工生产率高

零件加工所需要的时间包括机动时间与辅助时间两部分。加工中心带有刀库和自动换刀装置，在一台机床上能集中完成多种工序，因而可减少工件装夹、测量和机床的调整时间，减少工件半成品的周转、搬运和存放时间，使机床的切削利用率（切削时间和开动时间之比）高于普通机床3～4倍，达80％以上。

（5）操作者的劳动强度减轻

加工中心对零件的加工是按事先编好的程序自动完成的，操作者除了操作键盘、装卸零件、进行关键工序的中间测量以及观察机床的运行之外，不需要进行繁重的重复性手工操作，劳动强度和紧张程度均可大为减轻，劳动条件也得到很大的改善。

（6）经济效益高

使用加工中心加工零件时，分摊在每个零件上的设备费用是较昂贵的，但在单件、小批生产的情况下，可以节省许多其他方面的费用，因此能获得良好的经济效益。例如，在加工之前节省了划线工时，在零件安装到机床上之后可以减少调整、加工和检验时间，减少了直接生产费用。另外，由于加工中心加工零件时省去了许多工艺装备，减少了硬件投资．还由于加工中心的加工稳定，减少了废品率，使生产成本进一步下降。

（7）有利于生产管理的现代化

用加工中心加工零件，能够准确地计算零件的加工工时，并有效地简化了检验和工夹具、半成品的管理工作。这些特点有利于使生产管理现代化．当前有许多大型CAD/CAM集成软件已经开发了生产管理模块，实现了计算机辅助生产管理。

（8） 由于加工中心是典型的集高新技术于一体的机械加工设备，所以对操作人员的素质要求较高，对维修人员的技术要求更高。

3. 加工中心的组成

加工中心主要有下列几个部分组成：

（1）主机：它是加工中心的主体，包括床身、滑座、工作台、立柱、进给机构等机械部件。它是用于完成各种加工的机械部件。

（2）数控系统：它是加工中心的核心，数控系统用于机床的运算、管理和控制，通过输入介质得到数据，对这些数据进行解释和运算并对机床产生作用。

（3）伺服系统：它是加工中心执行机构的驱动部分，包括主轴伺服单元、进给伺服单元、主轴电机、进给伺服电机等。伺服系统根据数控系统的指令驱动机床，使刀具和零件执行数控代码规定的运动。

    （4）自动换刀系统。它是加工中心的刀具交换部分。包括刀库、机械手等部件组成。当需要换刀时，数控系统发出指令，自动换刀系统进行刀具交换。

（5）辅助系统：它是加工中心一些必要的配套部件。如冷却装置、机床润滑装置、自动排屑装置、液压和气动装置等。

4. 加工中心的机械结构

下图为一台立式加工中心简图，机械结构简单介绍如下：

                              

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                         立式加工中心简图
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（1）    基础部件
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$ V& B+ B, g3 r7 \5 D6 u基础部件包括床身、滑座、工作台、立柱、主轴箱等。
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   床身是数控铣床的基础部件，在上图中，滑座在床身上沿着Y方向运动，工作台在滑座上沿着X方向运动，立柱固定在床身上，主轴箱在立柱上沿着Z方向运动。
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! \, S: r4 _$ M（2）    进给机构

加工中心的进给机构有以下两种形式：
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5 @! @1 w5 ]" _5 oa）伺服传动系统

+ X, @  Q8 k" H6 h3 `0 l7 p! C3 x普通加工中心的进给机构为伺服传动系统，由伺服电机通过弹性联轴器，带动滚珠丝杠副，实现机床三个方向的运动。滚珠丝杠副的传动效率高达90%-98%，是普通滑动丝杠副的2-4倍。采用伺服传动系统的加工中心，移动速度最高达60m/min。
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加工中心中的滚珠丝杠常在预计载荷大、转速高以及散热差的条件下工作，因此丝杠容易发热。通常会用预拉伸的方法减少丝杠的热变形。

b)应用直线电动机的进给机构
4 m7 w  l$ @$ d. c' q) [: K 直线电机能直接产生直线运动，采用直线电机，不但省去了机械传动机构，而且可因地制宜地将直线感应电机的初级和次级安放在适当的空间位置或直接作为运动机械的一部分，使整个装置紧凑合理，有时还可以降低成本和提高效率。
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7 C7 u+ H. r; ~+ C近年来，在高速加工中心上，直线电动机的应用日益广泛。直线电动机的价格虽然高于传统的伺服系统，但简化了机械传动结构，提高了机床的动态性能。坐标运动采用直线电动机，移动速度最高达120m/min，加速度最高达2g，机床的动态性能有明显提高。
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& ^& B3 [! j+ j- z5 M7 Y0 a1 \; f, a伺服传动进给机构简图
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直线电动机的基本结构
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1－导轨系统  2－笼型次级绕组(定子) 3－三相初级绕组(转子)  4－直线行程测量系统
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（3）    加工中心的主传动

加工中心的主传动有以下四种形式：
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4 P( `$ W. n3 f* pa.带有变速齿轮的主传动
8 D* {3 d) e# W. s$ ~ 　　这是大、中型加工中心采用较多的一种方式。通过少数几对齿轮减速，扩大了输出扭矩，以满足主轴对输出扭矩特性的要求。一部分小型数控机床业采用此种传动方式，以获得强力切削时所需要的扭矩。滑移齿轮的移位大都采用液压拨叉或直接由液压油缸带动齿轮实现。
b.通过皮带传动的主传动
　　这主要应用在小型加工中心上，可以避免齿轮传动是引起的振动与噪声。多用V带或同步带来完成，其优点是结构简单安装调试方便，且在一定程度上能够满足转速与扭矩输出要求，但主轴调速范围比仍与电动机一样，受电动机调速范围比的约束。

' H8 x; A7 {3 u6 M0 h6 jc. 电动机与主轴直联的主传动
) J4 z% \- r1 M1 | 　　这种主传动方式大大简化了主轴箱体与主轴的结构，优点是结构紧凑，有效地提高了主轴部件的刚度。但主轴转速的变化及转矩的输出和电动机的输出特性一致，因而使用上受到一定限制，另外，电机发热对主轴的精度影响较大。
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d．电主轴
   电主轴通常作为现代机电一体化的功能部件，常装备在高速加工中心上。其主轴部件结构紧凑，重量轻，惯量小，可提高起动、停止的响应特性，有利于控制振动和噪声；缺点是制造和维护困难且成本较高。电动机运转产生的热量直接影响主轴，主轴的热变形严重影响机床的加工精度，因此合理选用主轴轴承以及润滑、冷却装置十分重要。

  
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                           皮带传动的主传动结构简图


* R+ e) h+ m% n, i( a
- p+ e% }, k" U+ j  S0 `5 S2 F5．加工中心的伺服系统

* j3 b! }/ o. p; q9 u3 }! N% a加工中心的伺服系统按其功能可分为：主轴伺服系统和进给伺服系统。伺服系统的作用是把来自数控装置的脉冲信号,转换成机床移动部件的运动。
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主轴伺服系统用于控制机床主轴的运动，主要任务是控制主轴转速和主轴定位。

进给伺服系统是以机床移动部件（如工作台）的位置和速度作为控制量的自动控制系统，通常由伺服驱动装置、伺服电机、机械传动机构及执行部件组成。
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. p8 W$ P! e+ c+ `这里只详细介绍进给伺服系统，进给伺服系统为半闭环控制系统和闭环控制系统。

（1）半闭环控制系统

半闭环控制系统常用于普通加工中心上，半闭环控制系统是在伺服机构中装有角位移检测装置，通过检测伺服机构的滚珠丝杠转角间接检测移动部件的位移，然后反馈到数控装置的比较器中，与输入原指令位移值进行比较，用比较后的差值进行控制，使移动部件补充位移，直到差值消除为止的控制系统。如下图：
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                            半闭环控制系统原理简图

0 q6 T  l3 D  r, N0 H" f（2）闭环控制系统

闭环控制系统的定位精度高于半闭环控制，但结构比较复杂，调试维修的难度较大，常用于高精度和大型加工中心上。闭环控制系统是在机床移动部件位置上直接装有直线位置检测装置，将检测到的实际位移反馈到数控装置的比较器中，与输入的原指令位移值进行比较，用比较后的差值控制移动部件作补充位移，直到差值消除时才停止移动，达到精确定位的控制系统。如下图：


9 I1 B' H. \& |: y% t+ H" M8 h闭环控制系统原理简图
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6．加工中心数控系统的功能

各种类型加工中心所配置的数控系统虽然各有不同，但各种数控系统的功能，除一些特殊功能不尽相同外，其主要功能基本相同。
' ?; ]; M; `8 t3 t/ @ a、点位控制功能
( `  l& ?5 V  i2 j  此功能可以实现对相互位置精度要求很高的孔系加工。
b、连续轮廓控制功能
  此功能可以实现直线、圆弧的插补功能及非圆曲线的加工。
2 B! P$ Z8 l; M c、刀具半径补偿功能
2 \0 Q4 Y; _) _0 S  此功能可以根据零件图样的标注尺寸来编程，而不必考虑所用刀具的实际半径尺寸，从而减少编程时的复杂数值计算。
d、刀具长度补偿功能
8 D( ]% z# t. o8 U  此功能可以自动补偿刀具的长短，以适应加工中对刀具长度尺寸调整的要求。
: H, {4 _  p4 C$ \9 g e、比例及镜像加工功能
  比例功能可将编好的加工程序按指定比例改变坐标值来执行。镜像加工又称轴对称加工，如果一个零件的形状关于坐标轴对称，那么只要编出一个或两个象限的程序，而其余象限的轮廓就可以通过镜像加工来实现。
f、旋转功能
  该功能可将编好的加工程序在加工平面内旋转任意角度来执行。
7 z% A+ q+ o: `6 p0 G g、子程序调用功能
1 u8 \: N5 Y6 B: a" E2 T  有些零件需要在不同的位置上重复加工同样的轮廓形状，将一轮廓形状的加工程序作为子程序，在需要的位置上重复调用，就可以完成对该零件的加工。
h、宏程序功能
5 H, I' x! S. j* h! E& R+ `2 p2 [  该功能可用一个总指令代表实现某一功能的一系列指令，并能对变量进行运算，使程序更具灵活性和方便性。
6 ?8 }% r; c' c! x
% u: D5 N5 ?: ]) h: E  A3 D% E% J# i7.结 语：

由于篇幅所限，本文只对加工中心作简单介绍，供纽威公司初次接触加工中心的技术人员参考。仔细阅读本文后，希望您能够对加工中心有一个初步的了解。
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0 P, D4 T- R( \  Z8 `参考文献
5 Z) R  n! `: E  t: C3 r* J' n: q
9 }( G) u1 w7 o+ m% e6 }7 |0 g- f5 x〔1〕现代实用机床设计手册   机械工业出版社      20006.6  
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