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第4章 设备自动化技术4.1 数控技术及数控机床4.1.1 概述世界机床技术的发展分三大阶段：（1）17691930年的小量零星生产用普通机床；（2）19301952年大量大批生产用高效自动化机床、自动线；（3）1952迄今多品种、中小批量、柔性生产用数控机床。作为人类发展工业必不可少的复杂生产工具，机床技术的发展是人类知识、经验和科技成果的结晶。数控机床和数控技术是微电子技术与传统机械技术相结合的产物。它根据机械加工的工艺要求，使用计算机技术对整个加工过程进行信息处理与控制，实现生产过程的自动化、柔性化。较好地解决了复杂、精密、多品种、小批量机械零件加工问题，为典型多品种、单件小批量生产零件的精密加工提供了优良的技术条件，是一种灵活、通用、高效的自动化机床。从第一台数控机床的诞生，数控技术便在工业界引发了一场不小的革命。近年来，数控机床更是日趋完善，具体有以下特点：（1）不断改善和扩展以高精、高速、高效为代表的功能通过采用64 位RISC控制功能和交流伺服系统、提高元件的分辩率、主轴速度和进给速度、改善插补功能达到此目标。（2）开放结构系统的发展所谓开放是指系统内部数据可与外部的控制设备互相控制。（3）采用新元件、新工艺如新的集成半导体电路、超薄型液晶显示器、光纤等。（4）改善和发展伺服技术在完善交流伺服主轴电机的同时，主要发展高速主轴电机、直线进给电机。（5）采用通讯技术CNC技术使FMS、CIMS成为可能，FMS、CIMS的发展反过来要求CNC系统应具有通讯、连网功能，以便实现CIMS环境下的信息集成和系统管理，现代CNC系统一般都具有通讯的串行口和DNC接口4.1.2 NC与CNC的定义数字控制（Numerical Control）：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方法，简称为数控（NC）。数控机床（NC Machine）：采用了数控技术的机床，或者是装备了数控系统的机床。国际信息处理联盟（International Federation of Information Processing，简称IFIP）第五技术委员会对数控机床作了如下定义：数控机床是一种装有程序控制系统的机床，该系统能逻辑地处理具有特定代码或其他符号编码指令规定的程序。数控系统（NC System）：就是上述定义中所指的程序控制系统，能自动阅读输入载体上事先给定的程序，并将其译码，从而控制机床运动和加工零件过程。计算机数控系统（Computerized Numerical Control System）是一种数控系统，由装有数控系统程序的专用计算机、输入输出设备、可编程序控制器（PLC）、存储器、主轴驱动及进给驱动装置等部分组成。习惯上称为CNC系统。4.1.3 数控机床系统基本构成加工程序输入装置数控系统伺服系统辅助控制装置机床检测装置图4-1 数控机床的基本构成数控机床基本结构如图4-1所示，包括加工程序、输入装置、数控系统、伺服系统、辅助控制装置、检测装置及机床本体等几部分。数控机床完成的基本动作主要有：（1）主轴运动： 和普通机床一样，主运动主要完成切削任务，其动力约占整个机床动力的70%-80%。基本控制是主轴的正、反转和停止，可自动换挡及无级调速。对加工中心和有些数控车床还必须具有定向控制和C轴控制。（2）进给运动： 数控机床区别与普通机床最根本的地方，即用电气驱动替代了机械驱动，数控机床的进给运动是有进给伺服系统完成。伺服系统包括伺服驱动装置、伺服电动机、进给传动练及位置检测装置。（3）输入/输出（I/O） 数控系统对加工程序处理后输出的控制信号除了对进给运动轨迹进行连续控制外，还要对机床的各种状态进行控制。这些状态控制包括主轴的变速控制，主轴的正、反转及停止，冷却和润滑装置的起动和停止，刀具自动交换，工件夹紧和放松及分度工作台转位等。国际标准ISO4336-1981(E)机床数字控制-数控装置和数控机床电气设备之间的接口规范规定，将数控接口分为下列四类：I类： 与驱动命令有关的连接电路，主要指与坐标轴进给驱动和主轴驱动的连接电路。II类： 数控装置与测量系统和测量传感器之间的连接电路。III类： 电源及保护电路。IV类： 开/关信号和代码信号连接电路。4.1.4 数控机床的分类数控机床的种类很多，按不同的分类方法可以分成不同类别，归纳起来主要有以下几种分类方式。（1）运动轨迹分类。可分为点位控制系统、直线控制系统、轮廓控制系统。点位控制系统控制刀具相对于工件定位点的坐标位置，对定位移动的轨迹无要求，在定位移动过程中不进行切削加工，如数控钻床、数控坐标镗床等。直线控制系统是指能控制刀具或工作台以给定的速度，沿平行于某一坐标轴方向进行直线切削加工的控制系统，如数控车床、数控镗铣床和加工中心等。轮廓控制系统也称为连续控制系统，它能对两个或两个以上的坐标轴同时进行连续控制，在加工过程中，需要不断进行插补运算，然后进行相应的速度和位移控制。这类数控机床的功能比较完善。（2）按用途分类。可分为金属切削类、金属成型类数控机床和数控特种加工机床。金属切削类主要有数控车、铣、钻、镗、磨等机床。金属成型类主要有数控折弯机、弯管机和压力机等。特种加工数控主要有数控线切割机床、电火花加工机床和激光加工机床等。（3）按进给伺服控制系统分类。它可以分为开环伺服系统、闭环伺服系统和半闭环伺服系统。开环伺服系统对执行机构不进行位置检测，多采用步进电机或电液脉冲马达作为伺服驱动元件，其控制精度较低。闭环伺服系统通过检测工作台的实际移动位移，并将其反馈回伺服控制系统，控制系统通过与理想值相比较，从而调整工作台的位移偏差。这种方式控制精度高、速度快，但系统复杂、成本高。半闭环伺服系统与闭环伺服系统的区别在于检测装置是检测伺服电机的转角而不是工作台的实际位置。它的构造成本比闭环伺服系统要低、调试容易些，精度比开环伺服系统高。（4）按数控装置分类。分为硬线数控系统和软线数控系统。硬线数控系统由专用的固定组合逻辑电路实现，其灵活性差、制造成本高，现在基本不采用。软线数控使用小型或微型计算机和一些通用或专用的集成电路构成，其主要功能由软件实现，系统的适应性强、利用率高、构造成本相对较低。4.1.5 数控机床的基本技术1.数控编程技术 1） 数控编程概念数控编程是指从确定零件加工工艺路线到制成控制介质的整个过程，而生成一定格式的加工程序单。数控程序作为数控机床加工零件的指令集，起直接影响零件加工的质量、生产效率和生产成本。数控编程过程中首先需考虑的问题是要满足零件加工的要求，能加工出符合图样的合格零件，同时也应该考虑生产效率和制造成本尽量的优化，充分发挥数控机床的功能。一般来说，数控编程过程主要包括：零件图样分析、工艺处理、数学处理、程序编制、控制介质制作和程序校核试切等过程，如图4-2所示。工艺处理数学处理图样分析编写程序程序校核试切零件图纸不合格合格数控系统图4-2 数控编程过程·其具体步骤如下：（1）分析零件图样。分析零件的材料、形状、尺寸、精度、批量要求以及毛坯形状和热处理要求等，在此基础上明确加工内容要求，确定加工方案。（2）工艺处理。主要包括选择合适的数控机床、设计夹具、选择刀具、确定合理的走刀路线及选择合理的切削用量等。工艺处理实际上设计的问题很多，例如夹具要尽量安装使用方便，装夹的次数尽可能少；编程原点和坐标系的选择应使编程简化，引起的加工误差小；选择合理的走刀路线和切削量，尽量减少空切，保证加工过程的安全等等。（3）数学处理。根据零件图纸和确定的加工路线，计算出数控机床所需要的输入数据，数学处理的复杂程度取决于零件的复杂程度和数控装置的选择。当零件形状比较复杂，数控装置的插补功能不强时，可借助计算机完成相应的任务。（4）程序编制和输入介质准备。根据数学处理计算出数据和确定的加工用量，编制相应的数控代码，并根据数控装置对输入信息的要求，制作相应的输入介质。穿孔纸带是过去常用的输入介质，但随着计算机技术在数控系统中普遍使用，数控代码可以直接存放在计算机的储存设备上，大大方便了程序编制和修改。（5）程序校核试切。生成的数控代码进行试切验证，如果加工的零件合格，则可以进行数控加工，如果试加工的零件达不到图纸规定的要求，应该分析原因，返回前面适当的步骤进行修改，直到满足要求为止。2） 编程方法数控编程方法主要有手工编程、自动编程、面向车间的编程（Workshop Oriented Programming, WOP）和CAD/CAM集成系统的数控编程。（1）手工编程。是指编制零件数控加工程序的各个步骤，即零件图样分析、工艺处理、数学处理、程序编制和输入介质准备直至程序的检验等过程，均有由人工完成的。对于几何形状不太复杂的零件，计算比较简单，程序段不多，采用手工编程容易实现。但对于具有复杂空间曲面轮廓的零件，计算繁琐、程序量大、难校对，甚至无法手工编制出控制程序。（2）自动编程。使用计算机编制数控加工程序，自动地输出零件加工程序及自动制作控制介质过程称自动编程。在国外，自动编程语言最先由美国麻省理工学院在1995年研制成功的APT（Automatically Programmed Tool，APT）系统，APT语言是对工件、刀具的几何形状以及刀具相对于工件的运动等进行定义时所用的符号语言。使用APT语言书写零件加工程序，经过APT语言编译系统编译可生成刀位文件，进行数控后置处理，能自动产生数控系统能接受的零件加工程序。在此基础上发展起来还有日本的FAPT、德国的EXAPT等。国内开发的自动编程工具主要有SKC-1，ZCX-1等。（3）面向车间的数控编程（WOP）。它介于手工编程和自动编程之间的一种编程方法。它可借助计算机完成一些复杂的数学处理工作，并提供人机交互界面，让编程人员可以方便的融入自己实际的加工经验。它在很大程度上减轻了编程人员的强度，提供了编程效率。（4）CAD/CAM集成系统数控编程。它以待加工零件的CAD模型为基础的一种集加工工艺规划及数控编程为一体的自动编程方法。而适用于数控编程的CAD模型主要有表面模型（Surface Model）和实体模型（Solid Model），其中表面模型应用得最为广泛。其编程的过程一般包括刀具定义和选择、刀具相对于零件表面运动方式的定义、切削参数的选择、走刀轨迹的生成、加工过程动态仿真、程序效验和后置处理等。目前流行的CAD软件，如Solidwork、UGII、Pre/E、I-deas等，都具有的数控编程模块，而更专业的数控编程CAD软件有MasterCAM、SurfCAM等，它们的设计绘图功能相对来说要弱一些，而更侧重于数控编程。2.数控机床插补原理在数控加工过程中，加工对象的轮廓种类很多。对于一些复杂的高次空间轮廓曲面，其刀具轨迹的计算非常复杂，计算量很大，难以满足数控加工的适时性要求。因此在实际应用中，采用小段直线或圆弧（有些场合，使用抛物线、螺旋线甚至三次样条等高次曲线）对加工对象的轮廓曲面进行插补（也可理解为曲面拟合）。一般来说，对两坐标联动，有直线、圆弧和抛物线插补；对三坐标联动，有空间直线插补，空间直线、圆弧与抛物线之间的两两组合的综合插补；对四坐标联动，有圆弧、抛物线与双直线（或单直线）综合的五维（或四维）的插补。插补的任务就是根据进给速度的要求，完成这些拟合曲线起点和终点之间的中间点的坐标值计算。目前普遍应用的插补算法主要分为两大类：（1） 脉冲增量插补。脉冲增量插补法适用于以步进电动机为驱动装置的开环数控系统，这类插补算法的特点是每次插补的结果仅产生一个行程增量，以一个个脉冲的方式输出给步进电动机。脉冲增量插补的实现方法较简单，通常仅用加法和移位就可完成插补，容易用硬件来实现，而且，用硬件实现这类运算的速度很快。但是，CNC系统一般均用软件来完成这类算法。用软件实现的脉冲增量插补算法一般要执行20多条指令，如果CPU的时钟为5MHz，那么计算一个脉冲当量所需的时间大约为40s。当脉冲当量为0.001mm时，可以达到的坐标轴极限速度为1.5m/min。如果要控制两个或两个以上坐标，且承担其他必要的数控功能时，所能形成的轮廓插补进给速度将进一步降低。如果要求保证一定的进给速度，只好增大脉冲当量，使精度降低。例如脉冲当量为0.01MM时，单坐标控制速度为15m/min。因此脉冲增量插补输出的速率主要受插补程序所用时间的限制，它仅仅适用于中等精度和中等速度、以步进电动机为执行机构的机床系统。随着计算机技术的发展，目前的肘钟频率可达到1以上，这方面的问题可以得到很大的改善。（2） 数据采样插补。适用于闭环和半闭环以直流或交流伺服电动机为执行机构的CNC系统。这种方法是将加工一段直线或圆弧的时间划分为若干相等的插补周期，每经过一个插补周期就进行一次插补计算，算出在该插补周期内个坐标轴的进给量，边计算，边加工，若干次插补周期后完成一个曲线段的加工，即从曲线段的起点走到终点。LL工件图4-3 刀具长度补偿3.数控机床的刀具补偿 为了简化数控编程，使数控程序尽量与刀具的尺寸和安装位置无关，数控系统一般都提供刀具补偿功能，主要是刀具长度补偿和刀具半径补偿。（1）刀具长度补偿。 由于夹具高度、刀具长度、加工深度等变化需要对切削深度进行刀具长度补偿，如图4-3所示，一般是使刀具垂直于走刀面偏移一个刀具长度修正值。刀具长度补偿主要针对二坐标或三坐标联动数控机床的，对三坐标以上联动的数控机床是无效的。刀具长度补偿大多由操作者通过手动数据输入方式实现，也可通过编程实现。（2）刀具半径补偿。在轮廓加工过程中，由于刀具总有一定的半径（如铣刀半径），刀具中心的运动轨迹与工件轮廓是不一致的，如图4-4所示。如果不考虑刀具半径，直接按照工件轮廓编程，则加工出来的零件会比图纸要求的轮廓小一圈或大一圈，因此实际加工时，应该使刀具偏移一个刀具半径r，这种偏移称为刀具半径补偿。由于同一轮廓的零件采用不同尺寸的刀具，或同一尺寸刀具因重新调整或因磨损引起尺寸变化，所以程序编制时很难考虑刀具的补偿，一般是由数控装置提供刀补功能进行刀补。r零件实际外轮廓刀具中心轨迹图4-4 刀具半径补偿4.数控机床的伺服控制系统数控伺服是数控系统和机床机械传动部件间的联接环节，是数控机床的重要组成部分。伺服系统主要包含机械传动、电器驱动、检测、自动控制等内容，它根据数控系统插补运算生成的位置指令，精确地变换为机床移动部件的位移，它直接反映机床坐标轴跟踪运动指令和实际定位的性能。位置控制器速度控制单元及电机+-位置指令位移检测器工作台图4-5 闭环进给伺服系统结构图数控伺服通常指进给伺服系统，图4-5所示是一个典型的闭环进给伺服系统结构图。对于机床主轴控制一般只需要满足主轴调速及正、反转功能，对于一些特殊加工，例如螺纹加工等，需要对主轴位置提出相应的控制要求时，也应该具有伺服驱动功能，此时称主轴伺服系统。数控机床对伺服系统的一般要求为：(1) 调速范围宽。一般速比应大于1:10000，低速平稳，高速能满足进给速度要求。(2) 高精度。控制精度能满足定位精度和加工精度要求，位置伺服系统的定位精度一般要求能达到1µm甚至0.1µm。(3) 快速响应好。一般使电动机转速从零升到加工转速或从加工速度降至零，要在0.2s以内，甚至少于几十毫秒。(4) 低速大转矩。低速进给驱动要有大的转矩输出，以满足对切削力的要求。(5) 系统工作可靠性较高，抗干扰能力强，工作稳定。(6) 伺服驱动系统常用的驱动元件有步进电动机、直流伺服电动机和交流伺服电动机等。伺服驱动系统对驱动元件的要求主要有：调速范围宽、稳定性好、负载特性硬、反映速度快、能适应频繁起停和换向等。5.数控系统的位置检测装置在闭环和半闭环系统中，必须有位置检测装置，它的作用是检测位移并发出反馈信号，经过模/数转换，返回控制装置，与控制信号相比较以修正机床的运动偏差。位置检测装置根据安装形式和测量方式可分为下面几种检测方式。增量式和绝对式。增量式只检测位移增量，它可以以任何一个对中点作为测量的起点，其优点是检测装置简单，但一旦发生计数错误，就引起以后的测量结果全错。绝对式测量的特点是，被测点的任一点的位置都从一个固定的零点算起，每一被测点都有一个相应的测量值，从而克服了增量式测量中缺点。数字式和模拟式。数字式检测是以量化后的数字形式表示测量值，得到的测量信号是脉冲形式，以计数后得到的脉冲个数表示位移量。数字式测量的信号抗干扰能力强，便于显示和处理。模拟式检测将被测量用连续的变量表示，如电压变化、相位变化。模拟测量的信号处理电路较复杂，易受干扰，其主要用于小量程的高精度测量。直接测量和间接测量。若位置检测装置检测的对象就是被测对象本身，即称为直接测量，否则称为间接测量。对于工作台的直线位移，直接检测可以直观反映其位移量，但检测装置要与行程等长，在大型数控机床上应用有一定的限制。间接检测通过和工作台运动相关联的回转运动来间接地检测工作台的直线位移，它使用可靠，无长度限制，但检测信号加入了直线转变为旋转运动的转动链误差，从而影响检测精度。4.1.6 数控机床中新技术的应用1.工业计算机（IPC）在数控机床中的应用1） IPC的基本结构工业计算机（也称为工控机）的工作原理与商用计算机基本相同，但其结构和配件的配置要求与普通的商用计算机有一定的区别。由于对工业环境的适应性的特殊要求，其稳定性、抗干扰性等方面大大优于普通的商用计算机，它与普通商用计算机主要区别在于：（1）箱体。工业计算机的机箱要求防尘、防震、防潮。（2）供电系统。由于工业计算机不仅要为自身工作供电，而且还要为许多扩展卡、现场仪器仪表供电。因此其供电系统的功率设计要根据系统的实际要求确定。在要求连续作业的场合，还必须提供后备电源。（3）底板。由于工业计算机应用过程中，除了常用计算机显卡、声卡、网卡、Modem卡等常用扩展卡外，还需要添加A/D卡、D/A卡、I/O卡等扩展卡，因此常用计算机主板上的扩展槽不够用，所以一般工业计算机带有一块底板，其作用就是提供更多的扩展槽，并且通常是采用ISA总线结构。（4）主板。工业计算机主板上不带扩展槽，并同其他的扩展板卡一样插在底板上。有的主板集成有显卡，甚至集成有电子盘接口板。它比常用的计算机备有更多的串行输入输出口，以满足通讯的需要。（5）扩展板。除了常用计算机的扩展板卡（如显卡、声卡、Modem卡等）以外，工业计算机一般还有I/O板、A/D板、D/A板等扩展卡，以适应现场信号检测、动作控制的需要，具体配置可根据系统具体要求选用。 目前国内市场上的工控产品主要来自台湾厂家，如研华、研详、康拓、威达等，国内也有浪潮等厂家开发有一些工控产品。2） PC-NC的实现途径IPC-NC 的主要实现形式可归纳为三种：IPC 内藏型NC、NC内藏型IPC、软件NC。IPC内藏型NC是在NC内部加装IPC板，IPC板与CNC之间通过专用总线相连接，如图4-6所示。这一形式主要为一些大型CNC控制器制造商所采用，其优点是原型NC几乎可以不加改动地使用，且数据传送快、系统响应快。缺点是不能直接使用通用IPC，开放程度受到限制。PCNC总线图4-6 IPC内藏型NCNCPC图4-7 NC内藏型PCNC内藏型PC就是将运动控制板或整个NC单元插入到PC的扩展槽中。PC做非实时处理，实时控制由CNC单元或运动控制板来承担，如图4-7所示。这种类型的优点是能充分保证系统性能，软件的通用性强，而且编程处理灵活。缺点是很难利用原型CNC 资源，系统可靠性有待进一步提高。图4-8 软件NC软件NC是指NC系统的各项功能，如编译、解释、插补和PLC等，均由软件模块来实现，并通过装在PC扩展槽中的接口卡对伺服驱动进行控制，如图4-8所示。这类系统优点是可借助现有的操作系统平台（ 如WINDOWS，LINUX等）和大量应用软件（ 如VC，VB等），通过对NC 软件的适当组织、划分、规范和开发，能方便的实现NC功能的扩充。缺点是在通用PC上进行实时处理较困难，难以利用原型CNC 资源，可靠性也还有待进一步提高。2.计算机网络技术在数控机床中的应用(1) 计算机网络技术在企业中应用状况计算机网络是把分布在不同地点具有独立功能的多个计算机通过通信线路及其设备连接起来，配上相应网络操作系统，按照网络协议互相通信。其目的是共享各个计算机处理单元的软硬件资源和数据资源。企业内部网络的应用可以分为两层,如图4-9所示，即处理企业管理与决策信息的信息网络和处理企业现场实时测控信息的控制网络。信息网络一般处于企业上层，处理大量的、变化的、多样的信息，具有高速、综合的特征。控制网处于企业的下层，处理大量的车间现成设备信息，这些现场设备包括各种数控机床。而控制网要求具有协议简单、容错性强、安全可靠、成本低廉等特征。企业网信息网控制网管理系统控制系统图4-9 企业内部网应用结构(2) Net-NC实现方式目前Net-NC的典型应用是DNC（Direct Numerical Control）系统和FMS系统。DNC是把车间加工设备与上层控制计算机集成起来，实现若干台数控机床的集中管理。而FMS的主要特征之一是增加了物料流控制系统。Net-NC连接方式主要有三种：通过符合MAP（Manufacturing Automation Protocol）标准的网络接口联接,它是美国GM公司研究和开发的一种通信标准，采用了标准7层OSI/OS网络模型，其优点是传输速度快，可以实现多种网络拓扑结构，但实现复杂，开发费用高，在国内应用很少。通过RS232/RS485等串口通讯方式直接相联，它在主机中安装一块串口通信卡，数控机床通过RS232或RS485以星形结构与主机联接，它的实现成本低，方法简单，但其通信速度慢，网络实现方式不灵活；通过以太网（Ethernet）相联。以太网络采用网络技术现在最流行的、应用最广泛的TCP/IP协议，其实现简单，开放性好，网络实现方式灵活，是最具发展前景的一种互联方式。Net-NC从网络体系结构上可分为主从结构和分布式结构。主从网络结构系统中，所有的数控机床必须依赖中央主机，中央计算机负责存储分配各个数控机床数控程序。其连接方式简单，成本低，实现方便，但一旦主机出现故障，整个系统就瘫痪了。分布式网络结构正好克服了主从结构的缺陷，这种体系结构中，每台数控机床通过PC与中央服务器联接，中央服务器只是提供信息交换和任务调度功能。当中央服务器出现故障时，每个数控单元也可单独作业，而不会造成整个系统瘫痪，从而提高了系统的安全性，但其成本较高。3.现场总线技术在数控系统中的应用现场总线(Fieldbus)是一种互联现场自动化设备及其控制系统的双向数字通信协议。它是国际上90年代蓬勃发展起来的新技术，科技界广泛认为，这一新技术将对下个世纪工业控制、工业自动化的各个领域产生深远的影响，并会在工业和其它领域中得到广泛应用。目前，现场总线已有许多种类，其中应用较多的有CAN(Controlledr Area Network)、LON(Local Operating Network)、Profibus等。现场总线具有以下特点：高通讯速率：可达1MBP/S；远距离传输：可达10km ；接口简单、安装方便；通讯控制简单；扩展能力强；互操作性强，系统成本低，以太网（Ethernet）现场总线服务器工作站工业PC网关图4-10 基于现场总线的网络数控系统在数控系统中采用现场总线技术主要为了更好适应Net-NC系统中低层网络通信和控制的需要。与MAP协议网络以及基于TCP/IP协议的以太网相比，采用现场总线技术的控制网络在容错能力、可靠性、安全性以及工作效率上均有一定的优势。但其也存在一些明显的不足，最突出的问题是目前还没有统一的技术标准，而是一个多种现场总线并存的局面。典型基于现场总线的网络数控系统如图4-10所示。4.2 加工中心构成及基本工作原理4.2.1 加工中心基本概念加工中心是在数控机床出现后，为了进一步提高加工效率，减少辅助时间，将更换刀具的动作与功能和数控机床集成而形成的自动化程度和生产率更高的新型数控机床。加工中心是备有刀库并能自动更换刀具对工件进行多工序集中加工的数控机床。工件经一次装夹后，数控系统能控制机床按不同工序(或工步)自动选择和更换刀具，自动改变机床主轴转速、进给量和刀具相对工件的运动轨迹及实现其他辅助功能，依次完成工件多种工序的加工。通常，加工中心仅指主要完成镗铣加工的加工中心。这种自动完成多工序集中加工的方法，扩展到各种类型的数控机床，例如车削中心、滚齿中心、磨削中心等。由于加工工艺复合化和工序集中化，为适应多品种小批量生产的需要，还出现了能实现切削、磨削以及特种加工的复合加工中心。加工中心具有刀具库及自动换刀机构、回转工作台、交换工作台等，有的加工中心还具有可交换式主轴头或卧一立式主轴。加工中心和普通数控机床的主要区别有以下四点：（1）有自动换刀装置（包括刀库和换刀机械手），能实现工序间的自动换刀，这是加工中心最突出的标志性结构；（2） 三坐标以上的全数字控制，经济型数控系统一般不能满足需要；（3）多工序的功能。在一次装夹中，尽可能完成多工序加工，要实现多面加工，一般应有回转工作台；（4）还可配置自动更换的双工作台，实现机床上、下料的自动化。世界上工业发达国家如美、德、日重视机床技术和机床工业的发展，机床制造技术先进，因此其工业发展较快。第一台加工中心是1958年由美国卡尼-特雷克公司首先研制成功的，它在数控卧式镗铣床的基础上增加了自动换刀装置，从而实现了工件一次装夹后即可进行铣削、钻削、镗削、铰削和攻丝等多种工序的集中加工。目前，加工中心作为数控机床各类产品中发展最快、所占比重最大的一类产品，成为制造业应用最广的一类设备。一些主要经济发达国家都把发展加工中心作为发展数控机床的首要任务，它的发展直接关系到国家经济建设和国防安全。4.2.2 加工中心特点、精度及适用范围1.加工中心特点加工中心的技术特点主要表现在以下三个方面：（1）带有自动换刀装置（ATC），可实现铣、钻、镗、铰、攻丝等多工序加工；（2）加上托板自动交换装置（APC），可实现工件自动储存和上下料，组成柔性加工单元（FMC）。加工中心还可方便地组成FTL（柔性自动线）或FMS（柔性制造系统），由“单机”构成“制造系统”，便于进一步发展实现FA（工厂自动化）、CIM（计算机集成制造）、CIMS（计算机集成制造系统），可实现无人化运转，有的24小时，有的可达72小时等等；（3）“柔性”大，换品种调整方便，能实现中小批量、多品种、柔性生产自动化，克服了高效自动化机床、自动线的“刚性”缺点。随着技术的发展，加工中心不断向高速化、复合化、柔性化等方面发展，在加工效率上不断提高，已逐步能替代组合机床、自动线。2.加工中心一般加工精度加工中心的加工精度一般介于卧式铣镗床与坐标镗床之间，精密加工中心也可以达到生产型坐标镗床的精度。加工中心的加工精度主要与其位置精度有关，加工孔的位置精度（列如孔距误差）大约是相关运动坐标定位精度的1.5倍。铣圆精度是综合评价加工中心相关数控轴的伺服跟随运动特性和数控系统插补功能的指标，其允差普通级为0.03-0.04mm，精密级为0.02mm。加工中心可粗、精加工兼容，为适应这一要求，其精度往往有较多的储备量并有良好的精度保持性。加工中心实现自动化加工还可避免如非数控机床加工时因人工操作出现的失误，保证加工质量稳定可靠，这对于复杂、昂贵的工件，意义尤为重要。加工中心自动完成多工序集中加工，可减少工件安装次数，也有利于保证加工质量。3.加工中心的类型与适用范围加工中心适用范围广，主要适用于多品种、中小批量生产中对较复杂、精密零件的多工序集中加工，或为完成在通用机床上难以加工的特殊零件(如带有复杂多维曲面的零件)的加工。工件一次装夹后即可完成钻孔、扩孔、铰孔、攻螺纹、铣削、镗削等加工。(3)生产率高 加工中心因有自动换刀功能实现多工序集中加工，停机时间短；同时，因可减少工序周转时间，工件的生产周期显著缩短。加工中心在正常生产条件下其开动率可达90%以上，而切削时间与开动时间的比率可达70%85%(普通机床仅为15%30%)，有利于实现多机床看管，提高劳动生产率。 加工中心的类型及适用范围见表4-1。表4-1 加工中心类型及适用范围类型布局型式特点适用范围立式加工中心固定立柱型、移动立柱型 主轴支承跨距较小。占地面积较小，刚性低于卧式加工中心，刀库容量多为16-40 中型零件，高度尺寸较小的零件加工，尤其是盖板类零件加工卧式加工中心 固定立柱型、移动立柱型主轴及整机刚性强，镗铣加工能力较强，加工精度较高，刀库容量多为40-80 中、大型零件及工序复杂且精度较高的零件加工，通常用于箱体类零件加工五面加工中心交换主轴头、回转主轴头、转换圆工作台 主轴或工作台可立、卧式兼容，交多方向加工而无需多次装夹工件，但编程较复杂，主轴或工作台刚性受到一定影响具有多面、多方向或多坐标复杂型面的零件加工龙门加工中心工作台移动型、龙门架移动型 由数控龙门铣镗床配备自动换刀装置、附件头库等组成。立柱、横梁构成龙门结构，纵向行程大。多数具有五面加工性能，成为龙门式五面加工中心 大型、长型、复杂零件加工4.2.3 加工中心的典型自动化机构 加工中心除了具有一般数控机床的特点外，它还具有其自身的特点。加工中心必须具有刀具库及刀具自动交换机构，其结构形式和布局是多种多样的。刀具库通常位于机床的侧面或顶部。刀具库远离工作主轴的优点是少受切削液的污染，使操作者在加工时调换库中刀具免受伤害。FMC和FMS中的加工中心通常需要大量刀具，除了满足不同零件的加工外，还需要后备刀具，以实现在加工过程中实时更换破损刀具和磨损刀具，因而要求刀库的容量较大。换刀机械手有单臂机械手和双臂机械手，180°布置的双臂机械手应用最普遍。（1）自动换刀与刀库。加工中心刀具的存取方式有顺序方式和随机方式，刀具随机存取是最主要方式。随机存取就是在任何时候可以取用刀库中任一把刀，选刀次序是任意的，可以多次选取同一把刀，从主轴卸下的刀允许放在不同于先前所在刀座上，CNC可以记忆刀具所在的位置。采用顺序存取方式时，刀具严格按数控程序调用。程序开始时，刀具按照排列次序一个接着一个取用，用过的刀具仍放回原刀座上，以保持确定的顺序不变。 （2）触发式测头测量系统。用于循环中(1n cycle)测量，工序前对工件及夹具通过检测控制其正确位置，以保证精确的工件坐标原点和均匀的加工余量；工序后主要测量加工工件的尺寸，根据其误差做出相应的坐标位置调整，以便进行必要的补充加工，避免出现废品。触发式测头测量系统原理见图225。触发式测头具有三维测量功能。测量时，机械手将触发式测头从刀库中取出装于主轴锥孔中。工作台以一定速度趋近测头。当测杆端球1触及工件被测表面时，发出编码红外线信号3，通过装在主轴箱上方的接收器4传人数控装置，使测量运动中断，并采集和存储在接触瞬间的X、Y、Z坐标值，与原存储的公称坐标值进行比较，即得出误差值。当检测某一孔的中心坐标时，可将该孔圆周上测得的3-4点坐标值，调用相应程序运算处理，即可得所测孔的中心坐标。该测量系统一般只用于相对比较测量，重复精度0.5m。在经测量值修正后，测量值误差可在5m以内，可做全方位精密测量。触发式测头测量系统信号的传输和接收除上述红外辐射式外，常用的还有电磁耦合式。（3）刀具长度测量系统。用以检查刀具长度正确性以及刀具折断、破损现象检测准确度为±1mm。当发现不合格刀具时，测量系统会发出停车信号。在机床正面两侧的地面上，装有光源1和接收器2，如需检测主轴上的刀长，可令立轴3向前移动，接收器2向数控系统发出信号，在数据处理后即可得出刀具长度实测值。经与规定的刀具设定长度比较，如果超出允差时，可发出令机床停车的信号。此外，也可以用触发式测头检测刀具长度的变化。（4）回转工作台。回转工作台是卧式加工中心实现B轴运动的部件，B轴的运动可作为分度运动或进给运动。回转工作台有两种结构形式，仅用于分度的回转工作台用鼠齿盘定位，分度前工作台抬起，使上下鼠齿盘分离，分度后落下定位，上下鼠齿盘啮合，实现机械刚性联接。用于进给运动的回转工作台用伺服电动机驱动，用回转式感应同步器检测及定位，并控制回转速度，也称数控工作台 。数控工作台和X、Y、z轴及其他附加运动构成45轴轮廓控制，可加工复杂轮廓表面。此外，加工中心的交换工作台和托盘交换装置配合使用，实现了工件的自动更换，从而缩短了消耗在更换工件上的辅助时间。4.2.4 卧式加工中心常见几种布局结构形式卧式加工中心的主要运动包括三个移动轴（X、Y、Z）和一个回转轴（B轴），在四个运动轴的分配上，四个相对运动既可以分配给刀具，也可以分配给工件，或者由工件和刀具共同来完成。从目前机床结构看，一个回转轴一般都由工作台的回转来完成（B轴），所以机床的布局主要在三个移动轴的分配上。按三轴运动实现方式和三个运动的分配，卧式加工中心结构形式主要有：（1）三个移动轴全部集中在刀具一侧来完成图4-11 哈挺公司卧式加工中心HMC700HPD具代表性的产品以哈挺公司（HARDINGE）的卧式加工中心HMC 700HPD为例（见图 4-11 ），机床工作台固定，不做轴向移动，立柱沿十字滑鞍作X轴和Z轴的移动，主轴箱在立柱上的完成Y轴移动。这种结构的机床，优点是适合于加工具有复杂形面的大型、重型箱体件，如大型汽车发动机箱体等。缺点是运动部件质量大，惯性力大，不适宜于用过高的进给速度和加速度加工。不过运动部件的质量虽大，但较恒定，因为刀具重量相对较小，改变刀具时，对运动部件重量变化影响不大，故机床的运动特性还是比较稳定的。（2）三个移动轴分别由刀具和工件来完成这种结构型式的机床产品很多，应用也最广，最普遍。可按三个移动坐标轴的配置方式进一步分为三种结构型式的机床。第一种工作台Z坐标移动，立柱X坐标移动的T型床身布局。该结构的特点是刀具切削处位置位移变化相对较小，工件和工作台的质量比立柱和主轴箱的质量轻，保证移动部件质量最轻的原则，而且工作台的Z轴移动还可以保证Z坐标的最大行程。该结构在精密卧式加工中心和高速加工中心中普遍采用，如迪西公司DIXI的精密卧式加工中心DHP80（如图4-12）、德国DMG公司DMC系列卧式加工中心以及美国辛辛那提CINCINATI公司的MAXIM系列卧式加工中心等都采用该结构布局形式。图4-12 迪西公司精密卧式加工中心DHP80第二种工作台X坐标移动，立柱Z坐标移动的T型床身布局。该结构应用也很普遍，如日本马扎克MAZAK公司的卧式加工中心H-500、北京机床所精密机电有限公司的2000系列精密卧式加工中心（见图4-13）以及美国汉斯HAAS的HS系列卧式加工中心等。该结构运动部件的质量虽大，但较恒定，因为刀