数控机床 （模块五）其他数控机床应用

数控机床

项目五

其他数控机床应用

数控机床模块一倒置式数控车床及应用模块二五轴加工中心模块三数控加工生产线的应用模块一数控镗铣床的应用

一、倒置式数控车床的布局

如图所示倒置式车床的布局既不同于卧式车床也不同于立式车床，其主要特征是采用倒立式主轴，即主轴的安装位置垂直向下，由主轴移动完成工件的装卸.

机床主要由床身、主轴单元、12刀位的盘式刀架、环形数控输送带、机床操纵台及冷却/液压/电气供应站等组成。

5.1倒置式数控车床及应用图5-1

一、倒置式数控车床的布局

如图5-2所示，为提高加工效率，VL3倒置式数控车床带有环形数控输送带5，毛坯1放置在V形架7内，通过环形数控输送带送至图5-3所示的上下料工位。

主轴2移动至上下料工位，由主轴前端的卡盘3抓取并夹紧工件4，主轴将工件运至图5-2所示的加工区。

5.1倒置式数控车床及应用图5-2卡盘工件图5-3

一、倒置式数控车床的布局

工作时，主轴随拖板移动实现X轴和Z轴的进给运动。下料工位在加工区后方，环形数控输送带的前端，可以取出成品件并放入毛坯件。

加工结束，由主轴将工件放回上下料工位，并更换下一个毛坯。图5-3所示为主轴移动到上下料工位装卸工件。

5.1倒置式数控车床及应用图5-2卡盘工件图5-3

二、倒置式数控车床的特点及应用

1.生产效率高、占地面积小

倒置式数控车床的自动装卸工件，生产效率高，加工精度高，机床运行可靠。和卧式数控车床相比，占地面积小。

2.操作方便、排屑理想

由于主轴倒置，且主轴自动完成工件的装卸，所以倒置式数控车床的操作方便省力。切屑垂直下落，排屑理想。

3.适用范围广

倒置式数控车床可用于小批量、品种多的生产中，同时由于它具备数控输送带和主轴自动上下料功能，生产效率高，所以也适用于大批量生产，例如用于汽车制造厂及为汽车制造厂配套的生产厂。

5.1倒置式数控车床及应用

二、倒置式数控车床的特点及应用

倒置式数控车床的应用：选用两台VL3倒置式数控车床，并配备一个机械手和一个给工件打标志的工位，组成如图所示的小型生产系统，自动加工齿轮的前、后两个面。

生产系统工作时，机械手在第一台数控车床的环形数控输送带上，抓取已经过第一序装夹加工的半成品工件，翻转180°后，将工件放到第二台机床的环形数控输送带上，由第二台数控车床加工另一个面。

5.1倒置式数控车床及应用图5-4

一、五轴加工中心的特点及应用

五轴加工中心即为五轴联动加工中心，指机床的直线坐标轴X/Y/Z及附加的旋转轴A/B/C中的两轴，五轴同时运动，来任意调整刀具或工件的姿态,实现对空间复杂型面的加工。五轴加工中心具备三个特点：1.改善切削状态和切削条件2.生产周期缩短3.满足加工要求和提高加工效率5.2五轴加工中心

1.改善切削状态和切削条件

五轴联动加工中心相对三轴或四轴联动的普通加工中心，可以有效的改善切削状态和切削条件。

如图5-5a）所示为三轴联动加工三维曲面，当切削刀具向顶端或工件边缘移动时，切削状态逐渐变差。为保持最佳切削状态，需要旋转工作台。

5.2五轴加工中心图5-5a）1.改善切削状态和切削条件

如图5-5b）所示的刀尖位置示意图，五轴加工中心工作台转动，使得刀具可以避免球头铣刀中心点切削速度为0情况，获得更好的表面质量。

五轴联动与三轴联动相比，能使加工误差与表面粗糙度减少至1/3～1/6。5.2五轴加工中心图5-5b）

一、五轴加工中心的特点及应用

2.生产周期缩短五轴数控机床通过主轴头偏摆进行侧壁加工，不需要多次的零件装夹，有效的减少定位误差，提高加工精度,并且使生产制造周期缩短。

★

在航空航天、汽车等制造领域，采用五轴数控机床，可以缩短研发周期和提高新产品的成功率。5.2五轴加工中心

一、五轴加工中心的特点及应用3.满足加工要求和提高加工效率

针对叶轮、叶片和模具陡峭侧壁加工，五轴数控加工通过对刀轴空间姿态角控制，能够利用刀具侧刃以周铣方式完成零件侧壁切削，而三轴数控加工则依靠刀具的分层切削和后续打磨来逼近倾斜面。

★

可见使用五轴数控机床加工，在满足工件表面质量的同时提高了加工效率。5.2五轴加工中心

二、五轴加工中心的布局

★五轴加工中心是在传统的三坐标基础上，增加了两个回转坐标，若回转坐标的驱动装置采用力矩电机，则机床进给机构可实现高速、低损耗、高精度、高效率的目标。★五坐标联动加工中心，在加工区域既可以避免刀具和工件之间的干涉，还可以实现刀具更好的切削条件。★与三坐标数控机床相比较，减少了加工中使用刀具的数量，其中包括使用专用刀具的数量。

5.2五轴加工中心

二、五轴加工中心的布局

五轴加工中心两旋转轴的结构及布局可以有多种形式，最常见的有铣头双摆式、转台加摆头式和双转台式。

（一）龙门加摆角铣头布局

国内先期生产的五轴数控加工中心，一般采用双摆铣头龙门式布局结构。双摆铣头从机床坐标系来看，是指机床刀具输出轴能够围绕机床X轴、Z轴（或Y轴）旋转的铣头，故双摆角铣头有AC摆角铣头、BC摆角铣头和AB摆角铣头。

1.双摆铣头两回转轴的传动结构

高速双摆式铣头一般采用电主轴，实现了机床主运动的“零传动”，并把两个回转轴设计到铣头上。

5.2五轴加工中心

1.双摆铣头两回转轴的传动结构

双摆铣头两回转轴的传动结构主要有蜗轮蜗杆传动、锥齿轮和扇形齿轮传动、力矩电机直接驱动三种形式。前两种属于传统的传动结构，力矩电机用于回转坐标的驱动装置，使机床进给机构实现高速、低损耗、高精度、高效率的目标。

（1）蜗轮蜗杆传动

以AC摆角铣头为例，了解如图5-6所示的蜗轮蜗杆传动的双摆铣头结构。

5.2五轴加工中心图5-61.双摆铣头两回转轴的传动结构

（1）蜗轮蜗杆传动

蜗轮蜗杆传动副的传动比大，传动链末端执行件可获得较大的扭矩，且传动结构紧凑。蜗轮蜗杆传动方式还具有传动平稳、噪声低、能自锁等特点。为消除蜗轮蜗杆的传动侧隙，一般采用双导程蜗杆，以提高铣头的摆动精度。

（2）锥齿轮和扇形齿轮传动

采用锥齿轮和扇形齿轮传动的双摆铣头结构，在五轴加工中心上应用的也比较广泛。铣头C轴旋转运动的传动结构与蜗轮蜗杆双摆铣头C轴的传动结构相同。A轴摆动由伺服电动机驱动，经一对锥齿轮传动和扇形齿轮传动实现A轴的摆动。5.2五轴加工中心

1.双摆铣头两回转轴的传动结构

（3）力矩电动机直接驱动

随着电机传动技术的发展，力矩电动机直驱技术应用于摆角铣头已经日趋成熟，且获得更高的稳定性和系统刚性。

力矩电动机直接驱动摆角铣头的传动结构如图5-7所示，电主轴7驱动机床的主切削运动。

带液压制动的力矩电动机2直接驱动摆角铣头实现C轴的旋转；

带液压制动的力矩电动机5驱动摆角铣头实现A轴回转。

5.2五轴加工中心图5-7

1.双摆铣头两回转轴的传动结构

（3）力矩电动机直接驱动

与传统驱动双摆角铣头相比，力矩电动机直接驱动的双摆角铣头简化了回转轴传动链结构，避免了高精度齿轮、弧形齿轮、精密蜗轮蜗杆副等零部件制造困难和精度保持性问题，并且回转轴的动态响应得到了很大提高。

5.2五轴加工中心图5-72.双摆角铣头

对于龙门式布局的五轴加工中心，为满足机床加工性能的需要，双摆角铣头可以呈现出不同的姿态。

（a）图为AC摆角铣头；（b）图为BC摆角铣头

5.2五轴加工中心C轴旋转A轴摆动C轴旋转B轴摆动图5-8（b）图5-8（a）2.双摆角铣头

对于龙门式布局的五轴加工中心，为满足机床加工性能的需要，双摆角铣头可以呈现出不同的姿态。

（c）图为AB摆角铣头

5.2五轴加工中心图5-8（c）B轴摆动A轴摆动3.龙门加摆角铣头布局的五轴加工中心

龙门加摆角铣头布局的五轴加工中心，主轴既参与回转运动，也参与直线移动。如图所示为XKAV系列龙门移动式数控五轴镗铣床。双摆角铣头为BC轴摆动

5.2五轴加工中心图5-9溜板工作台滑枕横梁床身导轨龙门立柱双摆角铣头3.龙门加摆角铣头布局的五轴加工中心

优点:是主轴加工灵活，工件一次安装可以实现五面的铣、镗、钻、铰、攻丝等多工序加工，很适合加工复杂的大型零件和重型零件。

5.2五轴加工中心图5-9溜板工作台滑枕横梁床身导轨龙门立柱双摆角铣头

（二）回转工作台加单摆铣头的布局

工作台做回转运动的五轴加工中心，其主轴可以采用立式布局，也可以采用卧式布局。如图所示为HMS125u型卧式五轴加工中心，机床的横床身和纵床身组成T字型结构。

机床的三个直线运动坐标：

X轴：回转工作台沿横床身导轨左右运动；Y轴：摆头沿立柱导轨上下运动；Z轴：立柱沿纵床身导轨前后运动。

5.2五轴加工中心图5-10

（二）回转工作台加单摆铣头的布局机床的两个回转运动坐标：A轴：旋转主轴箱绕X轴轴线连续摆动；B轴：回转工作台绕Y轴轴线做连续回转运动。

X、Y、Z、A、B轴均由伺服电机驱动，可五轴联动控制。

回转工作台加单摆铣头布局的五轴加工中心，适合用于加工各种复杂型面的零件，例如航空结构件、模具曲面的高效、高精度加工。

5.2五轴加工中心图5-10

（三）工作台双回转坐标立式布局

如图5-11a）所示，主轴垂直布置，工作台的摆动为A轴（-120º度~30º）工作台中间还设有一个回转台，

回转坐标C轴是360º回转。A/C双轴转台的五轴加工中心又被称为双摆转台五轴联动加工中心.双摆转台也称为摇篮式回转工作台。布局方式的优点：主轴的结构比较简单且刚性好，制造成本比较低，机床占地面紧凑。

5.2五轴加工中心图5-11a)主轴工作台回转台

（三）工作台双回转坐标立式布局

图5-11b）所示为B/C双摆转台立式加工中心，工作台的摆动为B轴，工作台的回转为C轴。B/C双摆转台与A/C双摆转台:★A/C转台的支承刚性较大，A/C双摆转台向后转动时，由于空间狭窄为防止干涉摆动角度较小。★B/C双摆转台通常为单臂支承，其支承刚性较小，但摆角范围大，且便于观察，适宜小型零件的加工。

5.2五轴加工中心图5-11b）工作台

三、立式五轴加工中心

1.机床布局和坐标运动

如5-12所示的五轴加工中心，其主轴采用立式布局，工作台采用回转加摆动的结构，机床有五个坐标轴且五轴联动。机床的五个运动坐标：

主轴随滑枕的纵向移动为X坐标轴，主轴随滑枕的横向移动为Y坐标轴，主轴沿滑枕的垂直移动为Z坐标轴，圆形回转台的转动为C坐标轴，工作台的摆动为A坐标轴。

5.2五轴加工中心图5-12摆动工作台主轴圆形回转台

2.机床主要技术参数加工空间X/Y/Z735/650/560mm工作台尺寸（长×宽）1000×650mm最大装载重量1800kg最大工件尺寸1000×840mm最大工件高度560mm圆形回转台直径

Φ650mm最大工件高度500mm主轴电动机功率13kW链式刀库30刀位刀具最大长度/重量315mm/8kg最大进给速度X/Y/Z40000mm/min快速移动速度X/Y/Z40m/min

5.2五轴加工中心

3.机床的结构特征如图所示，机床床身和立柱设计成一体式机架1

★Y轴滑座2支承在机架顶面的导轨上，做横向进给运动；

★

X轴滑座3可沿滑座2的导轨做纵向进给运动；

★Z轴滑枕5可带着主轴做垂直方向的进给运动。

5.2五轴加工中心图5-133.机床的结构特征

★机架前方安装有摆动工作台9，其绕X轴的摆动为回转坐标A；工作范围±120º；★圆形回转台8绕Z轴的转动为C轴，回转范围360º。

★

机床配备链式刀库6，刀库容量30个刀位，通过机械手7实现主轴与刀库之间刀具的交换。4是位置检测系统。

5.2五轴加工中心图5-134.五轴加工中心的应用

五轴加工中心的回转台4是数控回转工作台，可以沿圆周方向连续进给；摆动工作台5可绕X轴回转±120°。

如图所示的被加工零件为整体叶轮，工件安装在回转台上，主轴1上安装有球头铣刀2，机床五轴联动加工出叶轮3的轮廓。

五轴加工中心的加工工艺范围宽，适合于刀具和模具制造、航空工业、能源工业、汽车工业、医疗器械等行业，加工各种复杂型面和结构的零件。

5.2五轴加工中心图5-14

一、轮毂自动化生产线

（一）轮毂自动化生产线布局和加工能力如图所示为济南第一机床有限公司生产的轮毂自动化生产线，用于汽车制造行业轮毂零件的加工。

关节机器人实现轮毂零件在机床上的自动装卸。

料台用于毛坯和成品工件的输送。

5.3数控加工生产线的应用料台轮毂车床关节机器人立式加工中心轮毂车床图5-15

一、轮毂自动化生产线

（一）轮毂自动化生产线布局和加工能力

如图5-15所示，在两台轮毂车床分别进行工序10、工序20的加工，在立式加工中心进行工序30的加工。

5.3数控加工生产线的应用图5-16汽车轮毂加工工序（a）工序10（b）工序20（c）工序30（一）轮毂自动化生产线布局和加工能力

如图所示为关节机器人在加工10工序的轮毂车床上装卸工件。

在轮毂自动化生产线上，可以加工多种规格的汽车轮毂，其最大轮毂直径为24吋最大轮毂宽度为12吋。该自动线的生产节拍依据加工轮毂尺寸规格的不同而变化，最小生产节拍2分，钟最大生产节拍4分钟。

5.3数控加工生产线的应用图5-17关节机器人装卸工件

一、轮毂自动化生产线（二）轮毂自动化生产线数控轮毂车床1.J1WL-800数控轮毂车床布局

图5-17所示为轮毂自动化生产线中J1WL-800数控轮毂车床的外观图。

5.3数控加工生产线的应用图5-18

1.J1WL-800数控轮毂车床布局

拆卸机床外防护后，机床布局及结构如图所示。床身采用45°斜床身，该机床属于轮毂加工专用的数控车床，所以无尾座。主轴箱安装在床身左上方，床身左下端安装有主轴电动机，经多楔带传动主轴旋转。

5.3数控加工生产线的应用图5-19

1.J1WL-800数控轮毂车床布局

主轴尾端安装有驱动液压卡盘夹紧与松开的旋转油缸，主轴前端的三爪卡盘夹持着轮毂零件车削工序的专用夹具。

机床床身的导轨上支承着纵向移动的拖板，刀塔安装在滑板上，随滑板沿拖板顶面的导轨径向移动，滑板上方是X轴进给系统，其中包括伺服电动机及滚珠丝副等。

5.3数控加工生产线的应用图5-19

（二）轮毂自动化生产线数控轮毂车床

2.J1WL-800数控轮毂车床主要规格参数

★J1WL-800数控轮毂车床主要技术参数见表5-2.

加工45#钢试件，其尺寸精度可达到IT6级以上，加工工件圆度0.005mm，加工工件表面粗糙度(有色金属)Ra0.8。

★J1WL-800数控轮毂车床主轴几何精度、X轴和Z轴定位精度及重复定位精度、工件加工精度等指标如表5-3所示。

5.3数控加工生产线的应用3.数控轮毂车床主要部件的特点

（1）一体式整体斜床身、导轨滑动面采用注塑工艺

如图所示，机床的床身采用筒式筋板结构整体床身，其导轨面倾斜45°，床身导轨采用铸铁淬硬滑动导轨，且导轨滑动面采用接触刚性高的注塑工艺，适宜大负载强力切削。

该机床的床身结构具有刚性高、吸振性好、运动时摩擦系数小及使用寿命长的特点。

5.3数控加工生产线的应用图5-20整体斜床身

3.数控轮毂车床主要部件的特点

（1）一体式整体斜床身、导轨滑动面采用注塑工艺

拖板结构如图5-21所示，拖板的下导轨面与床身的45°斜导轨配合沿Z轴方向移动，上导轨面支承滑板及刀塔沿X轴方向移动。图5-22所示表示机床拖板、滑板和刀塔的相对安装位置。

5.3数控加工生产线的应用图5-22图5-21

3.数控轮毂车床主要部件的特点

（2）高刚性、精密主轴结构

J1WL-800数控轮毂车床主轴单元结构如图所示，主轴驱动采用FANUCαiI强力型主轴电机，可以满足轮毂零件高速、高效切削时对主轴输出扭矩的要求。

5.3数控加工生产线的应用图5-23

3.数控轮毂车床主要部件的特点

（3）进给传动装置结构

如图所示，滚珠丝杠5的左、右支承3和6均采用60

°角接触球轴承，滚珠丝杠与AC伺服电机1通过联轴器2直联。

在X轴进给传动装置中，伺服电机驱动滚珠丝杠旋转，螺母4带动拖板纵向移动；在Z轴进给传动装置中，伺服电机驱动滚珠丝杠旋转，螺母4则带动滑板及刀塔沿径向移动。

5.3数控加工生产线的应用图5-24（三）轮毂自动化生产线立式加工中心

1.J1VMC540立式加工中心布局

J1VMC540立式加工中心的外观如图（a）所示，机床布局如图（b）所示，机床采用立柱固定、工作台移动的布局形式，立柱与床身固定连接。

工作台移动为X轴；工作台随滑板移动为Y轴；主轴箱垂直移动为Z轴。

5.3数控加工生产线的应用图5-25（b）主轴箱工作台滑板立柱床身图5-25（a）

一、轮毂自动化生产线

（三）轮毂自动化生产线立式加工中心

2.J1VMC540立式加工中心主要技术参数J1VMC540立式加工中心主要技术参数见表5-4.J1VMC540立式加工中心主轴几何精度，X、Y、Z轴定位精度和重复定位精度，工件加工精度等指标如表5-5所示。

5.3数控加工生产线的应用

（三）轮毂自动化生产线立式加工中心

3.J1VMC540立式加工中心主要部件的特点

（1）主轴单元

主轴单元选用AC主轴电机，具有回转精度高、刚性好、动平衡精度高的特点，可以实现高速刚性攻丝功能。主轴换刀时，主轴内部刀具的松开与夹紧采用如图5-26所示的气动装置，使刀具交换快速、可靠。

5.3数控加工生产线的应用图5-26

3.J1VMC540立式加工中心主要部件的特点

（2）基础部件

机床的床身、立柱、滑板等基础件采用热对称和箱型密筋格筋板设计，使得基础部件具有稳定的精度和的高刚性。

（3）机床运动部件导轨

机床X轴、Y轴和Z轴运动部件的支承导轨采用如图所示的直线滚动导轨。导轨滑块和螺母分别安装在X轴、Y轴、Z轴的移动部件上。伺服电动机驱动滚珠丝杠旋转，螺母带动移动部件沿滚动导轨运动。

5.3数控加工生产线的应用图5-271234567

二、铸铝合金缸体加工自动线

1.自动线的组成和加工能力

如图所示为大连机床生产的铸铝合金缸体加工自动线

5.3数控加工生产线的应用双桁架机械手HDL50卧式加工中心HDL65卧式加工中心图5-281.自动线的组成和加工能力

铸铝合金缸体加工自动线，是针对如图5-28所示的4缸缸体零件设计制造的自动生产线。主机单元包括2台HDL63卧式加工中心和1台HDL50卧式加工中心。

5.3数控加工生产线的应用图5-29双桁架机械手HDL50卧式加工中心HDL63卧式加工中心图5-281.自动线的组成和加工能力

缸体加工自动线的三台卧式加工中心，配备A轴或者B轴回转工作台及专用夹具。工件的装卸和传输采用双桁架机械手，实现在加工工位自动装、卸工件。

缸体加工自动线主要是对铸铝合金汽油机4

缸缸体的前后面、顶底面及进、排气面进行铣面、钻孔、铰孔及攻丝等粗加工及精加工。

5.3数控加工生产线的应用双桁架机械手HDL50卧式加工中心HDL63卧式加工中心图5-28

二、铸铝合金缸体加工自动线2.主机单元卧式加工中心主要技术参数

HDL50卧式加工中心和HDL63卧式加工中心的主要技术参数如表5-5所示。

3.自动线主机单元及机床结构特点

铸铝合金缸体加工自动线主机单元HDL63和HDL50卧式加工中心，主要用于板类、盘类、箱体类、壳体类零件的加工，零件一次装夹后可加工完成铣、镗、钻、扩、铰、攻丝等多种工序，既适用于工序集中零件的多品种中小批量加工，更适于组成柔性加工自动线，完成汽车行业发动机缸体、缸盖的大批量生产。

5.3数控加工生产线的应用

3.自动线主机单元及机床结构特点

为了满足自动线高速、高效率的加工要求，对HDL63卧式加工中心和HDL50卧式加工中心的主轴单元、进给传动装置、基础部件等采取了多项技术措施。

1）主轴轴承采用油气润滑技术，以延长轴承工作寿命。

2）应用主轴温度补偿技术，以提高机床的加工精度。

3）应用高速主轴循环水冷却技术，保证主轴回转跳动精度，以满足工件加工精度要求。4）机床主轴单元选用电主轴，实现高速切削。

5）应用机床驱动热变形补偿技术，抵消高速运转过程中丝杠因热变形产生的误差。

6）X、Y、Z轴快速移动速度：HDL50卧式加工中心是54m/min，HDL63卧式加工中是48m/min。

7）机床床身采用整体铸件。

5.3数控加工生产线的应用

三、钻攻加工中心机器人自动线

1.自动线的组成和加工能力

如图所示的大连机床集团生产的钻攻加工中心机器人自动线，可以完成大部分3C（PC、手机、通信）产品从毛坯到成品，包括清洗在内的全部加工内容。

自动线由主机单元、行走机器人和上料台、下料台及翻转料架组成。

主机单元包括三台TD-500A立式钻攻加工中心和6轴关节行走机器人。

5.3数控加工生产线的应用立式钻攻加工中心行走机器人中心机器人滑台图5-30

三、钻攻加工中心机器人自动线

1.自动线的组成和加工能力

★6轴关节机器人可以沿着机器人滑台直线行走，完成生产线各机床自动上、下料和搬运工件任务。

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在该自动线上加工的3C（PC、手机、通信）产品，属于多工序加工，主要工序为铣、镗、钻、攻丝，每台钻攻加工中心加工一个工件，自动线的生产节拍为4分钟/每件。

5.3数控加工生产线的应用立式钻攻加工中心行走机器人中心机器人滑台图5-29

三、钻攻加工中心机器人自动线

2.行走机器人的主要技术参数

★行走机器人具备6轴关节。

★

机器人可搬运物料的最大重量是13kg，手臂最大合成速度9.7m/s，手臂最大运动半径1388mm，重复定位精度为±0.05mm，防护等级为IP40，行走最高速度90m/min。

★在钻攻加工中心机器人自动线，行走机器人服务于三台机床，实现自动上、下和机床之间物料的输送，该机器人具有利用率高、节拍快的特点。

5.3数控加工生产线的应用

三、钻攻加工中心机器人自动线

3.TD-500A立式钻攻加工中心技术参数

工作台规格（长×宽）650×400mm

主轴中心到立柱正面距离400mm

主轴端面到工作台上平面距离15～480mmX/Y/Z坐标行程500/400/330mmX/Y/Z轴切削速度0～2000mm/minX/Y/Z轴快进速度48m/min

主轴转速