加工中心的結(jié)構(gòu)原理

1、數(shù)控加工中心培訓(xùn) 20112011年年7 7月月2727日日 加工中心的組成隨機(jī)床的類別、功能、參數(shù)的不同而有所不同。機(jī)床本身分基本部件和選擇 部件，數(shù)控系統(tǒng)有基本功能和選用功能，機(jī)床參數(shù)有主參數(shù)和其他參數(shù)。 加工中心主要由以下部分組成： 1）基礎(chǔ)部分 2）主軸部件（Spindle） 3）進(jìn)給機(jī)構(gòu) 4）數(shù)控系統(tǒng)（C.N.C.） 5）自動(dòng)換刀系統(tǒng)（A.T.C.） 6）輔助裝置 7）自動(dòng)托盤更換系統(tǒng)（A.P.C.） 由床身、立柱、橫梁、工作臺(tái)和底 座等部件組成。它們主要承受加工中心 的靜載荷及在加工時(shí)產(chǎn)生的切削負(fù)載， 對(duì)加工中心各部件起支撐和導(dǎo)向作用， 因此要求基礎(chǔ)支撐件必須具有足夠的剛 度，較高

2、的固有頻率和較大的阻尼，這 些工件通常是鑄鐵件或焊接而成的鋼結(jié) 構(gòu)件，是加工中心中體積和重量最大的 基礎(chǔ)構(gòu)件。 立柱 床身（基座） 示例： 立柱已安裝在床身之上，Z軸直接驅(qū)動(dòng)主軸系統(tǒng)前 后運(yùn)動(dòng)。工作臺(tái)未安裝，為固定式。 快速進(jìn)給率: X/Y/Z 軸60m /min 快速進(jìn)給加速度: Z 軸1.0G（10m/s2) X,Y 軸0.7G(7m/s2) 工作臺(tái)安裝位置 大傾角設(shè)計(jì)，便于沖屑和 排屑。排屑方式為后排屑 支撐及地腳螺釘 立柱 床身 旋轉(zhuǎn)工作臺(tái) 安裝夾具的工作臺(tái)面 由主軸箱、主軸電動(dòng)機(jī)、主軸和主 軸軸承等零件組成。主軸的啟、停、變 速等動(dòng)作由數(shù)控系統(tǒng)控制，并通過裝在 主軸上的刀具參與切削運(yùn)

3、動(dòng)，是切削加 工的功率輸出部件。主軸系統(tǒng)為加工中 心的主要組成部分，和常規(guī)機(jī)床主軸系 統(tǒng)相比，加工中心主軸系統(tǒng)要具有更高 的轉(zhuǎn)速、更高的回轉(zhuǎn)精度以及更高的結(jié) 構(gòu)剛性和抗振性。 示例1： 直聯(lián)式主軸，后部是主軸電機(jī)，前端為機(jī)械 主軸。 電機(jī)為空心軸，用于向內(nèi)冷刀具傳送冷卻液， 其非傳動(dòng)端有軸伸出用于連接注入冷卻液的 旋轉(zhuǎn)接頭。 最大轉(zhuǎn)速12000rpm。 主軸系統(tǒng) 示例2： 電主軸為“高頻主軸”（High Frequency Spindle）的簡(jiǎn)稱，也稱為內(nèi)裝式電機(jī)主軸單 元，其主要特征是將電機(jī)內(nèi)置于主軸內(nèi)部直 接驅(qū)動(dòng)主軸，實(shí)現(xiàn)電機(jī)、主軸一體化的功能 。它省略了齒輪傳動(dòng)、變速裝置（如皮帶、 聯(lián)軸

4、節(jié)）等中間傳動(dòng)件，轉(zhuǎn)、調(diào)速范圍大， 具有極高的精度和足夠的剛度、潤滑冷卻可 靠，還具有體積小、功耗低、標(biāo)準(zhǔn)化程度高 的特點(diǎn)。 圖示電主軸特點(diǎn)及參數(shù)： 可從前端拆卸的套筒式主軸總成 功率(S6-60%)35 kW 軸承直徑65 mm 最大轉(zhuǎn)速20000 rpm或 24000 rpm 最大扭矩37 N.m在 9000 rpm 刀具接口HSK A-63 冷卻乳化液主軸內(nèi)冷 潤滑空氣-油 主軸安裝座 電主軸與機(jī)床主機(jī)的連接示例 主軸垂直度校準(zhǔn)工具 主軸同心度校準(zhǔn)工具 帶有HSK63適配器的LED測(cè)量探針 主軸夾緊力傳感器 近端：0.007mm 遠(yuǎn)端：0.015mm 18kN,公差:+5.4/-1.8k

5、N 電主軸夾爪(OTT) HSK63及HSK100刀具 由進(jìn)給伺服電動(dòng)機(jī)、機(jī)械傳動(dòng)裝置 和位移測(cè)量元件等組成它驅(qū)動(dòng)工作臺(tái) 等移動(dòng)部件形成進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。加工中心進(jìn) 給驅(qū)動(dòng)機(jī)械系統(tǒng)直接實(shí)現(xiàn)直線或旋轉(zhuǎn)運(yùn) 動(dòng)的進(jìn)給和定位，對(duì)加工的精度和質(zhì)量 影響很大，因此對(duì)加丁中心進(jìn)給系統(tǒng)的 要求是運(yùn)動(dòng)精度、運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性和快速響 應(yīng)能力。 Y 軸伺服電機(jī) Y 軸滾珠絲桿 Y 軸平衡氣缸，后面 還可見氣罐2個(gè) 示例： 示例中Y軸為雙軸驅(qū)動(dòng)并帶平衡氣缸， 從運(yùn)行平穩(wěn)性和安全性上都進(jìn)行了充分 的考慮。 X軸滾珠絲桿及伺服電機(jī) 安裝主軸部件的框架 Z軸驅(qū)動(dòng)電機(jī) X軸直線導(dǎo)軌 直線導(dǎo)軌 皮帶傳動(dòng)時(shí)的結(jié)構(gòu) 滾珠絲桿及其各種應(yīng)用 B軸旋

6、轉(zhuǎn)分度臺(tái) 電機(jī) B軸旋轉(zhuǎn)分度臺(tái)，其上將 安裝機(jī)床工作臺(tái) 工作臺(tái)采用液壓夾緊，在夾緊過程中，工作臺(tái)用4個(gè)夾 緊圓錐體緊密地固定在轉(zhuǎn)臺(tái)表面。 1 工件裝料臺(tái) 2 托盤交換器 3 B軸旋轉(zhuǎn)工作臺(tái) 4 主軸部件 5 立柱 笛卡爾直角坐標(biāo)系簡(jiǎn)介： MCS Machine Coordinate System 機(jī)床坐標(biāo)系 WCS Workpiece Coordinate System 工件坐標(biāo)系 BZS Basic Zero System 基礎(chǔ)零點(diǎn)坐標(biāo)系 SZS Settable Zero System 可設(shè)置零點(diǎn)坐標(biāo)系 BCS Basic Coordinate System 基礎(chǔ)坐標(biāo)系 機(jī)床坐機(jī)床坐標(biāo)標(biāo)系

7、系簡(jiǎn)簡(jiǎn)介：介： 伺服和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 加工中心的數(shù)控部分由CNC裝置、 可編程控制器（PLC）、伺服驅(qū)動(dòng)裝置 （SERVO DRIVE）以及操作面板（OP） 等組成。它是完成加工過程的控制中心 。CNC系統(tǒng)一般由中央處理器、存儲(chǔ)器 和輸人、輸出接口組成。中央處理器又 由存儲(chǔ)器、運(yùn)算器、控制器和總線組成 。CNC系統(tǒng)的主要特點(diǎn)是輸入存儲(chǔ)，數(shù) 據(jù)的加工、插補(bǔ)運(yùn)算以及機(jī)床各種控制 功能都通過計(jì)算機(jī)軟件來完成，能增加 許多邏輯電路難以實(shí)現(xiàn)的功能。計(jì)算機(jī) 與其他裝置之間還可經(jīng)通用接口進(jìn)行相 互連接。 數(shù)控裝置數(shù)控裝置 PLCPLC 操作面板操作面板 伺服伺服驅(qū)動(dòng)驅(qū)動(dòng) S5 CPUS5 CPUS7-200 CP

8、US7-200 CPUS7-300 CPUS7-300 CPUS7-400 CPUS7-400 CPU 三菱三菱Q Q系列系列CPUCPU PLC是可編程序控制器的簡(jiǎn)稱，是在60年 代末從繼電器控制系統(tǒng)上發(fā)展起來的。它是以 微處理器為基礎(chǔ)，綜合了計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控 制技術(shù)和通訊技術(shù)，用面向控制過程、面向用 戶的簡(jiǎn)單編程語句適應(yīng)工業(yè)環(huán)境，是簡(jiǎn)單易懂 、操作方便、可靠性高的新一代通用工業(yè)控制 器。它擁有豐富的I/O接口，并具有較強(qiáng)的驅(qū) 動(dòng)能力。常見的PLC生產(chǎn)廠家有：SIEMENS、 MITSUBISHI、OMRON、GE-FANUC、etc. 按有無檢測(cè)元件和反饋環(huán)節(jié)，伺服系統(tǒng)可分為開環(huán)、全閉環(huán)

9、和半閉環(huán)系 統(tǒng)。 1）開開環(huán)環(huán)系系統(tǒng)統(tǒng)。開環(huán)系統(tǒng)的特點(diǎn)是無位置反饋裝置，常用步進(jìn)電機(jī)作為伺服系 統(tǒng)執(zhí)行元件，在該類系統(tǒng)中,CNC裝置經(jīng)過控制運(yùn)算發(fā)出脈沖信號(hào)，每一脈沖 信號(hào)使步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一定的角度，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)絲桿推動(dòng)工作臺(tái)移動(dòng)一定距 離。 開環(huán)系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作穩(wěn)定，制造成本低，缺點(diǎn)是各傳動(dòng)過 程中的誤差得不到消除，從而最終影響加工零件的精度。 2）全全閉環(huán)閉環(huán)系系統(tǒng)統(tǒng)。全閉環(huán)系統(tǒng)的特點(diǎn)是機(jī)床移動(dòng)部件上直接安裝有直線位移檢 測(cè)裝置，檢測(cè)裝置將檢測(cè)到的實(shí)際位移反饋到系統(tǒng)的比較器中，與輸入的原 指令位移值進(jìn)行比較，系統(tǒng)用比較后的差值控制移動(dòng)部件作補(bǔ)充位移，直到 差值消除時(shí)才停止移動(dòng)，從而

10、實(shí)際精確定位與運(yùn)動(dòng)控制。 全閉環(huán)系統(tǒng)的特點(diǎn)是其運(yùn)動(dòng)精度僅取決于檢測(cè)精度。一個(gè)優(yōu)良的全閉環(huán) 系統(tǒng)能對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)的間隙、磨損等進(jìn)行自動(dòng)補(bǔ)償，其加工精度是非常高的。 但其缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，調(diào)試維修難度較大。 3）半半閉環(huán)閉環(huán)系系統(tǒng)統(tǒng)。半閉環(huán)系統(tǒng)的特點(diǎn)是將角位移傳感器裝在傳動(dòng)絲桿或伺服電 機(jī)上，它檢測(cè)的是轉(zhuǎn)角信號(hào)。角位移信號(hào)反饋到數(shù)控裝置的比較器中，與輸 入原指令位移值進(jìn)行比較，用比較后的差值進(jìn)行控制，使移動(dòng)部件補(bǔ)充位移 ，直到差值消除為止。 半閉環(huán)系統(tǒng)的特點(diǎn)是系統(tǒng)穩(wěn)定性好，精度控制適中，缺點(diǎn)是所組成的控 制環(huán)不包括機(jī)械傳動(dòng)鏈，故精度相對(duì)于全閉環(huán)要低。 1PH7主軸電機(jī)1FT7進(jìn)給軸電機(jī)直線電機(jī) MPP4

11、83 PP012 MCP483C MCPMachine Control Panel PP=Pushbutton Panel MPP=Machine oPerator Panel OP=Operator Panel OP012 HT6 PCU50 Handheld unit B-MPI HT=Handheld units PCU=PC units Protool或其它組態(tài)軟件 PCU50+OP12 制造商根據(jù)機(jī)床實(shí)際和用戶要求制作 出人機(jī)界面,并傳送到PCU中。 OP12 PCU50/50.3/70Operator Panel(OP) OP27 自自動(dòng)換動(dòng)換刀裝置刀裝置(Automatic To

12、ol Changer(Automatic Tool Changer，ATC)ATC)由刀由刀庫庫、機(jī)、機(jī) 械手和械手和驅(qū)動(dòng)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)等部件機(jī)構(gòu)等部件組組成。刀成。刀庫庫是存放加工是存放加工過過程所使用的全部程所使用的全部 刀具的裝置；刀刀具的裝置；刀庫庫有有盤盤式、鼓式和式、鼓式和鏈鏈?zhǔn)降榷喾N形式，容量從幾把式等多種形式，容量從幾把 到幾百把，當(dāng)需到幾百把，當(dāng)需換換刀刀時(shí)時(shí)，根據(jù)數(shù)控系，根據(jù)數(shù)控系統(tǒng)統(tǒng)指令，伸出機(jī)械手指令，伸出機(jī)械手( (或通或通 過別過別的方式的方式) )將刀具從刀將刀具從刀庫庫取出取出/ /裝入主裝入主軸軸中，機(jī)械手的中，機(jī)械手的結(jié)結(jié)構(gòu)根據(jù)構(gòu)根據(jù) 刀刀庫庫與主與主軸軸的相的相

13、對(duì)對(duì)位置及位置及結(jié)結(jié)構(gòu)的不同也有多種形式，如構(gòu)的不同也有多種形式，如單單臂式、臂式、 雙臂式、回雙臂式、回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)式和式和軌軌道式等。有的加工中心不用機(jī)械手而利用主道式等。有的加工中心不用機(jī)械手而利用主 軸軸箱或刀箱或刀庫庫的移的移動(dòng)動(dòng)來來實(shí)現(xiàn)換實(shí)現(xiàn)換刀。盡管刀。盡管換換刀刀過過程、程、選選刀方式、刀刀方式、刀庫庫 結(jié)結(jié)構(gòu)、機(jī)械手構(gòu)、機(jī)械手類類型等各不相同，但都是在數(shù)控裝置及可型等各不相同，但都是在數(shù)控裝置及可編編程序控程序控 制器的控制下，由制器的控制下，由電電機(jī)和液機(jī)和液壓壓或氣或氣動(dòng)動(dòng)機(jī)構(gòu)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)驅(qū)動(dòng)刀刀庫庫和機(jī)械手和機(jī)械手實(shí)實(shí) 現(xiàn)現(xiàn)刀具的刀具的選擇選擇與交與交換換。在機(jī)構(gòu)中裝入接觸式。在機(jī)

14、構(gòu)中裝入接觸式傳傳感感還還可可實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)現(xiàn)對(duì)刀具刀具 和工件和工件誤誤差的差的測(cè)測(cè)量或者刀具折斷的量或者刀具折斷的檢測(cè)檢測(cè)。 圓盤式刀庫 刀盤旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)電機(jī) 臥式加工中心 換刀示意圖 鏈?zhǔn)降稁?立式加工中心 換刀示意圖 1Pneumatic cylinder 氣缸3Hydraulic swivel cylinder液壓旋轉(zhuǎn)缸 2Z1 axis Z1軸4Tool clamping cylinder刀具夾緊缸 加工中心ATC系統(tǒng)(HELLER)： 硬件方面：由MIKSCH換刀器、Vogel減速器、Siemens 變頻器、刀具庫等構(gòu)成。 軟件方面：HELLER公司專門開發(fā)了MTV刀具管理系統(tǒng) 來處理刀具

15、交換過程的信息，通過設(shè)置，可以快速的裝填新 刀具。 P1 P2 夾刀臂 ATC 包括潤滑、冷卻、排屑、防護(hù)、液壓 、氣動(dòng)和檢測(cè)系統(tǒng)等部分，這些裝置雖然 不直接參與切削運(yùn)動(dòng)，但對(duì)加工中心的加 工效率、加工精度和可靠性起著保障作用 ，因此也是加工中心不可缺少的部分。由 于加工中心生產(chǎn)效率極高，并可長時(shí)間實(shí) 現(xiàn)自動(dòng)化加工，因而冷卻、潤滑、排屑等 問題比常規(guī)機(jī)床更為突出。大切削量的加 工需要強(qiáng)力冷卻和及時(shí)排屑。大量冷卻和 潤滑液的作用還對(duì)系統(tǒng)的密封和泄漏提出 了更高的要求。從而促進(jìn)了半封閉、全封 閉結(jié)構(gòu)機(jī)床的產(chǎn)生。 機(jī)床安全集成裝置 圓光柵、光柵尺旋轉(zhuǎn)編碼器 排屑用電機(jī)減速器 泵系統(tǒng) 電控系統(tǒng) 水位檢

16、測(cè)開關(guān) 液壓站排屑器 冷卻裝置 集中潤滑單元 氣動(dòng)系統(tǒng) 油霧收集器 COMAU加工中心部分輔助功能介紹：加工中心部分輔助功能介紹： M00無條件程序終止M20打開主軸夾爪 M01條件程序終止M21關(guān)閉主軸夾爪 M02主程序終止M24開始刀具監(jiān)控 M03主軸順時(shí)針旋轉(zhuǎn)M25刀具監(jiān)控結(jié)束 M04主軸逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)M28搜索刀庫空位以放置主軸上的刀 M05主軸停止旋轉(zhuǎn)M29搜索刀庫空位以便主軸抓刀 M06換刀M50檢查托盤交換臺(tái)定位 M07主軸外部低壓冷卻M55松開B軸 M08主軸內(nèi)部高壓冷卻（40bar）M56夾緊B軸 M09關(guān)閉冷卻M64允許進(jìn)行新的循環(huán) M10啟動(dòng)高壓冷卻泵M65加工完成（Work

17、 Done） M11主軸內(nèi)部高壓冷卻（60bar）M66工件推出 M12檢查冷卻壓力M68加工完成執(zhí)行刀具檢測(cè) M13啟動(dòng)托盤清洗 托盤抬起、交換裝置 有的加工中心為進(jìn)一步縮短非切削時(shí)間 ，配有兩個(gè)自動(dòng)交換工件托盤：一個(gè)安裝在 工作臺(tái)上進(jìn)行加工，另一個(gè)則位于工作臺(tái)外 進(jìn)行裝卸工件。當(dāng)完成一個(gè)托盤上的工件加 工后，便自動(dòng)交換托盤，進(jìn)行新零件的加工 ，這樣可減少輔助時(shí)間，提高加工效率。 A軸旋轉(zhuǎn)臺(tái) B軸旋轉(zhuǎn)臺(tái) 工件更換裝置 鏈?zhǔn)降稁?Y Y X X Z Z Z軸驅(qū)動(dòng)電機(jī)， 其上集成了AB軸 操作區(qū)域 主軸 液壓站 冷卻水處理系統(tǒng) 維修區(qū)域 五五軸軸數(shù)控?cái)?shù)控銑銑床床 操作面板 主軸頭 排屑機(jī)構(gòu) 底座

18、 西門子西門子SINUMERIK 840D報(bào)警的相關(guān)知識(shí)報(bào)警的相關(guān)知識(shí): 報(bào)警類型及代碼 1）NC數(shù)控系統(tǒng)報(bào)警： 000000009999為一般報(bào)警； 010000019999為通道報(bào)警； 200000029999為進(jìn)給軸/主軸報(bào)警； 030000039999為功能報(bào)警； 060000064999為SIEMENS循環(huán)報(bào)警； 065000069999為用戶循環(huán)報(bào)警； 070000079999為機(jī)床廠編制的報(bào)警。 2）611D驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)報(bào)警： 300000399999為驅(qū)動(dòng)報(bào)警 3）PLC故障報(bào)警： 400000499999為一般報(bào)警； 500000599999為通道報(bào)警； 600000699999

19、為進(jìn)給軸/主軸報(bào)警； 700000799999為用戶自定義報(bào)警； 800000899999為順序控制報(bào)警。 數(shù)控加工程序舉例1（COMAU）： N31600 N31700 H7=16 H8=200 ;* EL. SPINDLE POWER (%) CONT. TIME (MS) *主軸功率檢查 N31800 G0 G9 X=23.3 Y=356 S1000 H1=QU(0) M=QU(07) M=QU(10) M=QU(08) M=QU(13) *X、Y移動(dòng)到23.3 Y移動(dòng)到356位置，主軸轉(zhuǎn)速1000RPM，M7，M10， M08，M13打開 N31900 M80 ;* ENABLE CO

20、NTROL SPINDLE * 主軸控制使能打開 N32000 WAITP(B) ;wait position axe B *等候B軸位置信號(hào) N32100 STOPRE *塊搜索停止 N32200 IF $TC_TPC4$TC_MPP69998,1 = 1 ;check tool *檢查刀具狀態(tài) N32300 M68 ;check tool after finish work *加工完成后檢查刀具 N32400 ENDIF *結(jié)束條件語句 N32500 G64 G0 Z=46 M59 M56 M12 D1 ;check spindle and table *檢查主軸及工作臺(tái) N32600 G

21、1 G9 Z=33 F500 ;ax P11 *加工P11孔 N32700 S6000 *主軸轉(zhuǎn)速6000rpm N32800 G1 G9 Z=-132.5 F500 M59 *Z軸以F500的進(jìn)給率移動(dòng)到-132.5位置，M59 N32900 G0 Z=300 S1000 * Z軸快速移動(dòng)到300位置，主軸轉(zhuǎn)速1000rpm N33000 N670 N680 MSG (“ Drill Hole 134, B0 ”) *B0面，鉆134孔 N690 CS_TOOL(“20”) *更換20#刀具 N700 CS_TP(“31”) * 31#刀具準(zhǔn)備 N710 G0 G54 X-73 Y31 Z2

22、05 D1 B=DC(0) F2210 S7368 M3 M8 M21 M125 * X軸移動(dòng)到-73，Y軸移動(dòng)到205位置，B軸0度，倍率2210，主軸轉(zhuǎn)速7368，正轉(zhuǎn)，M8（主軸冷卻打開），M21 （內(nèi)冷打開），M125（內(nèi)冷壓力檢測(cè)） N720 R0=173.3 R1=94+1.29 R5=30 R6=3 R8=26 *給R0，R1，R5，R6，R8賦值 N730 R71=7368 R72=127 *給R71，R72賦值 N740 L102 *調(diào)用子程序L102 N750 G0 SUPA Z=$AA_SOFTENDPMA_Z-100 D0 SPOS=180 M20 *快速移動(dòng)，Z軸退回安全位置，主軸定位角度180度，M20（吹氣） N760 SIEMENSSIEMENS部分電機(jī)系列：部分電機(jī)系列： 電機(jī)系列