數(shù)控機床的結(jié)構

1、第第2章章 數(shù)控機床的結(jié)構數(shù)控機床的結(jié)構主機結(jié)構 數(shù)控機床的本體，包括床身、主柱、橫梁、滑座、工作臺、數(shù)控機床的本體，包括床身、主柱、橫梁、滑座、工作臺、主軸主軸、進給機構進給機構等機等機械部件。械部件。 CNC裝置 （詳見第三章）數(shù)控機床的核心部件，包括計算機、存儲器、顯示器、鍵盤、程序輸入輸出裝置數(shù)控機床的核心部件，包括計算機、存儲器、顯示器、鍵盤、程序輸入輸出裝置及相應的軟件。及相應的軟件。 驅(qū)動裝置數(shù)控機床執(zhí)行機構的驅(qū)動部件，包括主軸驅(qū)動單元，進給驅(qū)動單元，主軸電機及數(shù)控機床執(zhí)行機構的驅(qū)動部件，包括主軸驅(qū)動單元，進給驅(qū)動單元，主軸電機及進給電機等。進給電機等。 輔助裝置 數(shù)控機床的配套

2、部件，包括液壓和氣動裝置、數(shù)控機床的配套部件，包括液壓和氣動裝置、位置檢測裝置位置檢測裝置、自動換刀裝置自動換刀裝置、排、排屑裝置、交換工作臺、數(shù)控轉(zhuǎn)臺和數(shù)控分度頭、刀具及監(jiān)控檢測裝置。屑裝置、交換工作臺、數(shù)控轉(zhuǎn)臺和數(shù)控分度頭、刀具及監(jiān)控檢測裝置。 編程機及輔助設備（如打印機等）（如打印機等）數(shù)控機床結(jié)構示意圖數(shù)控機床結(jié)構示意圖主軸驅(qū)動主軸驅(qū)動 主軸驅(qū)動由主軸及主軸箱，主傳動機構，速度計，還可能有一個齒輪傳動機構組成。對于車床，主軸通常具有一個螺紋控制。主軸通常是皮帶傳動，能減小振動。主主 軸軸車床主軸裝有裝卡裝置和工件。銑床和鉆床主軸裝有刀具。主軸剛性盡可能的好，這樣承受沉重的負載時不會發(fā)生

3、變形。對于主軸的外形和功能，具有一系列的標準。主軸驅(qū)動主軸驅(qū)動主軸箱主軸箱主軸箱通常由鑄鐵制成，承受主軸的負荷。它必須非常堅固以承受應力。必須消除摩擦熱。如果缺少冷卻液而使頭架內(nèi)的溫度過高 ，頭架將擴張。這將影響加工的精度。這種現(xiàn)象叫作熱膨脹。主軸驅(qū)動主軸驅(qū)動主軸主軸主軸驅(qū)動主軸驅(qū)動主傳動機構主傳動機構機床的主傳動機構通常是直流電機（DC）或交流電機（AC）。主傳動機構的功率能到達160HP（120KW）。如果主傳動機構的速率（r/min）不夠，則加入齒輪傳動機構，通常是從2個齒輪到4個齒輪的傳動。主軸驅(qū)動主軸驅(qū)動速速 度度 計計 速度計是一個測量裝置，顯示CNC系統(tǒng)當前主軸的r/min值。主

4、軸驅(qū)動主軸驅(qū)動螺紋控制螺紋控制 車床的螺紋切削，主軸和絲桿必須同步。因為要同步，螺紋控制需要提供CNC系統(tǒng)所需的數(shù)據(jù)。主軸驅(qū)動主軸驅(qū)動進給機構進給機構 滑板通過進給機構起動。主要組件有具有導軌的滑鞍，滾珠絲桿（在NC機床上），進給傳動使用的傳動帶和滑動離合器。另外，每個軸有它們自己的測量系統(tǒng)。傳動機構傳動機構 伺服傳動機構通常用于機床的進給傳動。輔助傳動裝置包括一臺伺服電機和一個電子控制模塊。直流和交流電機均被用于進給傳動。 通過一條齒形帶，功率完成從進給驅(qū)動裝置到滾珠絲桿的傳輸。進給機構進給機構滑動離合器滑動離合器 滑動離合器與滾珠絲桿有關。在碰撞時，減小進給驅(qū)動的損害。在任何時候滑鞍碰撞到

5、障礙時，可以使進給驅(qū)動停止（比如：由于一個程序錯誤造成的障礙）。 2個極限開關被安裝在每個滑鞍上，使CNC系統(tǒng)確認移動的終端。進給機構進給機構滾珠絲桿滾珠絲桿 通過此裝置驅(qū)動滑鞍。運動高度精確并且運動平穩(wěn)。進給機構進給機構滾珠絲桿原理滾珠絲桿原理 在絲桿和螺母上加工有弧形螺旋槽，當把它們套裝在一起時形成螺旋通道，并且在滾道內(nèi)填滿滾珠。當絲桿相對于螺母旋轉(zhuǎn)時，絲桿的旋轉(zhuǎn)面經(jīng)滾珠推動螺母軸向移動，同時滾珠沿螺旋滾道滾動，使絲桿和螺母的滑動摩擦轉(zhuǎn)變?yōu)闈L珠與絲桿、螺母之間的滾動摩擦。 滾珠絲桿具有傳動效率高、運動平穩(wěn)、壽命高、反向時無空程死區(qū)以及可以預緊以消除間隙并提高系統(tǒng)剛度等特點，除了大型數(shù)控機床

6、因移動距離大而采用齒條或渦輪外，各類中、小型數(shù)控機床的直線運動進給系統(tǒng)普遍采用滾珠絲桿。 進給機構進給機構滾珠絲桿的結(jié)構示意圖滾珠絲桿的結(jié)構示意圖 1絲桿絲桿 2螺母螺母 3滾珠滾珠 4回珠管回珠管5反向器反向器 外循環(huán)式外循環(huán)式內(nèi)循環(huán)式內(nèi)循環(huán)式常用的滾珠循環(huán)方式有2種：滾珠在循環(huán)過程中有時與絲桿脫離接觸的稱為外循環(huán)外循環(huán)；始終與絲桿保持接觸的稱為內(nèi)內(nèi)循環(huán)循環(huán)。 進給機構進給機構導導 軌軌 導軌是機床的組件（比如工作臺），以直線移動。它們必須高度精確能承受小的磨損和摩擦，并且容易潤滑和維修。 運動通過調(diào)整導軌條的方法被調(diào)整。平面導軌平面導軌燕尾導軌燕尾導軌棱柱形導軌棱柱形導軌移動移動固定固定進

7、給機構進給機構數(shù)控機床的定位數(shù)控機床的定位 數(shù)控機床根據(jù)CNC系統(tǒng)的命令完成相關的軸運動。控制系統(tǒng)因此需要感應滑板實際位置的信息。此信息通過一個位置測量系統(tǒng)提供。NC機床的定位機床的定位J 數(shù)字式測量是以量化后的數(shù)字形式表示被測量。得到的測量信號通常是電脈沖形式，它將脈沖個數(shù)計數(shù)后以數(shù)字形式表示位移。具有信號處理簡單，抗干擾性強等優(yōu)點。J 模擬式測量是以模擬量表示被測量，得到的測量信號是電壓或電流，電壓或電流的大小反映位移量的大小。它對信號處理的方法相對來說比較復雜，并且需增加濾波器等，來提高抗干擾性。 NC機床的定位機床的定位絕對測量 測量值總是參考于特定的零點。相對測量 測量值總是參考于最

8、后被測量的點，此點相當于零點。常用的檢測元件常用的檢測元件數(shù)字式 模擬式 增量式 絕對式 增量式 絕對式 回轉(zhuǎn)型光電盤、圓光柵 編碼盤 旋轉(zhuǎn)變壓器、圓型磁尺、圓感應同步器 多極旋轉(zhuǎn)變壓器、三速圓感應同步器 直線型 光柵、激光干涉儀 編碼尺、多通道投射光柵 感應同步器、磁尺 三速感應同步器、絕對式磁尺 位置測量方法位置測量方法相對位置測量絕對位置測量根據(jù)刀架上測量系統(tǒng)的位置直接位置測量間接位置測量相對位置測量相對位置測量 使用一個透鏡量桿,它被分成非常小的距離（1/1000mm）。 當一個光源和一個光電元件的傳感器沿著此量桿移動，脈沖被送入到光電元件。這些脈沖被計數(shù)并且提供信息作為走過距離的值。

9、光源光源光電元件光電元件透鏡量桿透鏡量桿掃描板掃描板聚光器聚光器位置測量方法位置測量方法絕對位置測量絕對位置測量 使用一個代碼量桿，能在任何時候從量桿上讀取絕對位置（與機床零點有關）。 量桿被分成幾個通道，此通道被傳感器掃描。 一個絕對測量系統(tǒng)不需要參考點的初始數(shù)值。代碼量桿代碼量桿發(fā)光二極管發(fā)光二極管傳感器傳感器位置測量方法位置測量方法直接位置測量直接位置測量位置測量方法位置測量方法 將檢測裝置直接安放在機床拖板上，直接測量機床坐標的直線位移量，來保證得到高的準確度。 作為全閉環(huán)伺服系統(tǒng)的位置反饋用。缺點缺點 測量裝置要和工作臺行程等長，所以在大型數(shù)控機床上受到一定限制。 間接位置測量間接位

10、置測量 將檢測裝置（透鏡盤，光源，光電元件）直接安裝在驅(qū)動電動機軸上或滾珠絲桿，通過檢測轉(zhuǎn)動件的角位移來間接測量機床坐標的直線位移。 作為半閉環(huán)伺服系統(tǒng)的位置反饋用。優(yōu)點優(yōu)點是測量方便可靠，無長度限制。缺點缺點是測量信號中增加了由回轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€運動的傳動鏈誤差，從而影響其測量精度。位置測量方法位置測量方法自動換刀裝置自動換刀裝置 在數(shù)控加工中，一些操作是不改變工件的位置而進行的。因此需要一些不同的刀具。 操作者能完成刀具的更換，但是結(jié)果是增加了設置的時間。因此應該首選自動更換刀具。 對于自動更換刀具，需結(jié)合一個換刀裝置，使用轉(zhuǎn)塔刀架或刀庫。刀具固定件刀具固定件銑床刀具固定件末端具有一個固位

11、銷或夾緊螺栓，夾緊刀具到主軸上。車床一個圓柱刀具固定件被固定到轉(zhuǎn)塔刀架上，進行使用。選刀及刀具識別選刀及刀具識別刀庫的選刀方式刀庫的選刀方式 順序選刀任意選刀刀具的識別刀具的識別 刀具編碼刀座編碼 刀具的識別方法刀具的識別方法 記憶方式 條形碼識別 存儲器識別順序選刀順序選刀 刀庫中的刀具位置嚴格按所需加工零件的加工順序排列，加工時按順序調(diào)刀。 優(yōu)點：刀庫的驅(qū)動和控制簡單，無需刀具識別裝置，維護簡單。 缺點：加工不同的工件時必須重新調(diào)整刀庫中的刀具順序，操作繁瑣，降低系統(tǒng)的柔性。加工同一工件時各工序的刀具不能重復使用，增加了刀具數(shù)量和刀庫存儲量，而且由于刀具的尺寸誤差也容易造成加工精度的不穩(wěn)定

12、。為避免加工事故，操作人員必須在加工前仔細檢查刀具的排列順序。 這種方式適合加工批量較大、工件品種數(shù)量較少的中小型自動換刀數(shù)控機床。 選刀選刀任意選刀任意選刀 需預先將刀庫中的每把刀具（或每個刀座）進行編碼，使之具有可識別的代碼。因此刀具在刀庫中的位置不必按照零件的加工順序排列。換刀時，通過刀具或刀座識別裝置來識別和選擇所需的刀具。 優(yōu)點：刀庫中刀具的排列順序與加工零件的加工順序無關，增加了系統(tǒng)的柔性。同一工具可供不同工件、不同工步共同使用，減少刀具數(shù)量和刀庫存儲量。 缺點：需設置刀具識別裝置，使刀庫的控制與驅(qū)動復雜。需對刀具或刀座編碼，增加了輔助工作量。維護比順序選刀方式要復雜。 這種方式適

13、合于多品種小批量的隨機生產(chǎn)，并可加工較復雜的零件。 選刀選刀刀具編碼刀具編碼 此方式對每把組裝刀具都進行二進制編碼，并設法把此編碼信息的載體以某種方式固定在刀具上，由于各種刀具的夾頭相同而幾何形狀和尺寸不同，為便于識別，一般都把代碼信息載體固定在組裝刀具的夾頭上。這樣刀具可隨機存放在任意刀座內(nèi)，但刀具夾頭必須專門設計和制造。 由于每把刀具都帶有專用的編碼，使刀具的長度加長，制造困難，刀具剛度降低，同時使得刀庫和機械手的結(jié)構也變得復雜。 刀具識別刀具識別刀座編碼刀座編碼 此方式對刀庫的每個刀座進行編碼，并將此編碼信息的載體以某種方式固定在各相應的刀座上便于識別的地方。 此方式只識別刀座不識別刀具

14、。因此各刀具必須“對號入座”，已使用過的刀具也需放回刀庫原來的刀座中，否則將發(fā)生錯誤和混亂。 刀具識別刀具識別刀具的識別方法刀具的識別方法 刀具編碼的識別方法有接觸接觸式式和非接觸式非接觸式兩類。 前者的編碼信息載體和識別裝置有磨損問題，因而當前主要采用非接觸式。通常應用電磁感應或光電原理實現(xiàn)代碼的識別。 此外，圖像識別技術也開始用于刀具識別中。 記憶方式記憶方式 把刀具號和刀庫上存刀位置（地址）對應地記憶在數(shù)控系統(tǒng)的計算機存儲器或可編程序控制器的存儲器內(nèi)。刀庫上安裝位置檢測裝置，刀庫上每個存刀位置（地址）都可通過位置檢測裝置測出。每次換刀的同時改變存儲器內(nèi)容，始終跟蹤記憶哪號刀具放于哪個存刀

15、位置（地址）。 這樣刀具可任意取出并送回，而且刀具本身不必設編碼元件，省去編碼識別裝置，使控制大為簡化。刀庫上還設有機械原點，使每次選刀時就近選取，如對于盤式來說，每次選刀運動或正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)都不會超過180。 刀具識別方法刀具識別方法條形碼識別條形碼識別 刀具編碼與刀具預調(diào)工作相結(jié)合。預調(diào)時，即對刀具進行編碼，并通過與預調(diào)裝置相連的打印機打印出條形碼表，由操作者貼到刀具上，然后將刀具投入系統(tǒng)。選刀時，用條形碼閱讀器進行精確的刀具識別。 編碼作業(yè)簡單，但由于目前大部分機床安裝刀具的操作仍然由人工完成，裝錯的可能性仍然存在。另外，在較臟的環(huán)境下，條形碼容易從工具上脫落。 刀具識別方法刀具識別方法存儲

16、器識別存儲器識別 在刀具上埋入一種以硅片為基本元件的刀具數(shù)據(jù)載體，用以存儲刀具編碼及其他特征數(shù)據(jù)（一般每個載體能夠存儲64個刀具特征）。這種裝置的優(yōu)點是一旦刀具準備好，就可以用于系統(tǒng)中任意一臺機床的任何刀位上，而不需要“對號入座”。 缺點是存儲次數(shù)太多會降低刀具數(shù)據(jù)載體的壽命。一般在刀具數(shù)據(jù)載體的壽命期限內(nèi)，可以進行一萬多次存儲循環(huán)。 此方法可存儲信息量多，使用也較方便可靠。 刀具識別方法刀具識別方法自動換刀裝置類型自動換刀裝置類型類別型式 特點 適用范圍 轉(zhuǎn)塔式 回轉(zhuǎn)刀架 多為順序換刀，換刀時間短、結(jié)構簡單緊湊、容納刀具較少 各種數(shù)控車床，數(shù)控車削加工中心 轉(zhuǎn)塔頭 順序換刀，換刀時間短，刀具

17、主軸都集中在轉(zhuǎn)塔頭上，結(jié)構緊湊。但剛性較差，刀具主軸數(shù)受限制 數(shù)控鉆、鏜、銑床 刀庫式 刀具與主軸之間直接換刀 換刀運動集中，運動部件少。但刀庫容量受限。 各種類型的自動換刀數(shù)控機床，尤其是對使用回轉(zhuǎn)類刀具的數(shù)控鏜、銑床類立式、臥式加工中心機床，要根據(jù)工藝范圍和機床特點，確定刀庫容量和自動換刀裝置類型 用機械手配合刀庫進行換刀 刀庫只有選刀運動，機械手進行換刀運動，刀庫容量大 回轉(zhuǎn)刀架回轉(zhuǎn)刀架 回轉(zhuǎn)刀架是一種最簡單的自動換刀裝置，常用于數(shù)控車床。根據(jù)不同的加工對象，它可以設計成四方刀架、六角刀架等多種形式。 回轉(zhuǎn)刀架可在回轉(zhuǎn)軸徑向和軸向安裝或夾持各種不同用途的刀具，通過回轉(zhuǎn)刀架的轉(zhuǎn)位實現(xiàn)換刀。

18、 回轉(zhuǎn)刀架的工位數(shù)最多可達20余個，但最常用的是8、10、12和16工位4種。 自動換刀裝置自動換刀裝置轉(zhuǎn)塔頭轉(zhuǎn)塔頭 使用旋轉(zhuǎn)刀具的數(shù)控機床采用轉(zhuǎn)塔頭轉(zhuǎn)位更換主軸頭。這種機床的主軸頭就是轉(zhuǎn)塔頭，在轉(zhuǎn)塔的各主軸頭上，根據(jù)加工的工序預先安裝所用刀具，轉(zhuǎn)塔依次轉(zhuǎn)位，就可以實現(xiàn)自動換刀。 主軸頭有臥式和立式兩種，工作時只有位于加工位置的主軸頭才與主運動接通，而其他處于不加工位置的主軸都與主運動脫開。 轉(zhuǎn)塔主軸頭換刀通常只適用于工序較少，精度要求不太高的零件在數(shù)控機床上加工。 自動換刀裝置自動換刀裝置刀庫式自動換刀裝置刀庫式自動換刀裝置 刀庫式自動換刀裝置由刀庫和刀具交換機構組成，它是多工序數(shù)控機床上應

19、用最廣泛的換刀方法。刀庫是用來存儲加工刀具及輔助工具的地方。加工時調(diào)用所需的刀具，一個加工操作完成后調(diào)回刀具。 刀庫的容量首先要考慮加工工藝的需要。刀庫存儲刀具量在2040把范圍的居多，少于10把刀或超過60把刀的不常采用。 自動換刀裝置自動換刀裝置刀庫類型刀庫類型盤式刀庫鏈式刀庫鼓輪彈倉式刀庫 格子箱式刀庫 刀庫刀庫盤式刀庫盤式刀庫 結(jié)構簡單，應用較多，但由于刀具環(huán)形排列，空間利用率低，因此刀具在盤中多采用雙環(huán)或多環(huán)排列，以增加空間利用率。但這樣做會使刀庫的外徑過大，轉(zhuǎn)動慣量過大，選刀時間過長，因此盤式刀庫一般用于刀具較少的刀庫。 刀具的存儲量一般為1540把。 刀庫刀庫盤式刀庫盤式刀庫以下

20、刀庫結(jié)構簡單緊湊，取刀方便，應用廣泛。 軸向 徑向 斜向 刀具可作90翻轉(zhuǎn) 為適應機床主軸電布局，刀庫上刀具軸線相對于刀庫軸線可以按不同方向配置，如軸向、徑向和斜向。 采用此結(jié)構可簡化取刀動作。 刀庫刀庫盤式刀庫盤式刀庫刀庫刀庫鏈式刀庫鏈式刀庫 結(jié)構緊湊，刀庫容量較大，鏈環(huán)的形狀可以根據(jù)機床的布局制成各種形狀，也可將換刀位突出以便于換刀。當鏈式刀庫需要增加刀具數(shù)量時，只需增加鏈條的長度即可。在一定范圍內(nèi)，不用改變線速度和慣量。 一般當?shù)毒邤?shù)量在30120把時，多采用鏈式刀庫。 刀庫刀庫鏈式刀庫鏈式刀庫刀庫刀庫鼓輪彈倉式刀庫鼓輪彈倉式刀庫 此刀庫結(jié)構十分緊湊，在相同的空間內(nèi)，它的刀庫容量最大，但

21、選刀和取刀的動作較復雜。 為刀具呈軸向布置的多層鼓輪式刀庫，刀庫容量大，需徑向裝、取刀。 刀庫刀庫格子箱式刀庫格子箱式刀庫 密集形的鼓輪彈倉式或格子式刀庫，雖然占地面積小，結(jié)構緊湊，在相同的空間內(nèi)可容納的刀具數(shù)目較多，但是由于它的選刀和取刀動作復雜，現(xiàn)在已很少用于單機加工中心，多用 于柔性制造系統(tǒng)（FMS）的集中供刀系統(tǒng)。 單面格子箱式刀庫單面格子箱式刀庫 多面格子箱式刀庫多面格子箱式刀庫 刀庫刀庫刀具交換裝置刀具交換裝置 刀具交換裝置刀具交換裝置:數(shù)控機床的自動換刀裝置中，實現(xiàn)刀庫與機床主軸之間傳遞和裝卸刀具的裝置。 刀具的交換方式和它們的具體結(jié)構對機床的生產(chǎn)率和工作可靠性有著直接的影響。

22、刀具的交換裝置通常有： 1) 利用刀庫與機床主軸的相對運動實現(xiàn)刀具交換的裝置 2) 采用機械手的刀具交換裝置利用刀庫與機床主軸的利用刀庫與機床主軸的相對運動實現(xiàn)刀具交換相對運動實現(xiàn)刀具交換的裝置的裝置 此裝置在換刀時必須首先將用過的刀具送回刀庫，然后再從刀庫中取出新刀具，這2個動作不可能同時進行，因此換刀時間較長。此刀具交換裝置要求把刀庫安置在主軸箱可以運動到的位置，或者是整個刀庫或某一刀位移動到主軸箱可達到的位置。刀庫中刀具指向與主軸上裝刀后刀具指向必須一致。 優(yōu)點是結(jié)構簡單，換刀可靠。 缺點是刀庫容量不大，換刀時間長。適合于中小型加工中心采用。采用機械手的刀具交換裝置采用機械手的刀具交換裝置 此裝置是由刀庫、機械手（有的還有運刀裝置）結(jié)合共同完成自動刀具交換。因為機械手換刀有很大的靈活性，而且可以減少換刀時間，所以應用得最為廣泛。由于有機械手的刀具交換裝置所涉