数控机床结构及应用第4章.ppt

本章要点,第4章加工中心,数控机床结构及应用,第4章加工中心Machiningcenter,什么是加工中心？,加工中心是在普通数控机床的基础上增加了自动换刀装置及刀库，并带有其他辅助功能，从而使工件在一次装夹后，可以连续、自动完成多个平面或多个角度位置的钻、扩、铰、镗、攻丝、铣削等工序的加工，工序高度集中。,4.1加工中心,主要加工对象：1.箱体类零件2.复杂曲面3.异形件4.盘、套、板类零件,发动机缸体,4.1加工中心,发动机缸体,4.1加工中心,发动机缸体,4.1加工中心,螺旋零件,4.1加工中心,叶轮,4.1加工中心,人面模型,4.1加工中心,手枪模型,4.1加工中心,小提琴模型,4.1加工中心,加工中心加工,铣削加工,钻削加工,螺纹加工,4.1加工中心,4.1.1加工中心的特点,加工中心包含有自动换刀功能的刀库系统，它能在一台机床上完成由多台机床才能完成的工作。,自动换刀装置多工布，工序集中回转工作台或可旋转主轴箱一次装夹，多面（角度）多工序加工自动调整主轴转速、进给量和刀具轨迹等参数交换工作台加工与装卸并行，提高效率,刀具寿命的监测功能、刀具磨损和损伤的监测功能、切削状态的监测功能、切削异常的监测、报警和自动停机功能，自动检测和自我诊断功能及自适应控制功能等,加工中心已成为柔性制造系统、计算机集成制造系统和自动化工厂的关键设备和基本单元。,4.1.2加工中心的工作原理,加工中心的工作原理是根据零件图纸，制定工艺方案，采用手工或计算机自动编制零件加工程序，把零件所需的机床各种动作及全部工艺参数变成数控程序，并将程序代码通过输入装置存储到机床数控系统。进入数控系统的信息，经过一系列处理和运算转变为脉冲信号。一部分信号送到机床的伺服系统，通过伺服机构进行转换和放大，再经过传动机构，驱动机床有关零部件，使刀具和工件严格执行零件程序所规定的相应运动。另一部分信号送到可编程序控制器中用以顺序控制机床的其他辅助动作，实现刀具自动更换。,4.1.3加工中心的组成及系列型谱,1-排屑器；2冷却水箱；3、8机械手；4、7刀库；5-油温自动控制箱；6X轴伺服电机；9Y轴伺服电机；10平衡液压缸；11立柱；12主轴箱；13分度工作台；14工作台驱动电机；15床身；16液压油箱；17Z轴伺服电机；18强电柜；19主轴电机；20间歇润滑装置；21数控柜；22立柱滑座。,加工中心组成,基础部件由床身、立柱和工作台等大件组成，是加工中心的基础构件，它们可以是铸铁件，也可以是焊接钢结构件，均要承受加工中心的静载荷以及在加工时的切削载荷。故必须是刚度很高的部件，亦是加工中心质量和体积最大的部件。,主轴组件它由主轴电动机、主轴箱、主轴和主轴支承等零部件组成。其起动、停止和转动等动作均由数控系统控制，并通过装在主轴上的刀具参与切削运动，是切削加工的功率输出部件。主轴是加工中心的关键部件，其结构优劣对加工中心的性能有很大的影响。,4.1.3加工中心的组成及系列型谱,控制系统单台加工中心的数控部分是由CNC装置、可编程序控制器、伺服驱动装置以及电动机等部分组成。它们是加工中心执行顺序控制动作和完成加工过程中的控制中心。,伺服系统伺服系统的作用是把来自数控装置的信号转换为机床移动部件的运动,其性能是决定机床的加工精度、表面质量和生产效率的主要因素之一。加工中心普遍采用半闭环、闭环和混合环三种控制方式。,4.1.3加工中心的组成及系列型谱,自动换刀装置它由刀库、机械手和驱动机构等部件组成。刀库是存放加工过程所使用的全部刀具的装置。刀库有盘式、鼓式和链式等多种形式，容量从几把到几百把，当需换刀时，根据数控系统指令，由机械手(或通过别的方式)将刀具从刀库取出装入主轴中。机械手的结构根据刀库与主轴的相对位置及结构的不同有多种形式。有的加工中心不用机械手而利用主轴箱或刀库的移动来实现换刀。尽管换刀过程、选刀方式、刀库结构、机械手类型等各不相同，但都是在数控装置及可编程序控制器控制下，由电动机、液压或气动机构驱动刀库和机械手实现刀具的选择与交换。,4.1.3加工中心的组成及系列型谱,辅助系统包括润滑、冷却、排屑、防护、液压和随机检测系统等部分。辅助系统虽不直接参加切削运动，但对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。,自动托盘更换系统有的加工中心为进一步缩短非切削时间，配有两个自动交换工件托盘，一个安装在工作台上进行加工，另一个则位于工作台外进行装卸工件。当完成一个托盘上的工件加工后，便自动交换托盘，进行新零件的加工，这样可减少辅助时间，提高加工工效。,4.1.3加工中心的组成及系列型谱,整机架构,支撑各机构及工件的机构。含：立柱、底座、鞍座、工作台、主轴头。,4.1.3加工中心的组成及系列型谱,底座：整台机床的主体，支撑着机台的所有重量,4.1.3加工中心的组成及系列型谱,鞍座：下面连接着底座，上面连接工作台，用于实现Y轴移动等功能,鞍座,底座,工作台,4.1.3加工中心的组成及系列型谱,工作台：下面连接着鞍座，表面摆放工件、夹具及第四轴等，用于实现X轴的移动等功能,4.1.3加工中心的组成及系列型谱,立柱：下面连接底座，硬轨或线轨连接主轴头，上面固定配重担架、导链条及配重块，侧面还连接刀库,4.1.3加工中心的组成及系列型谱,主轴头：下面与立柱的硬轨或线轨，内部装有主轴，上面还固定主轴马达、主轴松刀装置，用于实现Z轴移动、主轴旋转等功能,4.1.3加工中心的组成及系列型谱,主轴部分,基本功能：夹持刀具作旋转来切除工件材料。重要元件：主轴本体、轴承组合、刀具夹持系统。,4.1.3加工中心的组成及系列型谱,主轴传动方式,皮带式：通过皮带传动齿轮式：带有变速齿轮直接式：由调速电机直接驱动电主轴,4.1.3加工中心的组成及系列型谱,刀柄规格,4.1.3加工中心的组成及系列型谱,ATC,4.1.3加工中心的组成及系列型谱,斗笠式刀库,4.1.3加工中心的组成及系列型谱,圆盘式刀库,4.1.3加工中心的组成及系列型谱,链条式刀库,4.1.3加工中心的组成及系列型谱,进给系统,滚珠螺杆轴承马达座导轨,4.1.3加工中心的组成及系列型谱,滚珠丝杆副直线导轨副,4.1.3加工中心的组成及系列型谱,导轨（硬轨）,4.1.3加工中心的组成及系列型谱,导轨特性比较,4.1.3加工中心的组成及系列型谱,电气箱：机台电路的控制中心,由NC控制器、电源供应器、主轴放大器、伺服放大器、强电板、转接板、小变压器等等元气件组成,4.1.3加工中心的组成及系列型谱,NC控制器：类似于电脑的主机，可进行处理、计算、转换、输入输出各种信号，以及存储系统资料、用户资料等等,FANUC,三菱,4.1.3加工中心的组成及系列型谱,电源模块：先将3相220V的交流电源，整流为2相300V直流电源，然后再将300V直流电源通过短接铜片传输给下一个伺服单元。（提供伺服驱动电源及工作电源）,4.1.3加工中心的组成及系列型谱,伺服放大器：通过伺服马达编码的脉冲信号经伺服放大器放大转变为数值信号，再经由NC控制器处理，然后再由放大器又转为脉冲信号，以达到控制伺服轴运动的装置。,FANUC,三菱,4.1.3加工中心的组成及系列型谱,I/O板：控制信号输入输出的装置，也是指INPUT、OUPUT的含义,三菱,4.1.3加工中心的组成及系列型谱,中间继电器,电磁连接器,小变压器,24V电源供应器,继电器模组,保险丝组,一般用于控制小于110V电源的通断，通过的电流较小,将12个小继电器集成于一块电路板上，以提高效率，简化线路,将交流220V电源转换成为直流24V电源的装置，为系统提供控制电源,一般用于控制交流220V电源的通断，有时也会用在主轴高低档的配线中，其通过的电流较大,将220V的交流电源转换成交流110V、100V、22V、19V电源的装置,4.1.3加工中心的组成及系列型谱,转接板：与NC输入输出、外围线路连接时，信号线PIN口与接点的转换装置，以集成形式制定的电路板，以简化线路,4.1.3加工中心的组成及系列型谱,华昌刹车器：斗笠式换刀时所用，用于控制刀库正反转,4.1.3加工中心的组成及系列型谱,操作箱：用于控制、执行、监视机床的状态动作的装置，由显示器、操作面板、电源开关等等组成,4.1.3加工中心的组成及系列型谱,FANUC系统操作面板,4.1.3加工中心的组成及系列型谱,三菱系统操作面板,4.1.3加工中心的组成及系列型谱,西门子系统操作面板,4.1.3加工中心的组成及系列型谱,手轮：用于慢速控制轴向移动的装置,最小移动单位是0.001mm。,4.1.3加工中心的组成及系列型谱,风压电磁阀组：利用风压来控制、实现机床部分功能的装置，如刀套上下、主轴夹松刀、主轴旋转吹气等等功能,4.1.3加工中心的组成及系列型谱,主轴马达：受主轴放大器控制,来实现主轴正反转的功能,4.1.3加工中心的组成及系列型谱,伺服马达：受伺服放大器控制，来实现伺服轴X、Y、Z、B轴移动的功能,4.1.3加工中心的组成及系列型谱,切削液马达：用于实现喷切削液的功能的装置，以便提高刀具寿命、工件表面光洁度,4.1.3加工中心的组成及系列型谱,液压站马达：实现油压控制机械动作的装置，如第四轴夹松、刀塔正反转，尾座进出等等,4.1.3加工中心的组成及系列型谱,排屑机：自动清理铁屑的装置,4.1.3加工中心的组成及系列型谱,其他系統简介,第四轴,4.1.3加工中心的组成及系列型谱,其他系統简介,对刀仪,4.1.3加工中心的组成及系列型谱,其他系統简介,光学尺,刀长量测,4.1.3加工中心的组成及系列型谱,其他系統简介,工件量测,4.1.3加工中心的组成及系列型谱,其他系統简介,刀具,4.1.3加工中心的组成及系列型谱,4.1.3加工中心的组成及系列型谱,优先数卧式加工中心分度工作台的边长尺寸（mm）320320，400400，500500，630630，800800，10001000，12501250等立式加工中心工作台宽度尺寸（mm）/长度按实际要求而定3201000，4001000，5001000，6301200，8001500等,型谱按生产厂家的习惯或特长铣床型谱，取名为XH，如XH754，XH716等；镗床型谱，取名为TH，如TH6350采用国外厂家规定如SALON3，RE5020等,4.1.4加工中心的分类,4.1.4加工中心的分类,1按机床形态分类,(1)立式加工中心其主轴中心线为垂直状态设置，有固定立柱式和移动立柱式等两种结构形式，多采用固定立柱式结构。,优点：结构简单，占地面积小，价格相对较低，装夹工件方便，调试程序容易，应用广泛。缺点：不能加工太高的零件；在加工型腔或下凹的型面时切屑不易排除，严重时会损坏刀具，破坏已加工表面，影响加工的顺利进行。应用：最适宜加工高度方向尺寸相对较小的工件。,立式加工中心,4.1.4加工中心的分类,(2)卧式加工中心其主轴中心线为水平状态设置，多采用移动式立柱结构，通常都带有可进行回转运动的正方形分度工作台，一般具有35个运动坐标，常见的是三个直线运动坐标加一个回转运动坐标(回转工作台)。,优点：加工时排屑容易。,缺点：与立式加工中心相比较，卧式加工中心在调试程序及试切时不宜观察，加工时不便监视，零件装夹和测量不方便；卧式加工中心的结构复杂，占地面积大，价格也较高。,应用：最适合加工箱体类零件。,卧式加工中心,龙门加工中心,4.1.4加工中心的分类,(3)龙门加工中心其形状与龙门铣床相似，主轴多为垂直设置，除自动换刀装置以外，还带有可更换的主轴头附件，数控装置的软件功能也较齐全，能够一机多用。,适用于大型或形状复杂的工件，如汽车模具、飞机的梁、框、壁板等整体结构件。,4.1.4加工中心的分类,五面加工中心,4.1.4加工中心的分类,2按运动坐标数和同时控制的坐标数分类,加工中心可分为三轴二联动，三轴三联动，四轴三联动，五轴四联动，六轴五联动等。,3按工作台数量和功能分类,加工中心可分为单工作台加工中心、双工作台加工中心和多工作台加工中心。,三轴加工中心的主要加工对象,1箱体类零件,箱体在机床、汽车、飞机等行业。箱体类零件一般都需要进行孔系、轮廓、平面的多工位加工，公差要求特别是形位公差要求较为严格。,2普通曲面,适合于加工复杂曲面，如飞机、汽车零件型面、叶轮、螺旋桨、各种曲面成型模具等。,三轴加工中心的主要加工对象,3异形件异形件是外形不规则的零件，大多数需要进行点、线、面多工位混合加工，如支架、基座、样板、靠模、支架等。,三轴加工中心的主要加工对象,4盘、套、板类零件,端面有分布孔系、曲面的盘、套、板类零件宜选用立式加工中心，有径向孔的可选用卧式加工中心。,三轴加工中心的主要加工对象,三轴加工中心不适合加工对象,复杂曲面异形类零件,复杂曲面用加工中心加工时，编程工作量较大，大多数要有自动编程技术。异形件是外形不规则的零件，大都需要点、线、面多工位混合加工。异形件的刚性一般较差，夹压变形难以控制，加工精度也难以保证，甚至某些零件的有的加工部位用普通机床难以完成。,数控机床结构及应用,第4章加工中心Machiningcenter,4.2.1主传动系统,加工中心主轴系统是加工中心成形运动的重要执行部件之一，它由主轴动力、主轴传动、主轴组件等部分组成。加工中心具有更高的加工效率、更宽的使用范围和更高的加工精度。,具有更大的调速范围并实现无级变速具有较高的精度与刚度，传动平稳，噪声低良好的抗振性和热稳定性具有刀具的自动夹紧功能,1.对主传动系统的要求,4.2.1主传动系统,2.主轴电动机与传动,主轴电动机交流调速电动机：成本低；不能实现电动机轴任意角度的准确定位。交流伺服主轴电动机：成本高；定位精确。主传动系统低速主轴：齿轮变速机构或同步带构成主轴的传动系统。104000r/min。高速主轴：电动机与主轴合二为一。瑞士IBAG的主轴单元：1200080000r/min；美国Precise的SC40/120主轴，最高主轴转速120000r/min。,图4-4VP1050加工中心的主轴传动机构,1-主轴驱动电动机；2、5-主轴齿轮；3-滑移齿轮；4、6-从动齿轮,4.2.1主传动系统,3.加工中心主轴组件,包括主轴、主轴轴承及安装在主轴上的传动件、密封件等。为了实现刀具在主轴上的自动装卸与夹持，还必须具有刀具的自动夹紧装置、主轴定向装置和主轴锥孔清理装置等结构。,主轴部件刀具的自动夹紧机构切屑清除装置,1主轴；2拉钉；3钢球；4、6向心推力角接触球轴承；5预紧螺母；7拉杆；8碟形弹簧；9圆柱螺旋弹簧；10活塞；11液压缸,图4-5JCS-018A主轴结构简图,4.2.1主传动系统,主轴准停装置机械方式和电气方式,图4-6机械准停原理示意图,4.2.1主传动系统,主轴结构与支承主轴的主要尺寸参数包括：主轴的直径、内孔直径、悬伸长度和支承跨距。评价和考虑主轴的主要尺寸参数的依据是主轴的刚度、结构工艺性和主轴组件的工艺适用范围。主轴支承形式很多：如VPl050主轴（见图4-4）和JCS-018A型加工中心（见图4-5）。自动夹紧刀具结构如图4-5和图4-7所示。,图4-7改进后的刀柄拉紧机构,2拉杆；3卡爪；4套,4.2.2直线进给传动系统,1.对直线进给系统的要求,进给运动是机床成形运动的一个重要部分，其传动质量直接关系到机床的加工性能。,高的传动精度与定位精度最重要的性能指标普通级：0.0050.008mm/300mm；精密级：0.00150.003mm/全行程，重复定位精度：0.001mm。提高传动刚度、传动件精度；消除传动间隙。宽的进给调速范围一般310000mm/min；低速定位0.1mm/min；快速移动40m/min。快的响应速度进给系统对指令信号的变化跟踪要快，并能迅速趋于稳定。应减小传动中的间隙和摩擦，减小系统转动惯量，增大传动刚度，以提高伺服进给系统的快速响应能力。,4.2.2直线进给传动系统,2.进给系统机械结构及典型元件,图4-8电动机轴与滚珠丝杠的联接结构,4.2.3回转工作台,1.分度工作台,分度工作台通常有插销式和鼠齿盘式两种。分度工作台的功用只是将工件转位换面，和自动换刀装置配合使用，工件一次安装能实现多面加工。,1-分度工作台；2-锥套；3-螺钉；4-支座；5-消隙油缸；6-定位孔衬套；7-定位销；8-锁紧油缸；9-大齿轮；10-长方形工作台；11-活塞杆；12-弹簧；13-油槽；14、19、20-轴承；15-螺柱；16-活塞；17-中央液压缸；18-油管；21-底座；22-挡块,图4-9定位销式分度工作台的结构,4.2.3回转工作台,1、2、15、16-推杆；3-下鼠牙盘；4-上鼠牙盘；5、13-推力轴承；6-活塞；7-工作台；8-齿条活塞；9-夹紧液压缸上腔；10-夹紧液压缸下腔；11-齿轮；12-内齿圈；14，17-挡块；18-分度液压缸右腔；19-分度液压缸左腔；20、2l-分度液压缸进回油管道；22、23-升降液压缸进回油管道,图4-10鼠牙盘式工作台,4.2.3回转工作台,2.数控回转工作台,数控回转工作台除了分度和转位的功能之外，还能实现圆周进给运动。,1-电液脉冲马达；2、4-齿轮；3-偏心环；5-楔形拉紧销；6-压块；7-螺母；8-锁紧螺钉；9-蜗杆；10-蜗轮；11-调整套；12、13-夹紧瓦；14-夹紧液压缸；15-活塞；16-弹簧；17-钢球；18-光栅；19-撞块；20-感应块,图4-11数控回转工作台,4.2.4工件交换系统,常用的工件交换方式为工作台直接交换和采用自动随行夹具等方式。,图4-12H400教学型加工中心工作台交换系统,4.2.4工件交换系统,图4-13更换随行夹具的交换系统,数控机床结构及应用,第4章加工中心Machiningcenter,4.3.1加工中心刀库形式,刀库刀库是自动换刀装置中最主要的部件之一，其容量、布局及具体结构对数控机床的总体设计有很大影响。,刀库类型一般有链式刀库、鼓轮式刀库等几种：(1)鼓轮式刀库:占地小，结构紧凑，容量大，但选刀、取刀动作复杂，多用于FMS的集中供刀系统。(2)链式刀库：结构紧凑，容量大，链环的形状也可随机床布局制成各种形式而灵活多变，还可将换刀位突出以便于换刀，应用较为广泛。,刀库容量指刀库存放刀具的数量，一般根据加工工艺要求而定。刀库容量小，不能满足加工需要；容量过大，又会使刀库尺寸大，占地面积大，选刀过程时间长，且刀库利用率低，结构过于复杂，造成很大浪费。,4.3.1加工中心刀库形式,链式刀库结构,链轮,链条兼刀套,张紧轮,导轮,4.3.1加工中心刀库形式,(3)格子盒式,1刀座；2刀具固定板架；3取刀机械手横向导轨；4取刀机械手纵向导轨；5换刀位置刀座；6换刀机械手,固定型格子盒式刀库,4.3.2加工中心刀库结构,1-直流伺服电动机；2-十字滑块联轴器；3-蜗轮；4-蜗杆；5-气缸；6-活塞杆；7-拨叉；8-螺杆；9-位置开关；10-定位开关；11-滚子；12-销轴；13-刀套；14-刀盘,图4-18aJCS-018A刀库结构,4.3.2加工中心刀库结构,图4-18bJCS-018A刀套结构图,1-弹簧；2-螺纹套；3-球头销钉；4-刀套；5、7-滚子；6-销轴,4.3.3JCS018A型加工中心机械手结构,1、3、7、9、13、14-位置开关；2、6、12-挡环；4、11-齿轮；5-连接盘；8-销子；10-传动盘；15、18、20-液压缸；16-轴；17、19-齿条；21机械手,图4-19JCS-018A机械手传动结构示意图,1-齿轮；2-轴；3-连接盘；4、6-销子；5-传动盘；7-齿条；8-活塞杆,图4-20机械手传动结构局部视图,4.3.3JCS018A型加工中心机械手结构,1-手臂；2、4-弹簧；3-锁紧销；5-活动销；6-锥销；7-手爪；8-长销,图4-21机械手臂和手爪,4.3.4其他类型机械手,(1)两手呈180的回转式单臂双手机械手,1-刀库；2-换刀位置的刀座；3-机械手；4-机床主轴,图4-22两手不伸缩的回转式单臂双手机械手,1-机床主轴；2-主轴中刀具；3-刀库中刀具；4-刀库；5-机械手,图4-23两手伸缩的回转式单臂双手机械手,4.3.4其他类型机械手,1-刀库；2-剪式手爪；3-机床主轴；4-伸缩臂；5-伸缩与回转机构；6-手臂摆动机构,图4-24剪式机械手,(1)两手呈180的回转式单臂双手机械手,4.3.4其他类型机械手,(2)两手互相垂直的回转式单臂双手机械手,1-刀库；2-齿条；3-齿轮；4-抓刀活塞；5-手臂托架；6-机床主轴；7-抓刀动块；8-销子；9-抓刀定块；10、12-小齿轮；11-弹簧；13、14-小齿条,图4-25两手互相垂直的回转式单臂双手机械手,4.3.4其他类型机械手,(3)两手平行的回转式单臂双手机械手,1-主轴2-刀具3-机械手4-刀库链,图4-26两手平行的回转式单臂双手机械手,1-液压缸；2-导向槽；3-销子；4-销轴,图4-27机械手手爪结构,4.3.4其他类型机械手,(4)双手交叉式机械手,I-向刀库归还用过的刀具并选取下一工序要使用的刀具；-等待与主轴交换刀具；-完成主轴的刀具交换,1-主轴；2-装上的刀具；3-卸下的刀具；4-臂座；5-刀库；6-装刀手；7-卸刀手,图4-28双手交叉式机械手换刀示意图,4.3.5几种典型换刀过程,（1）更换主轴换刀装置,1、12齿轮；2、3、47行程开关；4、5油缸；6蜗轮；8蜗杆；9盘；10鼠牙盘；11槽轮,图4-29八轴转塔头结构,4.3.5几种典型换刀过程,（2）更换主轴箱换刀装置,1主轴箱；27备用主轴箱；8主轴箱库；9刀库；10机械手；I、小车,图4-30更换主轴箱换刀装置,4.3.5几种典型换刀过程,（3）带刀库的无机械手换刀,图4-31换刀过程,1锁销；2顶销；3弹簧；4支点轴；5手爪；6挡销,图4-32刀库夹爪,4.3.5几种典型换刀过程,（4）带刀库的有机械手自动换刀系统,1机械手；2刀库；2主轴箱；4主轴,图4-33刀库装在机床立柱一侧,1刀库；2刀具；3主轴；4主轴箱；5工件,图4-34刀库装在机床工作台上,4.3.5几种典型换刀过程,1机械手；2刀库；3主轴箱；4主轴,图4-35刀库装在机床之外,1刀库；2机械手；3主轴箱；4主轴,图4-36刀库远离机床主轴,（4）带刀库的有机械手自动换刀系统,4.3.5几种典型换刀过程,1刀库；2机械手；3转塔头；4工件,图4-37带刀库的双主轴换刀系统,（4）带刀库的有机械手自动换刀系统,4.3.5几种典型换刀过程,（4）带刀库的有机械手自动换刀系统,4.3.5几种典型换刀过程,（5）带刀套机械手换刀,1-套筒；2-滑座；3-换刀臂；4-弹簧刀夹；5-刀号；6-主轴；7-主轴抓刀爪；8-换刀臂外侧爪；9-换刀臂内侧爪,图4-38VP1050换刀机