第二章 数控机床的结构

作者：聂晓根 福州大学机械工程及自动化学院 _二章 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 章 内 容 机床本体概述 一、机床本体： 机床本体也称主机，它包括 : 主运动部件 :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 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 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。 ) R 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、其它系统的设计 具系统 ; 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 闭环、全闭环； 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 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 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 （ 1）提高静刚度的措施 1）基础大件采用封闭整体箱形结构 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 c d 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/ 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） 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 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 减少运动件的摩擦和消除传动间隙的措施 减小摩擦， 避免 “ 低速爬行 ” ，提高定位精度和运动平衡性。 目前数控机床几乎无例外地采用了滚珠丝杠传动。 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 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 2 3倍） ，以便 缩短数控机床投资的回收时间 。 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 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） 便于操作的机床结构 第二节 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、主传动系统 产生主切削力 1、主传动系统作用 度、刚度和抗振性 行平稳 2、 对主传动系统的要求 二、主传动变速 1、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 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式 大中型机床 用 ， 齿轮降速扩大扭矩 小型机床 用 ， 低扭矩 、 可避免 振动与噪声 ， 常用同步齿形带 。 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 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，并影响加工精度。 后两种目前已很少被采用。 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 （ 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/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（ 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。可达到降低温升、增加耐磨性和提高轴承 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切屑清除装置 夹紧： 碟形弹簧 8使拉杆 7保持约 10000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： 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 3、对数控机床进给系统的设计要求 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。 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。 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 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 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 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 滚珠丝杠和滚珠螺母的螺纹滚道形状 采用 哥 德式 （ 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 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 ，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/2=(t/t/点： 结构复杂，计算简单精确，调整方便。 消除量： = 或 z= t z 两螺母同时转过的齿数 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 。 （ 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： 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 (1)毛毡圈密封： 厚度为螺距 2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。 (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。 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 要求： 可靠、无间隙。 图 2键套筒 连接。图 2 2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 中间弹性体（聚氨脂）；有良好的动态特性 2： 设计紧凑，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） 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。 （ 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 、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12345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 （ 1） 滚动导轨组件外形： 图 受倾覆力矩 的中等负载的结构 ， 图 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12345（ 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，还可以作任意角度的分度和定位。 二、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 15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 15柱销从衬套 7中拔出。 2） 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 。 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 。 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 ， 始终保持工作台处于上升位置 。 按设计要求 ， 当活塞移动 113 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。刀柄的规格有 40、 45、50号。 图 2图 2图 2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 镗杆刀尖的径向位置应能精确调整。图 2 图 2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 （ 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11:1数 量比 例材料材 料图 号标 准01备 注 图 2 换刀动作分为四个步骤： 1）刀架抬起 压力油由 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）刀架转位 刀架抬起后，压力油从 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 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，压力油从 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。 十工位转塔头 图 2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 （ 3）带刀库的自动换刀系统： 用于钻镗铣加工中心 。 图 2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盘式刀库， 结构简单，容量较小， 15 30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有利。 刀具编码方式 图 2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