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國家“六五”和“七五”規(guī)劃期間，我國大力發(fā)展加工中心，幫助部分骨干企業(yè)與國外廠商進行合作，引進了加工中心的制造技術。現生產家有30多家，能制造70多個品種規(guī)格的加工中心產品，年產量約500臺，部分產品已達到國外同類產品的水平。 1.3 加工中心的原理 加工中心的工作原理是根據零件圖紙，制定工藝方案，采用手工或計算機自動編制零件加工程序，把零件所需的機床各種動作及全部工藝參數變成機床的數控裝置能接受的信息代碼，并把這些代碼存儲在信息載體（穿孔帶、磁盤等）上。將信息載體送到輸入裝置，讀出信息并送入數控裝置。信息載體為穿孔帶時，輸入裝置為光電閱讀機，磁帶輸入裝置可用磁帶錄音機。信息載體為磁盤時，可用驅動輸入。以上時最常用的程序輸入方法，另一種方法是利用計算機和加工中心直接進行通信，實現零件程序的輸入和輸出。 進入數控裝置的信息，經過一系列處理和運算轉變?yōu)槊}沖信號，有的信號送到機床的伺服系統(tǒng)，通過伺服機構進行轉換和放大，再經過傳動機構驅動機床有關零部件，使刀具和工件嚴格執(zhí)行零件程序所規(guī)定的相應運動，還有信號送到可編程序控制器中用以順序控制機床的其他輔助動作，實現刀具自動更換。 現代加工中心的內容是什么？第一，它是在數控鏜床或數控銑床的基礎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、攻絲等工序的數控機床。第二，加工中心上如果帶有自動回轉工作臺或自動轉角度的主軸箱，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。 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，能夠自動實現銑削、鉆孔、鏜孔、鉸孔、攻絲等多工序的數控機床。更為明確的說法是：加工中心就是自動換刀數控鏜銑床。這就把加工中心與自動換刀數控車床或車削中心區(qū)別開來。 1.4 加工中心的種類 ⒈按機床形態(tài)分類 按機床形態(tài)分類，分為：臥式、立式、龍門式三大類加工中心。 ⑴臥式加工中心 指主軸軸心線為水平狀態(tài)的加工中心。通常都帶有可進行分度回轉運動的正方形分度工作臺。 ⑵立式加工中心 指主軸軸心線為垂直狀態(tài)的加工中心。工作臺通常是長方形，且無分度回轉功能。 ⑶龍門式加工中心 形狀與龍門銑床相似，但它的功能遠比龍門銑床多。它帶有自動換刀裝置，帶可更換的主軸頭附件，數控裝置的軟件功能相當齊全，能夠一機多用。 ⒉按數字控制伺服機構的種類分類 ⑴半閉環(huán)控制方式 普通精度的加工中心，大都采用這種方式。它不是直接檢測工作臺等移動件的位置，而是通過檢測滾珠絲杠的回轉角度（或伺服電機軸的回轉角度）來間接地檢測移動件的位置，故而叫做半閉環(huán)控制方式。 ⑵全閉環(huán)控制方式 這種控制方式，通常是在精密加工中心上采用。移動部件（如工作臺、主軸箱）的移動位置，是由直線尺（如感應同步器、光柵尺等）直接進行檢測并反饋給比較回路，因而不受絲杠精度和熱變形的影響，得到較高的定位精度。 ⑶混合伺服控制方式 這種方式，通常是在重型加工中心上采用。所謂混合伺服控制，就是半閉環(huán)控制和全閉環(huán)控制并存的控制方式。此種方式對使用條件惡劣的重型機床，可用高增益得到高定位精度。 ⒊按立柱是否移動分類 ⑴固定立柱式 小型加工中心，通常都采用固定立柱方式。平面上的兩個坐標移動是由工作臺和溜板來實現。由于立柱固定在床身上，就便于把刀庫、電柜等裝在立柱上，實現機電一體化。 ⑵移動立柱式 通常見于大、中型加工中心。為了避免大尺寸工作臺在溜板兩端極限位置上發(fā)生翹曲和大溜板加工難的問題，采用了立柱在床身上沿前后方向移動，而工作臺則在床身上沿左右方向移動的形式，從而減少了溜板和結構的多層，有利于提高機床精度。 ⑶立柱作平面二坐標移動式 這種形式的加工中心，工作臺不作移動動作，而平面上的二坐標移動，均由立柱來實現。因為工作臺不移動，這種加工中心比較適用于柔性自動線等生產系統(tǒng)。 ⒋按ATC形式分類 ⑴帶刀庫、機械手的加工中心 這是加工中心最普遍采用的形式。加工中心的自動換刀裝置是由刀庫和換刀機械手組成。 ⑵無機械手的加工中心 采用40號以下刀柄的小型加工中心，有的就沒有換刀機械手，換刀是通過刀庫和主軸箱的配合動作來完成 ⑶轉塔刀庫式加工中心 一般在小型立式加工中心上，有采用轉塔刀庫形式的。它主要以孔加工為主。 1.5 加工中心的主要優(yōu)點 ⑴提高加工質量 工件在一次裝夾，即可實現多工序集中加工，大大減少多次裝夾所帶來的誤差。另外，由于是數控加工，較少依賴操作者的技術水平，可得到相當高的穩(wěn)定精度。 ⑵縮短加工準備時間 加工中心既然可以頂替多臺通用機床，那么加工一個零件所需準備的時間，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。另外，由于是數控加工，不必準備專用鉆模等工藝裝備，可以大大節(jié)省準備時間。 ⑶減少在制品 以往的加工方式是工件流動于多臺通用機床之間，這就要相當數量的在制品，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量。 ⑷減少刀具費 把分散設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，實現公共有效利用。這樣既提高了刀具利用率，又減少了刀具數量。 ⑸最少的直接勞務費 由NC裝置實現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等輔助裝置，實現夜間無人運轉。這些都可縮減直接勞務費。 ⑹最少的間接勞務費 由于工序集中，工件搬運和質量檢查工作量都大為減少，這就使間接勞務費最少。 ⑺設備利用率高 加工中心設備利用率為通用機床的幾倍。另外，由于工序集中，容易適應多品種、中小批量生產。 1.6 加工中心的發(fā)展動向 加工中心亦同其他機床一樣，它的技術水平的提高，表現在其固有技術（如高速、高精度化等）的進一步發(fā)展和新技能（如智能化技能）的應用上。 總括起來說，加工中心的發(fā)展動向是高速、進一步提高精度和愈發(fā)完善的機能。 1：高速化 加工中心的高速化，是指主軸轉速、進給速度、自動換刀和自動交換工作臺的高速化。 ⑴主軸轉速的高速化 80年代初時的主軸最高轉速，多為4000~5000r/min。然而，這幾年主軸最高轉速又有了較大的提高。表1-1所示為主軸直徑?100mm的加工中心主軸最高轉速的演變情況。 表1-1 ?100主軸最高轉速演變情況 年份 最高轉速（r/min） 潤滑方式 備注 1975 3000 油脂 1980 5000 油脂 1984 7000 油氣 1986 10000 油脂 15000 油氣 陶瓷軸承 （僅滾動體） 1988 20000 噴油 1990 25000~30000 噴油 全陶瓷軸承 近幾年來還開發(fā)出加工中心主軸用磁浮軸承，其主軸轉速可達30000~40000 r/min。 實現加工加工中心主軸轉速的超高速，主要采用了下列措施： 1）選用陶瓷軸承 所謂陶瓷軸承，是指軸承滾動體是用陶瓷材料制成，而內外圈則仍用軸承鋼制造的軸承。軸承材料為Si3N4。 2）主軸軸承采用預緊量可調整裝置 以往預緊主軸的方式是固定預緊量式的，結果由于軸承滾體離心力的影響，主軸在低速區(qū)和高速區(qū)的剛性有差異，影響主軸在全轉速范圍內的穩(wěn)定切削。尤其隨著主軸轉速的高速化，要實現低速時的高剛性和高速時的低發(fā)熱，固定預緊量方式已不能滿足其要求，于是出現了隨著轉速而自動改變軸承預緊量的結構。在低速區(qū)有活塞頂緊，實現高剛性固定預緊量方式，而在高速區(qū)則把活塞松開，只靠彈簧予以預緊，實現定壓預緊。 3）改進主軸軸承潤滑、冷卻方式 以往，加工中心主軸軸承的潤滑方式，大都采用油脂封入潤滑方式。但是這種潤滑方式的轉速有一定限度，為了適應主軸轉速化發(fā)展的需要，相繼開發(fā)了新潤滑、冷卻方式。有油氣潤滑方式和噴注潤滑。 ⑵進給速度的高速化 是指快速移動速度的高速化和切削進給速度的高速化。 1)快速移動速度 快速移動速度的演變，如表1-2所示： 表1-2 移動速度演變表 年 份 移動速度（m/min） 1970 5 1975 10 1980 15 最 近 24~36 由于近年來采用了32位微處理器、全數字--智能伺服系統(tǒng)方式以及先進的位置檢測器（如高分辨率脈沖編碼器等），目前CNC裝置所具有的最高進給速度為： 1μm脈沖當量時 100m/min 0.1μm脈沖當量 24m/min 2）切削進給速度的高速化 目前普遍采用的最高切削進給速度，已達5~5m/min（原來是3.6m/min左右），個別的達12m/min，亦有與快速移動速度相同的。但是現在能實施告訴進給切削的，僅限于直線切割。因為目前普遍使用的模擬伺服控制系統(tǒng)，在告訴動作下不可能實現良好的多坐標聯動，結果加工形狀精度差。為避免此中缺陷，已開始使用具有良好的高速聯動性能的數字伺服控制系統(tǒng)。 ⑶自動換刀（ATC）的高速化 從加工中心誕生初期起，就追求ATC的高速化。但是由于當時尚未充分掌握ATC的內在規(guī)律，故障率較高，所以在后來的相當一段時間里，采用了首先保證動作可靠性，然后才考慮速度的方針，結果在這段時期，ATC速度未提高多少。但是隨著對ATC內在規(guī)律的深入了解和用戶對ATC速度的要求強迫，有開始注意ATC速度了。 作為高速換刀機械手，近來采用凸輪聯動式機械手。 ⑷自動托盤交換裝置（APC）的高速化 自動托盤交換裝置在交換的移動速度最高已達40m/min，而其重復定位精度3μm。 ⒉進一步提高精度 加工中心的主要精度指標是它的運動精度指標。而這一精度指標，近年來有了不小的提高，其中精度加工中心精度指標的提高尤為明顯。所謂加工中心的運動精度，主要以坐標定位精度、重復定位以及銑圓精度來表示。 為了保證精密加工中心的高精度，除了繼續(xù)采取以往行之有效的措施外，還采取了如下一些新穎措施： ⑴機床總體方面 1)在立柱內壁，噴射與室溫相同的恒溫油；以降低機床溫升和熱變形。 2)在機床底面，循環(huán)流動恒溫油，以減少地面的輻射冷卻效應。 3)大件用高級鑄鐵鑄造，并經過二次退火處理。 ⑵主軸箱方面 1)主軸端7：24錐孔，鑲嵌耐磨性好的陶瓷。 2)在主軸箱電機安裝端支承架內通以恒溫油，以起隔熱作用。 3)主軸箱采用低熱膨脹系數鑄鐵，以減少絕對變形。 4)采用專用高精度大容量恒溫油箱（油溫變化控制在±0.5℃內） ⑶X、Y、Z軸進給方面 1)直線運動絲杠，采用中空絲杠，通過恒溫油 2)絲杠支承軸承承外圈，采取強制循環(huán)恒溫油冷卻方式。 3)X、Y軸裝滾珠螺母的支架，鑄成與本體一體，以提高其剛性。 4)采用0.1μm脈沖當量。 ⒊機能更加完整 ⑴愈來愈完善的自診斷機能，為了盡了能減少加工的故障，現代加工中心大都配備完善的自診斷機能。例如，位置檢測傳感器、刀具破損檢測裝置、切削異常檢測機能、適應控制機能、備用刀具選擇機能、溫度傳感器、聲傳感器和電流傳感器等。這些機能和傳感器，使機床具有一定的人工智能。 ⑵新式刀具破損檢測裝置 大直徑刀具破損檢測方法，已有好幾種。但對小直徑刀具破損，一直還沒有找到比較理想的檢測方法。直到近幾年才出現一種叫聲發(fā)射（AE）的檢測方法。AE檢測法是利用刀具在斷裂瞬間發(fā)出的超聲波來判斷刀具破損的。 盡管有不少加工中心裝在這種裝置，但其可靠性卻還需進一步提高。 AE檢測方式，只能在刀具發(fā)生破損時才能發(fā)現，而在刀具破損之前是無法知道其工作情況的。為此還出現了在刀具即將破損之前就能檢測出刀具工作情況的裝置。它的工作原理是，在正常切削時，切削力矩一定，而當即將發(fā)生刀具破損時，力矩變大，被裝在刀柄的傳感器所檢測，經過故障性質判斷裝置進行判斷，若還可以繼續(xù)加工，就會在繼續(xù)加工會折斷刀具時就會報警，并停止主軸旋轉。 ⑶加工中心復合化趨勢 1）五面加工中心 主要是針對大件加工而出現的機床。它具有臥式加工中心和立式加工中心的機能，因而箱體類零件一次裝夾即可完成所有側面和頂面加工，故而叫做五面加工中心。 2）加工中心---立車機能組合機 這種機床的最大特點是加工中心分度工作臺既可實現0.001°的NC分度工作，又可實現立式車床回轉主軸的動作。當然，為實現復合功能，立柱、工作臺、刀庫等都需作專門設計。 3）切削—磨削復合加工中心 這種機床，是在切削加工用加工中心上，裝備磨削用的附件，實現切削、磨削復合加工的復合加工中心。特別適用于模具加工行業(yè)。 4）切削—電加工復合加工中心 這種機床主要適用于既需進行切削加工，又需進行電加工的模具制造業(yè)，尤其適用于大型模具加工。 5）切削—激光切割復合加工中心 這是一種正在研究中的復合加工中心。它期望把激光器像普通刀具一樣裝在刀庫中，通過換刀機械手裝到主軸上，以進行激光切割的裝置。這種小型激光器，不久將成為加工中心的“刀具”。 ⑷功能更趨完善的NC裝置 1）全數字伺服控制 全數字伺服控制又叫軟件伺服控制，是當今NC基本技術中，頗為引人注目的進步。 采用數字伺服控制可收到如下效果： ①即使在高速進給下銑圓，其圓弧形狀精度也可很高。 ②正轉、反轉銑圓，形狀仍然一致。 ③象限切換處的突起小。 ④沖現性極好。 2）NC裝置 加工中心的性能，在很大程度上取決于NC系統(tǒng)的性能，所以不斷開發(fā)NC系統(tǒng)，使其技術在以下方面有了很大的發(fā)展。 ①開發(fā)出對應高精度、高速、高效率要求的NC裝置。 ②系統(tǒng)化，隨著FMC推廣，要求把控制機器人、測量、上下料等功能都納入到CNC內。 ③多機能、復合化：開發(fā)出適應五面加工多主軸復合加工等復合機床控制要求的CNC。 ④網絡化：CNC應能成為工廠自動化的一個組成部分，能夠和其它設備進行協調控制和信息交換。 ⑤用戶要求意向化：由標準產品生產方式，轉向能充分發(fā)揮機床特性的按訂貨要求生產的方式。 ⑸MAP的利用---FMS技術的高級化發(fā)展。FMS發(fā)展的最近特點是： ①從發(fā)展大小轉向小型化。 ②向更高控制技術----MAP應用方向發(fā)展。 1.7 數控機床的產生和發(fā)展 1） 產生 現代科學技術和社會生產的不斷發(fā)展，對機械加工提出了越來越高的要求，機械加工過程的自動化、智能化是實現上述要求的最重要措施之一。它不僅能提高產品的質量，提高生產效率，降低生產成本，還能大大減輕工人的勞動強度，改善工作環(huán)境。 1952年美國帕森斯公司（Parsons）和麻省理工學院（MIT）合作研制成功世界上第一臺三坐標數控銑床，用它來加工直升飛機葉片輪廓檢查用樣板，這是一臺采用專用計算機進行運算與控制的直線插補輪廓控制數控銑床，1955年，該類機床進行實用化階段，在復雜曲面的加工中發(fā)揮了重要作用。 2） 發(fā)展史 隨著微電子技術、自動化信息處理、數據處理以及電子計算機的發(fā)展給自動化帶來了新的概念，推動了機械制造自動化的發(fā)展。 1953年，美國空軍與麻省理工學院協作，開始從事計算機自動編程的研究，這就是APT（Automatically Programmed Tools）自動編程的開始。 1955年美國空軍花費巨大額經費訂購了大約100臺數控機床，此后兩年，數控機床在美國進入迅速發(fā)展階段，市場上出現了商品化數控機床。 1958年美國克耐．杜列克公司（keaney￡Trecker Co．）在世界上首先研制成功了帶自動換刀裝置的數控機床，稱為“加工中心”。 1959年，計算機行業(yè)研制出了晶體管元器件，因而數控裝置中廣泛采用晶體管和印制電路板，從而跨入第二代數控時代，同時美國航空工業(yè)協會（AIA）和麻省理工學院共同發(fā)展APT程序語言。 1960年以后，點位控制機床在美國得到了迅速發(fā)展，數控技術不僅在機床上得到了實際應用，而且逐步推廣到沖壓機、饒線機、焊接機、火焰切割機、包裝機和坐標測量機等。 從1965年開始，德國、日本等先進工業(yè)國家陸續(xù)開發(fā)、生產及使用了數控機床。 1965年，出現了小規(guī)模的集成電路，由于它體積小，功耗低，使數控系統(tǒng)的可靠性得到進一步的提高，標志著數控系統(tǒng)發(fā)展到第三代。 9