徐州工程學院 07 屆本科生畢業設計（論文） 第 I 頁 徐 州 工 程 學 院 本科生畢業設計 姓 名： 謝陳健 學 號 ： 20030601130 系 部： 機電工程系 專 業： 機械設計制造及其自動化 設計題目： 小型加工中心刀具庫系統設計 專 題： 小型加工中心刀具庫系統設計 指導教師： 韓翔 職 稱： 講師 2007 年 5 月 徐州 徐州工程學院 07 屆本科生畢業設計（論文） 第 II 頁 徐州工程學院畢業設計任務書 學院 機電工程系 專業年級 機械設計制造及其自動化 學生姓名 謝陳健 任務下達日期： 2006 年 1 月 26 日 畢業設計日期： 2006 年 1 月 26 日 至 2007 年 6 月 10 日 畢業設計題目： 小型加工中心刀具庫系統設計 畢業設計專題題目： 小型加工中心刀具庫系統設計 畢業設計主要內容和要求： 最大刀具直徑為 40 ，刀間距 150 ，刀具平均質量 1 ，刀具庫的容量 8 把刀具。 1. 刀盤部件設計（含刀盤，夾塊，刀爪設計） 2.刀庫轉動定位機構及零件 （含轉臂，槽輪，滾子，鎖止盤零件設計） 3. 刀具庫總裝部件及零件圖 （ 含軸承套，軸，箱蓋，箱體零件設計 ） 4 刀庫移動部分設計 （含橫梁，導軌等零件設計） 5.說明書 （ 20000 以上）及外文翻譯 系主任簽字： 指導教師簽字： 徐州工程學院 07 屆本科生畢業設計（論文） 第 III 頁 徐州工程學院畢業設計指導教師評閱書 指導教師評語 （基礎理論及基本技能的掌握；獨立解決實際問題的能力；研究內容的理論依據和技術方法；取得的主要成果及創新點；工作態度及工作量；總體評價及建議成績；存在問題；是否同意答辯等） ： 成 績： 指導教師簽字： 年 月 日 徐州工程學院 07 屆本科生畢業設計（論文） 第 IV 頁 徐州工程學院畢業設計評閱教師評閱書 評閱教師評語 （ 選題的意義；基礎理論及基本技能的掌握；綜合運用所學知識解決實際問題的能力；工作量的大小；取得的主要成果及創新點；寫作的規范程度；總體評價及建議成績；存在問題；是否同意答辯等 ） ： 成 績： 評閱教師簽字： 年 月 日 徐州工程學院 07 屆本科生畢業設計（論文） 第 V 頁 徐州工程學院畢業設計評閱教師評閱書 評閱教師評語 （ 選題的意義；基礎理論及基本技能的掌握；綜合運用所學知識解決實際問題的能力；工作量的大小；取得的主要成果及創新點；寫作的規范程度；總體評價及建議成績；存在問題；是否同意答辯等 ） ： 成 績： 評閱教師簽字： 年 月 日徐州工程學院 07 屆本科生畢業設計（論文） 第 VI 頁 徐州工程學院畢業設計答辯及綜合成績 答 辯 情 況 回 答 問 題 提 出 問 題 正 確 基本 正確 有一般性錯誤 有原則性錯誤 沒有回答答辯委員會評語及建議成績： 答辯委員會主任簽字： 年 月 日 學院領導小組綜合評定成績： 學院領導小組負責人： 年 月 日 徐州工程學院 07 屆本科生畢業設計（論文） 第 VII 頁 摘 要 隨著數控技術的發展和普及，加工中心的作用越發突顯它的重要性。為進一步提高數控機床的加工效率，數控機床正向著工件在一臺機床一次裝夾即可完成多道工序或全部工序加工的方向發展，因此出現了各種類型的加工中心機床，如車削中心、鏜銑加工中心、鉆削中心等等。這類多工序加工的數控機床在加工過程中要使用多種刀具，因此必須有自動換刀裝置，也就是所說的刀庫，以便選用不同刀具，完成不同工序的加工工藝。自動換刀裝置應當具備換刀時間短、刀具重復定位精度高、足夠的刀具儲備量、占地面積小、安全可靠等特性。 本論文是開發設計出一種體積小、結構緊湊、價格較低、生產周期短的小型立式加工中心刀庫本文。首先介紹了國內外加工中心研究現狀及發展趨勢，闡明了本課題研究的目的、意義。然后進一步介紹本小型加工中心刀庫總體結構和各部件方案的選擇，并在此基礎上進行了小型加工中心刀庫的機械結構的設計計算，主要包括刀盤部件設計（含刀盤，夾塊，刀爪） ，刀庫轉動定位機構設計（含轉臂，槽輪，滾子，鎖止盤） ，刀庫總體機構設計（含軸承套，軸， 箱蓋，箱體）刀庫移動部分設計。 關鍵詞： 數控系統 加工中心 刀庫 機械手 徐州工程學院 07 屆本科生畢業設計（論文） 第 VIII 頁 ABSTRACT Along with the numerical control technology development and the popularization, the processing center function reveals its importance even more suddenly.For further enhances the numerical control engine laths the processing efficiency, the numerical control engine laths is clamping to the work piece in an engine laths attire then completes the multi-channel working procedure or the complete working procedure processing direction develops, therefore appeared each kind of type processing center engine laths, like the turning center, the boring mill processing center, drills truncates center and so on.This kind of working procedure processing numerical control engine laths must use many kinds of cutting tools in the processing process, therefore must have trades the knife installment automatically, also is the knife storehouse which said, in order to select the different cutting tool, completes the different working procedure the processing craft.Trades the knife equipment to have automatically to have trades the knife time short, the cutting tool repetition pointing accuracy high, the enough cutting tool margin, the area small, safe reliable and so on the characteristics. The present paper is the development designs one kind of volume slightly, the structure compact, the price is low, production cycle short small vertical processing center knife storehouse this article.First introduced the domestic and foreign processing center research present situation and the trend of development, have expounded this topic research goal, the significance.Then further introduced this small processing center knife storehouse overall structure and various parts plan choice, and has carried on the small processing center knife storehouse mechanism design calculation in this foundation, mainly includes the knife storehouse overall organization design, the electrical machinery selection, the knife storehouse rotation detent mechanism design knife storehouse migration part design and so on. Keywords: numerically controlled lathe; machining centers ; cut database ; mechanical hand 徐州工程學院 07 屆本科生畢業設計（論文） 第 IX 頁 目 錄 第1章 緒論 . 1 1.1國內外的研究現狀和發展趨勢. 1 1.1.1當前世界NC機床的研究現. 1 1.1.2我國數控機床產業的發展狀況. 2 1.1.3加工中心的發展動向. 6 1.1.4我國數控機床研究存在的問題. 9 1.2加工中心概論. 9 1.2.1自動換刀系統產品化的意義和前景. 13 1.3本論文研究的目的和意義. 15 1.4本論文完成的主要工作. 15 第2章 總體方案的設計 . 16 2.1運動方案的設計. 16 2.1.1運動數目的確定. 16 2.1.2運動方案的確定. 16 2.2功能部件的設計方案. 17 2.2.2進給伺服系統. 19 2.2.3自動換刀系統. 21 2.2.4基礎部件. 23 2.2.5數控系統. 24 2.2.6輔助裝置. 24 2.3總體布局. 24 徐州工程學院 07 屆本科生畢業設計（論文） 第 X 頁 2.4主要技術參數. 24 2.5小結. 25 第3章 刀庫的設計 . 26 3.1 刀庫的結構設計 . 26 3.1.1 刀庫主要參數的確定 . 26 3.1.2 刀盤部分的設計 . 26 3.1.3刀庫轉動定位機構的設計. 26 3.1.4 軸的設計 . 29 3.1.5 滾動軸承的選擇計算 . 32 3.1.6 鍵的選用與計算 . 33 3.1.4 刀庫的支承部分的設計 . 33 3.2 刀庫移動部分的設計 . 34 3.2.1 刀庫支承橫梁和導軌的設計 . 34 3.2.2 刀庫移動絲杠和電機的選擇 . 35 3.3 刀庫、橫梁的安裝 . 35 3.4 小結 . 35 結 論 . 36 致 謝 . 37 參考文獻 . 38 翻譯部分 . 39 The Numerical Control Lathes . 39 數控機床 . 50 徐州工程學院 07 屆本科生畢業設計（論文） 第 1 頁 第 1 章 緒 論 隨著科學技術的發展，世界先進制造技術的興起和成熟，而對作為現代制造業非常重要的加工中心提出了更高的要求，超高速切削、超精密加工等技術的應用，對加工中心的組成部分提出了更高的性能指標。 加工中心是一種綜合加工能力 較強的數控加工設備，工件一次裝夾后能完成較多的加工工序，加工精度較高，就中等加工難度的批量工件，其效率是普通設備的510倍，特別是它能完成許多普通設備不能一次完成的加工。加工中心對形狀較復雜，精度要求高的單件加工或中小批量多品種生產更為合適， 特別是對于必需采用工裝和專用設備來保證產品質量和效率的工件，采用加工中心加工，可以省去工裝和專機。這為新產品的研制和改型換代節省大量的時間和費用，從而使企業具有較強的競爭力。然而目前國內外加工中心的生產廠家設計生產的加工中心大多是大、中型零件的加工。 加工中心有多種形式，常見的有盤式、鏈式兩種刀庫。 盤式結構中，刀具可以沿著主軸的軸向、徑向、斜向按放，刀具軸向的安裝的結構最為緊密，但為了換到時與主軸同向，有的刀具庫中刀具需要在換刀位作 90 度翻轉。在刀庫容量較大時，為在存放方便的同時保持結構緊湊，可采用彈倉式結構，目前大量的刀庫安裝在機車立柱的頂面或側面，在刀庫較大時，也有安裝在專門的地基上，以隔離刀庫轉動造成的震動。 鏈式刀庫存放刀具容量比盤式大，設計題目刀具較多，為 32 把刀，所以特選用鏈式刀庫設計。鏈式刀庫結構比較靈活，可以采用加長鏈帶方式加大刀庫容量，也可以采用鏈帶折疊回繞的方式提高空間利用率，在需要刀具容量較大時，還可以采用多鏈帶結構。 1.1國內外的研究現狀和發展趨勢 1.1.1當前世界NC機床的研究現 世界各國對數控機床、加工中心以至 FMS、CIMS 等各種新技術的研究與發展進程，是與世界經濟形勢緊密相連的。機床工業與世界經濟相互促進和發展，進入21 世紀知識經濟時代，人們的知識所起的作用更加突出，而機床工業作為機器制造業的基礎，其重點地位與戰略意義更加明顯。在1991-1994年間，世界經濟衰退，昂貴的FMS，CIMS降溫，1995-2000年間，世界經濟在低速增長，根據當前世界市場各方面用戶為提高生產率對NC機床的需求以及世界四大國際機床展（歐洲的 EMO、美國的 IMTS、日本的 JIMTOF、中國的CIMT）上產品分析，當前世界NC機床的技術研究主要有以下幾點： 1.更加重視新技術和創新 在世界范圍內，對新工藝、新材料、新結構、新單元、新元件的研究開發工作正在大力發展，如新的刀具材料、新的主軸結構、高速電主軸、高速直線電機等的開發研究。以加工工藝的改進創新為基礎，為加工超硬、難切削材料及特殊符合材料及復雜零件、不規 徐州工程學院 07 屆本科生畢業設計（論文） 第 2 頁 則曲面等在不斷研究開發新機種。 2.提高機床加工的精度的研究 為了提高加工中心的加工精度，不斷提高機床的剛度、減少振動，消除熱變形，降低噪聲，提高NC機床的定位精度、重復精度、工作可靠性、穩定性、精度保持性，世界很多國家都在進行機床熱誤差、機床運動及負載變形誤差的軟件補償技術研究，并采取精度補償、軟件補償等措施加以改善，有的已可使此類誤差消除60%。并在不斷開發精細加工，納米加工。 3.提高機床加工生產率的研究 世界NC機床、加工中心及相應的高速電主軸、直線電機、測量系統、刀具系統、NC系統的開發，均以提高生產率為前提。 4.許多國家都已經開始對數控系統的智能化、開放化、網絡化研究 1）數控系統的智能化的研究 主要表現在：為追求加工效率和加工質量的智能化，對加工過程的自適應控制，工藝參數自動生成進行研究；為提高驅動性能及使用連接方便的智能化，對反饋控制、電機參數的自適應運算、自動識別負載自動選定模型、自整定等進行研究；還有智能化的自動編程、智能化的人機界面、智能診斷、智能監控等方面的研究。 2）數控系統開放化研究 主要表現在：數控系統的開發在統一的運行平臺上，面向機床廠家和最終用戶，通過改變、增加或剪裁結構對象（數控對象） ，形成系列化，并可方便地將用戶的特殊應用和技術訣竅集成到控制系統中，快速實現不同品種、不同檔次的開放式數控系統，形成具有鮮明個性的名牌產品。目前開放式數控系統的體系結構規范、通行規范、配置規范、運行平臺、數控系統功能庫以及數控系統功能軟件開發工具等是當前研究的核心。 3）控裝備的網絡化研究 數控裝備的網絡化將極大地滿足生產線、制造系統、制造企業對信息集成的需求，也是實現新的制造模式如敏捷制造 、虛擬企業、全球制造的基礎單元。 1.1.2我國數控機床產業的發展狀況 我國數控機床工業起步較早， 北京機床研究所于 1973年研制了臥式加工中心 JCS013。1980 年北京機床研究所引進了日本 FANUC 公司的數控系統制造技術，并投入批量生產。國家“六五”和“七五”規劃期間，我國大力發展加工中心，幫助部分骨干企業與國外廠商進行合作，引進了加工中心的制造技術。 “八五”期間科技攻關開發自主版權數控系統兩個階段，已為數控機床的產業化奠定了良好的基礎，并取得了長足的進步。 “九五”期間數控機床發展已進入了實現產業化階段。 1.部分產品已達到國外同類產品水平 具備了自行開發各種各樣專用機床和特殊功能機床系統的能力。 數控機床新開發品種300 個， 已有一定的覆蓋面。 新開發的國產數控機床大部分達到國際 20 世紀 90 年代水平，徐州工程學院 07 屆本科生畢業設計（論文） 第 3 頁 為國家重點建設提供了一批高水平數控機床。 2.數控機床在技術上取得了一定的進步 進入了高速高精度精密數控機床生產 國行列。高速主軸制造技術可達1200018000r/min， 快速進給可達 60m/min， 快速換刀可達 1.5s， 可以生產定位精度達 3um的立式加工中心、主軸回轉精度達 8um 的臥式加工中心和精度為 2um 的車削中心等2。 3.多軸聯動數控技術更加成熟 0.1um 當量的超精密數控系統、數控仿形系統、非圓齒輪加工系統、高速進給數控系統、實時多任務操作系統都已研制成功。尤其是基于 PC 機的開放式智能化數控系統，可實施多軸控制，具備聯網進線等功能。這些數控系統的研制成功使得多坐標聯動技術已不再是難題，且逐漸成熟。 4.大部分數控機床配套產品已能國內生產 我國數控機床生產廠共有 100 多家，數控系統（包括主軸和進給驅動單元）生產企業約 50 家， 生產數控機床配套產品的企業共計 300 余家， 產品品種包括八大類 2000 種以上。數控機床自我配套率超過 60%。 5.在網絡化、集成化、柔性化數控制造成套設備技術上也有了新突破 網絡化、集成化、柔性化數控制造裝備可實現在多臺機床連成的局域網上實現集成、資源共享、實時圖象監視和管理，服務器上實現加工對象的實體造型并將刀具路徑文件和加工程序自動化送至各數控機床。 總之，隨著科學技術的進一步發展，市場經濟活動的不斷深入，中國在加入WTO參與世界市場激烈競爭中，無論是國內市場、國際市場，對NC機床的需求將日益增多，NC機床的發展前景非常廣闊。中國機床工業能否振興、NC 機床技術能否迅速提高、產量能否迅速擴大，關鍵在于中國是否有此實力。 我國NC機床發展過程及現狀美國于1952年應飛機生產的需求， 在世界上首先研制出第一臺NC機床，并立即生產100臺。中國與日本于1958年同年研制出首臺NC機床。我國于19581960、19621965、19731978年曾先后三次在全國掀起NC機床的研制、生產、攻關高潮，但由于缺乏技術基礎，機床車體設計實力差、各種機、電、液、氣配套基礎元部件、NC系統不過關，工作不可靠，故障頻繁，且由于發展NC機床整個方針、政策、方法、步驟、措施錯誤，形成一哄而上，又一哄而下，三起三落。到1979年為止，我國NC機床無法正式生產，也無法在生產中正式使用。 在此20年中，可稱之為在沙灘上建大廈階段，交了許多學費，做了不少虛功，浪費了無數人力、物力、財力，教訓至為深刻。而日本在此階段，規劃周密、科學行事、步子扎實，在努力發展大量大批生產自動化、高效自動化機床、自動線的基礎上，確實使主機設計本領過硬，配套元部件、NC系統過關，不斷發展NC機床，至1979年日本NC系統年產量達 14,235 套，NC 機床年產量達 14,317 臺，超過了美國的當年產量 7,925 臺，從此年起，日本NC機床之年產量長期居世界第一。 我國從1980年起，先后引進了日、德、美、西班牙的NC系統，各種NC機床，各類徐州工程學院 07 屆本科生畢業設計（論文） 第 4 頁 機、電、液、氣基礎元部件等進行生產，由此改變了過去產品質量、可靠性問題，NC 機床才逐步開始批量生產并正式用于生產制造。 在19802000年20年間，我國NC機床在品種上、技術上、產量上提高較快，取得了較大的成績。1980年我國NC機床產量692臺，至1999年，產量達9,007臺，2000年超萬臺。在品種上，各類NC全切機床、成形機床、激光加工機床等均能生產，也較齊全，在設計、制造技術上也有了很大提高。許多國產NC機床，已在廣大用戶生產現場使用，有的取得了用戶的好評。但是，由于主機設計本領不過硬，許多NC 機床，特別是較先進的高性能機床，基本上是與國外合作的產品。許多關鍵配套基礎元部件、重要NC系統，仍采用國外進口產品，目前中國生產的NC機床，約70%配用日、德、美、西班牙進口NC系統，在改革開放20年間，我國NC機床的發展，可稱之為撐著拐仗走路。各種先進技術，由于缺乏系統深入研究、消化、創新，由于技術人員、技術工人素質較低，缺乏各方面人才，NC 機床基本上處于仿制階段。可以明確地指出：由于缺乏正確的發展方針、政策、方法、步驟、措施， 我國NC機床的整個發展過程，道路是漫長的，與日本相比，可說是在緩步前進。我國NC機床的現狀，可用下面3句話來描述：“進步很大，問題不少；擁有量較多，但利用率不高；產量較少，高性能產品缺乏。”據1995年全國調查，我國機床擁有量383萬臺，其中NC機床7.28萬臺。雖然機床總擁有量數字很大，居世界第一，但普遍性能落后、結構陳舊，NC機床所占比重不大。但在19961999年間，每年用戶購買約1.7萬臺，共計約 7 萬臺，2000 年我國 NC 機床擁有量約為 14 萬臺，平均利用率約為 40%。而日本的NC 機床利用率約在 80%以上，1987 年機床擁有量（全切和成形）79 萬臺， NC 機床 7 萬臺，汽車產量達1,225萬輛。1994年日本機床擁有量100萬臺，NC機床擁有量16萬臺，目前中國NC機床的擁有量，已接近日本1994年數字。中國1999年NC機床產量為9,007臺，1997年日本為56,113臺（1/2以上出口） ，德國為22,960臺，美國為17,414臺，相比之下， 中國NC機床年產量較少， 需大量進口。 1999年進口NC機床11,489臺， 出口1,365臺，消費量（產量+進口量-出口量）為19,131臺。 我國NC機床發展中存在的主要問題我國在發展NC機床中存在的主要問題， 歸納起來，主要有以下八點： （1）長期以來從上到下，嚴重缺乏實事求是的科學精神，盲目性大。不懂得NC機床本身的技術特點、發展規律，在戰略上藐視，在戰術上亦藐視。表現在前20年之間的是全國搞NC機床，往往一哄而上，遇到困難，束手無策，又一哄而下。在后20年，大量引進國外先進技術、合作生產，但缺乏認真試驗、消化、創新，按樣仿制，知其然不知其所以然。小有改進，即以為是創新。 （2）缺乏近/遠期正確、全面的機床工業發展方針、政策、方法、步驟、措施，更沒有上下結合、針對國情、認真去制訂整個機床、工具以及NC機床發展的規劃，偶爾有一些，也只是少數幾個人拍腦袋寫出的表面文章，結果也是置之高閣，無法貫徹。 （3）機床行業人員素質低，缺乏各方面人才，尤其缺乏政策。不懂NC機床特點、發徐州工程學院 07 屆本科生畢業設計（論文） 第 5 頁 展規律，抓不到主要矛盾。許多企業缺乏獨立作戰、開發各種優質適銷先進新產品能力，呈“松散”、“無序”、“虛胖子”、“低效運行”狀態。 （4）長期以來，缺乏系統深入的科研工作，更沒有踏踏實實的先進樣機對比試驗，缺乏各種技術資料積累，設計方法陳舊，僅靠類比模仿進行產品設計，既缺乏機床創新的基本理論，又缺乏豐富的生產實際經驗，對高效自動化機床、NC 機床的剛度、振動、熱變形、噪聲、精度補償等基礎技術缺乏深入研究，對各類機床加工工藝、布局、結構、導軌、主軸、卡具等應用技術又缺乏認真試驗，難以創新設計出優質適銷的先進產品。 （5）對原有的七大綜合機床研究所，沒有充分利用、不能充分發揮其“參謀、攻堅、組織、服務”四大作用，1999 年下放地方、公司或進出口單位，等同于企業失去了機床工業和NC 機床發展的教練。目前，各個研究單位、企業均忙于生存，普遍缺乏深入系統的科研工作，更沒有做到生產一代、研制一代、預研一代。因此，總體來說，新產品發展緩慢，更難以研制出優質適銷的先進產品。 （6）我國整個機床工業，由于沒有在全國范圍內發展大量大批生產自動化，對高效自動化機床的主機設計的基本功較差， 而機床的品種結構發展， 全靠主機設計本領加以變化，因此，在改革開放中，依靠引進和合作生產來發展各類主機，至今我國許多高性能、新結構的NC機床大都為合作產品，基本處于仿制階段。 （7）到目前為止，雖已引進合作生產了許多機、電、液、氣基礎元部件、NC 系統，但沒有徹底過關，在質量、可靠性上沒有充分保證，仍采用許多進口關鍵元部件，NC 系統配套的問題仍未解決。 （8）長期以來，人員素質不高，而且目前各研究單位、企業、人才流失嚴重，科研、設計力量十分虛弱，無法與先進工業國家進行對比競爭，這是當前中國機床工業、NC 機床發展中十分關鍵的問題。 國內、外對NC機床的市場需求世界各國人員素質、工業文化、技術水平不同，對NC機床的需求也不一樣。總的來說，發達國家對中、高檔機床需求多，發展中國家對低、中檔需求較多并需要少量的高檔機床。 目前，發達國家與發展中國家機床擁有量、年產量中，低（普遍機床） 、中（高效自動化機床） 、高檔機床（NC機床）之比例不同，發達國家機床擁有量、年產量中，低、中、高檔機床之比分別為：20：70：10 和 5：65：30，而發展中國家分別約為：80：17：3 和70：25：5，因此兩者之間的生產率、勞動生產率相差懸殊。發展中國家要經過認真切實努力、提高人員素質、工業文化、技術水平，才能達到發達國家的程度。同時需要在發展機器制造業以至整個工業中有正確的方針、政策、方法、步驟、措施，如同日本那樣，由落后趕上先進，并且能夠后來居上。 我國加速NC機床發展的對策具體地講，今后要切實加速我國NC機床的發展，從上到下，必須認真做好以下8點： 1深刻認識 NC 機床本身的技術特點和發展規律。NC 機床是復雜先進的生產工具，應堅持一切為用戶、質量第一、堅持信譽，整個機床工業以至全社會，要從根本上解決用徐州工程學院 07 屆本科生畢業設計（論文） 第 6 頁 戶、質量、信譽三大關鍵問題。學習美、德、日企業，100%的為用戶服務，質量上乘、信譽卓著。技術過硬，基礎扎實，具有不斷創新開發實力，NC機床才能順利發展。 2必須做到“知已知彼、百戰不殆”，對本國人力、物力、財力、技術水平應有實事求是的充分詳細調查分析。針對國情，發展NC機床，切實用于生產，提高利用率、生產率、勞動生產率。 3要上下左右結合、針對國情、綜合分析、全面考慮、遠近兼顧，制訂出我國整個機床工業及NC機床正確的發展方針、政策、方法、步驟、措施。在加速大量大批生產自動化、使物資極大豐富，人民生活水平迅速提高的基礎上，適當發展中、小批多品種柔性生產自動化，打好各級技術基礎，使NC機床的發展穩步前進，在生產上充分發揮應有的作用。 4科研是創新之路，必須加強科研設計隊伍、充實科研經費，制訂出機床工業及NC機床發展中要解決的重大課題，切切實實加強科研，分輕重緩急一一解決，NC 機床才有可能順利發展。 5長期以來，我國高效自動化機床、NC機床的主機設計水平很低，品種變化、發展很慢。設計方法落后，必須進一步深入發展CAD/CAM技術，切實掌握應用。只有切實全面提高主機設計創新開發能力，加上各種先進配套部件、系統，我國NC機床才能迅速發展。 6除主機設計應過硬外，必須加速發展各種配套件、刀具、NC系統等。要加速發展NC機床，首先必須開展NC機床的有關技術、發展趨勢、市場需求等方面的深入學習、討論。 7中國即將加入WTO，參與世界機床市場激烈競爭。中國機床工業的振興，NC機床的加速發展，歸根到底，取決于人員素質的提高、工業文化水平的提高、人才的加速培養，有效的深化改革、改組、改制，切切實實加強科學管理，提高工作質量、生產率、勞動生產率。 進入21世紀知識經濟時代，科學知識及作為重要生產要素的機床，其作用將更加突出。在今后10年、20年，以至50年中，我國機床工業及NC機床能否順利迅速發展，將取決于人才、發展方針、政策、方法、步驟、措施及戰略戰術的正確性。 1.1.3加工中心的發展動向 近年來，加工中心的發展主要目標是主軸轉速、進給速度和自動換刀（ATC）的高速化、縮短輔助時間、提高加工精度、縮短刀具交換時間、提高自動化程度等。 1.高速化 1）主軸轉速高速化 80年代初，加工中心的最高轉速約為40005000r/min。進入80年代中期，在不斷要求提高生產率和機床精度的背景下，隨著計算機控制系統 的進一步發展及高效刀具的開發，為實現越來越高的加工速度創造了條件，主軸軸承、驅動控制和刀具等技術的快速發展，使加工中心的主軸轉速不斷提高。在CIMT2001第七屆中國國際機床展覽會上展出的徐州工程學院 07 屆本科生畢業設計（論文） 第 7 頁 加工中心中，主軸轉速在 10000r/min 以上的共 48 臺，其中中國產的 20 臺，占 42%。主軸轉速超過 20000r/min 的有沈 陽中捷友誼廠生產的 D165 立式加工中心，主軸轉速為40000r/min；德國 Rieders 公司生產的 FRP760 主軸轉速為 42000r/min；瑞士 MIKRON 公司的HSM700高速加工中心，機床主軸采用瑞士IBAG公司生產的HF高速電主軸系統，主軸轉速范圍為300042000r/min。 高速電主軸是采用無外殼電機，將其轉子用壓配合的形式直接套狀在機床主軸上，帶有冷卻套的定子則安裝在主軸單元的殼體中，形成內裝式電主軸，采用不同的軸承其轉速也不同。德國KAPP公司采用磁懸浮軸承的砂輪主軸，轉速可達60000r/min。電主軸的應用是當今世界先進機床設計的標志，其優點是高速加工不但可以成倍地提高生產率，還可進一步改善零件的加工精度和表面質量，解決一些常規加 工中難以解決的某些特殊材料（如鋁鈦合金、模具鋼等）的高效加工問題。 2）進給速度高速化 80年代初， 加工中心主軸移動速度僅有20m/min， 90年代初， 主軸移動速度為75m/min。在目前直線電機的應用，進一步提高了軸 的移動速度和加速度，軸移動速度可達100120m/min，軸移動的加速度為 1020m/s2。例如，采用直線電機直接驅動的 XHC241型加工中心軸移動速度可達120 m/min，軸移動的加速度為 14m/s2。 由于使用了具有良好的高速聯動性能的數字伺服控制系統和直線電機， 使切削進給速度也大大提高。從 EM2001 展覽會的情況來看，高速加工中心的進給速度可達 80m/min，甚至更高，空運行速度可達 100m/min 左右。 在 CIM97 上德國西門子公司作了直線電機 120m/min 高速進給表演，該公司直線電機最大進給速度達 200m/min，最大推力可達 6600N，最大位移距離為 504mm。目前直線電機加速度可達 2.5g 以上。但直線電機驅動的高速加工中心與傳統電氣機械驅動的高速加工中心相比，在投資費用上要高 2030%。 2.加工高精度化 國內外生產加工中心的廠家，為了提高產品加工精度和質量，紛紛改造機械結構，提高機床精度，在滑動面使用了鋼軌道加貼塑以減少精度。有的機床采用線接觸，以提高運動阻力， 提高移動速度， 除應用更高精度的滾珠絲杠和脈沖編碼器作反饋外， 有的廠家 （如德國 MAHO 公司）還采用光柵尺等反饋元件實現閉環控制，使定位精度、重復定位精度、反向間隙偏差等主要精度指標均達到了微米級的水平。例如德國 MAHO 公司的 MC800H加工中心的重復定位精度反向間隙偏差均在 0.005mm以內， 日本 MAKINO公司的 MCC65加工中心定位精度 +0.002mm,重復定位精度達 +0.001mm（ JIS 標準） 。 在加工精度方面，近 10 年來，普通的數控機床的加工精度已由 10um 提高到 5um，精密級加工中心則從 35um 提高到 11.5um，并且超精密加工精度已開始進入納米級（ 0.01um） 。 3.換刀時間大大縮短 絕大多數廠家的臥式加工中心，其刀庫均可容納 40 把刀具以上，有 60、 90、 120 等徐州工程學院 07 屆本科生畢業設計（論文） 第 8 頁 不同刀數的刀庫可供選擇。拖板基本 2 個，但也有 3、 4、 6 等不同數量的拖板供用戶選擇。這樣做的目的是有利于用戶按不同產品與加工要求選擇最佳的性能價格比。 刀具之間交換時間越來越短，德國 STEINEL 公司的 BZ-26，日本 MAKINO 公司的MCC86，美國 CINCINNATI 公司的 MAXIM500 型加工中心的刀具交換時間只需 34s。 換刀機構的不斷完善和抓取式（ Pick-UP）直接換刀的采用，使加工中心的換刀時間不斷縮短。如在 CIMT2001 展覽會上展出的日本新瀉鐵工所展出的 SPN50H 加工中心，其獨特的擬人化雙臂拔刀機構，使換刀時間僅有 1.4s。 4.采用 AC 大功率電機，以實現強力切削 為了提高生產效率，需采用強力切削。這除了機床本體、夾具、工作臺、刀具的材質、剛度、強度要好外，主軸功率也必須相應提高。目前各廠家生產的工作臺尺寸在 500mm 500mm630mm 630mm 范圍的加工中心，絕大多數均采用交流無級調速電機，功率有較大提高。德國 STEINEL 公司的 BZ-26 型加工中心主軸交流電機功率達 28KW。 5.數控系統高檔化 90 年代初生產的加工中心，大多數廠家采用日本的 FANUC-OMC 或 15M 系統和德國 SIEMEN 公司的 SINUMENIK850 或 880 系統，少數廠家采用自己開發的數控系統。不管采用哪一種系統， CNC 中的 CPU 位數多數在 32 位以上；運行速度均在 1016MHZ 以上，內存容量在 320KB 以上；數控軸數多，一般均在四軸以上，有的能達到 68 軸； CRT顯示器均在 12 英寸以上，且多數是彩色三維顯示，顯示的語種有英文、德文、法文、意大利文等供選擇。臺灣喬福公司的 HMC-500 和 630 型加工中心的 CRT 還可用中文顯示，這樣極大地方便了操作人員觀看。 數控系統具有對話式編程功能、故障自診斷功能、刀具破損等監控功能和測量功能。CNC 的分辨率均在 0.0010.005mm 之間，并具有直線、圓弧和螺旋線插補功能。 880 系統還具有圓柱插補功能。 PLC（可編程邏輯控制）均采用數控內裝式結構。 CNC 還具有刀具長度、半徑和坐標各軸背隙補償功能與各 軸的零點偏置功能，并具有 G、 T、 S、 M等編程功能，還有輸入輸出的接口和預留 COM 接口（通訊接口） ，以在有條件和必要時，將幾臺數控設備組成柔性生產系統。 數據與程序輸入有面板鍵盤、 磁盤、 磁帶等多種形式，內存多數采用蓄電池支撐的 COMS 等半導體存儲器， 日本 MAKINO 公司采用了更為先進的磁泡存儲器。這種存儲器不需電池支撐也能長期保存數據與程序。 6. 改善了排屑及冷卻系統，提高了加工件的清潔度與質量 所有的加工中心均具備自動排屑裝置、油水分離裝置和冷卻系統。在改善排屑效果方面有兩種發展趨勢。其一，工作臺面安裝采用傾斜式，即工作臺與水平面約有 30。至 45。的傾角；其二，安裝夾具的工作臺與水平面成 90 度，以利于工件排屑。 為了實現深孔加工（孔徑在 10mm16mm）很多加工中心在主軸頭上設計有內冷卻液系統，使冷卻液經主軸頭與刀具中的內孔噴出。主軸中 心冷卻液的壓力提高，如德國MAHO 公司的 MC-800，冷卻液的壓力達 4Mpa 以上。為了保持主軸頭的精度，設計了主軸箱恒溫系統。 徐州工程學院 07 屆本科生畢業設計（論文） 第 9 頁 由上可見，國際上加工中心正向自動化程度更好、機床精度更高、功能更全、切削效率更高、機床結構更趨合理的方向發展。 1.1.4我國數控機床研究存在的問題 我國的數控機床行業在近幾年中有了很大的發展，但對數控機床的進口量依然很大。我國進口的 NC 機床，大都是自己不能生產、水平達不到的中、高檔機床，其中特別是加工中心。均采用 CAD、有限元分析、先進的數控程序軟件等先進方法，配套基礎元部件、NC 系統實行國際配套方面，我國仍需大力提高。 1.2加工中心概論 加工中心的功能及特點： 1.加工中心的功能 加工中心（ Machining Center-MC）是一種功能較全的數控加工機床。它把銑削、鏜削、鉆削和切削螺紋等功能集中在一臺設備上，使其具有多種工藝功能。加工中心設置有刀庫，刀庫中存放著不同數量的各種刀具和量具，在加工過程中由程序自動選用和更換。這是它與數控銑床、數控鏜床的主要區別。加工中心與同類數控機床相比結構較復雜，控制系統功能較多。加工中最少有三個運動坐標系，多的達十幾個。其控制功能最少可實現兩軸聯動控制，實現刀具運動直線插補和圓弧插補。多的可實現五軸聯動、六軸聯動，從而保證刀具進行復雜加工。加工中心還具有不同的輔助功能；如：各種加工固定循環，刀具半徑自動補償，刀具長度自動補償，刀具破損報警，刀具壽命管理，過載超程自動保護，絲杠螺距誤差補償，絲杠間隙補償，故障自動診斷，工件與加工過程圖形顯示，人機顯示，工件在線檢測和加工自動補償、離線編程等，這些功能提高了數控機床的加工效率，保證了產品的加工精度和質量，是普通加工設備無法相比的。 2.加工中心的特點 加工中心是典型的集高新技術于一體的機械加 工設備，它的發展代表了一個國家設計、制造的水平，因此在國內外企業界都受到高度重視。加工中心綜合加工能力較強，工件一次裝夾后能完成較多的加工步驟，加工精度較高，對于中等加工難度的批量工件，其效率是普通設備的 510 倍。加工中心對形狀較復雜，精度要求高的的單件加工或中小批量多品種生產更為合適。 特別是對于必須采用工裝和專機設備來保證產品質量和效率的工件，采用加工中心加