五轴联动数控加工中心

五轴联动加工中心 2011年7月1数控机床概述21.1数控机床的定义21.2机床数控技术及组成31.3数控机床的加工特点31.4数字控制技术与数控机床的产生与发展41.5数控机床的分类及其用途51.6数控技术发展趋势82加工中心概述82.1加工中心的概念82.2加工中心的发展史92.3加工中心的分类102.4加工中心特点123五轴联动加工中心133.1五轴联动加工中心的分类143.2五轴联动加工中心（工作台摆动式）163.2.1旋转运动的实现173.2.2直线运动的实现193.3刀库及自动换刀装置213.3.1刀库形式213.3.2自动换刀装置223.4加工对象23参考文献26卧式五轴联动加工中心（工作台摆动式）1 数控机床概述1.1 数控机床的定义数字控制（Numerical Control）是指用数字化信号对机床的运动及其加工过程进行控制的一种技术方法。数控技术是用数字信息对机械运动和工作过程进行控制的技术，是现代化工业生产制造产业的一门新型的发展十分迅速的高技术。数控装备是以数控技术为代表的新技术对传统制造产业和新兴制造产业的渗透形成的机电一体化产品，即所谓的数字化装备。其技术范围所覆盖的领域有：机械制造技术；为电子技术；信息处理、加工、传输技术；自动控制技术；检测监控技术；伺服驱动技术；软件技术等。数控技术及装备是发展新兴高新技术产业和尖端工业（如信息技术及其产业、生物技术及其产业、航空航天等国防工业产业）的使能技术和最基本的装备。在提高生产率、降低成本、保证加工质量和改善工人劳动强度等方面，都有突出优点；特别是在适应机械产品迅速跟新换代、小批量、多品种生产方面，各类数控装备是实现先进制造的关键。数控机床是采用数控技术的机床，或者说是装备了数控系统的机床。国际信息联盟第五技术委员会（International Federation of Information Processing），对数控机床作了如下定义：数控机床是一种装了程序控制系统的机床。该系统能逻辑地处理具有使用代码或其他符号编码指令规定的程序。图1.1.11.2 机床数控技术及组成图1.2.1机床数控技术的组成数控技术包括数控系统、数控机床及外围技术，其组成如图1-1所示。数控机床是典型的数控化设备，它一般由信息载体、计算机数控装置、伺服系统和机床四部分组成，如图1-2所示。图1.2.2 数控机床的组成1.3 数控机床的加工特点数控机床是新型的自动化机床，他具有广泛通用性和很高的自动化程度。数控机床是实现柔性自动化最重要的环节，是发展柔性生产的基础。数控机床在加工洗下面的一些零件中更能显示出他的优越性：小批量（200件以下）而又多次生产的零件；几何形状复杂的零件；在加工中必须进行多种加工的零件；切削余量大的零件；必须控制公差（即公差带范围小）的零件；工艺设计经常变化的零件；加工过程中的错误会造成严重浪费的贵重零件；需全部检测的零件等。数控机床的优点：1) 提高生产率。数控机床能缩短生产准备时间，增加切削加工时间的比率。采用最佳的切削参数和最佳的走刀路线，缩短加工时间，从而提高生产率。2) 数控机床可以提高零件的加工精度，稳定产品质量。由于它是按照程序自动加工，不需要人工干预，其加工精度还可以利用软件进行校正及补偿。故可以获得比机床本身精度还要高的加工精度和重复精度。3) 有广泛的适应性和较大的灵活性。通过改变程序，就可加工新产品的零件，能够完成很多普通机床难以完成或根本不可能加工的复杂零件表面的加工。4) 可以实现一机多用。一些数控机床，例如加工中心，可以自动换刀。一次装夹后，几乎可以完成零件的全部加工部位的加工，节约了设备和厂房面积。5) 可以进行精确的成本计算和生产精度的安排，加速资金周转，提高经济效益。6) 不需要专用夹具。采用普通的通用夹具就能满足数控加工的要求，节省了专用夹具的设计制造和存放的费用。7) 大大减轻了工人的劳动强度数控机床的缺点：1) 数控机床的初投资及维修技术等费用较高2) 要求管理和操作人员的素质也较高1.4 数字控制技术与数控机床的产生与发展微电子技术、自动信息处理、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。采用数字控制技术进行机械加工的思想，最早是在20世纪40年代初提出的。当时，美国北密执安的一个小型飞机工业承包商帕森公司（ParsonsCo.）在制造飞机框架及直升机叶片轮廓用样板时，利用全数字电子计算机对轮廓路径进行数据处理，并考虑了刀具直径对加工路径的影响，提高了加工精度。1949年帕森公司正式接受美空军委托，在麻省理工学院伺服机构试验室的协助下，开始从事数控机床的研制工作。经过三年时间的研究，于1952年试制成功世界第一台数控机床试验性样机。这是一台采用脉冲乘法器原理的直线插补三坐标连续控制铣床，这便是数控机床的第一代。1953年，美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，这就是创制APT（Automatically Programmed Tools）自动编程系统的开始。1955年，美空军花费巨额经费订购了大约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）和麻省理工学院发展APT程序语言。1960年以后，点位控制机床在美国得到迅速发展，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、绕线机、焊接机、火焰切割机、包装机和坐标测量机等，在程序编制方面，已由手工编程逐步发展到采用计算机自动编程。除了APT数控语言外，又发展了许多自动编程语言。从1960年开始，德国、日本等先进工业国家都陆续开发、生产及使用了数控机床。1965年，出现了小规模集成电路。由于它体积小、功耗低，使数控系统的可靠性得以进一步提高，数控系统发展到第三代。以上三代，都是采用专用控制计算机的硬逻辑数控系统。装有这类数控系统的机床为普通数控机床（简称NC机床）。1967年，英国首先把几台数控机床联接成具有柔性的加工系统，这就是最初的FMS（Flexible Manufacturing System，柔性制造系统）。之后，美、欧、日也相继进行开发与应用。随着计算机技术的发展，小型计算机的价格急剧下降。小型计算机开始取代专用数控计算机，数控的许多功能由软件程序实现。这样组成的数控系统称为计算机数控系统（CNC）。1970年，在美国芝加哥国际机床展览会上，首次展出了这种系统，称为第四代数控。而由计算机直接对许多机床进行控制的控制系统，称为直接数控系统（DNC）。1970年前后，美国英特尔公司开发和使用了微处理器。1974年美、日等国首先研制出以微处理器为核心的数控系统。近20年来，微处理机数控系统的数控机床得到了飞速发展和广泛应用，这就是第五代数控系统（MNC）。20世纪80年代初，国际上又出现了柔性制造单元FMC（FlexibleManufacturing Cell）。FMC和FMS被认为是实现CIMS（Computer Integrated Manufacturing System，计算机集成制造系统）的必经阶段和基础。1.5 数控机床的分类及其用途1) 按工艺用途分类 金属切削类数控机床,包括数控车床,数控钻床,数控铣床,数控磨床,数控镗床发及加工中心.这些机床都有适 用于单件、小批量和多品种和零件加工，具有很好的加工尺寸的一致性、很高的生产率和自动化程度，以及很高的设备柔性。 金属成型类数控机床；这类机床包括数控折弯机，数控组合冲床、数控弯管机、数控回转头压力机等。 数控特种加工机床；这类机床包括数控线（电极）切割机床、数控电火花加工机床、数控火焰切割机、数控激光切割机床、专用组合机床等。 其他类型的数控设备；非加工设备采用数控技术，如自动装配机、多坐标测量机、自动绘图机和工业机器人等。2) 按运动方式分类 点位控制；点位控制数控机床的特点是机床的运动部件只能够实现从一个位置到另一个位置的精确运动，在运动和定位过程中不进行任何加工工序。如数控钻床、数按坐标镗床、数控焊机和数控弯管机等。 直线控制；点位直线控制的特点是机床的运动部件不仅要实现一个坐标位置到另一个位置的精确移动和定位，而且能实现平行于坐标轴的直线进给运动或控制两个坐标轴实现斜线进给运动。 轮廓控制；轮廓控制数控机床的特点是机床的运动部件能够实现两个坐标轴同时进行联动控制。它不仅要求控制机床运动部件的起点与终点坐标位置，而且要求控制整个加工过程每一点的速度和位移量，即要求控制运动轨迹，将零件加工成在平面内的直线、曲线或在空间的曲面。3) 按控制方式分类 开环控制（Open Loop Control System）：特征是系统中没有检测反馈装置，指令信息单方向传送，并且指令发出后，不再反馈回来，故称开环控制。伺服驱动部件通常为反应式步进电机或混合式伺服步进电机。受步进电动机的步距精度和工作频率以及传动机构的传动精度影响，开环系统的速度和精度都较低。但由于开环控制结构简单，调试方便，容易维修，成本较低，仍被广泛应用于经济型数控机床上。典型的开环数控系统如下图所示。图1.5.1 开环伺服系统框图 半闭环控制系统（Semi-closed Loop Control System）：不直接检测工作台的位移量，而是采用转角位移检测元件，测出伺服电动机或丝杠的转角，推算出工作台的实际位移量，反馈到计算机中进行位置比较，用比较的差值进行控制。由于反馈环内没有包含工作台，故称半闭环控制。半闭环控制精度较闭环控制差，但稳定性好，成本较低，调试维修也较容易，兼顾了开环控制和闭环控制两者的特点，因此应用比图1.5.2 半闭环伺服系统框图较普遍。 闭环控制系统（Closed Loop Control System）：利用安装在工作台上的检测元件将工作台实际位移量反馈到计算机中，与所要求的位置指令进行比较，用比较的差值进行控制，直到差值消除为止。可见，全闭环控制系统可以消除机械传动部件的各种误差和工件加工过程中产生的干扰的影响，从而使加工精度大大提高。速度检测元件的作用是将伺服电动机的实际转速变换成电信号送到速度控制电路中，进行反馈校正，保证电动机转速保持恒定不变。常用速度检测元件是测速电动机。全闭环控制的特点是加工精度高，移动速度快。这类数控机床采用直流伺服电动机或交流伺服电动机作为驱动元件，电动机的控制电路比较复杂，检测元件价格昂贵。因而调试和维修比较复杂，成本高。图1.5.3 闭环伺服系统框图4) 按数控制机床的性能分类 经济型数控机床 中档数控机床； 高档数控机床；1.6 数控技术发展趋势高速、精密、复合、智能和绿色是数控机床技术发展的总趋势，近几年来，在实用化和产业化等方面取得可喜成绩。主要表现在：1) 机床复合技术进一步扩展随着数控机床技术进步，复合加工技术日趋成熟，包括铣-车复合、车-铣复合、车-镗-钻-齿轮加工等复合，车磨复合，成形复合加工、特种复合加工等，复合加工的精度和效率大大提高。“一台机床就是一个加工厂”、“一次装卡，完全加工”等理念正在被更多人接受，复合加工机床发展正呈现多样化的态势。2) 智能化技术有新突破数控机床的智能化技术有新的突破，在数控系统的性能上得到了较多体现。如：自动调整干涉防碰撞功能、断电后工件自动退出安全区断电保护功能、加工零件检测和自动补偿学习功能、高精度加工零件智能化参数选用功能、加工过程自动消除机床震动等功能进入了实用化阶段，智能化提升了机床的功能和品质。3) 机器人使柔性化组合效率更高机器人与主机的柔性化组合得到广泛应用，使得柔性线更加灵活、功能进一步扩展、柔性线进一步缩短、效率更高。机器人与加工中心、车铣复合机床、磨床、齿轮加工机床、工具磨床、电加工机床、锯床、冲压机床、激光加工机床、水切割机床等组成多种形式的柔性单元和柔性生产线已经开始应用。4) 精密加工技术有了新进展数控金切机床的加工精度已从原来的丝级（0.01mm）提升到目前的微米级（0.001mm），有些品种已达到0.05m左右。超精密数控机床的微细切削和磨削加工，精度可稳定达到0.05m左右，形状精度可达0.01m左右。采用光、电、化学等能源的特种加工精度可达到纳米级（0.001m）。通过机床结构设计优化、机床零部件的超精加工和精密装配、采用高精度的全闭环控制及温度、振动等动态误差补偿技术，提高机床加工的几何精度，降低形位误差、表面粗糙度等，从而进入亚微米、纳米级超精加工时代。5) 功能部件性能不断提高功能部件不断向高速度、高精度、大功率和智能化方向发展，并取得成熟的应用。全数字交流伺服电机和驱动装置，高技术含量的电主轴、力矩电机、直线电机，高性能的直线滚动组件，高精度主轴单元等功能部件推广应用，极大的提高数控机床的技术水平。2 加工中心概述2.1 加工中心的概念加工中心（Machining Center,MC）是目前世界上产量最高、应用最广泛的数控机床之一。他是适应省力、省时和节能的时代要求而迅速发展起来的自动换刀数控机床，是综合了机械技术、电子技术、计算机软件技术、电动技术、拖动技术、现代控制理论、测量及传感技术以及通信诊断、刀具和编程技术的高技术产品。加工中心综合加工能力强，工件一次装夹后能完成较多的加工内容，加工精度较高，就中等加工难度的批量零件，其效率是普通机床的5至10倍，特别是它能完成许多普通机床不能完成的加工对形状复杂，精度要求高的单价或小批量多品种生产中更为适用。图2.1.1随着电子技术的发展，各种性能良好的传感器的出现和应用，使加工中心的功能日趋完善，这些功能包括:刀具寿命的监视功能，刀具磨损和损伤的监视功能，切削状态的监视功能，切削异常的监视，报警和自动停机功能，自动检测和自我诊断功能及自适应控制功能等。加工中心还与载有随行夹具的自动托板有机连接，并能进行切屑自动处理，使得加工中心以成为柔性制造系统、计算机集成制造系统和自动化工厂的关键设备和基本单元。2.2 加工中心的发展史加工中心最初是从数控铣床发展而来的。第一台加工中心是1958年由美国卡尼-特雷克公司首先研制成功的。它在数控卧式镗铣床的基础上增加了自动换刀装置，从而实现了工件一次装夹后即可进行铣削、钻削、镗削、铰削和攻丝等多种工序的集中加工。 二十世纪70年代以来，加工中心得到迅速发展，出现了可换主轴箱加工中心，它备有多个可以自动更换的装有刀具的多轴主轴箱，能对工件同时进行多孔加工。我国通过“六五”期间引进技术，“七五”期间组织消化吸收“科技攻关”，加工中心的到了大力发展，取得了相当大的成绩。北京机床研究所于1973年研制出了JCS-013型卧式加工中心。1980年该所引进了日本FANUC公司的数控系统制造技术，并投入批量生产，为我国数控机床的进一步发展准备了先决条件，使我国的加工中心的研制出现了良好的局面。2.3 加工中心的分类1) 按主轴加工时的空间位置分类 立式加工中心立式加工中心是指主轴为垂直状态的加工中心，如图2.3.1构形式多为固定立柱，工作台为长方形，无分度回转功能，适合加工盘、套、板类零件，它一般具有二个直线运动坐标轴，并可在工作台上安装一个沿水平轴旋转的回转台，用以加工螺旋线类零件。 卧式加工中心卧式加工中心指主轴为水平状态的加工中心，如图 2.3.2中心通常都带有自动分度的回转工作台，它一般具有35个运动坐标，常见的是三个直线运动坐标加一个回转运动坐标，工件在一次装卡后，完成除安装面和顶面以外的其余四个表面的加工，它最适合加上箱体类零件。与立式加工中心相比较，卧式加工中心加工时排屑容易，对加工有利，但结构复杂，价格较高。 龙门式加工中心龙门式加工中心的形状与数控龙门铣床相似，如图2.3.3所示。龙门式加工中心主轴多为垂直设置，除自动换刀装置以外，还带有可更换的主轴头附件，数控装置的功能也较齐全，能够一机多用，尤其适用于加工大型工件和形状复杂的工件。 五轴加加工中心五轴加工中心具有立式加工中心和卧式加工中心的功能，如图2.3.4所示。五轴加工中心，工件一次安装后能完成除安装面以外的其余五个面的加工。常见的五轴加工中心有两种形式：一种是主轴可以旋转90 ，对工件进行立式和卧式加工；另一种是主不改变方向，而由工作台带着工件旋转90 。完成对工件五个表图5.3.1 立式加工中心 图5.3.2 卧式加工中心图5.3.3 龙门式加工中心 图5.3.4 五轴式加工中心面的加工。2) 按工艺用途分类 镗铣加工中心镗铣加工中心是机械加行业应用最多的一类加工设备。其加工范围主要是铣削、钻削、镗削，适用于箱体、壳体以及各类复杂零件特殊曲线和曲面的轮廓多工序加工适用于多品种小批量加工 钻削加工中心钻削加工中心的加工已钻削为主，刀库形式以转塔式为多，适用于中小零件的钻孔、扩孔、绞孔、攻螺纹等多工序加工。 车削加工中心车削加工中心以车削为主，主体是数控车床，车床上配有转塔式刀库或由换刀机械手或链式刀库组成的的刀库。 复合加工中心在一台设备上可以完成车、铣、镗、钻等多工序加工的加工中心称之为复合加工中心，可以替代多台机床实现多工序加工。这种方法既能减少装卸的时间提高生产效率，又能保证和提高形位精度。2.4 加工中心特点与普通数控机床相比，它具有以下几个突出特点。1) 工序集中加工中心备有刀库并能自动更换刀具，对工件进行多工序加工，使得工件在一次装夹后，数控系统能控制机床按不同工序，自动选择和更换刀具，自动改变机床主轴转速、进给量和刀具相对工件的运动轨迹，以及其他辅助功能，现代加工中心更大程度地使工件在一次装夹后实现多表面、多特征、多工位的连续、高效、高精度加工，即工序集中这是加工中心最突出的特点。2) 对加工对象的适应性强加工中心生产的柔性不仅体现在对特殊要求的快速反应上而且可以快速实现批量生产，提高市场竞争能力。3) 加工精度高加工中心同其他数控机床一样具有加工精度高的特点，而且加工中心由于加工工序集中，避免了长工艺流程，减少了人为千扰，故加工精度更高，加工质量更加稳定。4) 加工生产率高零件加工所需要的时间包括机动时间与辅助时间两部分。加工中心带有刀库和自动换刀装置，在一台机床上能集中完成多种工序，因而可减少工件装夹、测量和机床的调整时间，减少工件半成品的周转、搬运和存放时间，使机床的切削利用率（切削时间和开动时间之比）高于普通机床34倍。，达80以上。5) 操作者的劳动强度减轻加工中心对零件的加工是按事先编好的程序自动完成的，操作者除了操作键盘、装卸零件、进行关键工序的中间测量以及观察机床的运行之外，不需要进行繁重的重复性手工操作，劳动强度和紧张程度均可大为减轻，劳动条件也得到很大的改善。6) 经济效益高使用加工中心加工零件时，分摊在每个零件上的设备费用是较昂贵的，但在单件、小批生产的情况下，可以节省许多其他方面的费用，因此能获得良好的经济效益例如，在加工之前节省了划线工时，在零件安装到机床上之后可以减少调整、加工和检验时间，减少了直接生产费用。另外，由于加工中心加工零件不需手工制作模型、凸轮、钻模板及其他工夹具，省去了许多工艺装备，减少了硬件投资还由于加工中心的加工稳定，减少了废品率，使生产成本进一步下降。7) 有利于生产管理的现代化用加工中心加工零件，能够准确地计算零件的加工工时，并有效地简化了检验和工夹具、半成品的管理工作。这些特点有利于使生产管理现代化当前有许多大型CAD/CAM集成软件已经开发了生产管理模块，实现了计算机辅助生产管理。加工中心的工序集巾加工方式固然有其独特的优点，但也带来不少问题，列举如下。1) 粗加工后直接进人精加工阶段，工件的温升来不及回复，冷却后尺寸变动，影响零件精度。2) 工件由毛坯直接加工为成品，一次装夹中金属切除量大、几何形状变化大，没有释放应力的过程，加工完了一段时间后内应力释放，使工件变形。3) 切削不断屑，切屑的堆积、缠绕等会影响加工的顺利进行及零件表面质量，甚至使刀具损坏、工件报废。4) 装夹零件的夹具必须满足既能承受粗加工中大的切削力，又能在精加工中准确定位的要求，而且零件夹紧变形要小。5) 由于ATC的应用，使工件尺寸受到一定的限制，钻孔深度、刀具长度、刀具直径及刀具质量也要加以考虑。3 五轴联动加工中心五轴联动加工中心有高效率、高精度的特点，工件一次装夹就可完成五面体的加工。如配置五轴联动的高档数控系统，还可以对复杂的空间曲面进行高精度加工，更能够适合越来越复杂的高档、先进模具的加工以及汽车零部件、飞机结构件等精密、复杂零件的加工。五轴联动加工中心大多是3+2的结构，即x，y，z三个直线运动轴加上分别围绕x，y，z轴旋转的a，b，c三个旋转轴中的两个旋转轴组成。这样，从大的方面分类，就有x，y，z，a，b; x，y，z，a，c; x，y，z，b，c三种形式;由二个旋转轴的组合形式来分，大体上有双转台式、转台加上摆头式和双摆头式三种形式。这三种结构形式由于物理上的原因，分别决定了机床的规格大小和加工对象的范围。图33.1 五轴联动加工中心的分类图3.1.1 双转台五轴联动机床1) 双转台结构的五轴联动机床：在加工工件时工件需要在两个旋转方向运动，所以只适合加工小型零件，如小型整体涡轮、叶轮、小型精密模具等，由于结构最为简单，所以相对价格较为低廉，就应用来讲，这是数量最多的一类五轴联动数控机床。如图1所示是典型的双转台结构的五轴联动机床，在B轴转台上，又叠加了一个A轴转盘。2) 转台加上摆头式结构的五轴联动机床：由于转台可以是a轴、b轴或c轴，摆头也是一样，可以分别是a轴、b轴或c轴，所以转台加上摆头式结构的五轴联动机床可以有各种不同的组合，以适应不同的加工对象，如加工汽轮机的叶片，需要a轴加上b轴，其中a轴需要用尾座顶尖配合顶住工件，如果工件 图3.1.2 C轴+B轴五轴机床较长同时直径又细，则需要两头夹住并且拉伸工件来进行加工，当然这里一个必要条件是两个转台必须严格同步旋转。如需要主轴立、卧转换，工作台只需分度定位，即可简单地配置为立、卧转换的三轴加工中心。由主轴立、卧转换配合工作台分度，对工件实现五面体加工，制造成本降低，又非常实用。也可对工作台设置数控轴，最小分度值0.001度，但不作联动，成为立、卧转换的四轴加工中心，适应不同加工要求，价格非常具有竞争力。加工如图2所示零件，采用c轴加上b轴，由于工件仅在c轴上旋转运动，所以工件可以很小，也可以较大，直径范围可由几十毫米至数千毫米，c轴转台的直径也可以从100200mm至23 m，机床的规格、质量也从几吨至十几吨甚至数十吨。这也是一类应用十分广泛的五轴联动数控机床，其价格居中，随机器规格大小、精度和性能的不同相差很大。3) 双摆头式结构的五轴联动机床：摆头中间一般有一个带有松拉刀结构的电主轴，所以双摆头自身的尺寸不容易做小，一般在400500 mm左右，加上双摆头活动范围的需要，所以双摆头结构的五轴联动机床的加工范围不宜太小，而是越大越好，一般为龙门式或动梁龙门式，龙门的宽度在20003 000 mm以上为好。早期的双摆头一般采用可调间隙的蜗轮蜗杆结构或者可消除间隙的齿轮结构，机器的性能（刚性和精密度）往往由双摆头传动链的刚性来决定，即传动齿轮的间隙一定是负值，传动齿轮在一定弹性变形状态下工作，其变形量的大小取决于该传动环节的预加载荷。图3为西班牙式双摆铣头，采用齿轮传动和鼠牙盘定位结构，刚性远好于一般的双摆铣头，特别适合五面体的高效加工。比较新的五轴联动机床旋转轴的结构一般采用所谓“零传动”技术的扭矩电机，如瑞士的米克朗、德国的德马吉等著名五轴联动加工中心品牌。零传动技术在旋转轴中的应用，也许是解决其传动链刚性和精度的最理想的技术路线，随着技术的发展，扭矩电机的制造成本大大下降，市场价格也随之下降，这一进程将促使五轴联动机床的制造技术大大地前进一步。图3.1.3 双摆头结构的五轴联动机床3.2 五轴联动加工中心（工作台摆动式）图3.2.1 原理图采用方案（XYZ+AB）五轴联动卧式加工中心1233.13.23.2.1 旋转运动的实现图3.2.2 步进电动机1) 步进电机步进电机由转子和定子两部分组成。转子和定子均由带齿的硅钢片叠成。定子上有绕组分为若干相，每相磁极上有极齿。当某相定子绕组通以直流电压激磁后，便吸引转子，使转子上的齿与该相定子的齿对齐，令转子转动一定的角度，依次向定子绕组轮流激磁，会使转子连续旋转。步进电机的定子可以做成三、四、五、六相甚至做成八相，各相绕组可在定子上径向排列，也可在定子的轴向上分段排列。2) 交流伺服电机 图3.2.3 交流伺服电机直流伺服电机具有优良的调速性能，但却存在一些固有的缺点，如它的电刷和换向器易磨损，需要经常维护；由于换向器换向时会产生火花，使电动机的最高转速受到限制，也使应用环境受到限制；而且直流电动机的结构复杂，制造困难，所用铜铁材料消耗大，制造成本高。而交流伺服电机没有上述缺点，且转子惯量较直流电动机小，使得动态响应特性好。一般来说，在同样体积下，交流伺服电机的输出功率可比直流伺服电机提高10% 70%。另外，交流伺服电机的容量比直流伺服电机大，可达到更高的电压和转速。从20世纪80年代以来，交流伺服电机广泛用于数控机床上，并取代了直流伺服电机。在交流伺服系统中采用同步型交流伺服电机和异步型交流感应伺服电机。交流异步（感应）伺服电机结构简单，制造容量大，主要用在主轴驱动系统中。交流同步伺服电机可方便地获得与频率成正比的可变速度，可以得到非常硬的机械特性和很宽的调速范围，在电源电压和频度固定不变时，它的转速是稳定不变的。它主要应用在进给驱动系统中。步进电机与交流伺服电机性能对比分析（1） 控制精度不同。两相混合式步进电机步距角一般为3.6或1.8, 五相混合式步进电机步距角一般为0.72或0.36，也有一些高性能的步角细分步进电机步距角更小。交流伺服电机的控制精度由电机轴后端的旋转编码器保证。以松下全数字式交流伺服电机为例，对于带标准2500 线编码器的电机而言，由于驱动器采用了4 倍频技术，脉冲当量为0.036。对于带17 位编码器的电机而言，驱动器每接收131072个脉冲， 电机转一圈，其脉冲当量为0.003，是步距角为1.8的步进电机脉冲当量的1/655。（2） 低频特性不同。步进电机在低速时易出现低频振动现象。振动频率与负载情况和驱动器性能有关，一般认为振动频率为电机空载起跳频率的1/2。这种由步进电机的工作原理所决定的低频振动现象，对于机器的正常运转非常不利。当步进电机工作在低速时，一般应采用阻尼技术来克服低频振动现象，比如在电机上加阻尼器，或驱动器上采用细分技术等。交流伺服电机运转非常平稳，即使在低速时也不会出现振动现象。交流伺服系统具有共振抑制功能，可涵盖机械的刚性不足，并且系统内部具有频率解析机能（FFT），可检测出机械的共振点，便于系统调整。（3）矩频特性不同步进电机的输出力矩随转速升高而下降，且在较高转速时会急剧下降，所以其最高工作转速一般在300 600r/min。交流伺服电机为恒力矩输出，即在其额定转速（一般为20003000r/min ）以内，都能输出额定转矩，在额定转速以上为恒功率输出。（4）过载能力不同步进电机一般不具有过载能力；交流伺服电机具有较强的过载能力。以松下交流伺服系统为例，其具有速度过载和转矩过载能力，最大转矩为额定转矩的3 倍，可用于克服惯性负载在启动瞬间的惯性力矩。步进电机因为没有这种过载能力，在选型时为了克服这种惯性力矩，往往需要选取较大转矩的电机，而机器在正常工作期间又不需要那么大的转矩，便出现了力矩浪费的现象。（5）运行性能不同步进电机的控制为开环控制，启动频率过高或负载过大易出现丢步或堵转的现象；停止时转速过高易出现过冲的现象。所以，为保证其控制精度，应处理好升、降速问题。交流伺服驱动系统为闭环控制，驱动器可直接对电机编码器反馈信号进行采样，内部构成位置环和速度环一般不会出现步进电机的丢步或过冲的现象，控制性能更为可靠。（6）速度响应性能不同步进电机从静止加速到工作转速（一般为每分钟几百转）需要200400ms。交流伺服系统的加速性能较好，以松下MSMA 400W 交流伺服电机为例，从静止加速到额定转速3000r/min仅需几毫秒，可用于要求快速启停的控制场合。综上分析比较，本方案中摇篮式摆动和转动时需要大扭矩，故采用永磁交流同步伺服电机驱动，步进电机虽然控制方式简单，但是带负载能力不强，故在此不采用。1233.13.23.2.13.2.2 直线运动的实现1) 直线电机原理：一种将电能直接转换成直线运动机械能，而不需要任何中间转换机构的传动装置。它可以看成是一台旋转电机按径向剖开，并展成平面而成。直线电机是将传统圆筒型电机的初级展开拉直，变初级的封闭磁场为开放磁场，而旋转电机的定子部分变为直线电机的初级，旋转电机的转子部分变为直线电机的次级。在电机的三相绕组中通入三相对称正弦电流后，在初级和次级间产生气隙磁场，气隙磁场的分布情况与旋转电机相似，沿展开的直线方向呈正弦分布。当三相电流随时间变化时，使气隙磁场按定向相序沿直线移动，这个气隙磁场称为行波磁场。当次级的感应电流和气隙磁场相互作用便产生了电磁推力，如果初级是固定不动的，次级就能沿着行波磁场运动的方向做直线运动。即可实现高速机床的直线电机直接驱动的进给方式，把直线电机的初级和次级分别直接安装在高速机床的工作台与床身上。由于这种进给传动方式的传动链缩短为0，被称为机床进给系统的“零传动”。优点：传统直线伺服机构是旋转电机加滚珠丝杠，直线电机直接驱动系统取消了中间传动环节，简化了机械结构，具有优越的加减速特性，并提高了系统刚度与可靠性，同时具有降低运行噪声、行程无限制、维护简单等优点。高速动态响应性。一般来讲机械传动件比电气元器件的动态响应时间要大几个数量级。由于直线电机直接驱动系统中取消了一些响应时间常数较大的机械传动件（如丝杠），使整个闭环控制系统的动态响应性能大大提高，反应异常灵敏快捷。高精度性。由于取消了丝杠等机械传动机构，减少了插补时因传动系统滞后带来的跟踪误差。通过直线位置检测反馈控制，可大大提高机床的定位精度。传动刚度高、推力平稳。“零传动”提高了其传动刚度。同时直线电动机的布局可根据机床导轨的型面结构及其工作台运动时的受力情况来布置，通常设计成均布对称，从而使其运动推力平稳。速度快、加减速过程短。直线电动机最早主要用于悬磁浮列车（时速可达500 km/h ），现在用于机床进给驱动中，要满足其超高速切削的最大进给速度（要求达60m/min 100m/min或更高）是没问题的。也由于“零传动”的高速响应性，使其加减速过程大大缩短，从而实现启动时瞬间达到高速，高速运行时又能瞬间停止。加速度一般可达到2g10g。行程长度不受限制。在导轨上通过串联直线电动机的定件，就可无限延长动件的行程长度。运行时噪声低。由于取消了传动丝杠等部件的机械摩擦，而其导轨副又可采用滚动导轨或磁垫悬浮导轨（无机械接触），使运动噪声大大下降。效率高。由于无中间传动环节，也就取消了其机械摩擦时的能量损耗。2) 滚珠丝杠螺母副滚珠丝杠螺母副是回转运动与直线运动相互转换的一种新型传动装置，在数控机床上得到了广泛的应用。它的结构特点是在具有螺旋槽的丝杠螺母间装有滚珠，使丝杠与螺母之间的运动成为滚动，以减少摩擦。滚珠丝杠螺母副的工作原理：如图所示，丝杠和螺母上都加工有圆弧形的螺旋槽，它们对合起来就形成了螺旋滚道。在滚道内装有滚珠当丝杠与螺母相对运动时，滚珠沿螺旋槽向前滚动，在丝杠上滚过数圈以后通过回程引导装置，逐个地又滚回到丝杠 图3.2.4与螺母之间，构成一个闭合的回路。由于丝杠螺母中存在间隙，使传动精度不易保证，因此选用直线电机3.3 刀库及自动换刀装置刀库主要是提供储刀位置，并能依程式的控制，正确选择刀具加以定位，以进行刀具交换；换刀机构则是执行刀具交换的动作。刀库必须与换刀机构同时存在，若无刀库则加工所需刀具无法事先储备；若无换刀机构，则加工所需刀具无法自刀库依序更换，而失去降低非切削时间的目的。此二者在功能及运用上相辅相成缺一不可。图3.3.1 刀库的形式3.33.33.3.1 刀库形式刀库有多种形式，加工中心常用的有盘式、链式两种。盘式结构中，刀具可以沿主轴轴向、径向、斜向安放。分别如图3.3.1a、3.3.1b、3.3.1c所示。刀具轴向安装的结构最为紧凑，但为了换刀时刀具和主轴同向，有的刀库中的刀具需在换刀位置作90度翻转。在刀库容量较大时，为了存取方便的同时保持结构紧凑，可采取弹仓式结构，如图3.3.1d。目前大量刀库安装在机床立柱的顶面或侧面。在刀库容量较大时，也有安装在单独的地基上，以隔离刀具转动锁引起的振动。链式刀库的基本结构如图3.3.1e所示，通常刀具容量比盘式的要大，结构也比较灵活。可以采用加长链带的方式加大刀库的容量，也可采用链带折叠回绕的方式来提高空间利用率。如图3.3.1g所示。3.3.2 自动换刀装置装后能尽可能多地完成同一工件不同部位的加工要求，并尽可能减少加工中心的非故障停机时间，达到缩短产品的制造周期，提高产品的加工精度等目标。对自动换刀装置的基本要求主要是结构简单、功能可靠、交换迅速。刀具交换机构完成刀库里的刀（新刀）与主轴上的刀（旧刀）的交换工作。自动换刀装置性能的好坏直接影响加工效率的高低。虽然刀库的种类不同，但换刀的过程是一样的。当自动换刀装置收到换刀指令后，主轴立刻停止转动并准确停至换刀位置，松刀；新刀随着刀库运动到换刀位置，松刀；双臂机械手将新、旧刀具同时抓起，刀具交换台回转到位后，将新、旧两刀分别放置在主轴上和刀库的空位置上；主轴夹紧，并回到最初的加工位置，完成换刀过程。3.4 加工对象五轴联动加工中心适合加工复杂、工序多、要求高、需要多种类型的普通机床和众多刀具夹具，且经多次装夹和调整才能完成加工的零件。其加工对象主要有箱体类零件、复杂曲面、异形件、盘套板类零件和特殊加工。1. 箱体类零件箱体类零件一般都需要进行多工位孔隙及平面加工，公差要求较高，特别是形位公差要求较为严格，通常需要经过铣、钻、扩、镗、铰、攻丝等工序，需要刀具较多，在普通机床上加工难度大，需多次装夹、找正，加工精度难以保证。加工箱体类零件时需要工作台多次旋转加工水平方向四个面，用卧式加工中心合适。2. 复杂曲面复杂曲面在机械制造业，特别是航空航天工业中占有重要的地位。复杂曲面采用普通机加工方法是难以甚至无法完成。复杂曲面零件如：各种叶轮、球面、各种曲面成型磨具、螺旋桨以及水下航行器的推进器、以及一些其他形状的自由曲面。这类零件用五轴加工中心最为合适。铣刀作包络面来逼近球面。复杂曲面用加工中心加工时，编程工作量较大，大多数要有自动编程技术。 3. 异形件异形件是外形不规则的零件，大都需要点、线、面多工位混合加工。异形件的刚性一般较差，夹压变形难以控制，加工精度也难以保证，甚至某些零件的有的加工部位用普通机床难以完成。用加工中心加工时应采用合理的工艺措施，一次或二次装夹，利用加工中心多工位点、线、面混合加工的特点，完成多道工序或全部的工序内容。4. 盘套板类零件带有键槽，或径向孔，或端面有分布的孔系，曲面的盘套或轴类零件，如带法兰的轴套，带键槽或方头的轴类零件等，还有具有较多孔加工的板类零件，如各种电机盖等。端面有分布孔系、曲面的盘类零件宜选择立式加工中心，有径向孔的可选卧式加工中心。 5. 特殊加工在熟练掌握了加工中心的功能之后，配合一定的工装和专用工具，利用加工中心可完成一些特殊的工艺工作，如在金属表面上刻字、刻线、刻图案；在加工中心的主轴上装上高频电火花电源，可对金属表面进行线扫描表面淬火；用加工中心装上高速磨头，可实现小模数渐开线圆锥齿轮磨削及各种曲线、曲面的磨削等。 参考文献【1】 沙杰，加工中心结构、调试与维护，机械工业出版社2003年2月第1版。【2】曹甜东，数控技术，华中科技大学出版社2005年9月第1版【3】王爱玲、武文革等现代数控机床，国防工业出版社2009年3月第2版【4】百度百科，28