车削加工中心
哈挺车削中心电动刀架故障分析
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圜
哈 挺 车 削 中 心 电动 刀 架 故 障 分 析
西安航 空动力股份有 限公 司 （ 陕西 ７ ０ ２ ） 朱彦波 １０ １
Ｑ ＥＴ８５ 车 削 中心是高 精度 车铣加工 中心 ，该 Ｕ Ｓ １ ／
设备 由美国哈挺 （ Ａ Ｄ Ｎ Ｅ）公 司制造 ，生产加 工高 Ｈ Ｒ ＩＧ
Ｃ Ｓ １５ Ｋ ６ ２ Ａ沈阳车 刀架 电动 机 ；第 二种 是伺 服 电 动机 ， 例如 Ｑ Ｅ Ｔ８ ５ 车削中心刀架电动机 。 Ｕ Ｓ ／ １
否 Ｉ Ｉ 匝亟壶噩卜 奎 ］Biblioteka 歪 Ｉ 否 Ｉ ｛ 是 匦麴 匮圃
图 １ 刀架换 刀过程
（） 中心轴是负责连接传动机构 和刀盘 以及锁 紧机 ２
工 ，其主要 结 构 由换 刀伺 服 电动 机 、联 轴器 、 动 齿 传
轮 、锁紧液压缸 、三个 鼠牙 盘 、刀架 中心 轴 、刀盘 以及 动力头伺服电动机 、动力头 中心轴 、锥齿轮 副和动力头
主轴组成的 ，结构组成 如图 ２所示 。
三个 鼠牙盘之间的关 系 ：２号 鼠牙盘 和刀盘 是通过
指令 ，电动机得 电，系统根据 当前刀号 和设定刀号 的位 置判断旋转方 向，根据就近原则旋转 ，电动机将旋转动
适应市场需求 而研发 的车 、铣两用 Ｔ形高精密 回转 电动
刀架 。
一
、
盘式电动刀架简介
力通过传 动机 构 传递 到 中心 轴上 ，中心 轴带 动刀 盘旋
转 ，旋转 一定 角 度后 ，由定 位机 构对 刀 盘位 置进 行判 断 ，刀盘旋转到位后 ，锁紧机构对刀 盘进行锁 紧，最后 由到位检测装 置对整个 换 刀过程进 行判 断 ，换刀 完成。
数控车刀与普通车刀的区别【详解】
1.车床分类对于车间内的制造及检维修所使用车床,一般可以按照功能大小分为三种类型:普通车床、数控车床、车削加工中心。
(l)普通车床:主要作用于普通零部件旋转面的加工,加工的零件范围广泛,主轴转速以及纵向横向进给量的调整范围比较大。
一般能够完成内外圆柱面、内外圆锥面、内外球面以及内外螺纹的加工。
这类车床主要由人手动操作,加工效率低,适用于散件、少批量生产和修配类车间。
(2)数控车床:在普通车床的结构上进行设计改变,加装通用数控系统而形成数控车床。
功能较为强大,自动化程度和加工精度较高,它具有广泛的加工工艺性能,可加工直线圆柱、斜线圆柱、圆弧和各种螺纹。
适用于一般回转类零件的车削加工。
这种数控车床可同时控制坐标轴x轴和z轴。
(3)车削加工中心:相较普通数控车床增加了c轴和动力头,并且配置有刀库可运行中不间断更换各种刀具。
可控制X、Z和C三个坐标轴,并组成联动控制轴。
在数控车床固有加工能力基础上可以进行径向和轴向铣削、曲面铣削、中心线不在零件回转中心的孔和径向孔的钻削等加工。
2.车刀互换性的讨论在这些不同等级的车床中,车刀扮演着核心工器具的角色。
一般而言,车刀由以下几个部分组成:主切削刃、副切削刃、前刀面、主后刀面和副后刀面、刀尖角、刀柄。
按切削和刀柄不同又分为:焊接刀、整体刀、复合刀(机夹式)。
普通车刀一般为焊接刀和整体刀,需磨刀,成本低,在中小规模企业使用较多。
数控车刀一般指可转位的复合刀,因不需刃磨大量应用于数控机床上。
每种车床用的刀具都具有高度相似性、同质性及部分互换性。
那么为何有必要在普通机床上使用数控刀具呢?可从三个方面加以说明讨论。
(l)从实际工作经验中讨论。
具备一定实力的大中型生产类企业中(除机加企业外),因为占据企业机电专业主导地位的是检维修部门,机加属于检维修内的辅助工位。
相比以机加工为主导的企业,其他生产类企业在检维修的工作中,机床的作用基本属于修配和小批量加工。
因此大多数检维修部门并不需要配置价格昂贵的数控机床,只配置普通机床就可满足修配需要,若遇到棘手的零部件一般考虑外委加工。
关于车床、车削中心、车铣复合的说明
情况说明尊敬的海关：我司，现在贵关申报“韩国斗山数控卧式车削中心”，两台，型号分别为PUMA280LM及LYNX220LMA的进口报关手续，下面就该设备的基本情况向贵关作如下解释：该设备是一款数控卧式车削中心，不同于传统数控车床，传统数控车床只能完成车削加工，即采用砖塔式刀库（简称刀塔）只能安装若干把车刀，且车刀安装面垂直于主轴方向，只能沿工件端面进给，其通常只有工件旋转轴Z轴以及车刀进给轴X轴，如下图所示：刀塔只能安装车刀，且只能沿X轴方向进给而车削中心则是在传统车床的基础之上增加了部分简单的铣削功能，即能够对工件的端面以及圆周面进行一些钻孔、铣槽的简单加工，这种铣削功能是通过在刀塔上增加动力装置，并且安装几把铣刀来完成，加工时，卡盘带动工件旋转，刀塔转到相应位置的车刀位置，即可实现车削加工，而工件通过分度装置转到特定位置并固定之后，刀塔转到铣刀位置，动力头带动铣刀旋转，即可对工件进行铣削加工，这种铣削只能加工工件的端面或者圆周面，如钻孔，铣端面槽等。
相比于传统的车床，其在X轴、Z轴基础之上增加了绕Z轴旋转的C轴（即动力头旋转轴）。
如下图所示：安装了动力装置的铣刀，可以沿Z轴进给，实现工件的端面加工安装车刀，可对工件进行车削加工车铣复合加工中心是在车削中心基础上发展起来的，相当于1台车削中心和1台加工中心的复合。
可以在1台车铣复合中心上，经过一次装夹，完成全部车、铣、钻、镗、攻丝等加工，其工艺范围之广和能力之强，是世界范围内最先进的机械加工设备之一。
其至少具有五个控制轴，即在传统加工中心的XYZ三个平面轴的基础上，增加了BC两个轴，它的铣削功能由自带的铣头来完成，车削则是通过装在刀塔上的车刀来完成，相比于车削中心，主要差别在于其铣头独立于刀塔，且既可以沿Z轴旋转进给，也可以沿X轴进给，既可以加工工件端面，也可以加工工件圆周面。
带功力装置的刀塔，配备铣刀、车刀独立的摆动铣头，可以加工工件端面以及圆周面结合我司此次进口的PUMA280LM及LYNX220LMA两个个型号的设备具体情况，该设备只配备有一个带动力装置的刀塔，比普通数控车床多了一个简单的铣削功能，多了一个C轴，相对于车铣复合加工中心，没有独立的B轴铣头，所以综上所述，这两台设备均属于标准的数控车削中心。
数控加工中心的分类
数控加工中心的分类一、根据加工类型分类1. 数控铣削加工中心：主要用于铣削加工，具有较高的加工精度和加工效率，常用于复杂零件和高精度零件的加工。
2. 数控车削加工中心：主要用于车削加工，能够实现车削、铣削、钻孔等多种加工操作，常用于轴类零件和盘类零件的加工。
3. 数控磨削加工中心：主要用于磨削加工，具有高精度的磨削能力和加工效率，常用于超精密零件和高硬度零件的加工。
二、根据控制轴数分类1. 三轴数控加工中心：只具备三个直线运动轴，可以实现平面内任意点的加工，常用于中小型零件的加工。
2. 五轴数控加工中心：具备三个直线运动轴和一个或两个旋转轴，可以实现复杂零件的加工，特别是对空间曲面和斜面的加工。
3. 多轴数控加工中心：具备三个以上的直线运动轴和两个以上的旋转轴，可以实现任意空间曲面的加工，常用于大型和复杂零件的加工。
三、根据自动化程度分类1. 手动数控加工中心：操作人员需要手动更换刀具和夹具，加工过程需要人工监控和调整，适用于小批量生产。
2. 半自动数控加工中心：操作人员需要根据加工需求，通过手动或自动方式更换刀具和夹具，同时需要人工监控和调整加工过程，适用于中批量生产。
3. 全自动数控加工中心：操作人员只需要设置好程序和参数，即可实现全自动加工，无需人工监控和调整，适用于大批量生产。
四、根据布局分类1. 立式数控加工中心：主轴垂直于工作台，占地面积小，结构紧凑，适用于小型零件的加工。
2. 卧式数控加工中心：主轴平行于工作台，适用于大型零件的加工。
3. 龙门式数控加工中心：主轴位于龙门架内，具有较大的加工范围和刚性，适用于大型、重型零件的加工。
4. 复合数控加工中心：同时具备立式、卧式、龙门式等多种布局形式，可以实现多种加工需求，具有较高的灵活性和加工能力。
五、根据精度等级分类1. 普通数控加工中心：精度等级一般为±0.01mm，适用于一般精度的加工需求。
2. 高精度数控加工中心：精度等级一般为±0.005mm或更高，适用于高精度、高要求的加工需求，如航空航天、精密仪器等领域。
数控车床的加工范围及特点
随着电子技术、计算机技术及自动化、精密仪器与测量等技术的发展与综合应用，产生了机电一体化的新型机床——数控机床。
数控机床是一种利用信息处理技术进行自动加工控制的机电一体化加工装备。
不同数控机床的用途有所不同，其中数控车床是国内使用量最大、覆盖面最广的一种数控机床。
数控车床主要用来对旋转体零件进行车削、镗削、钻削、铰削、攻丝等工序的加工，一般采用计算机程序对各类控制信息进行处理，如可自动完成内外圆柱面、圆锥面、球面、螺纹、槽及端面等工序的切削加工，还可处理逻辑电路难以处理的各种复杂信息。
本章介绍数控车床及车削中心的组成、分类、特点以及插补原理，以增强读者对数控机床的认识，同时为后续的数控编程奠定基础。
本章要点数控车床的组成及分类数控车床的加工范围及特点数控机床的分类数控机床的插补原理1.1 数控车床的组成及分类1.1.1 组成及分类概述数控车床主要由计算机数控系统和数控车床本体组成，其中，计算机数控系统主要由输入装置、数控装置、伺服系统和位置检测反馈装置组成。
数控车床可分为卧式和立式两大类。
卧式车床又有水平导轨和倾斜导轨两种。
档次较高的数控卧车一般都采用倾斜导轨。
按刀架数量分类又可分为单刀架数控车床和双刀架数控车床，前者是两坐标控制，后者是4坐标控制。
双刀架卧车多数采用倾斜导轨。
1.1.2 相关知识1.1.2.1 数控车床组成现代数控车床的数控系统都采用模块化结构，伺服系统中的伺服单元和驱动装置为数SIEMENS数控车床编程与实训2 控系统的一个子系统，输入/输出装置也为数控系统的一个功能模块，所以数控车床主要由计算机数控系统和数控车床本体组成，如图1-1所示。
输入/输出装置车床本体位置检测反馈装置图1-1 数控车床的组成1．输入装置数控车床是按照编程人员编制的程序运行的。
通常编程人员将程序以一定的格式或代码存储在一种载体上，如穿孔带或磁盘等，通过数控车床的输入装置输入到数控装置中。
此外，还可以使用数控系统中的RS232接口或DNC接口与计算机进行信号的高速传输。
基于虚拟技术的精密数控车削加工中心的开发
［］ 张广鹏 ， 文浩 ， ４ 史 黄玉美 ， ． 床整机 动态特 性的预测 解析 等 机
建模 方法［］ 上海交通大学 学报 ，０ １ １ ）１８ ４—１８ ８ Ｊ． ２ ０ （２ ： ３ ３ ． ［］ 张 ５ 烨 ．基于 ＶＥ ＴＩ Ｒ ＣＵＴ机床建模 和数控车削加 工仿 真技
术［ ］合肥 ： Ｄ． 合肥工业大学 ， １ ： — ． ２ ０５ ７ ０
正是 由于这样高集成度的结构设计 ， 以及对机 床在正式投人生产制造之前进行热力学和运动学 的性能检验， 使得生产厂商在很大程度上降低了机
收稿 日期 ：０ １ １一Ｏ ２ １ —１ １
基金项 目： 数控重大专项 （００ Ｘ ４ ０ — ７ ）南京航 空航天大学基本科研项 目（ Ｓ ０ ０ ４ ） ２１Ｚ ００１ ０１ ； Ｎ ２ １ １３
１ ６
２ １ 年 ４ 中国制造业信息化 第 ４ 卷 第 ７ ０２ 月 １ 期
基 于虚 拟 技 术 的精密 数 控 车 削加 工 中心 的开发
涂芬芬 张 ， 霖 张 志英 赵 义顺 ， ，
（ ． 京航 空航 天大学 机 电学 院 ， １南 江苏 南京 （ ． 京数 控机 床有 限公 司 ， ２南 江苏 南京
作者 简介： 涂芬芬 （９ ７一）女 ， １８ ， 江苏扬 州人 ， 南京航空航天大学硕士研究生 ， 主要研究方向为数控 医疗器械制造。
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现代 设计 与先 进制 造技 术 ・
涂 芬芬
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张志 英 等
基 于虚拟 技术 的精 密数 控车 … … １ ～ ９
件 图。
以及辅助部件的逻 辑控制过程 ， 可清晰地看 出， 机 床行程满足起初 的设计要求 ， 各个运动部件的空间
加工中心
4). 切削余量大的零件； 5). 加工精度高的零件； 6). 工艺设计会经常变化的零件； 7). 贵重零件； 8). 需全部检测的零件 缺点：实现数控加工的要求 1). 初次设备投资大； 2). 对使用者技术要求高
数控机床的分类
点位控制数控机床 1.2.1 按运动控制的特点分类 直线控制数控机床 轮廓控制的数控机床 开环控制的数控机床 1.2.2 按伺服系统的类型分类 闭环控制的数控机床 半闭环控制的数控机床
机械手回转180°。
5、装刀：
活塞杆上行，将更换后的刀 具装入主轴和刀库。
（ c） （ d）
(a) 分度：将刀盘上接收刀具的空刀座转到换刀所需的预
定位臵。
(b)住
刀柄定位槽。
(c) 卸刀：主轴松刀，铣头上移至参考点。 (d) 再分度：再次分度回转，将预选刀具转到主轴正下
方。
(e)+(f): 装刀：铣头下移，主轴抓刀，活塞杆缩回，刀盘
复位。
三、 加工中心的工艺准备
一、加工中心的工艺特点
由于加工中心工序集中和具有自动换刀的特点，故零件 的加工工艺应尽可能符合这些特点，尽可能地在一次
装夹情况下完成铣、钻、镗、铰、攻丝等多工序 加工。 由于加工中心具备了高刚度和高功率的特点，故 在工艺上可采用大的切削用量，以便在满足加工 精度条件下尽量节省加工工时。 选用加工中心作为生产设备时，必须采用合理的 工艺方案，以实现高效率加工。
1.2.3 按工艺方法分类
金属切削类数控机床 金属成型类及特种加工类数控机床 高档 中档 低档
1.2.4 按功能水平分类
数控技术的产生发展及技术水平
1 数控技术的产生与发展
1952年，电子管控制数控机床 1959年，晶体管控制数控机床，加工中心 60年代，集成电路数控机床 70年代，计算机数控机床 80年代，计算机集成制造系统
西门子840D数控系统在车削加工中心电气系统改造中应用
西门子840D数控系统在车削加工中心电气系统改造中的应用南车株洲电力机车有限公司（湖南 412001）罗斌我公司德马吉数控车削加工中心于1999年从德国引进，配备西门子SINUMERIK 840C数控系统。
840C数控系统采用大板结构，根据不同的配置在大板上安装不同的子板，配备S5系列PLC进行逻辑控制；该车削中心配有两个主轴和两个伺服轴，采用SIMODRIVE 611D驱动，可进行各种车铣复合加工。
自使用至今已有10余年，数控系统进入老化期，经常出现系统故障，介于机械部分状态还比较稳定，决定对数控系统进行升级改造，以提高该车削加工中心的使用率。
由于之前该车削加工中心840C数控系统配备的是611D驱动，而840D数控系统也可以配611D驱动，原有的整个驱动可以保留。
为保证通用性，综合考虑，我们选用西门子SINUMERIK 840D数控系统进行升级改造，这样大大节省升级改造费用。
840D数控系统是西门子公司开发的技术先进、功能强大的全数字化系统，经过几年的推广，现在也成为一种主流数控系统。
1. 电气系统的硬件配置及连接德马吉数控车削加工中心是一台具有全功能的数控卧式车削加工中心。
由床头箱、刀架、尾座、闭式中心架构成机床的主体。
切屑输送器、冷却装置、液压油箱、油温控制器作为机床的辅助设备。
该车削加工中心改造采用的硬件配置如图1所示。
驱动沿用原来的611D，进给电动机选用1FK7系列，主轴选用1PH7系列，PLC选用西门子S7－300系列。
SINUMERIK 840D数控系统硬件连接，首先根据原840C系统的电气原理图，设计新的机床控制原理图，再根据机床控制原理图做SINUMERIK 840D应用系统硬件安装与配线，根据系统简明调试指南了解各模块的功能和连接关系，做好系统连接。
具体连接不再详细描述。
图2所示为FDD/MSD模块接口示意图。
现以X 轴为例，说明数字驱动模块（611D）与NCU及与进给电动机连接。
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第5章车削加工中心
5.1复合加工技术概述
1845年美国人丁·菲奇发明转塔车床，1911年美国格林里公司为汽车零件加工开发了第一台组合机床。
1952年三轴数控铣床研制成功。
1958年美国KT公司研制出带有刀具自动交换装置的加工中心，有力地推动了工序集中的加工方法的发展。
复合加工及其制造装备的出现已有百余年的历史，但是真正得到较广泛的应用还是在20世纪80年代，数控技术和数控机床成为制造技术的主流后出现的。
20世纪80年代中后期，随着加工中心功能和结构的完善，显示了这种工序集中数控机床的优越性，开始出现车削中心、磨削中心等，使复合加工得到扩展而不再局限于镗、铣等工序。
90年代后期又进一步发展了车铣中心、铣车中心、车磨中心等，近年来又出现由激光、电火花和超声波等特种加工方法与切削、磨削加工方法组合的复合机床，使复合加工技术成为推动机床结构和制造工艺发展的一个新热点。
在全球机床制造和金属加工领域，复合加工技术正以其强大的加工能力被不断发展与应用。
所谓复合加工技术，即是在一台设备上完成车、铣、钻、镗、攻丝、铰孔、扩孔等多种加工要求，复合加工机床的最突出优点是可以大大缩短工件的生产周期、提高工件加工精度。
为了实现复杂形状工件的加工，使在一台机床上能完成多工序和多工种的加工，这样的机床称为复合加工机床。
就是说，在复合化机床上可以实现完全不同性质加工过程的加工。
复合加工技术是未来机械加工的发展方向。
随着社会各个领域的不断发展，对机械加工领域的要求也不断提高，高速度、高精度和高效率的“三高”加工是对未来机械加工的基本要求，而仅仅靠传统的加工理念是很难满足这一要求的。
因此，机械加工领域要求不断突破传统的观念，不断改善和提高加工的技术，以适应未来的要求，而复合加工技术正好满足了这一要求。
5.2 车削加工中心
5.2.1车削中心的结构特点及加工特点
车削加工中心是一种以车削加工模式为主，添加铣削动力刀座（如图5-1）、动力刀盘（如图5-2）或机械手，可进行铣削加工模式的车-铣合一的切削加工机床类型。
在回转动力刀盘上安装带动力电机的铣削动力头，装夹工件的回转主轴转换为进给C轴，便可对回转零件的圆周表面及端面等进行铣削类加工。
图5-1 动力刀座图5-2 动力刀盘车削中心除具有一般二轴联动数控车床的各种车削功能外，车削中心的转塔式刀盘上有能使刀具旋转的动力刀座，主轴具有按轮廓成形要求连续（不等速回转）运动和进行连续精确分度的C轴功能，并能与X轴或Z轴联动。
控制轴除X、Z、C轴之外，还可具有Y
轴。
可进行端面和圆周上任意部位的钻削、铣削和攻螺纹等加工，在具有插补功能的条件下，还可以实现各种曲面铣削加工，主要用于轴类和盘类回转体零件的多工序加工，具有高精度、高效率、高柔性化等综合特点，适合中小批量形状复杂零件的多品种、多规格生产，如图5-3所示。
a) 端面铣槽b)端面铣六方c)圆锥面上钻孔
图5-3 C轴铣削加工例图
随着数控技术的发展，数控车床的工艺和工序将更加复合化和集中化。
即把各种工序（如车、铣、钻等）都集中在一台数控车床上来完成。
车削加工中心完成的典型加工件如图5-4所示。
a) 盘类零件b) 高精度的轴类
c) 联接套类
c) 联接套类d)圆柱面螺旋槽e) 端面螺旋槽
图5-4 车削中心加工典型样件
目前，完成2个加工工序以上的工件占车削加工的大多数。
对这些工件进行高效、高精度加工有以下3种技术：
1、内外加工集中化：在机床内装有1次加工（外表面）以及2次加工（内表面）的各种功能的1次/2次加工。
2、加工的复合化：除车削加工，机内还装有铣削加工、磨削加工等各种功能的工序集中的加工。
3、智能化：机内具有储存、运输、加工一体化、工件识别、工件夹持控制、适应控制、信息网络等最新监控技术的单元加工。
车削加工中心机床常把夹持工件的主轴做成2个，既可同时对2个工件进行相同的加工，也可通过在2主轴上交替夹持，完成对夹持部位的加工。
如图5-5所示。
a) 双主轴双刀塔车削中心 b) 双主轴双刀塔车削中心加工示意
图5-5 双主轴双刀塔车削中心的结构及加工示意
5.2.2车削加工中心的常见类型
车削加工中心常见类型有：
卧式车削中心：线性轴X/Y/Z 及旋转C 轴，C 轴绕主轴旋转。
机床除具备一般的车削功能外，还具备在零件的端面和外圆面上进行钻、铣加工的功能。
如图5-6所示。
立式车削中心：立式车床,可以对使用卧式数控车床不可能抓住的异型巨大零部件进行高效率地加工。
如图5-7所示。
图5-6 X 、Y 、Z 、C 四轴控制卧式车削中心 图5-7 立式车削中心。