数控机床的结构讲义课件(-)

第二章 数控机床的结构l学习目的与要求l第一节 数控机床的结构要求l第二节 数控机床主传动系统和及主轴部件l第三节 数控机床进给系统l第四节 数控机床回转工作台l第五节 数控加工使用的刀具及自动换刀系统l第六节 数控加工用辅助装置l小结2024/6/23第二章 数控机床的结构l学习目的与要求：本章主要学习和掌握数控机床的结构要求，数控机床主传动系统和及主轴部件，数控机床进给系统，数控机床回转工作台，数控加工使用的刀具及自动换刀系统和数控加工用辅助装置等知识和概念。2024/6/23第一节 数控机床的结构要求l一、模块化和机电一体化 l二、提高机床的静、动刚度 l三、减少热变形l四、减少运动件的摩擦和消除传动间隙l五、提高机床的寿命和精度保持性l六、减少辅助时间，改善操作性2024/6/23第一节 数控机床的结构要求l一、模块化和机电一体化l1.模块化设计可灵活配置数控机床以满足用户各种不同的功能要求。既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。l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。l2.机电一体化是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。l如数控机床的主轴系统已不再是单纯的齿轮和带轮的机械传动，而更多的是由交流伺服电动机为基础的电主轴。2024/6/23第一节 数控机床的结构要求l二、提高机床的静、动刚度l1.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。2024/6/23第一节 数控机床的结构要求l二、提高机床的静、动刚度l2.采用加强肋板结构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a111b1.241.171.38c1.341.218.86d1.641.3217.72024/6/23第一节 数控机床的结构要求l二、提高机床的静、动刚度l3.采用液力平衡或重块来减少构件的变形。2024/6/23第一节 数控机床的结构要求l二、提高机床的静、动刚度l4.增大刀架底座的尺寸提高刀架刚度。如减小a/b的数值。2024/6/23第一节 数控机床的结构要求l二、提高机床的静、动刚度l5.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。l6.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（小故事）来改善机床的动态特性。如钢板的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。l7.对旋转零部件进行动平衡，以减少强迫振动源；或者用弹性材料将振源隔离，以减少振源对机床的影响。2024/6/23第一节 数控机床的结构要求l三、减少机床的热变形l热变形对加工精度的影响 2024/6/23第一节 数控机床的结构要求l三、减少机床的热变形l1.减少发热l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。l改善润滑：对不能与主机分离的热源，如主轴轴承、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。l2.控制温升（小故事）l散热、冷却：在机床的发热部位进行强制冷却。l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。2024/6/23第一节 数控机床的结构要求l三、减少机床的热变形l3.改善机床结构l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。l使主轴的热变形方向与刀具的切入方向垂直：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。（下一页图2-5）l用预拉伸来减少丝杆的热变形：这种方法是在加工滚珠丝杆时，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。l采用热位移调节元件或热位移补偿脉冲。2024/6/23第一节 数控机床的结构要求l三、减少机床的热变形l3.改善机床结构2024/6/23第一节 数控机床的结构要求l三、减少机床的热变形l3.改善机床结构l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。l使主轴的热变形方向与刀具的切入方向垂直：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。l用预拉伸来减少丝杆的热变形：这种方法是在加工滚珠丝杆时，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。l采用热位移调节元件或热位移补偿脉冲。2024/6/23第一节 数控机床的结构要求l四、减少运动件的摩擦和消除传动间隙l1.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。（图2-7)l2.使用滚珠丝杠代替滑动丝杠：在进给系统中，目前数控机床几乎无例外地采用了滚珠丝杠传动。l3.采用无间隙传动副：用同步带传动代替齿轮传动、采用脉冲补偿装置进行螺距精度补偿。2024/6/23第一节 数控机床的结构要求l五、提高机床的寿命和精度保持性 l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间。l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也是提高寿命的重要条件。2024/6/23第一节 数控机床的结构要求l六、减少辅助时间，改善操作性 l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。l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。l数控机床的操作性具有新的含意：l（1）提高机床各部分的互锁能力，以防止意外事故的发生；l（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，以避免发生意外事故；l（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。l（4）床身结构必须有利于排屑。2024/6/23第一节 数控机床的结构要求l六、减少辅助时间，改善操作性 l图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。2024/6/23第一节 数控机床的结构要求l六、减少辅助时间，改善操作性 l图2-9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2-92024/6/23第二节 数控机床主传动系统及主轴部件l一、主传动变速 l二、主轴部件2024/6/23第二节 主传动系统及主轴部件l一、主传动变速 l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。l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。l1.带有变速齿轮的主传动l大中型机床用，齿轮降速扩大扭矩 l2.通过皮带传动的主传动l小型机床用，低扭矩、振动与噪声l3.电机直接驱动的主传动l结构简化，电机发热对主轴精度的影响大 2024/6/23第二节 主传动系统及主轴部件l一、主传动变速 l在带有齿轮变速的主传动系统中，液压拨叉和电磁离合器是两种常用的变速方法。l拨叉机构在使用中为了保证不出现移动齿轮的“顶齿”现象，通常必须增加一台小型电动机，在变速时使主轴作低速回转，这会使结构变得十分复杂。l摩擦片式离合器由于打滑现象，不能使用于有伺服要求的主轴系统。电磁离合器的电刷和滑环之间的摩擦和磨损，影响了变速的可靠性；更严重的是它具有剩磁和发热等缺点，使主轴轴承磁化，寿命下降，并影响加工精度。l因此目前已很少使用以上两种变速方法。2024/6/23第二节 主传动系统及主轴部件l二、主轴部件 l数控机床主轴部件是机床中最关键的部件之一l1数控机床主轴轴承一般配置形式 l（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。l此配置型式使主轴的综合刚度大幅度提高，可以满足强力切削的要求，因此普遍应用于各类数控机床的主轴。2024/6/23第二节 主传动系统及主轴部件l二、主轴部件 l数控机床主轴部件是机床中最关键的部件之一l1数控机床主轴轴承一般配置形式 l（2）前支承采用高精度双列向心推力球轴承 l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。2024/6/23第二节 主传动系统及主轴部件l二、主轴部件 l数控机床主轴部件是机床中最关键的部件之一l1数控机床主轴轴承一般配置形式 l（3）双列和单列圆锥滚子轴承l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。2024/6/23第二节 主传动系统及主轴部件l二、主轴部件 l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。l由于陶瓷材料的质量密度只有钢的40%，使高速旋转时滚动体产生的离心力大幅度下降，可明显减小轴承的温升和磨损。l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；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。这些都明显地提高轴承的精度和精度保持性。l减小滚动体的直径，增加滚动体的数量也是降低高速旋转时滚动体离心力的另一重要措施。它同样能达到降低温升、增加耐磨性和提高轴承dn值的目的。2024/6/23第二节 主传动系统及主轴部件l二、主轴部件 l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。常见的几种用于不同类型数控机床的主轴端部结构如图所示。2024/6/23l二、主轴部件 l2主轴部件的特殊结构l（1）主轴内刀具的自动夹紧和切屑清除装置 l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（看图2-13，看局部放大图）l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。拉杆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。（再看图2-13）l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。喷气小孔要有合理的喷射角度，并均匀分布，以提高其吹屑效果。（又看图2-13）第二节 主传动系统及主轴部件2024/6/23第二节 主传动系统及主轴部件l二、主轴部件 l2主轴部件的特殊结构l图2-13局部放大2024/6/23第二节 主传动系统及主轴部件l二、主轴部件 l2主轴部件的特殊结构2024/6/23第二节 主传动系统及主轴部件l二、主轴部件 l2主轴部件的特殊结构l锥柄和拉杆结构图 2024/6/23第二节 主传动系统及主轴部件l二、主轴部件 l2主轴部件的特殊结构l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。为使此轴向推力不直接作用在主轴轴承上，可采用图2-14的改进结构，使轴向推力作用到箱体上。油缸的支架6用螺钉（图中未示出）与连接座3固定在一起，并允许在主轴箱孔内作向右浮动。因此连接座3并不固死在主轴箱体2上，而是用螺钉5通过弹簧4压紧在主轴箱的端面。当油缸右腔通入压力油使活塞7受到向左的推力时，油缸右端面受到方向相反的向右推力。此时整个油缸支架6及连接座3压缩弹簧4向右移动。当连接座3上的垫片8的端面和螺母1压紧时，松开刀杆所需要的推力可以直接由连接座3和油缸支架6承受，从而实现了主轴轴承轴向卸载。见图2024/6/23第二节 主传动系统及主轴部件l二、主轴部件 l2主轴部件的特殊结构l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。为使此轴向推力不直接作用在主轴轴承上，可采用图2-14的改进结构，使轴向推力作用到箱体上。油缸的支架6用螺钉（图中未示出）与连接座3固定在一起，并允许在主轴箱孔内作向右浮动。因此连接座3并不固死在主轴箱体2上，而是用螺钉5通过弹簧4压紧在主轴箱的端面。当油缸右腔通入压力油使活塞7受到向左的推力时，油缸右端面受到方向相反的向右推力。此时整个油缸支架6及连接座3压缩弹簧4向右移动。当连接座3上的垫片8的端面和螺母1压紧时，松开刀杆所需要的推力可以直接由连接座3和油缸支架6承受，从而实现了主轴轴承的轴向卸载。2024/6/23第二节 主传动系统及主轴部件l二、主轴部件 l2主轴部件的特殊结构l（2）主轴准停装置（准确定位）l好处：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，减少尺寸分散度。l实现：停车时主轴低速运转，时间继电器延时数秒，接通无触点开关14，凸轮10上的感应片对准无触点开关发出准停信号，立即切断主电机电源，脱开与主轴的传动联系，排除传动系统中旋转零件惯性，使主轴作低速惯性空转。再经过时间继电器的短暂延时，接通压力油，使定位活塞13带着定位滚子12向上运动，紧压在凸轮10外表面。当凸轮9的V形缺口对准滚子12时滚子进入槽内，主轴准确停止。同时限位开关15发出信号，表示完成准停。然后，活塞13退回，行程开关16发出信号。2024/6/23第二节 主传动系统及主轴部件l二、主轴部件 l2主轴部件的特殊结构l（2）主轴准停装置l好处：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。l实现：停车时主轴低速运转，时间继电器延时数秒，接通无触开关14，凸轮10上的感应片对准无触点开关发出准停信号，立即切断主电机电源，脱开与主轴的传动联系，排除传动系统中旋转零件的惯性，使主轴作低速惯性空转。再经过时间继电器的短暂延时，接通压力油，使定位活塞13带着定位滚子12向上运动，紧压在凸轮10外表面。当凸轮9的V形缺口对准滚子12时滚子进入槽内，主轴准确停止。同时限位开关15发出信号，表示完成准停。然后，活塞13退回，行程开关16发出信号。2024/6/23第三节 数控机床进给系统l一、对数控机床进给系统的要求 l二、滚珠丝杠螺母副 l三、进给系统传动间隙的消除 l四、滚动导轨 2024/6/23第三节 数控机床进给系统l一、对数控机床进给系统的要求 l进给系统直接影响加工精度，设计进给系统时应注意减少摩擦阻力、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。l1.减少运动件之间的摩擦阻力l丝杠螺母和导轨的滚动化，提高响应速度。l2.提高传动精度和刚度l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。l3.减少惯量l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。2024/6/23第三节 数控机床进给系统l二、滚珠丝杠螺母副 l1.轴向间隙的消除l2.滚珠丝杠的安装l3.滚珠丝杠的防护 2024/6/23第三节 数控机床进给系统l二、滚珠丝杠螺母副 l结构形式：l（1）外循环式：（图a）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。l（2）内循环式：（图b）螺母螺旋槽的两相邻滚道之间由滚珠反向器2实现滚珠的循环运动，并防止滚珠沿滚道掉出。2024/6/23第三节 数控机床进给系统l二、滚珠丝杠螺母副 l1.轴向间隙的消除：l（1）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z2-z1=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。l调整：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。l间隙消除量：=zt/(z1z2)或 z=z1z2/t式中z-两螺母同时转过的齿数 t-丝杠导程l特点：结构复杂，计算简单精确，调整方便。2024/6/23第三节 数控机床进给系统l二、滚珠丝杠螺母副 l1.轴向间隙的消除：l（2）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。结构简单、刚性好和装拆方便。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。2024/6/23第三节 数控机床进给系统l二、滚珠丝杠螺母副 l1.轴向间隙的消除：l（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。这种调整方法结构简单，调整方便，但调整精度较差。2024/6/23第三节 数控机床进给系统l二、滚珠丝杠螺母副 l1.轴向间隙的消除l（4）单螺母消除间隙：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。2024/6/23第三节 数控机床进给系统l二、滚珠丝杠螺母副 l2.滚珠丝杠的安装：l（1）向心轴承与圆锥轴承组合：轴向刚度不足。l（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。l（3）国外滚珠丝杠专用轴承：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。2024/6/23第三节 数控机床进给系统l二、滚珠丝杠螺母副 l2.滚珠丝杠的安装：l(4)支承结构：l（a）悬臂单支承：小型数控机床l（b）两端止推：可预拉伸，提高刚度，中轻载机床l（c）一端固定，一端简支：中载数控机床l（d）两端固定：重载数控机床2024/6/23第三节 数控机床进给系统l二、滚珠丝杠螺母副 l2.滚珠丝杠的安装：l(5)锁紧装置：由于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。l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。2024/6/23第三节 数控机床进给系统l二、滚珠丝杠螺母副 l3.滚珠丝杠的防护：l(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。l(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。l螺旋钢带：钢带的宽度正好等于丝杠的螺距，螺纹槽被严密地封住。钢带的正反两面始终不接触，钢带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。2024/6/23第三节 数控机床进给系统l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。2024/6/23第三节 数控机床进给系统l三、进给系统传动间隙的消除 l1.刚性调整法：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。l(1)偏心轴套式：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。l(2)垫片式：2024/6/23第三节 数控机床进给系统l三、进给系统传动间隙的消除 l1.刚性调整法l(2)垫片式：2024/6/23第三节 数控机床进给系统l三、进给系统传动间隙的消除 l2.柔性调整法：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。l(1)双齿轮错齿式消除间隙结构 2024/6/23第三节 数控机床进给系统l三、进给系统传动间隙的消除 l2.柔性调整法l(2)碟形弹簧消除斜齿轮齿侧间隙的结构 2024/6/23第三节 数控机床进给系统l三、进给系统传动间隙的消除 l3.电机直接驱动滚珠丝杠的套筒连接结构：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。2024/6/23第三节 数控机床进给系统l四、滚动导轨l1.导轨的基本要求：l（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。l（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。l（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。2024/6/23第三节 数控机床进给系统l四、滚动导轨l1.导轨的种类l（1）滑动导轨：摩擦系数大l（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。l（3）滚动导轨：摩擦系数更小（0.00250.005），承载能力大，结构复杂，制造困难、成本高。l（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。2024/6/23第三节 数控机床进给系统l四、滚动导轨l3.滚动导轨的结构：l（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。2024/6/23第三节 数控机床进给系统l四、滚动导轨l3.滚动导轨的结构：l（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。2024/6/23第三节 数控机床进给系统l四、滚动导轨l3.滚动导轨的结构：l（3）滚动导轨组件的固定：滚动导轨组件安装和预紧方便。要保证安装面的直线度和平面度。2024/6/23第三节 数控机床进给系统l四、滚动导轨l3.滚动导轨的结构：l（4）滚动导轨组件的侧向预紧：2024/6/23第四节 数控机床回转工作台l一、数控回转工作台 l二、分度工作台 2024/6/23第四节 数控机床回转工作台l一、数控回转工作台l主要用于数控镗床和铣床。下图为卧式镗床的回转工作台。l运动由蜗杆1传给大蜗轮2。回转位移量由光栅10读取，八对夹紧瓦4、3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。l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。l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。l数控回转工作台设有零点。工作台能完成进给驱动，还可以作任意角度的分度和定位。2024/6/23第四节 数控机床回转工作台l一、数控回转工作台l运动由蜗杆1传给大蜗轮2。光栅10用于读数，夹紧瓦4、3和小油缸5用于锁紧工作台。l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。2024/6/23第四节 数控机床回转工作台l二、分度工作台l1.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。l1）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 l2）工作台回转分度：伺服电机驱动减速齿轮，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 l3）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。2024/6/23第四节 数控机床回转工作台l二、分度工作台l1.定位销式分度工作台l（1）松开锁紧机构并拔出定位销：2024/6/23第四节 数控机床回转工作台l二、分度工作台l1.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（53）。结构简单，零件数较少。l1)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。l2)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。2024/6/23第四节 数控机床回转工作台l二、分度工作台l1.鼠齿盘式分度工作台 l1)分度工作台上升、鼠齿盘脱离啮合l2)工作台回转分度l3)分度工作台下降，并定位夹紧l4)分度活塞退回 2024/6/23第四节 数控机床回转工作台l二、分度工作台l1.鼠齿盘式分度工作台：l3)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。l4)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。2024/6/23第四节 数控机床回转工作台l二、分度工作台l1.鼠齿盘式分度工作台 l1)分度工作台上升、鼠齿盘脱离啮合l2)工作台回转分度l3)分度工作台下降，并定位夹紧l4)分度活塞退回 2024/6/23第五节 数控加工使用的刀具及自动换刀系统l一、数控加工使用的刀具 l二、自动换刀系统 2024/6/23第五节 数控加工使用的刀具及自动换刀系统l一、数控加工使用的刀具 l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。2024/6/23第五节 数控加工使用的刀具及自动换刀系统l一、数控加工使用的刀具 l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。l主轴刀柄与主轴孔大多锥度为7：24。刀柄的规格有40、45、50号。l图2-33为最常用的标准锥形刀柄结构l图2-34为圆柱结合面的主轴刀柄2024/6/23第五节 数控加工使用的刀具及自动换刀系统l一、数控加工使用的刀具 l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。2024/6/23第五节 数控加工使用的刀具及自动换刀系统l一、数控加工使用的刀具 l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 2024/6/23第五节 数控加工使用的刀具及自动换刀系统l一、数控加工使用的刀具 l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。l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。2024/6/23第五节 数控加工使用的刀具及自动换刀系统l二、自动换刀系统 l1、自动换刀装置的形式l（1）回转刀架换刀：一种最简单的自动换刀装置。l图2-39为数控车床的六角回转刀架。动作分为四个步骤：l1）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。l2）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。2024/6/23第五节 数控加工使用的刀具及自动换刀系统l二、自动换刀系统 l1、自动换刀装置的形式l（1）回转刀架换刀：一种最简单的自动换刀装置。l3）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。l4）转位油缸复位 刀架压紧之后，压力油从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。l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。2024/6/23第五节 数控加工使用的刀具及自动换刀系统l二、自动换刀系统 l1、自动换刀装置的形式l（1）回转刀架换刀：一种最简单的自动换刀装置。l图2-39为数控车床的六角回转刀架。动作分为四个步骤：2024/6/23第五节 数控加工使用的刀具及自动换刀系统l二、自动换刀系统 l1、自动换刀装置的形式l（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。2024/6/23第五节 数控加工使用的刀具及自动换刀系统l二、自动换刀系统 l1、自动换刀装置的形式l（2）主轴头转位换刀（动力刀架）：l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，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。2024/6/23第五节 数控加工使用的刀具及自动换刀系统l二、自动换刀系统 l1、自动换刀装置的形式l（2）主轴头转位换刀（动力刀架）：l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，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。2024/6/23第五节 数控加工使用的刀具及自动换刀系统l二、自动换刀系统 l1、自动换刀装置的形式l（2）主轴头转位换刀（动力刀架）：l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。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.。2024/6/23第五节 数控加工使用的刀具及自动换刀系统l二、自动换刀系统 l1、自动换刀装置的形式l（3）带刀库的自动换刀系统：用于钻镗铣加工中心。l图2-42带刀库的多主轴换刀系统。缩短换刀停顿时间。2024/6/23第五节 数控加工使用的刀具及自动换刀系统l二、自动换刀系统 l2、刀库及刀具的选择方式l（1）刀库：l图2-43a-d是l单盘式刀库，l结构简单，l容量较小，l15-30把刀。2024/6/23第五节 数控加工使用的刀具及自动换刀系统l二、自动换刀系统 l2、刀库及刀具的选择方式l（1）刀库：l图e是鼓轮弹l仓式；l图f是链式；l图g多盘式；l图h格子式。2024/6/23第五节 数控加工使用的刀具及自动换刀系统l二、自动换刀系统 l2、刀库及刀具的选择方式l（1）刀库：l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。2024/6/23第五节 数控加工使用的刀具及自动换刀系统l二、自动换刀系统 l2、刀库及刀具的选择方式l（2）刀具的选择方式：l1）顺序选择方式：是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。l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。2024/6/23第五节 数控加工使用的刀具及自动换刀系统l二、自动换刀系统 l2、刀库及刀具的选择方式l（2）刀具的选择方式：l2）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。l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有利。2024/6/23第五节 数控加工使用的刀具及自动换刀系统l二、自动换刀系统 l2）刀具编码方式：l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”。2024/6/23第五节 数控加工使用的刀具及自动换刀系统l二、自动换刀系统 l2、刀库及刀具的选择方式l（2）刀具的选择方式：l3）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。l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。l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上，从而给刀座编上了代码。2024/6/23第五节 数控加工使用的刀具及自动换刀系统l二、自动换刀系统 l3）刀座编码方式：l图46a为编码钥匙。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。l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。2024/6/23第五节 数控加工使用的刀具及自动换刀系统l二、自动换刀系统 l3）刀座编码方式：l图46a为编码钥匙。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。l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。2024/6/23第五节 数控加工使用的刀具及自动换刀系统l二、自动换刀系统 l3、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。l（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。2024/6/23第五节 数控加工使用的刀具及自动换刀系统l（2）机械手刀具交换装置：应用最广，减少换刀时间。2024/6/23第五节 数控加工使用的刀具及自动换刀系统l（2）机械手刀具交换装置：应用最广，减少换刀时间。2024/6/23第五节 数控加工使用的刀具及自动换刀系统l（2）机械手刀具交换装置：应用最广，减少换刀时间。2024/6/23第六节 数控加工用辅助装置l一、数控加工用夹具 l二、刀具预调仪 2024/6/23第六节 数控加工用辅助装置l一、数控加工用夹具l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。l要求如下：l 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。l 夹具的定位和夹紧必须可靠，以满足数控加工的精度要求和安全生产。l 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。l 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。2024/6/23第六节 数控加工用辅助装置l二、刀具预调仪 l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。2024/6/23第六节 数控加工用辅助装置l二、刀具预调仪 2024/6/23第二章 数控机床的结构l小结：以上学习了数控机床的结构要求，数控机床主传动系统和及主轴部件，数控机床进给系统，数控机床回转工作台，数控加工使用的刀具及自动换刀系统和数控加工用辅助装置等知识和概念。同学们应掌握所学知识。本章的学习对进一步学习数控机床的其它知识奠定了基础。2024/6/23