數(shù)控機(jī)床機(jī)械機(jī)構(gòu)課件

1、 第5章 數(shù)控機(jī)床機(jī)械機(jī)構(gòu) 本章內(nèi)容： 5.1 概述 5.2 數(shù)控機(jī)床的主傳動(dòng)系統(tǒng) 5.3 數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng) 5.4 自動(dòng)換刀裝置 5.5 數(shù)控機(jī)床的主要輔助裝置 5.6 數(shù)控機(jī)床其它進(jìn)給傳動(dòng)設(shè)計(jì) 5.7 小結(jié) 5.8 思考題與習(xí)題 本章教學(xué)要求： 本章主要讓學(xué)生了解數(shù)控機(jī)床對(duì)主傳動(dòng)系統(tǒng)、進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)的要求；了解主軸的調(diào)速方法；熟悉主軸部件、滾珠絲杠螺母副、直線電動(dòng)機(jī)、數(shù)控機(jī)床的導(dǎo)軌、自動(dòng)換刀裝置；認(rèn)識(shí)數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺(tái)、分度工作臺(tái)等主要輔助裝置。為學(xué)生初步具有設(shè)計(jì)機(jī)床傳動(dòng)系統(tǒng)的能力打下基礎(chǔ)。 5.1 概 述 數(shù)控機(jī)床主體結(jié)構(gòu)具有的特點(diǎn) 1. 數(shù)控機(jī)床多數(shù)采用了高性能的無(wú)級(jí)變速主軸及伺服傳動(dòng)

2、系統(tǒng)； 2. 數(shù)控機(jī)床機(jī)械結(jié)構(gòu)具有較高的靜、動(dòng)態(tài)剛度和阻尼精度，以及較高的耐磨性，而且熱變形?。?3. 數(shù)控機(jī)床更多地采用了高效傳動(dòng)部件，如：滾珠絲杠螺母副、靜壓蝸桿副、塑料導(dǎo)軌、滾動(dòng)導(dǎo)軌、靜壓導(dǎo)軌等； 4. 數(shù)控機(jī)床采用了多主軸、多刀架結(jié)構(gòu)以及刀具與工件的自動(dòng)夾緊裝置、自動(dòng)換刀裝置、自動(dòng)排屑裝置及自動(dòng)潤(rùn)滑冷卻裝置等。 5. 為了保證機(jī)床精度的穩(wěn)定性、獲得可靠的加工質(zhì)量，數(shù)控機(jī)床多采取減小熱變性的措施。 對(duì)機(jī)床的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)保證以下要求1）提高機(jī)床的靜、動(dòng)剛度 2）減少機(jī)床的熱變形 3）減少運(yùn)動(dòng)間的摩擦和消除傳動(dòng)間隙 4）提高機(jī)床的壽命和精度保持性 5）減少輔助時(shí)間和改善操作性能 6）安全防

3、護(hù)和宜人的造型 數(shù)控機(jī)床主傳動(dòng)系統(tǒng)是指驅(qū)動(dòng)主軸運(yùn)動(dòng)的系統(tǒng)，主軸是數(shù)控機(jī)床上帶動(dòng)刀具和工件旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生切削運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)軸，它往往是數(shù)控機(jī)床上單軸功率消耗最大的運(yùn)動(dòng)軸。與普通機(jī)床一樣數(shù)控機(jī)床也必須通過(guò)變速，才能使主軸獲得不同的轉(zhuǎn)速，以適應(yīng)不同的加工要求。在變速的同時(shí)，還要求傳遞一定的功率和足夠的轉(zhuǎn)矩，滿足切削的需要。 5.2 數(shù)控機(jī)床的主傳動(dòng)系統(tǒng)為了能達(dá)到最佳的切削效果，一般都應(yīng)在最佳的切削條件下工作，因此，主軸一般都要求能實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)變速。要求機(jī)床主軸系統(tǒng)必須具有足夠高的轉(zhuǎn)速和足夠大的功率，以適應(yīng)高速、高效的加工需求。為了降低噪聲、減輕發(fā)熱、減少振動(dòng)，主傳動(dòng)系統(tǒng)應(yīng)簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，減少傳動(dòng)件。在加工中心上，還必

4、須具有安裝刀具和刀具交換所需的自動(dòng)夾緊裝置，以及主軸定向準(zhǔn)停裝置，以保證刀具和主軸、刀庫(kù)、機(jī)械手的正確嚙合。為了擴(kuò)大機(jī)床功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)C軸位置(主軸回轉(zhuǎn)角度)的控制，主軸還需要安裝位置檢測(cè)裝置，以便實(shí)現(xiàn)對(duì)主軸位置的控制。 5.2.1 數(shù)控機(jī)床主傳動(dòng)系統(tǒng)要求數(shù)控機(jī)床主傳動(dòng)系統(tǒng)的變速方式主要有：有級(jí)變速（機(jī)械變速）無(wú)級(jí)變速分段無(wú)級(jí)變速內(nèi)置電動(dòng)機(jī)主軸變速（電主軸）等形式 5.2.2 數(shù)控機(jī)床主軸的調(diào)速方法 1有級(jí)變速（機(jī)械變速） 有級(jí)變速僅用于經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床，大多數(shù)數(shù)控機(jī)床均采用無(wú)級(jí)變速或分段無(wú)級(jí)變速。 圖5-1所示：電機(jī)不具備變速功能，通過(guò)撥叉控制滑移齒輪嚙合位置實(shí)現(xiàn)主軸變速。 圖5-1 有級(jí)變速系

5、統(tǒng) 2無(wú)級(jí)變速 如圖5-2所示，電機(jī)經(jīng)同步齒形帶傳動(dòng)主軸，電機(jī)是性能更好的交、直流主軸電機(jī)，其優(yōu)點(diǎn)是變速范圍寬，最高轉(zhuǎn)速可達(dá)8000r/min，在傳動(dòng)上能基本能滿足目前大多數(shù)數(shù)控機(jī)床的要求，易于實(shí)現(xiàn)豐富的控制功能、其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安裝調(diào)試方便，可滿足現(xiàn)在中高檔數(shù)控機(jī)床的控制要求。但對(duì)于越來(lái)越高的速度需求，該配置方式已難以滿足。圖5-2 無(wú)級(jí)變速傳動(dòng)結(jié)構(gòu) 主傳動(dòng)采用無(wú)級(jí)變速，不僅能在一定的速度范圍內(nèi)選擇到合理的切削速度，而且還能在運(yùn)動(dòng)中自動(dòng)換速。 3分段無(wú)級(jí)變速 數(shù)控機(jī)床在實(shí)際生產(chǎn)中，并不需要在整個(gè)變速范圍內(nèi)均為恒功率。一般要求在中、高速段為恒功率傳動(dòng)，在低速段為恒轉(zhuǎn)矩傳動(dòng)。為了保證數(shù)控機(jī)床主軸低速

6、時(shí)有較大的轉(zhuǎn)矩和主軸的變速范圍盡可能大，有的數(shù)控系統(tǒng)在交流或直流電動(dòng)機(jī)無(wú)級(jí)變速的基礎(chǔ)上配以齒輪變速，使之成為分段無(wú)級(jí)變速，如圖5-3 圖5-3 分段無(wú)級(jí)變速 在小型數(shù)控機(jī)床上，或主傳動(dòng)系統(tǒng)要求振動(dòng)小、噪聲低的數(shù)控機(jī)床，也可采用平帶、V帶、齒形帶以及多楔帶等帶傳動(dòng)形式形成分段無(wú)級(jí)變速系統(tǒng)。 在帶有齒輪變速的分段無(wú)級(jí)變速系統(tǒng)中，有級(jí)變速機(jī)構(gòu)的變速通常采用液壓撥叉和電磁離合器兩種變速形式。1）液壓撥叉變速機(jī)構(gòu)： 液壓變速機(jī)構(gòu)的原理和形式可以用圖5-4來(lái)說(shuō)明。 圖5.4 三位液壓撥叉變速機(jī)構(gòu)的原理和形式1、5液壓缸 2活塞桿 3撥叉 4套筒 2）電磁離合器變速 電磁離合器能簡(jiǎn)化變速機(jī)構(gòu)，便于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化

7、操作，它是通過(guò)安裝在傳動(dòng)軸上的離合器的吸合和分離的不同組合來(lái)改變齒輪的傳動(dòng)路線，實(shí)現(xiàn)主軸變速的。 圖5-5是嚙合式電磁離合器（也稱牙嵌式電磁離合器）的結(jié)構(gòu)圖。 4內(nèi)置電動(dòng)機(jī)主軸變速（電主軸） 圖5-6 電主軸 電主軸的出現(xiàn)大大簡(jiǎn)化了主運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了所謂的“零傳動(dòng)”， 它具有結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、慣性小、動(dòng)態(tài)特性好等優(yōu)點(diǎn)，并可改善機(jī)床的動(dòng)平衡，避免振動(dòng)和噪聲，在超高速切削機(jī)床上得到了廣泛的應(yīng)用。 數(shù)控機(jī)床的主軸部件是數(shù)控機(jī)床的重要組成部分之一，包括主軸的支承和安裝在主軸上的傳動(dòng)零件等。它的回轉(zhuǎn)精度影響工件的加工精度，它的功率大小與回轉(zhuǎn)速度影響加工效率，它的自動(dòng)變速、準(zhǔn)停和換刀影響機(jī)床的自動(dòng)化程

8、度。因此，要求主軸部件具有良好的回轉(zhuǎn)精度、結(jié)構(gòu)剛度、抗振性、熱穩(wěn)定性及部件的耐磨性和精度的保持性。對(duì)于自動(dòng)換刀的數(shù)控機(jī)床，為了實(shí)現(xiàn)刀具的自動(dòng)裝卸和夾持，還必須有刀具的自動(dòng)夾緊裝置、主軸準(zhǔn)停裝置和切屑清除裝置等結(jié)構(gòu)。 5.2.3 數(shù)控機(jī)床的主軸部件 機(jī)床主軸帶動(dòng)刀具或夾具在支承中作回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，應(yīng)能傳遞切削轉(zhuǎn)矩承受切削抗力，并保證必要的旋轉(zhuǎn)精度。目前，數(shù)控機(jī)床主軸的支承配置形式主要有三種,如圖5-7 圖5-7 主軸的常見(jiàn)支承配置形式 1主軸部件的支承與潤(rùn)滑2常用卡盤(pán)結(jié)構(gòu) 圖5-8 液壓驅(qū)動(dòng)自定心卡盤(pán) 數(shù)控車床工件夾緊裝置可采用三爪自定心卡盤(pán)、四爪單動(dòng)卡盤(pán)或彈簧夾頭等。為了減少數(shù)控車床裝夾工件的輔助時(shí)

9、間，廣泛采用液壓或氣壓動(dòng)力自定心卡盤(pán)。圖5- 8為某數(shù)控車床上采用的一種液壓驅(qū)動(dòng)動(dòng)力自定心卡盤(pán)3主軸準(zhǔn)停裝置 在數(shù)控鏜床、數(shù)控銑床和以鏜銑為主的加工中心上，為了實(shí)現(xiàn)自動(dòng)換刀，使機(jī)械手準(zhǔn)確地將刀具裝入主軸孔中，刀具的鍵槽必須與主軸的鍵位在周向?qū)?zhǔn)；在鏜削加工退刀時(shí)，要求刀具向刀尖反方向徑向移動(dòng)一段距離后才能退出，以免劃傷工件，這都需要主軸具有周向定位功能；另外，一些特殊工藝要求，如在通過(guò)前壁小孔鏜內(nèi)壁的同軸大孔，或進(jìn)行反倒角等加工時(shí)，也要求主軸實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)停，使刀尖停在一個(gè)固定的方位上，以便主軸偏移一定尺寸后，使大刀刃能通過(guò)前壁小孔進(jìn)入箱體內(nèi)對(duì)大孔進(jìn)行鏜削，所以在主軸上必須設(shè)有準(zhǔn)停裝置。 圖5-9 主

10、軸準(zhǔn)停換刀 圖5-10 磁傳感器準(zhǔn)停 目前，主軸準(zhǔn)停裝置很多，主要分為機(jī)械式和電氣式兩種。 4主軸內(nèi)刀具自動(dòng)裝卸及吹屑裝置 在加工中心上，為了實(shí)現(xiàn)刀具在主軸上的自動(dòng)裝卸，除了要保證刀具在主軸上正確定位之外，還必須設(shè)計(jì)自動(dòng)夾緊裝置。 圖5-11為自動(dòng)換刀數(shù)控立式鏜銑床（JCS-018）的主軸部件結(jié)構(gòu)圖 圖5-11 JCS-018加工中心的主軸部件 5.3.1 數(shù)控機(jī)床進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)要求 1）提高傳動(dòng)精度和剛度 2）減少各運(yùn)動(dòng)零件的慣量 3）減少運(yùn)動(dòng)件的摩擦阻力 4）響應(yīng)速度快 5）較強(qiáng)的過(guò)載能力 6）穩(wěn)定性好，壽命長(zhǎng) 7）使用維護(hù)方便 5.3 數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)1滾珠絲杠的結(jié)構(gòu)組成 滾珠絲杠由

11、絲杠、螺母、滾珠和滾珠返回裝置四部分組成。按照滾珠的循環(huán)方式，滾珠絲杠螺母副分成內(nèi)循環(huán)方式和外循環(huán)方式兩大類（見(jiàn)圖5-12）。 圖5.12 滾珠絲杠螺母副的循環(huán)方式 5.3.2 滾珠絲杠螺母副 (1) 傳動(dòng)效率高、摩擦損失小。 (2) 運(yùn)動(dòng)靈敏，低速時(shí)無(wú)爬行。 (3) 傳動(dòng)精度高，剛性好。 (4) 滾珠絲杠螺母副的磨損很小，使用壽命長(zhǎng)。 (5) 無(wú)自鎖能力，具有傳動(dòng)的可逆性，故對(duì)于垂直使用的絲杠，由于重力的作用，當(dāng)傳動(dòng)切斷時(shí)不能立即停止運(yùn)動(dòng)，應(yīng)增加自鎖裝置。(6) 滾珠絲杠螺母副制造工藝復(fù)雜，滾珠絲杠和螺母的材料，熱處理和加工要求與滾動(dòng)軸承相同，且螺旋滾道必須磨削，因而制造成本高。 2. 滾珠

12、絲杠螺母副的特點(diǎn)3. 滾珠絲杠螺母副的選擇 滾珠絲杠螺母杠的選擇包括其精度選擇、尺寸規(guī)格(包括導(dǎo)程與公稱直徑)、支承方式等幾個(gè)方面的內(nèi)容。 應(yīng)該根據(jù)機(jī)床的精度要求來(lái)選用滾珠絲杠螺母副的精度，根據(jù)機(jī)床的載荷來(lái)選定滾珠絲杠的直徑。 在加工中心的設(shè)計(jì)中一般按額定動(dòng)載荷來(lái)確定滾珠絲杠螺母副的尺寸規(guī)格，對(duì)細(xì)長(zhǎng)而又承受壓縮載荷的滾珠絲杠作壓桿穩(wěn)定性核算；對(duì)轉(zhuǎn)速高，支承距離大的滾珠絲杠螺母副作臨界轉(zhuǎn)速校核；對(duì)精度要求高的滾珠絲杠作剛度校核；對(duì)數(shù)控機(jī)床，需核算其轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；對(duì)全閉環(huán)系統(tǒng)，需核算其諧振頻率。 精度等級(jí)的選擇 滾珠絲杠螺母副的精度將直接影響數(shù)控機(jī)床各坐標(biāo)軸的定位精度。滾珠絲杠螺母副按精度分為四種類型

13、，見(jiàn)表5-1。 精度等級(jí)應(yīng)用范圍代號(hào)名稱P普通級(jí)普通機(jī)床B標(biāo)準(zhǔn)級(jí)一般數(shù)控機(jī)床J精密級(jí)精密機(jī)床、精密數(shù)控機(jī)床、加工中心、儀表機(jī)床C超精密級(jí)精密機(jī)床、精密數(shù)控機(jī)床、儀表機(jī)床、高精度加工中心表5-1滾珠絲杠螺母副的精度等級(jí)和應(yīng)用范圍 2) 結(jié)構(gòu)尺寸的選擇 滾珠絲杠螺母副的結(jié)構(gòu)尺寸主要有：名義直徑D0螺距t 絲杠長(zhǎng)度L 滾珠直徑d0滾珠的工作圈數(shù)、列數(shù)和工作滾珠總數(shù)等尤其是名義直徑與剛度直接相關(guān)，直徑越大，承載能力和剛度越大，但直徑大轉(zhuǎn)動(dòng)慣量也會(huì)隨之增加，使系統(tǒng)的靈敏度降低。所以，一般是在兼顧二者的情況下選取最佳直徑。 3) 驗(yàn)算 當(dāng)有關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)選定后，還應(yīng)根據(jù)有關(guān)規(guī)范進(jìn)行扭轉(zhuǎn)剛度、臨界轉(zhuǎn)速和壽命的驗(yàn)

14、算。(1) 扭轉(zhuǎn)剛度驗(yàn)算。 滾珠絲杠在軸向力的作用下伸長(zhǎng)或縮短，受扭矩作用會(huì)引起扭轉(zhuǎn)變形，這將引起絲杠的導(dǎo)程發(fā)生變化，從而影響其傳動(dòng)精度及定位精度，因此滾珠絲杠應(yīng)驗(yàn)算滿載時(shí)的變形量。 (2) 臨界轉(zhuǎn)速驗(yàn)算。 絲杠軸的轉(zhuǎn)速與絲杠自身的自振頻率如果很接近，會(huì)導(dǎo)致強(qiáng)迫共振，影響機(jī)床正常工作。 (3) 壽命驗(yàn)算。 滾珠絲杠螺母副的壽命可根據(jù)有關(guān)經(jīng)驗(yàn)公式校核，應(yīng)保證總時(shí)間壽命Lt20000h。 4. 滾珠絲杠的支承結(jié)構(gòu)圖5.13 滾珠絲杠在機(jī)床上的支承形式 (a)一端裝推力軸承 (b)一端裝推力軸承，另一端裝深溝球軸承 (c)兩端裝推力軸承 (d)兩端裝推力軸承及深溝球軸承 5. 滾珠絲杠的制動(dòng) 滾珠絲

15、杠螺母副的傳動(dòng)效率高但不能自鎖，需要設(shè)置制動(dòng)裝置(特別是用在垂直傳動(dòng)或高速大慣量場(chǎng)合時(shí))。最見(jiàn)的制動(dòng)方式是電氣電磁方式，即采用電磁制動(dòng)器 圖5.14 電磁制動(dòng)器示意圖1旋轉(zhuǎn)變壓器 2測(cè)速發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子 3測(cè)速發(fā)電機(jī)定子 4電刷5永久磁鐵 6伺服電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子 7電磁線圈 8外齒輪 9內(nèi)齒輪 6. 滾珠絲杠螺母副的軸向間隙消除和預(yù)緊 目前常用的雙螺母預(yù)緊結(jié)構(gòu)形式有以下三種。1) 用鎖緊螺母預(yù)緊 圖5.15 螺紋調(diào)間隙式滾珠絲杠螺母副1圓螺母 2鎖緊螺母 2) 修磨墊片調(diào)間隙 圖5.16 墊片調(diào)隙式滾珠絲杠螺母副3) 齒差式調(diào)整 圖5.17 齒差調(diào)隙式滾珠絲杠螺母副1、5螺母 2滾珠 3套筒 4絲杠 6內(nèi)

16、齒圈5.3.3 直線電動(dòng)機(jī)進(jìn)給系統(tǒng)與滾珠絲杠傳動(dòng)相比，直線電動(dòng)機(jī)進(jìn)給系統(tǒng)具有以下特點(diǎn):(1) 速度快、加減速過(guò)程短。 (2) 精度高。 (3) 傳動(dòng)剛度高。 (4) 高速響應(yīng)性。 (5) 行程長(zhǎng)度不受限制。 (6) 運(yùn)行時(shí)效率高、噪聲小。 (7) 寬的速度范圍。 圖5.18 直線電動(dòng)機(jī)進(jìn)給系統(tǒng)1導(dǎo)軌系統(tǒng) 2籠型繞組二次側(cè) 3三相繞組一次側(cè) 4直線行程測(cè)量系統(tǒng) 5.3.4 數(shù)控機(jī)床的導(dǎo)軌 導(dǎo)軌質(zhì)量對(duì)機(jī)床的剛度、加工精度和使用壽命都有很大的影響，現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床采用的導(dǎo)軌主要有塑料滑動(dòng)導(dǎo)軌、滾動(dòng)導(dǎo)軌和靜壓導(dǎo)軌。1. 對(duì)導(dǎo)軌的基本要求(1) 導(dǎo)向精度高。導(dǎo)向精度主要是指運(yùn)動(dòng)部件沿導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)時(shí)的直線度或圓度

17、。(2) 足夠的剛度。導(dǎo)軌要有足夠的剛度，保證在靜載荷作用下不產(chǎn)生過(guò)大的變形，從而保證各部件間的相對(duì)位置和導(dǎo)向精度。(3) 良好的摩擦特性。動(dòng)導(dǎo)軌沿支承導(dǎo)軌面長(zhǎng)期運(yùn)行會(huì)引起導(dǎo)軌的不均勻磨損，破壞導(dǎo)軌的導(dǎo)向精度，從而影響機(jī)床的加工精度。 (4) 低速運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性。進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的爬行，會(huì)降低工件精度，故要求導(dǎo)軌低速運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，不產(chǎn)生爬行，這對(duì)高精度機(jī)床尤其重要。(5) 阻尼特性好(高速時(shí)不振動(dòng))。(6) 結(jié)構(gòu)工藝性好。 塑料導(dǎo)軌2. 塑料滑動(dòng)導(dǎo)軌 塑料滑動(dòng)導(dǎo)軌具有摩擦因數(shù)低，且動(dòng)、靜摩擦因數(shù)差值?。粶p振性好，具有良好的阻尼性；耐磨性好，有自潤(rùn)滑作用；結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、維修方便、成本低等特點(diǎn)。 塑料滑動(dòng)導(dǎo)軌分為注

18、塑導(dǎo)軌和貼塑導(dǎo)軌，導(dǎo)軌上的塑料常采用聚四氟乙烯導(dǎo)軌軟帶和環(huán)氧樹(shù)脂耐磨涂料。 3. 滾動(dòng)導(dǎo)軌滾動(dòng)導(dǎo)軌的特點(diǎn)：摩擦因數(shù)小，動(dòng)、靜摩擦因數(shù)差別小。其啟動(dòng)阻力小，能微量準(zhǔn)確移動(dòng)，低速運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，無(wú)爬行，因而運(yùn)動(dòng)靈活，定位精度高。通過(guò)預(yù)緊可以提高剛度和抗振性，承受較大的沖擊和振動(dòng)，壽命長(zhǎng)，是適合數(shù)控機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)應(yīng)用的比較理想的導(dǎo)軌元件。常用的滾動(dòng)導(dǎo)軌：有滾動(dòng)導(dǎo)軌塊和直線滾動(dòng)導(dǎo)軌兩種。(1) 滾動(dòng)導(dǎo)軌塊。是一種圓柱滾動(dòng)體作循環(huán)運(yùn)動(dòng)的標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)導(dǎo)軌元件，其結(jié)構(gòu)如圖5.20所示。特點(diǎn)是剛度高，承載能力大，便于拆裝，它的行程取決于支承件導(dǎo)軌平面的長(zhǎng)度。缺點(diǎn)是導(dǎo)軌制造成本高，抗振性能欠佳。 圖5.19 滾動(dòng)導(dǎo)軌塊的結(jié)

19、構(gòu) (2) 直線滾動(dòng)導(dǎo)軌：直線滾動(dòng)導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)如圖5.21所示，主要由導(dǎo)軌塊、滑塊、滾珠、保持架、端蓋等組成。由于它將支承導(dǎo)軌和運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌組合在一起，作為獨(dú)立的標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)軌副部件由專門(mén)生產(chǎn)廠家制造，故又稱單元式滾動(dòng)導(dǎo)軌。 圖5.20 直線滾動(dòng)導(dǎo)軌的結(jié)構(gòu)1壓緊圈 2支承塊 3密封板 4承載鋼珠列5反向鋼珠列 6加油嘴 7側(cè)板 8導(dǎo)軌 9保持器 4. 液體靜壓導(dǎo)軌 液體靜壓導(dǎo)軌是將具有一定壓力的油液，經(jīng)節(jié)流器輸送到導(dǎo)軌面上的油腔中，形成承載油膜，將相互接觸的導(dǎo)軌表面隔開(kāi)，實(shí)現(xiàn)液體摩擦。這種導(dǎo)軌的摩擦因數(shù)小(一般為0.0010.005)，機(jī)械效率高，能長(zhǎng)期保持導(dǎo)軌的導(dǎo)向精度；承載油膜有良好的吸振性，低速時(shí)不易

20、產(chǎn)生爬行，所以在機(jī)床上得到日益廣泛的應(yīng)用。這種導(dǎo)軌的缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且需備置一套專門(mén)的供油系統(tǒng)，制造成本較高。按承載方式的不同，液體靜壓導(dǎo)軌可分為開(kāi)式和閉式兩種。圖5.21(a)為開(kāi)式液體靜壓導(dǎo)軌工作原理圖 ，圖5.21(b)為閉式液體靜壓導(dǎo)軌工作原理圖 圖5.21 液壓靜壓導(dǎo)軌工作原理圖 5.4 自動(dòng)換刀裝置 自動(dòng)換刀裝置中，實(shí)現(xiàn)刀庫(kù)與主軸間傳遞和裝卸刀具的裝置為刀具交換裝置。常見(jiàn)的自動(dòng)換刀裝置主要有回轉(zhuǎn)刀架換刀、更換主軸頭換刀、更換主軸箱換刀和帶刀庫(kù)的自動(dòng)換刀系統(tǒng)等幾種形式見(jiàn)表5-2。表5-2 自動(dòng)換刀裝置的主要類型、特點(diǎn)及適用范圍5.4.1 數(shù)控車床的回轉(zhuǎn)刀架 數(shù)控車床的回轉(zhuǎn)刀架是一種最

21、簡(jiǎn)單的自動(dòng)換刀裝置。根據(jù)加工對(duì)象的不同，它可設(shè)計(jì)成四方刀架、六方刀架或圓盤(pán)式軸向裝刀刀架等多種形式，相應(yīng)地安裝四把、六把或更多的刀具，并按數(shù)控裝置的指令回轉(zhuǎn)、換刀。一般情況下，回轉(zhuǎn)刀架的換刀動(dòng)作包括刀架抬起、刀架轉(zhuǎn)位及刀架壓緊等。回轉(zhuǎn)刀架按其工作原理分為若干類型，如圖5.22所示。圖5.22(a)為螺母升降轉(zhuǎn)位刀架，圖5.22(b)為利用十字槽輪來(lái)轉(zhuǎn)位及鎖緊刀架 ，圖5.22(c)所示為凸臺(tái)棘爪式刀架，圖5.22(d)所示為電磁式刀架，圖5.22(e)所示為液壓式刀架，。 圖5.22 回轉(zhuǎn)刀架5.4.2 加工中心自動(dòng)換刀裝置 加工中心是在普通數(shù)控機(jī)床的基礎(chǔ)上增加了自動(dòng)換刀裝置及刀庫(kù)，并帶有自動(dòng)

22、分度回轉(zhuǎn)工作臺(tái)或主軸箱(可自動(dòng)改變角度)及其他輔助功能，從而使工件在一次裝夾后，可以連續(xù)、自動(dòng)完成多個(gè)平面或多個(gè)角度位置的鉆、擴(kuò)、鉸、鏜、攻螺紋、銑削等工序的加工，工序高度集中的設(shè)備。加工中心自動(dòng)換刀裝置的功能是通過(guò)機(jī)械手完成刀具的自動(dòng)更換，它應(yīng)當(dāng)滿足換刀時(shí)間短、刀具重復(fù)定位精度高、結(jié)構(gòu)緊湊、安全可靠等要求。 1）直線刀庫(kù)：刀具在刀庫(kù)中直線排列、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，存放刀具的數(shù)量有限(一般8把12把) 2) 圓盤(pán)刀庫(kù)：存刀量少則6把8把，多則50把60把，其有多種形式。 3) 鏈?zhǔn)降稁?kù)：這種刀庫(kù)刀座固定在鏈節(jié)上，常用的有單排鏈?zhǔn)降稁?kù)，如圖5.23(a)所示，一般存刀量小于30把，個(gè)別達(dá)60把。4) 其他

23、刀庫(kù) ：如格子箱式刀庫(kù)，此種刀庫(kù)容量較大，可以使整箱刀庫(kù)與機(jī)外進(jìn)行交換。 1. 刀庫(kù)的種類 圖5.23 鏈?zhǔn)降稁?kù)2. 換刀方式圖5.24 無(wú)機(jī)械手換刀結(jié)構(gòu)示意圖刀具的交換方式很多，一般可分為兩大類。1) 無(wú)機(jī)械手換刀 無(wú)機(jī)械手的換刀系統(tǒng)一般是采用把刀庫(kù)放在機(jī)床主軸可以運(yùn)動(dòng)到的位置，或整個(gè)刀庫(kù)(或某一刀位)能移動(dòng)到主軸箱可以到達(dá)的位置，同時(shí)，刀庫(kù)中刀具的存放方向一般與主軸上的裝刀方向一致。換刀時(shí)，由主軸運(yùn)動(dòng)到刀庫(kù)上的換刀位置，利用主軸直接取走或放回刀具。圖5.24為某立式數(shù)控鏜銑床無(wú)機(jī)械手換刀結(jié)構(gòu)示意圖 2) 機(jī)械手換刀 在加工中心中采用機(jī)械手進(jìn)行刀具交換的方式應(yīng)用最為廣泛，這是因?yàn)闄C(jī)械手換刀裝

24、置所需的換刀時(shí)間短，換刀動(dòng)作靈活。圖5.25為T(mén)H5632自動(dòng)換刀過(guò)程。 圖5.25 TH5632自動(dòng)換刀過(guò)程 圖5.26 雙臂機(jī)械手的常見(jiàn)結(jié)構(gòu)形式 常用的選刀方式主要有順序選刀和任意選刀兩種，任意選刀又分為刀具編碼選刀、刀座編碼選刀和記憶式選刀三種。1) 順序選刀方式 順序選刀是在加工之前，將刀具按預(yù)定的加工工藝先后順序依次插入刀庫(kù)的刀座中，加工時(shí)按順序選刀。用過(guò)的刀具放回原來(lái)的刀座內(nèi)，也可以按加工順序放入下一個(gè)刀座內(nèi)。但加工不同的工件時(shí)必須重新調(diào)整刀具順序，因而操作十分煩瑣；而且同一工件、不同工序加工時(shí)，刀具也不能重復(fù)使用。由于該方式不需要刀具識(shí)別裝置，驅(qū)動(dòng)控制簡(jiǎn)單，工作可靠，因此，此種方

25、式適合加工批量較大、工件品種數(shù)量較少的中、小型自動(dòng)換刀數(shù)控機(jī)床。3. 刀具的選擇方式2) 刀具編碼選刀方式 這種方式是采用一種特殊的刀柄結(jié)構(gòu)，對(duì)每把刀具按照二進(jìn)制原理進(jìn)行編碼。換刀時(shí)通過(guò)編碼識(shí)別裝置在刀庫(kù)中識(shí)別所需的刀具。刀具編碼的識(shí)別方式主要有以下兩種。(1) 接觸式刀具識(shí)別。圖5.27為接觸式刀具識(shí)別裝置示意圖。 (2) 非接觸式刀具識(shí)別。常用的有磁性識(shí)別和光電識(shí)別法。如圖5.28所示為一種磁性識(shí)別裝置示意圖。 圖5.27 接觸式刀具識(shí)別裝置示意圖圖5.28 非接觸式刀具識(shí)別裝置示意圖3) 刀座編碼選刀方式 刀座編碼選刀方式是對(duì)刀庫(kù)中的刀座進(jìn)行編碼，并將與刀座編碼對(duì)應(yīng)的刀具放入刀座中，換刀

26、時(shí)根據(jù)刀座的編碼進(jìn)行選刀。由于這種編碼方式取消了刀柄中的編碼環(huán)，刀柄結(jié)構(gòu)大為簡(jiǎn)化。 刀座編碼選刀方式分為永久性編碼選刀方式和臨時(shí)性編碼選刀方式。 4) 記憶式選刀方式 目前，絕大多數(shù)采用加工中心記憶式選刀方式。它取消了傳統(tǒng)的編碼環(huán)和識(shí)別裝置，利用軟件構(gòu)制一個(gè)模擬刀庫(kù)數(shù)據(jù)表，其長(zhǎng)度和表內(nèi)設(shè)置的數(shù)據(jù)與刀庫(kù)的刀座數(shù)及刀具號(hào)對(duì)應(yīng)，選刀時(shí)數(shù)控裝置根據(jù)數(shù)據(jù)表中記錄的目標(biāo)刀具位置，控制刀庫(kù)旋轉(zhuǎn)，將選中的刀具送到取刀位置，用過(guò)的刀具可以任意存放，由軟件記住其存放的位置，因此具有方便靈活的特點(diǎn)。 為了擴(kuò)大機(jī)床的工藝范圍，數(shù)控機(jī)床除了具有直線進(jìn)給功能外，還應(yīng)具有繞X、Y、Z軸圓周進(jìn)給或分度的功能。常用的回轉(zhuǎn)工作臺(tái)

27、有分度工作臺(tái)和數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺(tái)兩種。 分度工作臺(tái)的功能是將工件轉(zhuǎn)位換面，完成分度運(yùn)動(dòng)，和自動(dòng)換刀裝置配合使用，實(shí)現(xiàn)工件一次安裝能完成幾個(gè)面的多種工序。 數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺(tái)除了用來(lái)進(jìn)行各種圓弧加工或與直線進(jìn)給聯(lián)動(dòng)進(jìn)行曲面加工外，還可實(shí)現(xiàn)精確的自動(dòng)分度工作。 5.5 數(shù)控機(jī)床的主要輔助裝置 數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺(tái)是數(shù)控銑床、數(shù)控鏜床、加工中心等數(shù)控機(jī)床不可缺少的重要部件，其作用時(shí)按照控制裝置的信號(hào)或指令作回轉(zhuǎn)分度或連續(xù)回轉(zhuǎn)進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，以使數(shù)控機(jī)床能完成指定的加工工序。其外形和分度工作臺(tái)十分相似，但其內(nèi)部結(jié)構(gòu)卻具有數(shù)控進(jìn)給驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的許多特點(diǎn)。數(shù)控分為開(kāi)環(huán)和閉環(huán)兩種。5.5.1 數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺(tái)圖5.29 開(kāi)環(huán)數(shù)控回轉(zhuǎn)

28、工作臺(tái)結(jié)構(gòu)圖 1) 開(kāi)環(huán)數(shù)控 開(kāi)環(huán)數(shù)控由步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，其結(jié)構(gòu)如圖5.29所示。 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)3經(jīng)過(guò)齒輪2、齒輪6、蝸桿4和蝸輪15實(shí)現(xiàn)圓周進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。齒輪2和齒輪6的嚙合間隙是靠調(diào)整偏心環(huán)1來(lái)消除的。 2) 閉環(huán)數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺(tái) 閉環(huán)數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺(tái)的結(jié)構(gòu)與開(kāi)環(huán)數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺(tái)大致相同，其區(qū)別在于：閉環(huán)數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺(tái)有轉(zhuǎn)動(dòng)角度的測(cè)量元件(圓光柵或感應(yīng)同步器)。 圖5.30所示為閉環(huán)數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺(tái)結(jié)構(gòu)圖。直流伺服電動(dòng)機(jī)15通過(guò)減速齒輪14、16及蝸桿蝸輪副12、13帶動(dòng)工作臺(tái)1回轉(zhuǎn)，工作臺(tái)的轉(zhuǎn)角位置用圓光柵9測(cè)量。 圖5.30 閉環(huán)數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺(tái)結(jié)構(gòu)圖 5.5.2 分度工作臺(tái) 分度工作臺(tái)的分度、轉(zhuǎn)位和定

29、位工作，按照控制系統(tǒng)的指令自動(dòng)地進(jìn)行，通常分度運(yùn)動(dòng)只限于某些規(guī)定的角度(45、60、90、180等)，但實(shí)現(xiàn)工作臺(tái)轉(zhuǎn)位的機(jī)構(gòu)都很難達(dá)到分度精度的要求，所以要有專門(mén)的定位元件來(lái)保證。常用的定位元件有插銷定位、反靠定位、齒盤(pán)定位和鋼球定位等幾種。 圖5.31為某自動(dòng)換刀數(shù)控臥式鏜銑床分度工作臺(tái)的結(jié)構(gòu)圖，是采用齒盤(pán)(也稱為端面多齒盤(pán)、多齒盤(pán)、鼠齒盤(pán))定位的分度工作臺(tái)。 圖5.31 齒盤(pán)定位分度工作臺(tái) 5.6 數(shù)控機(jī)床其他進(jìn)給傳動(dòng)設(shè)計(jì) 數(shù)控機(jī)床中，無(wú)論是開(kāi)環(huán)還是閉環(huán)伺服進(jìn)給系統(tǒng)，為了達(dá)到前述提出的要求，機(jī)械傳動(dòng)裝置的設(shè)計(jì)中應(yīng)盡量采用低摩擦的傳動(dòng)副，如滾珠絲杠等，以減小摩擦力；通過(guò)選用最佳降速比來(lái)減小慣

30、量；采用預(yù)緊的辦法來(lái)提高傳動(dòng)剛度；采用消隙的辦法來(lái)減小反向死區(qū)誤差等。 下面從機(jī)械傳動(dòng)的角度對(duì)數(shù)控機(jī)床伺服系統(tǒng)的主要傳動(dòng)裝置進(jìn)行扼要介紹。 齒輪傳動(dòng)是應(yīng)用非常廣泛的一種機(jī)械傳動(dòng)，各種機(jī)床的傳動(dòng)裝置幾乎都離不開(kāi)齒輪傳動(dòng)。在數(shù)控機(jī)床伺服進(jìn)給系統(tǒng)中采用齒輪傳動(dòng)裝置的目的有兩個(gè)： 一是將高轉(zhuǎn)速低轉(zhuǎn)矩的伺服電動(dòng)機(jī)(如步進(jìn)電動(dòng)機(jī)、直流或交流伺服電動(dòng)機(jī)等)的輸出，改變?yōu)榈娃D(zhuǎn)速大轉(zhuǎn)矩的執(zhí)行件的輸出； 另一個(gè)是使?jié)L珠絲杠和工作臺(tái)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量在系統(tǒng)中占有較小的比重。此外，對(duì)開(kāi)環(huán)系統(tǒng)還可以保證所要求的精度。 1. 齒輪傳動(dòng)裝置 在步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的開(kāi)環(huán)系統(tǒng)中(圖5.32)，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)至絲杠間設(shè)有齒輪傳動(dòng)裝置，其速比決定于系統(tǒng)的脈沖當(dāng)量、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)步矩角及滾珠絲杠導(dǎo)程，其運(yùn)動(dòng)平衡方程式為 圖5.32 開(kāi)環(huán)系統(tǒng)絲杠傳動(dòng) 速比可如下公式計(jì)算：1) 速比的確定(2) 閉環(huán)系統(tǒng)。對(duì)于閉環(huán)系統(tǒng)，執(zhí)行件的位置決定于反饋檢測(cè)裝置，與運(yùn)動(dòng)速度無(wú)直接關(guān)系，其速比主要是由驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)速或轉(zhuǎn)矩與機(jī)床要求的進(jìn)給速度或負(fù)載轉(zhuǎn)矩決定的，所以可對(duì)它進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。 在驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)至絲杠的總降速比一定的情況下，若嚙合對(duì)數(shù)及各級(jí)速比選擇不當(dāng)，將會(huì)增加折算到電動(dòng)機(jī)軸上的總慣量，從而增大電動(dòng)機(jī)