五軸聯動數控加工中心

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1、 五軸聯動加工中心 2011年7月 1 數控機床概述 2 1.1 數控機床的定義 2 1.2 機床數控技術及組成 3 1.3 數控機床的加工特點 3 1.4 數字控制技術與數控機床的產生與發(fā)展 4 1.5 數控機床的分類及其用途 5 1.6 數控技術發(fā)展趨勢 8 2 加工中心概述 8 2.1 加工中心的概念 8 2.2 加工中心的發(fā)展史 9 2.3 加工中心的分類 10 2.4 加工中心特點 12 3 五軸聯動加工中心 13 3.1 五軸聯動加工中心的分類 14 3.2 五軸聯動加工中心（工作臺擺動式） 16 3.2.1 旋轉運動的實現 17 3.2.2 直線

2、運動的實現 19 3.3 刀庫及自動換刀裝置 21 3.3.1 刀庫形式 21 3.3.2 自動換刀裝置 22 3.4 加工對象 23 參考文獻 26 臥式五軸聯動加工中心（工作臺擺動式） 1 數控機床概述 1.1 數控機床的定義 數字控制（Numerical Control）是指用數字化信號對機床的運動及其加工過程進行控制的一種技術方法。 數控技術是用數字信息對機械運動和工作過程進行控制的技術，是現代化工業(yè)生產制造產業(yè)的一門新型的發(fā)展十分迅速的高技術。數控裝備是以數控技術為代表的新技術對傳統(tǒng)制造產業(yè)和新興制造產業(yè)的滲透形成的機電一體化產品，即所謂的數字化裝備。其技

3、術范圍所覆蓋的領域有：機械制造技術；為電子技術；信息處理、加工、傳輸技術；自動控制技術；檢測監(jiān)控技術；伺服驅動技術；軟件技術等。數控技術及裝備是發(fā)展新興高新技術產業(yè)和尖端工業(yè)（如信息技術及其產業(yè)、生物技術及其產業(yè)、航空航天等國防工業(yè)產業(yè)）的使能技術和最基本的裝備。在提高生產率、降低成本、保證加工質量和改善工人勞動強度等方面，都有突出優(yōu)點；特別是在適應機械產品迅速跟新換代、小批量、多品種生產方面，各類數控裝備是實現先進制造的關鍵。 數控機床是采用數控技術的機床，或者說是裝備了數控系統(tǒng)的機床。國際信息聯盟第五技術委員會（International Federation of Informatio

4、n Processing），對數控機床作了如下定義：數控機床是一種裝了程序控制系統(tǒng)的機床。該系統(tǒng)能邏輯地處理具有使用代碼或其他符號編碼指令規(guī)定的程序。 圖1.1.1 1.2 機床數控技術及組成 圖1.2.1機床數控技術的組成 數控技術包括數控系統(tǒng)、數控機床及外圍技術，其組成如圖1-1所示。 數控機床是典型的數控化設備，它一般由信息載體、計算機數控裝置、伺服系統(tǒng)和機床四部分組成，如圖1-2所示。 圖1.2.2 數控機床的組成 1.3 數控機床的加工特點 數控機床是新型的自動化機床，他具有廣泛通用性和很高的自動化程度。數控機床是實現柔性自動化最重要的環(huán)節(jié)，是發(fā)展柔性

5、生產的基礎。數控機床在加工洗下面的一些零件中更能顯示出他的優(yōu)越性：小批量（200件以下）而又多次生產的零件；幾何形狀復雜的零件；在加工中必須進行多種加工的零件；切削余量大的零件；必須控制公差（即公差帶范圍?。┑牧慵?；工藝設計經常變化的零件；加工過程中的錯誤會造成嚴重浪費的貴重零件；需全部檢測的零件等。 數控機床的優(yōu)點： 1) 提高生產率。數控機床能縮短生產準備時間，增加切削加工時間的比率。采用最佳的切削參數和最佳的走刀路線，縮短加工時間，從而提高生產率。 2) 數控機床可以提高零件的加工精度，穩(wěn)定產品質量。由于它是按照程序自動加工，不需要人工干預，其加工精度還可以利用軟件進行校正及補償。

6、故可以獲得比機床本身精度還要高的加工精度和重復精度。 3) 有廣泛的適應性和較大的靈活性。通過改變程序，就可加工新產品的零件，能夠完成很多普通機床難以完成或根本不可能加工的復雜零件表面的加工。 4) 可以實現一機多用。一些數控機床，例如加工中心，可以自動換刀。一次裝夾后，幾乎可以完成零件的全部加工部位的加工，節(jié)約了設備和廠房面積。 5) 可以進行精確的成本計算和生產精度的安排，加速資金周轉，提高經濟效益。 6) 不需要專用夾具。采用普通的通用夾具就能滿足數控加工的要求，節(jié)省了專用夾具的設計制造和存放的費用。 7) 大大減輕了工人的勞動強度 數控機床的缺點： 1) 數控機床的初投資

7、及維修技術等費用較高 2) 要求管理和操作人員的素質也較高 1.4 數字控制技術與數控機床的產生與發(fā)展 微電子技術、自動信息處理、數據處理以及電子計算機的發(fā)展，給自動化帶來了新的概念，推動了機械制造自動化的發(fā)展。 采用數字控制技術進行機械加工的思想，最早是在20世紀40年代初提出的。當時，美國北密執(zhí)安的一個小型飛機工業(yè)承包商帕森公司（ParsonsCo.）在制造飛機框架及直升機葉片輪廓用樣板時，利用全數字電子計算機對輪廓路徑進行數據處理，并考慮了刀具直徑對加工路徑的影響，提高了加工精度。1949年帕森公司正式接受美空軍委托，在麻省理工學院伺服機構試驗室的協助下，開始從事數控機床的研制工

8、作。經過三年時間的研究，于1952年試制成功世界第一臺數控機床試驗性樣機。這是一臺采用脈沖乘法器原理的直線插補三坐標連續(xù)控制銑床，這便是數控機床的第一代。 1953年，美空軍與麻省理工學院協作，開始從事計算機自動編程的研究，這就是創(chuàng)制APT（Automatically Programmed Tools）自動編程系統(tǒng)的開始。1955年，美空軍花費巨額經費訂購了大約100臺數控機床，此后兩年，數控機床在美國進入迅速發(fā)展階段，市場上出現了商品化數控機床。1958年，美國克耐·杜列克公司（Keaney & Trecker Co.）在世界上首先研制成功帶自動換刀裝置的數控機床，稱為“加工中心”。195

9、9年，計算機行業(yè)研制出晶體管元器件，因而數控裝置中廣泛采用晶體管和印制電路板，從而跨入第二代數控時代。同時美國航空工業(yè)協會（AIA）和麻省理工學院發(fā)展APT程序語言。1960年以后，點位控制機床在美國得到迅速發(fā)展，數控技術不僅在機床上得到了實際應用，而且逐步推廣到沖壓機、繞線機、焊接機、火焰切割機、包裝機和坐標測量機等，在程序編制方面，已由手工編程逐步發(fā)展到采用計算機自動編程。除了APT數控語言外，又發(fā)展了許多自動編程語言。 從1960年開始，德國、日本等先進工業(yè)國家都陸續(xù)開發(fā)、生產及使用了數控機床。1965年，出現了小規(guī)模集成電路。由于它體積小、功耗低，使數控系統(tǒng)的可靠性得以進一步提高，數

10、控系統(tǒng)發(fā)展到第三代。以上三代，都是采用專用控制計算機的硬邏輯數控系統(tǒng)。裝有這類數控系統(tǒng)的機床為普通數控機床（簡稱NC機床）。 1967年，英國首先把幾臺數控機床聯接成具有柔性的加工系統(tǒng)，這就是最初的FMS（Flexible Manufacturing System，柔性制造系統(tǒng)）。之后，美、歐、日也相繼進行開發(fā)與應用。隨著計算機技術的發(fā)展，小型計算機的價格急劇下降。小型計算機開始取代專用數控計算機，數控的許多功能由軟件程序實現。這樣組成的數控系統(tǒng)稱為計算機數控系統(tǒng)（CNC）。1970年，在美國芝加哥國際機床展覽會上，首次展出了這種系統(tǒng)，稱為第四代數控。而由計算機直接對許多機床進行控制的控制系

11、統(tǒng)，稱為直接數控系統(tǒng)（DNC）。 1970年前后，美國英特爾公司開發(fā)和使用了微處理器。1974年美、日等國首先研制出以微處理器為核心的數控系統(tǒng)。近20年來，微處理機數控系統(tǒng)的數控機床得到了飛速發(fā)展和廣泛應用，這就是第五代數控系統(tǒng)（MNC）。 20世紀80年代初，國際上又出現了柔性制造單元FMC（Flexible—Manufacturing Cell）。FMC和FMS被認為是實現CIMS（Computer Integrated Manufacturing System，計算機集成制造系統(tǒng)）的必經階段和基礎。 1.5 數控機床的分類及其用途 1) 按工藝用途分類 ? 金屬切削類數控機床,

12、包括數控車床,數控鉆床,數控銑床,數控磨床,數控鏜床發(fā)及加工中心.這些機床都有適 ? 用于單件、小批量和多品種和零件加工，具有很好的加工尺寸的一致性、很高的生產率和自動化程度，以及很高的設備柔性。 ? 金屬成型類數控機床；這類機床包括數控折彎機，數控組合沖床、數控彎管機、數控回轉頭壓力機等。 ? 數控特種加工機床；這類機床包括數控線（電極）切割機床、數控電火花加工機床、數控火焰切割機、數控激光切割機床、專用組合機床等。 ? 其他類型的數控設備；非加工設備采用數控技術，如自動裝配機、多坐標測量機、自動繪圖機和工業(yè)機器人等。 2) 按運動方式分類 ? 點位控制；點位控制數控機床

13、的特點是機床的運動部件只能夠實現從一個位置到另一個位置的精確運動，在運動和定位過程中不進行任何加工工序。如數控鉆床、數按坐標鏜床、數控焊機和數控彎管機等。 ? 直線控制；點位直線控制的特點是機床的運動部件不僅要實現一個坐標位置到另一個位置的精確移動和定位，而且能實現平行于坐標軸的直線進給運動或控制兩個坐標軸實現斜線進給運動。 ? 輪廓控制；輪廓控制數控機床的特點是機床的運動部件能夠實現兩個坐標軸同時進行聯動控制。它不僅要求控制機床運動部件的起點與終點坐標位置，而且要求控制整個加工過程每一點的速度和位移量，即要求控制運動軌跡，將零件加工成在平面內的直線、曲線或在空間的曲面。 3) 按控

14、制方式分類 ? 開環(huán)控制（Open Loop Control System）：特征是系統(tǒng)中沒有檢測反饋裝置，指令信息單方向傳送，并且指令發(fā)出后，不再反饋回來，故稱開環(huán)控制。伺服驅動部件通常為反應式步進電機或混合式伺服步進電機。受步進電動機的步距精度和工作頻率以及傳動機構的傳動精度影響，開環(huán)系統(tǒng)的速度和精度都較低。但由于開環(huán)控制結構簡單，調試方便，容易維修，成本較低，仍被廣泛應用于經濟型數控機床上。典型的開環(huán)數控系統(tǒng)如下圖所示。 圖1.5.1 開環(huán)伺服系統(tǒng)框圖 ? 半閉環(huán)控制系統(tǒng)（Semi-closed Loop Control System）：不直接檢測工作臺的位移量，而是采

15、用轉角位移檢測元件，測出伺服電動機或絲杠的轉角，推算出工作臺的實際位移量，反饋到計算機中進行位置比較，用比較的差值進行控制。由于反饋環(huán)內沒有包含工作臺，故稱半閉環(huán)控制。半閉環(huán)控制精度較閉環(huán)控制差，但穩(wěn)定性好，成本較低，調試維修也較容易，兼顧了開環(huán)控制和閉環(huán)控制兩者的特點，因此應用比 圖1.5.2 半閉環(huán)伺服系統(tǒng)框圖 較普遍。 ? 閉環(huán)控制系統(tǒng)（Closed Loop Control System）：利用安裝在工作臺上的檢測元件將工作臺實際位移量反饋到計算機中，與所要求的位置指令進行比較，用比較的差值進行控制，直到差值消除為止。可見，全閉環(huán)控制系統(tǒng)可以消除機械傳動部件的各種誤差和

16、工件加工過程中產生的干擾的影響，從而使加工精度大大提高。速度檢測元件的作用是將伺服電動機的實際轉速變換成電信號送到速度控制電路中，進行反饋校正，保證電動機轉速保持恒定不變。常用速度檢測元件是測速電動機。全閉環(huán)控制的特點是加工精度高，移動速度快。這類數控機床采用直流伺服電動機或交流伺服電動機作為驅動元件，電動機的控制電路比較復雜，檢測元件價格昂貴。因而調試和維修比較復雜，成本高。 圖1.5.3 閉環(huán)伺服系統(tǒng)框圖 4) 按數控制機床的性能分類 ? 經濟型數控機床 ? 中檔數控機床； ? 高檔數控機床； 1.6 數控技術發(fā)展趨勢 高速、精密、復合、智能和綠色是數控機床技

17、術發(fā)展的總趨勢，近幾年來，在實用化和產業(yè)化等方面取得可喜成績。主要表現在： 1) 機床復合技術進一步擴展隨著數控機床技術進步，復合加工技術日趨成熟，包括銑-車復合、車-銑復合、車-鏜-鉆-齒輪加工等復合，車磨復合，成形復合加工、特種復合加工等，復合加工的精度和效率大大提高。“一臺機床就是一個加工廠”、“一次裝卡，完全加工”等理念正在被更多人接受，復合加工機床發(fā)展正呈現多樣化的態(tài)勢。 2) 智能化技術有新突破數控機床的智能化技術有新的突破，在數控系統(tǒng)的性能上得到了較多體現。如：自動調整干涉防碰撞功能、斷電后工件自動退出安全區(qū)斷電保護功能、加工零件檢測和自動補償學習功能、高精度加工零件智能化參

18、數選用功能、加工過程自動消除機床震動等功能進入了實用化階段，智能化提升了機床的功能和品質。 3) 機器人使柔性化組合效率更高機器人與主機的柔性化組合得到廣泛應用，使得柔性線更加靈活、功能進一步擴展、柔性線進一步縮短、效率更高。機器人與加工中心、車銑復合機床、磨床、齒輪加工機床、工具磨床、電加工機床、鋸床、沖壓機床、激光加工機床、水切割機床等組成多種形式的柔性單元和柔性生產線已經開始應用。 4) 精密加工技術有了新進展數控金切機床的加工精度已從原來的絲級（0.01mm）提升到目前的微米級（0.001mm），有些品種已達到0.05μm左右。超精密數控機床的微細切削和磨削加工，精度可穩(wěn)定達到0.

19、05μm左右，形狀精度可達0.01μm左右。采用光、電、化學等能源的特種加工精度可達到納米級（0.001μm）。通過機床結構設計優(yōu)化、機床零部件的超精加工和精密裝配、采用高精度的全閉環(huán)控制及溫度、振動等動態(tài)誤差補償技術，提高機床加工的幾何精度，降低形位誤差、表面粗糙度等，從而進入亞微米、納米級超精加工時代。 5) 功能部件性能不斷提高功能部件不斷向高速度、高精度、大功率和智能化方向發(fā)展，并取得成熟的應用。全數字交流伺服電機和驅動裝置，高技術含量的電主軸、力矩電機、直線電機，高性能的直線滾動組件，高精度主軸單元等功能部件推廣應用，極大的提高數控機床的技術水平。 2 加工中心概述 2.1 加

20、工中心的概念 加工中心（Machining Center, MC）是目前世界上產量最高、應用最廣泛的數控機床之一。他是適應省力、省時和節(jié)能的時代要求而迅速發(fā)展起來的自動換刀數控機床，是綜合了機械技術、電子技術、計算機軟件技術、電動技術、拖動技術、現代控制理論、測量及傳感技術以及通信診斷、刀具和編程技術的高技術產品。 加工中心綜合加工能力強，工件一次裝夾后能完成較多的加工內容，加工精度較高，就中等加工難度的批量零件，其效率是普通機床的5至10倍，特別是它能完成許多普通機床不能完成的加工對形狀復雜，精度要求高的單價或小批量多品種生產中更為適用。 圖2.1.1 隨著電子技術的發(fā)展，各種性能良

21、好的傳感器的出現和應用，使加工中心的功能日趨完善，這些功能包括:刀具壽命的監(jiān)視功能，刀具磨損和損傷的監(jiān)視功能，切削狀態(tài)的監(jiān)視功能，切削異常的監(jiān)視，報警和自動停機功能，自動檢測和自我診斷功能及自適應控制功能等。加工中心還與載有隨行夾具的自動托板有機連接，并能進行切屑自動處理，使得加工中心以成為柔性制造系統(tǒng)、計算機集成制造系統(tǒng)和自動化工廠的關鍵設備和基本單元。 2.2 加工中心的發(fā)展史 加工中心最初是從數控銑床發(fā)展而來的。第一臺加工中心是1958年由美國卡尼-特雷克公司首先研制成功的。它在數控臥式鏜銑床的基礎上增加了自動換刀裝置，從而實現了工件一次裝夾后即可進行銑削、鉆削、鏜削、鉸削和攻絲等多

22、種工序的集中加工。 ???? 二十世紀70年代以來，加工中心得到迅速發(fā)展，出現了可換主軸箱加工中心，它備有多個可以自動更換的裝有刀具的多軸主軸箱，能對工件同時進行多孔加工。 我國通過“六五”期間引進技術，“七五”期間組織消化吸收“科技攻關”，加工中心的到了大力發(fā)展，取得了相當大的成績。北京機床研究所于1973年研制出了JCS-013型臥式加工中心。1980年該所引進了日本FANUC公司的數控系統(tǒng)制造技術，并投入批量生產，為我國數控機床的進一步發(fā)展準備了先決條件，使我國的加工中心的研制出現了良好的局面。 2.3 加工中心的分類 1) 按主軸加工時的空間位置分類 2 立式加工中心 立

23、式加工中心是指主軸為垂直狀態(tài)的加工中心，如圖2.3.1構形式多為固定立柱，工作臺為長方形，無分度回轉功能，適合加工盤、套、板類零件，它一般具有二個直線運動坐標軸，并可在工作臺上安裝一個沿水平軸旋轉的回轉臺，用以加工螺旋線類零件。 2 臥式加工中心 臥式加工中心指主軸為水平狀態(tài)的加工中心，如圖 2.3.2中心通常都帶有自動分度的回轉工作臺，它一般具有3～5個運動坐標，常見的是三個直線運動坐標加一個回轉運動坐標，工件在一次裝卡后，完成除安裝面和頂面以外的其余四個表面的加工，它最適合加上箱體類零件。與立式加工中心相比較，臥式加工中心加工時排屑容易，對加工有利，但結構復雜，價格較高。 2 龍門式

24、加工中心 龍門式加工中心的形狀與數控龍門銑床相似，如圖2.3.3所示。龍門式加工中心主軸多為垂直設置，除自動換刀裝置以外，還帶有可更換的主軸頭附件，數控裝置的功能也較齊全，能夠一機多用，尤其適用于加工大型工件和形狀復雜的工件。 2 五軸加加工中心 五軸加工中心具有立式加工中心和臥式加工中心的功能，如圖2.3.4所示。五軸加工中心，工件一次安裝后能完成除安裝面以外的其余五個面的加工。常見的五軸加工中心有兩種形式：一種是主軸可以旋轉90 o，對工件進行立式和臥式加工；另一種是主不改變方向，而由工作臺帶著工件旋轉90 o。完成對工件五個表 圖5.3.1 立式加工中心

25、 圖5.3.2 臥式加工中心 圖5.3.3 龍門式加工中心 圖5.3.4 五軸式加工中心 面的加工。 2) 按工藝用途分類 2 鏜銑加工中心 鏜銑加工中心是機械加行業(yè)應用最多的一類加工設備。其加工范圍主要是銑削、鉆削、鏜削，適用于箱體、殼體以及各類復雜零件特殊曲線和曲面的輪廓多工序加工適用于多品種小批量加工 2 鉆削加工中心 鉆削加工中心的加工已鉆削為主，刀庫形式以轉塔式為多，適用于中小零件的鉆孔、擴孔、絞孔、攻螺紋等多工序加工。 2 車削加工中心 車削加工中心以車削為主，主體是數控車床

26、，車床上配有轉塔式刀庫或由換刀機械手或鏈式刀庫組成的的刀庫。 2 復合加工中心 在一臺設備上可以完成車、銑、鏜、鉆等多工序加工的加工中心稱之為復合加工中心，可以替代多臺機床實現多工序加工。這種方法既能減少裝卸的時間提高生產效率，又能保證和提高形位精度。 2.4 加工中心特點 與普通數控機床相比，它具有以下幾個突出特點。 1) 工序集中 加工中心備有刀庫并能自動更換刀具，對工件進行多工序加工，使得工件在一次裝夾后，數控系統(tǒng)能控制機床按不同工序，自動選擇和更換刀具，自動改變機床主軸轉速、進給量和刀具相對工件的運動軌跡，以及其他輔助功能，現代加工中心更大程度地使工件在一次裝夾后實現多表面

27、、多特征、多工位的連續(xù)、高效、高精度加工，即工序集中．這是加工中心最突出的特點。 2) 對加工對象的適應性強 加工中心生產的柔性不僅體現在對特殊要求的快速反應上．而且可以快速實現批量生產，提高市場競爭能力。 3) 加工精度高 加工中心同其他數控機床一樣具有加工精度高的特點，而且加工中心由于加工工序集中，避免了長工藝流程，減少了人為千擾，故加工精度更高，加工質量更加穩(wěn)定。 4) 加工生產率高 零件加工所需要的時間包括機動時間與輔助時間兩部分。加工中心帶有刀庫和自動換刀裝置，在一臺機床上能集中完成多種工序，因而可減少工件裝夾、測量和機床的調整時間，減少工件半成品的周轉、搬運和存放時間，

28、使機床的切削利用率（切削時間和開動時間之比）高于普通機床3～4倍。，達80％以上。 5) 操作者的勞動強度減輕 加工中心對零件的加工是按事先編好的程序自動完成的，操作者除了操作鍵盤、裝卸零件、進行關鍵工序的中間測量以及觀察機床的運行之外，不需要進行繁重的重復性手工操作，勞動強度和緊張程度均可大為減輕，勞動條件也得到很大的改善。 6) 經濟效益高 使用加工中心加工零件時，分攤在每個零件上的設備費用是較昂貴的，但在單件、小批生產的情況下，可以節(jié)省許多其他方面的費用，因此能獲得良好的經濟效益．例如，在加工之前節(jié)省了劃線工時，在零件安裝到機床上之后可以減少調整、加工和檢驗時間，減少了直接生產費

29、用。另外，由于加工中心加工零件不需手工制作模型、凸輪、鉆模板及其他工夾具，省去了許多工藝裝備，減少了硬件投資．還由于加工中心的加工穩(wěn)定，減少了廢品率，使生產成本進一步下降。 7) 有利于生產管理的現代化 用加工中心加工零件，能夠準確地計算零件的加工工時，并有效地簡化了檢驗和工夾具、半成品的管理工作。這些特點有利于使生產管理現代化．當前有許多大型CAD/CAM集成軟件已經開發(fā)了生產管理模塊，實現了計算機輔助生產管理。 加工中心的工序集巾加工方式固然有其獨特的優(yōu)點，但也帶來不少問題，列舉如下。 1) 粗加工后直接進人精加工階段，工件的溫升來不及回復，冷卻后尺寸變動，影響零件精度。 2)

30、工件由毛坯直接加工為成品，一次裝夾中金屬切除量大、幾何形狀變化大，沒有釋放應力的過程，加工完了一段時間后內應力釋放，使工件變形。 3) 切削不斷屑，切屑的堆積、纏繞等會影響加工的順利進行及零件表面質量，甚至使刀具損壞、工件報廢。 4) 裝夾零件的夾具必須滿足既能承受粗加工中大的切削力，又能在精加工中準確定位的要求，而且零件夾緊變形要小。 5) 由于?ATC?的應用，使工件尺寸受到一定的限制，鉆孔深度、刀具長度、刀具直徑及刀具質量也要加以考慮。 3 五軸聯動加工中心 五軸聯動加工中心有高效率、高精度的特點，工件一次裝夾就可完成五面體的加工。如配置五軸聯動的高檔數控系統(tǒng)，還可以對復雜的空

31、間曲面進行高精度加工，更能夠適合越來越復雜的高檔、先進模具的加工以及汽車零部件、飛機結構件等精密、復雜零件的加工。五軸聯動加工中心大多是3+2的結構，即x，y，z三個直線運動軸加上分別圍繞x，y，z軸旋轉的a，b，c三個旋轉軸中的兩個旋轉軸組成。這樣，從大的方面分類，就有x，y，z，a，b; x，y，z，a，c; x，y，z，b，c三種形式;由二個旋轉軸的組合形式來分，大體上有雙轉臺式、轉臺加上擺頭式和雙擺頭式三種形式。這三種結構形式由于物理上的原因，分別決定了機床的規(guī)格大小和加工對象的范圍。 圖3 3.1 五軸聯動加工中心的分類 圖3.1.1 雙轉臺五軸聯動機床 1) 雙

32、轉臺結構的五軸聯動機床：在加工工件時工件需要在兩個旋轉方向運動，所以只適合加工小型零件，如小型整體渦輪、葉輪、小型精密模具等，由于結構最為簡單，所以相對價格較為低廉，就應用來講，這是數量最多的一類五軸聯動數控機床。如圖1所示是典型的雙轉臺結構的五軸聯動機床，在B軸轉臺上，又疊加了一個A軸轉盤。 2) 轉臺加上擺頭式結構的五軸聯動機床：由于轉臺可以是a軸、b軸或c軸，擺頭也是一樣，可以分別是a軸、b軸或c軸，所以轉臺加上擺頭式結構的五軸聯動機床可以有各種不同的組合，以適應不同的加工對象，如加工汽輪機的葉片，需要a軸加上b軸，其中a軸需要用尾座頂尖配合頂住工件，如果工件 圖3.1.2

33、 C軸+B軸五軸機床 較長同時直徑又細，則需要兩頭夾住并且拉伸工件來進行加工，當然這里一個必要條件是兩個轉臺必須嚴格同步旋轉。如需要主軸立、臥轉換，工作臺只需分度定位，即可簡單地配置為立、臥轉換的三軸加工中心。由主軸立、臥轉換配合工作臺分度，對工件實現五面體加工，制造成本降低，又非常實用。也可對工作臺設置數控軸，最小分度值0.001度，但不作聯動，成為立、臥轉換的四軸加工中心，適應不同加工要求，價格非常具有競爭力。加工如圖2所示零件，采用c軸加上b軸，由于工件僅在c軸上旋轉運動，所以工件可以很小，也可以較大，直徑范圍可由幾十毫米至數千毫米，c軸轉臺的直徑也可以從100～200mm至2～3 m

34、，機床的規(guī)格、質量也從幾噸至十幾噸甚至數十噸。這也是一類應用十分廣泛的五軸聯動數控機床，其價格居中，隨機器規(guī)格大小、精度和性能的不同相差很大。 3) 雙擺頭式結構的五軸聯動機床：擺頭中間一般有一個帶有松拉刀結構的電主軸，所以雙擺頭自身的尺寸不容易做小，一般在400～500 mm左右，加上雙擺頭活動范圍的需要，所以雙擺頭結構的五軸聯動機床的加工范圍不宜太小，而是越大越好，一般為龍門式或動梁龍門式，龍門的寬度在2000～3 000 mm以上為好。早期的雙擺頭一般采用可調間隙的蝸輪蝸桿結構或者可消除間隙的齒輪結構，機器的性能（剛性和精密度）往往由雙擺頭傳動鏈的剛性來決定，即傳動齒輪的間隙一定是負值

35、，傳動齒輪在一定彈性變形狀態(tài)下工作，其變形量的大小取決于該傳動環(huán)節(jié)的預加載荷。圖3為西班牙式雙擺銑頭，采用齒輪傳動和鼠牙盤定位結構，剛性遠好于一般的雙擺銑頭，特別適合五面體的高效加工。比較新的五軸聯動機床旋轉軸的結構一般采用所謂“零傳動”技術的扭矩電機，如瑞士的米克朗、德國的德馬吉等著名五軸聯動加工中心品牌。零傳動技術在旋轉軸中的應用，也許是解決其傳動鏈剛性和精度的最理想的技術路線，隨著技術的發(fā)展，扭矩電機的制造成本大大下降，市場價格也隨之下降，這一進程將促使五軸聯動機床的制造技術大大地前進一步。 圖3.1.3 雙擺頭結構的五軸聯動機床 3.2 五軸聯動加工中心（工作臺擺動式）

36、 圖3.2.1 原理圖 采用方案（XYZ+AB）五軸聯動臥式加工中心 1 2 3 3.1 3.2 3.2.1 旋轉運動的實現 圖3.2.2 步進電動機 1) 步進電機 步進電機由轉子和定子兩部分組成。轉子和定子均由帶齒的硅鋼片疊成。定子上有繞組分為若干相，每相磁極上有極齒。當某相定子繞組通以直流電壓激磁后，便吸引轉子，使轉子上的齒與該相定子的齒對齊，令轉子轉動一定的角度，依次向定子繞組輪流激磁，會使轉子連續(xù)旋轉。步進電機的定子可以做成三、四、五、六相甚至做成八相，各相繞組可在定子上徑向排列，也可在定子的軸向上分段排列。 2) 交流伺服電機 圖

37、3.2.3 交流伺服電機 直流伺服電機具有優(yōu)良的調速性能，但卻存在一些固有的缺點，如它的電刷和換向器易磨損，需要經常維護；由于換向器換向時會產生火花，使電動機的最高轉速受到限制，也使應用環(huán)境受到限制；而且直流電動機的結構復雜，制造困難，所用銅鐵材料消耗大，制造成本高。而交流伺服電機沒有上述缺點，且轉子慣量較直流電動機小，使得動態(tài)響應特性好。一般來說，在同樣體積下，交流伺服電機的輸出功率可比直流伺服電機提高10% ~70%。另外，交流伺服電機的容量比直流伺服電機大，可達到更高的電壓和轉速。從20世紀80年代以來，交流伺服電機廣泛用于數控機床上，并取代了直流伺服電機。在交流伺服系統(tǒng)中采用同步

38、型交流伺服電機和異步型交流感應伺服電機。交流異步（感應）伺服電機結構簡單，制造容量大，主要用在主軸驅動系統(tǒng)中。交流同步伺服電機可方便地獲得與頻率成正比的可變速度，可以得到非常硬的機械特性和很寬的調速范圍，在電源電壓和頻度固定不變時，它的轉速是穩(wěn)定不變的。它主要應用在進給驅動系統(tǒng)中。 步進電機與交流伺服電機性能對比分析 （1） 控制精度不同。 兩相混合式步進電機步距角一般為3.6°或1.8°, 五相混合式步進電機步距角一般為0.72°或0.36°，也有一些高性能的步角細分步進電機步距角更小。交流伺服電機的控制精度由電機軸后端的旋轉編碼器保證。以松下全數字式交流伺服電機為例，對于帶標準250

39、0 線編碼器的電機而言，由于驅動器采用了4 倍頻技術，脈沖當量為0.036°。對于帶17 位編碼器的電機而言，驅動器每接收131072個脈沖， 電機轉一圈，其脈沖當量為0.003°，是步距角為1.8°的步進電機脈沖當量的1/655。 （2） 低頻特性不同。 步進電機在低速時易出現低頻振動現象。振動頻率與負載情況和驅動器性能有關，一般認為振動頻率為電機空載起跳頻率的1/2。這種由步進電機的工作原理所決定的低頻振動現象，對于機器的正常運轉非常不利。當步進電機工作在低速時，一般應采用阻尼技術來克服低頻振動現象，比如在電機上加阻尼器，或驅動器上采用細分技術等。交流伺服電機運轉非常平穩(wěn)，即使在低速時

40、也不會出現振動現象。交流伺服系統(tǒng)具有共振抑制功能，可涵蓋機械的剛性不足，并且系統(tǒng)內部具有頻率解析機能（FFT），可檢測出機械的共振點，便于系統(tǒng)調整。 （3）矩頻特性不同 步進電機的輸出力矩隨轉速升高而下降，且在較高轉速時會急劇下降，所以其最高工作轉速一般在300 ～600r/min。交流伺服電機為恒力矩輸出，即在其額定轉速（一般為2000~3000r/min ）以內，都能輸出額定轉矩，在額定轉速以上為恒功率輸出。 （4）過載能力不同 步進電機一般不具有過載能力；交流伺服電機具有較強的過載能力。以松下交流伺服系統(tǒng)為例，其具有速度過載和轉矩過載能力，最大轉矩為額定轉矩的3 倍，可用于克服慣

41、性負載在啟動瞬間的慣性力矩。步進電機因為沒有這種過載能力，在選型時為了克服這種慣性力矩，往往需要選取較大轉矩的電機，而機器在正常工作期間又不需要那么大的轉矩，便出現了力矩浪費的現象。 （5）運行性能不同 步進電機的控制為開環(huán)控制，啟動頻率過高或負載過大易出現丟步或堵轉的現象；停止時轉速過高易出現過沖的現象。所以，為保證其控制精度，應處理好升、降速問題。交流伺服驅動系統(tǒng)為閉環(huán)控制，驅動器可直接對電機編碼器反饋信號進行采樣，內部構成位置環(huán)和速度環(huán)一般不會出現步進電機的丟步或過沖的現象，控制性能更為可靠。 （6）速度響應性能不同 步進電機從靜止加速到工作轉速（一般為每分鐘幾百轉）需要200～

42、400ms。交流伺服系統(tǒng)的加速性能較好，以松下MSMA 400W 交流伺服電機為例，從靜止加速到額定轉速3000r/min僅需幾毫秒，可用于要求快速啟停的控制場合。 綜上分析比較，本方案中搖籃式擺動和轉動時需要大扭矩，故采用永磁交流同步伺服電機驅動，步進電機雖然控制方式簡單，但是帶負載能力不強，故在此不采用。 1 2 3 3.1 3.2 3.2.1 3.2.2 直線運動的實現 1) 直線電機 原理：一種將電能直接轉換成直線運動機械能，而不需要任何中間轉換機構的傳動裝置。它可以看成是一臺旋轉電機按徑向剖開，并展成平面而成。 直線電機是將傳統(tǒng)圓筒型電機的初級展開拉直，變初

43、級的封閉磁場為開放磁場，而旋轉電機的定子部分變?yōu)橹本€電機的初級，旋轉電機的轉子部分變?yōu)橹本€電機的次級。在電機的三相繞組中通入三相對稱正弦電流后，在初級和次級間產生氣隙磁場，氣隙磁場的分布情況與旋轉電機相似，沿展開的直線方向呈正弦分布。當三相電流隨時間變化時，使氣隙磁場按定向相序沿直線移動，這個氣隙磁場稱為行波磁場。當次級的感應電流和氣隙磁場相互作用便產生了電磁推力，如果初級是固定不動的，次級就能沿著行波磁場運動的方向做直線運動。即可實現高速機床的直線電機直接驅動的進給方式，把直線電機的初級和次級分別直接安裝在高速機床的工作臺與床身上。由于這種進給傳動方式的傳動鏈縮短為0，被稱為機床進給系統(tǒng)的“

44、零傳動”。 優(yōu)點：傳統(tǒng)直線伺服機構是旋轉電機加滾珠絲杠，直線電機直接驅動系統(tǒng)取消了中間傳動環(huán)節(jié)，簡化了機械結構，具有優(yōu)越的加減速特性，并提高了系統(tǒng)剛度與可靠性，同時具有降低運行噪聲、行程無限制、維護簡單等優(yōu)點。 ①高速動態(tài)響應性。一般來講機械傳動件比電氣元器件的動態(tài)響應時間要大幾個數量級。由于直線電機直接驅動系統(tǒng)中取消了一些響應時間常數較大的機械傳動件（如絲杠），使整個閉環(huán)控制系統(tǒng)的動態(tài)響應性能大大提高，反應異常靈敏快捷。 ②高精度性。由于取消了絲杠等機械傳動機構，減少了插補時因傳動系統(tǒng)滯后帶來的跟蹤誤差。通過直線位置檢測反饋控制，可大大提高機床的定位精度。 ③傳動剛度高、推力平穩(wěn)?！?/p>

45、零傳動”提高了其傳動剛度。同時直線電動機的布局可根據機床導軌的型面結構及其工作臺運動時的受力情況來布置，通常設計成均布對稱，從而使其運動推力平穩(wěn)。 ④速度快、加減速過程短。直線電動機最早主要用于懸磁浮列車（時速可達500 km/h ），現在用于機床進給驅動中，要滿足其超高速切削的最大進給速度（要求達60m/min～ 100m/min或更高）是沒問題的。也由于“零傳動”的高速響應性，使其加減速過程大大縮短，從而實現啟動時瞬間達到高速，高速運行時又能瞬間停止。加速度一般可達到2g～10g。 ⑤行程長度不受限制。在導軌上通過串聯直線電動機的定件，就可無限延長動件的行程長度。 ⑥運行時噪聲低。由

46、于取消了傳動絲杠等部件的機械摩擦，而其導軌副又可采用滾動導軌或磁墊懸浮導軌（無機械接觸），使運動噪聲大大下降。 ⑦效率高。由于無中間傳動環(huán)節(jié)，也就取消了其機械摩擦時的能量損耗。 2) 滾珠絲杠螺母副 滾珠絲杠螺母副是回轉運動與直線運動相互轉換的一種新型傳動裝置，在數控機床上得到了廣泛的應用。它的結構特點是在具有螺旋槽的絲杠螺母間裝有滾珠，使絲杠與螺母之間的運動成為滾動，以減少摩擦。 滾珠絲杠螺母副的工作原理：如圖所示，絲杠和螺母上都加工有圓弧形的螺旋槽，它們對合起來就形成了螺旋滾道。在滾道內裝有滾珠當絲杠與螺母相對運動時，滾珠沿螺旋槽向前滾動，在絲杠上滾過數圈以后通過回程引導裝置，

47、逐個地又滾回到絲杠 圖3.2.4 與螺母之間，構成一個閉合的回路。 由于絲杠螺母中存在間隙，使傳動精度不易保證，因此選用直線電機 3.3 刀庫及自動換刀裝置 刀庫主要是提供儲刀位置，并能依程式的控制，正確選擇刀具加以定位，以進行刀具交換；換刀機構則是執(zhí)行刀具交換的動作。刀庫必須與換刀機構同時存在，若無刀庫則加工所需刀具無法事先儲備；若無換刀機構，則加工所需刀具無法自刀庫依序更換，而失去降低非切削時間的目的。此二者在功能及運用上相輔相成缺一不可。 圖3.3.1 刀庫的形式 3.3 3.3 3.3.1 刀庫形式 刀庫有多種形式，加工中心常用的有盤式、鏈式兩種。 盤式結

48、構中，刀具可以沿主軸軸向、徑向、斜向安放。分別如圖3.3.1a、3.3.1b、3.3.1c所示。刀具軸向安裝的結構最為緊湊，但為了換刀時刀具和主軸同向，有的刀庫中的刀具需在換刀位置作90度翻轉。在刀庫容量較大時，為了存取方便的同時保持結構緊湊，可采取彈倉式結構，如圖3.3.1d。目前大量刀庫安裝在機床立柱的頂面或側面。在刀庫容量較大時，也有安裝在單獨的地基上，以隔離刀具轉動鎖引起的振動。 鏈式刀庫的基本結構如圖3.3.1e所示，通常刀具容量比盤式的要大，結構也比較靈活?？梢圆捎眉娱L鏈帶的方式加大刀庫的容量，也可采用鏈帶折疊回繞的方式來提高空間利用率。如圖3.3.1g所示。 3.3.2

49、自動換刀裝置 裝后能盡可能多地完成同一工件不同部位的加工要求，并盡可能減少加工中心的非故障停機時間，達到縮短產品的制造周期，提高產品的加工精度等目標。對自動換刀裝置的基本要求主要是結構簡單、功能可靠、交換迅速。刀具交換機構完成刀庫里的刀（新刀）與主軸上的刀（舊刀）的交換工作。自動換刀裝置性能的好壞直接影響加工效率的高低。雖然刀庫的種類不同，但換刀的過程是一樣的。當自動換刀裝置收到換刀指令后，主軸立刻停止轉動并準確停至換刀位置，松刀；新刀隨著刀庫運動到換刀位置，松刀；雙臂機械手將新、舊刀具同時抓起，刀具交換臺回轉到位后，將新、舊兩刀分別放置在主軸上和刀庫的空位置上；主軸夾緊，并回到最初的加工位

50、置，完成換刀過程。 3.4 加工對象 五軸聯動加工中心適合加工復雜、工序多、要求高、需要多種類型的普通機床和眾多刀具夾具，且經多次裝夾和調整才能完成加工的零件。其加工對象主要有箱體類零件、復雜曲面、異形件、盤套板類零件和特殊加工。 1. 箱體類零件 箱體類零件一般都需要進行多工位孔隙及平面加工，公差要求較高，特別是形位公差要求較為嚴格，通常需要經過銑、鉆、擴、鏜、鉸、攻絲等工序，需要刀具較多，在普通機床上加工難度大，需多次裝夾、找正，加工精度難以保證。加工箱體類零件時需要工作臺多次旋轉加工水平方向四個面，用臥式加工中心合適。 2. 復雜曲面 復雜曲面在機械制造業(yè)，特別是航空

51、航天工業(yè)中占有重要的地位。復雜曲面采用普通機加工方法是難以甚至無法完成。復雜曲面零件如：各種葉輪、球面、各種曲面成型磨具、螺旋槳以及水下航行器的推進器、以及一些其他形狀的自由曲面。這類零件用五軸加工中心最為合適。銑刀作包絡面來逼近球面。復雜曲面用加工中心加工時，編程工作量較大，大多數要有自動編程技術。 3. 異形件 異形件是外形不規(guī)則的零件，大都需要點、線、面多工位混合加工。異形件的剛性一般較差，夾壓變形難以控制，加工精度也難以保證，甚至某些零件的有的加工部位用普通機床難以完成。用加工中心加工時應采用合理的工藝措施，一次或二次裝夾，利用加工中心多工位點、線、面混合加工的特點，

52、完成多道工序或全部的工序內容。 4. 盤套板類零件 帶有鍵槽，或徑向孔，或端面有分布的孔系，曲面的盤套或軸類零件，如帶法蘭的軸套，帶鍵槽或方頭的軸類零件等，還有具有較多孔加工的板類零件，如各種電機蓋等。端面有分布孔系、曲面的盤類零件宜選擇立式加工中心，有徑向孔的可選臥式加工中心。 5. 特殊加工 在熟練掌握了加工中心的功能之后，配合一定的工裝和專用工具，利用加工中心可完成一些特殊的工藝工作，如在金屬表面上刻字、刻線、刻圖案；在加工中心的主軸上裝上高頻電火花電源，可對金屬表面進行線掃描表面淬火；用加工中心裝上高速磨頭，可實現小模數漸開線圓錐齒輪磨削及各種曲線、曲面的磨削等。 參考文獻 【1】 沙杰，《加工中心結構、調試與維護》，機械工業(yè)出版社2003年2月第1版。 【2】曹甜東，《數控技術》，華中科技大學出版社2005年9月第1版 【3】王愛玲、武文革等《現代數控機床》，國防工業(yè)出版社2009年3月第2版 【4】百度百科， 28