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1、 五軸聯(lián)動(dòng)加工中心 2011年7月 1 數(shù)控機(jī)床概述 2 1.1 數(shù)控機(jī)床的定義 2 1.2 機(jī)床數(shù)控技術(shù)及組成 3 1.3 數(shù)控機(jī)床的加工特點(diǎn) 3 1.4 數(shù)字控制技術(shù)與數(shù)控機(jī)床的產(chǎn)生與發(fā)展 4 1.5 數(shù)控機(jī)床的分類及其用途 5 1.6 數(shù)控技術(shù)發(fā)展趨勢(shì) 8 2 加工中心概述 8 2.1 加工中心的概念 8 2.2 加工中心的發(fā)展史 9 2.3 加工中心的分類 10 2.4 加工中心特點(diǎn) 12 3 五軸聯(lián)動(dòng)加工中心 13 3.1 五軸聯(lián)動(dòng)加工中心的分類 14 3.2 五軸聯(lián)動(dòng)加工中心（工作臺(tái)擺動(dòng)式） 16 3.2.1 旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的實(shí)現(xiàn) 17 3.2.2 直線

2、運(yùn)動(dòng)的實(shí)現(xiàn) 19 3.3 刀庫(kù)及自動(dòng)換刀裝置 21 3.3.1 刀庫(kù)形式 21 3.3.2 自動(dòng)換刀裝置 22 3.4 加工對(duì)象 23 參考文獻(xiàn) 26 臥式五軸聯(lián)動(dòng)加工中心（工作臺(tái)擺動(dòng)式） 1 數(shù)控機(jī)床概述 1.1 數(shù)控機(jī)床的定義 數(shù)字控制（Numerical Control）是指用數(shù)字化信號(hào)對(duì)機(jī)床的運(yùn)動(dòng)及其加工過(guò)程進(jìn)行控制的一種技術(shù)方法。 數(shù)控技術(shù)是用數(shù)字信息對(duì)機(jī)械運(yùn)動(dòng)和工作過(guò)程進(jìn)行控制的技術(shù)，是現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)制造產(chǎn)業(yè)的一門(mén)新型的發(fā)展十分迅速的高技術(shù)。數(shù)控裝備是以數(shù)控技術(shù)為代表的新技術(shù)對(duì)傳統(tǒng)制造產(chǎn)業(yè)和新興制造產(chǎn)業(yè)的滲透形成的機(jī)電一體化產(chǎn)品，即所謂的數(shù)字化裝備。其技

3、術(shù)范圍所覆蓋的領(lǐng)域有：機(jī)械制造技術(shù)；為電子技術(shù)；信息處理、加工、傳輸技術(shù)；自動(dòng)控制技術(shù)；檢測(cè)監(jiān)控技術(shù)；伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)；軟件技術(shù)等。數(shù)控技術(shù)及裝備是發(fā)展新興高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)和尖端工業(yè)（如信息技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)、生物技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)、航空航天等國(guó)防工業(yè)產(chǎn)業(yè)）的使能技術(shù)和最基本的裝備。在提高生產(chǎn)率、降低成本、保證加工質(zhì)量和改善工人勞動(dòng)強(qiáng)度等方面，都有突出優(yōu)點(diǎn)；特別是在適應(yīng)機(jī)械產(chǎn)品迅速跟新?lián)Q代、小批量、多品種生產(chǎn)方面，各類數(shù)控裝備是實(shí)現(xiàn)先進(jìn)制造的關(guān)鍵。 數(shù)控機(jī)床是采用數(shù)控技術(shù)的機(jī)床，或者說(shuō)是裝備了數(shù)控系統(tǒng)的機(jī)床。國(guó)際信息聯(lián)盟第五技術(shù)委員會(huì)（International Federation of Informatio

4、n Processing），對(duì)數(shù)控機(jī)床作了如下定義：數(shù)控機(jī)床是一種裝了程序控制系統(tǒng)的機(jī)床。該系統(tǒng)能邏輯地處理具有使用代碼或其他符號(hào)編碼指令規(guī)定的程序。 圖1.1.1 1.2 機(jī)床數(shù)控技術(shù)及組成 圖1.2.1機(jī)床數(shù)控技術(shù)的組成 數(shù)控技術(shù)包括數(shù)控系統(tǒng)、數(shù)控機(jī)床及外圍技術(shù)，其組成如圖1-1所示。 數(shù)控機(jī)床是典型的數(shù)控化設(shè)備，它一般由信息載體、計(jì)算機(jī)數(shù)控裝置、伺服系統(tǒng)和機(jī)床四部分組成，如圖1-2所示。 圖1.2.2 數(shù)控機(jī)床的組成 1.3 數(shù)控機(jī)床的加工特點(diǎn) 數(shù)控機(jī)床是新型的自動(dòng)化機(jī)床，他具有廣泛通用性和很高的自動(dòng)化程度。數(shù)控機(jī)床是實(shí)現(xiàn)柔性自動(dòng)化最重要的環(huán)節(jié)，是發(fā)展柔性

5、生產(chǎn)的基礎(chǔ)。數(shù)控機(jī)床在加工洗下面的一些零件中更能顯示出他的優(yōu)越性：小批量（200件以下）而又多次生產(chǎn)的零件；幾何形狀復(fù)雜的零件；在加工中必須進(jìn)行多種加工的零件；切削余量大的零件；必須控制公差（即公差帶范圍小）的零件；工藝設(shè)計(jì)經(jīng)常變化的零件；加工過(guò)程中的錯(cuò)誤會(huì)造成嚴(yán)重浪費(fèi)的貴重零件；需全部檢測(cè)的零件等。 數(shù)控機(jī)床的優(yōu)點(diǎn)： 1) 提高生產(chǎn)率。數(shù)控機(jī)床能縮短生產(chǎn)準(zhǔn)備時(shí)間，增加切削加工時(shí)間的比率。采用最佳的切削參數(shù)和最佳的走刀路線，縮短加工時(shí)間，從而提高生產(chǎn)率。 2) 數(shù)控機(jī)床可以提高零件的加工精度，穩(wěn)定產(chǎn)品質(zhì)量。由于它是按照程序自動(dòng)加工，不需要人工干預(yù)，其加工精度還可以利用軟件進(jìn)行校正及補(bǔ)償。

6、故可以獲得比機(jī)床本身精度還要高的加工精度和重復(fù)精度。 3) 有廣泛的適應(yīng)性和較大的靈活性。通過(guò)改變程序，就可加工新產(chǎn)品的零件，能夠完成很多普通機(jī)床難以完成或根本不可能加工的復(fù)雜零件表面的加工。 4) 可以實(shí)現(xiàn)一機(jī)多用。一些數(shù)控機(jī)床，例如加工中心，可以自動(dòng)換刀。一次裝夾后，幾乎可以完成零件的全部加工部位的加工，節(jié)約了設(shè)備和廠房面積。 5) 可以進(jìn)行精確的成本計(jì)算和生產(chǎn)精度的安排，加速資金周轉(zhuǎn)，提高經(jīng)濟(jì)效益。 6) 不需要專用夾具。采用普通的通用夾具就能滿足數(shù)控加工的要求，節(jié)省了專用夾具的設(shè)計(jì)制造和存放的費(fèi)用。 7) 大大減輕了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度 數(shù)控機(jī)床的缺點(diǎn)： 1) 數(shù)控機(jī)床的初投資

7、及維修技術(shù)等費(fèi)用較高 2) 要求管理和操作人員的素質(zhì)也較高 1.4 數(shù)字控制技術(shù)與數(shù)控機(jī)床的產(chǎn)生與發(fā)展 微電子技術(shù)、自動(dòng)信息處理、數(shù)據(jù)處理以及電子計(jì)算機(jī)的發(fā)展，給自動(dòng)化帶來(lái)了新的概念，推動(dòng)了機(jī)械制造自動(dòng)化的發(fā)展。 采用數(shù)字控制技術(shù)進(jìn)行機(jī)械加工的思想，最早是在20世紀(jì)40年代初提出的。當(dāng)時(shí)，美國(guó)北密執(zhí)安的一個(gè)小型飛機(jī)工業(yè)承包商帕森公司（ParsonsCo.）在制造飛機(jī)框架及直升機(jī)葉片輪廓用樣板時(shí)，利用全數(shù)字電子計(jì)算機(jī)對(duì)輪廓路徑進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，并考慮了刀具直徑對(duì)加工路徑的影響，提高了加工精度。1949年帕森公司正式接受美空軍委托，在麻省理工學(xué)院伺服機(jī)構(gòu)試驗(yàn)室的協(xié)助下，開(kāi)始從事數(shù)控機(jī)床的研制工

8、作。經(jīng)過(guò)三年時(shí)間的研究，于1952年試制成功世界第一臺(tái)數(shù)控機(jī)床試驗(yàn)性樣機(jī)。這是一臺(tái)采用脈沖乘法器原理的直線插補(bǔ)三坐標(biāo)連續(xù)控制銑床，這便是數(shù)控機(jī)床的第一代。 1953年，美空軍與麻省理工學(xué)院協(xié)作，開(kāi)始從事計(jì)算機(jī)自動(dòng)編程的研究，這就是創(chuàng)制APT（Automatically Programmed Tools）自動(dòng)編程系統(tǒng)的開(kāi)始。1955年，美空軍花費(fèi)巨額經(jīng)費(fèi)訂購(gòu)了大約100臺(tái)數(shù)控機(jī)床，此后兩年，數(shù)控機(jī)床在美國(guó)進(jìn)入迅速發(fā)展階段，市場(chǎng)上出現(xiàn)了商品化數(shù)控機(jī)床。1958年，美國(guó)克耐·杜列克公司（Keaney & Trecker Co.）在世界上首先研制成功帶自動(dòng)換刀裝置的數(shù)控機(jī)床，稱為“加工中心”。195

9、9年，計(jì)算機(jī)行業(yè)研制出晶體管元器件，因而數(shù)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(shù)控時(shí)代。同時(shí)美國(guó)航空工業(yè)協(xié)會(huì)（AIA）和麻省理工學(xué)院發(fā)展APT程序語(yǔ)言。1960年以后，點(diǎn)位控制機(jī)床在美國(guó)得到迅速發(fā)展，數(shù)控技術(shù)不僅在機(jī)床上得到了實(shí)際應(yīng)用，而且逐步推廣到?jīng)_壓機(jī)、繞線機(jī)、焊接機(jī)、火焰切割機(jī)、包裝機(jī)和坐標(biāo)測(cè)量機(jī)等，在程序編制方面，已由手工編程逐步發(fā)展到采用計(jì)算機(jī)自動(dòng)編程。除了APT數(shù)控語(yǔ)言外，又發(fā)展了許多自動(dòng)編程語(yǔ)言。 從1960年開(kāi)始，德國(guó)、日本等先進(jìn)工業(yè)國(guó)家都陸續(xù)開(kāi)發(fā)、生產(chǎn)及使用了數(shù)控機(jī)床。1965年，出現(xiàn)了小規(guī)模集成電路。由于它體積小、功耗低，使數(shù)控系統(tǒng)的可靠性得以進(jìn)一步提高，數(shù)

10、控系統(tǒng)發(fā)展到第三代。以上三代，都是采用專用控制計(jì)算機(jī)的硬邏輯數(shù)控系統(tǒng)。裝有這類數(shù)控系統(tǒng)的機(jī)床為普通數(shù)控機(jī)床（簡(jiǎn)稱NC機(jī)床）。 1967年，英國(guó)首先把幾臺(tái)數(shù)控機(jī)床聯(lián)接成具有柔性的加工系統(tǒng)，這就是最初的FMS（Flexible Manufacturing System，柔性制造系統(tǒng)）。之后，美、歐、日也相繼進(jìn)行開(kāi)發(fā)與應(yīng)用。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，小型計(jì)算機(jī)的價(jià)格急劇下降。小型計(jì)算機(jī)開(kāi)始取代專用數(shù)控計(jì)算機(jī)，數(shù)控的許多功能由軟件程序?qū)崿F(xiàn)。這樣組成的數(shù)控系統(tǒng)稱為計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)（CNC）。1970年，在美國(guó)芝加哥國(guó)際機(jī)床展覽會(huì)上，首次展出了這種系統(tǒng)，稱為第四代數(shù)控。而由計(jì)算機(jī)直接對(duì)許多機(jī)床進(jìn)行控制的控制系

11、統(tǒng)，稱為直接數(shù)控系統(tǒng)（DNC）。 1970年前后，美國(guó)英特爾公司開(kāi)發(fā)和使用了微處理器。1974年美、日等國(guó)首先研制出以微處理器為核心的數(shù)控系統(tǒng)。近20年來(lái)，微處理機(jī)數(shù)控系統(tǒng)的數(shù)控機(jī)床得到了飛速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，這就是第五代數(shù)控系統(tǒng)（MNC）。 20世紀(jì)80年代初，國(guó)際上又出現(xiàn)了柔性制造單元FMC（Flexible—Manufacturing Cell）。FMC和FMS被認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)CIMS（Computer Integrated Manufacturing System，計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)）的必經(jīng)階段和基礎(chǔ)。 1.5 數(shù)控機(jī)床的分類及其用途 1) 按工藝用途分類 ? 金屬切削類數(shù)控機(jī)床,

12、包括數(shù)控車床,數(shù)控鉆床,數(shù)控銑床,數(shù)控磨床,數(shù)控鏜床發(fā)及加工中心.這些機(jī)床都有適 ? 用于單件、小批量和多品種和零件加工，具有很好的加工尺寸的一致性、很高的生產(chǎn)率和自動(dòng)化程度，以及很高的設(shè)備柔性。 ? 金屬成型類數(shù)控機(jī)床；這類機(jī)床包括數(shù)控折彎?rùn)C(jī)，數(shù)控組合沖床、數(shù)控彎管機(jī)、數(shù)控回轉(zhuǎn)頭壓力機(jī)等。 ? 數(shù)控特種加工機(jī)床；這類機(jī)床包括數(shù)控線（電極）切割機(jī)床、數(shù)控電火花加工機(jī)床、數(shù)控火焰切割機(jī)、數(shù)控激光切割機(jī)床、專用組合機(jī)床等。 ? 其他類型的數(shù)控設(shè)備；非加工設(shè)備采用數(shù)控技術(shù)，如自動(dòng)裝配機(jī)、多坐標(biāo)測(cè)量機(jī)、自動(dòng)繪圖機(jī)和工業(yè)機(jī)器人等。 2) 按運(yùn)動(dòng)方式分類 ? 點(diǎn)位控制；點(diǎn)位控制數(shù)控機(jī)床

13、的特點(diǎn)是機(jī)床的運(yùn)動(dòng)部件只能夠?qū)崿F(xiàn)從一個(gè)位置到另一個(gè)位置的精確運(yùn)動(dòng)，在運(yùn)動(dòng)和定位過(guò)程中不進(jìn)行任何加工工序。如數(shù)控鉆床、數(shù)按坐標(biāo)鏜床、數(shù)控焊機(jī)和數(shù)控彎管機(jī)等。 ? 直線控制；點(diǎn)位直線控制的特點(diǎn)是機(jī)床的運(yùn)動(dòng)部件不僅要實(shí)現(xiàn)一個(gè)坐標(biāo)位置到另一個(gè)位置的精確移動(dòng)和定位，而且能實(shí)現(xiàn)平行于坐標(biāo)軸的直線進(jìn)給運(yùn)動(dòng)或控制兩個(gè)坐標(biāo)軸實(shí)現(xiàn)斜線進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。 ? 輪廓控制；輪廓控制數(shù)控機(jī)床的特點(diǎn)是機(jī)床的運(yùn)動(dòng)部件能夠?qū)崿F(xiàn)兩個(gè)坐標(biāo)軸同時(shí)進(jìn)行聯(lián)動(dòng)控制。它不僅要求控制機(jī)床運(yùn)動(dòng)部件的起點(diǎn)與終點(diǎn)坐標(biāo)位置，而且要求控制整個(gè)加工過(guò)程每一點(diǎn)的速度和位移量，即要求控制運(yùn)動(dòng)軌跡，將零件加工成在平面內(nèi)的直線、曲線或在空間的曲面。 3) 按控

14、制方式分類 ? 開(kāi)環(huán)控制（Open Loop Control System）：特征是系統(tǒng)中沒(méi)有檢測(cè)反饋裝置，指令信息單方向傳送，并且指令發(fā)出后，不再反饋回來(lái)，故稱開(kāi)環(huán)控制。伺服驅(qū)動(dòng)部件通常為反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)或混合式伺服步進(jìn)電機(jī)。受步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步距精度和工作頻率以及傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)精度影響，開(kāi)環(huán)系統(tǒng)的速度和精度都較低。但由于開(kāi)環(huán)控制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，調(diào)試方便，容易維修，成本較低，仍被廣泛應(yīng)用于經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床上。典型的開(kāi)環(huán)數(shù)控系統(tǒng)如下圖所示。 圖1.5.1 開(kāi)環(huán)伺服系統(tǒng)框圖 ? 半閉環(huán)控制系統(tǒng)（Semi-closed Loop Control System）：不直接檢測(cè)工作臺(tái)的位移量，而是采

15、用轉(zhuǎn)角位移檢測(cè)元件，測(cè)出伺服電動(dòng)機(jī)或絲杠的轉(zhuǎn)角，推算出工作臺(tái)的實(shí)際位移量，反饋到計(jì)算機(jī)中進(jìn)行位置比較，用比較的差值進(jìn)行控制。由于反饋環(huán)內(nèi)沒(méi)有包含工作臺(tái)，故稱半閉環(huán)控制。半閉環(huán)控制精度較閉環(huán)控制差，但穩(wěn)定性好，成本較低，調(diào)試維修也較容易，兼顧了開(kāi)環(huán)控制和閉環(huán)控制兩者的特點(diǎn)，因此應(yīng)用比 圖1.5.2 半閉環(huán)伺服系統(tǒng)框圖 較普遍。 ? 閉環(huán)控制系統(tǒng)（Closed Loop Control System）：利用安裝在工作臺(tái)上的檢測(cè)元件將工作臺(tái)實(shí)際位移量反饋到計(jì)算機(jī)中，與所要求的位置指令進(jìn)行比較，用比較的差值進(jìn)行控制，直到差值消除為止。可見(jiàn)，全閉環(huán)控制系統(tǒng)可以消除機(jī)械傳動(dòng)部件的各種誤差和

16、工件加工過(guò)程中產(chǎn)生的干擾的影響，從而使加工精度大大提高。速度檢測(cè)元件的作用是將伺服電動(dòng)機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速變換成電信號(hào)送到速度控制電路中，進(jìn)行反饋校正，保證電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速保持恒定不變。常用速度檢測(cè)元件是測(cè)速電動(dòng)機(jī)。全閉環(huán)控制的特點(diǎn)是加工精度高，移動(dòng)速度快。這類數(shù)控機(jī)床采用直流伺服電動(dòng)機(jī)或交流伺服電動(dòng)機(jī)作為驅(qū)動(dòng)元件，電動(dòng)機(jī)的控制電路比較復(fù)雜，檢測(cè)元件價(jià)格昂貴。因而調(diào)試和維修比較復(fù)雜，成本高。 圖1.5.3 閉環(huán)伺服系統(tǒng)框圖 4) 按數(shù)控制機(jī)床的性能分類 ? 經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床 ? 中檔數(shù)控機(jī)床； ? 高檔數(shù)控機(jī)床； 1.6 數(shù)控技術(shù)發(fā)展趨勢(shì) 高速、精密、復(fù)合、智能和綠色是數(shù)控機(jī)床技

17、術(shù)發(fā)展的總趨勢(shì)，近幾年來(lái)，在實(shí)用化和產(chǎn)業(yè)化等方面取得可喜成績(jī)。主要表現(xiàn)在： 1) 機(jī)床復(fù)合技術(shù)進(jìn)一步擴(kuò)展隨著數(shù)控機(jī)床技術(shù)進(jìn)步，復(fù)合加工技術(shù)日趨成熟，包括銑-車復(fù)合、車-銑復(fù)合、車-鏜-鉆-齒輪加工等復(fù)合，車磨復(fù)合，成形復(fù)合加工、特種復(fù)合加工等，復(fù)合加工的精度和效率大大提高?！耙慌_(tái)機(jī)床就是一個(gè)加工廠”、“一次裝卡，完全加工”等理念正在被更多人接受，復(fù)合加工機(jī)床發(fā)展正呈現(xiàn)多樣化的態(tài)勢(shì)。 2) 智能化技術(shù)有新突破數(shù)控機(jī)床的智能化技術(shù)有新的突破，在數(shù)控系統(tǒng)的性能上得到了較多體現(xiàn)。如：自動(dòng)調(diào)整干涉防碰撞功能、斷電后工件自動(dòng)退出安全區(qū)斷電保護(hù)功能、加工零件檢測(cè)和自動(dòng)補(bǔ)償學(xué)習(xí)功能、高精度加工零件智能化參

18、數(shù)選用功能、加工過(guò)程自動(dòng)消除機(jī)床震動(dòng)等功能進(jìn)入了實(shí)用化階段，智能化提升了機(jī)床的功能和品質(zhì)。 3) 機(jī)器人使柔性化組合效率更高機(jī)器人與主機(jī)的柔性化組合得到廣泛應(yīng)用，使得柔性線更加靈活、功能進(jìn)一步擴(kuò)展、柔性線進(jìn)一步縮短、效率更高。機(jī)器人與加工中心、車銑復(fù)合機(jī)床、磨床、齒輪加工機(jī)床、工具磨床、電加工機(jī)床、鋸床、沖壓機(jī)床、激光加工機(jī)床、水切割機(jī)床等組成多種形式的柔性單元和柔性生產(chǎn)線已經(jīng)開(kāi)始應(yīng)用。 4) 精密加工技術(shù)有了新進(jìn)展數(shù)控金切機(jī)床的加工精度已從原來(lái)的絲級(jí)（0.01mm）提升到目前的微米級(jí)（0.001mm），有些品種已達(dá)到0.05μm左右。超精密數(shù)控機(jī)床的微細(xì)切削和磨削加工，精度可穩(wěn)定達(dá)到0.

19、05μm左右，形狀精度可達(dá)0.01μm左右。采用光、電、化學(xué)等能源的特種加工精度可達(dá)到納米級(jí)（0.001μm）。通過(guò)機(jī)床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化、機(jī)床零部件的超精加工和精密裝配、采用高精度的全閉環(huán)控制及溫度、振動(dòng)等動(dòng)態(tài)誤差補(bǔ)償技術(shù)，提高機(jī)床加工的幾何精度，降低形位誤差、表面粗糙度等，從而進(jìn)入亞微米、納米級(jí)超精加工時(shí)代。 5) 功能部件性能不斷提高功能部件不斷向高速度、高精度、大功率和智能化方向發(fā)展，并取得成熟的應(yīng)用。全數(shù)字交流伺服電機(jī)和驅(qū)動(dòng)裝置，高技術(shù)含量的電主軸、力矩電機(jī)、直線電機(jī)，高性能的直線滾動(dòng)組件，高精度主軸單元等功能部件推廣應(yīng)用，極大的提高數(shù)控機(jī)床的技術(shù)水平。 2 加工中心概述 2.1 加

20、工中心的概念 加工中心（Machining Center, MC）是目前世界上產(chǎn)量最高、應(yīng)用最廣泛的數(shù)控機(jī)床之一。他是適應(yīng)省力、省時(shí)和節(jié)能的時(shí)代要求而迅速發(fā)展起來(lái)的自動(dòng)換刀數(shù)控機(jī)床，是綜合了機(jī)械技術(shù)、電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)、電動(dòng)技術(shù)、拖動(dòng)技術(shù)、現(xiàn)代控制理論、測(cè)量及傳感技術(shù)以及通信診斷、刀具和編程技術(shù)的高技術(shù)產(chǎn)品。 加工中心綜合加工能力強(qiáng)，工件一次裝夾后能完成較多的加工內(nèi)容，加工精度較高，就中等加工難度的批量零件，其效率是普通機(jī)床的5至10倍，特別是它能完成許多普通機(jī)床不能完成的加工對(duì)形狀復(fù)雜，精度要求高的單價(jià)或小批量多品種生產(chǎn)中更為適用。 圖2.1.1 隨著電子技術(shù)的發(fā)展，各種性能良

21、好的傳感器的出現(xiàn)和應(yīng)用，使加工中心的功能日趨完善，這些功能包括:刀具壽命的監(jiān)視功能，刀具磨損和損傷的監(jiān)視功能，切削狀態(tài)的監(jiān)視功能，切削異常的監(jiān)視，報(bào)警和自動(dòng)停機(jī)功能，自動(dòng)檢測(cè)和自我診斷功能及自適應(yīng)控制功能等。加工中心還與載有隨行夾具的自動(dòng)托板有機(jī)連接，并能進(jìn)行切屑自動(dòng)處理，使得加工中心以成為柔性制造系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)和自動(dòng)化工廠的關(guān)鍵設(shè)備和基本單元。 2.2 加工中心的發(fā)展史 加工中心最初是從數(shù)控銑床發(fā)展而來(lái)的。第一臺(tái)加工中心是1958年由美國(guó)卡尼-特雷克公司首先研制成功的。它在數(shù)控臥式鏜銑床的基礎(chǔ)上增加了自動(dòng)換刀裝置，從而實(shí)現(xiàn)了工件一次裝夾后即可進(jìn)行銑削、鉆削、鏜削、鉸削和攻絲等多

22、種工序的集中加工。 ???? 二十世紀(jì)70年代以來(lái)，加工中心得到迅速發(fā)展，出現(xiàn)了可換主軸箱加工中心，它備有多個(gè)可以自動(dòng)更換的裝有刀具的多軸主軸箱，能對(duì)工件同時(shí)進(jìn)行多孔加工。 我國(guó)通過(guò)“六五”期間引進(jìn)技術(shù)，“七五”期間組織消化吸收“科技攻關(guān)”，加工中心的到了大力發(fā)展，取得了相當(dāng)大的成績(jī)。北京機(jī)床研究所于1973年研制出了JCS-013型臥式加工中心。1980年該所引進(jìn)了日本FANUC公司的數(shù)控系統(tǒng)制造技術(shù)，并投入批量生產(chǎn)，為我國(guó)數(shù)控機(jī)床的進(jìn)一步發(fā)展準(zhǔn)備了先決條件，使我國(guó)的加工中心的研制出現(xiàn)了良好的局面。 2.3 加工中心的分類 1) 按主軸加工時(shí)的空間位置分類 2 立式加工中心 立

23、式加工中心是指主軸為垂直狀態(tài)的加工中心，如圖2.3.1構(gòu)形式多為固定立柱，工作臺(tái)為長(zhǎng)方形，無(wú)分度回轉(zhuǎn)功能，適合加工盤(pán)、套、板類零件，它一般具有二個(gè)直線運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)軸，并可在工作臺(tái)上安裝一個(gè)沿水平軸旋轉(zhuǎn)的回轉(zhuǎn)臺(tái)，用以加工螺旋線類零件。 2 臥式加工中心 臥式加工中心指主軸為水平狀態(tài)的加工中心，如圖 2.3.2中心通常都帶有自動(dòng)分度的回轉(zhuǎn)工作臺(tái)，它一般具有3～5個(gè)運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)，常見(jiàn)的是三個(gè)直線運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)加一個(gè)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)，工件在一次裝卡后，完成除安裝面和頂面以外的其余四個(gè)表面的加工，它最適合加上箱體類零件。與立式加工中心相比較，臥式加工中心加工時(shí)排屑容易，對(duì)加工有利，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價(jià)格較高。 2 龍門(mén)式

24、加工中心 龍門(mén)式加工中心的形狀與數(shù)控龍門(mén)銑床相似，如圖2.3.3所示。龍門(mén)式加工中心主軸多為垂直設(shè)置，除自動(dòng)換刀裝置以外，還帶有可更換的主軸頭附件，數(shù)控裝置的功能也較齊全，能夠一機(jī)多用，尤其適用于加工大型工件和形狀復(fù)雜的工件。 2 五軸加加工中心 五軸加工中心具有立式加工中心和臥式加工中心的功能，如圖2.3.4所示。五軸加工中心，工件一次安裝后能完成除安裝面以外的其余五個(gè)面的加工。常見(jiàn)的五軸加工中心有兩種形式：一種是主軸可以旋轉(zhuǎn)90 o，對(duì)工件進(jìn)行立式和臥式加工；另一種是主不改變方向，而由工作臺(tái)帶著工件旋轉(zhuǎn)90 o。完成對(duì)工件五個(gè)表 圖5.3.1 立式加工中心

25、 圖5.3.2 臥式加工中心 圖5.3.3 龍門(mén)式加工中心 圖5.3.4 五軸式加工中心 面的加工。 2) 按工藝用途分類 2 鏜銑加工中心 鏜銑加工中心是機(jī)械加行業(yè)應(yīng)用最多的一類加工設(shè)備。其加工范圍主要是銑削、鉆削、鏜削，適用于箱體、殼體以及各類復(fù)雜零件特殊曲線和曲面的輪廓多工序加工適用于多品種小批量加工 2 鉆削加工中心 鉆削加工中心的加工已鉆削為主，刀庫(kù)形式以轉(zhuǎn)塔式為多，適用于中小零件的鉆孔、擴(kuò)孔、絞孔、攻螺紋等多工序加工。 2 車削加工中心 車削加工中心以車削為主，主體是數(shù)控車床

26、，車床上配有轉(zhuǎn)塔式刀庫(kù)或由換刀機(jī)械手或鏈?zhǔn)降稁?kù)組成的的刀庫(kù)。 2 復(fù)合加工中心 在一臺(tái)設(shè)備上可以完成車、銑、鏜、鉆等多工序加工的加工中心稱之為復(fù)合加工中心，可以替代多臺(tái)機(jī)床實(shí)現(xiàn)多工序加工。這種方法既能減少裝卸的時(shí)間提高生產(chǎn)效率，又能保證和提高形位精度。 2.4 加工中心特點(diǎn) 與普通數(shù)控機(jī)床相比，它具有以下幾個(gè)突出特點(diǎn)。 1) 工序集中 加工中心備有刀庫(kù)并能自動(dòng)更換刀具，對(duì)工件進(jìn)行多工序加工，使得工件在一次裝夾后，數(shù)控系統(tǒng)能控制機(jī)床按不同工序，自動(dòng)選擇和更換刀具，自動(dòng)改變機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給量和刀具相對(duì)工件的運(yùn)動(dòng)軌跡，以及其他輔助功能，現(xiàn)代加工中心更大程度地使工件在一次裝夾后實(shí)現(xiàn)多表面

27、、多特征、多工位的連續(xù)、高效、高精度加工，即工序集中．這是加工中心最突出的特點(diǎn)。 2) 對(duì)加工對(duì)象的適應(yīng)性強(qiáng) 加工中心生產(chǎn)的柔性不僅體現(xiàn)在對(duì)特殊要求的快速反應(yīng)上．而且可以快速實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)，提高市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)能力。 3) 加工精度高 加工中心同其他數(shù)控機(jī)床一樣具有加工精度高的特點(diǎn)，而且加工中心由于加工工序集中，避免了長(zhǎng)工藝流程，減少了人為千擾，故加工精度更高，加工質(zhì)量更加穩(wěn)定。 4) 加工生產(chǎn)率高 零件加工所需要的時(shí)間包括機(jī)動(dòng)時(shí)間與輔助時(shí)間兩部分。加工中心帶有刀庫(kù)和自動(dòng)換刀裝置，在一臺(tái)機(jī)床上能集中完成多種工序，因而可減少工件裝夾、測(cè)量和機(jī)床的調(diào)整時(shí)間，減少工件半成品的周轉(zhuǎn)、搬運(yùn)和存放時(shí)間，

28、使機(jī)床的切削利用率（切削時(shí)間和開(kāi)動(dòng)時(shí)間之比）高于普通機(jī)床3～4倍。，達(dá)80％以上。 5) 操作者的勞動(dòng)強(qiáng)度減輕 加工中心對(duì)零件的加工是按事先編好的程序自動(dòng)完成的，操作者除了操作鍵盤(pán)、裝卸零件、進(jìn)行關(guān)鍵工序的中間測(cè)量以及觀察機(jī)床的運(yùn)行之外，不需要進(jìn)行繁重的重復(fù)性手工操作，勞動(dòng)強(qiáng)度和緊張程度均可大為減輕，勞動(dòng)條件也得到很大的改善。 6) 經(jīng)濟(jì)效益高 使用加工中心加工零件時(shí)，分?jǐn)傇诿總€(gè)零件上的設(shè)備費(fèi)用是較昂貴的，但在單件、小批生產(chǎn)的情況下，可以節(jié)省許多其他方面的費(fèi)用，因此能獲得良好的經(jīng)濟(jì)效益．例如，在加工之前節(jié)省了劃線工時(shí)，在零件安裝到機(jī)床上之后可以減少調(diào)整、加工和檢驗(yàn)時(shí)間，減少了直接生產(chǎn)費(fèi)

29、用。另外，由于加工中心加工零件不需手工制作模型、凸輪、鉆模板及其他工夾具，省去了許多工藝裝備，減少了硬件投資．還由于加工中心的加工穩(wěn)定，減少了廢品率，使生產(chǎn)成本進(jìn)一步下降。 7) 有利于生產(chǎn)管理的現(xiàn)代化 用加工中心加工零件，能夠準(zhǔn)確地計(jì)算零件的加工工時(shí)，并有效地簡(jiǎn)化了檢驗(yàn)和工夾具、半成品的管理工作。這些特點(diǎn)有利于使生產(chǎn)管理現(xiàn)代化．當(dāng)前有許多大型CAD/CAM集成軟件已經(jīng)開(kāi)發(fā)了生產(chǎn)管理模塊，實(shí)現(xiàn)了計(jì)算機(jī)輔助生產(chǎn)管理。 加工中心的工序集巾加工方式固然有其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，但也帶來(lái)不少問(wèn)題，列舉如下。 1) 粗加工后直接進(jìn)人精加工階段，工件的溫升來(lái)不及回復(fù)，冷卻后尺寸變動(dòng)，影響零件精度。 2)

30、工件由毛坯直接加工為成品，一次裝夾中金屬切除量大、幾何形狀變化大，沒(méi)有釋放應(yīng)力的過(guò)程，加工完了一段時(shí)間后內(nèi)應(yīng)力釋放，使工件變形。 3) 切削不斷屑，切屑的堆積、纏繞等會(huì)影響加工的順利進(jìn)行及零件表面質(zhì)量，甚至使刀具損壞、工件報(bào)廢。 4) 裝夾零件的夾具必須滿足既能承受粗加工中大的切削力，又能在精加工中準(zhǔn)確定位的要求，而且零件夾緊變形要小。 5) 由于?ATC?的應(yīng)用，使工件尺寸受到一定的限制，鉆孔深度、刀具長(zhǎng)度、刀具直徑及刀具質(zhì)量也要加以考慮。 3 五軸聯(lián)動(dòng)加工中心 五軸聯(lián)動(dòng)加工中心有高效率、高精度的特點(diǎn)，工件一次裝夾就可完成五面體的加工。如配置五軸聯(lián)動(dòng)的高檔數(shù)控系統(tǒng)，還可以對(duì)復(fù)雜的空

31、間曲面進(jìn)行高精度加工，更能夠適合越來(lái)越復(fù)雜的高檔、先進(jìn)模具的加工以及汽車零部件、飛機(jī)結(jié)構(gòu)件等精密、復(fù)雜零件的加工。五軸聯(lián)動(dòng)加工中心大多是3+2的結(jié)構(gòu)，即x，y，z三個(gè)直線運(yùn)動(dòng)軸加上分別圍繞x，y，z軸旋轉(zhuǎn)的a，b，c三個(gè)旋轉(zhuǎn)軸中的兩個(gè)旋轉(zhuǎn)軸組成。這樣，從大的方面分類，就有x，y，z，a，b; x，y，z，a，c; x，y，z，b，c三種形式;由二個(gè)旋轉(zhuǎn)軸的組合形式來(lái)分，大體上有雙轉(zhuǎn)臺(tái)式、轉(zhuǎn)臺(tái)加上擺頭式和雙擺頭式三種形式。這三種結(jié)構(gòu)形式由于物理上的原因，分別決定了機(jī)床的規(guī)格大小和加工對(duì)象的范圍。 圖3 3.1 五軸聯(lián)動(dòng)加工中心的分類 圖3.1.1 雙轉(zhuǎn)臺(tái)五軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床 1) 雙

32、轉(zhuǎn)臺(tái)結(jié)構(gòu)的五軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床：在加工工件時(shí)工件需要在兩個(gè)旋轉(zhuǎn)方向運(yùn)動(dòng)，所以只適合加工小型零件，如小型整體渦輪、葉輪、小型精密模具等，由于結(jié)構(gòu)最為簡(jiǎn)單，所以相對(duì)價(jià)格較為低廉，就應(yīng)用來(lái)講，這是數(shù)量最多的一類五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床。如圖1所示是典型的雙轉(zhuǎn)臺(tái)結(jié)構(gòu)的五軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床，在B軸轉(zhuǎn)臺(tái)上，又疊加了一個(gè)A軸轉(zhuǎn)盤(pán)。 2) 轉(zhuǎn)臺(tái)加上擺頭式結(jié)構(gòu)的五軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床：由于轉(zhuǎn)臺(tái)可以是a軸、b軸或c軸，擺頭也是一樣，可以分別是a軸、b軸或c軸，所以轉(zhuǎn)臺(tái)加上擺頭式結(jié)構(gòu)的五軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床可以有各種不同的組合，以適應(yīng)不同的加工對(duì)象，如加工汽輪機(jī)的葉片，需要a軸加上b軸，其中a軸需要用尾座頂尖配合頂住工件，如果工件 圖3.1.2

33、 C軸+B軸五軸機(jī)床 較長(zhǎng)同時(shí)直徑又細(xì)，則需要兩頭夾住并且拉伸工件來(lái)進(jìn)行加工，當(dāng)然這里一個(gè)必要條件是兩個(gè)轉(zhuǎn)臺(tái)必須嚴(yán)格同步旋轉(zhuǎn)。如需要主軸立、臥轉(zhuǎn)換，工作臺(tái)只需分度定位，即可簡(jiǎn)單地配置為立、臥轉(zhuǎn)換的三軸加工中心。由主軸立、臥轉(zhuǎn)換配合工作臺(tái)分度，對(duì)工件實(shí)現(xiàn)五面體加工，制造成本降低，又非常實(shí)用。也可對(duì)工作臺(tái)設(shè)置數(shù)控軸，最小分度值0.001度，但不作聯(lián)動(dòng)，成為立、臥轉(zhuǎn)換的四軸加工中心，適應(yīng)不同加工要求，價(jià)格非常具有競(jìng)爭(zhēng)力。加工如圖2所示零件，采用c軸加上b軸，由于工件僅在c軸上旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，所以工件可以很小，也可以較大，直徑范圍可由幾十毫米至數(shù)千毫米，c軸轉(zhuǎn)臺(tái)的直徑也可以從100～200mm至2～3 m

34、，機(jī)床的規(guī)格、質(zhì)量也從幾噸至十幾噸甚至數(shù)十噸。這也是一類應(yīng)用十分廣泛的五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床，其價(jià)格居中，隨機(jī)器規(guī)格大小、精度和性能的不同相差很大。 3) 雙擺頭式結(jié)構(gòu)的五軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床：擺頭中間一般有一個(gè)帶有松拉刀結(jié)構(gòu)的電主軸，所以雙擺頭自身的尺寸不容易做小，一般在400～500 mm左右，加上雙擺頭活動(dòng)范圍的需要，所以雙擺頭結(jié)構(gòu)的五軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床的加工范圍不宜太小，而是越大越好，一般為龍門(mén)式或動(dòng)梁龍門(mén)式，龍門(mén)的寬度在2000～3 000 mm以上為好。早期的雙擺頭一般采用可調(diào)間隙的蝸輪蝸桿結(jié)構(gòu)或者可消除間隙的齒輪結(jié)構(gòu)，機(jī)器的性能（剛性和精密度）往往由雙擺頭傳動(dòng)鏈的剛性來(lái)決定，即傳動(dòng)齒輪的間隙一定是負(fù)值

35、，傳動(dòng)齒輪在一定彈性變形狀態(tài)下工作，其變形量的大小取決于該傳動(dòng)環(huán)節(jié)的預(yù)加載荷。圖3為西班牙式雙擺銑頭，采用齒輪傳動(dòng)和鼠牙盤(pán)定位結(jié)構(gòu)，剛性遠(yuǎn)好于一般的雙擺銑頭，特別適合五面體的高效加工。比較新的五軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床旋轉(zhuǎn)軸的結(jié)構(gòu)一般采用所謂“零傳動(dòng)”技術(shù)的扭矩電機(jī)，如瑞士的米克朗、德國(guó)的德馬吉等著名五軸聯(lián)動(dòng)加工中心品牌。零傳動(dòng)技術(shù)在旋轉(zhuǎn)軸中的應(yīng)用，也許是解決其傳動(dòng)鏈剛性和精度的最理想的技術(shù)路線，隨著技術(shù)的發(fā)展，扭矩電機(jī)的制造成本大大下降，市場(chǎng)價(jià)格也隨之下降，這一進(jìn)程將促使五軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床的制造技術(shù)大大地前進(jìn)一步。 圖3.1.3 雙擺頭結(jié)構(gòu)的五軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床 3.2 五軸聯(lián)動(dòng)加工中心（工作臺(tái)擺動(dòng)式）

36、 圖3.2.1 原理圖 采用方案（XYZ+AB）五軸聯(lián)動(dòng)臥式加工中心 1 2 3 3.1 3.2 3.2.1 旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的實(shí)現(xiàn) 圖3.2.2 步進(jìn)電動(dòng)機(jī) 1) 步進(jìn)電機(jī) 步進(jìn)電機(jī)由轉(zhuǎn)子和定子兩部分組成。轉(zhuǎn)子和定子均由帶齒的硅鋼片疊成。定子上有繞組分為若干相，每相磁極上有極齒。當(dāng)某相定子繞組通以直流電壓激磁后，便吸引轉(zhuǎn)子，使轉(zhuǎn)子上的齒與該相定子的齒對(duì)齊，令轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)一定的角度，依次向定子繞組輪流激磁，會(huì)使轉(zhuǎn)子連續(xù)旋轉(zhuǎn)。步進(jìn)電機(jī)的定子可以做成三、四、五、六相甚至做成八相，各相繞組可在定子上徑向排列，也可在定子的軸向上分段排列。 2) 交流伺服電機(jī) 圖

37、3.2.3 交流伺服電機(jī) 直流伺服電機(jī)具有優(yōu)良的調(diào)速性能，但卻存在一些固有的缺點(diǎn)，如它的電刷和換向器易磨損，需要經(jīng)常維護(hù)；由于換向器換向時(shí)會(huì)產(chǎn)生火花，使電動(dòng)機(jī)的最高轉(zhuǎn)速受到限制，也使應(yīng)用環(huán)境受到限制；而且直流電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造困難，所用銅鐵材料消耗大，制造成本高。而交流伺服電機(jī)沒(méi)有上述缺點(diǎn)，且轉(zhuǎn)子慣量較直流電動(dòng)機(jī)小，使得動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性好。一般來(lái)說(shuō)，在同樣體積下，交流伺服電機(jī)的輸出功率可比直流伺服電機(jī)提高10% ~70%。另外，交流伺服電機(jī)的容量比直流伺服電機(jī)大，可達(dá)到更高的電壓和轉(zhuǎn)速。從20世紀(jì)80年代以來(lái)，交流伺服電機(jī)廣泛用于數(shù)控機(jī)床上，并取代了直流伺服電機(jī)。在交流伺服系統(tǒng)中采用同步

38、型交流伺服電機(jī)和異步型交流感應(yīng)伺服電機(jī)。交流異步（感應(yīng)）伺服電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造容量大，主要用在主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中。交流同步伺服電機(jī)可方便地獲得與頻率成正比的可變速度，可以得到非常硬的機(jī)械特性和很寬的調(diào)速范圍，在電源電壓和頻度固定不變時(shí)，它的轉(zhuǎn)速是穩(wěn)定不變的。它主要應(yīng)用在進(jìn)給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中。 步進(jìn)電機(jī)與交流伺服電機(jī)性能對(duì)比分析 （1） 控制精度不同。 兩相混合式步進(jìn)電機(jī)步距角一般為3.6°或1.8°, 五相混合式步進(jìn)電機(jī)步距角一般為0.72°或0.36°，也有一些高性能的步角細(xì)分步進(jìn)電機(jī)步距角更小。交流伺服電機(jī)的控制精度由電機(jī)軸后端的旋轉(zhuǎn)編碼器保證。以松下全數(shù)字式交流伺服電機(jī)為例，對(duì)于帶標(biāo)準(zhǔn)250

39、0 線編碼器的電機(jī)而言，由于驅(qū)動(dòng)器采用了4 倍頻技術(shù)，脈沖當(dāng)量為0.036°。對(duì)于帶17 位編碼器的電機(jī)而言，驅(qū)動(dòng)器每接收131072個(gè)脈沖， 電機(jī)轉(zhuǎn)一圈，其脈沖當(dāng)量為0.003°，是步距角為1.8°的步進(jìn)電機(jī)脈沖當(dāng)量的1/655。 （2） 低頻特性不同。 步進(jìn)電機(jī)在低速時(shí)易出現(xiàn)低頻振動(dòng)現(xiàn)象。振動(dòng)頻率與負(fù)載情況和驅(qū)動(dòng)器性能有關(guān)，一般認(rèn)為振動(dòng)頻率為電機(jī)空載起跳頻率的1/2。這種由步進(jìn)電機(jī)的工作原理所決定的低頻振動(dòng)現(xiàn)象，對(duì)于機(jī)器的正常運(yùn)轉(zhuǎn)非常不利。當(dāng)步進(jìn)電機(jī)工作在低速時(shí)，一般應(yīng)采用阻尼技術(shù)來(lái)克服低頻振動(dòng)現(xiàn)象，比如在電機(jī)上加阻尼器，或驅(qū)動(dòng)器上采用細(xì)分技術(shù)等。交流伺服電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)非常平穩(wěn)，即使在低速時(shí)

40、也不會(huì)出現(xiàn)振動(dòng)現(xiàn)象。交流伺服系統(tǒng)具有共振抑制功能，可涵蓋機(jī)械的剛性不足，并且系統(tǒng)內(nèi)部具有頻率解析機(jī)能（FFT），可檢測(cè)出機(jī)械的共振點(diǎn)，便于系統(tǒng)調(diào)整。 （3）矩頻特性不同 步進(jìn)電機(jī)的輸出力矩隨轉(zhuǎn)速升高而下降，且在較高轉(zhuǎn)速時(shí)會(huì)急劇下降，所以其最高工作轉(zhuǎn)速一般在300 ～600r/min。交流伺服電機(jī)為恒力矩輸出，即在其額定轉(zhuǎn)速（一般為2000~3000r/min ）以內(nèi)，都能輸出額定轉(zhuǎn)矩，在額定轉(zhuǎn)速以上為恒功率輸出。 （4）過(guò)載能力不同 步進(jìn)電機(jī)一般不具有過(guò)載能力；交流伺服電機(jī)具有較強(qiáng)的過(guò)載能力。以松下交流伺服系統(tǒng)為例，其具有速度過(guò)載和轉(zhuǎn)矩過(guò)載能力，最大轉(zhuǎn)矩為額定轉(zhuǎn)矩的3 倍，可用于克服慣

41、性負(fù)載在啟動(dòng)瞬間的慣性力矩。步進(jìn)電機(jī)因?yàn)闆](méi)有這種過(guò)載能力，在選型時(shí)為了克服這種慣性力矩，往往需要選取較大轉(zhuǎn)矩的電機(jī)，而機(jī)器在正常工作期間又不需要那么大的轉(zhuǎn)矩，便出現(xiàn)了力矩浪費(fèi)的現(xiàn)象。 （5）運(yùn)行性能不同 步進(jìn)電機(jī)的控制為開(kāi)環(huán)控制，啟動(dòng)頻率過(guò)高或負(fù)載過(guò)大易出現(xiàn)丟步或堵轉(zhuǎn)的現(xiàn)象；停止時(shí)轉(zhuǎn)速過(guò)高易出現(xiàn)過(guò)沖的現(xiàn)象。所以，為保證其控制精度，應(yīng)處理好升、降速問(wèn)題。交流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)為閉環(huán)控制，驅(qū)動(dòng)器可直接對(duì)電機(jī)編碼器反饋信號(hào)進(jìn)行采樣，內(nèi)部構(gòu)成位置環(huán)和速度環(huán)一般不會(huì)出現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的丟步或過(guò)沖的現(xiàn)象，控制性能更為可靠。 （6）速度響應(yīng)性能不同 步進(jìn)電機(jī)從靜止加速到工作轉(zhuǎn)速（一般為每分鐘幾百轉(zhuǎn)）需要200～

42、400ms。交流伺服系統(tǒng)的加速性能較好，以松下MSMA 400W 交流伺服電機(jī)為例，從靜止加速到額定轉(zhuǎn)速3000r/min僅需幾毫秒，可用于要求快速啟停的控制場(chǎng)合。 綜上分析比較，本方案中搖籃式擺動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)需要大扭矩，故采用永磁交流同步伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，步進(jìn)電機(jī)雖然控制方式簡(jiǎn)單，但是帶負(fù)載能力不強(qiáng)，故在此不采用。 1 2 3 3.1 3.2 3.2.1 3.2.2 直線運(yùn)動(dòng)的實(shí)現(xiàn) 1) 直線電機(jī) 原理：一種將電能直接轉(zhuǎn)換成直線運(yùn)動(dòng)機(jī)械能，而不需要任何中間轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)裝置。它可以看成是一臺(tái)旋轉(zhuǎn)電機(jī)按徑向剖開(kāi)，并展成平面而成。 直線電機(jī)是將傳統(tǒng)圓筒型電機(jī)的初級(jí)展開(kāi)拉直，變初

43、級(jí)的封閉磁場(chǎng)為開(kāi)放磁場(chǎng)，而旋轉(zhuǎn)電機(jī)的定子部分變?yōu)橹本€電機(jī)的初級(jí)，旋轉(zhuǎn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子部分變?yōu)橹本€電機(jī)的次級(jí)。在電機(jī)的三相繞組中通入三相對(duì)稱正弦電流后，在初級(jí)和次級(jí)間產(chǎn)生氣隙磁場(chǎng)，氣隙磁場(chǎng)的分布情況與旋轉(zhuǎn)電機(jī)相似，沿展開(kāi)的直線方向呈正弦分布。當(dāng)三相電流隨時(shí)間變化時(shí)，使氣隙磁場(chǎng)按定向相序沿直線移動(dòng)，這個(gè)氣隙磁場(chǎng)稱為行波磁場(chǎng)。當(dāng)次級(jí)的感應(yīng)電流和氣隙磁場(chǎng)相互作用便產(chǎn)生了電磁推力，如果初級(jí)是固定不動(dòng)的，次級(jí)就能沿著行波磁場(chǎng)運(yùn)動(dòng)的方向做直線運(yùn)動(dòng)。即可實(shí)現(xiàn)高速機(jī)床的直線電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)的進(jìn)給方式，把直線電機(jī)的初級(jí)和次級(jí)分別直接安裝在高速機(jī)床的工作臺(tái)與床身上。由于這種進(jìn)給傳動(dòng)方式的傳動(dòng)鏈縮短為0，被稱為機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)的“

44、零傳動(dòng)”。 優(yōu)點(diǎn)：傳統(tǒng)直線伺服機(jī)構(gòu)是旋轉(zhuǎn)電機(jī)加滾珠絲杠，直線電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)取消了中間傳動(dòng)環(huán)節(jié)，簡(jiǎn)化了機(jī)械結(jié)構(gòu)，具有優(yōu)越的加減速特性，并提高了系統(tǒng)剛度與可靠性，同時(shí)具有降低運(yùn)行噪聲、行程無(wú)限制、維護(hù)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。 ①高速動(dòng)態(tài)響應(yīng)性。一般來(lái)講機(jī)械傳動(dòng)件比電氣元器件的動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間要大幾個(gè)數(shù)量級(jí)。由于直線電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中取消了一些響應(yīng)時(shí)間常數(shù)較大的機(jī)械傳動(dòng)件（如絲杠），使整個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能大大提高，反應(yīng)異常靈敏快捷。 ②高精度性。由于取消了絲杠等機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，減少了插補(bǔ)時(shí)因傳動(dòng)系統(tǒng)滯后帶來(lái)的跟蹤誤差。通過(guò)直線位置檢測(cè)反饋控制，可大大提高機(jī)床的定位精度。 ③傳動(dòng)剛度高、推力平穩(wěn)。“

45、零傳動(dòng)”提高了其傳動(dòng)剛度。同時(shí)直線電動(dòng)機(jī)的布局可根據(jù)機(jī)床導(dǎo)軌的型面結(jié)構(gòu)及其工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)時(shí)的受力情況來(lái)布置，通常設(shè)計(jì)成均布對(duì)稱，從而使其運(yùn)動(dòng)推力平穩(wěn)。 ④速度快、加減速過(guò)程短。直線電動(dòng)機(jī)最早主要用于懸磁浮列車（時(shí)速可達(dá)500 km/h ），現(xiàn)在用于機(jī)床進(jìn)給驅(qū)動(dòng)中，要滿足其超高速切削的最大進(jìn)給速度（要求達(dá)60m/min～ 100m/min或更高）是沒(méi)問(wèn)題的。也由于“零傳動(dòng)”的高速響應(yīng)性，使其加減速過(guò)程大大縮短，從而實(shí)現(xiàn)啟動(dòng)時(shí)瞬間達(dá)到高速，高速運(yùn)行時(shí)又能瞬間停止。加速度一般可達(dá)到2g～10g。 ⑤行程長(zhǎng)度不受限制。在導(dǎo)軌上通過(guò)串聯(lián)直線電動(dòng)機(jī)的定件，就可無(wú)限延長(zhǎng)動(dòng)件的行程長(zhǎng)度。 ⑥運(yùn)行時(shí)噪聲低。由

46、于取消了傳動(dòng)絲杠等部件的機(jī)械摩擦，而其導(dǎo)軌副又可采用滾動(dòng)導(dǎo)軌或磁墊懸浮導(dǎo)軌（無(wú)機(jī)械接觸），使運(yùn)動(dòng)噪聲大大下降。 ⑦效率高。由于無(wú)中間傳動(dòng)環(huán)節(jié)，也就取消了其機(jī)械摩擦?xí)r的能量損耗。 2) 滾珠絲杠螺母副 滾珠絲杠螺母副是回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)與直線運(yùn)動(dòng)相互轉(zhuǎn)換的一種新型傳動(dòng)裝置，在數(shù)控機(jī)床上得到了廣泛的應(yīng)用。它的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是在具有螺旋槽的絲杠螺母間裝有滾珠，使絲杠與螺母之間的運(yùn)動(dòng)成為滾動(dòng)，以減少摩擦。 滾珠絲杠螺母副的工作原理：如圖所示，絲杠和螺母上都加工有圓弧形的螺旋槽，它們對(duì)合起來(lái)就形成了螺旋滾道。在滾道內(nèi)裝有滾珠當(dāng)絲杠與螺母相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，滾珠沿螺旋槽向前滾動(dòng)，在絲杠上滾過(guò)數(shù)圈以后通過(guò)回程引導(dǎo)裝置，

47、逐個(gè)地又滾回到絲杠 圖3.2.4 與螺母之間，構(gòu)成一個(gè)閉合的回路。 由于絲杠螺母中存在間隙，使傳動(dòng)精度不易保證，因此選用直線電機(jī) 3.3 刀庫(kù)及自動(dòng)換刀裝置 刀庫(kù)主要是提供儲(chǔ)刀位置，并能依程式的控制，正確選擇刀具加以定位，以進(jìn)行刀具交換；換刀機(jī)構(gòu)則是執(zhí)行刀具交換的動(dòng)作。刀庫(kù)必須與換刀機(jī)構(gòu)同時(shí)存在，若無(wú)刀庫(kù)則加工所需刀具無(wú)法事先儲(chǔ)備；若無(wú)換刀機(jī)構(gòu)，則加工所需刀具無(wú)法自刀庫(kù)依序更換，而失去降低非切削時(shí)間的目的。此二者在功能及運(yùn)用上相輔相成缺一不可。 圖3.3.1 刀庫(kù)的形式 3.3 3.3 3.3.1 刀庫(kù)形式 刀庫(kù)有多種形式，加工中心常用的有盤(pán)式、鏈?zhǔn)絻煞N。 盤(pán)式結(jié)

48、構(gòu)中，刀具可以沿主軸軸向、徑向、斜向安放。分別如圖3.3.1a、3.3.1b、3.3.1c所示。刀具軸向安裝的結(jié)構(gòu)最為緊湊，但為了換刀時(shí)刀具和主軸同向，有的刀庫(kù)中的刀具需在換刀位置作90度翻轉(zhuǎn)。在刀庫(kù)容量較大時(shí)，為了存取方便的同時(shí)保持結(jié)構(gòu)緊湊，可采取彈倉(cāng)式結(jié)構(gòu)，如圖3.3.1d。目前大量刀庫(kù)安裝在機(jī)床立柱的頂面或側(cè)面。在刀庫(kù)容量較大時(shí)，也有安裝在單獨(dú)的地基上，以隔離刀具轉(zhuǎn)動(dòng)鎖引起的振動(dòng)。 鏈?zhǔn)降稁?kù)的基本結(jié)構(gòu)如圖3.3.1e所示，通常刀具容量比盤(pán)式的要大，結(jié)構(gòu)也比較靈活?？梢圆捎眉娱L(zhǎng)鏈帶的方式加大刀庫(kù)的容量，也可采用鏈帶折疊回繞的方式來(lái)提高空間利用率。如圖3.3.1g所示。 3.3.2

49、自動(dòng)換刀裝置 裝后能盡可能多地完成同一工件不同部位的加工要求，并盡可能減少加工中心的非故障停機(jī)時(shí)間，達(dá)到縮短產(chǎn)品的制造周期，提高產(chǎn)品的加工精度等目標(biāo)。對(duì)自動(dòng)換刀裝置的基本要求主要是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、功能可靠、交換迅速。刀具交換機(jī)構(gòu)完成刀庫(kù)里的刀（新刀）與主軸上的刀（舊刀）的交換工作。自動(dòng)換刀裝置性能的好壞直接影響加工效率的高低。雖然刀庫(kù)的種類不同，但換刀的過(guò)程是一樣的。當(dāng)自動(dòng)換刀裝置收到換刀指令后，主軸立刻停止轉(zhuǎn)動(dòng)并準(zhǔn)確停至換刀位置，松刀；新刀隨著刀庫(kù)運(yùn)動(dòng)到換刀位置，松刀；雙臂機(jī)械手將新、舊刀具同時(shí)抓起，刀具交換臺(tái)回轉(zhuǎn)到位后，將新、舊兩刀分別放置在主軸上和刀庫(kù)的空位置上；主軸夾緊，并回到最初的加工位

50、置，完成換刀過(guò)程。 3.4 加工對(duì)象 五軸聯(lián)動(dòng)加工中心適合加工復(fù)雜、工序多、要求高、需要多種類型的普通機(jī)床和眾多刀具夾具，且經(jīng)多次裝夾和調(diào)整才能完成加工的零件。其加工對(duì)象主要有箱體類零件、復(fù)雜曲面、異形件、盤(pán)套板類零件和特殊加工。 1. 箱體類零件 箱體類零件一般都需要進(jìn)行多工位孔隙及平面加工，公差要求較高，特別是形位公差要求較為嚴(yán)格，通常需要經(jīng)過(guò)銑、鉆、擴(kuò)、鏜、鉸、攻絲等工序，需要刀具較多，在普通機(jī)床上加工難度大，需多次裝夾、找正，加工精度難以保證。加工箱體類零件時(shí)需要工作臺(tái)多次旋轉(zhuǎn)加工水平方向四個(gè)面，用臥式加工中心合適。 2. 復(fù)雜曲面 復(fù)雜曲面在機(jī)械制造業(yè)，特別是航空

51、航天工業(yè)中占有重要的地位。復(fù)雜曲面采用普通機(jī)加工方法是難以甚至無(wú)法完成。復(fù)雜曲面零件如：各種葉輪、球面、各種曲面成型磨具、螺旋槳以及水下航行器的推進(jìn)器、以及一些其他形狀的自由曲面。這類零件用五軸加工中心最為合適。銑刀作包絡(luò)面來(lái)逼近球面。復(fù)雜曲面用加工中心加工時(shí)，編程工作量較大，大多數(shù)要有自動(dòng)編程技術(shù)。 3. 異形件 異形件是外形不規(guī)則的零件，大都需要點(diǎn)、線、面多工位混合加工。異形件的剛性一般較差，夾壓變形難以控制，加工精度也難以保證，甚至某些零件的有的加工部位用普通機(jī)床難以完成。用加工中心加工時(shí)應(yīng)采用合理的工藝措施，一次或二次裝夾，利用加工中心多工位點(diǎn)、線、面混合加工的特點(diǎn)，

52、完成多道工序或全部的工序內(nèi)容。 4. 盤(pán)套板類零件 帶有鍵槽，或徑向孔，或端面有分布的孔系，曲面的盤(pán)套或軸類零件，如帶法蘭的軸套，帶鍵槽或方頭的軸類零件等，還有具有較多孔加工的板類零件，如各種電機(jī)蓋等。端面有分布孔系、曲面的盤(pán)類零件宜選擇立式加工中心，有徑向孔的可選臥式加工中心。 5. 特殊加工 在熟練掌握了加工中心的功能之后，配合一定的工裝和專用工具，利用加工中心可完成一些特殊的工藝工作，如在金屬表面上刻字、刻線、刻圖案；在加工中心的主軸上裝上高頻電火花電源，可對(duì)金屬表面進(jìn)行線掃描表面淬火；用加工中心裝上高速磨頭，可實(shí)現(xiàn)小模數(shù)漸開(kāi)線圓錐齒輪磨削及各種曲線、曲面的磨削等。 參考文獻(xiàn) 【1】 沙杰，《加工中心結(jié)構(gòu)、調(diào)試與維護(hù)》，機(jī)械工業(yè)出版社2003年2月第1版。 【2】曹甜東，《數(shù)控技術(shù)》，華中科技大學(xué)出版社2005年9月第1版 【3】王愛(ài)玲、武文革等《現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床》，國(guó)防工業(yè)出版社2009年3月第2版 【4】百度百科， 28