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1、第一章 緒論 本章首先從數(shù)控機床的發(fā)展歷程引出加工中心的發(fā)展趨勢，再具體到本次設(shè)計針對的刀庫的任務(wù)要求，明確了本設(shè)計任務(wù)的主要內(nèi)容。 引言 1952年世界上出現(xiàn)了第一臺數(shù)控機床，使多品種、中小批量的機械加工設(shè)備在柔性、自動化和效率上產(chǎn)生了巨大變革。1958年第一臺加工中心問世，它將多工序（銑、鉆、鏜、鉸、攻絲等）加工集于一身；適應(yīng)加工多品種和大批量的工件；增加機床功能（自動換刀、自動換工件、自動檢測等），使自動化程度和加工效率上了一個新臺階；使無人化（或長時間無人操作）加工成為現(xiàn)實。90年代以來，數(shù)控加工技術(shù)得到迅速的普及及發(fā)展，數(shù)控加工中心在制造業(yè)得到越來越廣泛的應(yīng)用。目前國內(nèi)企業(yè)生

2、產(chǎn)制造的加工中心主要是面向生產(chǎn)領(lǐng)域，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、精度高、封閉性強，價格昂貴。加工中心已成為柔性制造系統(tǒng)、計算機集成制造系統(tǒng)和自動化工廠的基本單元。 加工中心是數(shù)控機床的代表，是高新技術(shù)集成度高的典型機電一體化機械加工設(shè)備，受到世界各工業(yè)發(fā)達國家的高度重視，技術(shù)迅速發(fā)展，品種和數(shù)量大幅度增加，成為當今世界機械加工設(shè)備中最引人注目的一類產(chǎn)品。 加工中心簡介 加工中心的發(fā)展簡史 1952年世界上出現(xiàn)第一臺數(shù)控機床，使多品種、中小批量的機械加工設(shè)備在柔性、自動化和效率上產(chǎn)生了巨大變革。它用易于修改的數(shù)控加工程序進行控制，因而比大批量生產(chǎn)重使用組合機床生產(chǎn)線和凸輪、開關(guān)控制的專用機床有更大的柔

3、性，容易適應(yīng)加工件品種的變化，進行多品種加工。它用數(shù)控系統(tǒng)對機床的工藝功能、幾何圖形運動功能和輔助功能實行全自動的數(shù)字控制，因為有更高的自動化程度和加工效率，大大改變了中小批量生產(chǎn)中普通機床占整個機械加工的狀況。數(shù)控機床能實現(xiàn)兩坐標以上聯(lián)動的功能，其效率和精度比用手工和樣板控制加工復(fù)雜零件要高得多。 1958年第一臺加工中心在美國卡尼、特雷克（Kearney&Trecker）公司問世。現(xiàn)代加工中心的內(nèi)容是什么？第一，它是在數(shù)控鏜床或數(shù)控銑床的基礎(chǔ)上增加自動換刀裝置，可使工件在一次裝卡中，能夠自動更換刀具，自動完成工件上的銑削、鉆孔、鏜孔、鉸孔、攻絲等工序的數(shù)控機床。第二，加工中心上如果帶有自

4、動分度回轉(zhuǎn)工作臺或自動轉(zhuǎn)角度的主軸箱，可使工件在一次裝卡中，自動完成多個平面和多個角度位置的多工序加工。第三，加工中心上如果帶有交換工作臺，工件在工作位置的工作臺上進行加工的同時，另外的工件在裝卸位置的工作臺上進行裝卸，不影響加工的進行。 由上述可知，加工重心在加工的柔性、自動化程度和加工效率上，在一般數(shù)控機床的基礎(chǔ)上又上了一個新的臺階，又是一次新的變革。 加工中心的定義是什么？目前世界上并無標準定義，但目前普遍認為是指：在工件一次裝卡中，能夠?qū)崿F(xiàn)自動銑削、鉆孔、鏜孔、鉸孔、攻絲等多工序的數(shù)控機床。更為明確的說法是：加工中心就是自動換刀數(shù)控鏜銑床。這就把加工中心與自動換刀數(shù)控車床或車削中心

5、區(qū)別開來。 加工中心的結(jié)構(gòu)組成 加工中心的組成歲機床的類別、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

6、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，容量

7、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。 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

8、樣可以減少輔助時間，提高加工效率。 加工中心的分類 圖1-1 立式加工中心 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1-1） 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1-2 臥式加工中心 ㈡臥式加工中心（如圖1-2） 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

9、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 五坐標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。常見的五坐標加工中心有兩種結(jié)構(gòu)形式，一種是主軸可以旋轉(zhuǎn)，另一種是工作臺可以旋轉(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，那么加工一個零件嗦需準備時

10、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 Chang

11、er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(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

12、。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。 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(dǎo)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

13、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1.5G~ 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

14、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0.1～0.5 mm。 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1-3列出了常用的

15、幾種刀庫。圖1-3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1-3d是刀具可作翻轉(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）。 圖1-3 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 當需要存放更多數(shù)量的刀具時，可以采用圖1-3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1-3e

16、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1-3f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1-3g和1-3h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。 1.3.2 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)。 ㈠ 盤式刀庫 盤式刀庫結(jié)構(gòu)簡單，應(yīng)用較多，如圖1-4所示。由于刀具環(huán)形排列，空間利用率低。因

17、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，盤式刀圖1-4 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 庫一般適用于刀具容量較少的刀庫。 ㈡ 鏈式刀庫 如圖1-5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

18、~120把時，多采用鏈式刀庫。 圖1-5 鏈式刀庫的形式 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1-6所示，或者設(shè)在盡可能靠近主動鏈輪的刀套處，如圖1-7所示 圖1-7 鏈式刀庫換刀位置 圖1-6 鏈式刀庫換刀位置 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.）

19、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1-1 表1-1 鏈條型號 刀具錐柄號 P O L H W R T HP 40 90 55 86.5 88 60 68 4.0 1） HP-T型 ①鏈輪節(jié)圓直徑 式中 N——當量齒數(shù)（實際齒數(shù)/3） ②鏈輪外徑D0 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。 詳細設(shè)計說明書及設(shè)計圖紙 聯(lián)系qq：