1、五轴联动加工中心 2011 年 7 月11 数控机床概述 .21.1 数控机床的定义 21.2 机床数控技术及组成 31.3 数控机床的加工特点 31.4 数字控制技术与数控机床的产生与发展 41.5 数控机床的分类及其用途 51.6 数控技术发展趋势 82 加工中心概述 .82.1 加工中心的概念 82.2 加工中心的发展史 92.3 加工中心的分类 102.4 加工中心特点 123 五轴联动加工中心 .133.1 五轴联动加工中心的分类 143.2 五轴联动加工中心（工作台摆动式） 163.2.1 旋转运动的实现 173.2.2 直线运动的实现 193.3 刀库及自动换刀装置 213.3.
2、1 刀库形式 213.3.2 自动换刀装置 223.4 加工对象 23参考文献 .26五轴联动加工中心 2011 年 7 月2卧式五轴联动加工中心（工作台摆动式）1 数控机床概述1.1 数控机床的定义数字控制（Numerical Control）是指用数字化信号对机床的运动及其加工过程进行控制的一种技术方法。数控技术是用数字信息对机械运动和工作过程进行控制的技术，是现代化工业生产制造产业的一门新型的发展十分迅速的高技术。数控装备是以数控技术为代表的新技术对传统制造产业和新兴制造产业的渗透形成的机电一体化产品，即所谓的数字化装备。其技术范围所覆盖的领域有：机械制造技术；为电子技术；信息处理、加工
3、、传输技术；自动控制技术；检测监控技术；伺服驱动技术；软件技术等。数控技术及装备是发展新兴高新技术产业和尖端工业（如信息技术及其产业、生物技术及其产业、航空航天等国防工业产业）的使能技术和最基本的装备。在提高生产率、降低成本、保证加工质量和改善工人劳动强度等方面，都有突出优点；特别是在适应机械产品迅速跟新换代、小批量、多品种生产方面，各类数控装备是实现先进制造的关键。数控机床是采用数控技术的机床，或者说是装备了数控系统的机床。国际信息联盟第五技术委员会（International Federation of Information Processing），对数控机床作了如下定义：数控机床是一种
4、装了程序控制系统的机床。该系统能逻辑地处理具有使用代码或其他符号编码指令规定的程序。图 1.1.1五轴联动加工中心 2011 年 7 月31.2 机床数控技术及组成数控技术包括数控系统、数控机床及外围技术，其组成如图 1-1所示。数控机床是典型的数控化设备，它一般由信息载体、计算机数控装置、伺服系统和机床四部分组成，如图 1-2所示。图 1.2.2 数控机床的组成1.3 数控机床的加工特点数控机床是新型的自动化机床，他具有广泛通用性和很高的自动化程度。数控机床是实现柔性自动化最重要的环节，是发展柔性生产的基础。数控机床在加工洗下面的一些零件中更能显示出他的优越性： 小批量 1（200 件以下）
5、而又多次生产的零件； 几何形状复杂的零件； 在加工 2 3中必须进行多种加工的零件； 切削余量大的零件； 必须控制公差 4 5（即公差带范围小）的零件； 工艺设计经常变化的零件； 加工过程 6 7中的错误会造成严重浪费的贵重零件； 需全部检测的零件等。 8数控机床的优点：1) 提高生产率。数控机床能缩短生产准备时间，增加切削加工时间的比率。采用最佳的切削参数和最佳的走刀路线，缩短加工时间，从而提高生产率。图 1.2.1机床数控技术的组成五轴联动加工中心 2011 年 7 月42) 数控机床可以提高零件的加工精度，稳定产品质量。由于它是按照程序自动加工，不需要人工干预，其加工精度还可以利用软件进
6、行校正及补偿。故可以获得比机床本身精度还要高的加工精度和重复精度。3) 有广泛的适应性和较大的灵活性。通过改变程序，就可加工新产品的零件，能够完成很多普通机床难以完成或根本不可能加工的复杂零件表面的加工。4) 可以实现一机多用。一些数控机床，例如加工中心，可以自动换刀。一次装夹后，几乎可以完成零件的全部加工部位的加工，节约了设备和厂房面积。5) 可以进行精确的成本计算和生产精度的安排，加速资金周转，提高经济效益。6) 不需要专用夹具。采用普通的通用夹具就能满足数控加工的要求，节省了专用夹具的设计制造和存放的费用。7) 大大减轻了工人的劳动强度数控机床的缺点：1) 数控机床的初投资及维修技术等费
7、用较高2) 要求管理和操作人员的素质也较高1.4 数字控制技术与数控机床的产生与发展微电子技术、自动信息处理、数据处理以及电子计算机的发展，给自动化带来了新的概念，推动了机械制造自动化的发展。采用数字控制技术进行机械加工的思想，最早是在 20世纪 40年代初提出的。当时，美国北密执安的一个小型飞机工业承包商帕森公司（ParsonsCo.）在制造飞机框架及直升机叶片轮廓用样板时，利用全数字电子计算机对轮廓路径进行数据处理，并考虑了刀具直径对加工路径的影响，提高了加工精度。1949 年帕森公司正式接受美空军委托，在麻省理工学院伺服机构试验室的协助下，开始从事数控机床的研制工作。经过三年时间的研究，
8、于 1952年试制成功世界第一台数控机床试验性样机。这是一台采用脉冲乘法器原理的直线插补三坐标连续控制铣床，这便是数控机床的第一代。1953年，美空军与麻省理工学院协作，开始从事计算机自动编程的研究，这就是创制 APT（Automatically Programmed Tools）自动编程系统的开始。1955 年，美空军花费巨额经费订购了大约 100台数控机床，此后两年，数控机床在美国进入迅速发展阶段，市场上出现了商品化数控机床。1958年，美国克耐杜列克公司（Keaney x，y，z，a ，c; x，y，z，b ，c 三种形式;由二个旋转轴的组合形式来分，大体上有双转台式、转台加上摆头式和双
9、摆头式三种形式。这三种结构形式由于物理上的原因，分别决定了机床的规格大小和加工对象的范围。图 33.1 五轴联动加工中心的分类1) 双 转台结构的五轴联动机床：在加工工件时工件需要在两个旋转方向运动，所以只适合加工小型零件，如小型整体涡轮、叶轮、小型精密模具等，由于结构最为简单，所以相对价格较为低廉，就应用来讲，这是数量最多的一类五轴联动数控机床。如图 1 所示是典型的双转台结构的五轴联动机床，在 B 轴转台上，又叠加了一个 A 轴转盘。图 3.1.1 双转台五轴联动机床五轴联动加工中心 2011 年 7 月152) 转台加上摆头式结构的五轴联动机床：由于转台可以是 a 轴、b 轴或 c轴，摆
10、头也是一样，可以分别是 a 轴、b 轴或 c 轴，所以转台加上摆头式结构的五轴联动机床可以有各种不同的组合，以适应不同的加工对象，如加工汽轮机的叶片，需要 a 轴加上 b 轴，其中 a 轴需要用尾座顶尖配合顶住工件，如果工件较长同时直径又细，则需要两头夹住并且拉伸工件来进行加工，当然这里一个必要条件是两个转台必须严格同步旋转。如需要主轴立、卧转换，工作台只需分度定位，即可简单地配置为立、卧转换的三轴加工中心。由主轴立、卧转换配合工作台分度，对工件实现五面体加工，制造成本降低，又非常实用。也可对工作台设置数控轴，最小分度值 0.001 度，但不作联动，成为立、卧转换的四轴加工中心，适应不同加工要
11、求，价格非常具有竞争力。加工如图 2 所示零件，采用 c轴加上 b 轴，由于工件仅在 c 轴上旋转运动，所以工件可以很小，也可以较大，直径范围可由几十毫米至数千毫米，c 轴转台的直径也可以从100200mm 至 23 m，机床的规格、质量也从几吨至十几吨甚至数十吨。这也是一类应用十分广泛的五轴联动数控机床，其价格居中，随机器规格大小、精度和性能的不同相差很大。3) 双摆头式结构的五轴联动机床：摆头中间一般有一个带有松拉刀结构的电主轴，所以双摆头自身的尺寸不容易做小，一般在 400500 mm 左右，加上双摆头活动范围的需要，所以双摆头结构的五轴联动机床的加工范围不宜太小，而是越大越好，一般为龙
12、门式或动梁龙门式，龙门的宽度在 20003 000 mm 以上为好。早期的双摆头一般采用可调间隙的蜗轮蜗杆结构或者可消除间隙的齿轮结构，机器的性能（刚性和精密度）往往由双摆头传动链的刚性来决定，即传动齿轮的间隙一定是负值，传动齿轮在一定弹性变形状态下工作，其变形量的大小取决于该传动环节的预加载荷。图 3 为西班牙式双摆铣头，采用齿轮传动和鼠牙盘定位结构，刚性远好于一般的双摆铣头，特别适合五面体的高效加工。比较新的五轴联动机床旋转轴的结构一般采用所谓“零传动”技术的扭矩电机，如瑞士的米克朗、德国的德马吉等著名五轴联动加工中心品牌。零传动技术在旋转轴中的应用，也许是解决其传动链刚性和精度的最理想的
13、技术路线，随着技术的发展，扭矩电机的制造成本大大下降，市场价格也随之下降，这一进程将促使五轴联动机床的制造技术大大地前进一步。图 3.1.2 C轴+B 轴五轴机床五轴联动加工中心 2011 年 7 月16图 3.1.3 双摆头结构的五轴联动机床3.2 五轴联动加工中心（工作台摆动式）图 3.2.1 原理图五轴联动加工中心 2011 年 7 月17图 3.2.2 步进电动机采用方案（XYZ+AB）五轴联动卧式加工中心3.2.1 旋转运动的实现1) 步进电机步进电机由转子和定子两部分组成。转子和定子均由带齿的硅钢片叠成。定子上有绕组分为若干相，每相磁极上有极齿。当某相定子绕组通以直流电压激磁后，便
14、吸引转子，使转子上的齿与该相定子的齿对齐，令转子转动一定的角度，依次向定子绕组轮流激磁，会使转子连续旋转。步进电机的定子可以做成三、四、五、六相甚至做成八相，各相绕组可在定子上径向排列，也可在定子的轴向上分段排列。2) 交流伺服电机直流伺服电机具有优良的调速性能，但却存在一些固有的缺点，如它的电刷和换向器易磨损，需要经常维护；由于换向器换向时会产生火花，使电动机的最高转速受到限制，也使应用环境受到限制；而且直流电动机的结构复杂，制造困难，所用铜铁材料消耗大，制造成本高。而交流伺服电机没有上述缺点，且转子惯量较直流电动机小，使得动态响应特性好。一般来说，在同样体积下，交流伺服电图 3.2.3 交
15、流伺服电机五轴联动加工中心 2011 年 7 月18机的输出功率可比直流伺服电机提高 10% 70%。另外，交流伺服电机的容量比直流伺服电机大，可达到更高的电压和转速。从 20世纪 80 年代以来，交流伺服电机广泛用于数控机床上，并取代了直流伺服电机。在交流伺服系统中采用同步型交流伺服电机和异步型交流感应伺服电机。交流异步（感应）伺服电机结构简单，制造容量大，主要用在主轴驱动系统中。交流同步伺服电机可方便地获得与频率成正比的可变速度，可以得到非常硬的机械特性和很宽的调速范围，在电源电压和频度固定不变时，它的转速是稳定不变的。它主要应用在进给驱动系统中。步进电机与交流伺服电机性能对比分析（1）
16、控制精度不同。两相混合式步进电机步距角一般为 3.6或 1.8, 五相混合式步进电机步距角一般为 0.72或 0.36，也有一些高性能的步角细分步进电机步距角更小。交流伺服电机的控制精度由电机轴后端的旋转编码器保证。以松下全数字式交流伺服电机为例，对于带标准 2500 线编码器的电机而言，由于驱动器采用了 4 倍频技术，脉冲当量为 0.036。对于带 17 位编码器的电机而言，驱动器每接收 131072 个脉冲， 电机转一圈，其脉冲当量为 0.003，是步距角为 1.8的步进电机脉冲当量的 1/655。（2） 低频特性不同。步进电机在低速时易出现低频振动现象。振动频率与负载情况和驱动器性能有关
17、，一般认为振动频率为电机空载起跳频率的 1/2。这种由步进电机的工作原理所决定的低频振动现象，对于机器的正常运转非常不利。当步进电机工作在低速时，一般应采用阻尼技术来克服低频振动现象，比如在电机上加阻尼器，或驱动器上采用细分技术等。交流伺服电机运转非常平稳，即使在低速时也不会出现振动现象。交流伺服系统具有共振抑制功能，可涵盖机械的刚性不足，并且系统内部具有频率解析机能（FFT） ，可检测出机械的共振点，便于系统调整。（3）矩频特性不同步进电机的输出力矩随转速升高而下降，且在较高转速时会急剧下降，所以其最高工作转速一般在 300 600r/min。交流伺服电机为恒力矩输出，即在其额定转速（一般为
18、 20003000r/min ）以内，都能输出额定转矩，在额定转速以上为恒功率输出。（4）过载能力不同步进电机一般不具有过载能力；交流伺服电机具有较强的过载能力。以松下交流伺服系统为例，其具有速度过载和转矩过载能力，最大转矩为额定转矩的 3 倍，可用于克服惯性负载在启动瞬间的惯性力矩。步进电机因为没有这种过载能力，在选型时为了克服这种惯性力矩，往往需要选取较大转矩的电机，而机器在正常工作期间又不需要那么大的转矩，便出现了力矩浪费的现象。五轴联动加工中心 2011 年 7 月19（5）运行性能不同步进电机的控制为开环控制，启动频率过高或负载过大易出现丢步或堵转的现象；停止时转速过高易出现过冲的现
19、象。所以，为保证其控制精度，应处理好升、降速问题。交流伺服驱动系统为闭环控制，驱动器可直接对电机编码器反馈信号进行采样，内部构成位置环和速度环一般不会出现步进电机的丢步或过冲的现象，控制性能更为可靠。（6）速度响应性能不同步进电机从静止加速到工作转速（一般为每分钟几百转）需要200400ms 。交流伺服系统的加速性能较好，以松下 MSMA 400W 交流伺服电机为例，从静止加速到额定转速 3000r/min 仅需几毫秒，可用于要求快速启停的控制场合。综上分析比较，本方案中摇篮式摆动和转动时需要大扭矩，故采用永磁交流同步伺服电机驱动，步进电机虽然控制方式简单，但是带负载能力不强，故在此不采用。3
20、.2.2 直线运动的实现1) 直线电机原理：一种将电能直接转换成直线运动机械能，而不需要任何中间转换机构的传动装置。它可以看成是一台旋转电机按径向剖开，并展成平面而成。直线电机是将传统圆筒型电机的初级展开拉直，变初级的封闭磁场为开放磁场，而旋转电机的定子部分变为直线电机的初级，旋转电机的转子部分变为直线电机的次级。在电机的三相绕组中通入三相对称正弦电流后，在初级和次级间产生气隙磁场，气隙磁场的分布情况与旋转电机相似，沿展开的直线方向呈正弦分布。当三相电流随时间变化时，使气隙磁场按定向相序沿直线移动，这个气隙磁场称为行波磁场。当次级的感应电流和气隙磁场相互作用便产生了电磁推力，如果初级是固定不动
21、的，次级就能沿着行波磁场运动的方向做直线运动。即可实现高速机床的直线电机直接驱动的进给方式，把直线电机的初级和次级分别直接安装在高速机床的工作台与床身上。由于这种进给五轴联动加工中心 2011 年 7 月20传动方式的传动链缩短为 0，被称为机床进给系统的“零传动” 。优点：传统直线伺服机构是旋转电机加滚珠丝杠，直线电机直接驱动系统取消了中间传动环节，简化了机械结构，具有优越的加减速特性，并提高了系统刚度与可靠性，同时具有降低运行噪声、行程无限制、维护简单等优点。高速动态响应性。一般来讲机械传动件比电气元器件的动态响应时间要大几个数量级。由于直线电机直接驱动系统中取消了一些响应时间常数较大的机
22、械传动件（如丝杠） ，使整个闭环控制系统的动态响应性能大大提高，反应异常灵敏快捷。高精度性。由于取消了丝杠等机械传动机构，减少了插补时因传动系统滞后带来的跟踪误差。通过直线位置检测反馈控制，可大大提高机床的定位精度。传动刚度高、推力平稳。 “零传动”提高了其传动刚度。同时直线电动机的布局可根据机床导轨的型面结构及其工作台运动时的受力情况来布置，通常设计成均布对称，从而使其运动推力平稳。速度快、加减速过程短。直线电动机最早主要用于悬磁浮列车（时速可达 500 km/h ） ，现在用于机床进给驱动中，要满足其超高速切削的最大进给速度（要求达 60m/min 100m/min 或更高）是没问题的。也
23、由于“零传动”的高速响应性，使其加减速过程大大缩短，从而实现启动时瞬间达到高速，高速运行时又能瞬间停止。加速度一般可达到 2g 10g。行程长度不受限制。在导轨上通过串联直线电动机的定件，就可无限延长动件的行程长度。运行时噪声低。由于取消了传动丝杠等部件的机械摩擦，而其导轨副又可采用滚动导轨或磁垫悬浮导轨（无机械接触） ，使运动噪声大大下降。效率高。由于无中间传动环节，也就取消了其机械摩擦时的能量损耗。2) 滚珠丝杠螺母副滚珠丝杠螺母副是回转运动与直线运动相互转换的一种新型传动装置，在数控机床上得到了广泛的应用。它的结构特点是在具有螺旋槽的丝杠螺母间装有滚珠，使丝杠与螺母之间的运动成为滚动，以
24、减少摩擦。滚珠丝杠螺母副的工作原理：如图所示，丝杠和螺母上都加工有圆弧形的螺旋槽，它们对合起来就形成了螺旋滚道。在滚道内装有滚珠当丝杠与螺母相对运动时，滚珠沿螺旋槽向前滚动，在丝杠上滚过数圈以后通过回程引导装置，逐个地又滚回到丝杠五轴联动加工中心 2011 年 7 月21与螺母之间，构成一个闭合的回路。由于丝杠螺母中存在间隙，使传动精度不易保证，因此选用直线电机3.3 刀库及自动换刀装置刀库主要是提供储刀位置，并能依程式的控制，正确选择刀具加以定位，以进行刀具交换；换刀机构则是执行刀具交换的动作。刀库必须与换刀机构同时存在，若无刀库则加工所需刀具无法事先储备；若无换刀机构，则加工所需刀具无法自
25、刀库依序更换，而失去降低非切削时间的目的。此二者在功能及运用上相辅相成缺一不可。刀库形式图 3.2.4图 3.3.1 刀库的形式五轴联动加工中心 2011 年 7 月22刀库有多种形式，加工中心常用的有盘式、链式两种。盘式结构中，刀具可以沿主轴轴向、径向、斜向安放。分别如图 3.3.1a、3.3.1b、3.3.1c 所示。刀具轴向安装的结构最为紧凑，但为了换刀时刀具和主轴同向，有的刀库中的刀具需在换刀位置作 90 度翻转。在刀库容量较大时，为了存取方便的同时保持结构紧凑，可采取弹仓式结构，如图 3.3.1d。目前大量刀库安装在机床立柱的顶面或侧面。在刀库容量较大时，也有安装在单独的地基上，以隔
26、离刀具转动锁引起的振动。链式刀库的基本结构如图 3.3.1e 所示，通常刀具容量比盘式的要大，结构也比较灵活。可以采用加长链带的方式加大刀库的容量，也可采用链带折叠回绕的方式来提高空间利用率。如图3.3.1g 所示。3.3.2 自动换刀装置装后能尽可能多地完成同一工件不同部位的加工要求，并尽可能减少加工中心的非故障停机时间，达到缩短产品的制造周期，提高产品的加工精度等目标。对自动换刀装置的基本要求主要是结构简单、功能可靠、交换迅速。刀具交换机构完成刀库里的刀（新刀）与主轴上的刀（旧刀）的交换工作。自动换刀装置性能的好坏直接影响加工效率的高低。虽然刀库的种类不同，但换刀的过程是一样的。当自动换刀
27、装置收到换刀指令后，主轴立刻停止转动并准确停至换刀位置，松刀；新刀随着刀库运动到换刀位置，松刀；双臂机械手将新、旧刀具同时抓起，刀具交换台回转到位后，将新、旧两刀分别放置在主轴上和刀库的空位置上；主轴夹紧，并回到最初的加工位置，完成换刀过程。五轴联动加工中心 2011 年 7 月233.4 加工对象五轴联动加工中心适合加工复杂、工序多、要求高、需要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。其加工对象主要有箱体类零件、复杂曲面、异形件、盘套板类零件和特殊加工。1. 箱体类零件箱体类零件一般都需要进行多工位孔隙及平面加工，公差要求较高，特别是形位公差要求较为严格，通常
28、需要经过铣、钻、扩、镗、铰、攻丝等工序，需要刀具较多，在普通机床上加工难度大，需多次装夹、找正，加工精度难以保证。加工箱体类零件时需要工作台多次旋转加工水平方向四个面，用卧式加工中心合适。2. 复杂曲面复杂曲面在机械制造业，特别是航空航天工业中占有重要的地位。复杂曲面采用普通机加工方法是难以甚至无法完成。复杂曲面零件如：各种叶轮、球面、各种曲面成型磨具、螺旋桨以及水下航行器的推进器、以及一些其他形状的自由曲面。这类零件用五轴加工中心最为合适。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。五轴联动加工中心 2011 年 7 月243. 异形件异形件是外
29、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。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。五轴联动加工中心 2011 年 7 月255. 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。五轴联动加工中心 2011 年 7 月26参考文献【1】 沙杰，加工中心结构、调试与维护，机械工业出版社 2003年 2月第1版。【2】曹甜东，数控技术，华中科技大学出版社 2005年 9月第 1版【3】王爱玲、武文革等现代数控机床，国防工业出版社 2009年 3月第 2版【4】百度百科，http:/
