第二章-机械结构课件

第第二二章章数控机床的机械数控机床的机械结构结构第二章1第二章第二章 数控机床机械结构数控机床机械结构v对数控机床机械结构的要求v数控机床的主传动及主轴部件v数控机床的进给运动及传动机构v自动换刀装置v其它辅助装置第二章数控机床机械结构对数控机床机械结构的要求2第一节第一节 对数控机床机械结构的要求对数控机床机械结构的要求v提高机床的动、静刚度v减少机床的热变形v减少运动副的摩擦，提高传动精度v提高机床的寿命和精度保持性v自动化的机构，宜人的操作性v安全防护和宜人的造型第一节对数控机床机械结构的要求提高机床的动、静刚度3第一节第一节 对数控机床机械结构的要求对数控机床机械结构的要求一一.提高机床的静、动刚度提高机床的静、动刚度v合理选择支承件的结构形式v合理的结构布局v采用补偿变形的措施v合理选用构件的材料第一节对数控机床机械结构的要求一.提高机床的静、动刚度4第一节第一节 对数控机床机械结构的要求对数控机床机械结构的要求二二.减少机床热变形的措施减少机床热变形的措施v减少机内发热v改善散热和隔热条件v合理设计机床的结构与布局v进行热变形补偿第一节对数控机床机械结构的要求二.减少机床热变形的措施5第一节第一节 对数控机床机械结构的要求对数控机床机械结构的要求三三.减少运动副的摩擦减少运动副的摩擦v采用滚动导轨或静压导轨v采用贴塑滑动导轨v用滚珠丝杠代替滑动丝杠v采用无间隙滚珠丝杠传动和无间隙齿轮传动以提高传动精度第一节对数控机床机械结构的要求三.减少运动副的摩擦6第二节第二节 数控机床的主传动系统数控机床的主传动系统v数控机床的主传动系统概述数控机床的主传动系统概述主运动系统是指驱动主轴运动的系统，主轴是数控机床上带动刀具和工件旋转，产生切削运动的运动轴，它往往是数控机床上单轴功率消耗最大的运动轴。v主传动系统的作用主传动系统的作用：传递动力，传递切削加工所需要的动力传递运动，传递切削加工所需要的运动；运动控制，控制主运动运行速度的大小、方向和起停。与进给伺服系统相比，它具有转速高、传递的功率大等特点，是数控机床的关键部件之一，对它的运动精度、刚度、噪声、温升、热变形都有较高的要求。第二节数控机床的主传动系统数控机床的主传动系统概述7数控机床对主运动系统的要求数控机床对主运动系统的要求v动力功率高力功率高由于对高效率的要求日益增长，加之刀具材料和技术的进步，大多数NC机床均要求有足够高的功率来满足高速强力切削。一般NC机床的主轴驱动功率在3.7kW250kW之间v调速范速范围宽除了功率方面的要求外，还应使主轴转速具有足够大的调整范围。调速范围是指最高转速与最低转速之比，即Rn=nmax/nminv控制功能多样化控制功能多样化v性能要求高性能要求高数控机床对主运动系统的要求动力功率高8主传动功率主传动功率v机床主传动的功率N可根据切削功率Nc与主运动传动链的总效率由下式来确定 N=Nc/v数控机床的加工范围一般都比较大，切削功率可以根据有代表性的加工情况，由其主切削力Pz按下式来确定主传动功率机床主传动的功率N可根据切削功率Nc与主运动传动链9调速范围宽调速范围宽v在主运动系统中调速范围有恒扭矩、恒功率调速范围之分，如图所示，在基本转速(额定转速nc)以下是恒转速调速范围，通过调整电枢电压来实现，在nc以上是恒功率调速，通过调磁调速。而且现在恒功率调速范围尽可能大，以便在尽可能低的速度下，利用其全功率(在低速时往往由于电流的限制，只能进行恒扭矩调速。因为加工一些难加工材料所需求的转速范围相差很大，例如，钛需要低速加工，而铝合金材料却需要高速加工，而采用齿轮变速箱扩大变速范围的方法已不能满足要求。调速范围宽在主运动系统中调速范围有恒扭矩、恒功率调速范围之分10调速范围宽调速范围宽v主运动为旋转运动的机床，主轴转速n(r/min)由切削速度v(m/min)和工件或刀具的直径d(mm)来确定v对于数控机床，为了适应切削速度和工件（或刀具）直径的变化，主轴的最低和最高转速可根据下式确定调速范围宽主运动为旋转运动的机床，主轴转速n(r/min)由11数控机床的主传动变速方式数控机床的主传动变速方式v无级变速v分段无级变速v内置电动机主轴变速（电主轴）v有级变速（机械变速）数控机床的主传动变速方式12现代数控机床均采用交流主轴电机及交流变频驱动装置，下图为主轴输出特性曲线现代数控机床均采用交流主轴电机及交流变频驱动装置，下图为主轴13第二章-机械结构课件14控制功能多样化控制功能多样化由于由于NC机床的种机床的种类繁多，不同的机床繁多，不同的机床对主主轴功能有不同的要功能有不同的要求求。vNC车床车螺纹时要求有同步控制功能；v加工中心为了能进行自动换刀需要主轴准停功能；vNC车床和NC磨床在进行端面加工时，为了保证端面加工的粗糙度要求，要求接触点处的线速度为恒值，需要恒线速切削功能；v还有些NC机床有C轴控制功能控制功能多样化由于NC机床的种类繁多，不同的机床对主轴功能有15性能要求高性能要求高对主主轴电机的性能要求如下：机的性能要求如下：v电机抗过载能力强，要求有较长时间(130min)和较大倍数的抗过载能力；v在断续负载下，电机转速波动要小；v速度响应要快，升降速时间要短；v电机温升低，振动和噪音小；v可靠性高，寿命长，维护容易；v体积小，重量轻，与机床联接容易性能要求高对主轴电机的性能要求如下：16普通普通电机机机械机械变速系速系统主主轴部件配置方式部件配置方式该配置方式是一种传统的配置方式，它能够满足各种切削运动转矩输出的要求，但变速范围不大，由于是有级变速使切削速度的选择受到限制，而且该配置的结构较复杂，所以现在仅有少数经济型数控机床采用该配置，其他已很少采用。普通电机机械变速系统主轴部件配置方式该配置17变频器器交流交流电机机12级级机械机械变速速主主轴部件配置方式部件配置方式特点：特点：v变频电机经一对齿轮变速后，再通过二联滑移齿轮传动主轴，使主轴获得高速段和低速段转速。v优点是能够满足各种切削运动的转矩输出，且具有大范围的速度变化能力；v具有结构简单、安装调试方便，且在传动上能满足转速与转矩的输出要求；v调速范围及动力特性相对于交、直流主轴电机系统而言要差一些；v主要用于经济型或中低档数控机床上。变频器交流电机12级机械变速主轴部件配置方式特点：18第二章-机械结构课件19交、直交、直流流主主轴电机机 主主轴部件配置方式部件配置方式特点：特点：v电机经同步齿形带传动主轴v电机是性能更好的交、直流主轴电机，变速范围宽，最高转速可达8000r/minv在传动上能基本能满足目前大多数数控机床的要求，易于实现丰富的控制功能v结构简单、安装调试方便，可满足现在中高档数控机床的控制要求v对于越来越高的速度的需求，该配置方式已难以满足交、直流主轴电机主轴部件配置方式特点：20第二章-机械结构课件21电主主轴v这种电机由三个基本部分组成：空心轴转子、带绕组的定子、速度检测元件。空心轴转子，它既是电机的转子，也是主轴，中间是空心的，用于装夹刀具或工件；带绕组的定子，它和其他电机相似。这种电机构成了较简单的主运动部件。v它不仅可以使转速提高，若在其内应用较先进的轴承（如陶瓷轴承、磁悬浮轴承等）而且可使主轴部件结构紧凑、重量轻、惯量小，可提高启动、停止的响应特性，利于控制振动和噪声。转速高，目前最高可达200000r/min。它的出现大大简化了主运动系统结构，实现了所谓的“零传动”，因而使传动精度大大提高，由于它具有上述特点，在高速数控机床大量采用。v在目前也存在着一些缺点，主要是电机运转产生的振动和热量将直接影响到主轴，因此，主轴组件的整机平衡、温度控制和冷却是内装式主轴电机的关键问题。电主轴这种电机由三个基本部分组成：空心轴转子、带绕组的定子、22电主轴结构图电主轴结构图电主轴结构图23电主轴外观图电主轴外观图电主轴外观图24三位液压拨叉作用原理图三位液压拨叉作用原理图三位液压拨叉作用原理图25啮合式电磁离合器啮合式电磁离合器啮合式电磁离合器26加加工工中中心心典典型型主主轴轴部部件件加工中心典型主轴部件27数控机床的主轴部件数控机床的主轴部件v组成组成：主轴部件由主轴的支承、安装在主轴上的传动零件及装夹刀具或工件的附件组成。v主要作用主要作用：夹持工件或刀具实现切削运动；传递运动及切削加工所需要的动力。v机床对其主轴部件的主要要求有机床对其主轴部件的主要要求有：主轴的精度要高。精度包括运动精度(回转精度、轴向窜动)和安装刀具或夹持工件的夹具的定位精度(轴向、径向)。部件的结构刚度和抗振性。运转温升不能太高以及较好的热稳定性。部件的耐磨性和精度保持能力。对数控机床除上述要求外，在机械结构方面还应有：刀具的自动夹紧装置。主轴的准停装置。主轴孔的清理装置等数控机床的主轴部件28进给传动系统装置进给传动系统装置v概述概述进给系统机械传动结构是进给伺服系统的重要组成部分，它是实现成形加工运动所需的运动及动力的执行机构。它主要由传动机构、运动变换机构、导向机构、执行件组成。如下图所示。其中常用的传动机构有传动齿轮和同步带；运动变换机构有丝杠螺母副、蜗杆齿条副、齿轮齿条副等；导向机构有滑动导轨、滚动导轨、静压导轨、轴承等。v数控机床对进给运动的要求数控机床对进给运动的要求减少摩擦阻力提高传动精度和刚度消除传动间隙减小运动件的惯量进给传动系统装置概述29进给传动系统装置进给传动系统装置进给传动系统装置30进给传动系统装置进给传动系统装置v对进给传动系统装置的要求：由于机械传动结构的刚性、制造精度、摩擦阻尼特性等，对执行件运动特性和运动精度有重要影响，因此进给伺服系统对机械传动机构提出了较高的要求，主要有：摩擦力小，尤其是动静摩擦系数之差要小，故广泛采用如滚动摩擦等摩擦力较小的传动件及导轨；传动精度和刚度要高，要求消除传动间隙，并进行适当的预紧。以增加传动系统刚度；运动惯量要小，尽可能减小运动部件质量，以提高响应速度。进给传动系统装置对进给传动系统装置的要求：31进给传动系统装置进给传动系统装置v齿轮传动及齿轮消隙齿轮传动及齿轮消隙齿轮传动在伺服进给系统中的作用是：改变运动方向、降速、增大扭矩、适应不同丝杠螺距和不同脉冲当量的配比等。当在伺服电机和丝杠之间安装齿轮（直齿、斜齿、锥齿等）时，必然产生齿侧间隙，造成反向运动的死区，必须设法消除。目前消除齿侧间隙普遍采用双片齿轮结构，如下图（a），将一对齿轮中的大齿轮分成1、2两部分，并分别与螺钉3、8固定，再将弹簧4与3、8联接起来，这样齿轮的1、2两部分的齿轮自然错开，达到自动消除齿侧间隙的目的。图（b）为斜齿轮传动消隙结构。它是将一个斜齿轮分成两个薄片3、4，且在其中加一垫片2，改变垫片2的厚度，薄片3、4的螺旋线就会错位，分别与宽齿轮1的齿槽左、右侧面贴紧，消除了间隙。进给传动系统装置齿轮传动及齿轮消隙齿轮传动在伺服进给系统32第二章-机械结构课件33键联接消隙键联接消隙v当齿轮与轴联接时，键两侧的间隙也必须设法消除，其措施如下图。图（a）为双键消除间隙，用紧定螺钉顶紧。图（b）将其中一个键灌环氧树酯，但不易拆卸维修。键联接消隙当齿轮与轴联接时，键两侧的间隙也必须设法消除，其措34联轴节联轴节v由于伺服电机性能的提高，目前许多场合都采用伺服电机与丝杠直接相联，由于伺服系统对传动精度要求较高，因而对联轴节也提出了较高的要求，主要有无间隙、传动中弹性变形小、高速传动平稳、稳定可靠等。图是较典型的联轴节的结构形式。图（a）用锥销联接，为防止振松，用螺母加弹簧垫圈锁紧。图（b）将锥销放在侧边，故可承受较大的剪切力。图（c）为套筒中心线上互为90的两个锥销。套筒联接尺寸小、转动惯量小。图（d）为十字滑块联轴节，接头槽口需研配，适于负载较小的传动。图（e）是现在广泛采用的直接联接电机轴和丝杠的弹性无键联轴节。这种联轴节的工作原理是：联轴节的左半部装在电机轴上，当拧紧螺钉2时，件3和件6相互靠近，挤压内锥环4、外锥环5，使外锥环内径缩小，内锥环外径胀大，使件6与电机轴1形成无键联接。右半部也同样形成无键联接。左半部通过弹性钢片组8两个对角孔与螺栓10、球面垫圈7、9相联。图中表明球面垫圈9与右半部件16没有任何联接关系。同样，弹簧钢片组8的另两个对角孔，通过球面垫圈17、18、螺栓19与右半部的件16联接，垫圈18与件6也没有任何联接关系。这样依靠弹性钢片组对角联接（即弹性）传递扭矩，且与电机轴和丝杠都无键联接。联轴节由于伺服电机性能的提高，目前许多场合都采用伺服电机与35第二章-机械结构课件36滚珠丝杠螺母副滚珠丝杠螺母副v丝杠螺母副是运动变换机构，其功用是将旋转运动变换成直线运动。按丝杠与螺母的摩擦性质分类：滑动丝杠螺母副，主要用于旧机床的数控化改造、经济型数控机床等；滚珠丝杠螺母副，广泛用于中、高档数控机床；静压丝杠螺母副，主要用于高精度数控机床、重型机床。v工作原理丝杠（螺母）旋转，滚珠在封闭滚道内沿滚道滚动、迫使螺母（丝杠）轴向移动，从而实现将旋转运动变换成直线运动。滚珠丝杠螺母副丝杠螺母副是运动变换机构，其功用是将旋转运动变37滚珠丝杠螺母副滚珠丝杠螺母副v滚珠循环方式滚珠丝杠螺母副的滚珠循环方式常用的有两种：滚珠在循环过程中有时与丝杠脱离接触的称为外循环；始终与丝杠保持接触的称内循环。滚珠丝杠螺母副的每个循环称为一列，每个导程称为一圈。v外循环下图为常用的一种外循环方式，这种结构是在螺母体上轴向相隔2.5圈或3.5圈螺纹处钻两个孔与螺旋槽相切，作为滚珠的进口与出口。再用弧形铜管插入进口和出口内，形成滚珠返回通道，由弯管的端部来引导滚珠；这种弯管由两半合成，采用冲压件，工艺性好。外循环方式制造工艺简单、应用广泛，但螺母径向尺寸较大，因用弯管端部作挡珠器，故刚性差、易磨损，噪音较大。外循环的工作圈数是2.5圈或3.5圈，12列。滚珠丝杠螺母副滚珠循环方式滚珠丝杠螺母副的滚珠循环38第二章-机械结构课件39滚珠丝杠螺母副滚珠丝杠螺母副v内循环图为滚珠内循环方式，它采用圆柱凸键反向器实现滚珠循环，反向器的圆柱部分嵌入螺母内，端部开有反向槽2，反向槽靠圆柱外圆面及其上端的凸键1定位，以保持对准螺纹滚道方向。在一个螺母上沿螺纹周向错开120，轴向错开（t为导程），装三个反向器，形成三圈滚珠循环。内循环螺母结构紧凑，定位可靠，刚性好，不易磨损，反回滚道短，不易产生滚珠堵塞，摩擦损失小。缺点是结构复杂、制造较困难。内循环的工作圈数是3列。滚珠丝杠螺母副内循环图为滚珠内循环方式，它采用圆柱凸键40滚珠丝杠螺母副滚珠丝杠螺母副v滚珠丝杠螺母副的特点滚珠丝杠螺母副的特点1。传动效率高达85%98%，是普通滑动丝杠的24倍，2。摩擦阻力小:静摩擦阻力及动静摩擦阻力差值小，采用它是提高进给系统灵敏度、定位精度和防止爬行的有效措施之一；3。传动精度高，可消除传动间隙，实现无间隙传动；4。由于效率高，无自锁能力，故对于垂直使用的情况，应增加自锁装置。滚珠丝杠螺母副滚珠丝杠螺母副的特点41滚珠丝杠副的选用滚珠丝杠副的选用v选用要点应该根据机床的精度要求来选用滚珠丝杠副的精度，根据机床的载荷来选定丝杠的直径，并且要验算丝杠扭转刚度、压曲刚度、临界转速与工作寿命等。v精度等级的选择滚珠丝杠副的精度将直接影响数控机床各坐标轴的定位精度。普通精度的数控机床，一般可选用D级，精密级数控机床选用C级精度的滚珠丝杠副。丝杠精度中的导程误差对机床定位精度影响最明显。而丝杠在运转中由于温升引起的丝杠伸长，将直接影响机床的定位精度。通常需要计算出丝杠由于温升产生的伸长量，该伸长量称为丝杠的方向目标。用户在定购滚珠丝杠时，必须给出滚珠丝杠的方向目标值。滚珠丝杠副的选用选用要点应该根据机床的精度要求来选用滚42滚珠丝杠副的选用滚珠丝杠副的选用v结构尺寸的选择结构尺寸的选择滚珠丝杠副的结构尺寸主要有：丝杠的名义直径D0、螺距t、长度L、滚珠直径d0等，尤其是名义直径与刚度直接相关，直径大、承载能力和刚度越大，但直径大转动惯量也随之增加，使系统的灵敏度降低。所以，一般是在兼顾二者的情况下选取最佳直径。v有关资料推荐有关资料推荐：v名义直径D0对于小型加工中心采用32、40（mm），中型加工中心选用40、50(mm)，大型加工中心采用50、63(mm)的滚珠丝杠，但通常应大于L/30-L/35；v螺距t：t越小，螺旋升角小，摩擦力矩小，分辨率高，但传动效率低，承载能力低，应折中考虑；v丝杆长度L：一般为工作行程+螺母长度+（510）；滚珠直径d0越大，承载能力越高，尽量取大值。一般取d0=0.6t；v滚珠的工作圈数、列数和工作滚珠总数对丝杆工作特性影响较大；当前面三项确定后，后两项也确定了，一般不用用户考虑。滚珠丝杠副的选用结构尺寸的选择滚珠丝杠副的结构尺寸主要43滚珠丝杠副的选用滚珠丝杠副的选用v验算验算当有关结构参数选定后，还应根据有关规范进行扭转刚度、临界转速和寿命的验算校核：v刚度验算刚度验算丝杠属细长杆，受扭矩会引起扭转变形，从而“吃掉”若干输入的位置指令，致使执行间的输出不到位，这些被“吃掉”的输入称为失动量。刚度验算就是校验丝杠在额定轴向（扭转）载荷作用下，执行件的失动量。失动量的计算方法如下：滚珠丝杠副的选用验算当有关结构参数选定后，还应根据有关44滚珠丝杠副的选用滚珠丝杠副的选用v临界转速验算临界转速验算对于数控机床来说，滚珠丝杠的最高转速是指快速移动时的转速。因此，只要此时的转速不超过临界转速就可以了。应校核丝杠轴的转速与丝杠自身的自振频率是否接近，如果很接近，会导致强迫共振，影响机床正常工作。应根据有关计算公式进行的校核。v寿命验算寿命验算滚珠丝杠副的寿命，主要是指疲劳寿命。在工程计算中，采用额定疲劳寿命这一概念，它指一批尺寸、规格、精度相同的滚珠丝杠，在相同条件下回转时，其中90%不发生疲劳剥落的情况下运转的总转数。也可用总回转时间或总走行距离来表示。可根据有关经验公式校核，应保证总时间寿命Lt20000(h)。如果不能满足这一条件，而且轴向载荷已由工作要求所决定不能减小，则只有选取直径较大，即额定动载荷较大的丝杠，以保证Lt20000(h)。滚珠丝杠副的选用临界转速验算对于数控机床来说，滚珠丝45滚珠丝杠的支承结构滚珠丝杠的支承结构v滚珠丝杠的主要载荷是轴向载荷，径向载荷主要来自于卧式丝杠的自重。由于滚珠丝杠的轴向刚度对位移精度的影响很大，因此，如何从利用支撑结构来提高滚珠丝杆的轴向刚度是至关重要的。美国CINCINNATI10HC卧式加工中心的Z坐标（立柱水平方向移动）的滚珠丝杠支承采用一端固定，一端自由的结构形式如图5-19（a），固定端采用四个接触角为60的推力角接触球轴承，两个同向、面对面安装，加上预紧，轴向刚度和承载能力都很高。该固定端连同伺服电机都安装在支架2上。丝杠的另一端自由悬伸，滚珠丝杠螺母4固定在底座3上。可视为一种辅助支承。工作时，伺服电机12带动滚珠丝杠5旋转，并推动支架和重达5吨的立柱1（包括主轴箱和刀库）沿Z方向运动。滚珠丝杠的支承结构滚珠丝杠的主要载荷是轴向载荷，径向载荷46第二章-机械结构课件47第二章-机械结构课件48滚珠丝杠的制动滚珠丝杠的制动滚珠丝杠副的传动效率高但不能自锁，用在垂直传动或高速大惯量场合时需要制动装置。目前常见的有机械式和电气式两种。电气方式制动是采用电磁制动器，而且这种制动器就做在电机内部。图为FANUC公司伺服电机带制动器的示意图。机床工作时，在制动器线圈7电磁力的作用下，使齿轮8与内齿轮9脱开，弹簧受压缩，当停机或停电时，电磁铁失电，在弹簧恢复力作用下，齿轮8、9啮合，齿轮9与电机端盖为一体，故与电机轴联接的丝杠得到制动，这种电磁制动器装在电机壳内，与电机形成一体化的结构。滚珠丝杠的制动滚珠丝杠副的传动效率高但不49滚珠丝杠螺母副滚珠丝杠螺母副v滚珠丝杠螺母副的安装滚珠丝杠螺母副的安装一般要求滚珠丝杠螺母副在安装时首先应满足以下要求：滚珠丝杠螺母副相对工作台不能有轴向窜动；螺母座孔中心应与丝杠安装轴线同心；滚珠丝杠螺母副中心线应平行于相应的导轨;能方便地进行间隙调整、预紧和预拉伸。v预紧预紧滚珠丝杠螺母副的预紧是使两个螺母产生轴向位移（相离或靠近），以消除它们之间的间隙并施加预紧力，预紧目的是消除运动间隙,提高运动精度及传动刚度。滚珠丝杠螺母副滚珠丝杠螺母副的安装一般要求滚珠丝杠50滚珠丝杠副的轴向间隙的消除和预紧滚珠丝杠副的轴向间隙的消除和预紧v轴向间隙：轴向间隙：指丝杠和螺母无相对转动时，丝杠和螺母之间最大轴向窜动。除了结构本身的游隙之外，还包括在施加轴向载荷之后弹性变形所造成的窜动。v预紧消隙的方法：预紧消隙的方法：1修磨垫片厚度2用锁紧螺母消隙3齿差式调整滚珠丝杠副的轴向间隙的消除和预紧轴向间隙：指丝杠和螺母无相对51 双螺母消隙双螺母消隙特点：调整方便，不能精确调整双螺母消隙特点：调整方便，不能精确调52修磨垫片消隙修磨垫片消隙修磨垫片消隙53齿差式调整齿差式调整螺距P左螺母齿数Z1右螺母齿数Z2同向各转一个齿调整量为：=P（1/Z1-1/Z2）特点：能精确调整间隙齿差式调整螺距P左螺母齿数Z1右螺母齿数Z2同向54数控机床的导轨数控机床的导轨v对数控机床导轨的要求：对数控机床导轨的要求：摩擦系数小、运动平稳、噪声低、传动灵活、精度高v常用导轨类型：常用导轨类型：滚动导轨：滚动导轨块直线滚动导轨静压导轨：滑动导轨：贴塑导轨数控机床的导轨对数控机床导轨的要求：55数控机床的导轨数控机床的导轨v直线滚动导轨直线滚动导轨数控机床的导轨直线滚动导轨56数控机床的导轨数控机床的导轨v贴塑导轨：贴塑导轨：数控机床的导轨贴塑导轨：57数控机床的导轨数控机床的导轨v静压导轨静压导轨数控机床的导轨静压导轨58第四节第四节 刀具、刀库及自动换刀装置刀具、刀库及自动换刀装置v数控机床对刀具的要求v数控机床所用刀具的材料及其选择v数控机床用刀具类型v自动换刀系统的组成原理v刀库与刀具管理v刀具交换装置第四节刀具、刀库及自动换刀装置数控机床对刀具的要求59数控机床对刀具的要求数控机床对刀具的要求v适应高速切削要求。高速度、大进给是数控加工的特点，数控机床的刀具必须具有良好的切削性能。v高的可靠性v较高的尺寸耐用度。刀具在两次调整之间所能加工出合格零件的数量，称为刀具的尺寸耐用度。v高精度。为适应数控机床加工的高精度和自动换刀的要求，刀具及其装夹结构也必须有很高的精度，以保证它在机床上的安装精度和重复定位精度。v可靠的断屑及排屑措施v刀具的调整、更换方便、快速而且精确v符合标准化、模块化、通用化及复合化数控机床对刀具的要求适应高速切削要求。高速度、大进给是数控加60数控机床刀具材料的性能、种类数控机床刀具材料的性能、种类刀具材料的性能刀具材料的性能v较高的硬度和耐磨性。刀具切削部分的硬度必须高于工件材料的硬度，刀具材料的硬度越高耐磨性就越好。v足够的强度和韧性。以抵抗切削过程中的冲击和振动v较高的耐热性。是指刀具材料在高温下保持硬度、耐磨性和强度及韧性的性能，是衡量刀具材料切削性能的主要标志v较好的导热性刀具材料的种类刀具材料的种类v高速钢：通用型高速钢、高性能高速钢、粉末冶金高速钢v硬质合金：硬质合金的硬度和耐磨性都很高，其切削性能比高速钢高得多，刀具耐用度可提高几倍到几十倍；但抗弯强度和冲击韧性较差。v涂层刀具：涂层刀具是在韧性较好的硬质合金刀具基体上，涂覆一薄层耐磨性高的难熔金属化合物。v陶瓷刀具：陶瓷刀具材料是在陶瓷基体上重添加各种碳化物、氮化物、硼化物和氧、氮化物等并按一定生产工艺制成的。它具有很高的硬度、耐磨性、耐热性和化学稳定性等独特的优越性，在高速切削范围以及加工某些难加工材料，特别是加热切削法方面，包括涂层刀具在内的任何高速钢和硬质合金刀具都无法与之相比。数控机床刀具材料的性能、种类刀具材料的性能61数控车床所用刀具数控车床所用刀具数控车床所用刀具62数控车床所用刀具数控车床所用刀具数控车床所用刀具63数控镗铣床所用刀具数控镗铣床所用刀具数控镗铣床所用刀具64自动换刀装置自动换刀装置v概述概述 自动换刀系统应该满足换刀时间短，刀具重复定位精度高，刀具储存数量足够，结构紧凑，便于制造、维修、调整，应有防屑、防尘装置，布局应合理等要求。同时也应具有较好的刚性，冲击、振动及噪声小，运转安全可靠等特点。v组成：组成：自动换刀系统由刀库、选刀机构、刀具交换机构(如机械手)、刀具在主轴上的自动装卸机构等部分组成。自动换刀装置概述自动换刀系统应该满足换刀时65换刀方式：换刀方式：分为两大类由刀库和主轴的相对运动实现刀具交换。由刀库和主轴的相对运动实现刀具交换。用这种形式交换刀具时，主轴上用过的刀具送回刀库和从刀库中取出新刀，这两个动作不能同时进行，选刀和换刀由数控定位系统来完成，因此换刀时间长，换刀动作也较多。由机械手进行由机械手进行刀具交换。刀具交换。由于刀库及刀具交换方式的不同，换刀机械手也有多种形式。换刀方式：分为两大类由刀库和主轴的相对运动实现刀具交换。用66刀具必须装在标准的刀柄内，我国TSG刀具系统规定了刀柄标准，有直柄及724锥度的锥柄两类。分别用于圆柱形主轴孔及圆锥形主轴孔其结构如下图所示。图中3为刀柄定位及夹持部位，2为机械手抓取部位，1为键槽，用于传递切削扭矩，4为螺孔，用以安装可调节拉杆，供拉紧刀柄用。刀具的轴向尺寸和径向尺寸应先在调刀仪上调整好，才可装入刀库中。丝锥、铰刀要先装在浮动夹具内，再装入标准刀柄内。圆柱形刀柄在使用时需在轴向和径向夹紧，因而主轴结构复杂，圆柱柄安装精度高，但磨损后不能自动补偿。而锥柄稍有磨损也不会过分影响刀具的安装精度。在换刀过程中，由于机械手抓住刀柄要作快速回转，拔、插刀具的动作，还要保证刀柄键槽的角度位置对准主轴上的驱动键。因此，机械手的夹持部分要十分可靠，并保证有适当的夹紧力，其活动爪要有锁紧装置，以防止刀具在换刀过程中转动或脱落。刀具必须装在标准的刀柄内，我国TSG刀具系统规定了刀柄标准，67柄式夹持：柄式夹持：刀柄前端有V形槽，供机械手夹持用，目前我国数控机床较多采用这种夹持方式。如图所示为机械手手掌结构示意图。由固定爪7及活动爪1组成，活动爪1可绕轴2回转，其一端在弹簧柱塞6的作用下，支靠在挡销3上，调整螺栓5以保持手掌适当的夹紧力，锁紧销4使活动爪1牢固夹持刀柄，防止刀具在交换过程中松脱。锁紧销4要轴向压进，放松活动爪1，以便抓刀或松刀时手爪从刀柄V形槽中退出。柄式夹持：刀柄前端有V形槽，供机械手夹持用，目前我国数控机68法兰盘式夹持法兰盘式夹持法兰盘式夹持，也称径向夹持或碟式夹持，如图所示在刀柄的前端有供机械手夹持用的法兰盘，图中所示为采用带洼形肩面的法兰盘供机械手夹持用。图（a）上图为松开状态，下图为夹持状态。采用法兰盘式夹持的突出优点是：当采用中间搬运装置时，可以很方便地从一个机械手过渡到另一个辅助机械手上去，如图（b）所示。法兰盘式夹持方式、换刀动作较多，不如柄式夹持方式应用广泛。法兰盘式夹持法兰盘式夹持，也称径向夹持或碟式夹持，如图所示69以EV-810A立式加工中心为例，来说明自动换刀系统的工作原理。该自动换刀系统由盘式刀库和刀具交换装置组成。刀库安装在机床立柱的左侧，刀库容量为24把刀具，换刀机械手安装在刀库和主轴之间。机械手将刀具从刀库中取出送至机床主轴上，然后将用过的刀具送回刀库。其自动换刀动作过程简述如下：刀套下转90：如图所示，刀库位于立柱左侧，刀具轴线在刀库中的安装方向在换刀前与主轴垂直，刀库将待换刀具5送到换刀位置，刀套4连同刀具5向下翻转90，使刀具轴线与主轴轴线平行。机械手转75：下图所示K向视图为机械手的原始位置，换刀时机械手顺时针转75，两手爪分别抓住刀库上和主轴3上的刀柄。机械手拔刀：待主轴上自动夹紧机构松开刀具后，机械手下降，同时拔出主轴上和刀库上的刀具。刀具位置交换：机械手顺时针转180，使主轴刀具与刀库刀具交换位置。机械手插刀：机械手上升，分别将刀具插入主轴锥孔和刀库刀套中。机械手逆时针转75：待主轴上自动夹紧机构夹紧刀具后，机械手逆时针转75，回到原始位置。刀套上转90：刀套带着换回的旧刀具向上翻转90，准备下一次选刀。该机床使用回转式单臂双手机械手换刀。在自动换刀过程中，机械手要完成抓刀、拔刀、交换主轴上和刀库上的刀具、插刀和复位等动作，这些动作由气压系统来控制完成。这种自动换刀系统结构简单，换刀可靠，换刀动作也少，得到了广泛应用。以EV-810A立式加工中心为例，来说明自动换刀系统的工作原70刀套下转90机械手转75机械手拔刀刀具位置交换机械手逆时针转75刀套上转90主轴Z向定位、准停刀臂式换刀动作流程刀臂式换刀动作流程刀套下转90机械手转75机械手拔刀刀具位置交换机械手逆71刀库和刀具管理刀库和刀具管理刀库类型刀库类型：数控机床上普遍采用盘式刀库和链式刀库。密集型的鼓刀库或格子式刀库虽然占地面积小，但由于结构的限制，很少用于单机加工中心。密集型的固定刀库目前多用于FMS中的集中供刀系统。盘式刀库盘式刀库：盘式刀库一般用于刀具容量较少的刀库链式刀库：链式刀库：一般刀具数量在30120把时，多采用链式刀库刀库和刀具管理刀库类型：数控机床上普遍采用盘式刀库和链式72盘盘式式刀刀库库盘式刀库73链式刀库链式刀库链式刀库74自动换刀的选刀方式自动换刀的选刀方式v顺序选刀顺序选刀将刀具按预定工序的先后顺序插入刀库的刀座中，使用时按顺序转到取刀位置。用过的刀具放回原来的刀座内，也可以按加工顺序放入下一个刀座内。特点：特点：不需要刀具识别装置，驱动控制也较简单，工作可靠。但刀库中每一把刀具在不同的工序中不能重复使用，为了满足加工需要只有增加刀具的数量和刀库的容量，这就降低了刀具和刀库的利用率。此外，装刀时必须十分谨慎，如果刀具不按顺序装在刀库中，将会产生严重的后果。这种方式现在已很少采用。v刀具编码方式刀具编码方式：采用特殊的刀柄结构，对每把刀进行编码v刀座编码方式刀座编码方式：永久性编码、临时性编码（钥匙编码）方式v任意选刀任意选刀：软件选刀自动换刀的选刀方式顺序选刀75软件选刀方式软件选刀方式ATC（自动换刀）控制和刀号数据表（自动换刀）控制和刀号数据表软件选刀方式ATC（自动换刀）控制和刀号数据表76刀具识别与换刀刀具识别与换刀1。刀具在刀库中任意放置，刀具编号可任意设定2。刀具表中刀具号与刀套号的对应关系应始终与刀具在刀库中的实际位置对应3。计算机通过查刀具表识别刀具4。换刀时，通过软件修改刀具表，使相应刀具表中的刀号与交换后的刀号一致。刀具识别与换刀1。刀具在刀库中任意放置，刀具编号可任意77第二章-机械结构课件78刀具交换装置的形式刀具交换装置的形式v回转刀架换刀回转刀架换刀装置，常用于数控车床。可设计成四方、六方刀架或圆盘式轴向装刀刀架，并相应地安装四把、六把或更多的刀具。换刀流程如下：换刀流程如下：v更换主轴换刀v更换主轴箱换刀v更换刀库换刀v带刀库的自动换刀系统刀架抬起刀架转位刀架压紧转位油缸复位刀具交换装置的形式回转刀架换刀回转刀架79第二章-机械结构课件80更换主轴换刀更换主轴换刀特点：结构复杂，主轴刚性差，适应切削力不大的场合。更换主轴换刀特点：结构复杂，主轴刚性差，适81更更换换主主轴轴箱箱换换刀刀更换主轴箱换刀82更换刀库换刀更换刀库换刀更换刀库换刀83带刀库的自动换刀系统带刀库的自动换刀系统 这类换刀装置由刀库、选刀机构、刀具交换机构及刀具在主轴上的自动装卸机构等四部分组成，应用最广泛。刀库可装在机床的工作台上、立柱上或主轴箱上，也可作为一机床的工作台上、立柱上或主轴箱上，也可作为一个独立部件装在机床之外个独立部件装在机床之外。特点：特点：带刀库的自动换刀系统，整个换刀过程比较复杂。换刀时，根据选刀指令先在刀库上选刀，由刀具交换装置从刀库和主轴上取出刀具，进行刀具交换。这种换刀装置和转塔主轴头相比，由于机床主轴箱内只有一根主轴，在结构上可以增强主轴的刚性，有利于精密加工和重切削加工；可采用大容量的刀库，以实现复杂零件的多工序加工，从而提高了机床的适应性和加工效率。但换刀过程的动作较多，换刀时间较长。带刀库的自动换刀系统这类换刀装置由刀库、选84工作台快速向右移动刀库空刀座对准主轴主轴箱下降、主轴松刀主轴箱上升、刀库回转主轴箱下降，主轴插刀主轴箱上升机床工作台快速向左返回工件复位1。刀库装在工作台上刀库装在工作台上工作台快速向右移动刀库空刀座对准主轴主轴箱下降、主轴松刀主轴852。刀库装在立柱上。刀库装在立柱上 工件上某一工序加工完，主轴准停，主轴箱返回换刀点准备换刀，刀库上的“新刀”按预定指令转到换刀位置上。机械手由图(a)的原始位置逆时针回转90，到图（b）的位置，机械手的两卡爪同时抓住刀库中的“新刀”4与主轴中的“旧刀”3。机械手沿轴向同时将刀具从主轴与刀库中拔出，图（c）。机械手顺时针回转180,把新刀转到主轴处，旧刀转到刀库的换刀位置，图（d）。机械手沿轴向将刀具同时装入主轴及刀库中，图（e）。机械手顺时针回转90，恢复原始水平位置，图（f）。这种换刀装置换刀时间较短，刀库可储存较多的刀具，适用于加工较复杂的工件。2。刀库装在立柱上工件上某一工序加工完，主轴准停86第二章-机械结构课件873。刀库装在主轴箱上。刀库装在主轴箱上如图所示为刀库2装在主轴箱上方，刀库中刀具轴线与机床主轴轴线相差90，不能用一个机械手1直接换刀。需通过刀具回转机构3先将刀具翻转90，使其轴线与主轴轴线平行，再由机械手一端卡爪抓取回转机构上的刀具，另一端卡爪抓取主轴4上的刀具5，实现刀具的相互交换，从主轴上卸下的刀具只能由机械手送至刀具的回转机构中，然后反转90送回刀库。3。刀库装在主轴箱上如图所示为刀库2装在主轴箱上方，刀库中884。刀库独立装在。刀库独立装在机床之外机床之外 刀库的容量大、刀具较重或机床总体布局等原因，刀库也可作为一个独立部件，装在机床之外。如图所示，链式刀库置于机床左侧，通过机械手实现刀具的交换。4。刀库独立装在机床之外刀库的容量大、刀具较重或机89精品课件精品课件！精品课件！90精品课件精品课件！精品课件！91刀库远离机床刀库远离机床 这种换刀系统常常要附加运输装置，来完成刀库与主轴之间刀具的运输。机床左侧的链式刀库由四排刀链组成，双臂式交叉机械手要在四排刀链的任一排刀链上选择所需的刀具，所以机械手必需上下移动，并可停在四个换刀位置上取刀。为了能在刀库及主轴上装卸刀具，机械手回转架可回转180，装刀手与卸刀手还必沿本身导轨作直线往复运动，以装卸刀具。刀库远离机床这种换刀系统常常要附加运输装置92