加工中心设计

第一章概述

加工中心是有机械设备与数控系统组成的适用于复杂零件加工的高效自动化机床。由于它具有自动换刀能力，能在一次装卡后完成多道工序，如钻、铣、镗、铰、攻螺纹、切内槽等加工，形成多工序自动换刀数控镗铣床，它用于加工各种箱体类、板类复杂零件。各种高精床加工中心，可代替精密坐标镗床，还可作为基础组成柔性制造单元和柔性制造系统。

1.1加工中心的发展

加工中心（Maching Center）简称MC，这种机床可装若干把刀具，能自动换刀具，在一次装卡中，完成铣镗钻扩铰锪攻螺纹等。

1952年，美国麻省理工学院首先实现了三坐标铣床数控化，数控铣床是电子技术、自动控制技术、机械技术的结合运用，是机械加工领域划时代重大技术性突破，数控机床利用编程软件，可方便地将简单工序集中起来，从而大大提高了零件的加工效率和加工质量，并具有相当大的柔性。

在复杂零件工序高度集中时，必须频繁更换刀具，以便提高生产效率，为了解决自动换刀问题，最早出现了转塔头立式钻镗铣床，在转塔头上有6-12根短主轴，每根主轴上装有一把刀具，当处于工作位置的刀具加工完毕之后，机床控制转塔头松开，转位，让下一工序的刀具进入工作位置，夹紧转塔头之后，再继续加工，直至完成全部工序。

1958年，美国K&T公司首先把铣钻镗等多种工序集中于一台机床上，通过换刀方式实现连续加工，成为世界上第一台加工中心，如今，世界上出现了立式、卧式、龙门式、落地式等各种加工中心，大约有一千多种规格。

1.2 加工中心的工作原理

加工中心的工作原理，根据零件图纸，制定工艺方案，采用手工或计算机编程进行零件的程序编制，把零件所需的机床各种动作及全部工艺参数变成机床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上，将信息载体送到输入装置，读出信息，并送入数控装置。

进入数控装置的信息，经过一系列处理和运算能变成脉冲信号，有的信号送到机床的伺服系统，通过伺服机构对其进行转换和放大，再经过传动机构，驱动机床有关部件，使刀具和工件严格执行零件程序所规定的相应运动，还有的信号，送到可编程控制器中，以顺序控制机床的其它辅助动作，实现刀具的自动更换。

1.3 加工中心的基本结构

（1）CNC数控系统加工中心一般都CNC数控系统，其主要特点是输入存储数据的加工，插补运算以及机床各种控制

功能都通过计算机软件来完成，能增加许多逻辑电路难以

实现的功能，计算机与其它装置之间可通过接口设备联接，

当控制对象或功能改变时，只需改变软件和接口。

（2）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，伺服系统的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。

（3）机械部分加工中心与一般通用机床相比，其结构简单，精度高，结构刚性好，对可靠性要求高。

加工中心与一般数控机床的显著区别是具有对零件进行多功序加工的能力，具有一套自动换刀装置。

1.4 加工中心的特点及应用

（1）应变能力强适用于多品种、单件小批量零件的加工。

在普通机床上加工一个新零件，往往需要重新调整机床，更换新的工具、量具、卡具或模具等“硬件”，而在

加工中心上，加工不同零件时，只要重新编制或修改加工

程序一“软件”，即可加工出不同的工件，大大缩短了生

产、技术准备时间，应变能力很强，因此适用于单件小批

量零件的加工。

（2）加工精度高多轴联动可实现复杂轮廓的插补运动，适用于高精度，形状复杂零件的加工。

由于加工中心的主传动和进给运动，采用直流或交流伺服电机，可实现无级调速，大大减化了主传动和进给系

统，传动链短，进给传动链中有消除间隙装置和数控装置，

进行补偿，因此加工中心有较高的加工精度。对于中小型

加工中心，定位精度普遍可达到0.01毫米，重复定位精

度可达0.005~0.001毫米，加工中心的自动加工方式避免

了人工干预造成的操作误差。同一批零件的一致性良好，

加工质量十分稳定，加工中心一般都有刀具半径补偿和长

度补偿功能，可以方便地消除由于刀具磨损、刀具调整误

差所造成的工件尺寸误差，提高了工件加工精度；

（4）大大减轻了工人的体力劳动，适用于工序集中且工序较多的零件加工

加工中心对零件的加工是按照事先编好的程序自动完成的，工人只要调整好机床，装卡好工件，机床就可以自

动进行加工，零件加工完后，机床自动停止，零件一次装

卡可完成多道工序，可进行多工位，多工序的自动加工，

而在普通机床上加工，工人要进行繁重的重复性手工操作

和工件测量。

（5）具有较高的加工生产率和较低的加工成本

机床加工生产率主要是指加工一个零件需要的时间，而加工时间包括机动时间和辅助时间，加工中心的主轴转

速大和进给速度范围大并可无级调速，加工时可选择最佳

的切削速度和进给速度，可进行恒转速或恒切削速度的切

削。在保证工件加工质量和刀具一定使用寿命的前提下，

可尽量加大切削用量。良好的结构刚度允许加工中心进行

强力切削、高速切削。加工中心的移动部件的快速移动和

定位采用了加速和减速措施。选用了很高的空行程运动速

度。消耗在空行程和定位的时间比普通机床少得多。有效

地节省了辅助时间。由于加工中心有测量系统，零件加工

时，往往可以省去划线工时，零件装卡到机床上之后，又

可以调速和零件加工过程中的检测时间。加工中心加工精

度稳定，废品率低，也使生产成本进一步降低，因此加工

中心适用于加工具有中小批量，要求一致性好的零件。

（5）有利于实现加工的现代管理

加工中心能实现一台中央计算机对几台、十几台加工中心的集中控制和管理（DNC），实现计算机辅助设计（CAD）、

计算机辅助制造（CAM）、计算机辅助质量监督（CAQ）等

机械加工的现代化集成制造系统。

随着市场发展，小批量，频繁改型，零件形状复杂，精度要求高的加工需要不断提高，以往的刚性自动化设备在当

今已不能满足要求了，于是加工中心得到了飞速发展。据统

计，1985年日本的数控车床产值占机床总产值的66.9%，

美国的为38.5%，德国的为47.7%。

总体方案设计比较选择

头库的设计，包括头库的摆放位置，铣头的输送和铣头在头库内的定位及支撑。

通过北京机床二厂的调研和指导老师的介绍，在设计初期，拟订了以下几种方案，各有利弊。通过各方面比较，充分考虑头库的体积、头库的独立性、头库结构的简单及易维护性，以及机床的各项参数，选

出各综合性最优秀且能满足工作要求的一种。

这里需指出，由于铣头重量大，机械手无法抓取，因此铣头的移动有量种，一种是用活塞推杆将铣头推出头库，推至主轴可移动到处，由主轴进行定位换头；另一种是头库整个移动到主轴可移动到处。另外，主轴可移出工作台，移到与立柱对齐的位置，这样，与机床独立的头库可以将铣头以各种方式送到立柱主轴一侧由主轴换头。这样，头库及换头都不占用工作台空间，且与工作台互不干涉。

１、头库摆放位置的设计方案

方案1头库横向放于工作台末端。这种方案，头库位于工作台的一端，铣头横向一字排列。头库能像工作台一样纵向移动。换头时，由丝杠螺母将头库移动到横梁下方，由主轴横向移动，找到需要的铣头进行换头。

优点：设计结构简单，体积较小，定位可靠。

缺点：换头时，须移开工作台，使工件定位下降，且时间长。头库的独立性差，不是一个独立的整体，而是依靠在工作台上。可维护性差。方案2 头库工作台。头库平行于工作台，放置在工作台一侧，有独立驱动系统，就像一个只有铣头宽度的工作台。换头时，由头库工作台纵向移动，将铣头移动到横梁主轴侧，由主轴更换。

优点：定位简单可靠，换头动作简单，独立于工作台，不影响工作台工作。

缺点：增加横梁的宽度，降低其刚性。增加头库换头的预留空间。

方案３头库放于两端立柱上。这种方案，头库分成两部分，以增加

头库的总容量，分别位于两立柱内侧，头库与立柱以滑动导轨连接。机床工作时，头库位于立柱与主轴相对的一面；换头时，头库沿导轨滑动到主轴一端，由主轴移动定位，找到所需铣头，更换。

优点：与机床衔接紧密，结构紧凑，整体造型美观。换头动作简洁，与工作台互不干涉。

缺点：致命不足，由于机床本身的参数限制，此种方案头库的摆放位置严重侵占了机床工作空间。

方案４固定转盘头库。头库与机床分离。头库固定，但可旋转。换头时，头库旋转，使所需铣头转到活塞推杆位置上，由位于旋转头库中心位置的活塞推杆将铣头推出头库，推到立柱主轴侧，由主轴定位，移动到铣头位置。

优点：头库与机床分离，独立性好，便于维护及更新。

缺点：头库呈圆形摆放，占地面积增大；而且，头库中心需安装移动头库的活塞推杆，更增大了头库的体积，使头库与机床的体积相比，更不可取。另外，头库与机床的衔接困难，浪费空间。

方案５移动转盘头库。这种方案，头库也是独立于机床，换头位置在立柱的主轴侧。特点是，头库可旋转又可移动。头库的旋转让所需铣头转到更换的位置；头库的整体移动代替活塞推杆，将整个头库送到立柱的主轴侧，由主轴移动定位换头。由于头库的整体移动代替了活塞推杆，因此铣头成四方摆放。

优点：结构非常简单，紧凑，且独立于机床，有较好的易维护性。体积小。

缺点：头库的整体移动，比较笨重。

方案的选定，用打分法。五种方案，对下列性能进行打分：结构简单与否，体积大小，维护性的好坏，是否干涉工作台的工作或影响机床的性能，结构轻巧。各项评分标准如下：

结构体积维护性干涉轻巧

好 3 3 2 4 1

中 2 2 2

差 1 1 1 0 0.5

打分结果

方案结构简单体积小易维护不干涉轻巧总分

１４２１２１１０

２３２１０１７

３１２１０２６

４１１２４２１０

５４３２４１１２

由结果看出，方案５－移动转盘头库的各项综合性能分数最高。因此，选定此方案。

２、铣头在头库的定位支撑方案

查阅网上资料图片、动画，经指导老师指导，铣头在头库的定位支撑，采用一面两销。

设计方案的结构设计