教学材料金属切削机床-6

6.1概述6.1.1数控机床的产生与发展1948年,美国帕森斯(PARSONS)公司接受美国空军委托,研制飞机螺旋桨叶片轮廓样本的加工设备,由于样板形状复杂多样,精度要求高,一般加工设备难以适应,于是提出计算机控制机床的设想。1949年,该公司与美国麻省理工学院伺服研究室合作,开始研究数控机床,并于1952年研制成功世界上第一台三坐标数控铣床,之后又经过改进和完善,于1955年进入实用阶段。从1952年第一台数控机床问世至今,随着电子技术和计算机技术的发展,数控机床也不断地经历着更新换代的过程。先后经历了电子管(1952年)、晶体管和印刷电路板(1959年)、小规模集成电路(1965年)、小型计算机(1970年)、微处理器或微型计算机(1974年)和基于PC-NC的智能数控系统(1990年)六代数控系统的发展。下一页返回6.1概述前三代数控系统是采用专用控制计算机的硬逻辑数控系统,也称为硬件数控或硬线数控,第四代数控系统采用小型计算机代替了专业控制计算机,数控的许多功能由软件实现,系统的可靠性进一步提高,功能更加丰富,在经济上也更为合算,这种数控系统也称为软件数控或软线数控,即计算机数控系统(ComputerNumericalControl,CNC)。1974年采用以微处理器为核心的数控系统,形成第五代微型计算机数控系统(Micro-computerNumericalControl,MNC)。以上CNC与MNC统称为计算机数控。CNC和MNC的控制原理基本上相同,目前趋向采用成本低、功能强的MNC。上一页下一页返回6.1概述自1952年世界上出现第一台三坐标数控机床以来,随着数控系统不断更新换代,数控机床的品种也得以不断地发展。1956年,日本富士通公司研制出了数控转塔式冲床,相继美国帕克公司研制出了数控转塔式钻床。1959年美国克耐·杜列克公司研制出了带自动换刀装置的数控机床,它被称为加工中心(MachiningCenter,MC)。1967年,英国首先把几台数控机床连接成具有柔性的加工系统,这是最初的柔性制造系统(FlexibleManufacturingSystem,FMS)。之后,美、日也相继进行了开发和应用。随着CNC技术、信息技术、网络技术以及系统工程学的发展,在60年代末期出现了由一台计算机直接管理和控制一群数控机床的计算机群控系统,即直接数字控制系统(DirectNumericalControl,DNC)。上一页下一页返回6.1概述1978年以后,各种加工中心相继问世,以1~3台加工中心为主体,再配上自动更换工件(AutomatedWorkpieceChang,AWC)的随行托盘(Pallet)或工业机器人以及自动检测与监控技术装备,组成柔性制造单元(FlexibleManufacturingCell,FMC)自90年代后,出现了包括市场预测、生产决策、产品设计与制造和销售等全过程均由计算机集成管理和控制的计算机集成制造系统(ComputerIntegratedManufacturingSystem,CIMS),它将一个制造工厂的生产活动进行有机的集成,以实现更高效益、更高柔性的智能化生产。当今,数控机床已经成为组成现代化机械制造生产系统,实现计算机辅助设计(ComputerAidedDesign,CAD)、计算机辅助制造(ComputerAidedManufacturing,CAM)、计算机辅助检验(ComputerAidedTesting,CAT)与生产管理等全部生产过程自动化的基本数控设备。上一页下一页返回6.1概述ComputerAidedTesting,CAT)与生产管理等全部生产过程自动化的基本数控设备。我国数控机床的研制始于1958年,到20世纪60年代中期,处于研制、开发时期,1965年,我国开始研制晶体管数控系统,60年代末70年代初,研制成功X53K-1G立式数控铣床、CJK-18数控系统和数控非圆齿轮插齿机,1973年,研制出第一台CSK6163数控车床。此后,数控技术在车、铣、钻、镗、磨、齿轮加工、电加工等领域全面展开,但数控机床的品种和数量都很少,系统的稳定性和可靠性也比较差,因而没有广泛推广,只在一些复杂的、特殊的零件加工中使用。这是我国数控机床发展的初级阶段。上一页下一页返回6.1概述20世纪80年代,我国从日本FANUC公司引进了部分系列的数控系统和直流伺服电动机、直流主轴电动机技术,进行国产商品化生产,这些系统可靠性高、功能齐全,推动了我国数控机床的稳定发展,使我国的数控机床在性能和质量上产生了一个质的飞跃。近年来,我国数控机床工业发展很快,数控机床品种不断增多,规格齐全,我国数控机床生产企业有上百家,年产量达数万台,并在产量和数量上逐年不断增加,品种满足率达80%,并在有些企业实施了FMS和CIMS工程,数控机床进入了实用阶段。6.1.2数控机床的组成和工作原理1.数控机床的组成数控机床通常由以下几部分组成,如图6-1所示。上一页下一页返回6.1概述1)程序载体对数控机床进行控制,首先必须建立人与机床之间的某种联系,这种联系的中间媒介物称为程序载体(或称控制介质)。控制介质有多种,如穿孔纸带、穿孔卡、磁带、磁盘等,也可通过通信接口直接输入所需各种信息。数控加工程序是根据零件图,用标准的字母、数字和代号,按照规定的格式编写的代码。加工程序中包括零件轮廓轨迹信息、零件加工的工艺规程、工艺参数和刀具运动等。将这些信息存储在程序载体上,通过输入/输出装置输入到数控装置,用以控制数控机床对零件的切削过程。上一页下一页返回6.1概述2)输入/输出装置输入/输出设备的主要作用是把零件程序、控制参数和补偿数据等输入到数控装置中,以及显示、存储和打印相关数据、程序、图形等。早期在使用穿孔纸带做控制介质时,所采用的输入装置是光电阅读机,能对穿孔纸带上的程序进行阅读;而后使用磁记录原理的磁带机和软盘驱动器也是数控机床重要的输入设备;通过数控装置控制面板上的输入键,按工件的程序清单用手工方式将加工程序和控制参数直接输入内存储器是在工作现场最为常用的一种输入方式;而现代的数控机床也常常采用通信的方式由计算机直接将程序传送给数控装置。数控机床的输出设备主要有CRT、LED、LCD显示器、打印机等。而U盘接口、软盘接口、通信接口(如RS232接口)既可以作为输入设备,也可以作为输出设备。上一页下一页返回6.1概述3)数控装置数控装置是数控机床的核心,接受输入的加工信息,经过数控装置的系统软件和逻辑电路进行译码、运算和逻辑处理,向伺服系统发出相应的脉冲,并通过伺服系统控制机床运动部件按加工程序指令运动。数控装置是由一台专用计算机或通用计算机与输入/输出接口板以及机床控制器所组成的控制装置。数控装置实现的功能有:多坐标轴控制、插补运算、程序输入、编辑和修改、故障自诊断、补偿功能、多种加工方式选择、显示、信息转换、通信和联网,以及辅助功能等。上一页下一页返回6.1概述4)伺服驱动系统伺服驱动系统,简称伺服系统(Servesystem),是一种以机械位置或角度作为控制对象的自动控制系统,在数控机床上伺服系统是连接数控系统(CNC)和机床本体的关键部分,它接受来自数控系统的指令,经过放大和转换,驱动数控机床上的执行件(工作台或刀架)实现预期的运动,并将运动结果反馈回去与输入指令相比较,直至与输入指令之差为零,使机床精确地运动到所要求的位置。上一页下一页返回6.1概述5)辅助控制装置包括内置式可编程控制器(ProgrambleLogicControl,PLC)及强电控制设备,控制电、液、气、机械系统,完成有关动作及润滑、冷却、吹屑等数控加工过程的必要辅助功能。数控装置发出的主轴变速、换向、启动或停止,刀具的选择和更换,分度工作台的转位和锁紧,工件的夹紧或松开,切削液的开或关等辅助操作的信号,通过PLC以及功率放大直接驱动相应的执行元件,诸如接触器、电磁阀等,从而实现数控机床在加工过程中的全部自动操作。上一页下一页返回6.1概述6)检测与反馈装置检测与反馈装置是数控机床的重要组成部分,检测与反馈装置用来测量速度和位移,并将信息反馈给数控装置,构成闭环或半闭环控制系统检测与反馈装置将系统的输入指令值和检测装置的反馈值比较后发出控制指令,控制伺服系统和传动装置驱动机床的运动部件,实现数控机床各种加工过程,保证具有较高的加工精度。检测装置的精度对数控机床的定位精度和加工精度均有很大的影响,要提高数控机床的加工精度,就必须提高检测装置和检测系统的精度。上一页下一页返回6.1概述7)机床本体机床本体是数控机床的主体部分。来自于数控装置的各种运动和动作指令,都必须由机床本体转换成真实的、准确的机械运动和动作,才能实现数控机床的功能,并保证数控机床的性能要求。数控机床的机床本体由主传动系统、进给系统、机床基础件和辅助功能装置等组成。尽管数控机床的机床本体的基本构成与传统的机床十分相似,但由于数控机床在功能和性能上的要求与传统机床存在着很大的差别,所以数控机床的机床本体在总体布局、结构、性能上与传统机床有许多明显的差异,出现了许多适应数控机床功能特点的新型机械结构和部件上一页下一页返回6.1概述2.数控机床的工作原理用数控机床加工零件时,首先应根据零件图纸要求编制零件的加工程序,将加工程序送入数控装置,由数控装置控制机床主传动的变速、启停,进给运动的方向、速度和位移量,以及其他(如刀具选择与交换、工件的夹紧与松开、冷却和润滑的开关等)动作,使刀具与工件及其他辅助装置严格地按照加工程序规定的顺序、轨迹和参数有条不紊地工作,从而加工出符合要求的零件,加工原理如图6-2所示。上一页下一页返回6.1概述6.1.3数控机床的分类数控机床的品种规格繁多,分类方法也很多,通常从以下几个方面进行分类。1.按工艺用途分类1)金属切削数控机床金属切削数控机床品种比较多,有数控车床、数控铣床、数控镗床、数控钻床、数控铰床、数控磨床、数控刨床,以及带有刀库并能实现自动换刀的车削加工中心和铣削加工中心等。2)金属成形数控机床指采用挤、压、冲、拉等成形工艺的数控机床,常用的有数控弯管机、数控压力机、数控冲剪机、数控折弯机、数控旋压机等。上一页下一页返回6.1概述3)特种加工数控机床特种加工数控机床主要有数控电火花线切割机、数控电火花成形机、数控激光加工机与火焰切割机等。4)测量、绘图数控机床测量、绘图数控机床主要有数控绘图机、数控坐标测量机、数控对刀仪等。2.按加工轨迹分类1)点位控制数控机床这类机床只控制机床运动部件(机床工作台或刀架)从一点移动到另一点的准确定位,在移动过程中不进行加工,对两点间的移动速度和运动轨道没有严格控制,如图6-3(a)所示。上一页下一页返回6.1概述为了在精确定位的基础上尽可能提高生产效率,两相关点之间的移动,一般是先快速移动,当接近终点位置时,再以低速准确趋近定位点,以保证其定位精度。这类机床有数控钻床、数控坐标镗床、数控冲床等。2)点位直线控制数控机床这类机床在工作时,不仅要控制机床的运动部件从一个位置到另一个位置的精确定位,而且还要控制两相关位置之间的移动速度和路线,其路线一般是由平行各轴的直线段组成,如图6-3(b)所示。由于只做平行坐标轴的直线进给运动,因此不能加工复杂的工件轮廓。这类机床有简易数控车床和数控铣床等。上一页下一页返回6.1概述3)轮廓控制数控机床这类机床又称连续控制数控机床或多坐标联动数控机床。机床的控制装置能够同时对两个或以上的坐标轴进行连续控制。加工时不仅要控制起点和终点,还要控制整个加工过程中每点的速度和位置,使数控机床加工出符合图样要求的复杂形状零件,如图6-3(c)所示。这类机床有数控车床、数控铣床、数控磨床和加工中心等。上一页下一页返回6.1概述3.按伺服系统的控制方式分类1)开环控制数控机床开环数控机床采用开环进给伺服系统,图6-4所示为开环控制数控机床系统框图。这种数控机床,没有位置检测装置,也没有位置反馈和校正控制装置,数控装置发出信号流程是单向的,对数控机床移动部件的实际位置不作检测,所以这类数控机床的加工精度不高,其精度主要取决于伺服系统的性能。其工作过程是:CNC装置输出的指令脉冲经驱动电路的功率放大,驱动步进电动机转动,再经机械传动机构带动工作台或刀架移动。开环控制的数控机床结构比较简单,成本较低,工作性能稳定,反应迅速,调试方便,维修简单,但是由于受步进电动机的步距精度和传动机构的传动精度的影响,难以实现高精度的位置控制。一般适用于中、小型经济型数控机床。上一页下一页返回6.1概述2)闭环控制数控机床闭环控制数控机床带有位置检测装置,位置检测装置安装在机床刀架或工作台等执行部件上,用于检测这些执行部件的实际位置,然后将检测得到的实际位置与插补计算的指令位置进行比较,根据差值控制电动机工作,进行误差修正,直到位置误差消除为止,闭环控制数控机床系统框图如图6-5所示。闭环控制数控机床由于采用了位置控制和速度控制两个回路,把机床工作台纳入了控制环节,可以清除包括工作台传动链在内的传动误差,因而定位精度高,速度更快。但由于系统复杂,调试和维修较困难,成本高,一般适用于精度要求高的数控机床,如数控精密镗铣床。上一页下一页返回6.1概述3)半闭环控制数控机床半闭环控制数控机床也带有位置检测装置,但是与闭环控制数控机床不同的是检测装置是安装在伺服电动机上或丝杠的端部,通过检测伺服电动机或丝杠的角位移间接计算出工作台等执行部件的实际位置,然后与指令位置进行比较,进行差值控制,半闭环控制数控机床系统框图如图6-6所示。因这种系统没有将丝杠螺母副、机床工作台导轨副等大惯量装置包含在闭环反馈系统中,不能补偿该部分装置的传动误差,所以半闭环控制系统的加工精度一般低于闭环控制系统的加工精度,但是系统稳定性要比闭环控制数控机床好,调试维修方便,而且价格也比全闭环系统便宜,因此得到了广泛应用。上一页下一页返回6.1概述4.按所用数控系统的功能水平分类按照数控系统的功能水平,数控机床可分为低档、中档和高档三种类型。数控系统水平的高低由主要技术参数、功能指标和关键部件的功能水平来确定。这种分类方法目前并无明确的分类界限,不同国家、不同时期,划分标准会有所不同。就目前的发展水平来看,这三类档次的数控机床如下。1)低档数控机床低档数控机床的进给伺服系统一般是由步进电动机实现的开环驱动,功能简单、价格低廉、精度中等,能满足形状较为简单的直线、圆弧和螺纹加工。控制轴数一般为三轴以下,脉冲当量(机床分辨率)为10μm,进给速度为8~15m/min,主CPU采用8位处理器。我国现阶段提到的经济型数控就属于低档数控,主要用于车床、线切割机床及旧机床改造等。上一页下一页返回6.1概述2)中档数控机床中档数控机床也称为标准型数控机床,这类数控机床的伺服进给系统采用直流或交流伺服电动机实现半闭环控制,能实现四轴及四轴以下联动控制,脉冲当量为1μm,进给速度为15~24m/min,主CPU采用16位或32位处理器,具有RS-232或DNC通信接口和内置PLC,具有图形显示功能及面向用户的宏程序功能。上一页下一页返回6.1概述3)高档数控机床高档数控机床指能加工复杂形状的多轴联动数控机床或加工中心,其功能强、工序集中、自动化程度高、柔性高。高档数控机床的伺服进给系统采用直、交流伺服电动机及闭环控制,能实现五轴及以上联动控制,分辨率为0.1~1μm,进给速度在20m/min以上,一般采用32位及以上微处理器,通信采用制造自动化协议(ManufacturingAutomationProtocol,MAP)等高性能通信接口,具有联网功能,具有友好的图形用户界面,有三维动画功能,能进行加工仿真检验,同时具有多功能智能监控系统和面向用户的宏功能,还有很强的智能诊断和智能工艺数据库,能实现加工条件的自动设定。上一页下一页返回6.1概述6.1.4数控机床的特点及适用范围1.数控机床的特点数控机床是一种高效能自动化加工设备。与普通机床相比,数控机床具有如下特点。1)适应性强数控机床是根据数控工作要求编制程序来控制设备完成各种任务,当数控工作要求改变时,只要改变数控程序软件,而不需要改变机械或控制部分的硬件,就能适应新的工作要求。上一页下一页返回6.1概述2)精度高,质量稳定数控机床本身的精度较高,而且还可以利用软件进行精度校正和补偿;数控机床加工零件是按数控程序自动进行,可以避免人为误差。因此,数控机床可以获得比普通机床更高的加工精度。另外,加工同一批零件,在同一机床、相同加工条件下,生产出来的零件一致性好,产品质量稳定。3)生产率高数控机床可有效地减少零件的加工时间和辅助时间。数控机床的主轴转速和进给量的范围大,允许机床进行大切削量的强力切削,自动换速、自动换刀和其他辅助操作自动化等功能,而且无需工序间的检验与测量,使加工时间、辅助时间大为缩短。目前,数控机床正进入高速加工时代,数控机床移动部件的快速移动和定位及高速切削加工,减少了半成品的工序间周转时间,提高了生产效率。数控机床的生产率是普通机床的3~4倍。上一页下一页返回6.1概述4)能完成复杂型面的加工许多复杂曲线和曲面的加工,普通机床无法实现,而数控机床完全可以完成。5)减轻劳动强度,改善劳动条件数控机床加工前经调整好后,输入程序并启动,机床就能自动连续的进行加工,直至加工结束。操作者的主要工作是程序的输入、编辑、装卸零件、刀具准备、加工状态观测、零件检验等工作,劳动强度极大的降低,机床操作者的劳动趋于智力型工作。另外,机床一般是封闭式加工,既清洁,又安全。6)有利于生产管理采用数控机床,有利于向计算机控制和管理生产方向发展,为实现制造和生产管理自动化创造了条件。上一页下一页返回6.1概述数控机床的加工,可预先精确估计加工时间,所使用的刀具、夹具可进行规范化、现代化管理。数控机床使用数字信号与标准代码为控制信息,易于实现加工信息的标准化,目前已与计算机辅助设计与制造(CAD/CAM)有机地结合起来,是现代集成制造技术的基础。2.数控机床的适用范围虽然数控机床有很多优点,但也不能完全取代普通机床,根据数控加工的特点和国内外大量应用实践,数控机床通常最适合加工具有以下特点的零件:(1)多品种、小批量生产的零件或新产品试制中的零件。(2)形状复杂,加工精度要求高,通用机床无法加工或很难保证加工质量的零件。上一页下一页返回6.1概述(3)在普通机床加工时,需要昂贵的工装设备(工具、夹具和模具)的零件。(4)具有难测量、难控制进给、难控制尺寸型腔的壳体或盒型零件。(5)必须在一次装夹中完成铣、镗、锪、铰或攻丝等多工序的零件。(6)价格昂贵,加工中不允许报废的关键零件。(7)需要最短生产周期的急需零件。在数控机床上加工零件时,一方面要选择适合被加工零件的加工设备,另一方面数控机床要选择适合的加工零件。无论哪种情况,通常都要根据被加工零件的精度、材质、形状、尺寸、数量和热处理等因素来选择加工设备。究竟如何选择,概括起来要考虑三个方面的因素:(1)要保证被加工零件的技术要求,加工出合格的产品。(2)有利于提高生产率。(3)尽可能降低生产成本(加工费用)。上一页下一页返回6.1概述数控机床的适用范围如图6-7所示。图6-7(a)为零件批量与复杂程度的关系,当零件不太复杂、生产批量不大时,宜采用普通机床,而生产批量特别大时,宜采用专用机床,随着零件复杂程度的提高,数控机床就越发显得适用。目前,随着数控机床的普及,数控机床的适用范围正由BCD线向EFG线复杂性较低的范围扩大。图6-7(b)为零件数量与成本的关系。从图6-7中看出,在多品种、中小批量(100件以下)生产时,使用数控机床可获得较好的经济效益。上一页返回6.2数控机床的机械结构6.2.1数控机床的机械结构的组成和特点1.数控机床的机械结构的组成数控机床的机械结构通常是由主传动系统、进给传动系统、基础支承件、辅助装置等组成。1)主传动系统主传动系统由动力源、传动件、主运动执行件(主轴)和主轴部件等组成,其功用是将驱动装置的运动及动力传给执行件,以实现主切削运动2)进给传动系统进给传动系统由动力源、传动件及进给运动执行件(工作台、刀架)等组成,其功用是将伺服驱动装置的运动与动力传给执行件,以实现进给切削运动。下一页返回6.2数控机床的机械结构3)基础支承件基础支承件是指床身、立柱、导轨、滑座、工作台等,它是整台机床的基础和框架,支承机床的各主要部件,并使它们在静止或运动中保持相对正确的位置。4)辅助装置实现某些部件动作和辅助功能的系统和装置。辅助装置视数控机床的不同而异,按机床的功能需要选用,如自动换刀系统、液压气动系统、润滑冷却装置和排屑防护装置等。2.数控机床机械结构的特点数控机床与普通机床相比,在机械传动和结构上有着显著的不同特点(1)支承件的高刚度化。床身、立柱等采用静刚度、动刚度、热刚度特性都很好的支承构件。上一页下一页返回6.2数控机床的机械结构(2)传动机构简约化。由于采用了高性能的无级变速主轴及伺服传动系统,主轴转速由主轴伺服驱动系统来调节和控制,取代了普通机床的多级齿轮传动系统,数控机床的极限传动结构大为简化,传动链也大大缩短,简化了机械传动机构。(3)传动元件精密化。为减小摩擦、消除传动间隙和获得更高的加工精度,更多地采用了高效率、高精度的传动元件,如滚珠丝杠螺母副、静压蜗轮蜗杆副以及带有塑料层的滑动导轨、静压导轨等。并采取一些消除间隙的措施来提高机械传动的精度。(4)辅助操作自动化。为了改善劳动条件、减少辅助时间、改善操作性、提高劳动生产率,采用了多主轴、多刀架结构、刀具与工件的自动夹紧装置、自动换刀装置、自动排屑装置、自动润滑冷却装置、刀具破损检测装置、精度检测和监控装置等。上一页下一页返回6.2数控机床的机械结构6.2.2数控机床的主传动系统和主轴部件1.主传动系统的基本要求数控机床主传动系统的功能是传递切削所需要的功率和速度。主传动系统的性能,特别是主轴部件的性能,对保证加工精度和质量至关重要因此,数控机床对主传动系统提出了一些基本的要求。(1)变速要求。为了适应不同工件材料、刀具及各种切削工艺的要求,主轴必须具有一定的变速范围。主轴转速选用合理,可以获得较高的切削效率、加工精度和表面质量。变速范围的指标主要根据各种加工工艺对主轴最低速度和最高速度的要求来确定。数控机床的变速是按照控制指令自动进行的,因而变速机构必须适应自动加工的要求。由于直流和交流主轴电动机的调速系统日趋完善,不仅能方便地实现宽范围的无级变速,而且减少了中间传动环节,提高了变速控制的可靠性。上一页下一页返回6.2数控机床的机械结构(2)功率要求。要求主轴具有足够的驱动功率和输出扭矩,能在整个变速范围内提供切削加工所需的功率和扭矩,特别是满足机床强力切削时的要求。(3)精度要求。主要指主轴的回转精度。要求各零部件应具有足够的精度、刚度、抗振性、低噪声、热稳定性和耐磨性,使主轴运动具有高精度,从而保证数控加工高精度。还要具有好的热稳定性,保证主轴的轴向和径向尺寸随温度变化小。(4)主轴部件要求。在加工中心上,还必须具有安装刀具和刀具交换所需的自动夹紧装置,以及主轴定向准停装置,以保证刀具和主轴、刀库、机械手的正确啮合。为了扩大机床功能,在具有C轴控制的机床上,为了实现对C轴位置(主轴回转角度)的控制,主轴还需要安装位置检测装置,以便实现对主轴位置的控制。上一页下一页返回6.2数控机床的机械结构2.主传动运动的变速系统目前,数控机床的主传动系统多采用交流伺服电动机和直流伺服电动机进行无级调速。为了扩大调速范围,适应低转速大转矩的要求,经常使用齿轮有级调速和电动机无级调速相结合的调速方式。数控机床主轴变速主要有五种配置方式。1)带有变速齿轮的主传动如图6-8(a)所示,带有变速齿轮的主传动是大、中型数控机床采用较多的一种传动方式。为了扩大调速范围,采用少数几对齿轮降速,使主轴实现分段无级变速,扩大了输出扭矩,以满足主轴低速时对输出扭矩的要求。部分小型数控机床也采用此种传动方式,在强力切削时获得所需要的扭矩。变挡时,滑移齿轮的位移大都采用液压拨叉或直接由液压缸带动齿轮来实现。缺点是结构比较复杂,需要增加润滑及温度控制装置,成本较高,另外制造和维修也比较困难。上一页下一页返回6.2数控机床的机械结构2)通过带传动的主传动如图6-8(b)所示,采用直流或交流主轴伺服电动机,电动机本身的调速就能够满足要求,不用齿轮变速,可以避免齿轮传动引起的振动与噪声,传动平稳、结构简单、安装调整方便。常用的是三角带和同步齿形带这种传动适用于高速、低转矩、变速范围不大的机床。3)用两个电动机分别驱动主轴如图6-8(c)所示,该传动是上述两种方式的混合传动,具有上述两种性能。高速时电动机通过皮带轮直接驱动主轴旋转;低速时,另一个电动机通过两级齿轮传动驱动主轴旋转,齿轮起到降速和扩大变速范围的作用,这样就使恒功率区增大,扩大了变速范围。克服了低速时转矩不够且电动机功率不能充分利用的问题。但两个电动机不能同时工作,也是一种浪费。上一页下一页返回6.2数控机床的机械结构4)由调速电动机直接驱动的主传动如图6-8(d)所示,电动机轴与主轴用联轴器同轴连接。用伺服电动机的无级调速直接驱动主轴旋转,这种主传动方式大大简化了主轴箱体与主轴的结构,有效地提高了主轴部件的刚度。但主轴输出扭矩小,电动机发热对主轴的精度影响较大。5)内装式电动机主轴如图6-8(e)所示为内装式电动机主轴(又称内装式主轴电动机),其主轴与电动机转子合二为一。其优点是主轴部件结构更紧凑,质量小,惯量小,可提高启动、停止的响应特性。其缺点是主轴输出转矩小,并且容易产生热变形。上一页下一页返回6.2数控机床的机械结构3.数控机床的主轴支承形式机床主轴对加工质量有直接的影响,数控机床主轴部件应有更高的动、静刚度和抵抗热变形的能力。因此主轴应该选择合适的轴承进行支承。目前数控机床主轴轴承配置形式主要有三种(图6-9)。(1)前支承采用双列圆柱滚子轴承和60°角接触双列向心推力球轴承,后支承采用成对向心推力球轴承,如图6-9(a)所示。此种结构综合刚度高,可以满足强力切削要求,普遍应用于各类数控机床的主轴。(2)前支承采用多个高精度向心推力球轴承,如图6-9(b)所示。这种配置具有良好的高速性能,主轴最高转速可达4000r/min,但它的承载能力较小,适用于高速轻载的主轴部件。上一页下一页返回6.2数控机床的机械结构(3)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,如图6-9(c)所示。该种配置形式其径向和轴向刚度都很高,能承受重载荷,安装和调整方便,但主轴的转速不能太高,适用于中等精度、低速和重载的主轴部件。另外对精密、超精密铣床主轴、数控磨床主轴,可采用液体静压轴承和动压轴承,对于要求更高转速的主轴,可以采用空气静压轴承,这种轴承每分钟可达几万转的转速,并有非常高的回转精度。上一页下一页返回6.2数控机床的机械结构4.数控机床的主轴部件1)主轴内部刀具自动夹紧机构在自动换刀的数控机床中,为实现刀具在主轴内的自动装卸,其主轴必须设计有刀具的自动夹紧机构。如图6-10所示,主轴前支承4配置了三个高精度的角接触球轴承,用以承受径向载荷和轴向载荷,前两个轴承大口朝下,后面一个轴承大口朝上。前支承按预加载荷计算的预紧量由螺母5来调整。主轴后支承6为一对小口相对配置的角接触球轴承,它们只承受径向载荷,因此轴承外圈不需要定位。该主轴选择的轴承类型和配置形式,满足主轴高转速和承受较大轴向载荷的要求。主轴受热变形向后伸长,不影响加工精度。上一页下一页返回6.2数控机床的机械结构主轴内部和后端安装的是刀具自动夹紧机构。它主要由主轴1、拉钉2、钢球3、主轴前支承4、主轴后支承6、拉杆7、蝶形弹簧8、活塞10、液压缸11和压缩空气接头等构成。当机床执行换刀指令,机械手要从主轴拔刀时,主轴需松开刀具。这时液压缸上腔通压力油,活塞推动拉杆向下移动,使蝶形弹簧压缩,钢球进入主轴锥孔上腔,刀柄尾部拉钉松开,换刀机械手即可取出旧刀。之后,压缩空气进入活塞和拉杆的中孔,吹净主轴锥孔,机械手装新刀。当机械手将一把新刀插入主轴后,液压缸上腔回油,蝶形弹簧复位,钢球卡住拉钉,使刀具被夹紧。上一页下一页返回6.2数控机床的机械结构2)主轴准停装置在自动换刀的数控机床上,由于每次自动换刀时要求主轴在周向上停在一个固定位置,因此必须设计有主轴准停装置,以保证换刀时主轴上的端面键对准刀柄上的键槽。主轴准停装置分机械式和电气式两种。机械准停装置比较准确可靠,但结构较复杂。现代的数控机床一般都采用电气式主轴准停装置,只要数控系统发出指令信号,主轴就可以准确地定向。如图6-11所示,在主轴上安装有一个永久磁铁4与主轴一起旋转,在距离永久磁铁4旋转轨迹外1~2mm处固定有一个磁传感器5,当主轴需要停车换刀时,数控装置发出主轴停转的指令,主轴电动机3立即降速,使主轴以很低的转速回转,当永久磁铁4对准磁传感器5时,磁传感器发出准停信号,此信号经放大后,由定向电路使电动机准确地停止在规定的周向位置上。电气式主轴准停装置具有定向时间短、可靠性高、精度和刚度高、机械结构简单等特点。上一页下一页返回6.2数控机床的机械结构3)其他机构数控车床能够加工各种螺纹,这就需要安装与主轴同步运转的脉冲编码器,以便发出检测脉冲信号使主轴的旋转与进给运动相协调;数控车削中心增加了主轴的C轴功能,能在数控系统的控制下实现圆周进给,以便与Z轴、X轴联动插补。上一页下一页返回6.2数控机床的机械结构6.2.3数控机床的进给传动系统1.数控机床对进给传动系统的要求数控机床的进给运动是以保证刀具与工件相对位置关系为目的,被加工工件的轮廓精度和位置精度都要受到进给运动的传动精度、灵敏度和稳定性的直接影响。不论是点位控制还是连续控制,其进给运动都是数字控制系统的直接控制对象。因此,必须对数控机床进给系统的机械结构提出设计要求。上一页下一页返回6.2数控机床的机械结构1)高传动刚度一般来说,数控机床直线运动的定位精度和分辨率都要达到微米级,回转运动的定位精度和分辨率都要达到角秒级,伺服电动机的驱动转矩(特别是在启动、制动时的力矩)也很大。如果传动部件的刚度不足,必然会使传动部件产生弹性变形,影响系统的定位精度、动态稳定性和响应的快速性,刚度不足与摩擦阻力一起还会导致工作台产生爬行现象以及造成反向死区,影响传动准确性。进给传动系统的传动刚度主要取决于丝杠螺母副(直线运动)或蜗轮蜗杆副(回转运动)及其支承部件的刚度。缩短传动链,加大滚珠丝杠的直径,对丝杠螺母副、支承部件进行预紧,对丝杠进行预拉伸等,都是提高传动系统刚度的有效措施上一页下一页返回6.2数控机床的机械结构2)高谐振为提高进给系统的抗振性,应使机械构件具有高的固有频率和合适的阻尼,一般要求机械传动系统的固有频率应高于伺服驱动系统固有频率的2~3倍。3)低摩擦进给系统的摩擦阻力一方面会降低传动效率,产生发热,而且还直接影响系统的快速性,此外,由于摩擦力的存在,动、静摩擦因数的变化,导致传动部件的弹性变形,产生非线性的摩擦死区,影响系统的定位精度和闭环系统的动态稳定性。在进给系统中普遍采用滚珠丝杠螺母副、静压丝杠螺母副、直线滚动导轨、静压导轨或塑料导轨等执行部件,来减少系统的摩擦阻力,提高运动精度,避免低速爬行。上一页下一页返回6.2数控机床的机械结构4)低惯量在驱动电动机一定时,传动部件的惯量直接决定了进给系统的加速度,它是影响进给系统快速性的主要因素。进给系统由于经常需进行启动、停止、变速或反向,若机械传动装置惯量大,会增大负载并使系统动态性能变差,特别是在高速加工的数控机床上,由于进给系统的加速度要求高,因此,在满足系统强度和刚度的前提下,应尽可能减小运动部件的重量以及各传动元件的尺寸,以降低惯量,提高传动部件对指令的快速响应能力。上一页下一页返回6.2数控机床的机械结构5)无间隙机械间隙影响进给系统的定位精度,也是造成进给系统反向死区的一个主要原因,在闭环系统中,还会影响系统的稳定性,因此必须采取措施消除传动系统的间隙。常用的消除传动部件间隙的措施是对齿轮副、丝杠螺母副、联轴器、蜗轮蜗杆副以及支承件进行预紧或消隙。但是,采取这些措施后可能会增加摩擦阻力并降低机械部件的使用寿命,因此必须综合考虑各种因素,使间隙减小到允许的范围。2.齿轮传动副数控机床的进给传动系统中常采用齿轮传动副来达到一定的降速比和转矩的要求。由于齿轮在制造中总是存在着一定的误差,不可能达到理想齿面的要求,因此一对啮合的齿轮,总应有一定的齿侧间隙才能正常地工作。上一页下一页返回6.2数控机床的机械结构齿侧间隙会造成进给系统反向动作落后于数控系统指令要求,形成跟随误差甚至是轮廓误差。因此,齿轮传动副常采用各种消除侧隙的措施,以尽量减小齿轮侧隙。数控机床上常用的调整齿侧间隙的方法针对不同类型的齿轮传动副有不同的方法。1)刚性调整法刚性调整法是指调整之后齿侧间隙不能自动补偿的调整方法。它要求严格控制齿轮的齿厚及周节公差,否则影响传动的灵活性。用这种方法调整的齿轮传动有较好的传动刚度,而且结构比较简单。偏心轴套式消隙结构是最简单的直齿圆柱齿轮消隙机构,如图6-12所示。电动机2通过偏心轴套1装到壳体上,转动偏心轴套可调整两齿轮的中心距,从而减小了齿轮侧隙。上一页下一页返回6.2数控机床的机械结构图6-13是带有锥度的齿轮垫片消隙结构。在加工齿轮1和2时,将假想的分度圆柱面改变成带有小锥度的圆锥面,使其齿厚在齿轮的轴向稍有变化。装配时,只要改变垫片3的厚度就能调整两个齿轮的轴向相对位置,从而消除了齿侧间隙。图6-14是斜齿轮垫片消隙结构,螺旋角β的厚齿轮4同时与两个相同齿数的薄斜齿轮1和2啮合,薄斜齿轮由平键与轴连接,互相不能相对回转薄斜齿轮1和2的齿形拼装在一起加工,并与键槽保持确定的相对位置加工时,在两薄斜齿轮之间装入厚度为t的垫片3。装配时,通过改变垫片3的厚度使两齿轮的螺旋面错位,其两薄齿轮的左、右两齿面分别与厚齿轮的齿面贴紧以消除齿侧间隙Δ。上一页下一页返回6.2数控机床的机械结构2)柔性调整法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。这种调整法在齿轮的齿厚和周节有差异的情况下,仍可始终保持无间隙啮合,但会影响传动平稳性,且结构比较复杂,传动刚度低。双片齿轮错齿调整法如图6-15所示,两个相同齿数的薄片齿轮1和2与另—个宽齿轮啮合,齿轮1空套在齿轮2上,可以相对转动。齿轮2的端面均匀分布着四个螺孔,装上凸耳8,凸耳8穿过齿轮1端面上的四个通孔,在凸耳8上安上调节螺钉7;齿轮1的端面也均布着四个螺孔,装上凸耳3。弹簧4的两端分别钩在凸耳3和调节螺钉7上。通过螺母5调节弹簧4的拉力,调节完后用螺母6锁紧。弹簧的拉力使薄片齿轮错位,即两个薄齿轮的左右齿面分别贴在宽齿轮齿槽的左右齿面上,从而消除了齿侧间隙。如果齿轮磨损后,在弹簧拉力作用下,产生的间隙仍会自动消除。上一页下一页返回6.2数控机床的机械结构轴向压簧消隙结构如图6-16所示,两个薄片斜齿轮1和2用键4套在轴6上,两个薄片斜齿轮间隔开一小段距离,用螺母5调整压力弹簧3的轴向压力,使薄片斜齿轮1和2的左、右齿面分别贴紧宽斜齿轮7齿槽的左右侧面,从而消除了齿隙。对于圆锥齿轮传动,也可以采用类似于圆柱齿轮的消除间隙方法。图6-17是锥齿轮压力弹簧消隙结构。它将一个大锥齿轮加工成1和2两部分,齿轮的外圈1上带有三个周向圆弧槽8,齿轮的内圈2的端面带有三个凸爪4,套装在圆弧槽内,弹簧6的两端分别顶在凸爪4和镶块7上,使内、外齿圈的锥齿错位,起到了消除间隙的作用。为了安装的方便,用螺钉5将内、外齿圈相对固定,安装完毕之后将螺钉卸去。上一页下一页返回6.2数控机床的机械结构3.滚珠丝杠螺母副在中、小型数控机床的进给系统中滚珠丝杠螺母副的应用较为普遍。滚珠丝杠螺母副是回转运动与直线运动相互转换的新型传动装置,其原理如图6-18所示,在丝杠和螺母上加工有弧形螺旋槽,当它们套装在一起时形成了螺旋滚道,并在滚道内装满滚珠。当丝杠相对于螺母旋转时,两者发生轴向位移,而滚珠则沿着滚道滚动,螺母螺旋槽的两端用回珠管连接起来,使滚珠能做周而复始的循环运动,管道的两端还起着挡珠的作用,以防滚珠沿滚道掉出。上一页下一页返回6.2数控机床的机械结构1)滚珠丝杠螺母副的特点(1)传动效率高,摩擦损失小。滚珠丝杠螺母副的传动效率大约为0.92~0.96,而普通丝杠螺母副的传动效率一般为0.2~0.4。滚珠丝杠螺母副的传动效率比普通丝杠螺母副提高了3~4倍,功率消耗只相当于普通丝杠螺母副的1/4~1/3,可实现高速运动。(2)运动平稳无爬行。由于摩擦阻力小,动、静摩擦系数之差极小,故运动平稳,不易出现爬行现象。(3)传动精度高,反向时无空程。滚珠丝杠副经预紧后,可消除轴向间隙(4)磨损小,精度保持性好,使用寿命长。(5)具有运动的可逆性。可以将旋转运动转换成直线运动,也可将直线运动转换成旋转运动,即丝杠和螺母均可作主动件或从动件。上一页下一页返回6.2数控机床的机械结构(6)制造工艺复杂。滚珠丝杠和螺母等元件的加工精度和表面质量要求高,故制造成本高。(7)不能自锁。特别是垂直安装的滚珠丝杠传动,会因部件的自重而自动下降,因此必须附加制动装置。2)滚珠丝杠螺母副的典型结构类型滚珠丝杠的螺纹滚道法向截面有单圆弧和双圆弧两种不同的形状,如图6-19所示。其中单圆弧加工工艺简单,双圆弧加工工艺较复杂,但性能较好。3)滚珠的循环方式滚珠的循环方式有外循环和内循环两种。滚珠在返回过程中与丝杠脱离接触的为外循环,滚珠在循环过程中与丝杠始终接触的为内循环。上一页下一页返回6.2数控机床的机械结构外循环滚珠丝杠副按滚珠循环时的返回方式主要有插管式和螺旋槽式图6-20(a)所示为插管式,它用弯管作为返回管道,这种形式结构工艺性好,但由于管道突出于螺母体外,径向尺寸较大。图6-20(b)所示为螺旋槽式,它是在螺母外圆上铣出螺旋槽,槽的两端钻出通孔并与螺纹滚道相切,形成返回通道,这种形式的结构比插管式结构径向尺寸小,但制造上较为复杂。图6-21为内循环结构。在螺母的侧孔中装有圆柱凸键式反向器,反向器上铣有S形回珠槽,将相邻两螺纹滚道连接起来。滚珠从螺纹滚道进入反向器,借助反向器迫使滚珠越过丝杠牙顶进入相邻滚道,实现循环一般一个螺母上装有2~4个反向器,反向器沿螺母圆周等分分布。其优点是径向尺寸紧凑,刚性好,因其返回滚道较短,摩擦损失小。缺点是反向器加工困难。上一页下一页返回6.2数控机床的机械结构4)滚珠丝杠螺母副间隙的调整为了保证滚珠丝杠反向传动精度和轴向刚度,必须消除滚珠丝杠螺母副轴向间隙。消除间隙的方法常采用双螺母结构,利用两个螺母的相对轴向位移,使每个螺母中的滚珠分别接触丝杠滚道的左右两侧。用这种方法预紧消除轴向间隙时,预紧力一般应为最大轴向负载的l/3。当要求不太高时,预紧力可小于此值。(1)双螺母螺纹式消隙结构。如图6-22所示,右螺母4外端有凸缘,而左螺母1左端是螺纹结构,伸出套筒外,螺母1、4和螺母座上加工有键槽,采用平键连接,以限制螺母在螺母座内的转动。调整时,拧紧圆螺母3使螺母1沿轴向移动一定距离,即可消除间隙,并用螺母2将其锁紧。这种调整方法具有结构简单、工作可靠、调整方便的优点,但调整预紧量不能准确控制。上一页下一页返回6.2数控机床的机械结构(2)双螺母垫片式消隙结构。如图6-23所示,调整垫片厚度使左右两螺母产生方向相反位移,使两个螺母中的滚珠分别贴紧在螺旋滚道的两个相反的侧面上,即可消除间隙和产生预紧力。这种方法结构简单,刚性好,但调整不便,滚道有磨损时不能随时消除间隙和进行预紧。(3)双螺母齿差式消隙结构。如图6-24所示,左右两个螺母的凸缘上各加工有齿数为z1、z2的圆柱外齿轮,而齿数相差1,即z2-z1=1,两个圆柱外齿轮分别与两端的内齿圈相啮合,内齿圈用螺钉和定位销固定在套筒上。调整时,先取下内齿圈,让两个螺母相对于螺母座同方向都转动一个齿或几个齿,然后再插入内齿圈并紧固在螺母座上,两个螺母便产生相对角位移,使两螺母轴向间距改变,实现消除间隙和预紧。假设两个螺母转过的圈数为n,P为滚珠丝杠的导程,则间隙消除量Δ=上一页下一页返回6.2数控机床的机械结构这种调整方法能精确计算调整预紧量,调整方便、可靠,但结构尺寸较大,多用于高精度的传动。5)滚珠丝杠副的支承方式数控机床的进给系统要获得较高的传动刚度,除了加强滚珠丝杠副本身的刚度外,还要重视滚珠丝杠的正确安装及支承结构的刚度。为了提高支承的轴向刚度,必须选择合理的滚动轴承。目前国内主要采用两种组合方式,一种是角接触球轴承组合使用,其结构虽简单,但轴向刚度不足。另一种是把推力轴承和角接触球轴承组合使用,其轴向刚度有了提高,但增大了轴承的摩擦阻力和发热,而且增加了轴承支架的结构尺寸。常用滚珠丝杠支承方式有以下几种。上一页下一页返回6.2数控机床的机械结构一端装推力轴承,另一端悬空,如图6-25(a)所示。因其一端是自由状态故轴向刚度和承载能力低,多用于轻载、低速的垂直安装丝杠传动系统。图6-25(b)将推力轴承分别装在滚珠丝杠的两端,并施加预紧拉力,有助于提高传动刚度。但这种安装方式对热伸长很敏感。图6-25(c)是一端固定,一端浮动的支承方式,固定端安装一对推力轴承另一端装向心球轴承。浮动端能做微量的轴向浮动,其轴向刚度不太高。这种配置结构适用于较长丝杠或卧式丝杠。图6-25(d)两端装双重推力轴承和向心球轴承,并施加预紧力,使得刚度最高。该方式适合高刚度、高速度的精密长丝杠传动。上一页下一页返回6.2数控机床的机械结构6.2.4数控机床的自动换刀装置在机床实际加工过程中,一个零件的完成往往需要进行多个工步或工序才能完成,而无自动换刀的数控机床只能完成单工序的加工,因此,在加工一个零件的过程中,需要花费大量的时间用于更换刀具、装卸零件、测量和搬运零件等,切削加工时间仅占整个工时中较小的比例。而具有自动换刀装置的数控机床能大大缩短辅助时间,提高加工效率,同时也减少了零件安装定位次数和装夹误差,从而提高了加工精度。自动换刀装置是储备一定数量的刀具并完成刀具自动交换功能的装置自动换刀装置应满足存放刀具数量多(刀库容量大)、换刀时间短、刀具重复定位精度高、刀库占用空间小,安全可靠等基本要求。上一页下一页返回6.2数控机床的机械结构1.换刀装置的形式换刀装置的形式有排式刀架换刀、回转刀架换刀、更换主轴换刀、更换主轴箱换刀、更换刀库换刀、带刀库的自动换刀系统等。1)排式刀架换刀装置排式刀架一般用于小规格数控车床,以加工棒料或盘类零件为主。排式刀架夹持着各种不同用途刀具沿着机床的X坐标轴方向排列在横向滑板上,如图6-26所示。当一把刀具完成车削任务后,横向滑板只要按程序沿X轴移动预先设定的距离后,第二把刀就到达加工位置,这样就完成了机床的换刀动作。这种刀架在刀具布置和机床调整等方面都较为方便,可以根据具体工件的车削工艺要求,任意组合各种不同用途的刀具,而且换刀迅速省时,有利于提高机床的生产效率。上一页下一页返回6.2数控机床的机械结构2)回转刀架换刀装置回转刀架换刀装置是数控车床上最常用的典型换刀装置,一般通过液压系统或电气驱动刀架的旋转分度定位来实现数控机床的自动换刀动作。回转刀架的换刀动作可分为刀架抬起、刀架转位和刀架锁紧等几个步骤,它的动作是由数控系统发出指令完成的。回转刀架必须具有良好的强度和刚度,以承受粗加工的切削力,同时要保证回转刀架在每次转位的重复定位精度,以提高切削精度。根据加工要求,回转刀架可设计成四方刀架(四把刀具)、六角刀架(六把刀具)、圆盘式轴向装刀刀架(更多刀具)。根据刀架回转轴与安装底面的相对位置关系,分为立式刀架和卧式刀架两种,如图6-27为卧式回转刀架。回转刀架结构简单,安装、维护方便,但存放刀具数量有限。上一页下一页返回6.2数控机床的机械结构3)更换主轴换刀装置在带有旋转刀具的数控机床中,主轴头上是转塔刀库,如图6-28所示。主轴头通常有卧式和立式两种,用转塔的转位来更换主轴头,以实现自动换刀。在转塔的各个主轴头上,预先安装有各工序所需的旋转刀具当发出换刀指令时,各主轴头依次转到加工位置,并接通主轴运动,使相应的主轴带动刀具旋转,而其他处于不加工位置上的主轴都与主运动脱开。更换主轴换刀方式的主要优点在于省去了自动松夹、卸刀、装刀、夹紧以及刀具搬运等一系列复杂的操作。从而提高了换刀的可靠性,并显著地缩短了换刀时间。但由于空间位置的限制,主轴部件的结构不可能设计得十分坚实,因而影响了主轴系统的刚度。上一页下一页返回6.2数控机床的机械结构为了保证主轴的刚度,必须限制主轴数目,否则会使结构尺寸大为增加因此,转塔主轴头通常只用于工序较少、精度要求不太高的机床,例如数控钻床、铣床等。4)更换主轴箱换刀装置采用多主轴箱的数控机床往往利用更换主轴箱达到换刀的目的,如图6-29所示。主轴箱库8吊挂着备用主轴箱2~7。小车Ⅰ、Ⅱ安装在主轴箱两端的导轨上,它们在主轴箱库与机床动力头之间同步运行,运送主轴箱。根据加工要求,先选好所需的主轴箱,待两小车运行至该主轴箱处时,将它推到小车Ⅰ上,小车Ⅰ载着主轴箱与小车Ⅱ同时运动到机床动力头两侧的更换位置。上一页下一页返回6.2数控机床的机械结构当上一道工序完成后,动力头带着主轴箱1上升到更换位置,夹紧机构将主轴箱1松开,定位销从定位孔中拔出,推杆机构将主轴箱1推到小车Ⅱ上,同时又将小车Ⅰ上的待用主轴箱推到机床动力头上,并进行定位夹紧。与此同时,两小车返回主轴箱库,停在下次待换的主轴箱旁的空位上。也可通过机械手10在刀库9和主轴箱1之间进行刀具交换。这种换刀形式,多用于加工箱体类零件。上一页下一页返回6.2数控机床的机械结构5)更换刀库换刀装置当加工工艺的范围很广,所需刀具数很多,机床刀库的容量有限时,可以采用多个刀库存刀,先自动更换刀库,再从更换后的刀库中选择所需要的刀具。如图6-30所示,更换刀库时,机床立柱带着刀库沿纵向导轨移至某一空储存架9前,使立柱上的刀库托板导轨2与储存架9的托板导轨3对准,推送装置将刀库1从立柱推入储存架9上。机床立柱纵向移动到预定的刀库储存架前(4、5、6、7或8等某一位置),并使两托板导轨相互对准,刀库推送装置将选定的刀库从储存架托板上推到机床立柱的刀库座内定位并夹紧。上一页下一页返回6.2数控机床的机械结构6)带刀库的自动换刀系统带刀库的自动换刀系统由刀库和刀具交换装置组成,是目前镗铣加工中心机床上应用最为广泛的一种自动换刀形式,其刀具交换装置是利用无机械手换刀(刀库与机床主轴的相对运动实现刀具交换,也称刀库换刀)或机械手换刀实现刀库与主轴间传递和装卸刀具。带刀库的自动换刀系统中,首先把加工过程中需要使用的全部刀具分别安装在标准刀柄上,在机外进行尺寸预调整后,按一定的方式放入刀库中。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,在进行交换刀具之后,将新刀具装入主轴,把旧刀具放回刀库。存放刀具的刀库具有较大的容量,它既可以安装在主轴箱的侧面或上方,也可作为单独部件安装到机床以外,但需要附加运输装置来完成刀库与主轴之间刀具的运输,如图6-31所示。上一页下一页返回6.2数控机床的机械结构图6-31(a)是将刀库装在机床的工作台上,当数控机床换刀时,工作台右移,工件从主轴下面移开,刀库移到主轴下面,使刀库的某个空刀座对准主轴;然后将主轴箱下降,把主轴上用过的刀具放回刀库空刀座;主轴箱上升,刀库回转,将下一工步所需要的刀具对准主轴;主轴箱下降,刀具插入机床主轴;主轴箱上升,工作台向左返回,刀库从主轴下面移开,工件移至主轴下面,使刀具对准工件的加工面;主轴箱下降,刀具对工件进行切削加工;加工完后,主轴箱上升,刀具从工作台上退回;进行下一次刀具选择。上一页下一页返回6.2数控机床的机械结构图6-31(b)是刀库装在机床外。左侧的链式刀库由四排刀链组成,双臂式交叉机械手上下移动,在四排刀链上选择所需要的刀具,并取刀。为了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须沿本身导轨做直线往复运动,以装卸刀具。2.刀库在自动换刀系统中,刀库是最主要的部件之一,它是用来储存加工刀具及辅助工具的地方。1)刀库的容量刀库的容量是刀库所能储存的刀具数量。因此,在选择刀库容量时应以满足一个复杂加工零件对刀具的需要为原则,根据典型工件的工艺分析算出加工零件所需的全部刀具数,以此来选择刀库容量。上一页下一页返回6.2数控机床的机械结构刀库中的刀具并不是越多越好,太大的容量会增加刀库的尺寸和占地面积,使选刀时间过长,当要求的数量太大时,可适当分解工序,将一个工件分解为两个、三个工序加工,以减小刀库容量。根据以钻、铣为主的立式加工中心所需刀具数的统计,绘制出图6-32所示的曲线,从图中可以看出,5把铣刀可完成90%的铣削加工,8把车刀可以完成90%的车削加工,10把孔加工刀具可完成60%的钻削加工。从使用的角度来看,刀库的容量一般为10~40把较为合适,盲目的加大刀库容量,将会使刀库的利用率降低,结构过于复杂,造成很大浪费。上一页下一页返回6.2数控机床的机械结构2)刀库的类型加工中心上普遍采用的刀库有盘式刀库、链式刀库、格子盒式刀库等(1)盘式刀库(也称鼓轮式刀库)。图6-33是盘式刀库,根据机床的总体布局,盘式刀库中刀具可以按照不同的方向进行配置。图6-33(a)、(b)所示为刀具轴线与刀盘轴线平行布置的刀库,轴向布置可实现径向和轴向取刀,其中图6-33(a)为径向取刀形式,图6-33(b)为轴向取刀。图6-33(c)刀具径向布置,图6-33(d)刀具与刀库轴心线成一定角度(小于90°),呈伞状布置。盘式刀库的特点是结构简单,应用较多,但由于刀具环形排列,空间利用率低,受刀盘尺寸的限制,刀库容量较小,通常容量为15~32把刀。也有将刀具在盘中采用双环或多环排列,以增加空间利用率,但这样会使刀库的外径过大,转动惯量大,选刀时间也较长,因此盘式刀库一般用于刀具容量较小的刀库。上一页下一页返回6.2数控机床的机械结构(2)链式刀库。在环形链条上装有许多刀座,刀座孔中装夹各种刀具,链条由链轮驱动链条的形状可以根据机床的布局配置成各种形状,也可将换刀位置突出以便于换刀。链式刀库有单链环和多链环等几种。图6-34(a)所示为单链环布局,图6-34(b)所示为多链环布局。当链式刀库需要增加刀具数量时,只需增加链条的长度即可。在一定范围内,当链条较长时,可以增加支承轮的数量,使链条折叠回绕,提高空间利用率,如图6-34(c)所示。链式刀库的特点是结构紧凑,灵活性好,刀库容量较大,选刀和取刀动作简单,适用于刀库容量较大的场合,多为轴向取刀,一般当刀具数量在30~120把时,多采用链式刀库。上一页下一页返回6.2数控机床的机械结构(3)格子盒式刀库。如图6-35所示,刀具在格子盒式刀库中分几排直线排列,由纵、横向移动的换刀机械手完成选刀运动,将选取的刀具送到固定的换刀位置刀座上,由换刀机械手交换刀具。刀具排列密集,结构紧凑,刀库占地面积小,空间利用率高,刀库容量大,但由于它的选刀和取刀动作复杂,现已较少用于单机加工中心,多用于FMS(柔性制造系统)的集中供刀系统。3.刀具的选择方式根据数控系统发出的换刀指令,刀具交换装置从刀库中挑选相应工序所需要的刀具的操作称为自动选刀。上一页下一页返回6.2数控机床的机械结构1)选刀方式常用的刀具选择方式有顺序选刀和任意选刀两种。顺序选刀方式,首先根据零件的加工工艺选好所需要的刀具,然后按照加工顺序将刀具依次插入刀库的刀座中,要注意装刀顺序不能出现差错,否则将会引起设备或质量事故。换刀时,刀库按顺序旋转到要选的刀具位置,取出刀具即可。使用过的刀具可以放回到原来的刀座内,也可按顺序放入下一个刀座内。顺序选刀方式不需要刀具识别装置,驱动控制比较简单,可以直接由刀库的分度机构来实现,具有结构简单,工作可靠的特点。顺序选刀方式适合于加工批量较大、工件品种数量较少的中、小型数控机床的自动换刀系统。上一页下一页返回6.2数控机床的机械结构任意选刀方式,对每把刀具(或刀座)进行编码,根据程序发出的指令来识别编码,从而选中所需要的刀具。刀具在刀库中可不必按照工件的加工顺序排列,因此采用任意选刀方式的自动换刀系统中必须有刀具识别装置。自动换刀时,刀库旋转,每把刀具(或刀座)都经过“刀具识别装置”进行识别,当某把刀具的代码与数控指令的代码相符合时,该刀具将被送到换刀位置,等待机械手来抓取。刀具的排列顺序与工件加工顺序无关,每把刀具均有自己的代码,加工中可以任意选择且同一把刀具可重复使用,也不必放入固定刀座,装刀、选刀都较方便。因此,刀具数量比顺序选刀方式的刀具可少一些,刀库也相应的小一些。2)编码方式任意选刀方式必须对刀具(或刀座)编码,以便识别,其编码方式主要有以下四种:刀具编码方式、刀座编码方式、编码附件方式、计算机记忆式选刀。上一页下一页返回6.2数控机床的机械结构(1)刀具编码方式。利用安装在刀柄上的编码元件(如编码环、编码螺钉等)预先对刀具编码,然后将刀具放在刀座中。换刀时,通过编码识别装置,根据刀具编码选刀。识别原理如图6-36所示,在刀柄1后端的控杆4上套装着等间隔的编码环2,由锁紧螺母3固定。编码环既可以是整体的,也可由圆环组装而成编码环直径有大小两种,大直径的为二进制的“1”,小直径的为“0”,通过大小圆环的不同排列,可以得到一系列代码,例如图中所示的代码为010101号刀具,由6个大小直径的圆环便可组成能区别63(26-1=63)种刀具的编码,通常全部为0的代码不许使用,以避免与刀座中没有刀具的状况相混淆。上一页下一页返回6.2数控机床的机械结构编码的刀具可存放于刀库的任意刀座中,刀具可在不同的工序中被多次重复使用,且换下来的刀具也不必放回原来的刀座中。这对装刀和选刀都十分有利,缩短了刀库的运转时间,简化了自动换刀控制线路,刀库的容量也可以相应地减少,而且还可避免顺序选刀方式中由于刀具存放顺序出现差错而造成的事故。(2)刀座编码方式。预先对刀库中的每个刀座进行编码,并将与刀座编码相对应的刀具一一放入指定的刀座中,然后根据刀座的编码选取刀具。刀座编码装置如图6-37所示,在圆盘圆周上均布若干个刀座编码块2(装在相应的刀座外侧边缘上),刀库下方装着固定不动的刀座识别装置1。换刀时,刀库旋转,使刀座依次经过识刀器,找到规定的刀座,旋转停止,该刀座中的刀具即为所需刀具。上一页下一页返回6.2数控机床的机械结构由于刀座编码方式取消了刀柄中的编码环,使刀柄结构大为简化。因此,刀具识别装置的结构不受刀柄尺寸的限制,而且可以放在较适当的位置。采用刀座编码的方式,一把刀具只对应一个刀座,从一个刀座中取出的刀具必须放回同一刀座中,增加了换刀动作。(3)编码附件方式。可分为编码钥匙、编码卡片、编码杆和编码盘等,其中应用最多的是编码钥匙。上一页下一页返回6.2数控机床的机械结构编码钥匙是先给各刀具都附上一把表示该刀具号的编码钥匙,当把刀具存放到刀库中时,将编码钥匙插进刀座旁边的钥匙孔中,这样就把钥匙的号码转记到刀座中,给刀座编上了号码。识别装置可以通过识别钥匙上的号码来选取该钥匙旁边刀座中的刀具。当从刀座中取出刀具的同时,相应的编码钥匙也被取出,刀座中记忆的编码随之消失,所以编码钥匙方式称为临时性编码,临时性编码具有更大的灵活性。编码钥匙的结构如图6-38(a)所示,钥匙的两边最多可带有22个方齿,除导向用的两个方齿(导向突起1)外,共有20个凸出或凹下的位置(代码突起2),可区别220-1=1048575把刀具上一页下一页返回6.2数控机床的机械结构如图6-38(b)所示为编码钥匙孔的剖面图,钥匙沿着水平方向的钥匙缝插入钥匙孔座,然后顺时针方向旋转90°,处于钥匙代码突起5的弹簧接触片4被撑起,表示代码“1”;处于代码凹处的弹簧接触片6保持原状,表示代码“0”。由于钥匙上每个凸凹部分的旁边各有相应的炭刷3,可将钥匙各个凸凹部分识别出来,即识别出相应的刀具。(4)计算机记忆式选刀(或刀具刀座跟踪记忆法)。这是目前使用最多的任意选刀方式。刀具号和存刀位置或刀座号对应地记忆在计算机的存储器或可编程控制器中,由于在刀库上装有位置检测装置,不论刀具存放在哪个位置,计算机都始终记忆着它的踪迹,这样刀具可以任意取出,任意送回,刀具本身不必设置编码元件,结构大为简化,控制也十分简单,计算机控制的机床几乎都使用这样选刀方式,在刀库上设有机械原点,每次选刀刀库正反方向旋