1、 毕业设计文献综述 机械设计制造及其自动化 加工中心自动换刀装置的设计 一、 课题国内外现状 加工中心是适应省力、省时和节能的时代要求而迅速发展起来的自动换刀数控机床，它是综合了机械技术、电子技术、计算机软件技术、拖动技术、现代控制理论、测量及传感技术以及通信诊断、刀具和编程技术的高科技产品。由于加工中心能集中完成多种工序，因而可减少工件装夹、测量和调整时间，减少工件周转、搬运存放时间，使机床的切削利用率高于通用机床 3 倍 4 倍，所以说，加工中心不仅提高了工件的加工精度，而且是数控机床中生产率和自动化程度最高的综合性 机床。 由于它在机械加工中的重要作用，各个工业发达国家都极为重视，在技术
2、和产量上都发展很快。目前 全球加工中心年生产量为 50,000 55,000 台左右 ，并且 以日本 、 欧盟、美国及中国台湾、韩国等为最具代表性的生产基地。日本市场消费能力强，年生产量超过 10,000 台。主要机种为立式加工中心，年产量约5,000 6,000 台，而且不断研发高速、高精密、五面加工、五轴联动加工等技术，满足特殊与复杂曲面加工工件的要求 ，日本生产加工中心的厂家有 MAZAK、大隈 、庄田、三菱等公司 。德国生产最佳品质与高加工效益的加工中心， 近年来生产量每年约在 4,000 5,000 台左右。代表性机种为卧式加工中心，年生产量约 1,500 2,000 台。其他加工中
3、心年生产 量约 2,000 3,000 台左右，德国生产加工中心的厂家有西门子、 MAKA、 GEISS、科恩等公司。 美国是全球机床生产代表性国家之一，但近年来由于其国内消费能力不足，再加上出口也面临市场竞争，导致其生产有逐渐下滑的趋势，年生产加工中心仅约为 5,000 6,000 台左右 ，生产厂家有哈挺、 MAG 等公司。 台湾是全球加工中心生产量最大的供货基地，年生产量可达到 16,000 18,000 台 ，其中有部分是空机台，未加装微机控制器等，平均单价有偏低的情形。韩国是全球加工中心主要生产国家之一。其加工中心主要用于韩国汽车工业、模具工业及机械工业，年生产加工中心在 4,000
4、5,000 台左右 。 未来加工中心的生产基地则有可能是大陆，特别是日本、美国、德国、中国台湾、韩国已竞相到大陆设厂生产加工中心，再加上大陆本身的企业研发与制造，未来技术成熟、品质稳定、成本降低后，必将会成为全球重要供应基地之一 。 20 世纪 70 年代我国研制的加工中心，多数因配套件和设计、制造的缺陷而不能正常使用。进入 80 年代后，由于引 进了日本 FANUC、德国 SIEMENS 等公司的数控系统、直流进给伺服电机和主轴电机及其伺服单元之后，数控系统的可靠性有了很大提高。但就整机而言，可靠性还不够高。 20 世纪 90 年代中期以来，随着加工中心技术的进步和配套的完善，国内生产企业注
5、意到了采用标准功能部件来取代产品的某些部件，同时优先选择世界知名公司的名牌产品 (如：数控系统、滚动直线导轨、滚珠丝杠、轴承、 ATC 装置、液压气动元件、电气元件和检测元件等 )作为配套，提高了国产加工中心的档次和可靠性，在一定程度上缩短了与国外同类产品的差距。当前，国产加工中 心的可靠性与国外同类产品相比依然不高。除此以外，还有整机防护与密封、外观粗糙、整体造型不尽如意等缺陷，在一定程度上影响了国产加工中心的市场竞争力。目前国内生产加工中心的有沈阳机床厂、大连机床厂、上海祥裕等厂家。 二、 研究主要成果 90 年代以来，国外一些机床厂家先后开发出一批高速加工中心，其主要技术参数为： 主轴最
6、高转速：一般为 12000 15000r/min，有的高达 4000060000r/min。坐标轴的加工进给最高速度： 30 60m/min，快速移动速度高达 7080m/min。换刀时间 (刀 -刀 )普遍在 1.5 3.5s，有的快到 0.8 0.9s；托板交换时间普遍在 6 8s。 综上所述，高速加工中心的出现使得单轴加工中心的效率赶上了多轴的组合机床或专用机床。因此，高效高柔性的加工中心已开始在汽车工业中应用，并成为重要的工艺装备。目前世界上比较有名的加工中心有：德国 EX-CELL-O GMBH公司 XHC240 卧式加工中心、德国 Chiron Werke 公司 FZ12W 立式加
7、工中心、日本Mazak 公司产品、日本新泻铁工所 SPN50、 SPN40 加工中心、美国 Giddings & Lewis公司 RAM500 型、 RAM630 型卧式加工中心和美国 Ingersoll 铣床公司 HVM600型卧式加工中心等等。 目前，国产加工中心的主要品种是立式加工中心和卧式加工中心。为市场提供的产品主要是立式加工中心。其规格 (是指工作台宽度，单位： mm) 一般为 300、400、 500、 630 和 800。其中，前三种属于较小规格产量较大；后两种属于中大型产量较小。目前，国产立式加工中心拥有的规格基本上覆盖了中小型立式加工中心的规格范围。在我国，人们习惯上把数控
8、机床按其技术水平的高低分为高、中、低三个档次。所谓高档数控机床是指高速度、高精度、五轴联动和 工艺高度复合化的数控机床，包括部分重型机床；而所谓低档数控机床主要是指以步进电机驱动为主要特征的开环控制的经济型数控车床、钻床和铣床，其精度和速度都不高；其他数控机床则属于中档数控机床，也就是人们常说的通用普及型数控机床。国产加工中心大多数产品的档次属于此范畴。 目前，自动换刀装置中刀库的种类有链式、盘式、格子箱式和直线式等形式。自动换刀装置分有机械手换刀和无机械手换刀两种，其中机械手的种类大概有单臂单手式机械手、双手式机械手、回转式单臂双手机械手、多手式机械手等形式。 三、 发展趋势 1、 高速度、
9、高效率 众所周知， 机床向高速化方向发展，不但可以大幅度提高加工效率、降低加工成本，而且还可提高零件的表面加工质量和精度。是进入新世纪以来国内外机床技术发展的重要趋势。 20 世纪 90 年代以来，欧、美、日等工业发达国家争相开发应用新一代高速数控机床，加快机床高速化发展步伐。高速主轴单元 (电主轴，转速 15000100000r/min)、高速且高加 /减速度的进给运动部件 (快移速度 60 120m/min，切削进给速度高达 60m/min)、高效率的自动换刀装置、高性能数控装置和伺服系统以及数控工具系统都出现了新的突破，达到了新的技术水 平。 2、 高精度 追求加工中心的高精度，一直是世
10、界各工业发达国家努力的方向。当前，在机械加工高精度的要求下，普通级数控机床的加工精度已由 10 m 提高到 5 m ；精密级加工中心的加工精度则从 3 5 m 提高到 1 1.5 m ，甚至更高。 3、 高可靠性 随着数控机床应用领域的日益普及，数控机床的高可靠性已经成为数控系统制造厂家和数控机床制造厂家十分注重和追求的目标。数控机床也只有首先具有较高的可靠性，才能谈得上高速度、高效率和高精度。这已经是众多的数控系统制造厂家和数控机床制造厂家达成的共识。当前，国外先进数 控系统的 MTBF 值已达 8 万小时以上。 四、 存在问题 (1) 技术水平上，与国外同类产品的先进水平相比大约落后 10
11、 15 年，在高精尖技术方面则更大。 (2) 产品开发能力上，国内生产企业缺乏对产品竞争前的数控技术的深入研究与开发，特别是对加工中心应用领域的拓展力度不强。 (3) 产业化水平上，市场占有率低，品种覆盖率小，虽然近年来国产加工中心的产量增加较快，但从总体上看，还没有形成规模生产；国产数控系统尚未建立自己的品牌效应，用户信心不足。 (4) 国产数控系统 MTBF( 平均无故障时间 )大都超过 1 万小时， 但国际上知名品牌如： FANUC、 SIEMENS 等先进企业的数控系统 MTBF 已达 8 万小时。国产加工中心 MTBF 虽有少数厂达 500 小时，但国外加工中心的先进水平已达 800
12、 小时。 (5) 刀库和机械手的可靠性还比较低，近年来虽有改进，但用户仍然不放心。 (6) 位置精度，特别是重复定位精度还有待于进一步提高。 (7) 至于外观粗糙，漏油、漏水、漏气等老问题仍然不同程度的存在。 五、 主要参考文献 1 机床设计手册编写组 .机床设计手册（第三册） .北京：机械工业出版社， 1986 2 王爱玲主编 .现代数控 机床 .北京：国防工业出版社， 2003 3 林宋，田建君编 .现代数控机床 .北京：化学工业出版社， 2003 4 沙杰编 .加工中心结构、调试与维护 .北京：机械工业出版社， 2003 5 廉元国，张永洪编 .加工中心设计与应用 .北京：机械工业出版社
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