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1、第6章 数控机床的机械结构 第6章 数控机床的机械结构 6.1 概述概述 6.2 数控机床的主轴部件数控机床的主轴部件 6.3 数控机床的进给传动系统数控机床的进给传动系统 6.4 数控机床的自动换刀装置数控机床的自动换刀装置 6.5 数控机床的回转工作台数控机床的回转工作台 思考与练习题思考与练习题 第6章 数控机床的机械结构 6.1 概概 述述 1.1.数控机床机械结构的主要组成数控机床机械结构的主要组成由于数控机床主轴驱动、进给驱动和CNC技术的发展，以及为适应高效率生产的需要，数控机床的机械结构已经从初期对通用机床局部结构的改进，逐步发展到形成数控机床的独特的机械结构。数控机床的机械结
2、构主要由下列各部分组成：(1)机床基础部件，又称为机床大件，通常是指床身、底座、立柱、横梁、滑座和工作台等。第6章 数控机床的机械结构(2)主运动传动系统。(3)进给运动传动系统。(4)实现某些部件动作的辅助功能的系统和装置，如液压、气动、润滑、冷却等系统和排屑、防护等装置。(5)刀架或自动换刀（ATC）。(6)工件实现回转、定位装置和附件，如数控回转工作台。(7)特殊功能装置，如刀具破损监控、精度检测和监控装置。(8)各种反馈装置和元件。第6章 数控机床的机械结构 2.2.数控机床机械结构的主要特点数控机床机械结构的主要特点(1)高刚度。(2)高灵敏性。(3)高抗振性。(4)热变形小。(5)
3、高精度保持性。(6)高可靠性。(7)工艺复合化和功能集成化。第6章 数控机床的机械结构 6.2 数控机床的主轴部件数控机床的主轴部件 6.2.1 数控机床的主传动系统数控机床的主传动系统 1 1 对数控机床主传动系统的要求对数控机床主传动系统的要求(1）调速范围:各种不同的车床对调速范围的要求不同。多用途、通用性大的机床要求主轴的调速范围大，不但有低速大转矩功能，而且还要有较高的速度，如车削加工中心。(2）热变形:电动机、主轴及传动件都是热源。低温升、小的热变形是对主传动系统要求的重要指标。第6章 数控机床的机械结构(3）主轴的旋转精度和运动精度:主轴的旋转精度是指装配后，在无载荷、低速转动条
4、件下测量主轴前端和300 mm处的径向和轴向跳动值。主轴在工作速度旋转时测量上述两项精度称为运动精度。数控车床要求有高的旋转精度和运动精度。(4）主轴的静刚度和抗振性:由于数控机床加工精度较高，主轴的转速又很高,因此对主轴的静刚度和抗振性要求较高。主轴的轴径尺寸、轴承类型及配置方式，轴承预紧量大小，主轴组件的质量分布是否均匀及主轴组件的阻尼等对主轴组件的静刚度和抗振性都会产生影响。第6章 数控机床的机械结构(5）主轴组件的耐磨性:主轴组件必须有足够的耐磨性，使之能够长期保持精度。凡有机械摩擦的部件，如轴承、锥孔等都应有足够高的硬度，轴承处还应有良好的润滑。第6章 数控机床的机械结构 2 2 数
5、控机床主传动系统配置方式数控机床主传动系统配置方式数控机床的主传动要求具有较宽的调速范围，以保证在加工时能选用合理的切削用量，并获得最佳的表面加工质量、精度和生产率。数控机床的调速是按照控制指令自动进行的，因此变速机构必须适应自动操作要求。在主传动系统中，目前多采用交流主轴电动机和直流主轴电动机无级调速系统，为扩大调速范围，适应低速大转矩的要求，也经常采用齿轮有级调速和电动机无级调速相结合的调速方式。数控机床主传动系统主要有四种配置方式，如图6-1所示。第6章 数控机床的机械结构 图6-1 数控机床主传动的四种配置方式(a）齿轮变速;(b）带传动;(c）两个电动机分别驱动;(d）内装电动机主轴
6、传动结构 第6章 数控机床的机械结构 6.2.2 6.2.2 主轴部件主轴部件主轴是机床的重要部件，其结构的先进性已成为衡量机床水平的标志之一。因此，合理地选择主轴结构十分重要。数控机床的主轴部件一般包括主轴、主轴轴承和传动件等。对于加工中心，主轴部件还包括刀具自动夹紧装置、主轴准停装置和主轴装刀孔吹净装置。1 1 主轴轴承的配置形式主轴轴承的配置形式 (1)前支承采用双列短圆柱滚子轴承和60角接触双列向心推力球轴承，后支承采用向心推力球轴承，如图6-2(a)所示。该种配置形式的主轴刚性好，可以满足强力切削的要求，广泛应用于各类数控机床的主轴。第6章 数控机床的机械结构 图 6-2 数控机床主
7、轴轴承配置形式 第6章 数控机床的机械结构(2)前支承采用高精度双列向心推力球轴承，如图6-2(b)所示。该种配置形式的承载能力小，适应于高速、轻载和精密的数控机床主轴。(3)前支承采用双列圆锥滚子轴承，后支承采用单列圆锥滚子轴承，如图6-2(c)所示。该种配置的承载能力强，安装和调整方便，但主轴的转速不能太高，适用于中等精度、低速和重载的数控机床。在主轴的结构上必须处理好卡盘或刀具的安装、主轴的卸荷、主轴轴承的定位、间隙调整、主轴部件的润滑和密封等问题，对于某些立式数控加工中心，还必须处理好主轴部件的平衡问题。对于数控镗铣床主轴，主轴上还必须设计刀具装卸、主轴准停和主轴孔内的切屑清除装置。第
8、6章 数控机床的机械结构 2 2 主轴端部的结构形状主轴端部的结构形状 主轴端部是指主轴前端，它的形状决定于机床的类型、安装夹具或刀具的形式，并应保证夹具或刀具安装可靠，装卸方便，具有较高的定位精度和连接刚度，同时也能传递足够的扭矩。轴端结构应使悬伸长度尽量短，以便于提高主轴刚度。由于刀具、卡盘或夹具已经标准化，机床的主轴端部结构形状和尺寸也已标准化。第6章 数控机床的机械结构 图6-3给出了机床常用的主轴端部结构。图中（a）为车床主轴端部，卡盘靠前端的短圆锥面和凸缘端面定位，用拨销传递扭矩，卡盘装有固定螺栓，卡盘装于主轴端部时，螺栓从凸缘上的孔中穿过，转动快卸卡板将数个螺栓同时卡住，再拧紧螺
9、母将卡盘固牢在主轴端部。主轴为空心前端有莫氏锥度孔，用以安装顶尖或心轴。（b）为铣、镗类机床的主轴端部，铣刀或刀杆在前端724的锥孔内定位，并用拉杆从主轴后端拉紧，而且由前端的端面键传递扭矩。（c）为外圆磨床砂轮主轴的端部。（d）为内圆磨床砂轮主轴端部。（e）为钻床与普通镗床主轴端部，刀杆或刀具由莫氏锥孔定位，用锥孔后端第一扁孔传递扭矩，第二个扁孔用以拆卸刀具。但在数控镗床上要使用（b）的形式，因为，724的锥孔没有自锁作用，便于自动换刀时拔出刀具。第6章 数控机床的机械结构 图 6-3 常用的主轴轴端结构 第6章 数控机床的机械结构 3 3 主轴的准停装置主轴的准停装置主轴准停功能又称为主轴
10、定位功能，即当主轴停止时，控制其停于固定位置，这是自动换刀所必须的功能。在自动换刀的镗铣加工中心上，切削的转矩通常是通过刀杆的端面键来传递的。这就要求主轴具有准确定位于圆周上特定角度的功能，如图6-4所示。当加工阶梯孔或精镗孔后退刀时，为防止刀具与小阶梯孔碰撞或拉毛已精加工的孔表面必须先让刀，再退刀，而要让刀刀具必须具有准停功能，如图6-5所示。主轴准停功能分为机械准停和电气准停。第6章 数控机床的机械结构 图6-4 主轴准停换刀示意图 第6章 数控机床的机械结构 图6-5 主轴准停镗背孔示意图 第6章 数控机床的机械结构 6.3 数控机床的进给传动系统数控机床的进给传动系统 6.3.1 6.
11、3.1 数控机床对进给传动系统的要求数控机床对进给传动系统的要求(1)传动精度高。(2)摩擦阻力小。(3)运动部件惯量小。第6章 数控机床的机械结构 6.3.2 6.3.2 导轨导轨机床导轨是机床的基本结构之一，也是机床的重要部件之一。机床加工精度和使用寿命在很大程度上决定于机床导轨的质量，数控机床的导轨则有更高的要求。如在高速进给时不振动，低速进给时不爬行，具有很高的灵敏度，能在重载下长期连续工作，耐磨性要高，精度保持性要好等。目前，现代数控机床使用的导轨，从类型上仍分为滑动导轨、滚动导轨和液体静压导轨三种，但在材料和结构上已发生了质的变化，已不同于普通机床的导轨。第6章 数控机床的机械结构
12、 1 1 滑动导轨滑动导轨1）滑动导轨的结构 图6-6 为滑动导轨的常见截面形状，主要有矩形、三角形、燕尾槽形和圆柱形。矩型导轨（见图6-6(a)）承载能力大，制造简单，水平和垂直方向上的位置精度互不相关。侧面间隙不能自动补偿，必须设置间隙调整机构。三角形导轨（见图6-6(b)）的三角形截面有两个导向面，同时控制垂直方向和水平方向的导向精度。这种导轨在载荷的作用下能自行补偿而消除间隙，其导向精度较其他导轨高。燕尾槽导轨（见图6-6(c)）的高度值最小，能承受颠覆力矩，摩擦阻力也较大。圆柱形导轨（见图6-6(d)）制造容易，磨损后调整间隙较困难。以上截面形状的导轨有凸形和凹形两类。凹形导轨容易存
13、油，但也容易积存切削和尘粒，因此适用于防护良好的环境。凸形导轨需要良好的润滑条件。第6章 数控机床的机械结构 图 6-6 滑动导轨截面形状(a)矩形；(b)三角形；(c)燕尾槽形；(d)圆柱形 第6章 数控机床的机械结构 2）滑动导轨的材料 传统的铸铁铸铁滑动导轨，除经济型数控机床外，在其他数控机床上已不采用。取而代之的是铸铁塑料或镶钢塑料滑动导轨。塑料导轨具有刚度好，动、静摩擦系数差值小，在油润滑状态下其摩擦系数约为0.06，无爬行，减振性好等特点。其形式主要由塑料导轨板和塑料导轨软带两种。软带是以聚四氟乙烯为基体，加入青铜粉、二硫化钼和石墨等填充剂混合烧结。软带应粘贴在机床导轨副的短导轨面
14、上。由于塑料导轨软带较软，容易被硬物刮伤，因此应用时要有良好的密封防护措施。第6章 数控机床的机械结构 2 2 滚动导轨滚动导轨滚动导轨具有摩擦因数低(一般是0.003 左右)，动、静摩擦因数相差小，几乎不受运动速度变化的影响，定位精度和灵敏度高，精度保持性好等优点。但滚动导轨的抗振性比滑动导轨差，结构复杂，对杂物也较为敏感，需要良好的防护。数控机床的常用的滚动导轨有两种:单元式直线滚动导轨和滚动导轨块。第6章 数控机床的机械结构 1）单元式直线滚动导轨 图6-7 是单元式直线滚动导轨的结构。这种滚动导轨由导轨体、滑块、滚珠、保持器、端盖等组成。当滑块沿轨道移动时，滚珠在轨道和滑块之间的圆弧直
15、槽内滚动，并通过端盖内的滚道，从负荷区移到非负荷区，然后继续滚动回到负荷区，不断地循环，从而把导轨体和滑块之间的移动变成了滚珠的滚动。为防止灰尘和脏物进入导轨滚道，滑块两端及下部均装有塑料密封垫。滑块上还有润滑油注油杯。第6章 数控机床的机械结构 图 6-7 单元式直线滚动导轨结构 第6章 数控机床的机械结构 2）滚动导轨块 滚动导轨块用滚动体进行循环运动，滚动体为滚珠或滚柱，承载能力和刚度都比直线滚动导轨高，但摩擦系数略大，多用于中等负荷导轨。滚动导轨块由专业厂家生产，有各种规格、形式供用户选用。图6-8 为滚动导轨块结构示意图。第6章 数控机床的机械结构 图 6-8 滚动导轨块结构 第6章
16、 数控机床的机械结构 3 3 液体静压导轨液体静压导轨静压导轨是在两个相对运动的导轨面间通入压力油，使运动件浮起。工作过程中，导轨面上的油腔中的油压能随着外加负载的变化自动调节，以平衡外加负载，保证导轨面间始终处于纯液体摩擦状态。静压导轨的摩擦因数极小，约为0.0005，功率消耗少。由于导轨工作在液体摩擦状态，故导轨不会磨损，因而导轨的精度保持性好，寿命长。油膜厚度几乎不受速度的影响，油膜承载能力大、刚性高、吸振性良好，导轨运行平稳，既无爬行，也不会产生振动。但静压导轨结构复杂，并需要一套过滤精度高的液压装置，制造成本较高。目前，静压导轨较多地应用在大型、重型数控机床上。第6章 数控机床的机械
17、结构 6.3.3 传动齿轮间隙消除机构传动齿轮间隙消除机构 1 1 直齿圆柱齿轮传动间隙的消除直齿圆柱齿轮传动间隙的消除1）偏心套调整法 图6-9是偏心轴套式消除传动间隙结构。电机1 通过偏心套2 安装在壳体上。转动偏心套2使电机中心轴线的位置向上，而从动齿轮轴线位置固定不变，所以两啮合齿轮的中心距减小，从而消除了齿侧间隙。第6章 数控机床的机械结构 图6-9 偏心套调整图 第6章 数控机床的机械结构 图6-10 轴向垫片调整 第6章 数控机床的机械结构 2）垫片调整法 图6-10是用轴向垫片来消除间隙的结构。两个啮合着的齿轮1和2 的节圆直径沿齿宽方向制成略带锥度形式，使其齿厚沿轴线方向逐渐
18、变厚。装配时，两齿轮按齿厚相反变化走向啮合。改变调整垫片3的厚度，使两齿轮沿轴线方向产生相对位移，从而消除间隙。上述两种方法的特点是结构简单，能传递较大的动力,但齿轮磨损后不能自动消除间隙。第6章 数控机床的机械结构 图6-11 双齿轮错齿消除间隙结构 第6章 数控机床的机械结构 3）双片薄齿轮错齿调整法图6-11为双片薄齿轮错齿调整法。在一对啮合的齿轮中，其中一个是宽齿轮（图中未示出），另一个由两薄片齿轮组成。薄片齿轮1 和2 上各开有周向圆弧槽，并在两齿轮的槽内各压配有安装弹簧4 的短圆柱3。在弹簧4 的作用下使齿轮1 和2 错位，分别与宽齿轮的齿槽左右侧贴紧，消除了齿侧间隙，但弹簧4 的
19、张力必须足以克服驱动扭矩。由于齿轮1 和2 的轴向圆弧槽及弹簧的尺寸都不能太大，故这种结构不宜传递扭矩，仅用于读数装置。第6章 数控机床的机械结构 2 2 斜齿圆柱齿轮传动间隙的消除斜齿圆柱齿轮传动间隙的消除1）垫片调整法 如图6-12所示，宽齿轮同时与两个相同齿数的薄片齿轮啮合，薄片齿轮通过平键与轴连接，相互间不能转动。通过调整薄片齿轮之间垫片厚度，然后拧紧螺母，使它们的螺旋齿产生错位，其左右两齿面分别与宽齿轮的齿槽左右两齿面贴紧消除齿侧间隙。第6章 数控机床的机械结构 2）轴向压簧调整法 图6-13为轴向压簧错齿调整法，原理同1)。其特点是齿侧隙可以自动补偿，达到无间隙传动，但轴向尺寸较大
20、，结构不紧凑。第6章 数控机床的机械结构 图6-12 垫片调整间隙法 第6章 数控机床的机械结构 图 6-13 轴向压簧调整间隙法 第6章 数控机床的机械结构 3 3 圆锥齿轮传动间隙的消除圆锥齿轮传动间隙的消除 锥齿轮传动间隙可以采用轴向压簧调整法消除，如图6-14所示，两个锥齿轮相互啮合。在其中一个锥齿轮的传动轴上装有压簧，调整螺母可改变压簧的弹力。锥齿轮在弹力的作用下沿轴向移动，从而达到消除齿侧间隙的目的。第6章 数控机床的机械结构 图 6-14 轴向压簧消除间隙结构 第6章 数控机床的机械结构 6.3.4 6.3.4 滚珠丝杠螺母副滚珠丝杠螺母副1 1 滚珠丝杠的结构和工作原理滚珠丝杠
21、的结构和工作原理滚珠丝杠螺母副是实现回转运动与直线运动相互转换的传动装置。图6-15是滚珠丝杠传动原理图，其工作原理是：在丝杠和螺母上加工有弧形螺旋槽，当把它们套装在一起时形成螺旋通道，并且滚道内填满滚珠。第6章 数控机床的机械结构 当丝杠相对于螺母旋转时，两者发生轴向位移，而滚珠则可沿着滚道流动，按照滚珠返回的方式不同可以分为内循环式和外循环式两种。内循环式（见图6-15(a)）带有反向器，返回的滚珠经过反向器和丝杠外圆返回。外循环式（见图6 15(b)）的螺母旋转槽的两端由回珠管连接起来，返回的滚珠不与丝杠外圆相接触，滚珠可以做周而复始的循环运动，在管道的两端还能起到挡珠的作用，用以避免滚
22、珠沿滚道滑出。第6章 数控机床的机械结构 滚珠每一个循环闭路称为列。每个滚珠循环闭路内所含导程数称为圈数。内循环滚珠丝杠副的每个螺母有2列、3列、4列、5列等几种，每列只有一圈。外循环每列有1.5圈、2.5圈、3.5圈等几种，剩下的半圈作回珠用。外循环滚珠丝杠螺母副的每个螺母有1列2.5圈、1列3.5圈、2列1.5圈、2列2.5圈，种类很多。第6章 数控机床的机械结构 图6-15 滚珠丝杠传动原理图(a)内循环方式；(b)外循环方式 第6章 数控机床的机械结构 在传动时，滚珠与丝杠、螺母之间基本上是滚动摩擦，所以具有下述特点：摩擦损失小，传动效率高，滚珠丝杠副的传动效率可达92%96%，是普通
23、丝杠传动的34倍；传动灵敏，运动平稳，低速时无爬行，滚珠丝杠螺母副滚珠与丝杠、螺母之间基本上是滚动摩擦，其动、静摩擦系数基本相等，并且很小，移动精度和定位精度高；使用寿命长；轴向刚度高，滚珠丝杠螺母副可以完全消除间隙传动，并可预紧，因此具有较高的轴向刚度；具有传动的可逆性，即可以将旋转运动转化为直线运动，也可以把直线运动转化为旋转运动；不能实现自锁，当用于垂直位置时，必须加有制动装置；制造工艺复杂，成本高。第6章 数控机床的机械结构 2 2 滚珠丝杠螺母副间隙的调整方法滚珠丝杠螺母副间隙的调整方法 滚珠丝杠的传动间隙是轴向间隙。为了保证反向传动精度和轴向刚度，必须消除轴向间隙。消除间隙的方法常
24、采用双螺母结构，利用两个螺母的相对轴向位移，使两个滚珠螺母中的滚珠分别贴紧在螺旋滚道的两个相反的侧面上。用这种方法预紧消除轴向间隙时，应注意预紧力不宜过大，预紧力过大会使空载力矩增加，从而降低传动效率，缩短使用寿命。此外还要消除丝杠安装部分和驱动部分的间隙。常用的双螺母丝杠消除间隙的方法有以下几种。第6章 数控机床的机械结构 1）垫片调整间隙法 如图6-16所示，调整垫片厚度使左、右两螺母产生方向相反的位移，并使两个螺母中的滚珠分别贴紧在螺旋滚道的两个相反的侧面上，即可消除间隙和产生预紧力。这种方法结构简单，刚性好，但调整不便，滚道有磨损时不能随时消除间隙和进行预紧。第6章 数控机床的机械结构
25、 2）螺纹调整间隙法 如图6-17所示，左、右螺母和螺母座上加工有键槽，采用平键连接，使螺母在螺母座内可以轴向滑移而不能相对转动。调整时，只要拧动圆螺母使螺母沿轴向移动一定距离，就可以改变两螺母的间距，即可消除间隙并产生预紧力。调整完毕后，用圆螺母将其锁紧，可以防止在工作中螺母松动。这种调整方法具有结构简单、工作可靠、调整方便的优点，但调整预紧量不能控制。第6章 数控机床的机械结构 图6-16 垫片调整间隙法 第6章 数控机床的机械结构 图 6-17 螺纹调整间隙法 第6章 数控机床的机械结构 3 3）齿差调整间隙法齿差调整间隙法 如图6-18所示，在左、右两个螺母的凸缘上各加工有圆柱外齿轮，
26、分别与左右内齿圈相啮合，两内齿圈分别紧固在螺母座的左、右端面上，所以左、右螺母不能转动。两螺母凸缘齿轮的齿数不相等，相差一个齿。调整时，先取下内齿圈，让两个螺母相对于螺母座同方向都转动一个齿，然后再插入内齿圈并紧固在螺母座上，则两个螺母便产生相对角位移，使两螺母轴向间距改变，实现消除间隙和预紧。这种调整方法能精确调整预紧量，调整方便、可靠，但结构尺寸较大，多用于高精度的传动。第6章 数控机床的机械结构 图 6-18 齿差调隙式第6章 数控机床的机械结构 6.4 数控机床的自动换刀装置数控机床的自动换刀装置 6.4.1 6.4.1 自动换刀装置的形式自动换刀装置的形式1 1 回转刀架自动换刀装置
27、回转刀架自动换刀装置数控机床上使用的回转刀架是一种最简单的自动换刀装置。根据不同的适用对象，刀架可设计为四方形、六角形或其他形式。回转刀架可分别安装四把、六把以及更多的刀具，并按数控装置发出的脉冲指令回转、换刀。第6章 数控机床的机械结构 图6-19 为CK7815型数控车床自动回转刀架。其工作原理如下：当电动机11通电时，尾部的电磁制动器在 30 ms以后松开，电动机开始转动，通过齿轮10、9、8带动蜗杆7旋转，从而使蜗轮5转动。蜗轮内孔有螺纹，与轴6上的螺纹配合。这时轴6不能回转，当蜗轮转动时，使得轴6沿轴向向左移动，因为刀架1与轴6、活动鼠牙盘2是固定在一起的，所以刀盘和鼠牙盘也向左移动
28、，鼠牙盘2和3脱开。在轴6上有两个对称槽，内装滑块4，在鼠牙盘脱开后，蜗轮转到一定角度与蜗轮固定在一起的圆盘14上的凸起便碰到滑块4，蜗轮便通过14上的凸块带动滑块4，连同轴6、刀盘一起进行转位。第6章 数控机床的机械结构 当转到要求位置之后，刷形选位器发出信号，使电动机反转，圆盘14上的凸块与滑块脱离，不再带动轴6转动，蜗轮与轴6上的螺纹使轴6右移，鼠牙盘2、3结合定位，电磁制动器通电，维持电动机轴上的反转力矩，以保证鼠牙盘之间有一定的压紧力。最后电动机断电，同时轴6右端的小轴13压下微动开关12，发出转位结束信号。刀架的选位由刷形选位器进行选位。松开、夹紧位置检测则由微动开关12实行。整个
29、刀架是一个纯电器系统，结构简单。第6章 数控机床的机械结构 图 6-19 数控车床自动回转刀架 第6章 数控机床的机械结构 2 2 转塔式自动换刀装置转塔式自动换刀装置在带有旋转刀具的数控机床中，转塔刀具上装有主轴头。主轴头通常有卧式和立式两种，常用转塔的转位来更换主轴头以实现自动换刀。它是一种比较简单的换刀方式，各个主轴头上预先装有各工序加工所需要的旋转刀具，当收到换刀指令时，各主轴头依次转到加工位置，并接通主运动使相应的主轴带动刀具旋转，而其他处于不加工位置上的主轴都与主运动脱开，如图6-20所示为转塔头式自动换刀数控机床，它有装八把刀具且绕水平轴转位的转塔式自动换刀装置。转塔式换刀装置的
30、主要优点是省去了自动松夹、卸刀装刀、夹紧以及刀具搬运等一系列复杂的操作，减少了换刀时间，提高了换刀的可靠性。但是，由于结构上的原因和空间位置的限制，主轴部件的刚性差且主轴的数目不可能太多。因此，它通常只适用于工序较少、精度要求不太高的数控钻床。第6章 数控机床的机械结构 图6-20 转塔头式自动换刀数控机床第6章 数控机床的机械结构 3 带刀库的自动换刀装置带刀库的自动换刀装置 1）无机械手交换刀具方式 无机械手的换刀系统一般是采用把刀库放在主轴箱可以运动到的位置，同时，刀库中刀具的存放方向一般与主轴上的装刀方向一致。换刀时，由主轴运动到刀库上的换刀位置，利用主轴直接取走或放回刀具。图6-21
31、是一种卧式加工中心无机械手换刀系统的换刀过程。第6章 数控机床的机械结构 图6-21 无机械手换刀过程(a)主轴定位；(b)松开刀具夹紧装置；(c)拔出刀具；(d)转位、清洁；(e)夹紧刀具；(f)主轴回原位 第6章 数控机床的机械结构(1)如图6-21(a)所示，主轴准确定位，主轴箱上升。(2)如图6-21(b)所示，当主轴箱上升到顶部换刀位置时，刀具进入刀库的交换位置并固定，主轴上的刀具自动夹紧装置松开。(3)如图6-21(c)所示,刀库前移从主轴孔中将需要更换的刀具拔出来。(4)如图6-21(d)所示，刀库转位，根据程序指令将下一工步加工所需要的刀具前移到换刀的位置，同时主轴孔的清洁装置
32、将主轴上的刀具孔清洁干净。(5)如图6-21(e)所示，刀库后退将所选用的刀具插入主轴孔内，主轴上的刀具夹紧装置把刀具夹紧。(6)如图6-21(f)所示，主轴箱下降回落到工作位置，准备进行下一步的工作。第6章 数控机床的机械结构 2）带机械手交换刀具方式 采用机械手进行刀具交换方式在加工中心中应用最为广泛。机械手是当主轴上的刀具完成一个工步后，把这一工步的刀具送回刀库，并把下一工步所需要的刀具从刀库中取出来装入主轴继续进行加工的功能部件。对机械手的具体要求是迅速可靠，准确协调。由于不同的加工中心所使用的换刀机械手也不尽相同。从手臂的类型来看，有单臂、双臂机械手，最常用的有如图 6-22所示的几
33、种结构形式。(1)图6-22(a)是单臂单爪回转式机械手，带一个夹爪的手臂可自由回转，装刀卸刀均靠这个夹爪进行，因此换刀时间较长。第6章 数控机床的机械结构(2)图6-22(b)是单臂双爪摆动式机械手，手臂上的一个夹爪只完成从主轴上取下“旧刀”送回刀库的任务，而另一个夹爪则执行由刀库取出“新刀”送到主轴的任务，其换刀时间较单爪回转式机械手要短。第6章 数控机床的机械结构(3)图6-22(c)是双臂回转式机械手，手臂两端各有一个夹爪，能够同时完成“抓刀拔刀回转插刀返回”等一系列动作。为了防止刀具掉落，各机械手的活动爪都带有自锁机构。由于双臂回转机械手的动作比较简单，而且能够同时抓取和装卸机床主轴
34、和刀库中的刀具，因此换刀时间可进一步缩短，是最常用的一种形式。(c)图右边的机械手在抓取刀具或将刀具送入刀库主轴时，其两臂可伸缩。(4)图6-22(d)是双机械手，相当于两个单臂单爪机械手，它们相互配合完成自动换刀动作。第6章 数控机床的机械结构(5)图6-22(e)是双臂往复交叉式机械手。这种机械手的两臂可以进行往复运动，并交叉成一定的角度。一个手臂从主轴上取下“旧刀”送回刀库，另一个手臂由刀库中取出“新刀”装入主轴，整个机械手可沿某导轨直线移动或围绕某个转轴回转，以实现刀库与主轴间的换刀动作。(6)图6-22(f)是双臂端面夹紧式机械手。它的特点是靠夹紧刀柄的两个端面来抓取刀具，而其他机械
35、手均靠夹紧刀柄的外圆表面抓取刀具。第6章 数控机床的机械结构 图6-22 双臂机械手结构 第6章 数控机床的机械结构 6.4.2 6.4.2 刀库刀库1 1 刀库的类型刀库的类型按刀库的结构形式可分为圆盘式刀库、链式刀库和箱型式刀库。圆盘式刀库见图 6-23，其结构简单，应用也较多。但因刀具采用单环排列，空间利用率低，因此出现了将刀具在盘中采用双环或多环排列的形式，以增加空间利用率。但这样使刀库的外径扩大，转动惯量也增大，选刀时间也增长，所以，圆盘式刀库一般用于刀具容量较小的刀库。链式刀库如图6-24所示，它适用于刀库容量较大的场合。链的形状可以根据机床的布局配置，也可将换刀位突出以利于换刀。
36、当需要增加链式刀库的刀具容量时，只需增加链条的长度，在一定范围内，无需变更刀库的线速度及惯量。第6章 数控机床的机械结构 一般刀具数量为30120把时都采用链式刀库。箱型式刀库的结构也比较简单，有箱型和线型两种，如图6-25、6-26所示。箱型刀库一般容量比较大，刀库的空间利用率较高，换刀时间较长，往往用于加工单元式加工中心。线型刀库容量小，一般在十几把刀左右，多用于自动换刀的数控车床，数控钻床也有采用。另外，按设置部位的不同，刀库可以分为顶置式、侧置式、悬挂式和落地式等多种类型。按交换刀具还是交换主轴，刀库可分为普通刀库（简称刀库）和主轴箱刀库。第6章 数控机床的机械结构 图 6-23 圆盘
37、式刀库第6章 数控机床的机械结构 图 6-24 链式刀库(a)单环链式；(b)多环链式第6章 数控机床的机械结构 图 6-25 箱型刀库 第6章 数控机床的机械结构 图 6-26 线型刀库 第6章 数控机床的机械结构 2 2 刀库的容量刀库的容量所谓刀库的容量是指刀库能存放的刀具数量。确定刀库的容量首先要考虑加工工艺的需要。对若干种工件进行分析表明，各种加工所必需的刀具数量是：4把铣刀可完成工件95%左右的铣削工艺，10把孔加工刀具可完成70%的钻削工艺，因此14把刀的容量就可完成70%以上工件的钻铣工艺。如果从完成工件的全部加工所需的刀具数目统计，则80%的工件（中等尺寸，一般复杂程度）完成
38、全部加工任务所需的刀具数为40种以下。所以对于一般的中、小型立式加工中心，配有1440把刀具的刀库就能够满足70%95%的工件加工需要。第6章 数控机床的机械结构 3 3 刀具的选择方式刀具的选择方式目前，刀具的选择方式主要有：顺序选刀方式、固定地址选刀方式和任意选刀方式。(1）顺序选刀方式。选用刀具按顺序进行，在每次换刀时，刀库转过一个刀具的位置。这种选刀方式的控制过程简单，但要求加工前严格按加工顺序将各刀具顺次插入刀座。采用顺序选刀方式时，为某一工件准备的刀具不能用于其他工件的加工。第6章 数控机床的机械结构(2）固定地址选刀方式。又称为刀座编码方式，这种方式对刀库的刀座进行编码，并将与刀
39、座编码相对应的刀具一一放入指定的刀座中，然后根据刀座的编码选取刀具。该方式可使刀柄结构简化，但刀具不能任意排放，一定要插入对应的刀座中。与顺序选择方式相比较，刀座编码方式的刀具在加工过程中可以重复使用。第6章 数控机床的机械结构(3）任意选刀方式。又称为刀具编码方式，刀具的编码直接编在刀柄上，供选刀时识别，而与刀座无关。刀具可以放入刀库中的任一刀座，在换刀时可以把卸下的刀具就近安放。这种方法简化了加工前的刀具准备工作，也减少了选刀失误的可能性，是目前采用较多的一种方式。刀库选刀方式一般采用就近移动原则，即无论采取哪种选刀方式，在根据程序指令把下一工序要用的刀具移到换刀位置时，都要向距离换刀最近
40、的方向移动，以节省选刀时间。第6章 数控机床的机械结构 6.5 数控机床的回转工作台数控机床的回转工作台 6.5.1 6.5.1 分度工作台分度工作台分度工作台是按照数控系统的指令，在需要分度时,工作台连同工件按规定的角度回转，有时也可采用手动分度。分度工作台只能够完成分度运动，而不能实现圆周运动，并且它的分度运动只能回转规定的角度（如90、60或45等）。数控机床中，分度工作台按定位机构不同，分为定位销式和鼠牙盘式。第6章 数控机床的机械结构 鼠齿盘式分度工作台结构如图6-27所示，它主要由工作台面底座、夹紧液压缸、分度液压缸和鼠牙盘等零件组成。鼠牙盘是保证分度精度的关键零件，在每个齿盘的端
41、面有相同数目的三角形齿，两个齿盘啮合时就能自动确定周向和径向的相对位置。第6章 数控机床的机械结构 图6-27 鼠齿盘式分度工作台第6章 数控机床的机械结构(1)工作台抬起，鼠齿盘脱离啮合。机床需要进行分度时，数控装置发出指令,电磁铁控制液压阀使压力油经孔23进入到工作台7中央的夹紧液压缸下腔10,推动活塞6向上移动,经推力轴承5和13将工作台7抬起，内齿轮12向上套入齿轮11,上下两个鼠齿盘4和3脱离啮合，完成分度前的准备工作。第6章 数控机床的机械结构(2)回转分度。当工作台7上升时，推杆2在弹簧力的作用下向上移动,使推杆1向右移动,微动开关S2复位,使压力油经油孔21进入分度油缸左腔19
42、,推动齿条活塞8向右移动,齿轮11作逆时针方向转动,与齿轮11相啮合的内齿轮12转动,分度台也转过相应的角度。回转角度的大小由微动开关和挡块17决定，开始回转时，挡块14离开推杆15使微动开关S1复位，通过电路互锁，始终保持工作台处于上升位置。第6章 数控机床的机械结构(3)工作台下降，完成定位夹紧。当工作台转到预定位置附近，挡块17通过16使微动开关S3工作。压力油经油孔22进入到压紧液压缸上腔9,活塞6带动工作台7下降,上鼠齿盘4与下鼠齿盘3在新的位置重新啮合并定位压紧。为了保护鼠齿盘齿面不受冲击，液压缸下腔10的回油经节流阀可限制工作台的下降速度。第6章 数控机床的机械结构(4)复位为下
43、次分度做准备。当分度工作台下降时，推杆2和1启动微动开关S2,分度液压缸油腔18进压力油,活塞齿条8退回,齿轮11顺时针转动,挡块17、14回到原位，为下次分度做准备。鼠齿盘式分度工作台具有刚性好、承载能力强、重复定位精度高、分度精度高、能自动定心、结构简单等特点。鼠齿盘制造精度要求高，它分度的度数只能是鼠齿盘齿数的整数倍。这种工作台不仅可与数控机床做成一体，也可作为附件使用，广泛应用于各种加工和测量装置中。第6章 数控机床的机械结构 6.5.2 6.5.2 数控回转工作台数控回转工作台如图6-28所示，数控回转工作台由传动系统、间隙消除装置及涡轮夹紧装置等组成。它由伺服电动机1驱动，经齿轮2
44、和4带动蜗杆9、蜗轮10使工作台回转。通过调整偏心环3来消除齿轮2和4啮合侧隙。为了消除轴与套的配合间隙，通过楔形拉紧圆柱销5（A-A剖面）来连接齿轮4与蜗杆9。蜗杆9采用螺距渐厚蜗杆，蜗杆齿厚从头到尾逐渐增厚，这种蜗杆的左右两侧具有不同的导程。但由于同一侧的螺距是相同的，所以仍能保持正确的啮合。通过移动蜗杆的轴向位置来调节间隙，实现无间隙传动。第6章 数控机床的机械结构 图6-28 数控回转工作台 第6章 数控机床的机械结构 当工作台静止时，必须处于锁紧状态。为此，在蜗轮底部装有八对夹紧块12及13，并在底座上均布着八个小液压缸14。夹紧液压缸14的上腔通入压力油，使活塞向下运动，通过钢球1
45、7撑开夹紧块12及13，将蜗轮夹紧。当工作台需要回转时，数控系统发出指令，夹紧液压缸14上腔的油流回油箱，钢球17在弹簧16的作用下向上抬起，夹紧块12和13松开蜗轮，这时蜗轮和回转工作台可按照控制系统的指令作回转运动。第6章 数控机床的机械结构 数控回转工作台的导轨面由大型滚珠轴承支撑，并由圆锥滚子轴承及双列圆柱滚子轴承保持回转中心的准确。为消除累积误差，数控回转工作台设有零点，当它作回零运动时首先由安装在蜗轮上的挡块碰撞限位开关，使工作台减速，然后通过感应块和无触点开关的作用使工作台准确停在零点位置上，分度角度位置通常由角度反馈元件圆光栅18反馈给数控系统。数控回转工作台可作任意角度的回转和分度，因此能够达到较高的分度精度。第6章 数控机床的机械结构 思考与练习题思考与练习题 1 数控机床对主传动系统有哪些要求？2 数控机床的主轴调速方法有哪些？3 数控机床对进给传动系统有哪些要求？4 数控机床进给系统传动齿轮间隙消除的方法有哪些？各有什么特点？5 滚珠丝杠螺母副与普通丝杠螺母副相比有哪些特点？6 简述滚珠丝杠螺母副向间隙的调整和预紧方法，常用的有哪几种结构？7 数控机床的常用导轨有哪些？各有什么特点？