卧式加工中心自动换刀机械手设计

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国家“六五”和“七五”规划期间，我国大力发展加工中心，帮助部分骨干企业与国外厂商进行合作，引进了加工中心的制造技术。现生产家有30多家，能制造70多个品种规格的加工中心产品，年产量约500台，部分产品已达到国外同类产品的水平。 1.3 加工中心的原理 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机床的数控装置能接受的信息代码，并把这些代码存储在信息载体（穿孔带、磁盘等）上。将信息载体送到输入装置，读出信息并送入数控装置。信息载体为穿孔带时，输入装置为光电阅读机，磁带输入装置可用磁带录音机。信息载体为磁盘时，可用驱动输入。以上时最常用的程序输入方法，另一种方法是利用计算机和加工中心直接进行通信，实现零件程序的输入和输出。 进入数控装置的信息，经过一系列处理和运算转变为脉冲信号，有的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，还有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。 现代加工中心的内容是什么？第一，它是在数控镗床或数控铣床的基础上增加自动换刀装置，可使工件在一次装卡中，能够自动更换刀具，自动完成工件上的铣削、钻孔、镗孔、铰孔、攻丝等工序的数控机床。第二，加工中心上如果带有自动回转工作台或自动转角度的主轴箱，可使工件在一次装卡中，自动完成多个平面和多个角度的多工序加工。第三，加工中心上如果带有交换工作台，工件在工作位置的工作台上进行加工的同时，另外的工件在装卸位置的工作台上进行装卸，不影响加工的进行。 加工中心的定义是什么？目前世界上并无标准定义，但目前普遍认为是指：在工件一次装卡中，能够自动实现铣削、钻孔、镗孔、铰孔、攻丝等多工序的数控机床。更为明确的说法是：加工中心就是自动换刀数控镗铣床。这就把加工中心与自动换刀数控车床或车削中心区别开来。 1.4 加工中心的种类 ⒈按机床形态分类 按机床形态分类，分为：卧式、立式、龙门式三大类加工中心。 ⑴卧式加工中心 指主轴轴心线为水平状态的加工中心。通常都带有可进行分度回转运动的正方形分度工作台。 ⑵立式加工中心 指主轴轴心线为垂直状态的加工中心。工作台通常是长方形，且无分度回转功能。 ⑶龙门式加工中心 形状与龙门铣床相似，但它的功能远比龙门铣床多。它带有自动换刀装置，带可更换的主轴头附件，数控装置的软件功能相当齐全，能够一机多用。 ⒉按数字控制伺服机构的种类分类 ⑴半闭环控制方式 普通精度的加工中心，大都采用这种方式。它不是直接检测工作台等移动件的位置，而是通过检测滚珠丝杠的回转角度（或伺服电机轴的回转角度）来间接地检测移动件的位置，故而叫做半闭环控制方式。 ⑵全闭环控制方式 这种控制方式，通常是在精密加工中心上采用。移动部件（如工作台、主轴箱）的移动位置，是由直线尺（如感应同步器、光栅尺等）直接进行检测并反馈给比较回路，因而不受丝杠精度和热变形的影响，得到较高的定位精度。 ⑶混合伺服控制方式 这种方式，通常是在重型加工中心上采用。所谓混合伺服控制，就是半闭环控制和全闭环控制并存的控制方式。此种方式对使用条件恶劣的重型机床，可用高增益得到高定位精度。 ⒊按立柱是否移动分类 ⑴固定立柱式 小型加工中心，通常都采用固定立柱方式。平面上的两个坐标移动是由工作台和溜板来实现。由于立柱固定在床身上，就便于把刀库、电柜等装在立柱上，实现机电一体化。 ⑵移动立柱式 通常见于大、中型加工中心。为了避免大尺寸工作台在溜板两端极限位置上发生翘曲和大溜板加工难的问题，采用了立柱在床身上沿前后方向移动，而工作台则在床身上沿左右方向移动的形式，从而减少了溜板和结构的多层，有利于提高机床精度。 ⑶立柱作平面二坐标移动式 这种形式的加工中心，工作台不作移动动作，而平面上的二坐标移动，均由立柱来实现。因为工作台不移动，这种加工中心比较适用于柔性自动线等生产系统。 ⒋按ATC形式分类 ⑴带刀库、机械手的加工中心 这是加工中心最普遍采用的形式。加工中心的自动换刀装置是由刀库和换刀机械手组成。 ⑵无机械手的加工中心 采用40号以下刀柄的小型加工中心，有的就没有换刀机械手，换刀是通过刀库和主轴箱的配合动作来完成 ⑶转塔刀库式加工中心 一般在小型立式加工中心上，有采用转塔刀库形式的。它主要以孔加工为主。 1.5 加工中心的主要优点 ⑴提高加工质量 工件在一次装夹，即可实现多工序集中加工，大大减少多次装夹所带来的误差。另外，由于是数控加工，较少依赖操作者的技术水平，可得到相当高的稳定精度。 ⑵缩短加工准备时间 加工中心既然可以顶替多台通用机床，那么加工一个零件所需准备的时间，是每台加工单元所损耗的准备时间之和。从这个意义上说，加工中心的准备时间显然短得多。另外，由于是数控加工，不必准备专用钻模等工艺装备，可以大大节省准备时间。 ⑶减少在制品 以往的加工方式是工件流动于多台通用机床之间，这就要相当数量的在制品，而在加工中心上加工，即可发挥其“多工序集中”的优势，在一台机床上完成多个工序，就能大大减少在制品数量。 ⑷减少刀具费 把分散设置在各通用机床上的刀具，集中在加工中心刀库上，有可能用最少量的刀具，实现公共有效利用。这样既提高了刀具利用率，又减少了刀具数量。 ⑸最少的直接劳务费 由NC装置实现多工序加工的信息集约化和一人多台管理，以及用工作台自动托盘交换装置等辅助装置，实现夜间无人运转。这些都可缩减直接劳务费。 ⑹最少的间接劳务费 由于工序集中，工件搬运和质量检查工作量都大为减少，这就使间接劳务费最少。 ⑺设备利用率高 加工中心设备利用率为通用机床的几倍。另外，由于工序集中，容易适应多品种、中小批量生产。 1.6 加工中心的发展动向 加工中心亦同其他机床一样，它的技术水平的提高，表现在其固有技术（如高速、高精度化等）的进一步发展和新技能（如智能化技能）的应用上。 总括起来说，加工中心的发展动向是高速、进一步提高精度和愈发完善的机能。 1：高速化 加工中心的高速化，是指主轴转速、进给速度、自动换刀和自动交换工作台的高速化。 ⑴主轴转速的高速化 80年代初时的主轴最高转速，多为4000~5000r/min。然而，这几年主轴最高转速又有了较大的提高。表1-1所示为主轴直径ø100mm的加工中心主轴最高转速的演变情况。 表1-1 ø100主轴最高转速演变情况 年份 最高转速（r/min） 润滑方式 备注 1975 3000 油脂 1980 5000 油脂 1984 7000 油气 1986 10000 油脂 15000 油气 陶瓷轴承 （仅滚动体） 1988 20000 喷油 1990 25000~30000 喷油 全陶瓷轴承 近几年来还开发出加工中心主轴用磁浮轴承，其主轴转速可达30000~40000 r/min。 实现加工加工中心主轴转速的超高速，主要采用了下列措施： 1）选用陶瓷轴承 所谓陶瓷轴承，是指轴承滚动体是用陶瓷材料制成，而内外圈则仍用轴承钢制造的轴承。轴承材料为Si3N4。 2）主轴轴承采用预紧量可调整装置 以往预紧主轴的方式是固定预紧量式的，结果由于轴承滚体离心力的影响，主轴在低速区和高速区的刚性有差异，影响主轴在全转速范围内的稳定切削。尤其随着主轴转速的高速化，要实现低速时的高刚性和高速时的低发热，固定预紧量方式已不能满足其要求，于是出现了随着转速而自动改变轴承预紧量的结构。在低速区有活塞顶紧，实现高刚性固定预紧量方式，而在高速区则把活塞松开，只靠弹簧予以预紧，实现定压预紧。 3）改进主轴轴承润滑、冷却方式 以往，加工中心主轴轴承的润滑方式，大都采用油脂封入润滑方式。但是这种润滑方式的转速有一定限度，为了适应主轴转速化发展的需要，相继开发了新润滑、冷却方式。有油气润滑方式和喷注润滑。 ⑵进给速度的高速化 是指快速移动速度的高速化和切削进给速度的高速化。 1)快速移动速度 快速移动速度的演变，如表1-2所示： 表1-2 移动速度演变表 年 份 移动速度（m/min） 1970 5 1975 10 1980 15 最 近 24~36 由于近年来采用了32位微处理器、全数字--智能伺服系统方式以及先进的位置检测器（如高分辨率脉冲编码器等），目前CNC装置所具有的最高进给速度为： 1μm脉冲当量时 100m/min 0.1μm脉冲当量 24m/min 2）切削进给速度的高速化 目前普遍采用的最高切削进给速度，已达5~5m/min（原来是3.6m/min左右），个别的达12m/min，亦有与快速移动速度相同的。但是现在能实施告诉进给切削的，仅限于直线切割。因为目前普遍使用的模拟伺服控制系统，在告诉动作下不可能实现良好的多坐标联动，结果加工形状精度差。为避免此中缺陷，已开始使用具有良好的高速联动性能的数字伺服控制系统。 ⑶自动换刀（ATC）的高速化 从加工中心诞生初期起，就追求ATC的高速化。但是由于当时尚未充分掌握ATC的内在规律，故障率较高，所以在后来的相当一段时间里，采用了首先保证动作可靠性，然后才考虑速度的方针，结果在这段时期，ATC速度未提高多少。但是随着对ATC内在规律的深入了解和用户对ATC速度的要求强迫，有开始注意ATC速度了。 作为高速换刀机械手，近来采用凸轮联动式机械手。 ⑷自动托盘交换装置（APC）的高速化 自动托盘交换装置在交换的移动速度最高已达40m/min，而其重复定位精度3μm。 ⒉进一步提高精度 加工中心的主要精度指标是它的运动精度指标。而这一精度指标，近年来有了不小的提高，其中精度加工中心精度指标的提高尤为明显。所谓加工中心的运动精度，主要以坐标定位精度、重复定位以及铣圆精度来表示。 为了保证精密加工中心的高精度，除了继续采取以往行之有效的措施外，还采取了如下一些新颖措施： ⑴机床总体方面 1)在立柱内壁，喷射与室温相同的恒温油；以降低机床温升和热变形。 2)在机床底面，循环流动恒温油，以减少地面的辐射冷却效应。 3)大件用高级铸铁铸造，并经过二次退火处理。 ⑵主轴箱方面 1)主轴端7：24锥孔，镶嵌耐磨性好的陶瓷。 2)在主轴箱电机安装端支承架内通以恒温油，以起隔热作用。 3)主轴箱采用低热膨胀系数铸铁，以减少绝对变形。 4)采用专用高精度大容量恒温油箱（油温变化控制在±0.5℃内） ⑶X、Y、Z轴进给方面 1)直线运动丝杠，采用中空丝杠，通过恒温油 2)丝杠支承轴承承外圈，采取强制循环恒温油冷却方式。 3)X、Y轴装滚珠螺母的支架，铸成与本体一体，以提高其刚性。 4)采用0.1μm脉冲当量。 ⒊机能更加完整 ⑴愈来愈完善的自诊断机能，为了尽了能减少加工的故障，现代加工中心大都配备完善的自诊断机能。例如，位置检测传感器、刀具破损检测装置、切削异常检测机能、适应控制机能、备用刀具选择机能、温度传感器、声传感器和电流传感器等。这些机能和传感器，使机床具有一定的人工智能。 ⑵新式刀具破损检测装置 大直径刀具破损检测方法，已有好几种。但对小直径刀具破损，一直还没有找到比较理想的检测方法。直到近几年才出现一种叫声发射（AE）的检测方法。AE检测法是利用刀具在断裂瞬间发出的超声波来判断刀具破损的。 尽管有不少加工中心装在这种装置，但其可靠性却还需进一步提高。 AE检测方式，只能在刀具发生破损时才能发现，而在刀具破损之前是无法知道其工作情况的。为此还出现了在刀具即将破损之前就能检测出刀具工作情况的装置。它的工作原理是，在正常切削时，切削力矩一定，而当即将发生刀具破损时，力矩变大，被装在刀柄的传感器所检测，经过故障性质判断装置进行判断，若还可以继续加工，就会在继续加工会折断刀具时就会报警，并停止主轴旋转。 ⑶加工中心复合化趋势 1）五面加工中心 主要是针对大件加工而出现的机床。它具有卧式加工中心和立式加工中心的机能，因而箱体类零件一次装夹即可完成所有侧面和顶面加工，故而叫做五面加工中心。 2）加工中心---立车机能组合机 这种机床的最大特点是加工中心分度工作台既可实现0.001°的NC分度工作，又可实现立式车床回转主轴的动作。当然，为实现复合功能，立柱、工作台、刀库等都需作专门设计。 3）切削—磨削复合加工中心 这种机床，是在切削加工用加工中心上，装备磨削用的附件，实现切削、磨削复合加工的复合加工中心。特别适用于模具加工行业。 4）切削—电加工复合加工中心 这种机床主要适用于既需进行切削加工，又需进行电加工的模具制造业，尤其适用于大型模具加工。 5）切削—激光切割复合加工中心 这是一种正在研究中的复合加工中心。它期望把激光器像普通刀具一样装在刀库中，通过换刀机械手装到主轴上，以进行激光切割的装置。这种小型激光器，不久将成为加工中心的“刀具”。 ⑷功能更趋完善的NC装置 1）全数字伺服控制 全数字伺服控制又叫软件伺服控制，是当今NC基本技术中，颇为引人注目的进步。 采用数字伺服控制可收到如下效果： ①即使在高速进给下铣圆，其圆弧形状精度也可很高。 ②正转、反转铣圆，形状仍然一致。 ③象限切换处的突起小。 ④冲现性极好。 2）NC装置 加工中心的性能，在很大程度上取决于NC系统的性能，所以不断开发NC系统，使其技术在以下方面有了很大的发展。 ①开发出对应高精度、高速、高效率要求的NC装置。 ②系统化，随着FMC推广，要求把控制机器人、测量、上下料等功能都纳入到CNC内。 ③多机能、复合化：开发出适应五面加工多主轴复合加工等复合机床控制要求的CNC。 ④网络化：CNC应能成为工厂自动化的一个组成部分，能够和其它设备进行协调控制和信息交换。 ⑤用户要求意向化：由标准产品生产方式，转向能充分发挥机床特性的按订货要求生产的方式。 ⑸MAP的利用---FMS技术的高级化发展。FMS发展的最近特点是： ①从发展大小转向小型化。 ②向更高控制技术----MAP应用方向发展。 1.7 数控机床的产生和发展 1） 产生 现代科学技术和社会生产的不断发展，对机械加工提出了越来越高的要求，机械加工过程的自动化、智能化是实现上述要求的最重要措施之一。它不仅能提高产品的质量，提高生产效率，降低生产成本，还能大大减轻工人的劳动强度，改善工作环境。 1952年美国帕森斯公司（Parsons）和麻省理工学院（MIT）合作研制成功世界上第一台三坐标数控铣床，用它来加工直升飞机叶片轮廓检查用样板，这是一台采用专用计算机进行运算与控制的直线插补轮廓控制数控铣床，1955年，该类机床进行实用化阶段，在复杂曲面的加工中发挥了重要作用。 2） 发展史 随着微电子技术、自动化信息处理、数据处理以及电子计算机的发展给自动化带来了新的概念，推动了机械制造自动化的发展。 1953年，美国空军与麻省理工学院协作，开始从事计算机自动编程的研究，这就是APT（Automatically Programmed Tools）自动编程的开始。 1955年美国空军花费巨大额经费订购了大约100台数控机床，此后两年，数控机床在美国进入迅速发展阶段，市场上出现了商品化数控机床。 1958年美国克耐．杜列克公司（keaney￡Trecker Co．）在世界上首先研制成功了带自动换刀装置的数控机床，称为“加工中心”。 1959年，计算机行业研制出了晶体管元器件，因而数控装置中广泛采用晶体管和印制电路板，从而跨入第二代数控时代，同时美国航空工业协会（AIA）和麻省理工学院共同发展APT程序语言。 1960年以后，点位控制机床在美国得到了迅速发展，数控技术不仅在机床上得到了实际应用，而且逐步推广到冲压机、饶线机、焊接机、火焰切割机、包装机和坐标测量机等。 从1965年开始，德国、日本等先进工业国家陆续开发、生产及使用了数控机床。 1965年，出现了小规模的集成电路，由于它体积小，功耗低，使数控系统的可靠性得到进一步的提高，标志着数控系统发展到第三代。 9