1、数控加工工艺学第2章 数控机床的机械结构2.1 概述2.2 数控机床的机械结构2.3 数控机床的主传动系统2.4 数控机床的进给系统2.5 数控机床用导轨2.6 自动换刀装置2.7 数控工作台与分度工作台2.9 金属切削数控机床2.10 电加工机床与普通机床相比，数控机床机械结构有许多特点。在主传动系统方面，具有下列特点：(1)目前数控机床的主传动电机已不再采用普通的交流异步电机或传统的直流调速电机，它们已逐步被新型的交流调速电机和直流调速电机所代替。(2)转速高，功率大。(3)变速范围大。(4)主轴速度的变换迅速可靠。2.1 概述在进给传动系统方面，具有下列特点：（1）尽量采用低摩擦的传动副
2、。采用静压导轨、滚动导轨和滚珠丝杠等，以减小摩擦力。（2）选用最佳的降速比，以达到提高机床分辨率，使工作台尽可能大地加速，以达到跟踪指令、系统折算到驱动轴上的惯量尽量小的要求。（3）缩短传动链及用预紧的方法提高传动系统的刚度。（4）尽量消除传动间隙，减小反向死区误差。2.1 概述2.2 数控机床的机械结构数控机床的机械结构有以下特点：（1）数控机床的传动结构大为简化，传动链也大为缩短。（2）数控机床机械结构具有较高的静、动态刚度和阻尼精度，以及较高的耐磨性，而且热变形小。（3）为减小摩擦、消除传动间隙和获得更高的加工精度，更多地采用高效传动部件，如滚珠丝杠副、滚动导轨和消除间隙齿轮传动副等。（
3、4）为了改善劳动条件、减少辅助时间、提高劳动生产率，采用刀具自动夹紧装置、刀库与自动换刀装置及自动排屑装置等辅助装置。2.2 数控机床的机械结构根据数控机床的适用场合和机构特点，对数控机床结构提出以下要求:一、较高的机床静、动态刚度为了提高数控机床主轴的刚度，不但经常采用三支撑结构，而且选用刚性很好的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。为了提高机床部件的刚度，则采用封闭界面的床身和液力平衡，减小移动部件因位置变动造成的机床变形。为了提高机床各部件的接触刚度，增加机床的承载能力，则采用刮研的方法增加单位面积上的接触点，并在结合面之间施加足够大的预加载荷，以增加接触
4、面积。提高动态刚度用的措施主要有提高系统的刚度、增加阻尼以及调整构件的自振频率等。二、减少机床热变形为了减小热变形，在数控机床结构中通常采用以下措施。1.减少发热2.控制温升3.改善机床结构2.2 数控机床的机械结构三、提高机床的寿命和精度保持性为了提高机床的寿命和精度保持性，在设计时应充分考虑数控机床零部件的耐磨性，尤其是机床导轨、进给丝杠及主轴部件等影响精度的主要零件的耐磨性。在使用过程中，应保证数控机床各部件润滑良好。四、减少辅助时间数控机床在单件生产中，辅助时间(非切屑时间)占有较大的比重。进一步提高机床的生产率，就必须最大限度地压缩辅助时间。目前已经有很多数控机床采用多主轴、多刀架以
5、及带刀库的自动换刀装置等，减少换刀时间。对于切削用量较大的数控机床，床身机构必须有利于排屑。2.2 数控机床的机械结构 2.3 数控机床的主传动系统 一、对主传动系统的要求 1具有更大的调速范围，并能实现无级调速 2 具有较高的精度和刚度，传动平稳，噪声低 3良好的抗震性和热稳定性 二、主传动及变速 根据数控机床的类型与大小，其主传动主要有以下3种形式：1带有变速齿轮的主传动，如图2-1(a)所示。2通过带传动的主传动，如图2-1(b)所示 3内装电动机主轴变速，如图2-1(c)所示。2.3 数控机床的主传动系统图2-1 数控机床主传动的配置方式 三、主轴部件 1主轴的支承 数控机床主轴的支承
6、主要采用3种主要形式。如图2-2(a)所示结构的前支承采用双列短圆柱滚子轴承和60角接触双列球轴承组合，后支承采用成对安装的角接触轴承。这种结构的综合刚度高，是目前各类数控机床普遍采用的形式。如图2-2(b)所示结构的前支承采用高精度双列（或三列）角接触球轴承，后支承采用单列（或双列）角接触球轴承。这种配置的高速性能好，但承载能力较小，适用于高速、轻载和精密数控机床。如图2-2(c)所示结构为前支承采用双列圆锥滚子轴承，后支承为单列圆锥滚子轴承。这种配置的径向和轴向刚度很高，可承受重载荷，但这种结构限制主轴最高转速和精度，因而仅适用于中等精度、低速与重载的数控机床主轴。2.3 数控机床的主传动
7、系统2.3 数控机床的主传动系统图2-2 主轴支承配置2.3 数控机床的主传动系统2主轴内部刀具自动夹紧机构主轴内部刀具自动夹紧机构是数控机床特别是加工中心的特有机构。如图2-3所示为ZHS-K63加工中心主轴结构部件图，其刀具可以在主轴上自动装卸并进行自动夹紧。其工作原理为当刀具2装到主轴孔后，其刀柄后部的拉钉3便被送到主轴拉杆7的前端，在碟形弹簧9的作用下，通过弹性卡爪5将刀具拉紧。当需要换刀时，电气控制指令给液压系统发出信号，使液压缸14的活塞左移，带动推杆13向左移动，推动固定在拉杆7上的轴套10，使整个拉杆7向左移动，当弹性卡爪5向前伸出一段距离后，在弹性力作用下，卡爪5自动松开拉钉
8、3，此时拉杆7继续向左移动，喷气嘴6的端部把刀具顶松，机械手便可把刀具取出进行换刀。装刀之前，压缩空气从喷气嘴6中喷出，吹掉锥孔内脏物，当机械手把刀具装入之后，压力油通入液压缸14的左腔，使推杆退回原处，在碟形弹簧的作用下，通过拉杆7又把刀具拉紧。冷却液喷嘴1用来在切削时对刀具进行大流量冷却。2.3 数控机床的主传动系统1-冷却液喷嘴；2-刀具；3-拉钉；4-主轴；5-弹性卡爪；6-喷气嘴7-拉杆；8-定位凸轮；9-碟形弹簧；10-轴套；11-固定螺母；12-旋转接头；13-推杆；14-液压缸；15-交流伺服电机；16-换挡齿轮图2-3ZHS-K63加工中心主轴内部刀具夹紧机构2.4 数控机床
9、的进给系统一、数控机床对进给系统的要求为确保数控机床进给系统的传动精度和工作平稳性，在设计机械传动装置时，应满足如下要求。1高的传动精度与定位精度2宽的进给调速范围3快速响应特性4无间隙传动5稳定性好、寿命长6使用维护方便二、滚珠丝杠螺母副机构1.滚珠丝杠螺母副的工作原理滚珠丝杠螺母副是一种新型的传动机构，它的结构特点是具有螺旋槽的丝杠螺母间装有滚珠作为中间传动件，以减小摩擦，如图2-4所示。2.4 数控机床的进给系统图2-4 滚珠丝杠螺母副2.滚珠丝杠螺母副的特点（1）传动效率高，摩擦损失小。通常滚珠丝杠螺母副的传动效率达到0.920.96，比常规的丝杠螺母副高34倍。因此，功率消耗只相当于
10、常规丝杠螺母副的1/41/3。（2）适当给予预紧，可消除丝杠和螺母的螺纹间隙，反向时就可以消除空行程死区，定位精度高，刚度好。（3）运动平稳，无爬行现象，传动精度高。（4）运动具有可逆性，可以从直线运动转换为旋转运动，也可以从旋转运动转换为直线运动，即丝杠和螺母都可以作为主动件。（5）磨损小，使用寿命长。（6）制造工艺复杂。滚珠丝杠和螺母等元件的加工精度要求高，表面粗糙度要求也高，故制造成本高。（7）不能自锁。2.4 数控机床的进给系统2.4 数控机床的进给系统3.滚珠丝杠螺母副的参数。(b)滚珠丝杠螺母副法向剖面图(a)滚珠丝杠螺母副轴向剖面图图2-5 滚珠丝杠螺母副基本参数2.4 数控机床
11、的进给系统（1）名义直径d0。滚珠与螺纹滚道在理论接触状态时，包络滚珠球心的圆柱直径，它是滚珠丝杠螺母副的特征尺寸。（2）接触角。在螺纹滚道法向剖面内，滚珠球心与滚道接触点的连线和螺纹轴线的垂直线间的夹角.此外还有丝杠螺纹大径d、丝杠螺纹小径d1、滚珠直径db、螺母螺纹大径D、螺母螺纹小径D1、滚道圆弧偏心距e以及滚道圆弧半径R等参数。4.滚珠丝杠螺母副的结构和轴向间隙的调整方法各种不同结构的滚珠丝杠副，其主要区别是螺纹滚道型面的形状、滚珠循环方式及轴向间隙的调整和预加预紧力的方法等。（1）螺纹滚道型面的形状及其主要尺寸。螺纹滚道型面的形状有多种，国内投产的仅有单圆弧型面和双圆弧型面两种。在图
12、2-6中，滚珠与滚道型面接触点法线与丝杠轴线的垂直线间夹角称为接触角。2.4 数控机床的进给系统2.4 数控机床的进给系统 单圆弧型面。如图2-6(a)所示。双圆弧型面。如图2-6(b)所示。图2-6 滚珠丝杠螺母副螺纹滚道型面的截形（2）滚珠循环方式。目前国内外生产的滚珠丝杠螺母副，可分为外循环和内循环两类。如图2-7所示为外循环螺旋槽式滚珠丝杠副如图2-8所示为内循环滚珠丝杠螺母副。2.4 数控机床的进给系统图2-7 外循环螺旋槽式滚珠丝杠副图2.4 数控机床的进给系统图2-8 内循环滚珠丝杠螺母副表2-1列出国产滚珠丝杠螺母副的几种不同循环方式的比较。2.4 数控机床的进给系统2.4 数
13、控机床的进给系统（3）滚珠丝杠螺母副轴向间隙的调整和施加预紧力的方法。通常采用双螺母预紧的方法，把弹性变形量控制在最小限度内。应用这一方法来消除轴向间隙时需要注意以下两点：通过预紧力产生预拉变形，以减小弹性变形所引起的位移，该预紧力不能过大，否则会引起驱动力矩增大、传动效率降低和使用寿命缩短。注意减小丝杠安装部分和驱动部分的间隙。2.4 数控机床的进给系统常用的双螺母消除轴向间隙的结构形式有以下3种。（a）垫片调隙式（图2-9）1、2-单螺母；3-螺母座；4-调整垫片图2-9 垫片调隙式2.4 数控机床的进给系统 （b）螺纹调隙式（图2-10）1、2-单螺母；3-平键；4-调整螺母图2-10
14、螺纹调隙式2.4 数控机床的进给系统（c）齿差调隙式（图2-11）。1、4-内齿圈；2、3-单螺母 图2-11 齿差调隙式2.4 数控机床的进给系统各种滚珠丝杠螺母副预紧方式及其特点，见表2-2。2.4 数控机床的进给系统(4)滚珠丝杠螺母副的精度。滚珠丝杠螺母副的精度等级为1、2、3、4、5、7、10级精度，代号分别为1、2、3、4、5、7、10。其中1级为最高，依次逐级降低。滚珠丝杠副的精度包括各元件的精度和装配后的综合精度，其中包括导程误差、丝杠大径对螺纹轴线的径向圆跳动、丝杠和螺母表面粗糙度、有预加载荷时螺母安装端面对丝杠螺纹轴线的圆跳动、有预加载荷时螺母安装直径对丝杠螺纹轴线的径向圆
15、跳动以及滚珠丝杠名义直径尺寸变动量等。2.4 数控机床的进给系统a）任意300mm螺纹长度内，螺纹全长内导程误差曲线的带宽 b）2弧度内导程误差 图2-12 当方向目标值T不等于零时的导程误差值 滚珠丝杠导程误差曲线如图2-12所示。2.4 数控机床的进给系统(5)滚珠丝杠副的标注方法 滚珠丝杠副的型号根据其结构、规格、精度和螺纹旋向等特征按下列格式编写。循环方式代号见表2-1，预紧方式代号见表2-2。负荷滚珠总圈数为1.5、2、2.5、3、3.5、4、4.5、5圈，代号分别为1.5、2、2.5、3、3.5、4、4.5、5。螺旋旋向为左、右旋，只标左旋代号为LH，右旋不标。滚珠螺纹的代号用GQ
16、表示，标注在公称直径前，如GQ50832.4 数控机床的进给系统例例 CTC63103.53.5/20001600表示为插管突出式外循环（CT），双螺母齿差预紧（C）的滚珠丝杠副，公称直径63mm，基本导程10mm，负荷滚珠总圈数3.5圈，精度等级3.5级，螺纹旋向为右旋，丝杠全长为2000mm，螺纹长度为1600mm。2.4 数控机床的进给系统滚珠丝杠及螺母零件图上螺纹尺寸的标注方法见图2-13。“GQ”为滚珠丝杠螺纹的代号，50为公称直径（50mm），8表示基本导程为8mm，2为精度等级，左旋螺纹应在最后标“LH”字，右旋不标。(a)滚珠螺母尺寸的标注 (b)滚珠丝杠尺寸的标注 图2-13
17、 滚珠丝杠副尺寸的标注(6)滚珠丝杠副在机床上的安装方式(1)支承方式 滚珠丝杠的支承方式有以下几种：一端装推力轴承，见图2-14a。这种安装方式只适用于短丝杠，它的承载能力小、轴向刚度低，一般用于数控机床的调节环节或升降台式数控机床的立向（垂直）坐标中。一端装推力轴承，另一端装深沟球轴承，见图2-14b。两端装推力轴承，见图2-14c。两端装推力轴承及深沟球轴承，见图2-14d。2.4 数控机床的进给系统2.4 数控机床的进给系统图2-14 滚珠丝杠在机床上的支承方式(2)制动装置 2.4 数控机床的进给系统图2-15 数控卧式铣镗主轴箱进给丝杠的制动装置示意图(7)滚珠丝杠副的润滑与密封
18、滚珠丝杠副也可用润滑剂来提高耐磨性及传动效率。润滑剂可分为润滑油及润滑脂两大类。润滑油为一般机油或90180号透平油或140号主轴油。润滑脂可采用锂基油脂。滚珠丝杠副常用防尘密封圈和防护罩。(1)密封圈密封圈装在滚珠螺母的两端。分接触式和非接触式。(2)防护罩防护罩能防止尘土及硬性杂质等进入滚珠丝杠。防护罩的形式有锥形套管、伸缩套管、也有折迭式（手风琴式）的塑料或人造革防护罩，也有用螺旋式弹簧钢带制成的防护罩。2.4 数控机床的进给系统2.5 数控机床用导轨 导轨按运动轨迹可分为直线运动导轨和圆周运动导轨；按工作性质又分为主运动导轨、进给运动导轨和调整导轨；按受力情况又分为开式导轨和闭式导轨。
19、为了保证数控机床具有较高的加工精度和较大的承载能力，要求其导轨具有较高的导向精度、足够的刚度、良好的耐磨性和低速运动平稳性，同时应尽量使导轨结构简单、便于制造、调整和维护。数控机床常用的导轨按其接触面间摩擦性质的不同可分为滑动导轨和滚动导轨。2.5 数控机床用导轨（1）滑动导轨。在数控机床上常用的滑动导轨有液体静压导轨、气体静压导轨和贴塑导轨。液体静压导轨。在两导轨工作面间通入具有一定压力的润滑油，形成静压油膜，使导轨工作面间处于纯液态摩擦状态，摩擦系数极低。气体静压导轨。在两导轨工作面间通入具有恒定压力的气体，使两导轨面形成均匀分离，以得到高精度的运动。贴塑导轨。在动导轨的摩擦表面上贴上一层
20、由塑料等其他化学材料组成的塑料薄膜软带。2.5 数控机床用导轨（2）滚动导轨。滚动导轨的最大优点是摩擦系数小，一般为0.00250.005近年来数控机床愈来愈多地采用由专业厂家生产的直线滚动导轨副或滚动导轨块。这种导轨组件本身制造精度很高，对机床的安装基面要求不高，安装、调整都非常方便。2.5 数控机床用导轨 如图2-16所示为一种滚动导轨块组件，其特点是刚度高、承载能力大、导轨行程不受限制。当运动部件移动时，滚珠3在支承部件的导轨与本体6之间滚动，同时绕本体6循环滚动。每一导轨上使用导轨块的数量可根据导轨的长度和负载的大小确定。1-防护板；2-端盖；3-滚珠；4-导向片；5-保护架；6-本体
21、图2-16 滚动导轨块组件2.6 自动换刀装置 一、自动换刀装置的形式1.回转刀架换刀数控车床上使用的回转刀架是一种最简单的自动换刀装置，根据不同加工对象，可以设计成四方刀架和六角刀架等多种形式。数控车床回转刀架动作的要求是刀架抬起、刀架转位、刀架定位和刀架夹紧。2.6 自动换刀装置 如图2-17所示为数控车床六角回转刀架，它适用于盘类零件的加工。1活塞 2刀架体 3、7齿轮 4齿圈 5空套齿轮 6活塞 8齿条 9固定插销 10活动插销 11推杆 12触头 图2-17 数控车床六角回转刀架2.6 自动换刀装置 回转刀架的全部动作由液压系统通过电磁换向阀和顺序阀进行控制，它的动作分为4个步骤：(
22、1)刀架抬起。当数控装置发出换刀指令后，压力油由a孔进入压紧液压缸的下腔，活塞1上升，刀架体2抬起，使定位用的活动插销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)刀架转位。当刀架抬起后，压力油从c孔进入转位液压缸左腔，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。活塞的行程应等于齿轮5分度圆周长的1/6，并由限位开关控制。2.6 自动换刀装置(3)刀架压紧。刀架转位之后，压力油从b孔进入压紧液压缸上腔，活塞1带动刀架体2下降。齿轮3的底盘上精确地安装有6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
23、之间的间隙，实现反向定位。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，同时齿轮3与齿圈4的锥面接触，刀架在新的位置定位并夹紧。这时，端齿离合器与空套齿轮5脱开。(4)转位液压缸复位。刀架压紧之后，压力油从d孔进入转位液压缸的右腔，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3在轴上空转。如果定位和夹紧动作正常，推杆11与相应的触头12接触，发出信号表示换刀过程已经结束，可以继续进行切削加工。2.6 自动换刀装置 2.转塔头式换刀装置一般数控机床常采用转塔头式换刀装置，如数控车床的转塔刀架，数控钻镗床的多轴转塔头等。在转塔的各个主轴头上，预先安装有各工序所需要的旋转刀具
24、，当发出换刀指令时，各种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，而其他处于不同加工位置的主轴都与主运动脱开。2.6 自动换刀装置 如图2-18所示为卧式八轴转塔头。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。当数控装置发出换刀指令时，通过液压拨叉（图中未示出）将移动齿轮6与齿轮15脱离啮合，同时在中心液压缸13的上腔通压力油。由于活塞杆和活塞口固定在底座上，因此中心液压缸13带着由两个推力轴承9和11支承的转塔刀架10抬起，鼠齿盘7和8脱离啮合。然后压力油进入转位液压缸，推动活塞齿条，再经过中间齿轮使大齿轮5与转塔刀架10一起回转45，将下
25、一工序的主轴转到工作位置。转位结束后，压力油进入中心液压缸13的下腔使转塔头下降，鼠齿盘7和8重新啮合，实现了精确的定位。在压力油的作用下，转塔头被压紧，转位液压缸退回原位。最后通过液压拨叉拨动移动齿轮6，使它与新换上的主轴齿轮15啮合。2.6 自动换刀装置 1-主轴；2-端盖；3-螺母；4-套筒；5、6、15-齿轮；7、8-鼠齿盘；9、11-推力轴承；10-转塔刀架；12-活塞 13-中心液压缸；14-操纵杆；16-顶杆；17-螺钉；18-轴承 图2-18 卧式八轴转塔头2.6 自动换刀装置 为了改善主轴结构的装配工艺性，整个主轴部件装在套筒4内，只要卸去螺钉17，就可以将整个部件抽出。主轴
26、前轴承18采用锥孔双列圆柱滚子轴承，调整时先卸下端盖2，然后拧动螺母3，使内环做轴向移动，以便消除轴承的径向间隙。为了便于卸出主轴锥孔内的刀具，每根主轴都有操纵杆14，只要按压操纵杆，就能通过斜面推动顶出刀具。2.6 自动换刀装置 3.车削中心用动力刀架如图2-19(a)所示为意大利Baruffaldi公司生产的适用于全功能数控车床及车削中心的动力转塔刀架。如图2-19(b)所示为该转塔刀架的传动示意图。图2-19 动力转塔刀架2.6 自动换刀装置 二、带刀库的自动换刀系统自动换刀数控机床多采用刀库式自动换刀装置。带刀库的自动换刀系统由刀库和刀具交换机构组成，它是多工序数控机床上应用最广泛的换
27、刀方法。整个换刀过程较为复杂，首先把加工过程中需要使用的全部刀具分别安装在标准的刀柄上，在进行尺寸预调整之后，按一定的方式放入刀库，换刀时先在刀库中进行选刀，并由刀具交换装置从刀库和主轴上取出刀具。在进行刀具交换之后，将新刀具装入主轴，把旧刀具放入刀库。常见的刀库形式有3种，即盘形刀库，链式刀库，格子箱刀库等。2.6 自动换刀装置 1.直接在刀库与主轴（或刀架）之间换刀的自动换刀装置这种换刀装置只具备一个刀库，刀库中储存着加工过程中需使用的各种刀具，利用机床本身与刀库的运动实现换刀过程。如图2-20所示为自动换刀数控立式车床示意图。1-工作台；2-工件；3-立柱 4-横梁；5-刀架滑座6-刀架
28、滑枕；7-刀库 图2-20 自动换刀数控立式车床示意图2.6 自动换刀装置 机床自动换刀的过程如下：(1)刀架快速右移，使其上的装刀孔轴线与刀库上空刀座的轴线重合，然后刀架滑枕向下移动，把用过的刀具插入空刀座。(2)刀库下降，将用过的刀具从刀架中拔出。(3)刀库回转，将下一工步所需使用的新刀具轴线对准刀架上装刀孔轴线。(4)刀库上升，将新刀具插入刀架装刀孔，接着由刀架中自动夹紧装置将其夹紧在刀架上。(5)刀架带着换上的新刀具离开刀库，快速移向加工位置。2.6 自动换刀装置 2.用机械手在刀库与主轴之间换刀的自动换刀装置这是目前应用最普遍的一种自动换刀装置，其布局结构多种多样，JCS-013型自
29、动换刀数控卧式镗铣床所用换刀装置即为一例。换刀过程可用图2-21中(a)(l)的分图所示实例加以说明。2.6 自动换刀装置 2.6 自动换刀装置 图2-21 JCS-013型自动换刀机床的自动换刀过程 2.6 自动换刀装置(1)开始换刀前状态：主轴正在用T05号刀具进行加工，装刀机械手已抓住下一工步需用的T09号刀具，机械手架处于最高位置，为换刀做好准备。(2)上一工步结束，机床立柱后退，主轴箱上升，使主轴处于换刀位置。接着下一工步开始，其第一个指令是换刀，机械手架回转180，转向主轴。(3)卸刀机械手前伸，抓住主轴上已用过的T05号刀具。(4)机械手架由滑座带动，沿刀具轴线前移，将T05号刀
30、具从主轴上拔出。(5)卸刀机械手缩回原位。(6)装刀机械手前伸，使T09号刀具对准主轴。2.6 自动换刀装置(7)机械手架后移，将T09号刀具插入主轴。(8)装刀机械手缩回原位。(9)机械手架回转180，使装刀、卸刀机械手转向刀库。(10)机械手架由横梁带动下降，找第二排刀套链，卸刀机械手将T05号刀具插回T05号刀套中。(11)刀套链转动，把在下一个工步需用的T46号刀具送到换刀位置；机械手架下降，找第三排刀链，由装刀机械手将T46号刀具取出。(12)刀套链反转，把T09号刀套送到换刀位置，同时机械手架上升至最高位置，为下面工步的换刀做好准备。2.6 自动换刀装置 3.用机械手和转塔头配合刀
31、库进行换刀的自动换刀装置这种自动换刀装置实际是转塔头式换刀装置和刀库换刀装置的结合，其工作原理如图2-22所示。转塔头5上有两个刀具主轴3和4.当用一个刀具主轴上的刀具进行加工时，可由机械手2将下一工步需用的刀具换至不工作的主轴上，待上一工步加工完毕后，转塔头回转180，即完成换刀工作。2.6 自动换刀装置 1-刀库；2-换刀机械手；3、4-刀具主轴；5-转塔头；6-工件；7-工作台图2-22 机械手和转塔头配合刀库换刀的自动换刀过程2.6 自动换刀装置 三、刀具交换装置数控机床的自动换刀装置中，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。刀具的交换方式通常分为由刀库与机床主轴
32、的相对运动实现刀具交换和采用机械手交换刀具两类。2.6 自动换刀装置 1.利用刀库与机床主轴的相对运动实现刀具交换的装置此装置在换刀时必须首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，如图2-23所示的数控立式镗铣床就是采用这类刀具交换方式的实例。1-工件；2-刀具；3-主轴 4-主轴箱；5-刀库 图2-23 数控立式镗铣床2.6 自动换刀装置 2.刀库-机械手的刀具交换装置采用机械手进行刀具交换应用最为广泛，在各种类型的机械手中，双臂机械手集中地体现了以上的优点。双臂机械手中最常用机构如图2-24所示，它们分别是钩手（图2-24(a)）、抱手（图2-24(b)
33、）、伸缩手（图2-24(c)）和叉手（图2-24(d)）。2.6 自动换刀装置 图2-24 双臂机械手常用机构2.6 自动换刀装置 如图2-25所示是双刀库机械手换刀装置图2-25 双刀库机械手换刀装置2.6 自动换刀装置 根据各类机床的需要，自动换刀数控机床所使用的刀具的刀柄有圆柱形和圆锥形两种。为了使机械手能可靠地抓取刀具，刀柄必须有合理的夹持部分，而且应当尽可能使刀柄标准化。如图2-26所示是常用的两种刀柄结构。V形槽夹持结构（图2-26(a)）适用于图2-24的各种机械手法兰盘夹持结构（图2-26(b)）适用于钳式机械手装夹图2-26 刀柄结构2.6 自动换刀装置 四、机械手机械手的形
34、式常见的有如图2-27所示的几种形式。图2-27 各种形式的机械手 2.6 自动换刀装置 1.单臂单爪回转式机械手这种机械手的手臂可以回转不同的角度，进行自动换刀，手臂上只有一个卡爪，不论在刀库上或是在主轴上，均靠这一个卡爪来装刀及卸刀，因此换刀时间较长，见图2-27a。2.单臂双爪回转式机械手这种机械手的手臂上有两个卡爪，两个卡爪有所分工，一个卡爪只执行从主轴上取下“旧刀”送回刀库的任务。另一个卡爪则执行由刀库取出“新刀”送到主轴的任务，其换刀时间较上述单爪回转式机械手要少，见图2-27b。2.6 自动换刀装置 3.双臂回转式机械手这种机械手的两臂各有一个卡爪，两个卡爪可同时抓取刀库及主轴上
35、的刀具，回转180o后又同时将刀具放回刀库及装入主轴。换刀时间较以上两种单臂机械手均短，是最常用的一种形式。图2-27c右边的一种机械手在抓取或将刀具送入刀库及主轴时，两臂可伸缩。4.双机械手这种机械手相当于两个单臂单爪机械手，互相配合起来进行自动换刀。其中一个机械手从主轴上取下“旧刀”送回刀库，另一个机械手由刀库取出“新刀”装入机床主轴，见图2-27d。2.6 自动换刀装置 5.双臂往复交叉式机械手这种机械手的两手臂可以往复运动，并交叉成一定角度。一个手臂从主轴上取下“旧刀”送回刀库，另一个手臂由刀库取出“新刀”装入机床主轴。整个机械手可沿某导轨直线移动或绕某个转轴回转，以实现刀库与主轴间的
36、运刀工作，见图2-27e。6.双臂端面夹紧式机械手这种机械手只是在夹紧部位上与前几种不同。前几种机械手均靠夹紧刀柄的外圆表面以抓取刀具，这种机械手则夹紧刀柄的两个端面，见图2-27f。2.7 数控回转工作台与分度工作台 一、数控回转工作台 数控回转工作台的功用有两个：一是使工作台进行圆周进给运动，二是工作台进行分度运动。用于开环系统中的数控回转工作台是由传动系统、间隙消除装置及蜗轮夹紧装置等组成。当接到控制系统的回转指令后，首先要把蜗轮松开，然后开动电液脉冲马达，按照指令脉冲来确定工作台回转的方向、速度、角度大小以及回转过程中速度的变化等参数。当工作台回转完毕后，再把蜗轮夹紧。2.7 数控回转
37、工作台与分度工作台 1-电液脉冲马达 2-偏心环 3-主动齿轮 4-从动齿轮 5-销钉 6-锁紧瓦 7-套筒 8-螺钉 9-丝杠 10-蜗杆 11-蜗轮 12、13-夹紧瓦 14-液压缸 15-活塞 16-弹簧 17-钢球 18-底座 19-光栅 20、21-轴承 JCS-013型自动换刀数控卧式镗铣床的数控回转工作台2.7 数控回转工作台与分度工作台 数控回转工作台由电液脉冲马达1驱动，在它的轴上装有主动齿轮3（z1=22）,它与从动齿轮4（z2=66）相啮合，齿的侧隙靠调整偏心环2来消除。从动齿轮4与蜗杆10用楔形的拉紧销钉5来连接，这种连接方式能消除轴与套的配合间隙。蜗杆10系双螺距式，
38、即相邻齿的厚度是不同。因此，可用轴向移动蜗杆的方法来消除蜗杆10和蜗轮11的齿侧间隙。调整时，先松开壳体螺母套筒7上的锁紧螺钉8，使锁紧瓦6把丝杠9放松，然后转动丝杠9，它便和蜗杆10同时在壳体螺母套筒7中作轴向移动，消除齿向间隙。调整完毕后，再拧紧锁紧螺钉8，把锁紧瓦6压紧在丝杠9上，使其不能再作转动。2.7 数控回转工作台与分度工作台 蜗杆10的两端装有双列滚针轴承作径向支承，右端装有两只止推轴承承受轴向力，左端可以自由伸缩，保证运转平稳。蜗轮11下部的内、外两面均装有加紧瓦12和13。当蜗轮11不回转时，回转工作台的底座18内均布有八个液压缸14，其上腔进压力油时，活塞15下行，通过钢球
39、17，撑开加紧瓦12和13，把蜗轮11夹紧。当回转工作台需要回转时，控制系统发出指令，使液压缸上腔油液流回油箱。由于弹簧16恢复力的作用，把钢球17抬起，加紧瓦12和13就不夹紧蜗轮11，然后由电液脉冲马达1通过传动装置，使蜗轮11和回转工作台一起按照控制指令作回转运动。回转工作台的导轨面由大型滚柱轴承支承，并由圆锥滚子轴承21和双列圆柱滚子轴承20保持准确的回转中心。2.7 数控回转工作台与分度工作台 数控回转工作台设有零点，当它作返零控制时，先用挡块碰撞限位开关（图中未示出），使工作台由快速变为慢速回转，然后在无触点开关的作用下，使工作台准确的停在零位。数控回转工作台可作任意角度的回转或分
40、度，由光栅19进行读数控制。光栅19沿其圆周上有21600条刻线，通过6倍频线路，刻度的分辨能力为10s。2.7 数控回转工作台与分度工作台 二、分度工作台1.定位销式分度工作台这种工作台的定位分度主要靠定位销和定位孔来实现。定位销之间的分布角度为45o，因此工作台只能作二、四、八等分的分度运动。图2-29为THK6380型自动换刀数控卧式铣镗床的分度工作台结构。2.7 数控回转工作台与分度工作台 图2-29 定位销式分度工作台 2.7 数控回转工作台与分度工作台 2.齿盘式分度工作台 图2-30为Z65258型转塔式坐标卧式钻床的齿盘分度工作台的液压系统图，图2-31为分度工作台的结构图。图
41、2-30 分度工作台的液压系统 2.7 数控回转工作台与分度工作台 1-分度工作台 2、4、15、18-管道 3、17-活塞 5、10-轴承 6、7-齿盘 8、9、22、23-推杆 11-内齿轮 12-外齿轮 13-下腔 14-上腔 16-左腔 19-右腔 20-挡铁 21-挡块 图2-31 齿盘式分度工作台 2.7 数控回转工作台与分度工作台 齿盘式分度工作台主要由工作台、底座、压紧液压缸、分度液压缸和一对齿盘等零件组成。齿盘式分度工作台分度运动时，其工作过程分为四个步骤：（1）分度工作台上升，齿盘脱离啮合。（2）工作台回转分度。（3）分度工作台下降，并定位压紧。（4）分度齿条活塞退回。2.
42、8 高速动力卡盘与其它辅助装置 一、高速动力卡盘高速动力卡盘一般只用于数控机床。随着卡盘的转速提高，由卡爪、滑座和紧固螺钉组成的卡爪组件离心力急剧增大，卡爪对零件的夹紧力下降。增大动态夹紧力有如下几种途径：（1）加大静态夹紧力，但这会消耗更多的能源和因夹紧力过大造成零件变形。（2）减轻卡爪组件质量，以减小离心力，为此常采用斜齿条式结构。（3）增加离心力补偿装置，利用补偿装置的离心力抵消卡爪组件离心力造成的夹紧损失。2.8 高速动力卡盘与其它辅助装置 二、尾座车床尾座一般是在加工时对工件起辅助支撑作用，它由尾座体和尾座套筒两部分组成。尾座体可在床身上移动和固定。尾座套筒前端安装顶针，套筒可以自动
43、伸出和缩回，实现顶尖对工件的支撑作用。如图2-32所示为数控车床的尾座结构图。图2-32 数控车床的尾座结构图2.8 高速动力卡盘与其它辅助装置 三、分度头分度头是将工件夹持在卡盘或两顶尖间，并使其旋转、分度和定位的机床附件。它的作用是按照控制装置的信号或指令做回转分度或连续回转进给运动，以使数控机床能完成指定的加工工序。按其传动、分度形式可分为蜗杆副分度头、度盘分度头、孔盘分度头、槽盘分度头、端齿盘分度头和其他分度头(包括电感分度头和光栅分度头)。按其功能可分为万能分度头、半万能分度头、等分分度头。按其结构形式可分为立卧分度头、可倾分度头、悬梁分度头。分度头作为通用型机床附件其结构主要由夹持
44、部分、分度定位部分和传动部分组成。2.8 高速动力卡盘与其它辅助装置 四、排屑装置1排屑装置在数控机床上的作用 排屑装置的主要工作是将切屑从加工区域排出数控机床之外。在数控车床和磨床上的切屑中往往混合着切削液，排屑装置从其中分离出切屑，并将它们送入切屑收集箱（车）内，而切削液则被回收到冷却液箱。数控铣床、加工中心和数控镗铣床的工件安装在工作台上，切屑不能直接落入排屑装置，故往往需要采用大流量冷却液冲刷，或压缩空气吹扫等方法使切屑进入排屑槽，然后再回收切削液并排出切屑。2.8 高速动力卡盘与其它辅助装置 2典型排屑装置排屑装置的种类繁多，图2-33所示为其中的几种。2.8 高速动力卡盘与其它辅助
45、装置 图2-33 排屑装置 2.8 高速动力卡盘与其它辅助装置（1）平板链式排屑装置（图2-33a）。该装置以滚动链轮牵引钢质平板链带在封闭箱中运转，加工中的切屑落到链带上被带出机床。（2）刮板式排屑装置（图2-33b）。该装置的传动原理与平板链式基本相同（3）螺旋式排屑装置（图2-33c）。该装置是利用电机经减速装置驱动安装在沟槽中的一根长螺旋杆进行工作的。螺旋杆转动时，沟槽中的切屑即由螺旋杆推动连续向前运动，最终排入切屑收集箱。螺旋杆有两种结构型式，一种是用扁型钢条卷成螺旋弹簧状；另一种是在轴上焊有螺旋形钢板。2.9 金属切削数控机床 一、数控车床1.数控车床的分类数控车床品种繁多，规格不
46、一，可按如下方法进行分类。（1）按车床主轴位置分类。立式数控车床。卧式数控车床。（2）按加工零件的基本类型分类。卡盘式数控车床。顶尖式数控车床。2.9 金属切削数控机床（3）按刀架数量分类。单刀架数控车床。双刀架数控车床。（4）按功能分类。经济型数控车床。普通型数控车床 车削加工中心。（5）其他分类方法。按数控系统的不同控制方式，数控车床可以分很多种类，如直线控制数控车床、两主轴控制数控车床等;按特殊或专门工艺性能可分为螺纹数控车床、活塞数控车床、曲轴数控车床等。2.9 金属切削数控机床2.数控车床的结构特点与普通车床相比，数控车床的结构有以下特点：（1）传动链短。（2）数控车床的另一个结构特
47、点是刚度大。（3）刀架移动一般采用滚珠丝杠副。（4）数控车床的润滑都比较充分，大部分采用油雾自动润滑。（5）数控机床的价格较高、控制系统的寿命较长，所以数控车床的滑动导轨也要求耐磨性好。（6）数控车床还具有加工冷却充分、防护较严密等特点，自动运转时一般都处于全封闭或半封闭状态。（7）数控车床一般还配有自动排屑装置。2.9 金属切削数控机床 3.数控车床的组成及布局（1）数控车床的组成。如图2-34所示是一种全功能型数控车床，一般由主机、数控装置、伺服驱动系统和辅助装置组成。图2-34 数控车床的整体结构2.9 金属切削数控机床（2）数控车床的布局。床身和导轨的布局。图2-35 数控车床的布局形
48、式 2.9 金属切削数控机床 刀架的布局。刀架分为排式刀架和回转式刀架两大类。目前两坐标联动数控车床多采用回转刀架，它在机床上的布局有两种形式，一种是用于加工盘类零件的回转刀架，其回转轴垂直于主轴；另一种是用于加工轴类和盘类零件的回转刀架，其回转轴平行于主轴。四坐标控制的数控车床，床身上安装有两个独立的滑板和回转刀架，也称为双刀架四坐标数控车床。2.9 金属切削数控机床4.数控车床的典型结构（1）主传动系统。图2-36所示为MJ-50型数控车床的传动系统图。图2-36 MJ-50型数控车床的传动系统2.9 金属切削数控机床二、数控铣床1.数控铣床的分类(1)数控铣床按构造分类。工作台升降式数控
49、铣床。主轴头升降式数控铣床。龙门式数控铣床。2.9 金属切削数控机床（2）数控铣床也可以按通用铣床的分类方法分类。立式数控铣床。卧式数控铣床。立卧两用数控铣床。2.9 金属切削数控机床2.数控铣床的结构特点数控铣床在结构上主要有下列几个特点：（1）控制机床运动的坐标特征。数控铣床要控制的坐标数起码是3坐标中任意两坐标联动，要实现连续加工直线变斜角工件，起码要实现四坐标联动，而若要加工曲线变斜角工件，则要求实现5坐标联动。（2）数控铣床的主轴特征。在数控铣床的主轴套筒内一般都设有自动拉、退刀装置，能在数秒种内完成装刀与卸刀，使换刀显得较方便。此外，多坐标数控铣床的主轴可以绕X、Y或Z轴作数控摆动
50、，也有的数控铣床带有万能主轴头，扩大了主轴自身的运动范围，但主轴结构更加复杂。2.9 金属切削数控机床3.数控铣床的主要功能不同档次的数控铣床的功能有较大的差别，但都应具备以下主要功能。（1）铣削加工。（2）孔及螺纹加工。（3）刀具补偿功能。（4）公制、英制单位转换。（5）绝对坐标和增量坐标编程。2.9 金属切削数控机床(6)进给速度、主轴转速调整。(7)固定循环。(8)工件坐标系设定。(9)数据输入输出及DNC功能。(10)子程序。(11)数据采集功能。(12)自诊断功能。2.9 金属切削数控机床三、加工中心加工中心是目前世界上产量最高、应用最广泛的数控机床之一。加工中心把铣削、镗削、钻削、
