学位论文-—小型立式加工中心刀库设计.doc

摘 要加工中心正向着工件在一台机床一次装夹即可完成多道工序或全部工序加工的方向发展，这类多工序加工的加工中心在加工过程中要使用多种刀具，因此必须有自动换刀装置，也就是所说的刀库，以便选用不同刀具，完成不同工序的加工工艺。本设计是开发设计出一种体积小、结构紧凑、价格较低、生产周期短的小型立式加工中心刀库。首先介绍了国内外加工中心研究现状及发展趋势，阐明了本课题研究的目的、意义。然后进一步介绍本加工中心刀库总体结构和各部件方案的选择，并在此基础上进行了加工中心刀库的机械结构和控制部分的设计计算，主要包括刀库转动定位机构设计、刀库总体机构设计、机械手部分设计以及液压、PLC的控制设计。关键词： 刀库；机械手；液压控制；PLC控制AbstractWith the direction of One machining center can manufacture several process only by one fixing .These manufacture needs different toolings , so it have to have automatic switching system. It means the machine have to own a tooling storeroom. Then it can select different tooling to finish different process during manufacture. This design is to develop design a small volume, compact structure, low price, short production cycle of small vertical machining center tool library. First introduced the processing center research status and development trend at home and abroad, illustrates the this topic research purpose and meaning. Then further introduces the overall structure and parts machining center tool storage scheme choice, on the basis of the machining center tool library of mechanical structure and control part of the design and calculation, mainly including library rotational positioning design, knife library overall organization design, mechanical parts and hydraulic design, PLC control design.Keywords: Knife library, Mechanical, Hydraulic control, PLC control.目 录摘 要1Abstract2目 录3第1章 绪论61.1国内外的研究现状和发展趋势61.1.1当前世界NC机床的研究现状61.1.2我国数控机床产业的发展状况81.1.3我国数控机床研究存在的问题131.2加工中心简介131.2.1加工中心的发展简史131.2.2加工中心的结构组成141.2.3加工中心的分类151.2.4加工中心的功能及特点171.2.5加工中心的发展动向191.3自动换刀系统产品化的意义和前景221.4本设计研究的目的和意义251.5本设计完成的主要工作25第2章 总体方案的设计262.1运动方案的设计262.1.1运动数目的确定262.1.2运动方案的确定262.2功能部件的设计方案272.2.1主传动系统282.2.2进给伺服系统302.2.3自动换刀系统322.2.4基础部件342.2.5数控系统352.2.6辅助装置352.3方案的分析论证及确定362.3.1 机械结构方案的提出362.3.2传动方案的提出362.3.3机械结构方案的可行性分析362.3.4传动方案的可行性分析372.3.5机械结构方案的确定382.3.6传动方案的确定382.4总体布局382.5主要技术参数38第3章 刀库的设计403.1刀库简介403.1.1 刀库的类型403.2刀库的结构设计423.2.1刀库主要参数的确定423.2.2刀库转动定位机构的设计433.2.3刀库主轴的设计453.2.4刀库转动电机的选择计算493.2.5滚动轴承的选择计算513.2.6键的选用与计算533.2.7刀库的支承部分的设计53第4章 机械手的设计554.1确定换刀机械手形式554.1.1单臂双爪机械手的结构及工作原理554.2机械手的结构设计554.2.1齿轮的设计计算554.2.2机械手轴的设计计算594.2.3滑动轴承的选型计算65第5章 自动换刀装置的液压控制设计675.1液压传动系统简介675.1.1液压传动系统的组成675.1.2液压传动系统的结构685.1.3液压传动系统的控制原理685.2自动换刀装置的液压系统原理图685.2.1自动换刀装置换刀动作的顺序控制过程695.3 执行元件的选型计算695.3.1液压缸的计算695.4动力元件的选型725.4.1液压泵的选型725.5 控制元件的选型725.5.1方向控制阀的选型735.5.2流量控制阀的选型735.5.3控制元件的计算结果735.6 辅助元件的选型735.6.1管道的选型计算735.6.2管接头的选型745.6.3 过滤器的选型745.6.4 油箱的选型745.7 工作介质的选择755.7.1 液压油的选择75第6章 自动换刀装置的PLC控制设计766.1 PLC概述766.1.1 PLC简介766.1.2 PLC的主要特点766.2 PLC控制设计766.2.1 机械手控制系统PLC的选择766.2.2 机械手的工作流程776.2.3 机械手自动换刀系统的原理776.2.4 工步时间分配776.2.5 PLC的硬件I/O单元786.2.6 PLC的硬件I/O接口原理图786.2.7 PLC的控制流程图796.2.7 PLC的梯形图816.2.8 指令表82结论84参 考 文 献85英 文 文 献86中 文 翻 译89致 谢91第1章 绪论随着科学技术的发展，世界先进制造技术的兴起和成熟，而对作为现代制造业非常重要的加工中心提出了更高的要求，超高速切削、超精密加工等技术的应用，对加工中心的组成部分提出了更高的性能指标。加工中心是一种综合加工能力较强的数控加工设备，工件一次装夹后能完成较多的加工工序，加工精度较高，就中等加工难度的批量工件，其效率是普通设备的510倍，特别是它能完成许多普通设备不能一次完成的加工。加工中心对形状较复杂，精度要求高的单件加工或中小批量多品种生产更为合适，特别是对于必须采用工装和专用设备来保证产品质量和效率的工件，采用加工中心加工，可以省去工装和专机。这为新产品的研制和改型换代节省大量的时间和费用，从而使企业具有较强的竞争力。然而目前国内外加工中心的生产厂家设计生产的加工中心大多是大、中型零件的加工。1.1国内外的研究现状和发展趋势1.1.1当前世界NC机床的研究现状世界各国对数控机床、加工中心以至FMS、CIMS等各种新技术的研究与发展进程，是与世界经济形势紧密相连的。机床工业与世界经济相互促进和发展，进入21世纪知识经济时代，人们的知识所起的作用更加突出，而机床工业作为机器制造业的基础，其重点地位与战略意义更加明显。在1991-1994年间，世界经济衰退，昂贵的FMS，CIMS降温，1995-2000年间，世界经济在低速增长，根据当前世界市场各方面用户为提高生产率对NC机床的需求以及世界四大国际机床展（欧洲的EMO、美国的IMTS、日本的JIMTOF、中国的CIMT）上产品分析，当前世界NC机床的技术研究主要有以下几点：1.更加重视新技术和创新 在世界范围内，对新工艺、新材料、新结构、新单元、新元件的研究开发工作正在大力发展，如新的刀具材料、新的主轴结构、高速电主轴、高速直线电机等的开发研究。以加工工艺的改进创新为基础，为加工超硬、难切削材料及特殊符合材料及复杂零件、不规则曲面等在不断研究开发新机种。2.提高机床加工的精度的研究为了提高加工中心的加工精度，不断提高机床的刚度、减少振动，消除热变形，降低噪声，提高NC机床的定位精度、重复精度、工作可靠性、稳定性、精度保持性，世界很多国家都在进行机床热误差、机床运动及负载变形误差的软件补偿技术研究，并采取精度补偿、软件补偿等措施加以改善，有的已可使此类误差消除60%。并在不断开发精细加工，纳米加工。3.提高机床加工生产率的研究 世界NC机床、加工中心及相应的高速电主轴、直线电机、测量系统、刀具系统、NC系统的开发，均以提高生产率为前提。4.许多国家都已经开始对数控系统的智能化、开放化、网络化研究1）数控系统的智能化的研究 主要表现在：为追求加工效率和加工质量的智能化，对加工过程的自适应控制，工艺参数自动生成进行研究；为提高驱动性能及使用连接方便的智能化，对反馈控制、电机参数的自适应运算、自动识别负载自动选定模型、自整定等进行研究；还有智能化的自动编程、智能化的人机界面、智能诊断、智能监控等方面的研究。2）数控系统开放化研究 主要表现在：数控系统的开发在统一的运行平台上，面向机床厂家和最终用户，通过改变、增加或剪裁结构对象（数控对象），形成系列化，并可方便地将用户的特殊应用和技术诀窍集成到控制系统中，快速实现不同品种、不同档次的开放式数控系统，形成具有鲜明个性的名牌产品。目前开放式数控系统的体系结构规范、通行规范、配置规范、运行平台、数控系统功能库以及数控系统功能软件开发工具等是当前研究的核心。3）数控装备的网络化研究 数控装备的网络化将极大地满足生产线、制造系统、制造企业对信息集成的需求，也是实现新的制造模式如敏捷制造 、虚拟企业、全球制造的基础单元。1.1.2我国数控机床产业的发展状况我国数控机床工业起步较早，北京机床研究所于1973年研制了卧式加工中心JCS013。1980年北京机床研究所引进了日本FANUC公司的数控系统制造技术，并投入批量生产。国家“六五”和“七五”规划期间，我国大力发展加工中心，帮助部分骨干企业与国外厂商进行合作，引进了加工中心的制造技术。“八五”期间科技攻关开发自主版权数控系统两个阶段，已为数控机床的产业化奠定了良好的基础，并取得了长足的进步。“九五”期间数控机床发展已进入了实现产业化阶段。1.部分产品已达到国外同类产品水平 具备了自行开发各种各样专用机床和特殊功能机床系统的能力。数控机床新开发品种300个，已有一定的覆盖面。新开发的国产数控机床大部分达到国际20世纪90年代水平，为国家重点建设提供了一批高水平数控机床。2.数控机床在技术上取得了一定的进步 进入了高速高精度精密数控机床生产国行列。高速主轴制造技术可达1200018000r/min，快速进给可达60m/min，快速换刀可达1.5s，可以生产定位精度达3um的立式加工中心、主轴回转精度达8um的卧式加工中心和精度为2um的车削中心等2。3.多轴联动数控技术更加成熟 0.1um当量的超精密数控系统、数控仿形系统、非圆齿轮加工系统、高速进给数控系统、实时多任务操作系统都已研制成功。尤其是基于PC机的开放式智能化数控系统，可实施多轴控制，具备联网进线等功能。这些数控系统的研制成功使得多坐标联动技术已不再是难题，且逐渐成熟。4.大部分数控机床配套产品已能国内生产 我国数控机床生产厂共有100多家，数控系统（包括主轴和进给驱动单元）生产企业约50家，生产数控机床配套产品的企业共计300余家，产品品种包括八大类2000种以上。数控机床自我配套率超过60%。5.在网络化、集成化、柔性化数控制造成套设备技术上也有了新突破 网络化、集成化、柔性化数控制造装备可实现在多台机床连成的局域网上实现集成、资源共享、实时图象监视和管理，服务器上实现加工对象的实体造型并将刀具路径文件和加工程序自动化送至各数控机床。总之，随着科学技术的进一步发展，市场经济活动的不断深入，中国在加入WTO参与世界市场激烈竞争中，无论是国内市场、国际市场，对NC机床的需求将日益增多，NC机床的发展前景非常广阔。中国机床工业能否振兴、NC机床技术能否迅速提高、产量能否迅速扩大，关键在于中国是否有此实力。我国NC机床发展过程及现状美国于1952年应飞机生产的需求，在世界上首先研制出第一台NC机床，并立即生产100台。中国与日本于1958年同年研制出首台NC机床。我国于19581960、19621965、19731978年曾先后三次在全国掀起NC机床的研制、生产、攻关高潮，但由于缺乏技术基础，机床车体设计实力差、各种机、电、液、气配套基础元部件、NC系统不过关，工作不可靠，故障频繁，且由于发展NC机床整个方针、政策、方法、步骤、措施错误，形成一哄而上，又一哄而下，三起三落。到1979年为止，我国NC机床无法正式生产，也无法在生产中正式使用。 在此20年中，可称之为在沙滩上建大厦阶段，交了许多学费，做了不少虚功，浪费了无数人力、物力、财力，教训至为深刻。而日本在此阶段，规划周密、科学行事、步子扎实，在努力发展大量大批生产自动化、高效自动化机床、自动线的基础上，确实使主机设计本领过硬，配套元部件、NC系统过关，不断发展NC机床，至1979年日本NC系统年产量达14,235套，NC机床年产量达14,317台，超过了美国的当年产量7,925台，从此年起，日本NC机床之年产量长期居世界第一。 我国从1980年起，先后引进了日、德、美、西班牙的NC系统，各种NC机床，各类机、电、液、气基础元部件等进行生产，由此改变了过去产品质量、可靠性问题，NC机床才逐步开始批量生产并正式用于生产制造。 在19802000年20年间，我国NC机床在品种上、技术上、产量上提高较快，取得了较大的成绩。1980年我国NC机床产量692台，至1999年，产量达9,007台，2000年超万台。在品种上，各类NC全切机床、成形机床、激光加工机床等均能生产，也较齐全，在设计、制造技术上也有了很大提高。许多国产NC机床，已在广大用户生产现场使用，有的取得了用户的好评。但是，由于主机设计本领不过硬，许多NC机床，特别是较先进的高性能机床，基本上是与国外合作的产品。许多关键配套基础元部件、重要NC系统，仍采用国外进口产品，目前中国生产的NC机床，约70%配用日、德、美、西班牙进口NC系统，在改革开放20年间，我国NC机床的发展，可称之为撑着拐仗走路。各种先进技术，由于缺乏系统深入研究、消化、创新，由于技术人员、技术工人素质较低，缺乏各方面人才，NC机床基本上处于仿制阶段。可以明确地指出：由于缺乏正确的发展方针、政策、方法、步骤、措施。 我国NC机床的整个发展过程，道路是漫长的，与日本相比，可说是在缓步前进。我国NC机床的现状，可用下面3句话来描述：“进步很大，问题不少；拥有量较多，但利用率不高；产量较少，高性能产品缺乏。”据1995年全国调查，我国机床拥有量383万台，其中NC机床7.28万台。虽然机床总拥有量数字很大，居世界第一，但普遍性能落后、结构陈旧，NC机床所占比重不大。但在19961999年间，每年用户购买约1.7万台，共计约7万台，2000年我国NC机床拥有量约为14万台，平均利用率约为40%。而日本的NC机床利用率约在80%以上，1987年机床拥有量（全切和成形）79万台， NC机床7万台，汽车产量达1,225万辆。1994年日本机床拥有量100万台，NC机床拥有量16万台，目前中国NC机床的拥有量，已接近日本1994年数字。中国1999年NC机床产量为9,007台，1997年日本为56,113台（1/2以上出口），德国为22,960台，美国为17,414台，相比之下，中国NC机床年产量较少，需大量进口。1999年进口NC机床11,489台，出口1,365台，消费量（产量+进口量-出口量）为19,131台。我国NC机床发展中存在的主要问题我国在发展NC机床中存在的主要问题，归纳起来，主要有以下八点： （1）长期以来从上到下，严重缺乏实事求是的科学精神，盲目性大。不懂得NC机床本身的技术特点、发展规律，在战略上藐视，在战术上亦藐视。表现在前20年之间的是全国搞NC机床，往往一哄而上，遇到困难，束手无策，又一哄而下。在后20年，大量引进国外先进技术、合作生产，但缺乏认真试验、消化、创新，按样仿制，知其然不知其所以然。小有改进，即以为是创新。 （2）缺乏近/远期正确、全面的机床工业发展方针、政策、方法、步骤、措施，更没有上下结合、针对国情、认真去制订整个机床、工具以及NC机床发展的规划，偶尔有一些，也只是少数几个人拍脑袋写出的表面文章，结果也是置之高阁，无法贯彻。 （3）机床行业人员素质低，缺乏各方面人才，尤其缺乏政策。不懂NC机床特点、发展规律，抓不到主要矛盾。许多企业缺乏独立作战、开发各种优质适销先进新产品能力，呈“松散”、“无序”、“虚胖子”、“低效运行”状态。 （4）长期以来，缺乏系统深入的科研工作，更没有踏踏实实的先进样机对比试验，缺乏各种技术资料积累，设计方法陈旧，仅靠类比模仿进行产品设计，既缺乏机床创新的基本理论，又缺乏丰富的生产实际经验，对高效自动化机床、NC机床的刚度、振动、热变形、噪声、精度补偿等基础技术缺乏深入研究，对各类机床加工工艺、布局、结构、导轨、主轴、卡具等应用技术又缺乏认真试验，难以创新设计出优质适销的先进产品。 （5）对原有的七大综合机床研究所，没有充分利用、不能充分发挥其“参谋、攻坚、组织、服务”四大作用，1999年下放地方、公司或进出口单位，等同于企业失去了机床工业和NC机床发展的教练。目前，各个研究单位、企业均忙于生存，普遍缺乏深入系统的科研工作，更没有做到生产一代、研制一代、预研一代。因此，总体来说，新产品发展缓慢，更难以研制出优质适销的先进产品。 （6）我国整个机床工业，由于没有在全国范围内发展大量大批生产自动化，对高效自动化机床的主机设计的基本功较差，而机床的品种结构发展，全靠主机设计本领加以变化，因此，在改革开放中，依靠引进和合作生产来发展各类主机，至今我国许多高性能、新结构的NC机床大都为合作产品，基本处于仿制阶段。 （7）到目前为止，虽已引进合作生产了许多机、电、液、气基础元部件、NC系统，但没有彻底过关，在质量、可靠性上没有充分保证，仍采用许多进口关键元部件，NC系统配套的问题仍未解决。 （8）长期以来，人员素质不高，而且目前各研究单位、企业、人才流失严重，科研、设计力量十分虚弱，无法与先进工业国家进行对比竞争，这是当前中国机床工业、NC机床发展中十分关键的问题。 国内、外对NC机床的市场需求世界各国人员素质、工业文化、技术水平不同，对NC机床的需求也不一样。总的来说，发达国家对中、高档机床需求多，发展中国家对低、中档需求较多并需要少量的高档机床。 目前，发达国家与发展中国家机床拥有量、年产量中，低（普遍机床）、中（高效自动化机床）、高档机床（NC机床）之比例不同，发达国家机床拥有量、年产量中，低、中、高档机床之比分别为：20：70：10和5：65：30，而发展中国家分别约为：80：17：3和70：25：5，因此两者之间的生产率、劳动生产率相差悬殊。发展中国家要经过认真切实努力、提高人员素质、工业文化、技术水平，才能达到发达国家的程度。同时需要在发展机器制造业以至整个工业中有正确的方针、政策、方法、步骤、措施，如同日本那样，由落后赶上先进，并且能够后来居上。我国加速NC机床发展的对策具体地讲，今后要切实加速我国NC机床的发展，从上到下，必须认真做好以下8点： 1深刻认识NC机床本身的技术特点和发展规律。NC机床是复杂先进的生产工具，应坚持一切为用户、质量第一、坚持信誉，整个机床工业以至全社会，要从根本上解决用户、质量、信誉三大关键问题。学习美、德、日企业，100%的为用户服务，质量上乘、信誉卓著。技术过硬，基础扎实，具有不断创新开发实力，NC机床才能顺利发展。 2必须做到“知已知彼、百战不殆”，对本国人力、物力、财力、技术水平应有实事求是的充分详细调查分析。针对国情，发展NC机床，切实用于生产，提高利用率、生产率、劳动生产率。 3要上下左右结合、针对国情、综合分析、全面考虑、远近兼顾，制订出我国整个机床工业及NC机床正确的发展方针、政策、方法、步骤、措施。在加速大量大批生产自动化、使物资极大丰富，人民生活水平迅速提高的基础上，适当发展中、小批多品种柔性生产自动化，打好各级技术基础，使NC机床的发展稳步前进，在生产上充分发挥应有的作用。 4科研是创新之路，必须加强科研设计队伍、充实科研经费，制订出机床工业及NC机床发展中要解决的重大课题，切切实实加强科研，分轻重缓急一一解决，NC机床才有可能顺利发展。 5长期以来，我国高效自动化机床、NC机床的主机设计水平很低，品种变化、发展很慢。设计方法落后，必须进一步深入发展CAD/CAM技术，切实掌握应用。只有切实全面提高主机设计创新开发能力，加上各种先进配套部件、系统，我国NC机床才能迅速发展。 6除主机设计应过硬外，必须加速发展各种配套件、刀具、NC系统等。要加速发展NC机床，首先必须开展NC机床的有关技术、发展趋势、市场需求等方面的深入学习、讨论。 7中国即将加入WTO，参与世界机床市场激烈竞争。中国机床工业的振兴，NC机床的加速发展，归根到底，取决于人员素质的提高、工业文化水平的提高、人才的加速培养，有效的深化改革、改组、改制，切切实实加强科学管理，提高工作质量、生产率、劳动生产率。 进入21世纪知识经济时代，科学知识及作为重要生产要素的机床，其作用将更加突出。在今后10年、20年，以至50年中，我国机床工业及NC机床能否顺利迅速发展，将取决于人才、发展方针、政策、方法、步骤、措施及战略战术的正确性。1.1.3我国数控机床研究存在的问题我国的数控机床行业在近几年中有了很大的发展，但对数控机床的进口量依然很大。我国进口的NC机床，大都是自己不能生产、水平达不到的中、高档机床，其中特别是加工中心。均采用CAD、有限元分析、先进的数控程序软件等先进方法，配套基础元部件、NC系统实行国际配套方面，我国仍需大力提高。1.2加工中心简介1.2.1加工中心的发展简史1952年世界上出现一台数控机床，使多品种、中小批量的机械加工设备在柔性、自动化和效率上产生了巨大变革。它用易于修改的数控加工程序进行控制，因而比大批量生产重使用组合机床生产线和凸轮、开关控制的专用机床有更大的柔性，容易适应加工件品种的变化，进行多品种加工。它用数控系统对机床的工艺功能、几何图形运动功能和辅助功能实行全自动的数字控制，因为有更高的自动化程度和加工效率，大大改变了中小批量生产中普通机床占整个机械加工的状况。数控机床能实现两坐标以上联动的功能，其效率和精度比用手工和样板控制加工复杂零件要高得多。 1958年一台加工中心在美国卡尼、特雷克（Kearney&Trecker）公司问世。现代加工中心的内容是什么？一，它是在数控镗床或数控铣床的基础上增加自动换刀装置，可使工件在一次装卡中，能够自动更换刀具，自动完成工件上的铣削、钻孔、镗孔、铰孔、攻丝等工序的数控机床。二，加工中心上如果带有自动分度回转工作台或自动转角度的主轴箱，可使工件在一次装卡中，自动完成多个平面和多个角度位置的多工序加工。三，加工中心上如果带有交换工作台，工件在工作位置的工作台上进行加工的同时，另外的工件在装卸位置的工作台上进行装卸，不影响加工的进行。由上述可知，加工重心在加工的柔性、自动化程度和加工效率上，在一般数控机床的基础上又上了一个新的台阶，又是一次新的变革。加工中心的定义是什么？目前世界上并无标准定义，但目前普遍认为是指：在工件一次装卡中，能够实现自动铣削、钻孔、镗孔、铰孔、攻丝等多工序的数控机床。更为明确的说法是：加工中心就是自动换刀数控镗铣床。这就把加工中心与自动换刀数控车床或车削中心区别开来。1.2.2加工中心的结构组成加工中心的组成随机床的类别、功能、参数的不同而有所区别。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它参数。机床制造厂可根据用户提出的要求进行生产，但在同类机床的基本功能和部件组成一般差别不大。从总体上看，加工中心基本上由以下几大部分组成。1、 基础部件 主要由床身、立柱和工作台等大件组成。它们是加工中心的基础结构，要承受加工中心的静载荷以及在加工时的切削负载，因此必须是刚度很高的部件。这些大件可以是铸铁件也可以是焊接的刚结构件，是加工中心中重量和体积最大的部件。2、主轴系统 主要由主轴箱、主轴电动机、主轴和主轴轴承等零部件组成。主轴的启动、停止和变转速等动作均由数控系统控制，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。主轴系统是加工中心的关键部件，其结构的好坏，对加工中心的性能有很大的影响。3、数控系统 主要由CNC装置、可编程序控制器、伺服驱动装置以及电动机等部分组成，它们是加工中心执行顺序控制动作和完成加工过程的控制中心。4、自动换刀系统 主要由刀库、自动换刀装置等部件组成。刀库是存放加工过程所要使用的全部刀具的装置。当需要换刀时，根据数控系统的指令，由机械手（或通过别的方式）将刀具从刀库取出装入主轴孔中。刀库有盘式、链式和鼓式等多种形式，容量从几把到几百把。机械手的结构根据刀库与主轴的相对位置几结构的不同也有多种形式。如单臂式、双臂式。回转式和轨道式等等。有的加工中心利用主轴箱或刀库的移动来实现换刀。5、辅助系统 包括润滑、冷却、排屑防护、液压和随机检测系统等部分。辅助系统虽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到保障作用，因此也是加工中心中不可缺少的部分。另外，为进一步缩短非切削时间，有的加工中心还配备了自动托盘交换系统。例如，配有两个自动交换工件托盘的加工中心，一个安装工件在工作台上加工，另一个则位于工作台外进行工件的装卸。当完成一个托盘上工件的加工后，便自动交换托盘，进行新零件的加工，这样可以减少辅助时间，提高加工效率。1.2.3加工中心的分类按照加工中心形态不同进行分类，可分为立式、卧式和五坐标加工中心。1、立式加工中心（如图1-1） 立式加工中心的主轴轴心线为垂直状态配置，结构形式多为固定立柱式，工作台为长方形，适合加工小型板类、盘类、壳体类零件。图1-1 立式加工中心2、卧式加工中心（如图1-2） 卧式加工中心是指主轴轴线为水平状态设置的加工中心，通常都带有可进行分度回转运动的正方形分度工作台。卧式加工中心一般具有35个运动坐标，常见的是三个直线运动坐标(沿X、Y、Z轴方向)加一个回转运动坐标(回转工作台)，它能够使工件在一次装夹后完成除安装面和顶面以外的其余四个面的加工，最适合箱体类工件的加工。图1-2 卧式加工中心 3、五坐标加工中心 五坐标加工中心兼具立式和卧式加工中心的功能，工件一次装夹后能完成除安装面外的所有侧面和顶面等五个面的加工，因此也叫五面加工中心。常见的五坐标加工中心有两种结构形式，一种是主轴可以旋转，另一种是工作台可以旋转1.2.4加工中心的功能及特点 1.加工中心的功能 加工中心（Machining Center-MC）是一种功能较全的数控加工机床。它把铣削、镗削、钻削和切削螺纹等功能集中在一台设备上，使其具有多种工艺功能。加工中心设置有刀库，刀库中存放着不同数量的各种刀具和量具，在加工过程中由程序自动选用和更换。这是它与数控铣床、数控镗床的主要区别。加工中心与同类数控机床相比结构较复杂，控制系统功能较多。加工中最少有三个运动坐标系，多的达十几个。其控制功能最少可实现两轴联动控制，实现刀具运动直线插补和圆弧插补。多的可实现五轴联动、六轴联动，从而保证刀具进行复杂加工。加工中心还具有不同的辅助功能；如：各种加工固定循环，刀具半径自动补偿，刀具长度自动补偿，刀具破损报警，刀具寿命管理，过载超程自动保护，丝杠螺距误差补偿，丝杠间隙补偿，故障自动诊断，工件与加工过程图形显示，人机显示，工件在线检测和加工自动补偿、离线编程等，这些功能提高了数控机床的加工效率，保证了产品的加工精度和质量，是普通加工设备无法相比的。2.加工中心的特点 加工中心是典型的集高新技术于一体的机械加工设备，它的发展代表了一个国家设计、制造的水平，因此在国内外企业界都受到高度重视。加工中心综合加工能力较强，工件一次装夹后能完成较多的加工步骤，加工精度较高，对于中等加工难度的批量工件，其效率是普通设备的510倍。加工中心对形状较复杂，精度要求高的单件加工或中小批量多品种生产更为合适。特别是对于必须采用工装和专机设备来保证产品质量和效率的工件，采用加工中心加工，可以省去工装和专机。这为新产品的研制和改型换代接生大量的时间和费用，从而使企业具有较强的竞争能力。因此它也是判断企业技术技术能力和工艺水平标志的一个方面。如今，加工中心已成为现代机床发展的主流方向，广泛用于机械制造中。与普通数控机床相比，它有以下几个突出要点：1）工序集中 加工中心备有刀库，能自动换刀，并能对工件进行多工序加工。现代加工中心可使工件在一次装夹后实现多表面、多工位的连续、高效、高精度加工，即工序集中。这是加工中心最突出的特点。2）加工精度高 加工中心同其他数控机床一样具有加工精度高的特点，而且加工中心可一次装夹工件，实现多工序集中加工，减少了多次装夹带来的误差，故加工精度更高，加工质量更加稳定。3）适用性强 加工中心对加工对象的适用性强。加工中心改变加工零件时，只需重新编制（更换）程序，输入新的程序就能实现对新的零件的加工，这对结构复杂零件的单件、小批量生产及新产品试制带来极大的方便。同时，它还能自动加工普通机床很难加工或无法加工的精密复杂零件。4）生产效率高 加工中心带有刀库，在一台机床上能集中完成多种工序，因而可减少工件装夹、测量和机床的调整时间，减少工件半成品的周转、搬运和存放时间，机床的切削利用率（切削时间和开动时间之比）高。5）经济效益好 加工中心加工零件时，虽分摊在每个零件上的设备费用较昂贵，但在单件、小批量生产的情况下，可以节省许多其他方面的费用。由于是数控加工，加工中心不必准备专用钻模等工艺装备，加工之前节省了划线工时，零件安装到机床上之后可以减少调整、加工和检验时间。另外，由于加工中心的加工稳定，减少了废品率，使生产成本进一步下降。6）自动化程度高，劳动强度低 加工中心的加工零件是按事先编好的程序自动完成的，操作者除了操作键盘、装卸零件、进行关键工序的中间测量以及观察机床的运行之外，不需要进行繁重的重复性手工操作，劳动强度可大为减轻。7）有利于生产的现代化管理 用加工中心加工零件，能够准确地计算零件的加工工时，并有效地简化检验和工夹具、半成品的管理工作。这些特点有利于使生产管理现代化。 当前有许多大型CAD/CAM集成软件已经开发了生产管理模块，实现了计算机辅助生产管理。加工中心使用数字信息与标准代码输入，最适宜计算机联网及管理。加工中心的工序集中加工方式有其独特的特点，但也带来一些问题。工件由毛坯直接加工成为成品，一次装夹中金属切除量大、几何形状变化大，没有释放应力的过程，加工完成了一段时间后内应力释放，使工件变形。粗加工后直接进入精加工阶段，工件的温升来不及回复，冷却后尺寸变动，影响零件精度。装夹工件的夹具必须满足既能承受粗加工中大的切削力，又能在精加工中准确定位的要求，并且零件夹紧变形要小。切削不断屑，切屑的堆积、缠绕等会影响加工的顺利进行及工件的表面质量，甚至损坏刀具，产生废品。1.2.5加工中心的发展动向近年来，加工中心的发展主要目标是主轴转速、进给速度和自动换刀（ATC）的高速化、缩短辅助时间、提高加工精度、缩短刀具交换时间、提高自动化程度等。1.高速化1）主轴转速高速化 80年代初，加工中心的最高转速约为40005000r/min。进入80年代中期，在不断要求提高生产率和机床精度的背景下，随着计算机控制系统的进一步发展及高效刀具的开发，为实现越来越高的加工速度创造了条件，主轴轴承、驱动控制和刀具等技术的快速发展，使加工中心的主轴转速不断提高。在CIMT2001第七届中国国际机床展览会上展出的加工中心中，主轴转速在10000r/min以上的共48台，其中中国产的20台，占42%。主轴转速超过20000r/min的有沈阳中捷友谊厂生产的D165立式加工中心，主轴转速为40000r/min；德国Rieders公司生产的FRP760主轴转速为42000r/min；瑞士MIKRON公司的HSM700高速加工中心，机床主轴采用瑞士IBAG公司生产的HF高速电主轴系统，主轴转速范围为300042000r/min。高速电主轴是采用无外壳电机，将其转子用压配合的形式直接套状在机床主轴上，带有冷却套的定子则安装在主轴单元的壳体中，形成内装式电主轴，采用不同的轴承其转速也不同。德国KAPP公司采用磁悬浮轴承的砂轮主轴，转速可达60000r/min。电主轴的应用是当今世界先进机床设计的标志，其优点是高速加工不但可以成倍地提高生产率，还可进一步改善零件的加工精度和表面质量，解决一些常规加工中难以解决的某些特殊材料（如铝钛合金、模具钢等）的高效加工问题。2）进给速度高速化 80年代初，加工中心主轴移动速度仅有20m/min，90年代初，主轴移动速度为75m/min。在目前直线电机的应用，进一步提高了轴的移动速度和加速度，轴移动速度可达100120m/min，轴移动的加速度为1020m/s2。例如，采用直线电机直接驱动的XHC241型加工中心轴移动速度可达120m/min，轴移动的加速度为14m/s2。由于使用了具有良好的高速联动性