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1.数控加工中心的发展历史与趋势

1.1数控加工中心的产生与发展……………………………………………2

1.2数控加工中心的发展趋势………………………………………………3

2.数控加工中心的简要概述

2.1数控加工中心概述………………………………………………………5.

2.2数控加工中心的分类……………………………………………………6

2.3加工中心的主要加工对象………………………………………………7.

2.4加工中心的特点…………………………………………………………8

2.5加工中心刀库的形式……………………………………………………9

3.数控加工中心结构图绘制及装配

3.1数控加工中心结构组成

3.2数控加工中心工作原理

4.数控加工中心结构分析

（1952年）、晶体管（1959年）、小规模集成电路（1965年）、大规模集成电路及小型计算机（1970年）和微处理机[或微型计算机（l974年）］等五代数控系统。

前只代数控系统属于专用控制计算机的硬接线（硬件）系统，一般称为NC（numericalcontrol）20世纪70年代初期．计算机技术的迅速发展使得小型计算机的价格急剧下降，从而出现了以小型计算机代替专用硬件控制计算机的第四代数控系统。

这种系统不仅具有更好的经济性，而且许多功能可用编制的专用数控车床程序实现，并可将专用程序储铸在小垫计算机的存储器中．构成控制软件。

这种数控系统称为CNC（computerizednumericalcontrol）即计算机书毛制系统。

20世纪70年代中期．以微处理机为核心的数控系统MNC得到了迅速发展。

CNC与MNC均称为软接线（软件）致控系统。

NC数控系统早已经淘汰，现代教控均采用MNC数控系统．目前通常将现代数控系统称为CNC。

1958年，北京机床研究所和清华大学等单位率先研制了电子管式开环伺胀驱动的数控机床。

由于历史原因，迟迟未能在实用阶段上有所突破。

70年代初期，我国研制的数控装置主要采用晶体管分立元器件，性能不稳定，可靠性差，只有少甘的数控机床（如专用数控铁床及非圆齿轮插齿机等）用于生产。

1972年．采用集成数字电路的数控系统在清华大学研制成功，数控技术开始在车、钻、铣、健、磨及齿轮等加工领域得以推广。

从1980年开始，随着我国改革和开放政策的实施，国内一些单位从日本、美国、前西德等产家引进较先进的数控（制造）技术，并投入批量生产。

与此同时，我国许多单位开始投人经济型数控系统的研制工作。

最近，我国在引进、消化和吸收国外先进数控技术的基础上，开发和生产了拥有自主知识产权的数控软硬件。

现在国内常用的数控系统有广州数控、华中数控等。

1.2数控加工中心的发展趋势

高速化、高精度化、高可靠性、复合化、智能化、柔性化、集成化和开放性是当今数控机床行业的主要发展方向。

数控技术的问世已有40多年的历史，它是由机械学、控制学、电子学、计算机科学四大基础学科发展起来的一门综合性新型学科。

技术发展的需要对21世纪的数控技术提出了更高的要求。

1.2.1个性化的发展趋势

1.高速化、高精度化、高可靠性

高速化：

提高进给速度与提高主轴转速。

高精度化：

其精度从微米级到亚微米级，乃至纳米级（高可靠性：

一般数控系统的可靠性要高于数控设备的可靠性在一个数量级以上，但也不是可靠性越高越好，因为商品受性能价格比的约束。

2.复合化

数控机床的功能复合化的发展，其核心是在一台机床上要完成车、铣、钻、攻丝、绞孔和扩孔等多种操作工序，从而提高了机床的效率和加工精度，提高生产的柔性。

3.智能化

智能化的内容包括在数控系统中的各个方面：

为追求加工效率和加工质量方面的智能化；为提高驱动性能及使用连接方便等方面的智能化；简化编程、简化操作方面的智能化；还有如智能化的自动编程、智能化的人机界面等，以及智能诊断、智能监控等方面的内容，方便系统的诊断及维修。

4.柔性化、集成化

当今世界上的数控机床向柔性自动化系统发展的趋势是：

从点（数控单机、加工中心和数控复合加工机床）、线（FMC、FMS、FTL、FML）向面（工段车间独立制造岛FA）、体（CIMS、分布式网络集成制造系统）的方向发展，另一方面向注重应用性和经济性方向发展。

柔性自动化技术是制造业适应动态市场需求及产品迅速更新的主要手段，是各国制造业发展的主流趋势，是先进制造领域的基础技术。

1.2.2市场适应性发展趋势

当今的市场，国际合作的格局逐渐形成，产品竞争日趋激烈，高效率、高精度加工手段的需求在不断升级，用户的个性化要求日趋强烈，专业化、专用化、高科技的机床越来越得到用户的青睐。

1.2.3开放性结构发展趋势

新一代数控系统的开发核心是开放性。

开放性有软件平台和硬件平台的开放式系统，采用模块化，层次化的结构，并通过形式向外提供统一的应用程序接口。

为解决传统的数控系统封闭性和数控应用软件的产业化生产存在的问题。

目前许多国家对开放式数控系统进行研究，数控系统开放化已经成为数控系统的未来之路。

目前开放式数控系统的体系结构规范、通信规范、配置规范、运行平台、数控系统功能库以及数控系统功能软件开发工具等是当前研究的核心。

网络化数控装备是近两年的一个新的焦点。

数控装备的网络化将极大地满足生产线、制造系统、制造企业对信息集成的需求，也是实现新的制造模式如敏捷制造、虚拟企业、全球制造的基础单元。

国内外一些著名数控机床和数控系统制造公司都在近两年推出了相关的新概念和样机。

2.1数控加工中心概述

数字控制是20世纪中期发展起来的一种自动控制技术，是用数字化信号进行控制的一种方法[。

采用数控技术进行控制的机床，称为数控机床。

加工中心（MachiningCenter,简称MC）是一种备有刀库并能自动更换刀具对工件进行多工序加工的数控机床。

它是适应省力、省时和节能的时代要求而发展起来的，它综合了机械技术、电子技术、计算机软件技术、气动技术、拖动技术、现在控制理论、测量及传感技术以及通讯诊断、刀具和应用编程技术的高技术产品，将数控铣床、数控镗床、数控钻床的功能聚集在一台加工设备上，且增设有自动换刀装置和刀库，可以在一次安装工件后，数控系统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及其他辅助功能；依次完成多面和多工序的端平面、孔系、内外倒角、环形槽及攻螺纹等加工。

随着电子技术的迅速发展，以及各种性能良好的传感器的出现和运用，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进行有机连接，并能进行切屑自动处理，使得加工中心成为柔性制造系统、计算机集成制造系统合自动化工厂的关键设备和基本单元。

2.2数控加工中心的分类

2.2.1按照机床形态分类

（1）卧式加工中心指主轴轴线为水平状态设置的加工中心。

卧式加工中心一般具有3-5个运动坐标。

常见的有三个直线运动坐标（沿X、Y、Z轴方向）加一个回转坐标（工作台），它能够使工件一次装夹完成除安装面和顶面以外的其余四个面的加工。

卧式加工中心较立式加工中心应用范围广，适宜复杂的箱体类零件、泵体、阀体等零件的加工。

但卧式加工中心占地面积大，重量大；结构复杂，价格较高。

（2）立式加工中心指主轴轴心线为垂直状态设置的加工中心。

立式加工中心一般具有三个直线运动坐标，工作台具有分度和旋转功能，可在工作台上安装—个水平轴的数控转台用以加工螺旋线零件。

立式加工中心多用于加工筒单箱体、箱盖、板类零件和平面凸轮的加工。

立式加工中心具有结构简单、占地面积小、价格低的优点。

（3）龙门加工中心与龙门铣床类似，适应于大型或形状复杂的工件加工。

（4）万能加工中心万能加工中心也称五面加工中心小工件装夹能完成除安装面外的所有面的加工；具有立式和卧式加工中心的功能。

常见的万能加工中心有两种形式：

一种是主轴可以旋转900既可象立式加工中心一样，也可象卧式加工中心一样；另一种是主轴不改变方向，而工作台带着工件旋转900完成对工件五个面的加工。

在万能加工中心安装工件避免了由于二次装夹带来的安装误差，所以效率和精度高，但结构复杂、造价也高。

2.2.2按换刀形式分类

（1）带刀库机械手的加工中心加工中心换刀装置由刀库、机械手级组成，换刀动作由机械手完成。

（2）机械手的加工中心这种加工中心的换刀通过刀库和主轴箱配合动作来完成换刀过程。

（3）转塔刀库式加工中心一般应用于小型加工中心，主要以加工孔为主。

加工中心常按主轴在空间所处的状态分为立式加工中心和卧式加工中心，加工中心的主轴在空间处于垂直状态的称为立式加工中心，主轴在空间处于水平状态的称为卧式加工中心。

主轴可作垂直和水平转换的，称为立卧式加工中心或五面加工中心，也称复合加工中心。

按加工中心立柱的数量分；有单柱式和双柱式（龙门式）。

2.2.3按数控系统功能分类

加工中心根据数控系统控制功能的不同分：

有三轴二联动、三轴三联动、四轴三联动、五轴四联动、六轴五联动等。

三轴、四轴是指加工中心具有的运动坐标数，联动是指控制系统可以同时控制运动的坐标数，从而实现刀具相对工件的位置和速度控制。

2.2.4按工作台的数量和功能分类

有单工作台加工中心、双工作台加工中心，和多工作台加工中心。

2.2.5按加工精度分类

（1）普通加工中心普通加工中心，分辨率为1μm，最大进给速度15～25m/min，定位精度l0μm左右。

（2）高精度加工中心高精度加工中心，分辨率为0.1μm，最大进给速度为15～100m/min，定位精度为2μm左右。

介于2～l0μm之间的，以±5μm较多，可称精密级[3]。

2.3加工中心的主要加工对象

加工中心适宜于加工复杂、工序多、要求较高、需用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。

其加工的主要对象有箱体类零件、复杂曲面、异形件、盘套板类零件和特殊加工等五类[4-6]。

2.3.1箱体类零件

箱体类零件一般是指具有一个以上孔系，内部有型腔，在长、宽、高方向有一定比例的零件。

这类零件在机床、汽车、飞机制造等行业用的较多。

箱体类零件一般都需要进行多工位孔系及平面加工，公差要求较高，特别是形位公差要求较为严格，通常要经过铣、钻、扩、镗、铰、锪，攻丝等工序，需要刀具较多，在普通机床上加工难度大，工装套数多，费用高，加工周期长，需多次装夹、找正，手工测量次数多，加工时必须频繁地更换刀具，工艺难以制定，更重要的是精度难以保证。

加工箱体类零件的加工中心，当加工工位较多，需工作台多次旋转角度才能完成的零件，一般选卧式镗铣类加工中心。

当加工的工位较少，且跨距不大时，可选立式加工中心，从一端进行加工。

2.3.2复杂曲面

复杂曲面在机械制造业，特别是航天航空工业中占有特殊重要的地位。

复杂曲面采用普通机加工方法是难以甚至无法完成的。

在我国，传统的方法是采用精密铸造，可想而知其精度是低的。

复杂曲面类零件如：

各种叶轮，导风轮，球面，各种曲面成形模具，螺旋桨以及水下航行器的推进器，以及一些其它形状的自由曲面。

这类零件均可用加工中心进行加工。

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。

2.3.3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。

2.3.4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。

2.3.5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[7，8]。

2.4加工中心的特点

加工中心（Machining Center）是典型的集高新技术于一体的机械加工设备，它的发展代表了一个国家设计、制造的水平，因此在国内外企业界都受到高度重视。

如今，加工中心已成为现代机床发展的主流方向，加工广泛应用于机械制造中[8，9]。

与普通数控机床相比，它具有以下几个突出特点：

2.4.1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。

2.4.2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

2.4.3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。

2.4.4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3～4倍，达80％以上。

2.4.5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。

2.4.6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。

2.4.7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。

2.5加工中心刀库的形式

加工中心使用的刀库最常见的形式是圆盘式刀库和机械手换刀刀库。

2.5.1圆盘式刀库

圆盘式刀库应该称之为固定地址换刀刀库，即每个刀位上都有编号，一般从1编到12、18、20、24等，即为刀号地址。

操作者把一把刀具安装进某一刀位后，不管该刀具更换多少次，总是在该刀位内。

（1）制造成本低。

主要部件是刀库体及分度盘，只要这两样零件加工精度得到保证即可，运动部件中刀库的分度使用的是非常经典的“马氏机构”，前后、上下运动主要选用气缸。

装配调整比较方便，维护简单。

一般机床制造厂家都能自制。

（2）刀号的计数原理。

一般在换刀位安装一个无触点开关，1号刀位上安装挡板。

每次机床开机后刀库必须“回零”，刀库在旋转时，只要挡板靠近（距离为0.3mm左右）无触点开关，数控系统就默认为1号刀。

并以此为计数基准，“马氏机构”转过几次，当前就是几号刀。

只要机床不关机，当前刀号就被记忆。

刀具更换时，一般按最近距离旋转原则，刀号编号按逆时针方向，如果刀库数量是18，当前刀号位8，要换6号刀，按最近距离换刀原则，刀库是逆时针转。

如要换10号刀，刀库是顺时针转。

机床关机后刀具记忆清零。

（3）固定地址换刀刀库换刀时间比较长国内的机床一般要8秒以上（从一次切削到另一次切削）。

（4）圆盘式刀库的总刀具数量受限制，不宜过多，一般40#刀柄的不超过24把，50#的不超过20把，大型龙门机床也有把圆盘转变为链式结构，刀具数量多达60把[8-13]。

2.5.2机械手刀库

机械手刀库换刀是随机地址换刀。

每个刀套上无编号，它最大的优点是换刀迅速、可靠。

（1）制造成本高。

刀库有一个个刀套链式组合起来，机械手换刀的动作有凸轮机构控制，零件的加工比较复杂。

装配调试也比较复杂，一般由专业厂家生产，机床制造商一般不自制。

（2）刀号的计数原理。

与固定地址选刀一样，它也有基准刀号：

1号刀。

但我们只能理解为1号刀套，而不是零件程序中的1号刀：

T1。

系统中有一张刀具表。

它有两栏。

一栏是刀套号，一栏是对应刀套号的当前程序刀号。

假如我们编一个三把刀具的加工程序，刀具的放置起始是1号刀套装T1（1号刀），2号刀套装T2，3号刀套装T3，我们知道当主轴上T1在加工时，T2刀即准备好，换刀后，T1换进2号刀套，同理，在T3加工时，T2就装在3号刀套里。

一个循环后，前一把刀具就安装到后一把刀具的刀套里。

数控系统对刀套号及刀具号的记忆是永久的，关机后再开机刀库不用“回零”即可恢复关机前的状态。

如果“回零”，那必须在刀具表中修改刀套号中相对应的刀具号。

（3）机械手刀库换刀时间一般为4秒（从一次切削到另一次切削）。

（4）刀具数量一般比圆盘刀库多，常规有18、20、30、40、60等

（5）刀库的凸轮箱要定期更换起润滑、冷却作用的齿轮油[8-13]。

3.1数控加工中心结构组成