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　　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 也可以按顺序放入下一个刀座内 采用这种方式的刀库不需要刀具识别装置 而且驱动控制也比较简单 可以直接由刀库的分度机构来实现 三 刀具的选择方式 2 刀具编码选择 1 刀具的编码选择方式采用一种特殊的刀柄结构 对每把刀具进行编码 换刀时通过编码识别装置 按换刀指令代码 在刀库中寻找出所需要的刀具 由于每一把刀具都有自己的代码 因而刀具可以放入刀库中的任何一个刀座内 这样不仅刀库中的刀具可以在不同的工序中重复使用 而且换下来的刀具也不必放回原来的刀座 这对装刀和选刀都十分有利 刀库的容量也可相应地减少 而且还可以避免由于刀具顺序的差错所造成的事故 三 刀具的选择方式 3 刀具编码选择 2 编码刀柄的结构如图所示为编码刀柄示意图 在刀柄的尾部的拉紧螺杆3上套装着一组等间隔的编码环1 并由锁紧螺母2将它们固定 编码环的外径有大小两种不同的规格 分别表示二进制 1 和 0 通过对两种圆环的不同排列 可以得到一系列的代码 例如 图中所示的7个编码环 就能够区别出127种 27 1 刀具 通常全部为0的代码不允许使用 以避免与刀座中没有刀具的状况相混淆 为便于操作者的记忆和认别 也可以采用二 八进制编码来表示 编码刀柄结构图例 三 刀具的选择方式 4 刀具编码选择 3 刀具识别装置如图所示为接触式刀具编码识别装置示意图 当刀库中带有编码环的刀具依次通过编码识别装置时 识别装置中的触针分别与编码环的大环接触 相应的继电器通电 其数码为 1 触针与小环不接触 相应的继电器不通电 其数码为 0 当识别装置的继电器读出的数码与程序中所需刀具的编码一致时 控制装置发出信号 刀库停止运动 等待换刀 接触式刀具识别装置图例 三 刀具的选择方式 5 刀具编码选择 4 刀具识别装置如图所示为非接触式磁性刀具编码认别装置示意图 编码环用直径相等的导磁材料 如软钢 和非导磁材料 如黄铜 塑料 制成 分别表示二进制 1 和 0 识别装置由一组感应线圈组成 刀库中的刀具通过识别装置时 对应软钢编码环的线圈感应出高电位 输出为1 其余线圈则输出为低电位 表示0 然后再经专门的识别电路选出所需刀具 磁性识别装置没有机械接触和磨损 因此可以快速选刀 而且结构简单 工作可靠 寿命长和无噪声 非接触式刀具识别装置图例 三 刀具的选择方式 6 刀座编码选择 1 刀座编码方式是对刀库中的刀座进行编码和对刀具进行编号 装刀时 将与刀座编码相对应的刀具放入刀座中 然后根据刀座的编码选取刀具 刀座编码的识别原理与刀具编码的识别原理完全相同 刀座编码方式取消了刀柄中的编码环 使刀柄的结构大为简化 因此刀具识别装置的结构不受刀柄尺寸的限制 而且可以放置在较为合理的位置上 采用这种编码方式时 当操作者把刀具误放入编码不符的刀座内 仍然会造成事故 刀具在自动交换过程中必须将用过的刀具放回原来的刀座内 增加了刀库动作和复杂性 与顺序选择相比 刀座编码选择方式最突出的优点是刀具可以在加工过程中重复多次选用 三 刀具的选择方式 7 刀座编码选择 2 永久性编码将一种与刀座编号相对应的刀座编码板安装在每个刀座的侧面 它的编码是固定不变的 如图所示为圆盘形刀库的刀座编码装置 圆盘周围均布若干个刀座 其外侧边缘上装有相应的刀座编码块1 在刀库的下方装有固定不动的刀座识别装置 刀库旋转 刀座 刀具 通过识别装置时 选中所需刀具 刀座 刀库停止转动等待换刀 永久性刀座编码选刀装置图例 三 刀具的选择方式 8 刀座编码选择 3 临时性编码也称钥匙编码 它采用了一种专用的代码钥匙 如图a 并在刀座旁设专用的代码钥匙孔 如图b 编码时先按加工程序的规定给每一把刀具系上表示该刀具号码的代码钥匙 在刀具任意放入刀座的同时 将对应的代码钥匙插入该刀座旁的代码钥匙孔内 通过钥匙把刀具的代码记到该刀座上 从而给刀座编上了代码 钥匙编码图例 三 刀具的选择方式 9 刀座编码选择 4 临时性编码刀座编码原理如图b所示 钥匙1沿水平方向的钥匙缝插入钥匙孔座 然后顺时针方向旋转90 处于钥匙有齿部分3的接触片2被撑起 表示代码 1 处于无齿部分的接触片5保持原状 表示代码 0 刀库上装有数码读取装置 它由两排成80 分布的炭刷组成 当刀库转动选刀时 钥匙刀孔的两半排接触片依次通过炭刷 依次读出刀座的代码 直到寻找到所需要的刀具 三 刀具的选择方式 10 任意选刀 1 在这种选刀与换刀方式中 刀库上的刀具与主轴上的刀具直接交换 即随机任意选刀换刀 主轴上换上的新刀号及还回刀库中的刀具号 均在计算机 或可编程序控制器 内部相应的存储单元记忆 不论刀具放在哪个地址 都始终能跟踪记忆 这种刀具选择方式需在计算机内部设置一个模拟刀库的数据表 其长度和表内设置的数据与刀库的刀座位置数和刀具号相对应 这种方法主要用软件完成选刀 从而消除了由于识刀装置的稳定性 可靠性所带来的选刀失误 三 刀具的选择方式 11 任意选刀 2 自动换刀控制和刀号数据表如图a所示 刀库有8个刀座 可存放8把刀具 刀座固定位置编号为方框内1 8号 主轴刀位号为方框内0号 刀具编号可以任意设定 如图中括号内编号 10 18 一旦给某把刀具编号 这个编号不应随意改变 为了使用方便 刀号也可采用BCD码编写 三 刀具的选择方式 12 任意选刀 3 自动换刀控制和刀号数据表在计算机内部建立一个模拟刀库的刀号数据表 如图b所示 数据表的序号与刀库刀具的编号对应 每个表序号中的内容就是对应刀座中所插入的刀具号 图中刀号表首地址TAB单元固定存放主轴上刀具的号数 TAB 1 TAB 8存放刀库上的刀具号 由于刀具数据表实际上是刀库中存放刀具的位置的一种映象 所以刀号表与刀库中刀具的位置应始终保持一致 随机选刀 换刀图例 JCS 018A立式加工中心 一 JCS 018A立式加工中心简介 1 JCS 108A型小型立式加工中心系由北京机床研究所研制 其外形图如图所示 工件在一次装夹后 可连续地进行铣 钻 镗 饺 锪 攻丝等多种工序的加工 该机床适用于小型板件 盘件 壳体件 模具和箱体件等复杂零件的多品种 小批量加工 一 JCS 018A立式加工中心简介 2 JCS 018A立式加工中心主要部件及主要运动是 参见主要构成如图所示 床身1 立柱15为该机床的基础部件 交流变频调速电动机将运动经主轴箱5内的传动件传给主轴 实现旋转主运动 3个宽调速直流伺服电动机10 17 13分别经滚珠丝杠螺母副将运动传给工作台8 滑座3 实现X Y坐标的进给运动 传给主轴箱5使其沿立柱导轨作Z坐标的进给运动 立柱左上侧的圆盘形刀库6可容纳16把刀 由机械手7进行自动换刀 立柱的左后部为数控柜16 左下侧为润滑油箱18 JCS 018型立式加工中心主要构成图例 二 主要性能指标 1 主机 1 工作台工作台外形尺寸 工作面 1200 450mm 1000 320 工作台T形槽宽 槽数18 3 2 移动范围工作台左右行程 X轴 750 工作台前后行程 Y轴 40 主轴箱上下行程 Z轴 470 主轴端面距工作台距离180 650 二 主要性能指标 2 主机 2 主轴箱主轴锥孔锥度7 24 BT 45主轴转速 标准型 高速型 225r min 2250r min 45r mn 4500r 轴驱动电动机 额定 30min 5 5KW 7 5KW FANUC交流主轴电动机12型进给速度快速移动速度 X Y轴 l4m min进给速度 X Y Z轴 1 min 4000 min进给驱动电动机1 4KW FANUC BESK直流伺服电动机15型 二 主要性能指标 3 主机 3 自动换刀装置刀库容量16把选刀方式任选最大刀具尺寸 l00 300 最大刀具质量10 刀库电动机1 4KW FANUC BESK直流伺服电动机15型精度定位精度 0 012 300 重复定位精度 0 006 二 主要性能指标 4 主机 4 承载能力工作台允许负载500 滚珠丝杠尺寸 X Y Z轴 40 l0 钻孔能力 一次钻出 32 攻丝能力M24 铣削能力100 3 min其他气源49Pa 68 6Pa 250L min 机床质量4 5t占地面积3500 3060 二 主要性能指标 5 数控装置 FANUC BESK7CMCNC系统 控制轴数3轴同时控制轴数 X Y Y Z Z X 或3轴轨迹控制方式直线 圆弧方式或空间直线 螺旋方式纸带代码EIA ISO程序格式写地址式可变程序段脉冲当量0 001 脉冲最大指令值 99999 999mm或 9999 9999英寸纸带存储和编辑30m纸带信息 12KB 三 传动系统 1 JCS 018A型立式加工中心的传动系统如图所示 共存在五条传动链 主运动传动链 纵向 横向 垂向传动链 刀库的旋转运动传动链 分别用来实现刀具的旋转运动 工作台的纵横向进给运动 主轴箱的升降运动 以及选择刀具时刀库的旋转运动 JCS 018型立式加工中心传动系统图例 三 传动系统 2 主运动传动系统JCS 018型立式加工中心的主运动驱动电动机是交流变频调速电动机 连续输出额定功率为为5 5KW 最大输出功率为7 5KW 但工作时间不得超过30min 称为30min过载功率 这种电动机靠改变电源频率无级调速 额定转速为1500r min 最高转速为4500r min 在此范围内为恒功率调速 从最高转速开始 随着转速下降 最大输出转矩增加 保持最大输出功率为额定功率不变 如图所示 最低转速为45r min 从额定转速至最低转速 为恒转矩调速 电动机的最大输出转矩 维持为额定转速时的转矩不变 不随转速的下降而上升 到最低转速时 最大输出功率仅为7 5 或5 5 45 1500KW 0 025 或0 165 KW 功率转矩特性图例 三 传动系统 3 进给传动系统X Y Z三个轴各有一套基本相同的进给伺服系统 脉宽调速直流伺服电动机直接带动滚珠丝杠 功率都为1 4KW 无级调速 三个轴的进给速度均为1 min 400mm min 快移速度 X Y两轴皆为15m min Z轴为10m min 三个伺服电动机分别由数控指令通过计算机控制 任意两个轴都可以联动 三 传动系统 4 刀库驱动系统圆盘形刀库亦用直流伺服电动机经蜗杆蜗轮驱动 装在标准刀柄中的刀具 置于圆盘的周边 当需要换刀时 刀库旋转到指定位置准停 机械手换刀 四 结构特点 具有贮存加工所需刀具的刀库刀库用于储存刀具 并根据要求将各工序所用的刀具运送到取刀位置 具有自动装卸刀具的机械手在加工中心机床上刀具的自动更换 多数借助机械手来进行 具有主轴准停机构 刀杆自动夹紧松开机构和刀柄切屑自动清除装置这是加工中心机床主轴部件中三个主要组成部分 也是加工中心机床能够顺利地实现自动换刀所需具备的结构保证 具有自动排屑 自动润滑和自动报警的系统等 五 典型部件结构 1 主轴箱结构在第三章 数控机床的典型部件 这一章中 我们从主要构成 刀具自动夹紧机构工作原理 切屑清除装置和主轴准停装置工作原理等方面详细地讨论了JCS 018A主轴部件的结构和实现的功能 这里不再作叙述 五 典型部件结构 2 自动换刀装置 ATC 1 自动换刀过程如图所示表达了刀库上刀具 主轴上刀具和机械手的相对位置关系 上一工序加工完毕 主轴处于 准停 位置 由自动换刀装置换刀 其过程如下 五 典型部件结构 3 自动换刀装置 ATC 2 刀套下转90 本机床的刀库位于立柱左侧 刀具在刀库中的安装方向与主轴垂直 如图7 24所示 换刀之前 刀库2转动将待换刀具5送到换刀位置 之后把带有刀具5的刀套4向下翻转90 使得刀具轴线与主轴轴线 如K向视图所示 在机床切削加工时 机械手1的手臂中心线与主轴中心到换刀位置的刀具中心的连线 该位置为机械手的原始位置 机械手换刀的第一个动作是顺时针转75 两手爪分别抓住刀库上和主轴3上的刀柄 五 典型部件结构 4 自动换刀装置 ATC 3 刀具松开机械手抓住主轴刀具的刀柄后 刀具的自动夹紧机构松开刀具 械手拔刀机械手下降 同时拔出两把刀具 交换两刀具位置机械手带着两把刀具逆时针转180 从K向观察 使主轴刀具与刀库刀具交换位置 机械手插刀机械手上升 分别把刀具插入主轴锥孔和刀套中 刀具夹紧刀具插入主轴锥孔后 刀具的自动夹紧机构夹紧刀具 液压缸复位驱动机械手逆时针转180 的液压缸复位 机械手无动作 机械手逆转75 机械手逆转75 回到原始位置 刀套上转90 刀套带着刀具向上翻转90 为下一次选刀做准备 自动换刀过程示意图例 换刀过程详解图例 五 典型部件结构 5 刀库的结构 1 如图所示是机床盘式刀库的结构简图 如图a所示 当数控系统发出换刀指令后 直流伺服电动机1接通 其运动经过十字联轴器2 蜗杆4 蜗轮3传到如图b所示的刀盘14 刀盘带动其上面的16个刀套13转动 完成选刀工作 每个刀套尾部有一个滚子11 当待换刀具转到换刀位置时 滚子11进入拨叉7的槽内 同时气缸5的下腔通压缩空气 如图a所示 活塞杆6带动拨叉7上升 放开位置开关9 用以断开相关的电路 防止刀库 主轴等有误动作 如图b所示 拨叉7在上升的过程中 带动刀套绕着销轴12逆时针向下翻转90 从而使刀具轴线与主轴轴线A刀库结构图例 五 典型部件结构 6 刀库的结构 2 刀套下转90 后 拨叉7上升到终点 压住定位开关10 发出信号使机械手抓刀 刀套的结构如图所示 JCS 018A刀套结构图例 五 典型部件结构 7 机械手结构 1 本机床上使用的换刀机械手为回转式单臂双手机械手 其动作全部由液压驱动 如图所示 主要由以下部件构成 驱动装置分别是机械手回转75 的液压缸18 用于拔刀 装刀的液压缸15 交换刀具的 机械手旋转180 液压缸20 传动装置齿轮4 11 齿条17 19 连接盘5 传动盘10 机械手臂轴16 其中只有传动盘与轴16为花键连接 并能随轴16上下移动 能够直接随轴16旋转 其余的齿轮或连接盘必须借助于传动盘才能够旋转 行程控制装置包括挡环2 6 12 行程开关1 3 7 9 13 14 执行机构机械手21 JCS 018A机械手传动结构示意图例 五 典型部件结构 8 机械手结构 2 在自动换刀过程中 机械手要完成抓刀 拔刀 交换主轴上和刀库上的刀具位置 插刀 复位等动作 如前面介绍刀库结构时所述 当刀套向下转90 后 压下上行程位置开关 发出机械手抓刀信号 此时 机械手21的手臂中心线与主轴中心到换刀位置的刀具中心的连线右腔通压力油 活塞杆推着齿条17向左移动 使得齿轮11转动 五 典型部件结构 9 机械手结构 3 抓刀动作结束时 齿条17上的挡环12压下位置开关14 发出拔刀信号 于是液压缸15的上腔通压力油 活塞杆推动机械手臂轴16下降拔刀 在轴16下降时 传动盘10随之下降 其下端的销子8插入连接盘5的销孔中 连接盘5和其下面的齿轮4也是用螺钉联接的 它们空套在轴16上 当拔刀动作完成后 轴16上的挡环2压下位置开关1 发出换刀信号 这时液压缸20的右腔通压力油 活塞杆推着齿条19向左移动 使齿轮4和连接盘5转动 通过销子8 由传动盘带动机械手转180 交换主轴上和刀库上的刀具位置 五 典型部件结构 10 机械手结构 4 换刀动作完成后 齿条19上的挡环6压下位置开关9 发出插刀信号 使油缸15下腔通压力油 活塞杆带着机械手臂轴上升插刀 同时传动盘下面的销子8从连接盘5的销孔中移出 插刀动作完成后 轴16上的挡环压下位置开关3 使液压缸20的左腔通压力油 活塞杆带着齿条19向右移动复位 而齿轮4空转 机械手无动作 齿条19复位后 其上挡环压下位置开关7 使液压缸18左腔通压力油 活塞杆带着齿条17向右移动 通过齿轮11使机械手反转75 复位 机械手复位后 齿条17上的挡环压下位置开关13 发出换刀完成信号 使刀套向上翻转90 为下次选刀做好准备 同时机床继续执行后面的操作 五 典型部件结构 11 机械手结构 5 如图所示为机械手抓刀部分的结构 它主要由手臂1和固定其两端的结构完全相同的两个手爪7组成 手爪上握刀的圆弧部分有一个锥销6 机械手抓刀时 该锥销插入刀柄的键槽中 当机械手由原位转75 抓住刀具时 两手爪上的长销8分别被主轴前端面和刀库上的挡块压下 使轴向开有长槽的活动销5在弹簧2的作用下右移顶住刀具 机械手拔刀时 长销8与挡块脱离接触 锁紧销3被弹簧4弹起 使活动销顶住刀具不能后返 这样机械手在回转180 时 刀具不会被甩出 当机械手上升插刀时 两长销8又分别被两挡块压下 锁紧销从活动销的孔中退出 松开刀具 机械于便可反转75 复位 机械手的手臂和手爪图例 五 典型部件结构 12 进给装置 1 如图所示为工作台的纵向 X向 伺服进给系统 该系统由脉宽调速直流伺服电动机1驱动 采用无键连接方式用锁紧环将运动传至十字滑块联轴节2的左连接件 联轴节的右连接件与滚珠丝杠3用键相连 滚珠丝杠螺母副采用双螺母 螺母4 7 结构 并采用垫片消除丝杠与螺母之间的间隙 双螺母安装在螺母座上 并通过螺母座与工作台连接驱动工作台移动 工作台横向 X轴 伺服进给装置图例 五 典型部件结构 13 进给装置 2 滚珠丝杠直径为40 导程为10 左支承为成对的向心推力球轴承 精度为D级 背靠背安装 大口向外 承受径向和轴向双向载荷 预紧力为1000N 右支承为一向心球轴承 外圈轴向不定位 仅承受径向载荷 丝杠升温后可向右伸长 这种结构较简单 但轴向刚度比两端轴向固定方式低 在垂向 Z向 伺服进给系统中 由于滚珠丝杠没有自锁能力 为了保证主轴箱能够停止在所需要的位置上 在电动机上加有制动装置 当电动机停转时 切断电磁线圈的电流 由弹簧压紧摩擦片使其制动 五 典型部件结构 14 基础部件 1 加工中心的基础包括立柱 床身和工作台 本机床的立柱为封闭的箱型结构 如图所示 立柱承受两个方向的弯矩和扭矩 故其截面形状近似地取为正方形 立柱的截面尺寸较大 内壁设置有较高的竖向筋和横向环形筋 刚度较大 立柱结构图例 五 典型部件结构 15 基础部件 2 该机床是在工作台不升降式铣床的基础上设计的 工作台和滑座如图所示工作台与滑座之 间为燕尾形导轨 丝杠位于两导轨的中间 滑座与床身之间为矩形导轨 工作台与滑座之间 滑座与床身之间 以及立柱与主轴箱间的动导轨面上 皆贴氟化乙烯导轨板 两轴以机床的最低进给速度运动时 皆无爬行现象发生 工作台图例 滑座图例 六 数控系统 JCS 018A型立式加工中心的数控系统是7CMCNC数控系统 是16位字长的微处理机数控系统 它是以中央处理单元 CPU 为核心 用数据总线方式与存储器以及各种接口组合成一个完整的数控系统 其总框图如图所示 7CMCNC数控系统总方框图例 学习小结 1 本章从加工中心的特点 加工中心的基本构成 加工中心的分类 加工中心的自动换刀系统 典型加工中心机床等多个方面介绍了加工中心的典型结构及数控系统 加工中心的典型特征是具有刀库和自动换刀装置 工件一次装夹后可以进行多工序加工 加工中心由基础部件 主轴部件 伺服进给装置 CNC系统 自动换刀装置以及辅助装置等构成 其中主轴部件要实现带动刀具旋转 刀具的自动夹紧 切屑清除和主轴准停等功能 学习小结 2 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 刀具交换装置等 刀库中存放着加工过程中需要的所有刀具 刀库能够在数控指令的要求下作选刀旋转运动 并能在规定的位置准停 JCS 018A加工中心是一台立式加工中心 主轴带动刀具的旋转运动为机床的主运动 工作台可以作纵横向进给运动 主轴箱实现垂向进给运动 主轴通过端面键带动刀具旋转 采用电气式主轴准停装置 通过压缩空气对装刀位置进行吹扫 JCS 018A加工中心采用卧式圆盘刀库 软件选刀 由机械手实现换刀 JCS 018A加工中心采用FANUC BESK7CMCNC系统 思考与练习题 1 加工中心与一般数控机床有何异同 结合JCS 018A加工中心 说明加工中心的基本构成 按照主轴的布局形式的不同 加工中心有那些常见的结构形式 机床存在那些运动 主运动和进给运动 分别适合于哪类零件的加工 工件一次装夹后可以进行多少面的加工 说明刀柄编码选刀的工作原理 思考与练习题 2 说明刀座临时编码选刀的工作原理 说明刀具软件选刀的工作原理 大型作业 根据图7 24 并结合图7 26 图7 28 图3 22 详细说明机械手的自动换刀过程及各动作的实现

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