加工中心的结构原理.ppt

数控加工中心培训,2011年7月27日,用数控机床加工零件时，首先是将被加工零件的几何信息和工艺信息编制成加工程序，由输入装置送入数控系统，经过数控装置的处理、运算，按各坐标轴的分量送到各轴的驱动电路，经过转换、放大进行伺服电动的驱动，带动各轴运动，并进行反馈控制，使刀具与工件及其他辅助装置严格地按照加工程序规定的顺序、轨迹和参数有条不紊地工作，从而加工出零件的全部轮廓。现代加工中心与数控机床的不同之处在于：第一，配有刀具库和自动换刀系统，在工件一次装夹后，可以连续完成对工件表面自动进行钻孔、扩孔、铰孔、镗孔、攻螺纹、铣削等多工序的加工；第二，带有自动分度的回转工作台，从而使工件一次装夹后，自动完成多个平面或多个角度位置的多工序加工；第三，加工中心能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其他辅助功能；第四，如果带有自动交换工作台，工件在工作位置的工作台进行加工的同时，另外的工件在装卸位置的工作台上进行装卸，不影响正常的加工工件，减少了工件搬运时间，提高了生产率。,数控加工中心的工作原理,加工中心的组成随机床的类别、功能、参数的不同而有所不同。机床本身分基本部件和选择部件，数控系统有基本功能和选用功能，机床参数有主参数和其他参数。加工中心主要由以下部分组成：1）基础部分2）主轴部件（Spindle）3）进给机构4）数控系统（C.N.C.）5）自动换刀系统（A.T.C.）6）辅助装置7）自动托盘更换系统（A.P.C.）,数控加工中心的基本组成,由床身、立柱、横梁、工作台和底座等部件组成。它们主要承受加工中心的静载荷及在加工时产生的切削负载，对加工中心各部件起支撑和导向作用，因此要求基础支撑件必须具有足够的刚度，较高的固有频率和较大的阻尼，这些工件通常是铸铁件或焊接而成的钢结构件，是加工中心中体积和重量最大的基础构件。,数控加工中心的基本组成,1）基础部分,立柱,床身（基座）,示例：立柱已安装在床身之上，Z轴直接驱动主轴系统前后运动。工作台未安装，为固定式。快速进给率:X/Y/Z 轴60m/min快速进给加速度:Z 轴1.0G（10m/s2)X,Y 轴0.7G(7m/s2),工作台安装位置,大倾角设计，便于冲屑和排屑。排屑方式为后排屑,支撑及地脚螺钉,立柱,床身,旋转工作台,安装夹具的工作台面,由主轴箱、主轴电动机、主轴和主轴轴承等零件组成。主轴的启、停、变速等动作由数控系统控制，并通过装在主轴上的刀具参与切削运动，是切削加工的功率输出部件。主轴系统为加工中心的主要组成部分，和常规机床主轴系统相比，加工中心主轴系统要具有更高的转速、更高的回转精度以及更高的结构刚性和抗振性。,数控加工中心的基本组成,2）主轴部件(Spindle),示例1：直联式主轴，后部是主轴电机，前端为机械主轴。电机为空心轴，用于向内冷刀具传送冷却液，其非传动端有轴伸出用于连接注入冷却液的旋转接头。最大转速12000rpm。,主轴系统,示例2：电主轴为“高频主轴”（High Frequency Spindle）的简称，也称为内装式电机主轴单元，其主要特征是将电机内置于主轴内部直接驱动主轴，实现电机、主轴一体化的功能。它省略了齿轮传动、变速装置（如皮带、联轴节）等中间传动件，转、调速范围大，具有极高的精度和足够的刚度、润滑冷却可靠，还具有体积小、功耗低、标准化程度高的特点。,图示电主轴特点及参数：可从前端拆卸的套筒式主轴总成功率(S6-60%)35 kW轴承直径65 mm最大转速20000 rpm或 24000 rpm最大扭矩37 N.m在 9000 rpm刀具接口HSK A-63冷却乳化液主轴内冷润滑空气-油,主轴安装座,电主轴与机床主机的连接示例,主轴垂直度校准工具,主轴同心度校准工具,带有HSK63适配器的LED测量探针,主轴夹紧力传感器,近端：0.007mm远端：0.015mm,18kN,公差:+5.4/-1.8kN,主轴常用维修、检查工具：,电主轴夹爪(OTT),HSK63及HSK100刀具,由进给伺服电动机、机械传动装置和位移测量元件等组成它驱动工作台等移动部件形成进给运动。加工中心进给驱动机械系统直接实现直线或旋转运动的进给和定位，对加工的精度和质量影响很大，因此对加丁中心进给系统的要求是运动精度、运动稳定性和快速响应能力。,数控加工中心的基本组成,3）进给机构,Y 轴伺服电机,Y 轴滚珠丝杆,Y 轴平衡气缸，后面还可见气罐2个,示例：示例中Y轴为双轴驱动并带平衡气缸，从运行平稳性和安全性上都进行了充分的考虑。,X轴滚珠丝杆及伺服电机,安装主轴部件的框架,Z轴驱动电机,X轴直线导轨,直线导轨,皮带传动时的结构,滚珠丝杆及其各种应用,B轴旋转分度台电机,B轴旋转分度台，其上将安装机床工作台,工作台采用液压夹紧，在夹紧过程中，工作台用4个夹紧圆锥体紧密地固定在转台表面。,笛卡尔直角坐标系简介：,机床坐标系简介：,伺服和驱动系统,加工中心的数控部分由CNC装置、可编程控制器（PLC）、伺服驱动装置（SERVO DRIVE）以及操作面板（OP）等组成。它是完成加工过程的控制中心。CNC系统一般由中央处理器、存储器和输人、输出接口组成。中央处理器又由存储器、运算器、控制器和总线组成。CNC系统的主要特点是输入存储，数据的加工、插补运算以及机床各种控制功能都通过计算机软件来完成，能增加许多逻辑电路难以实现的功能。计算机与其他装置之间还可经通用接口进行相互连接。,数控加工中心的基本组成,4）数控系统(C.N.C.),数控装置,PLC,操作面板,伺服驱动,数控系统（C.N.C.）PLC,S5 CPU,S7-200 CPU,S7-300 CPU,S7-400 CPU,三菱Q系列CPU,PLC是可编程序控制器的简称，是在60年代末从继电器控制系统上发展起来的。它是以微处理器为基础，综合了计算机技术、自动控制技术和通讯技术，用面向控制过程、面向用户的简单编程语句适应工业环境，是简单易懂、操作方便、可靠性高的新一代通用工业控制器。它拥有丰富的I/O接口，并具有较强的驱动能力。常见的PLC生产厂家有：SIEMENS、MITSUBISHI、OMRON、GE-FANUC、etc.,数控系统（C.N.C.）伺服系统,按有无检测元件和反馈环节，伺服系统可分为开环、全闭环和半闭环系统。1）开环系统。开环系统的特点是无位置反馈装置，常用步进电机作为伺服系统执行元件，在该类系统中,CNC装置经过控制运算发出脉冲信号，每一脉冲信号使步进电机转动一定的角度，步进电机驱动丝杆推动工作台移动一定距离。开环系统的优点是结构简单，工作稳定，制造成本低，缺点是各传动过程中的误差得不到消除，从而最终影响加工零件的精度。,数控系统（C.N.C.）伺服系统,2）全闭环系统。全闭环系统的特点是机床移动部件上直接安装有直线位移检测装置，检测装置将检测到的实际位移反馈到系统的比较器中，与输入的原指令位移值进行比较，系统用比较后的差值控制移动部件作补充位移，直到差值消除时才停止移动，从而实际精确定位与运动控制。全闭环系统的特点是其运动精度仅取决于检测精度。一个优良的全闭环系统能对传动系统的间隙、磨损等进行自动补偿，其加工精度是非常高的。但其缺点是结构复杂，调试维修难度较大。,数控系统（C.N.C.）伺服系统,3）半闭环系统。半闭环系统的特点是将角位移传感器装在传动丝杆或伺服电机上，它检测的是转角信号。角位移信号反馈到数控装置的比较器中，与输入原指令位移值进行比较，用比较后的差值进行控制，使移动部件补充位移，直到差值消除为止。半闭环系统的特点是系统稳定性好，精度控制适中，缺点是所组成的控制环不包括机械传动链，故精度相对于全闭环要低。,1PH7主轴电机,1FT7进给轴电机,直线电机,MPP483,PP012,MCP483C,MCPMachine Control PanelPP=Pushbutton PanelMPP=Machine oPerator PanelOP=Operator Panel,OP012,HT6,PCU50,Handheld unit B-MPI,HT=Handheld unitsPCU=PC units,Protool或其它组态软件,PCU50+OP12,制造商根据机床实际和用户要求制作出人机界面,并传送到PCU中。,人机界面：,OP12,PCU50/50.3/70,Operator Panel(OP),OP27,自动换刀装置(Automatic Tool Changer，ATC)由刀库、机械手和驱动机构等部件组成。刀库是存放加工过程所使用的全部刀具的装置；刀库有盘式、鼓式和链式等多种形式，容量从几把到几百把，当需换刀时，根据数控系统指令，伸出机械手(或通过别的方式)将刀具从刀库取出/装入主轴中，机械手的结构根据刀库与主轴的相对位置及结构的不同也有多种形式，如单臂式、双臂式、回转式和轨道式等。有的加工中心不用机械手而利用主轴箱或刀库的移动来实现换刀。尽管换刀过程、选刀方式、刀库结构、机械手类型等各不相同，但都是在数控装置及可编程序控制器的控制下，由电机和液压或气动机构驱动刀库和机械手实 现刀具的选择与交换。在机构中装入接触式传感还可实现对刀具和工件误差的测量或者刀具折断的检测。,数控加工中心的基本组成,5）自动换刀系统（A.T.C.）,圆盘式刀库,刀盘旋转驱动电机,卧式加工中心换刀示意图,链式刀库,立式加工中心换刀示意图,刀具机械手：,加工中心ATC系统(HELLER)：硬件方面：由MIKSCH换刀器、Vogel减速器、Siemens变频器、刀具库等构成。软件方面：HELLER公司专门开发了MTV刀具管理系统来处理刀具交换过程的信息，通过设置，可以快速的装填新刀具。,P1,P2,夹刀臂,ATC,包括润滑、冷却、排屑、防护、液压、气动和检测系统等部分，这些装置虽然不直接参与切削运动，但对加工中心的加工效率、加工精度和可靠性起着保障作用，因此也是加工中心不可缺少的部分。由于加工中心生产效率极高，并可长时间实现自动化加工，因而冷却、润滑、排屑等问题比常规机床更为突出。大切削量的加工需要强力冷却和及时排屑。大量冷却和润滑液的作用还对系统的密封和泄漏提出了更高的要求。从而促进了半封闭、全封闭结构机床的产生。,数控加工中心的基本组成,6）辅助装置,机床安全集成装置,圆光栅、光栅尺,旋转编码器,排屑用电机减速器,泵系统,电控系统,水位检测开关,典型的加工中心冷却水处理系统:,液压站,排屑器,冷却装置,集中润滑单元,气动系统,油雾收集器,COMAU加工中心部分辅助功能介绍：,数控加工中心的基本组成,7）自动托盘更换系统(A.P.C.),托盘抬起、交换装置,有的加工中心为进一步缩短非切削时间，配有两个自动交换工件托盘：一个安装在工作台上进行加工，另一个则位于工作台外进行装卸工件。当完成一个托盘上的工件加工后，便自动交换托盘，进行新零件的加工，这样可减少辅助时间，提高加工效率。,A轴旋转台,B轴旋转台,工件更换装置,链式刀库,Y,X,Z,Z轴驱动电机，其上集成了AB轴,操作区域,主轴,液压站,示例：,冷却水处理系统,维修区域,五轴数控铣床,操作面板,主轴头,排屑机构,底座,示例：,西门子SINUMERIK 840D报警的相关知识:,报警类型及代码1）NC数控系统报警：000000009999为一般报警；010000019999为通道报警；200000029999为进给轴/主轴报警；030000039999为功能报警；060000064999为SIEMENS循环报警；065000069999为用户循环报警；070000079999为机床厂编制的报警。2）611D驱动系统报警：300000399999为驱动报警3）PLC故障报警：400000499999为一般报警；500000599999为通道报警；600000699999为进给轴/主轴报警；700000799999为用户自定义报警；800000899999为顺序控制报警。,数控加工程序举例1（COMAU）：N31600 N31700 H7=16 H8=200;*EL.SPINDLE POWER(%)CONT.TIME(MS)*主轴功率检查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移动到23.3 Y移动到356位置，主轴转速1000RPM，M7，M10，M08，M13打开N31900 M80;*ENABLE CONTROL SPINDLE*主轴控制使能打开N32000 WAITP(B);wait position axe B*等候B轴位置信号N32100 STOPRE*块搜索停止N32200 IF$TC_TPC4$TC_MPP69998,1=1;check tool*检查刀具状态N32300 M68;check tool after finish work*加工完成后检查刀具N32400 ENDIF*结束条件语句N32500 G64 G0 Z=46 M59 M56 M12 D1;check spindle and table*检查主轴及工作台N32600 G1 G9 Z=33 F500;ax P11*加工P11孔N32700 S6000*主轴转速6000rpmN32800 G1 G9 Z=-132.5 F500 M59*Z轴以F500的进给率移动到-132.5位置，M59N32900 G0 Z=300 S1000*Z轴快速移动到300位置，主轴转速1000rpmN33000,数控加工程序举例2（HELLER）：N670 N680 MSG(“Drill Hole 134,B0”)*B0面，钻134孔N690 CS_TOOL(“20”)*更换20#刀具N700 CS_TP(“31”)*31#刀具准备N710 G0 G54 X-73 Y31 Z205 D1 B=DC(0)F2210 S7368 M3 M8 M21 M125*X轴移动到-73，Y轴移动到205位置，B轴0度，倍率2210，主轴转速7368，正转，M8（主轴冷却打开），M21（内冷打开），M125（内冷压力检测）N720 R0=173.3 R1=94+1.29 R5=30 R6=3 R8=26*给R0，R1，R5，R6，R8赋值N730 R71=7368 R72=127*给R71，R72赋值N740 L102*调用子程序L102N750 G0 SUPA Z=$AA_SOFTENDPMA_Z-100 D0 SPOS=180 M20*快速移动，Z轴退回安全位置，主轴定位角度180度，M20（吹气）N760,SIEMENS部分电机系列：,1FK系列伺服电机,特点：转动精度高（正弦交流电输入），可获得最佳的工件表面质量动态特性高，因此非生产时间较短功率部件和信号部件可在污染严重的环境中使用电缆高架敷设，安装容易侧面压力的高抵抗力。,1FT7系列伺服电机,特点：结构紧凑，空间要求低可旋转的接头，机床设计灵活电缆高架敷设，安装容易轴和法兰与1FT同系列电机兼容。,特点：省略了如连接器、传送带、减速器和轴编码器等机械元件，实现了紧凑型设计。转速高，最大转速为40000rpm，最大转矩820Nm。（相同体积时比1PH2系列转矩大60%）。具有极短的加速和制动时间功率损失小，轴承发热与主轴膨胀小。刚性高，维修方便。,1FE系列内装式电机及其应用,1PH系列主轴异步电机,特点：电机长度较短噪声小最高转速达9000rpm(甚至12000rpm)。,1FN系列直线电机,特点：简单的机构结构，无需滚珠丝杆、联轴器或皮带等传动部件，可显著提高传动部件的可靠性。产生的热量通过集成的液体冷却系统消耗掉。电机和机器间可经济地实现热隔离。采用不锈钢封装，可保证在机床上应用时较高的机构刚性和耐污性能及耐腐蚀性。突出的动态响应和极快的移动速度（目前CC生产线中快移速度已达到100m/min）非接触驱动力传递，传动部件无磨损，精度高（CC精度：定位精度0.004，重复定位精度0.002）。,谢谢大家!,