五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控加工中心

五軸聯(lián)動(dòng)加工中心 2011年7月1數(shù)控機(jī)床概述21.1數(shù)控機(jī)床的定義21.2機(jī)床數(shù)控技術(shù)及組成31.3數(shù)控機(jī)床的加工特點(diǎn)31.4數(shù)字控制技術(shù)與數(shù)控機(jī)床的產(chǎn)生與發(fā)展41.5數(shù)控機(jī)床的分類及其用途51.6數(shù)控技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)82加工中心概述82.1加工中心的概念82.2加工中心的發(fā)展史92.3加工中心的分類102.4加工中心特點(diǎn)123五軸聯(lián)動(dòng)加工中心133.1五軸聯(lián)動(dòng)加工中心的分類143.2五軸聯(lián)動(dòng)加工中心（工作臺(tái)擺動(dòng)式）163.2.1旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的實(shí)現(xiàn)173.2.2直線運(yùn)動(dòng)的實(shí)現(xiàn)193.3刀庫及自動(dòng)換刀裝置213.3.1刀庫形式213.3.2自動(dòng)換刀裝置223.4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，或者說是裝備了數(shù)控系統(tǒng)的機(jī)床。國際信息聯(lián)盟第五技術(shù)委員會(huì)（International Federation of Information 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1.1.11.2 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。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，開始從事數(shù)控機(jī)床的研制工作。經(jīng)過三年時(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)的開始。1955年，美空軍花費(fèi)巨額經(jīng)費(fèi)訂購了大約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”。1959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程序語言。1960年以后，點(diǎn)位控制機(jī)床在美國得到迅速發(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)控語言外，又發(fā)展了許多自動(dòng)編程語言。從1960年開始，德國、日本等先進(jìn)工業(yè)國家都陸續(xù)開發(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)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（簡稱NC機(jī)床）。1967年，英國首先把幾臺(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，在美國芝加哥國際機(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)行控制的控制系統(tǒng)，稱為直接數(shù)控系統(tǒng)（DNC）。1970年前后，美國英特爾公司開發(fā)和使用了微處理器。1974年美、日等國首先研制出以微處理器為核心的數(shù)控系統(tǒng)。近20年來，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，國際上又出現(xiàn)了柔性制造單元FMC（FlexibleManufacturing 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Ø 金屬切削類數(shù)控機(jī)床,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 Ø 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。 Ø 金屬成型類數(shù)控機(jī)床；這類機(jī)床包括數(shù)控折彎機(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。 Ø 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。 Ø 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Ø 點(diǎn)位控制；點(diǎn)位控制數(shù)控機(jī)床的特點(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。 Ø 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)。 Ø 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) 按控制方式分類Ø 開環(huán)控制（Open Loop Control System）：特征是系統(tǒng)中沒有檢測(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，故稱開環(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，開環(huán)系統(tǒng)的速度和精度都較低。但由于開環(huán)控制結(jié)構(gòu)簡單，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。典型的開環(huán)數(shù)控系統(tǒng)如下圖所示。圖1.5.1 開環(huán)伺服系統(tǒng)框圖Ø 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。Ø 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，全閉環(huán)控制系統(tǒng)可以消除機(jī)械傳動(dòng)部件的各種誤差和工件加工過程中產(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Ø 經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床Ø 中檔數(shù)控機(jī)床； Ø 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)床技術(shù)發(fā)展的總趨勢(shì)，近幾年來，在實(shí)用化和產(chǎn)業(yè)化等方面取得可喜成績。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數(shù)選用功能、加工過程自動(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0.05m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0.05m左右，形狀精度可達(dá)0.01m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)（0.001m）。通過機(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)展而來的。第一臺(tái)加工中心是1958年由美國卡尼-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、鉸削和攻絲等多種工序的集中加工。      二十世紀(jì)70年代以來，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。我國通過“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。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)為長方形，無分度回轉(zhuǎn)功能，適合加工盤、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35個(gè)運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)，常見的是三個(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 龍門式加工中心龍門式加工中心的形狀與數(shù)控龍門銑床相似，如圖2.3.3所示。龍門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 圖5.3.2 臥式加工中心圖5.3.3 龍門式加工中心 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，車床上配有轉(zhuǎn)塔式刀庫或由換刀機(jī)械手或鏈?zhǔn)降稁旖M成的的刀庫。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、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)競爭能力。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，使機(jī)床的切削利用率（切削時(shí)間和開動(dòng)時(shí)間之比）高于普通機(jī)床34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、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)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)，但也帶來不少問題，列舉如下。1) 粗加工后直接進(jìn)人精加工階段，工件的溫升來不及回復(fù)，冷卻后尺寸變動(dòng)，影響零件精度。2) 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，沒有釋放應(yīng)力的過程，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)雜的空間曲面進(jìn)行高精度加工，更能夠適合越來越復(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33.1 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)最為簡單，所以相對(duì)價(jià)格較為低廉，就應(yīng)用來講，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。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 C軸+B軸五軸機(jī)床較長同時(shí)直徑又細(xì)，則需要兩頭夾住并且拉伸工件來進(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)格非常具有競爭力。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100200mm至23 m，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400500 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，一般為龍門式或動(dòng)梁龍門式，龍門的寬度在20003 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)鏈的剛性來決定，即傳動(dòng)齒輪的間隙一定是負(fù)值，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）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1233.13.23.2.1 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。一般來說，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，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)2500 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)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20003000r/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）過載能力不同步進(jìn)電機(jī)一般不具有過載能力；交流伺服電機(jī)具有較強(qiáng)的過載能力。以松下交流伺服系統(tǒng)為例，其具有速度過載和轉(zhuǎn)矩過載能力，最大轉(zhuǎn)矩為額定轉(zhuǎn)矩的3 倍，可用于克服慣性負(fù)載在啟動(dòng)瞬間的慣性力矩。步進(jìn)電機(jī)因?yàn)闆]有這種過載能力，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)的控制為開環(huán)控制，啟動(dòng)頻率過高或負(fù)載過大易出現(xiàn)丟步或堵轉(zhuǎn)的現(xiàn)象；停止時(shí)轉(zhuǎn)速過高易出現(xiàn)過沖的現(xiàn)象。所以，為保證其控制精度，應(yīng)處理好升、降速問題。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200400ms。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)雖然控制方式簡單，但是帶負(fù)載能力不強(qiáng)，故在此不采用。1233.13.23.2.13.2.2 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，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)展開拉直，變初級(jí)的封閉磁場(chǎng)為開放磁場(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“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、行程無限制、維護(hù)簡單等優(yōu)點(diǎn)。高速動(dòng)態(tài)響應(yīng)性。一般來講機(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。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)滯后帶來的跟蹤誤差。通過直線位置檢測(cè)反饋控制，可大大提高機(jī)床的定位精度。傳動(dòng)剛度高、推力平穩(wěn)?！傲銈鲃?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)。速度快、加減速過程短。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）是沒問題的。也由于“零傳動(dòng)”的高速響應(yīng)性，使其加減速過程大大縮短，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2g10g。行程長度不受限制。在導(dǎo)軌上通過串聯(lián)直線電動(dòng)機(jī)的定件，就可無限延長動(dòng)件的行程長度。運(yùn)行時(shí)噪聲低。由于取消了傳動(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（無機(jī)械接觸），使運(yùn)動(dòng)噪聲大大下降。效率高。由于無中間傳動(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)，在絲杠上滾過數(shù)圈以后通過回程引導(dǎo)裝置，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 刀庫及自動(dòng)換刀裝置刀庫主要是提供儲(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。刀庫必須與換刀機(jī)構(gòu)同時(shí)存在，若無刀庫則加工所需刀具無法事先儲(chǔ)備；若無換刀機(jī)構(gòu)，則加工所需刀具無法自刀庫依序更換，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 刀庫的形式3.33.33.3.1 刀庫形式刀庫有多種形式，加工中心常用的有盤式、鏈?zhǔn)絻煞N。盤式結(jié)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，有的刀庫中的刀具需在換刀位置作90度翻轉(zhuǎn)。在刀庫容量較大時(shí)，為了存取方便的同時(shí)保持結(jié)構(gòu)緊湊，可采取彈倉式結(jié)構(gòu)，如圖3.3.1d。目前大量刀庫安裝在機(jī)床立柱的頂面或側(cè)面。在刀庫容量較大時(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)降稁斓幕窘Y(jié)構(gòu)如圖3.3.1e所示，通常刀具容量比盤式的要大，結(jié)構(gòu)也比較靈活?？梢圆捎眉娱L鏈帶的方式加大刀庫的容量，也可采用鏈帶折疊回繞的方式來提高空間利用率。如圖3.3.1g所示。3.3.2 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)簡單、功能可靠、交換迅速。刀具交換機(jī)構(gòu)完成刀庫里的刀（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。雖然刀庫的種類不同，但換刀的過程是一樣的。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的空位置上；主軸夾緊，并回到最初的加工位置，完成換刀過程。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)，完成多道工序或全部的工序內(nèi)容。4. 盤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?！?】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】王愛玲、武文革等現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床，國防工業(yè)出版社2009年3月第2版【4】百度百科，28