特点与应用范围

5.1.3　数控加工中心的分类、特点与应用范围

1.数控加工中心的分类

（1）按照机床主轴在空间的形态划分可分为：立式、卧式、龙门式和万能加工中心

①立式加工中心　是指主轴轴心线为垂直状态设置的数控机床。其结构形式多为固定立柱式，工作台为长方形无分度回转功能，适合加工盘类零件。具有三个直线运动坐标，并可在工作台上安装一个水平轴的数控转台用以加工螺旋线类零件。

立式加工中心的机械结构、控制系统简单，占地面积小、价格较低，适用广泛，如图5-1所示。

图5-1　立式加工中心示意图

②卧式加工中心　指主轴轴线为水平状态设置的数控机床。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3～5个运动坐标，能够使工件在一次装夹后完成除安装面和顶面以外的四个面的加工，最适合箱体类工件的加工，如图5-2所示。

图5-2　卧式加工中心示意图

1—刀库　2—换刀装置　3—支架　4—y轴伺服电机　5—主轴箱6—主轴　7—数控装置　8—防溅挡板　9—回转工作台　10—盛液箱

卧式加工中心有多种形式，如固定立柱式或固定工作台式。固定立柱式的卧式加工中心的立柱固定不动，主轴箱沿立柱做上下运动，而工作台可在水平面内做前后、左右两个方向的移动；固定工作台式的卧式加工中心，安装工件的工作台是固定不动的（不做直线运动），沿坐标轴三个方向的直线运动由主轴箱和立柱的移动来实现。

与立式加工中心相比，卧式加工中心的机械结构、控制系统较为复杂，占地面积大，重量重，价格也较昂贵。

③龙门式加工中心　这类加工中心其形状与龙门铣床相似，主轴多为垂直设置，带有自动换刀装置，带有可更换的主轴头附件，数控装置的软件功能也较齐全，能够一机多用，尤其适用于大型或形状复杂的工件，如航天工业以及大型汽轮机上的某些零件的加工。龙门式加工中心如图5-3所示。

龙门式加工中心的机械结构、控制系统复杂，占地面积大，重量很重，价格昂贵。

图5-3　龙门式加工中心示意图

④万能加工中心如图5-4所示。

图5-4　万能加工中心示意图

这类加工中心具有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，又称为五面加工中心。常见五面加工中心有两种形式：一种是主轴可以旋转90°，既可以像立式加工中心那样工作，也可以像卧式加工中心那样工作；另一种是主轴不改变方向，而工作台可以带着工件旋转90°，完成对工件五个表面的加工。

万能加工中心的这种加工方式可以使工件的形位误差降到最低，省去了二次装夹的工作，从而提高生产效率，降低加工成本。由于五面加工中心存在着机械结构、控制系统较为复杂，且造价高、占地面积大等缺点，属于加工中心机床中的珍品。

（2）按照刀库与机械手的换刀形式划分　加工中心可分为：带刀库、机械手的加工中心；无机械手的加工中心；转塔刀库式加工中心。

①带刀库、机械手的加工中心　这类加工中心的换刀装置（Automatic Tool Chanyer简称ATC）是由刀库和机械手组成，换刀机械手完成换刀工作。这是加工中心采用最普遍的形式。

②无机械手的加工中心　这类加工中心的换刀是通过刀库和主轴箱的配合动作来完成。一般是采用把刀库放在主轴箱可以运动到的位置，或整个刀库或某一个刀位能移动到主轴箱可以到达的位置。刀库中刀具的存放位置方向与主轴装刀方向一致。换刀时，主轴运动到刀位上的换刀位置，由主轴直接取走或放回刀具。多用于采用40号以下刀柄的小型加工中心，XH754型卧式加工中心就是这样的。

③转塔刀库式加工中心　这类加工中心一般是在小型立式加工中心上采用转塔刀库形式，主要以孔加工为主。ZH5120型立式钻削加工中心就是转塔刀库式加工中心。

（3）按照机床的工艺性能分类　加工中心可分为镗铣类加工中心、车削类加工中心、钻削类加工中心。

①镗铣类加工中心　是在镗、铣床的基础上发展起来的，带有刀库及自动换刀装置的数控机床，适合箱体类零件的加工，一般称为镗、铣加工中心，人们习惯上称之为加工中心。

②车削类加工中心　是在车床的基础上发展起来的，带有多个刀架及回转刀架的数控机床；常见的有单主轴、单刀架及回转刀架的车削类加工中心，目前，双主轴、双刀架及回转刀架的车削类加工中心也已问世多年。

③钻削类加工中心　是在钻床的基础上发展起来的，带有刀库及换刀装置的数控机床；这类机床与立式加工中心极为相似，所不同的是其机械结构、控制系统都较为简单，造价低、体积小、效率高、适用广泛。

（4）按机床控制运动的轨迹分类　加工中心可分为点位控制、直线控制、连续控制（轮廓控制）等形式。

①点位控制的数控机床　点位控制数控机床的机械运动实行点到点的准确定位控制，而对其点到点之间的运动轨迹不作要求，这是因为刀具在其定位运动的过程中不进行切削，而以快速进给到定位位置（即不与工件接触），完成点与点的加工，采用这种控制方式的代表机床为数控钻床。

②点位直线控制的数控机床　这类机床的机械运动方式除了要控制刀具相对于工件（或工作台）的起点和终点的准确位置外，还要控制每一程序段的起点和终点间的位移过程，使刀具以给定的进给速度作平行于某一坐标轴方向的直线运动，完成加工。采用这种控制方式的代表机床为数控车床、数控磨床、数控铣床等等。

③连续控制数控机床 连续控制数控机床又称为轮廓控制数控机床，它能够同时对两个或两个以上的坐标进行控制，从而按给定的规律和速度进行准确的轮廓控制，使其运动轨迹成为所需要的直线、曲线或曲面的加工，采用这种控制方式的代表机床为数控加工中心、数控铣床等。

（5）按控制的坐标轴数分类　加工中心可分为坐标数控机床、三坐标数控机床、多坐标（四坐标以上）数控机床。

数控机床在加工零件时，常常要控制两个或两个以上坐标轴方向的运动。在一台数控机床上，可以对几个坐标轴方向的运动进行数字控制，这台机床就称为“几”坐标数控机床。

①坐标数控机床　这类机床俗称为两个半坐标数控机床。它有x、y、z三个可以控制的坐标轴，但能同时进行联动控制的坐标轴只能是其中的任意两个，即x—y、x—z或y—z，第三个不能联动控制的坐标轴，仅能作等距的周期移动。可加工出简单的空间曲面。

②三坐标数控机床　三坐标数控机床是可以控制和联动控制的坐标轴均为三轴的轮廓控制机床，可以用于加工不太复杂的空间曲面。

③多坐标（五坐标以上）数控机床　这类机床又称为多功能数控机床。它不仅可以同时控制x、y、z三个坐标轴，还能同时进行联动控制除x、y、z以外的坐标轴，实现空间复杂曲面的加工。

现今，加工中心正向着高速度、高精度和愈发完善的机能方向发展。

2.数控加工中心的特点

（1）数控加工中心的加工特点　精度高、效率高、适应性强、良好的经济效益、自动化程度高。

①加工精度高　数控机床控制的刀具或工作台最小微动量（脉冲当量）普遍达到了0.001mm，而且进给传动链的反向间隙与丝杆螺距误差等均可由数控系统进行补偿，因此，数控机床能达到很高的加工精度。对于中、小型数控机床，定位精度普遍可达0.03mm以内，重复定位精度为0.01mm以内。此外，数控机床的传动系统与机床结构都具有很高的刚度和热稳定性，制造精度高，自动加工方式避免了人为的干扰因素，同一批工件的尺寸一致性好，产品的合格率高，加工质量十分稳定。

②生产效率高　工件加工所需的时间主要包括（机动）切削时间和辅助时间两部分。由于数控机床结构刚性好，允许进行大切削用量的强力切削；数控机床主轴转速和进给量的变化范围比普通机床大，因此每一道工序都可选用最佳的切削用量，这就提高了数控机床的切削效率，节省了机动时间。数控机床的移动部件空运行移动速度快（一般在15m/min以上，有些甚至达到240m/min）。工件装夹时间短，换刀快。加工质量稳定，一般只作首件检验和工序间关键尺寸的抽样检验，因此节省了停机检验时间。数控机床加工工件一般不需要制作专用工装夹具，节省了工艺装备的设计、制造等准备工作的时间。由上述而知，数控机床的辅助时间比一般机床少，生产效率高。在数控机床上加工时，一台机床实现了多道工序的连续加工，生产效率的提高更为明显。与普通机床相比，生产率可提高3～5倍，有些可提高几十倍。

③对加工对象的适应性强　在同一台机床上可适应不同品种及尺寸规格的工件的自动加工。改变加工工件时，只需要更换加工程序，就可改变加工工件的品种，这就为结构复杂的单件、小批量生产以及试制新产品提供了极大的便利。特别是对那些普通机床很难加工或无法加工的精密复杂表面（如螺旋表面），数控机床也能实现自动加工。

④良好的经济效益　数控机床虽然设备昂贵，加工时分摊到每个工件上的设备折旧费较高，但在单件、小批量生产的情况下，使用数控机床加工，可节省划线工时，减少调整、加工和检验时间，节省直接生产费用；同时还节省了工艺装备费用；数控机床加工精度稳定、减少了废品率，使生产成本进一步下降。数控机床可实现一机多用，节省了厂房面积、节省建厂投资，可获得良好的经济效益。

⑤自动化程度高　可大大减轻工人的劳动强度，减少操作人员，可实现一人多机的操作。同时有利于实现现代化的自动管理，可向更高级的制造系统发展。

（2）数控加工中心的使用特点　对操作、维修人员的要求较高、对夹具和刀具要求严格。

①数控机床对操作、维修人员的要求较高　数控机床采用计算机控制，伺服系统的技术复杂、机床精度要求很高，其操作和维修均较复杂，故要求操作、维修及管理人员具有较高的文化水平和技术素质。

数控技术按程序进行加工。加工程序的编制直接关系到数控机床的功能的开发和使用，既有一定的技术理论，又有一定的技能与技巧；加工程序的编制还直接影响数控机床的加工精度。因此，数控机床的操作人员除了应具由一定的工艺知识外，还应对数控机床的结构特点、工作原理以及程序编制进行专门的技术理论培训和操作训练，经考核合格者才能上机操作，以防止操作时人为事故的发生，正确编写或快速理解程序，并对数控加工各种情况作出正确的综合判断和处理。

正确的维护和有效的维修是提高数控机床效率的基本保证。数控机床的维护人员应有较高的理论知识和维护技术，其中机修人员要懂得一些数控机床的电气维护知识，电修人员要了解数控机床的结构和程序编制。维修人员应该有比较宽的机、电、液专业知识，才能综合分析、判断故障根源，实现高效维修，以便尽可能地缩短故障停机时间。因此，数控机床维修人员和操作人员一样，必须进行专门的培训。

不但要对从事数控加工和维修人员进行培训，而且与数控机床有关的工作人员都应进行数控加工技术与知识的学习，以利于数控机床高效能的发挥。

②数控机床对夹具的要求　单件生产时，一般采用通用夹具；如果批量生产，为节省加工工时，应使用专门夹具，并要求夹具定位可靠，能自动夹紧或松开工件，还应具有良好的排屑、冷却功能。

③数控机床对刀具的要求　数控机床的刀具应该具有较高的使用寿命、几何尺寸稳定、变化小，能承受强力切削；可转位式刀具，能事先机外预调、快速换刀；能极好地控制切屑的折断、卷曲和排出；同时具有良好的可冷却等性能。

3.数控加工中心的应用范围

数控加工中心机床具有一般机床所不具备的许多优点，其应用范围正在不断扩大，但目前它并不能完全代替普通机床，也还不能以最经济的方式解决机械加工中的所有问题。数控加工中心最适合加工有以下特点的工件：

①多品种小批量生产的工件；

②形状结构比较复杂的工件；

③需要频繁改型的工件；

④价值昂贵，不允许报废的关键工件；

⑤需要最少周期的急需工件；

⑥批量较大、精度要求高的工件。

由于数控机床的自动化加工可减少操作工人，生产效率高，因此，大批量生产的工件采用数控机床加工，在经济上也是可行的，使数控机床能最好地发挥它的经济效益。