第4章加工中心的操作与编程

第4章加工中心的操作与编程4.1数控加工中心及其组成4.1.1加工中心的类型及其组成加工中心是带有刀库和自动换刀装置的数控机床，又称为自动换刀数控机床或多工序数控机床。其特点是数控系统能控制机床自动地更换刀具，连续地对工件各加工表面自动进行钻削、扩孔、铰孔、镗孔、攻丝、铣削等多种工序的加工，工序高度集中。这种机床一般具有刀库和自动换刀装置，有的还具有分度工作台或双工作台。适用于加工凸轮、箱体、支架、盖板、模具等复杂型面的零件。1．按功能特征分类（1）镗铣加工中心有一般立式、卧式镗铣加工中心和龙门式加工中心。以镗铣为主，适用于加工箱体、壳体以及各种复杂零件的特殊曲线和曲面轮廓的多工序加工。适用于多品种小批量的生产方式。（2）钻削加工中心以钻削为主，刀库形式以转塔头形式为主。适用于中小零件的钻孔、扩孔、铰孔、攻丝及连续轮廓铣削等多工序加工。（3）复合加工中心主要指五轴复合加工，可自动回转主轴头，进行立卧加工。在主轴自动回转后，在水平和垂直面实现刀具自动交换。2．按所用自动换刀装置分类（1）转塔头加工中心转塔头加工中心有立式、卧式两种。主轴数一般为6~12个，换刀时间短、数量少、主轴转塔头定位精度要求较高。（2）刀库+主轴换刀加工中心这种加工中心特点是无机械手式主轴换刀，利用工作台运动及刀库转动，并由主轴箱上下运动进行选刀和换刀。如图4-1所示的卧式加工中心便属图4-1卧式数控加工中心此类。（3）刀库+机械手+主轴换刀加工中心这种加工中心结构多种多样，由于机械手卡爪可同时分别抓住刀库上所选的刀和主轴上的刀，换刀时间短。并且选刀时间与切削加工时间重合，因此得到广泛应用。如图4-2所示的立式加工中心多用此类机械手式换刀装置。（4）刀库+机械手+双主轴转塔头加工中心这种加工中心在主轴上的刀具进行切削时，通过机械手将下一步所用的刀具换在转塔头的非切削主轴上。当主轴上的刀具切削完毕后，转塔头即回转，完成换刀工作，换刀时间短。另外还可按所用工作台结构特征分为单、双工作台和多工作台式加工中心。按主轴种类分为单轴、双轴、三轴及可换主轴箱的加工中心等。卧式镗铣加工中心机床的结构组成如图4-1所示。立式镗铣加工中心机床的结构组成如图4-2、如图4-3所示。和数控铣床相比，加工中心主要是增加了刀库及换刀装置。当然，基于性价比等方面的考虑，加工中心机床多采用半闭环或闭环数控系统。4.1.2加工中心的自动换刀装置自动换刀装置的用途是按照加工需要，自动地更换装在主轴上的刀具。自动换刀装置是一套独立、完整的部件。1．自动换刀装置的形式自动换刀装置的结构取决于机床的类型、工艺、范围及刀具的种类和数量等。自动换刀装置主要有回转刀架和带刀库的自动换刀装置两种形式。回转刀架换刀装置的刀具数量有限，但结构简单，维护方便。如车削中心上的回转刀架。带刀库的自动换刀装置是镗铣加工中心上应用最广的换刀装置，主要有机械手换刀和刀库换刀两种方式。其整个换刀过程较复杂，首先把加工过程中需要使用的全部刀具分别安装图4-2立式数控加工中心在标准刀柄上，在机外进行尺寸预调后，按一定的方式放入刀库；换刀时，先在刀库中进行选刀，并由机械手从刀库和主轴上取出刀具，或直接通过主轴以及刀库的配合运动来取刀，然后进行刀具交换，再将新刀具装入主轴，把旧刀具放回刀库。存放刀具的刀库具有较大的容量，它既可以安装在主轴箱的侧面或上方，也可以作为独立部件安装在机床以外。2．刀库的形式刀库的形式很多，结构各异。加工中心常用的刀库有鼓轮式和链式刀库两种。鼓轮式刀库结构简单，紧凑，应用较多。一般存放刀具不超过32把。见图4-4。图4-4鼓轮式刀库（a）径向取刀形式（b）轴向取刀形式（c）径向布置形式（d）角度布置形式链式刀库多为轴向取刀，适于要求刀库容量较大的数控机床。见图4-5。如图4-3（b）所示加工中心机床用的就是链式刀库3．换刀过程自动换刀装置的换刀过程由选刀和换刀两部分组成。当执行到Txx指令即选刀指令后，刀库自动将要用的刀具移动到换刀位置，完成选刀过程，为下面换刀做好准备；当执行到M06指令时即开始自动换刀，把主轴上用过的刀具取下，将选好的刀具安装在主轴上。（1）选刀选刀方式常有顺序选刀方式和任选方式两种。顺序选刀方式是将加工所需要的刀具，按照预先确定的加工顺序依次安装在刀座中，换刀时，刀库按顺序转位。这种方式的控制及刀库运动简单，但刀库中刀具排列的顺序不能错。任选方式是对刀具或刀座进行编码，并根据编码选刀。它可分为刀具编码和刀座编码两种方式。刀具编码方式是利用安装在刀柄上的编码元件（如编码环、编码螺钉等）预先对刀具编码后，再将刀具放在刀座中；换刀时，通过编码识别装置根据刀具编码选刀。采用这种方式编码的刀具可以放在刀库的任意刀座中；刀库中的刀具不仅可在不同的工序中多次重复使用，而且换下来的刀具也不必放回原来的刀座中。刀座编码方式是预先对刀库中的刀座（用编码钥匙等方法）进行编码，并将与刀座编码相对应的刀具放入指定的刀座中；换刀时，根据刀座编码选刀，使用过的刀具也必须放回原来的刀座中。目前应用最多的是计算机记忆式选刀。这种方式的特点是，刀具号和存刀位置或刀座号对应地记忆在计算机的存贮器或可编程控制器内。不论刀具存放在哪个地址，都始终记忆着它的踪迹。在刀库上装有位置检测装置。这样刀具可以任意取出，任意送回。刀具本身不必设置编码元件，结构大为简化，控制也十分简单，计算机控制的机床几乎全都用这种选刀方式。在刀库上设有机械原点，每次选刀运动正反向都不会超过180°的范围。当选刀动作完成后，即处于等待状态，一旦执行到自动换刀的指令，即开始换刀动作。（2）换刀有通过机械手换刀和通过刀库-主轴运动换刀两种方式。对通过机械手换刀的立式加工中心（如XHK716），其换刀动作可分解如下：①主轴箱回到最高处（Z坐标零点），同时实现“主轴准停”。即主轴停止回转并准确停止在一个固定不变的角度方位上，保证主轴端面的键也在一个固定的方位，使刀柄上的键槽能恰好对正端面键。②机械手抓住主轴上和刀库上的刀具，如图4-6（a）所示。③活塞杆推动机械手下行，从主轴和刀库上取出刀具，如图4-6（b）所示。④机械手回转180°，交换刀具位置，如图4-6（c）所示。⑤将更换后的刀具装入主轴和刀库，如图4-6（d）所示。图4-5链式刀库⑥机械手放开主轴和刀库上的刀具后复位。限位开关发出“换刀完毕”的信号，主轴自由，可以开始加工或其它程序动作。对如XH754型的卧式加工中心，换刀采用的是主轴移动式，其换刀动作分解为：①主轴准停，主轴箱沿Y轴上升。这时刀库上刀位的空挡正对着交换位置，装卡刀具的卡爪打开。如图4-7（a）所示。②主轴箱上升到极限位置，被更换的刀具刀杆进入刀库空刀位，即被刀具定位卡爪钳住，与此同时，主轴内刀杆自动夹紧装置放松刀具。如图4-7（b）所示。③刀库伸出，从主轴锥孔中将刀拔出。如图4-7（c）所示。④刀库转位，按照程序指令要求，将选好的刀具转到最下面的位置，同时，压缩空气将主轴锥孔吹净。如图4-7（d）所示。⑤刀库退回，同时将新刀插入主轴锥孔，主轴内刀具夹紧装置将刀杆拉紧。如图4-7（e）。⑥主轴下降到加工位置、启动，开始下一步的加工。如图4-7（f）所示。这种换刀机构中不需要机械手，结构比较简单。刀库旋转换刀时，机床不工作，因而影响到机床的生产效率。如图4-8所示是目前在XH713、XH714、XH715等中小型立式加工中心上广泛采用的刀库移动-主轴升降式换刀方式。其换刀过程为：①分度：由低速力矩电机驱动，通过槽轮机构实现刀库刀盘的分度运动，将刀盘上接受刀具的空刀座转到换刀所需的预定位置。如图4-8（a）所示。②接刀：气缸活塞杆推出，将刀盘接受刀具的空刀座送至主轴下方并卡住刀柄定位槽。图（b）所示。③卸刀：主轴松刀，铣头上移至第一参考点，刀具留在空刀座内。图（c）所示。④再分度：再次通过分度运动，将刀盘上选顶的刀具转到主轴正下方。图（d）所示。⑤装刀：铣头下移，主轴夹刀，刀库气缸活塞杆缩回，刀盘复位，完成换刀动作。图（e）、（f）所示。（a）（b）（c）（d）图4-6换刀机械手的换刀过程图4-7主轴移动式换刀过程4.1.2机床技术规格及其功能下面以XHK713A型立式加工中心为例介绍一下加工中心机床的技术规格及其主要功能特点，见表4-1所示。该机床采用FANUC-0i（SINUMERIK802）数控系统，半闭环控制。表4-1XHK713A型立式加工中心的技术规格名称规格工作台纵向行程（X轴）600mm工作台横向行程（Y轴）410mm工作台垂直行程（Z轴）510mm主轴转速（无级）60~4500r/min刀库容量16把换刀时间6秒选刀方式任选同时控制轴数X、Y、Z三轴最小设定单位0.001mm插补方式直线、圆弧，螺旋线、圆柱插补指令方式增量值、绝对值，最大指令值99999.999mm进给速度工进速度：1~5000mm/min0~150%倍率（每档相差10%）快进速度：20m/min低、25、50、100%倍率设定增量0.001/0.01/0.1三档，手轮调节刀具补偿刀具半径补偿G40~G42，刀具长度补偿G43、G44、G49刀具位置补偿G45~G48钻镗固定循环功能G73~G89钻、镗孔，刚性攻丝等简化编程功能手动输入数据通过MDI手动键盘可输入，MDI方式可执行多行指令回参考点手动/自动（G27~G30）空运行机械以快移速度沿程序控制路线空走机械锁住机床不动，只让位置显示器按指令值工作单步方式只读取和执行程序的一个程序段随意停机可选择程序暂停功能为有效或无效程序随意跳跃选择在程序中出现“/”代码时能否无视这一程序信息的功能可编程镜象加工G50.1、G51.1图形旋转、缩放加工G68、G69，G50、G51公英制转换根据参数设定，可采用公制或英制单位的输入4.2机床控制面板及其操作本节以XHK713A立式加工中心、FANUC-0i数控系统为例介绍。4.2.1数控操作面板FANUC-0i数控系统的操作面板如图4-9所示。右方为键盘区，各键作用如表4-2所示。表4-2数控操作功能键面板左方为CRT显示器。用于显示程序、数据输入显示、监视坐标图形等。不同的功能方式下有不同的显示内容，有的功能方式下还有多个屏幕显示页，可用翻页键切换。如图4-10所示为当前坐标显示（按POS功能键时）的其中两个画页。当前位置坐标显示时，共有几组坐标显示，它们分别是：相对坐标系（RELATIVE）：若需要将某坐标轴位置置为相对零点时，可在3倍文字显示画页下，先按坐标轴地址键，这时所按的地址闪动，然后再按原点[起源]软键（ORIGIN），则该轴相对坐标就被复位为零，若按（ALLEXE）则所有轴的相对坐标值被复位为0。以后位置变动时，在相对坐标系中的坐标值均是相对于此设置的零点的。工件坐标系（ABSOLUTE）：以G92或预置工件坐标系G54~G59指定的点为原点，显示当前刀具（或机械工作台）的位置坐标。机床坐标系（MACHINE）：以机床原点为原点的机械现在位置的坐标。剩余移动量（DISTANCETOGO）：在自动、MDI、DNC方式加工时，当前程序段中刀具还需要移动的距离。状态显示用于表示工作方式、零件计数、时间计数、实际进给速度等的状态。4.2.2手动操作面板机床手动操作面板见图4-11所示，主要用于数控系统功能的辅助控制。具体各操作钮的功能说明如下。（1）方式选择开关：选择操作方式的开关，有以下几种方式。①编辑（EDIT）编缉方式②自动（MEM或AUTO）存储运转方式（或称自动加工）③MDIMDI手动数据输入方式④手动（JOG）手动连续进给方式⑤手轮手轮增量进给方式⑥快速快速进给方式⑦回零（REF或ZRN）手动返回参考点方式键类别英文键名功能说明键类别英文键名功能说明光标键CURSOR光标移动用功能键POS位置坐标显示页面键PAGE翻页用PROG程序显示地址数字键地址字母键数字符号键OFFSETSETTING刀补、设置和预置工件坐标系的显示和设定编辑键SHIFT换挡键SYSTEM系统参数、诊断等显示CAN取消键MESSAGE报警信息等显示INP