第七章-加工中心

第七章加工中心加工中心概述加工中心的基本构成加工中心的分类自动换刀装置JCS-018A立式加工中心学习导论加工中心是一个工序高度集中、自动化程度高的机电一体化设备，工件一次装夹后可以进行多工序加工。本章主要包含五个部分的内容：加工中心的特点；加工中心的基本构成；加工中心的常见类型；加工中心的自动换刀系统以及JCS-018A加工中心体系结构。了解加工中心的基本构成；加工中心的分类方法；掌握加工中心的自动换刀系统包括刀库、刀库驱动及分度装置、刀具识别装置、刀具交换装置的结构及工作原理；刀具的选择方式。重点掌握JCS-018A加工中心的工艺用途、主要构成及主要结构。加工中心概述一、加工中心的特点（1）加工中心具有以下特点(1)：工序高度集中；一般带有自动分度回转工作台或主轴箱可自动转角度，工件一次装夹后，自动完成多个平面或多个角度位置的加工；能够自动改变加工工艺参数；有的带有交换工作台，工件在工作位置的工作台上进行加工，待加工或加工完毕的工件在装卸位置的工作台上进行装卸，不影响工件的正常加工，同时提高生产效率。一、加工中心的特点（2）加工中心具有以下特点(2)：加工中心由于具有上述特点，大大减少了工件的装夹、测量和机床的调整时间，减少工件的周转、搬运和存放时间，使机床的切削时间利用率高于普通机床的3~4倍；同时具有较好的加工一致性，与单机、人工操作方式比较，能排除工艺流程中人为干扰因素；特别适合加工形状较复杂、精度要求较高、品种更换频繁工件的加工。加工中心的基本构成一、加工中心基本构成（1）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。一、加工中心基本构成（2）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。一、加工中心基本构成（3）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。一、加工中心基本构成（4）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。一、加工中心基本构成（5）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。一、加工中心基本构成（6）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。一、加工中心基本构成（7）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。加工中心的分类一、按照加工中心布局方式分类（1）立式加工中心立式加工中心是指主轴轴心线为垂直状态设置的加工中心，如图所示。其结构形式多为固定立柱式，工作台为长方形，无分度回转功能，适合加工盘类零件。在工作台上安装一个水平轴的数控回转台，可用于加工螺旋线类零件。立式加工中心的结构简单，占地面积小，价格低。JCS-018立式镗铣加工中心外形图例一、按照加工中心布局方式分类（2）卧式加工中心（1）卧式加工中心是指主轴轴线为水平状态设置的加工中心，如图所示。通常都带有可进行分度回转运动的正方形分度工作台。卧式加工中心一般具有3~5个运动坐标，常见的是三个直线运动坐标(沿X、Y、Z轴方向)加一个回转运动坐标(回转工作台)，它能够使工件在一次装夹后完成除安装面和顶面以外的其余四个面的加工，最适合箱体类工件的加工。卧式加工中心图例一、按照加工中心布局方式分类（3）卧式加工中心（2）卧式加工中心有多种形式，如固定立柱式或固定工作台式。固定立柱式的卧式加工中心的立柱固定不动，主轴箱沿立柱做上下运动，而工作台可在水平面内做前后、左右两个方向的移动；固定工作台式的卧式加工中心，安装工件的工作台是固定不动的（不做直线运动），沿坐标轴三个方向的直线运动由主轴箱和立柱的移动来实现。与立式加工中心相比较，卧式加工中心的结构复杂，占地面积大，重量大，价格也较高。一、按照加工中心布局方式分类（4）龙门式加工中心龙门式加工中心如图所示，形状与龙门铣床相似，主轴多为垂直设置。带有自动换刀装置及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。尤其适用于大型或形状复杂的工件加工，如航天飞机及大型汽轮机上的某些零件的加工。龙门式加工中心图例一、按照加工中心布局方式分类（5）万能加工中心（复合加工中心）具有立式和卧式加工中心的功能，工件一次装夹后能完成除安装面外的所有侧面和顶面（五个面）的加工，也叫五面加工中心。常见的五面加工中心有两种形式，一种是主轴可实现立、卧转换；另一种是主轴不改变方向，工作台带着工件旋转90°，完成对工件五个表面的加工。如图所示是MAHO公司的两轴数控转台，它除了可绕水平轴回转以外，还可绕垂直轴作360°回转。如图所示是MAOH公司的可倾斜转台，既可以绕垂直轴作360°旋转，也可以绕水平轴摆动。复合加工中心主要适用于复杂外观、复杂曲线的小型工件加工，例如加工螺旋桨叶片及各种复杂模具。MAHO公司的数控转台图例MAHO公司的可倾斜转台图例二、按换刀形式分类（1）带刀库、机械手的加工中心加工中心的换刀装置(ATC)是由刀库和机械手组成，由机械手完成换刀工作。这是加工中心采用最普遍的形式。例如：JCS-018型立式加工中心就是采用这种换刀方式。二、按换刀形式分类（2）无机械手的加工中心加工中心的换刀是通过刀库和主轴箱的配合动作来完成，刀库中刀具存放位置方向与主轴装刀方向一致。换刀时，主轴运动到刀位上的换刀位置，由主轴直接取走或放回刀具。例如：XH754型卧式加工中心采用这种换刀方式。二、按换刀形式分类（3）转塔刀库式加工中心小型立式加工中心一般采用转塔刀库形式，主要以孔加工为主。例如：ZH5120型立式钻削加工中心就是转塔刀库式加工中心。三、按加工中心机床的功用分类镗铣加工中心机床主要用于镗削、铣削、钻孔、扩孔、饺孔及攻螺纹等工序，特别适合于加工箱体类及形状复杂、工序集中的零件。一般将此类机床简称为加工中心。钻削加工中心机床主要用示钻孔，也可进行小面积的端铣。车削加工中心机床除用于加工轴类零件外，还进行铣(如铣扁、铣六角等)、钻(如钻横向孔)等工序的加工，并能实现C轴功能。自动换刀装置一、刀库的种类（1）刀库用于存放刀具，它是自动换刀装置中的主要部件之一。根据刀库存放刀具的数量和取刀方式的不同，刀库可设计成不同类型。如图所示为常见的几种刀库的结构形式：刀库的各种形式图例一、刀库的种类（2）直线刀库如图a所示，刀具在刀库中直线排列，结构简单，存放刀具数量有限(一般8把~12把)，较少使用。一、刀库的种类（3）圆盘刀库图b所示刀库，刀具径向布置，占有较大空间，一般置于机床立柱上端。图c所示刀库，刀具轴向布置，常置于主轴侧面，刀库轴心线可垂直放置，也可以水平放置，较多使用。图d所示刀库，刀具为伞状布置，多斜放于立柱上端。上述三种圆盘刀库是较常用的形式，存刀量最多50把~60把，存刀量过多则结构尺寸庞大，与机床布局不协调。为进一步扩充存刀量，有的机床使用多圈分布刀具的圆盘刀库（图e），多层圆盘刀库（图f）和多排圆盘刀库（图g）。多排圆盘刀库每排4把刀，可整排更换。后三种刀库形式使用较少。一、刀库的种类（4）链式刀库链式刀库是较常使用的形式（图h、i），这种刀库刀座固定在链节上,常用的有单排链式刀库（图h）,一般存刀量小于30把，个别达到60把。若进一步增加存刀量，可使用加长链条的链式刀库（图i）。如图所示给出了链式刀库的应用。链式刀库图例一、刀库的种类（5）其他刀库刀库的形式还有很多，值得一提的是格子箱式刀库，如图j、k，刀库容量较大，可使整箱刀库与机外交换。为减少换刀时间，换刀机械手通常利用前一把刀具加工工件的时间，预先取出要更换的刀具，当然所配的数控系统应具备该项功能。图j为单面式，图k为多面式。二、常见的换刀方式（1）无机械手换刀（1）无机械手换刀主要通过刀库和机床主轴的相对运动来实现换刀。换刀时，必须首先将用过的刀具送回刀库，然后再从刀库中取出新刀具，这两个动作不可能同时进行，因此换刀时间长。如图所示分别给出了立式加工中心和卧式加工中心无机械手换刀的结构。立式加工中心无机械手换刀图例卧式加工中心无机械手换刀图例二、常见的换刀方式（2）无机械手换刀（2）卧式加工中心无机械手换刀的过程：数控系统发出换刀指令，圆盘式刀库转至所需刀具座位置，主轴移动到换刀位置，刀具座夹持待更换的刀具，刀库前移，拔出用过的刀具，刀库旋转，直至下一工序要用的刀具位于主轴轴线位置，刀库后退，装上“新”刀，主轴下移至工作位置，换刀过程完毕。二、常见的换刀方式（3）机械手换刀（1）采用机械手换刀的方式在加工中心中应用最为广泛。当主轴上的刀具完成一个工步后，机械手把这一个工步的刀具送回刀库，并把下一个工步所需要的刀具从刀库中取出来并装在主轴部件上。对机械手的具体要求是迅速可靠，准确协调。由于不同的加工中心的刀库与主轴的相对位置不同，所以各种加工中心所使用的换刀机械手结构也不尽相同。从手臂的类型来看，有单臂机械手、双臂机械手等。二、常见的换刀方式（4）机械手换刀（2）双臂机械手中最常用的有如图所示的几种结构形式：图a是钩手，图b是抱手，图C是伸缩手，图d是插手。这几种机械手能够完成抓刀一拔刀一回转一插刀一返回等一系列动作。为了防止刀具掉落，各机械手的活动爪都带有自锁机构。由于双臂回转机械手的动作比较简单，而且能够同时抓取和装卸机床主轴和刀库中的刀具，因此换刀时间进一步缩短。双臂机械手常用结构图例二、常见的换刀方式（5）机械手换刀（3）如图所示是双刀库机械手装置，其特点是两个刀库和两个单臂机械手进行工作，因而机械手的工作行程大为缩短，可有效的节省换刀时间。另外，还由于刀库分两处设立，故使机床整体布局较为合理。双刀库机械手换刀装置图例二、常见的换刀方式（6）转塔式自动换刀转塔式自动换刀装置是数控机床中比较简单的换刀装置。转塔刀架上装有主轴头，转塔转动时更换主轴头以实现自动换刀。在转塔各个主轴头上，预先安装有各工序所需要的旋转刀具。如图所示数控钻镗铣床采用转塔刀库换刀，可绕水平轴转位的转塔自动换刀装置上装有8把刀具，但只有处于最下端“工作位置”上的主轴才能与主传动链接通并转动。待该工步加工完毕需要换刀时，首先脱开主传动链，然后转塔按照指令转过一个或几个位置，完成自动换刀，再进入下一步的加工。转塔刀库换刀图例三、刀具的选择方式（1）顺序选择刀具的顺序选择方式是将刀具按加工工序的顺序，依次放入刀库的每一个刀座内。每次换刀时，刀库按顺序转动或移动一个刀座的位置，并取出所需要的刀具。已经使用过的刀具可以放回到原来的刀座内