1、作者：聂晓根 福州大学机械工程及自动化学院福州大学机械工程及自动化学院 Numerical Control TechnologyNumerical Control Technology E_MAIL: nxg E_MAIL: nxg 第二章第二章 数控机床的结构及设计数控机床的结构及设计 第一节 数控机床的结构要求 第二节 数控机床主传动系统和及主轴部件 第三节 数控机床进给系统 第四节 数控机床回转工作台 第五节 数控加工使用的刀具及自动换刀系统 第六节 数控加工用辅助装置 小结 本本 章章 内内 容容 机床本体概述机床本体概述 一、机床本体：一、机床本体：机床本体也称主机，它包括: 主运动
2、部件:主轴箱及主轴； 进给运动部件：进给传动件、工作台、刀架、导轨等； 基础部件：支撑部件，如：底座、床身、立柱等； 特殊部件：刀库、自动换刀装置和托盘交换装置等）； 当今，包括CNC装置，各个部件都看做功能部件，专门生产。 主运动及进给坐标轴都由单独的伺服电机驱动； 二、数控机床主机的特点二、数控机床主机的特点 传动链短、结构比较简单；运动关系由计算机来协调控制。 采用高效传动件：精密滚珠丝杠、直线滚动导轨副、精密 齿条、静压、磁浮导轨、消隙齿轮、同步带等。 机械结构应具有较高的静态特性、动态刚度、阻尼精度、 耐磨性以及抗热变形性能。 在加工中心上还具备有刀库和自动交换刀具的机械手。 配套设
3、施齐全，如：冷却、自动排屑、防护、可靠的润滑、 对刀仪等 。 采用电子齿轮、电子凸轮代替传统齿轮、凸轮实现具有严格 传动关系的运动。 GA Y specify master axis(Y) for gearing GR 0.5，-5 specify X and Z gear ratios 三、主机的设计三、主机的设计 1、总体设计 2、主传动系统设计 3、进给传动系统设计 4、其它系统的设计 1、 总体设计 1. 总体方案：布局外观、精度、性能、静动态特性（刚 度特性摩擦特性、热特性）。 2. 参数：功率、扭矩、转速、行程、速度。 3. 机电匹配：机电分工、电机和控制系统的选择。 4 4、其它
4、系统的设计、其它系统的设计 1.数控回转工作台; 2.换刀机械手; 3.刀库、刀具系统; 4.冷却、排屑系统。 2、主传动系统设计 1. 传动系统； 2. 电主轴； 3. 自动卡盘； 4. 动力刀架。 3、进给传动系统设计 1.开环、半闭环、全闭环； 2.传动方案； 3. 高效传动件的设计、选择、计算、机电匹配； 4. 直线电机系统。 第一节第一节 数控机床的结构要求数控机床的结构要求 一、模块化和机电一体化 二、提高机床的静、动刚度 三、减少热变形 四、减少运动件的摩擦和消除传动间隙 五、提高机床的寿命和精度保持性 六、减少辅助时间，改善操作性 一、模块化和机电一体化一、模块化和机电一体化
5、1、模块化设计 便于制造，可灵活配置数控机床以满足用户各种不 同的功能要求。 客户在规格方面具有更多的选择余地，又尽可能不为 多余的功能承担额外的费用。 如床身、立柱、主轴箱、工作台、刀架系统及电气总 成等部件都做成可选配的基本单元。 指在整个数控机床功能的实现以及总体布局方面必须 综合考虑机械和电气两方面的有机结合。 2、机电一体化 传统机床是由单纯的齿轮和 带轮组成的机械传动机构 交流伺服电动机 为基础的电主轴 如：具有严格传动关系的运动 传统：齿轮、凸轮 如：主轴系统 电子齿轮、电子凸轮 二、提高机床的静、动刚度二、提高机床的静、动刚度 （1）提高静刚度的措施 1）基础大件采用封闭整体箱
6、形结构 2）合理布置加强筋 3）提高部件之间的接触刚度。 （2）提高动刚度的措施 1）改善机床的阻尼特性（如填充阻尼材料） 2）床身表面喷涂阻尼涂层 3）充分利用结合面的摩擦阻尼 4）采用新材料，提高抗震性 1、提高数控机床主轴的刚度，采用三支承结构、双列短圆 柱滚子轴承和角接触向心推力轴承，以减小主轴的径向和 轴向变形。 三 支 承 主 轴 的 结 构 2、采用加强肋板结构 可提高机床大件的刚度。如立柱增加十 字形肋板后，质量增加不多，而扭转刚度提高了17倍。 加强肋类型 相对质量 相对弯曲刚度 相对扭曲刚度 a 1 1 1 b 1.24 1.17 1.38 c 1.34 1.21 8.86
7、 d 1.64 1.32 17.7 封闭整体箱形结构 3、采用液力平衡或重块来减少构件的变形。 采用液力平衡工作台 4、增大刀架底座的尺寸提高刀架刚度。 如减小a/b的数值。 增大b 减小a 5、通过刮研或预加载荷来增加机床各部件的接触面积，即提 高机床的接触刚度和承载能力。 6、提高系统的静刚度、增加阻尼以及调整构件的质量和自振 频率来改善机床的动态特性。 如:采用焊接结构既可以增加静刚度，减小结构质量， 又可以增加构件本身的阻尼； 封砂铸件也有利于振动的衰减。 7、对旋转零部件进行动平衡，以减少强迫振动源； 隔振：用弹性材料将振源隔离，以减少振源对机床的影响。 人造大理石床身（混凝土聚合物
8、） 天然大理石床身 8、重心驱动技术 重心驱动是基于机械运动动力学理论发展而成的技术。 重心驱动原理 在构件的一端施力，会 破坏平衡、产生振动。 在重心施力，可笔直推 进而不产生振动。 应用重心驱动技术，可实现平稳驱动，避免无 谓的消耗，从本质改善轮廓加工精度、提高加工面 质量、缩短加工时间、延长刀具寿命、提高机床的 精度及精度保持性。 三、减少机床的热变形三、减少机床的热变形 热变形对加工精度的影响 控制热变形的有效措施：对机床热源进 行强制冷却，采用热对称结构。 1、减少发热 分离热源：从主机中分离出热源，如电动机、变速 箱、液压装置及油箱等应外置。 改善润滑：对不能与主机分离的热源，如主
9、轴轴承、 丝杆螺母副、高速运动导轨副等，则必须改善其摩 擦特性和润滑条件，以减少机床内部的发热。 减少机床的热变形的措施 减少发热 控制温升 改善机床结构 2、控制温升 散热、冷却：在机床的发热部位进行强制冷却。 升温：在机床低温部分加热，使机床各部分温度、 热变形趋于一致。 主轴 冷却风管 对机床热源进行强制冷却 冷却 风管 主轴 对机床热源进行强制冷却 机床排屑系统及时带走热量 3、改善机床结构 采用双立柱、对称结构：受热后的主轴轴线除了产生垂直 方向的平移外，其他方向的变形很小，而垂直方向的轴线移动 可以方便地用一个坐标的修正量进行补偿。 热对称结构立柱 使主轴的热变形方向与刀具的切入方
10、向垂直：刀尖沿工件 切向的偏移对工件径向尺寸的变化影响极小，几乎可以忽略。 采用热位移调节元件或热位移补偿脉冲。 油从变速 箱中引入 热膨胀系数很小 调整前 调整后 理想轨迹 两者的变形 相互抵消 用预拉伸来减少丝杆的热变形：在加工滚珠丝杆时，使螺 距略小于名义值，装配时对丝杆进行预拉伸，使其螺距达到名 义值。当丝杆工作而受热，丝杆中的拉应力补偿了热应力，它 既减少了热伸长的影响，又提高了丝杆的刚度。 减少数控机床运动件之间的摩擦，消除传动系统的间隙， 达到低速时无爬行，高速时快速响应,换向时无冲击。 四、减少运动件的摩擦和消除传动间隙四、减少运动件的摩擦和消除传动间隙 减少运动件的摩擦和消除
11、传动间隙的措施减少运动件的摩擦和消除传动间隙的措施 1.采用滚动导轨和静压导轨：减小摩擦，避免“低速爬行”， 提高定位精度和运动平衡性。 2.使用滚珠丝杠代替滑动丝 杠：目前数控机床几乎无 例外地采用了滚珠丝杠传 动。 3.采用无间隙传动副：用同 步带传动代替齿轮传动、 采用无键联轴器。 滑动导轨 滚动导轨 静压导轨 4. 间隙补偿：采用脉冲补偿 装置进行螺距精度补偿。 例： 减少数控机床运动件之间的摩擦，消除间隙的措施 进给运动 五、提高机床的寿命和精度保持性五、提高机床的寿命和精度保持性 1、高寿命和精度保持性可以提高数控机床开动率（比 普通用机床高23倍），以便缩短数控机床投资的 回收时
12、间。 2、设计时就必须考虑数控机床零部件的耐磨性，如导 轨、进给丝杆及主轴部件等的耐磨性，以使数控机 床在长期使用过程中不丧失精度。 保证数控机床各部件的良好润滑是提高寿命的 重要条件。 六、减少辅助时间，改善操作性六、减少辅助时间，改善操作性 1、数控机床单件加工时，辅助时间（非切削时间）占有较大的 比例，如空行程、换刀、装拆工件等。 2、加工中心可减少换刀和多次装拆工件的时间。数控机床都有 快速运动的机能，可缩短空行程时间。 数控机床的操作性具有新的含意： （1）提高机床各部分的互锁能力，以防止意外事故的发生； （2）尽可能改善操作者的观察、监控和维护条件，并设有紧急 停车装置，以避免发生
13、意外事故； （3）数控机床上必须留出最有利的工件装夹位置，以改善装拆 工件的操作条件。 （4）床身结构必须有利于排屑。 2-8床身底部的油盘制成倾斜式，便于切屑的自动集中 和排出。 有利于排屑的结构 切削能力较大 的斜置床身数控车 床，采用主轴反向 转动的加工方式， 使大量切屑直接落 入自动排屑装置， 并迅速被运输带从 床身上排出。 图2-9 有利于排屑的结构 七、数控机床应有更好的宜人性（人机关系及环保）七、数控机床应有更好的宜人性（人机关系及环保） 便于操作的机床结构 第二节第二节 数控机床主传动系统及主轴部件数控机床主传动系统及主轴部件 一、主传动系统 二、主传动变速 三、主轴部件 一、
14、主传动系统一、主传动系统 产生主切削力 1、主传动系统作用 1.足够的转速范围 2.足够的功率和扭矩 3.各零部件应具有足够的精度、强度、刚度和抗振性 4.噪声低、运行平稳 2、对主传动系统的要求 二、主传动变速二、主传动变速 1、对主传动变速的要求、对主传动变速的要求 要求具有较大的调速范围，以保证加工时能选用合理 的切削用量，从而获得最佳的生产效率、加工精度、表面 质量。 2、主传动变速的常用机构、主传动变速的常用机构 采用变频和交流调速主轴电动机，无级变速宽，中间环 节少，可靠性高，易于实现指令控制。 配以齿轮变速，使之成为分段无级变速，可确保低速时 的扭矩。 3、主传动变速的主要配置方
15、式、主传动变速的主要配置方式 1.带有变速齿轮的主传动 大中型机床用，齿轮降速扩大扭矩 2.通过皮带传动的主传动 小型机床用，低扭矩、可避免振动 与噪声，常用同步齿形带。 3.电机直接驱动的主传动 结构简化，电机发热对主轴精度的 影响大。 变速齿轮传动 同步齿形带传动 主轴电机直接驱动 电主轴 4、齿轮变速主传动变速系统的变速方法、齿轮变速主传动变速系统的变速方法 液压拨叉 电磁离合器 两类 摩擦片式离合器：会出现打滑现象，不能用于有伺服要求的主 轴系统。 电磁离合器：电刷和滑环之间有摩擦和磨损，变速的可靠性差； 更为严重的是电磁离合器具有剩磁和发热等缺点，使主轴轴 承磁化，寿命下降，并影响加
16、工精度。 后两种目后两种目 前已很少前已很少 被采用。被采用。 拨叉机构：在使用中常出现 “顶齿”现象。 通常增加一台小型电动机，在变速时使主轴作低速回 转，避免发生“顶齿”现象，但使结构变得复杂。 主轴部件是数控机床上的重要部件之一，它带动刀具旋 转完成切削，其精度、 刚度、抗振性和热变形对加工质量产 生直接的影响。 二、主轴部件二、主轴部件 二、主轴部件二、主轴部件 （1）前支承采用双列短圆柱滚子轴承和60角接触双列向心 推力球轴承组合，后支承采用成对向心推力球轴承。 1、数控机床主轴轴承一般配置形式 该配置型式的特点：主轴的综合刚度大，可以满足强 力切削的要求，因此，普遍应用于各类数控机
17、床的主轴。 （2）前支承采用高精度双列向心推力球轴承 向心推力球轴承具有良好的高速性能，主轴最高转速 可达1000r/min，但是它的承载能力小，因而适用于高速、 轻载和精密的数控机床主轴。 （3）双列和单列圆锥滚子轴承 这组轴承径向和轴向刚度高，能承受重载荷，尤其能承 受较强的动载荷，安装与调整性能好。但是这组轴承配置方 式限制了主轴的最高转速和可以达到的精度，因此适用于中 等精度、低速与重载的数控机床主轴。 2、提高主轴部件转速的措施 1）高速轴承：采用氮化硅（Si3N4）陶瓷作为滚动体，可提高轴 承的转速和精度。 2）减小滚动体的直径，增加滚动体的数量 降低高速旋转时滚 动体离心力。可达
18、到降低温升、增加耐磨性和提高轴承dn值 的目的。 陶瓷材料的性能：密度低，为钢的40%，高速旋转时滚动体 产生的离心力大幅度下降，轴承的温升和磨损减小。 陶瓷材料滚动体和钢质内外环滚道的分子亲和力极小，不容 易产生微粘现象，有利于减少磨损； 陶瓷材料热胀系数较小，有助于减小在不同温度下预加载荷 的变化。能明显地提高轴承的精度和精度保持性。 3、主轴端部结构 主轴端部结构：对工件或刀具的定位、安装、拆卸以及 夹紧的准确、牢固、方便和可靠有很大影响。 常见的几种数控机床的主轴端部结构： 4主轴部件的特殊结构 （1）主轴内刀具的自动夹紧和切屑清除装置 （2）主轴准停装置 （1）主轴内刀具的自动夹紧和
19、切屑清除装置 夹紧：碟形弹簧8使拉杆7保持约10000N的拉力，并通 过拉杆左端的钢球3将刀杆1的尾部轴颈拉紧； 松开：压力油通入油缸右腔，活塞11推动拉杆7向左移 动，使碟形弹簧8压紧。拉紧7的左移使左端的钢球3位 于套筒5的喇叭口处，解除了刀杆上的拉力。 用压缩空气吹屑：活塞11的心部钻有压缩空气通道， 当活塞向左移动时，压缩空气经过活塞由主轴孔内的 空气喷嘴4喷出，将锥孔清理干净。 2主轴部件结构的改进 改进结构：上述的主轴结构在活塞向左推动拉杆时，将在主 轴轴承上作用一个很大的推力。采用图2-14的改进结构，使 轴向推力作用到箱体上。 推力作用到箱体上 （2）主轴准停装置 应用需求：
20、使刀柄上的键槽对准主轴的端面键； 保证精镗孔时刀尖的方向固定以便装刀和让刀。 实现方法： 在主轴尾部连接接近开关。 第三节 数控机床进给系统 一、数控机床进给系统 二、滚珠丝杠螺母副 三、进给系统传动间隙的消除 四、滚动导轨 一、数控机床进给系统 1、进给传动系统作用 接受数控系统发出的进给脉冲，经放大和转换后驱动 执行元件实现预期的运动。 2、对进给传动系统的要求 1.有较高的工作精度 2.响应速度快 3.调速范围宽 4.稳定性好 5.可靠性高 3、对数控机床进给系统的设计要求 1.减少运动件之间的摩擦阻力 丝杠螺母和导轨的滚动化，提高响应速度。 进给系统直接影响加工精度，设计进给系统时应注
21、意减少 摩擦阻力、提高传动精度和刚度、消除传动间隙以及减少运动 部件的惯量等。 2.提高传动精度和刚度 预紧可消除滚珠丝杠螺母副、轴承、齿轮、蜗轮等零件 的间隙，提高刚度。 3.减少惯量 惯量直接影响伺服机构的启动和制动特性，速度越高影 响越大。在满足传动件强度和刚度的要求下合理配置各元件， 减少它们的惯量。 二、滚珠丝杠螺母副 滚珠丝杠副滚珠丝杠副是由丝杠、螺母、滚珠等零件组成的机械元件， 其作用是将旋转运动转变为直线运动或将直线运动转变为旋转 运动。 滚 珠 丝 杠 螺 母 副 滚珠丝杠螺母副的特性 传动效率、传动刚度高 定位精度高 传动可逆性 使用寿命长 同步性能好 摩擦力小 特性 滚珠
22、丝杠副因优良的摩擦特性使其广泛的运用于各种工业 设备、精密仪器、精密数控机床。尤其是近年来，滚珠丝杠副 作为数控机床直线驱动执行单元，在机床行业得到广泛运用， 极大的推动了机床行业的数控化发展。 (摩擦系数低至0.010.003 ) 滚珠丝杠螺母副+滚动导轨副 电机 支承 丝杠 螺母 典型伺服进给系统 工作台 床身 直线电机伺服进给系统 1.滚珠丝杠的结构形式 2.轴向间隙的消除 3.滚珠丝杠的安装 4.滚珠丝杠的防护 1.滚珠丝杠的结构形式 外循环式 内循环式 （1）外循环式：螺母 螺旋槽两端通过回珠管1 相连接，滚珠在管道内 作循环运动。 （2）内循环式：螺母 螺旋槽的两相邻滚道之 间由滚
23、珠反向器2实现滚 珠的循环运动，并防止 滚珠沿滚道掉出。 1）外循环方式 插管式 螺旋槽式 端盖式 2）内循环方式 反向器 反向器 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 圈和3.5圈等几种。 滚珠丝杠和滚珠螺母的螺纹滚道形状采用哥德 式（Gothic）沟槽。 歌德式沟槽滚道法向 截形是双圆弧形，具有尖 形拱门、肋状拱顶的特点 。这种外形结构可使滚珠 和滚道能够达到最佳接触 ，旋转灵活。 2. 滚珠丝杠副轴向间隙的消除 滚珠丝杠用于进给机构时， 为了消除反向间隙，提高进给 机构的动态性能，通常需要预 紧。 经过预拉伸，可消除轴向间
24、隙，增加滚珠丝杠 副的刚性，减少滚珠和滚柱丝杠及螺母间的弹性变 形，达到更高的精度。 预紧的方式 过盈配合法 双螺母预紧法 2.1 预紧方式 单螺母预紧 法2：螺母沿径向开一薄槽，通过内六角螺钉调整间隙和 预紧。性价比好，使用方便。 法1：选用比常规尺寸稍大的滚珠，使得滚珠在丝杠和螺 母滚道之间形成过盈配合，以达到预紧的目的。 1）过盈配合法 适用于单螺母消除间隙 双螺母预紧法具有更高的定位能力和更好的运动平稳性。 2）双螺母预紧法 双螺母预紧的原理 双螺母预紧法 双螺母垫片调隙 双螺母齿差调隙 双螺母螺纹调隙 （1）双螺母垫片调隙 结构：通过修磨垫片的厚度来调整轴向间隙。 特点：结构简单、刚
25、性好和装拆方便。但很 难在一次修磨中调整完毕，调整的精度也不如齿 差调隙式。 2）双螺母预紧法 （2）双螺母齿差调隙 结构：在两个螺母1和2的 凸缘上各制有圆柱外齿轮， 且齿数差z2z1=1，两只内 齿圈3和4的齿数相同，并 用螺钉和销钉固定在螺母 座的两端。 调整方法：先将内齿圈取出，根据间隙的大小 使两个螺母转过一个或几个齿，使螺母在轴向彼此 移近相应的距离。 2）双螺母预紧法 （1）双螺母齿差调隙 间隙消除量： 单齿补偿量：t/Z1-t/Z2=(Z2-Z1)t/Z1Z2=t/Z1Z2 特点：结构复杂，计算简单精确，调整方便。 消除量：=zt/(z1z2) 或 z= z1z2/t z两螺母
26、同时转过的齿数 t-丝杠导程 （3）双螺母螺纹调隙结构：用平键限制了螺母在螺母 座内的转动。调整时，只要拧动圆螺母就能将滚珠螺 母沿轴向移动一定距离，在消除间隙之后将其锁紧。 特点：结构简单，调整方便，但调整精度较差 。 3.滚珠丝杠的安装 （1）向心轴承与圆锥轴承组合： （2）推力轴承或向心推力球轴承和向心轴承组合：轴向刚度提 高，但也增大了轴承的摩擦阻力、发热以及轴承支架的结构。 轴向刚度不足。 3.滚珠丝杠的安装 （3）滚珠丝杠专用轴承： 能够承受很大轴向力的特殊向心推力滚珠轴承，比一 般轴承的轴向刚度提高两倍以上，使用极为方便。 留有间隙 （a）悬臂单支承：小型数控机床 （b）两端止推
27、：可预拉伸，提高刚度，中轻载机床 （c）一端固定，一端简支：中载数控机床 （d）两端固定：重载数控机床 (4)支承结构 ： 滚珠丝杠和螺母之的摩擦系数极小，因此不具有 滑动丝杠螺母的自锁性。 (5)锁紧装置： 滚珠螺母在沿轴线方向 的外力作用下可以反过来使丝 杠转动。为此滚珠丝杠在用于 垂直升降或水平放置的高速大 惯量传动的场合，必须设计可 靠的锁紧装置。常用的锁紧装 置一般由超越离合器或电磁制 动器等器件组成 。也可采用带 刹车的电机。 主轴箱 离合器 摩擦 电磁铁线圈 4.滚珠丝杠的防护 (1)毛毡圈密封：厚度为螺距2-3倍，内孔做成螺纹的形状，使 之紧密地包住丝杠，并装入螺母或套筒两端的
28、槽孔内。也可 采用耐油橡胶或尼龙材料。密封圈和丝杠直接接触，防尘效 果好，但摩擦阻力大。 (2)防护罩：对于暴露在外的丝杠用螺旋钢带、伸缩套筒、锥形 套筒管以及折叠式塑料或人造革等形式的防护罩。 螺旋钢带：钢带宽度等于丝杠的螺距，螺纹槽被严密地封 住。钢带的正反两面不接触，外表面粘附的脏物不会被带到 内表面去，使内表面保持清洁。这是其他防护装置很难做到 的。 三、进给系统传动间隙的消除 是指调整之后齿侧间隙可以自 动补偿的调整方法。这种方法 结构复杂、传动刚度低。 1.刚性调整法： 2. 柔性调整法： 是指调整后齿侧间隙不能自 动补偿的调整方法。这种方 法传动刚度高，结构简单。 (1)偏心轴套
29、式：电 机1通过偏心轴套2 装到壳体上，通过 转动偏心轴套就能 够调整两齿轮的中 心距，从而消除齿 侧间隙。 刚性调整法 (2)垫片式： 刚性调整法 (1) 双 齿 轮 错 齿 式 消 除 间 隙 结 构 柔性调整法 柔性调整法 (2)碟形弹簧消除斜齿轮齿侧间隙的结构 3.电机直接驱动滚珠丝杠的套筒连接结构： 要求：可靠、无间隙。 图2-25a为双键套筒连接。图2-25b、图2-25c为锥销套筒 连接，它们都是通过锥销和螺母锁紧，有效地消除了因伺服 电动机频繁正反向引起的传动间隙。 梅花型联轴器 1：扭向弹性。产品材质：铝合金（台湾T6铝），中间弹性体 （聚氨脂）；有良好的动态特性 2：设计紧
30、凑，转动惯量低 3：可吸收振动，传动大扭动轴向插入式安装 4：主体采用阳极表面处理，抗油污与电气绝缘，免维护 5：顺时针与逆时针回转特性完全相同 6：夹紧螺丝固定方式 7：适用于步进电机、伺服电机、主轴传动等机械 无键联轴器 四、滚动导轨 1.导轨的基本要求： （1）良好的导向精度：包括运动部件的移动直线性和 圆运动的真圆性。 （2）良好的精度保持性：能够长期保持原始精度。使 精度丧失的主要原因是磨损，因而要从根本上解决 导轨的摩擦问题。 （3）足够的刚度：导轨承受着很大负载，如果要求在 受负载的情况下仍能保持精度，则必须使摩擦副具 有良好的摩擦特性，在导轨的结构和材料的选择上 也必须认真考虑
31、。 （1）滑动导轨：摩擦系数大、工艺性好、速度较低。 （2）贴塑导轨：聚四氟乙烯导轨带、环氧型耐磨涂料，摩擦 系数较小，承载能力较低。 （3）滚动导轨：摩擦系数小0.00250.005） 、运动轻便、 位移精度和定位精度高、耐磨性好、抗震性较差、结构复杂、 制造困难、防护要求较高、成本高。 （4）静压导轨：摩擦系数最小，承载能力大，低速无爬行、 精度保持性好，但结构复杂，制造困难、成本高。 2. 导轨的种类 直线滚动导轨副 4-滑块 5-滚珠 l-导轨条 2-端面挡板 3-密封垫 1 2 3 4 5 滑动导轨副结构 a）开式导轨 b）闭式导轨 a） b） 滚动导轨 滑动导轨 3.滚动导轨的结构
32、 （1）滚动导轨组件外形：图a能承受倾覆力矩的中等负载 的结构，图b为不能承受倾覆力矩的重负载的结构。 直线滚动导轨副 4-滑块 5-滚珠 l-导轨条 2-端面挡板 3-密封垫 1 2 3 4 5 （2）导轨内部结构和滚珠循环原理 导轨条7有各种结构。导轨条安装在床身或立柱 上。数量不等的滑块5安装在工作台或滑座等移动件 上，沿导轨条作直线运动。 （3）滚动导轨组件的固定 滚动导轨组件安装和预紧方便。需要保证 安装面的直线度和平面度。 滚 动 导 轨 的 组 件 （4）滚动导轨组件的侧向预紧 第四节 数控机床回转工作台 一、数控回转工作台 二、数控分度工作台 一、数控回转工作台 主要用于数控镗
33、床和铣床。 卧式镗床的回转工作台 运动由蜗杆1 传给大蜗轮2 光栅10读取 回转位移量 八对夹紧瓦3 、 4和 底座9上的小油缸5用 于锁紧工作台。 当油缸上腔通压力油时，活塞6压向 钢球8，撑开夹紧瓦夹紧蜗轮2。回转 时，使小油缸的上腔接通回油路，弹 簧7将钢球8抬起，夹紧瓦松开。 工作台导轨面由大型圆柱滚子轴承 13支承。圆锥滚柱轴承12及双列向 心圆柱滚子轴承11保正回转准确。 回转精度主要取决于蜗轮副的精度。也可以通过实际测 量工作台的静态定位误差后，确定需要补偿的脉冲数和方向， 记忆在补偿回路中，由数控装置进行误差补偿。 数控回转工作台设有零点。工作台能完成进给驱动，还可 以作任意角
34、度的分度和定位。 二、分度工作台 1.定位销式分度工作台 2.鼠齿盘式分度工作台 1.定位销式分度工作台 由定位销和定位孔来分度定位。分度台2的底部均布八个削边 圆柱销8，45度角分布，底座12上有一个定位孔衬套7以及供定位 销移动的环形槽。 1）松开锁紧机构并拔出定位销 ：底座20上六个锁紧油缸9卸荷。活 塞拉杆22在弹簧21作用下上升15mm，使工作台2松开。同时间隙 消除油缸6也卸荷，中央油缸16从管道15进压力油，使活塞17上 升，通过螺柱18，支座5把止推轴承13上抬，顶在底座12上，通 过螺钉4、锥套3使工作台2抬起15mm，圆柱销从衬套7中拔出。 2）工作台回转分度 ：伺服电机驱
35、动减速齿轮，带动与工作台2底部 连接的大齿轮10回转分度。在大齿轮10上面以45的间隔均布八个 挡块1。先快速回转，当定位销快进入位置时，挡块碰第一个限 位开关，使工作台降速。挡块碰第二个限位开关时，工作台2停 止回转。此时，相应的定位销8正好对准定位孔衬套7 。 3）工作台下降并锁紧 ：中央油缸16卸荷，工作台2靠自重下降，定 位销8插入定位衬套7中。锁紧前，油缸6通压力油，活塞顶向工 作台2，消除径向间隙，然后使锁紧油缸9的上腔通压力油，活塞 拉杆22下降，通过拉杆将工作台锁紧。 2.鼠齿盘式分度工作台 分度机构 采用向心多齿 啮合，有误差 平均作用，精 度高（5 3）。结 构简单，零件
36、数较少。 1)分度工作台上升、鼠齿盘脱离啮合：工作台1中央的压紧油缸下 腔11通过油孔4进压力油，活塞3向上移动，通过止推轴承5和14 将分度工作台抬起，鼠齿盘6与7脱离啮合。同时，与工作台心轴 连接成一体的内齿轮13向上套入齿轮12。 2)工作台回转分度：当工作台1上升时，推杆8和9在弹簧的作用下 分别向上和向右移动，使微动开关复位，控制电磁阀使压力油经 油孔19进入分度油缸左腔23。推动活塞齿条22向右移动，并带 动齿轮12作逆时针方向回转。由于齿轮12已经与内齿轮13连接， 分度工作台也随着一起回转相应的角度。开始回转时，挡块16就 离开推杆17，使微动开关复位，通过互锁电路，始终保持工
37、作台 处于上升位置。按设计要求，当活塞移动113mm时，工作台回 转90，回转角度的近似值将由微动开关和挡块15控制。 3)分度工作台下降，并定位夹紧：当工作台转到90位置附近，挡 块15通过推杆18使微动开关动作，控制电磁阀使压紧油缸上腔 10通过2进压力油。活塞3带动工作台1下降，鼠齿盘6及7在新的 位置重新啮合，并定位压紧。油缸下腔11的回油经过节流阀，以 限制工作台的下降速度，保护齿面不受冲击。 4)分度活塞退回：当分度工作台1下降时，通过推杆8及9的作用， 使微动开关动作。分度油缸右腔20通过油孔21进压力油，活塞齿 条22退回原处。因为内齿轮13已与齿轮12脱开，工作台保持静 止状
38、态。齿轮12顺时针方向回转时，带着挡块15及16回到原处， 准备下一次分度。当挡块15离开推杆18，而使微动开关复位时， 必须通过维持电路保证工作台始终处于压紧状态。 第五节 数控加工使用的刀具及自动换刀系统 一、数控加工使用的刀具 二、自动换刀系统 一、数控加工使用的刀具 图示为某数控车 床的刀具配置， 其构成有旋转刀 架体、装夹刀具 底座、刀具套筒、 和刀具四部分组 成。 数控车床刀具的安装 安装外圆车刀 数控车床刀具的安装 安装内孔车刀 数控车床刀具的安装 安装螺纹车刀 回转型刀具通常 由连接主轴的刀柄， 中间接杆和适用刀具 三部分组成 。 主轴刀柄与主轴 孔大多锥度为7：24。 刀柄的
39、规格有40、45、 50号。 图2-33为最常用 的标准锥形刀柄结构 图2-34为圆柱结 合面的主轴刀柄 图2-35为连接主轴刀柄，中间接杆和适用刀具组合的示意图。 中间接杆 中间接杆在机床上的轴向位置是通过调整螺母的 端面定位的。调整螺母的轴向位置并给予锁紧就能较 精确地确定刀具的伸出长度。其结构如图2-36所示 镗杆刀尖的 径向位置应能精 确调整。图2-37是 一种刀尖径向能 调整的镗杆结构。 图2-38是镗刀头 结构，通过带刻度的 调整螺母调整刀尖位 置，调整后用锁紧螺 钉固定。 二、自动换刀系统 1、自动换刀装置的形式 2、刀库及刀具的选择方式 3、刀具交换装置 （1）回转刀架换刀 （
40、2）主轴头转位换刀 （3）带刀库的自动换刀系统 1）顺序选择方式 2）刀具编码方式 3）刀座编码方式 （1）刀库 （2）刀具的选择方式 1、自动换刀装置的形式 （1）回转刀架换刀：一种最简单的自动换刀装置。 福大机械系 立式四方刀架 数量 绘 图 审 阅 设 计 序号 聂晓根 翁俊峰 翁俊峰 名 称 1 1:1 数 量 比 例 材料 材 料 图 号 标 准 01 备 注 图2-39为数控车床的六角回转刀架。 换刀动作分为四个步骤： 1）刀架抬起 压力油由A孔进入压紧油缸的下腔，活塞1上升，刀 架体2抬起使定位用活动插销10与固定插销9脱开。同时，活塞杆 下端的端齿离合器与空套齿轮5结合。 2）
41、刀架转位 刀架抬起后，压力油从C孔进入转位油缸左腔，活 塞6向右移动，通过连接板带动齿条8移动，使空套齿轮5作逆时 针方向转动，通过端齿离合器使刀架转过60度。活塞的行程应等 于齿轮5节圆周长的1/6，并由限位开关控制。 3）刀架压紧 转位后，压力油从B孔进入压紧油缸的上腔，活塞1 带动刀架体2下降。件3的底盘上精确地安装着六个带斜楔的圆柱 固定插销9，利用活动插销10消除定位销与孔之间的间隙，实现 反靠定位。刀架体2下降时，定位活动插销10与另一个固定插销9 卡紧，同时件3与件4的锥面接触，刀架在新的位置定位并压紧。 这时，端齿离合器与空套齿轮5脱开。 4）转位油缸复位 刀架压紧之后，压力油
42、从D孔进入转位油缸右 腔，活塞6带动齿条复位，由于此时端齿离合器已脱开，齿条带 动齿轮7在轴上空转。 如果定位和压紧动作正常， 推杆11与相应的触头12接 触，发出信号表示换刀过 程已经完成，可以继续进 行切削加工。 （2）主轴头转位换刀（动力刀架） 换刀后，相应的主轴带动刀具旋转，非加工位 置上的主轴与主运动脱开。 卧式八轴转塔头 图2-40为卧式八轴转塔头。转塔头上径向分布着八根结构 完全相同的主轴1，主轴的回转运动由齿轮15输入。当数控机 床发出换刀指令时，先通过液压拨叉（图中未示出）将移动齿 轮6和齿轮15脱离啮合，同时在中心油缸13的上腔通压力油。 由于活塞杆和活塞12固定在底座上，
43、因此中心油缸13带着两个 止推轴承9和11支撑的转塔刀架10抬起，鼠齿盘7和8脱离啮合。 然后压力油进入转位油缸，推动活塞齿条，再经过中间齿轮 （图中均未示出）使大齿轮5与转塔刀架10一起回转45度，将 下一工序的主轴转到工作位置。转位结束后，压力油进入中心 油缸13的下腔使转塔头下降，鼠齿盘7和8重新啮合，实现精确 的定位。在压力油的作用下，转塔头被压紧，转位油缸退回原 位。最后通过液压拨叉拨动齿轮6，使它与新换上的主轴齿轮 15啮合。 十工位转塔头 图2-41所示为十工位 转塔头的外貌图。这种形 式的转塔头可以任意配置， 使工艺范围进一步扩大， 为提高生产效率和加工精 度发挥了很好的作用。
44、目 前，较先进的转塔头的转 位时间可以小于1s，重复 定位精度为0.002mm.。 （3）带刀库的自动换刀系统： 用于钻镗铣加工中心 。 图2-42带刀库的多主轴换刀系统。缩短换刀停顿时间。 2、刀库及刀具的选择方式 （1）刀库 盘式刀库 链式刀库 盘式刀库 链式刀库 图2-43a-d是单盘式刀库，结构简单，容量较小，1530把刀。 (e)鼓轮 弹仓式 (f)链式 (g)多盘式 (h)格子式 链式刀库结构灵活，存放刀具的数量较多，选刀 和取刀动作十分简单。 链式刀库结构 （2）刀具的选择方式 1）顺序选择方式 将刀具按加工工序的顺序，依次放入刀库的 每一个刀座内。每次换刀时，刀库按顺序转动一
45、个刀座的位置，并取出所需要的刀具。已经使用 过的刀具可以放回到原来的刀座内，也可以按顺 序放入下一个刀座内。 顺序选择方式结构简单，工作可靠等优点。 但刀库中的刀具不能重复使用，零件不同，刀库 顺序就不同。装刀操作必须十分谨慎，一旦刀具 顺序发生差错，将会造成严重事故。 2）刀具编码方式 采用一种特殊的刀柄结构，并对每把刀具进 行编码，换刀时通过编码识别装置，根据换刀指 令代码，在刀库中寻找出所需要的刀具。 由于每一把刀具都有自己的代码，因而刀具 可以放入刀库中的任何一个刀座内，这样不仅刀 库中的刀具可以在不同的工序中多次重复使用， 而且换下来的刀具刀不必放回原来的刀座，这对 装刀和选刀都十分
46、有利。 刀具编码方式 图2-45为编码刀柄结构图。在刀柄的尾部的拉紧螺杆3 上套装着一组等间隔的编码环1，并由锁紧螺母2将它们固 定。编码环的外径有大小两种不同的规格，每个编码环的 高低分别表示二进制数的“1”和“0”。 3）刀座编码方式 将相对应的刀具放入指定的刀座中，根据刀座 的编码选取刀具。若刀具与刀座编码不符会导致出 错。与顺序式不同，刀具可重复使用。 刀座编码方式可分为永久性编码性编码和临时 性编码（钥匙编码）两种。 钥匙编码时先按加工程序给每一把刀具系上表 示该刀具号码的代码钥匙，在刀具任意放入刀座的 同时，将对应的代码钥匙插入该刀座旁的钥匙孔内， 通过钥匙把刀具的代码转记到该刀座
47、上，从而给刀 座编上了代码。 编码钥匙 图46a为编码钥匙。 编码钥匙两边最多有22个方齿，前20个齿组成了一个五位 的二-十进制代码，四个二进制代码表示一位十进制数，代码 从1到99999。钥匙最后有两个方齿，钥匙插入刀座后就发出信 号表示刀座已编上了代码。 图b编码钥匙孔座的结构，钥匙1对准键槽4插入钥匙孔座，然 后顺时针方向旋转90，处于钥匙有齿部分3的接触片2被撑起， 表示代码“1”，处于无齿部分的接触片5保持原状，表示代码 “0”。刀库上装有数码读取装置，它由两排成180分布的炭刷 组成。当刀库转动选刀时，钥匙孔座的两排接触片依次通过炭 刷，依次读出刀座的代码，直到寻找到所需要的刀具
48、。 3、刀具交换装置 实现刀库与机床主轴之间传递和装卸刀具的装置称为刀具 交换装置。 （1）图2-47为数控 立式镗铣床的刀具交 换装置，换刀时必须 先将用过的刀具送回 刀库，然后再从刀库 中取出新刀具，这两 个动作不可能同时进 行，刀时间较长。 （2）机械手刀具交换装置 特点：应用最广，减少换刀时间。 机械手刀具交换装置 机械手刀具交换装置 第六节 数控加工用辅助装置 一、数控加工用夹具 二、刀具预调仪 一、数控加工用夹具 由于数控加工的零件多属多品种小批量生产，因而不宜使用 专用夹具，尽可能使用标准化的通用夹具或组合夹具，以减 少生产准备时间，降低生产成本。 夹具的定位和夹紧必须可靠，以满
49、足数控加工的精度要求和 安全生产。 尽可能在一次装夹中进行多个表面的多工序加工，减少零件 的重新安装次数。 夹紧件的位置必须考虑避让与刀具的碰撞。必要时应进行碰 撞校验，将正确的刀具运行路线编入加工程序中。 组合夹具是数控加工中较常用的工艺装备，它是用标准化、 系列化的元件拼装而成 。 要求如下： 二、刀具预调仪（对刀仪） 把测定和调整刀具相对于刀架或刀柄基准尺 寸的工作预先在刀具预调仪上完成。 三、自动排屑机构三、自动排屑机构 四、机床其它附件四、机床其它附件 拖链拖链 导轨防护罩导轨防护罩 钢板、不锈钢板机床导轨防护罩设计参数钢板、不锈钢板机床导轨防护罩设计参数 代号代号 名称名称 代号代号 名称名称 代号代号 名称名称 Le 拉伸后长度拉伸后长度 H1 导轨侧面高度导轨侧面高度 Bm 滑块支承宽度滑块支承宽度 Lz 压缩后长度压缩后长度 H2 导轨上护罩高导轨上护罩高 度度 、 弓型倾角弓型倾角 Lt 最大行程最大行程 H3 安装位置高度安装位置高度 n 预计节
