數(shù)控機床與編程機械工業(yè)出版社鄭堤主編目錄數(shù)控機床的結(jié)構(gòu)和性能要求3.13.3數(shù)控機床的主傳動系統(tǒng)及主軸組件常見數(shù)控機床的布局3.2第三章數(shù)控機床的機械結(jié)構(gòu)3.4進給系統(tǒng)的機械傳動機構(gòu)目錄數(shù)控機床的床身與導(dǎo)軌3.53.7數(shù)控機床回轉(zhuǎn)工作臺數(shù)控機床的刀庫與換刀裝置3.6第三章數(shù)控機床的機械結(jié)構(gòu)3.8數(shù)控加工用輔助裝置1.高的靜、動剛度及良好的抗振性能數(shù)控機床生產(chǎn)成本比傳統(tǒng)機床要高,需要采取措施降低單件加工時間,以獲得較好的經(jīng)濟效益。一是通過采用新型刀具材料,提高切削速度,縮短切削時間;二是采用各種自動輔助裝置,減少輔助時間。此外,由于機床床身、導(dǎo)軌、工作臺、刀架和主軸箱等部件的結(jié)構(gòu)剛度及其變化都會對機床的加工精度產(chǎn)生重要影響,因此要求數(shù)控機床有比傳統(tǒng)機床更高的靜剛度。切削過程中的振動不僅影響工件的加工精度和表面質(zhì)量,而且還會降低刀具壽命,影響生產(chǎn)率。數(shù)控機床具有高效率的特點,應(yīng)充分發(fā)揮其加工能力,在加工過程中不允許進行如改變幾何角度等類似的人工調(diào)整。因此,對數(shù)控機床的動態(tài)特性提出更高要求,即要求其具有較高的動剛度和良好的抗振性。2.良好的熱穩(wěn)定性工藝過程的自動化和精密加工技術(shù)的發(fā)展對數(shù)控機床的加工精度和精度穩(wěn)定性提出了越來越高的要求。機床在切削熱、摩擦熱等內(nèi)外熱源的影響下,各部件將發(fā)生不同程度的熱變形,使工件與刀具之間的相對運動關(guān)系遭到破壞,從而影響工件的加工精度,圖3-1所示為其夸張表示。減少熱變形主要從兩個方面著手,一方面對熱源采取液冷、風(fēng)冷等方法來控制溫升,如在加工過程中,采用多噴嘴大流量對切削部位進行強制冷卻;另一方面就是改進機床結(jié)構(gòu),在同樣發(fā)熱條件下,機床的結(jié)構(gòu)不同,則熱變形的影響也不同。3.1數(shù)控機床的結(jié)構(gòu)和性能要求圖3-1機床熱變形對加工精度的影響3.1數(shù)控機床的結(jié)構(gòu)和性能要求一般滑動導(dǎo)軌(圖3-2a)的靜摩擦力和動摩擦力相差較大,如果起動時的驅(qū)動力克服不了數(shù)值較大的靜摩擦力,則工作臺就不能立即運動。這個驅(qū)動力只能使有關(guān)的傳動元件,如電動機軸、齒輪、絲杠及螺母等產(chǎn)生彈性變形,將能量儲存起來。當繼續(xù)加大驅(qū)動力,使之超過靜摩擦力時,工作臺由靜止狀態(tài)變?yōu)檫\動狀態(tài),摩擦阻力也變?yōu)檩^小的動摩擦力。于是彈性變形時儲存的能量得到釋放,使工作臺突然向前竄動,產(chǎn)生“爬行”現(xiàn)象,沖過了給定位置而產(chǎn)生誤差。因此,必須采取相應(yīng)的措施使數(shù)控機床導(dǎo)軌的靜摩擦力盡可能接近動摩擦力。由于滾動導(dǎo)軌和靜壓導(dǎo)軌的靜摩擦力較小(圖3-2b、c),而且還由于潤滑油的作用,使其摩擦力隨著運動速度的提高而加大,這就有效地避免了低速爬行現(xiàn)象,從而提高了數(shù)控機床的運動平穩(wěn)性和定位精度,因此目前的數(shù)控機床普遍采用滾動導(dǎo)軌和靜壓導(dǎo)軌。在進給系統(tǒng)中用滾珠絲杠代替滑動絲杠也是基于同樣的道理,目前數(shù)控機床幾乎無例外地采用了滾珠絲杠傳動。3.1數(shù)控機床的結(jié)構(gòu)和性能要求圖3-2各種導(dǎo)軌的摩擦力和運動速度的關(guān)系數(shù)控機床的運動精度和定位精度不僅受到機床零部件的加工精度、裝配精度、剛度及熱變形的影響,而且與運動件的摩擦特性有關(guān)。與傳統(tǒng)機床不同,數(shù)控機床工作臺的位移量是以脈沖當量作為它的最小單位,常常以極低的速度運動(如在對刀、工件找正時),這就要求工作臺對數(shù)控裝置發(fā)出的指令能做出準確響應(yīng),這與運動件之間的摩擦特性有直接關(guān)系,圖3-2所示為各種導(dǎo)軌的摩擦力和運動速度的關(guān)系。4.高的機床壽命和精度保持性為保證數(shù)控機床能在高速、強力切削下可靠工作,并保持穩(wěn)定的加工精度,必須提高機床的壽命和精度保持性。在盡可能減少電氣和機械故障的同時,要求數(shù)控機床在長期使用過程中不喪失精度,必須在設(shè)計時就充分考慮數(shù)控機床零部件的耐磨性,尤其是機床的導(dǎo)軌、進給絲杠及主軸部件等具有相對運動且影響精度的主要零件的耐磨性。此外,保證數(shù)控機床各部件的良好潤滑也是提高機床壽命的重要條件。5.高的效率和好的操作性在數(shù)控機床的單件加工時間中,輔助時間(非切削時間)占有較大的比例,要進一步提高機床生產(chǎn)率就必須采取措施最大限度地縮短輔助時間。目前,已經(jīng)有很多數(shù)控機床采用多主軸、多刀架、多工作臺以及帶刀庫的自動換刀裝置等,以減少換刀和上下料等輔助時間。對于多工序的自動換刀加工中心機床,除了減少換刀時間之外,還大幅度地縮短了多次裝卸工件的時間。幾乎所有的數(shù)控機床都具有快速運動的機能,使空行程時間縮短。數(shù)控機床是一種自動化程度很高的加工設(shè)備,在改善機床的操作性能方面已經(jīng)增加了新的含意:在設(shè)計時應(yīng)充分注意提高機床各部分的互鎖能力,以防止意外事故的發(fā)生;盡可能改善操作者的觀察、監(jiān)控和維護條件,并設(shè)有緊急停車裝置,避免發(fā)生意外事故;此外,在數(shù)控機床上必須留出最有利的工件裝夾位置,以改善裝卸工件的操作條件。3.1數(shù)控機床的結(jié)構(gòu)和性能要求所謂機床的布局是指根據(jù)工件的加工工藝所需切削運動及主要技術(shù)參數(shù)而確定各部件的相對位置,并保證工件和刀具的相對運動,保證加工精度,方便操作、調(diào)整和維修。機床的布局直接影響機床的結(jié)構(gòu)和使用性能。數(shù)控機床的布局大都采用機、電、液、氣一體化布局,全封閉或半封閉防護。隨著電子技術(shù)和控制技術(shù)的發(fā)展,現(xiàn)代數(shù)控機床機械結(jié)構(gòu)大大簡化,制造維修都很方便。此外,近年來許多數(shù)控機床還配備了用于接入自動化生產(chǎn)系統(tǒng)的機械接口,以適應(yīng)智能制造和“機器換人”的發(fā)展需要。3.2常見數(shù)控機床的布局3.2.1數(shù)控機床的布局特點數(shù)控車床與臥式車床相比較,其結(jié)構(gòu)上仍然是由主軸箱、刀架、進給傳動系統(tǒng)、床身、液壓系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)等部分組成,但主傳動和進給傳動系統(tǒng)有了很大的改變。數(shù)控車床的床身結(jié)構(gòu)和導(dǎo)軌有多種形式,主要有水平床身、傾斜床身以及水平床身斜滑板、立式床身等,如圖3-3所示。水平床身配上傾斜的橫向滑板(圖3-3c),并配置傾斜式導(dǎo)軌防護罩,這種布局形式具有水平床身工藝性好的特點,且機床寬度方向的尺寸較水平配置滑板的要小,排屑方便。傾斜床身(圖3-3b)數(shù)控車床的縱、橫向?qū)к壦谄矫嫦嗷テ叫星遗c地平面相交,傾斜床身的導(dǎo)軌傾斜角度一般為30°、45°、60°、75°和90°(稱為立式床身,圖3-3d)。傾斜床身的機床結(jié)構(gòu)如圖3-3e所示。3.2.2數(shù)控車床的布局圖3-3數(shù)控車床布局

a)水平床身b)傾斜床身c)水平床身斜滑板d)立式床身e)傾斜床身的結(jié)構(gòu)傾斜床身數(shù)控車床的優(yōu)點有:①加工精度高,當數(shù)控機床的拖板傳動絲杠向著一個方向運動后再反向傳動時,難免會產(chǎn)生反向間隙,從而影響加工精度,而傾斜床身的機床橫滑板重力直接作用于絲杠的軸向,有利于減小傳動時的反向間隙;②機床剛性好,切削時不易引起振動。刀具在工件的斜上方切削,切削力與主軸工件產(chǎn)生的重力相一致,所以主軸運轉(zhuǎn)相對平穩(wěn),不易引起切削振動;③有利于排屑,由于重力的關(guān)系切屑不易在導(dǎo)軌上堆積和纏繞刀具,且切屑帶走大量的切削熱,有利于降低導(dǎo)軌受熱變形,提高機床熱穩(wěn)定性,保持工作精度。床身導(dǎo)軌常采用寬支承V-平導(dǎo)軌,絲杠位于兩導(dǎo)軌之間。數(shù)控車床多采用自動回轉(zhuǎn)刀架來夾持各種不同用途的刀具,但受空間大小的限制,刀架的工位數(shù)量不可能太多,一般常采用4位、6位、8位、10位或12位?；剞D(zhuǎn)刀架的布局有刀架前置和后置兩種形式。刀架前置時裝卸工件不便,裝卸工件時刀架須退出較遠,且排屑不便;刀架后置時工件裝卸方便,排屑方便。3.2.2數(shù)控車床的布局目前數(shù)控車床的重點開發(fā)產(chǎn)品有CNC超精密車床、車銑中心、精密車削中心等。數(shù)控車削中心是在數(shù)控車床的基礎(chǔ)之上發(fā)展起來的,具有C軸控制(C軸是繞主軸的連續(xù)角位移可控回轉(zhuǎn)軸,并與主軸互鎖),在數(shù)控系統(tǒng)的控制下,可實現(xiàn)C軸與Z軸或X軸的插補聯(lián)動,如圖3-4所示。3.2.2數(shù)控車床的布局圖3-4數(shù)控車削中心

a)外形b)結(jié)構(gòu)c)加工1.立式加工中心立式加工中心是指主軸軸線為垂直方向的加工中心,主要適用于加工板類、盤類、模具及小型殼體類復(fù)雜零件,能在一次裝夾下完成銑、鏜、鉆和攻螺紋等工序。立式加工中心的結(jié)構(gòu)形式多為固定立柱,長方形工作臺,一般具有三個直線運動坐標軸,并可在工作臺上安裝一個沿水平軸旋轉(zhuǎn)的數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺,用以加工螺旋線類零件。立式加工中心結(jié)構(gòu)簡單、占地面積小、裝夾方便、便于操作、易于觀察加工情況、調(diào)試程序容易、應(yīng)用廣泛,如圖3-5所示。但受立柱高度及換刀裝置的限制,立式加工中心一般不能加工太高的零件。在加工模具型腔或下凹的型面時,切屑不易排出,嚴重時會損壞刀具,破壞已加工表面,影響加工的順利進行。3.2.3加工中心的布局圖3-5立式加工中心布局

1—Y軸導(dǎo)軌2—工作臺3—Z軸導(dǎo)向4—主軸5—主軸箱6—立柱7—Z軸絲杠8—X軸導(dǎo)軌9—十字滑臺10—床體2.臥式加工中心臥式加工中心指主軸軸線為水平方向的加工中心,通常都帶有自動分度回轉(zhuǎn)工作臺或連續(xù)數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺,具有3~5個運動坐標,常見的是三個直線運動坐標加一個回轉(zhuǎn)運動坐標,其工作臺為方形或圓形,工件在一次裝夾后可完成除安裝面和頂面以外的其余四個表面的加工。通過分度工作臺或數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺可加工工件的各個側(cè)面;也可通過多個坐標的數(shù)控聯(lián)動加工復(fù)雜的空間曲面。有的臥式加工中心帶有自動交換工作臺,在對位于工作位置的工作臺上的工件進行加工的同時,可以對位于裝卸位置的工作臺上的工件進行裝卸,從而大大縮短輔助時間,提高加工效率,如圖3-6所示。臥式加工中心適合加工各類箱體類零件。3.2.3加工中心的布局圖3-6臥式加工中心布局3.龍門式加工中心龍門式加工中心布局如圖3-7所示,其結(jié)構(gòu)與龍門銑床相似,主軸多為垂直方向設(shè)置,帶有自動換刀裝置及可更換的主軸頭附件,能夠一機多用。龍門框架具有結(jié)構(gòu)剛性好的特點,容易實現(xiàn)熱對稱性設(shè)計,尤其適用于加工大型或形狀復(fù)雜的工件,如航天工業(yè)及大型汽輪機上某些零件的加工。龍門加工中心有定梁式(橫梁固定,工作臺前后移動)、動梁式(橫梁上下移動,工作臺前后移動)、動柱式(工作臺固定,龍門架移動)和橋式(工作臺固定,橫梁前后移動)等形式,也有復(fù)合形式的多種類型。龍門加工中心可配置各種不同形式的銑頭,只要進行一次工件夾裝,即可完成五面體工件的加工。3.2.3加工中心的布局圖3-7臥式加工中心布局4.多軸聯(lián)動加工中心多軸聯(lián)動型加工中心又稱萬能加工中心或復(fù)合加工中心,如圖3-8所示,具有立式和臥式加工中心的功能,可同時控制四個以上坐標軸的聯(lián)動,一次裝夾后可對工件進行銑、鏜、鉆等多工序加工,有效地避免多次工件安裝產(chǎn)生的定位誤差,提高加工精度。3.2.3加工中心的布局圖3-8五軸聯(lián)動加工中心布局及典型加工零件多軸數(shù)控加工常指四軸以上的數(shù)控加工,其中具有代表性的是五軸數(shù)控加工,即在一臺數(shù)控機床上至少有五個數(shù)控坐標軸(三個直線坐標和兩個旋轉(zhuǎn)坐標),而且可在數(shù)控系統(tǒng)控制下對復(fù)雜的空間曲面在一次裝夾后完成五面體的高精度加工,非常適于加工汽車零部件、飛機結(jié)構(gòu)件等工件的成形模具。五軸聯(lián)動加工中心按結(jié)構(gòu)型式不同主要分為五軸聯(lián)動臥式、立式、立臥轉(zhuǎn)換式、龍門式等幾種;按切削工藝及性能不同主要分為五軸聯(lián)動鏜銑加工中心、車銑復(fù)合加工中心、雕銑機和模具加工機等。并聯(lián)機床又稱虛擬軸機床,其名稱來自于機構(gòu)學(xué)。在機構(gòu)學(xué)里將機構(gòu)分為串聯(lián)機構(gòu)和并聯(lián)機構(gòu),串聯(lián)機構(gòu)的典型代表是機器人,傳統(tǒng)機床的布局實際上也是串聯(lián)機構(gòu)。并聯(lián)機床是并聯(lián)機器人技術(shù)與數(shù)控機床技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物,其原理是在并聯(lián)機構(gòu)的動平臺上安裝主軸頭,動平臺帶動主軸頭實現(xiàn)多軸聯(lián)動。相對于串聯(lián)式機床來說,并聯(lián)式機床工作平臺具有如下特點和優(yōu)點:(1)結(jié)構(gòu)簡單、價格低(2)結(jié)構(gòu)剛度高(3)加工速度高,慣性低(4)加工精度高(5)多功能靈活性強(6)使用壽命長(7)Stewart平臺(具有六個自由度的并聯(lián)機構(gòu))適合于模塊化生產(chǎn)(8)變換坐標系方便3.2.4并聯(lián)機床的布局數(shù)控機床的主軸組件具有較大的剛度和較高的精度,多數(shù)數(shù)控機床具有自動換刀功能,因此要求主軸具有特殊的刀具安裝和夾緊結(jié)構(gòu)。另外,針對不同的機床類型和加工工藝特點,數(shù)控機床對其主傳動功能還提出了如下一些具體要求:(1)調(diào)速功能。為了適應(yīng)不同工件材料及刀具等各種切削工藝要求,主軸必須具有較大的調(diào)速范圍,以保證加工時選用合理的切削用量,從而獲得最佳切削效率、加工精度和表面質(zhì)量。調(diào)速范圍的指標主要由各種加工工藝對主軸最低速度與最高速度的要求來確定。目前,一般標準型數(shù)控機床均在1∶100以上。(2)功率要求。要求主軸具有足夠的驅(qū)動功率或輸出轉(zhuǎn)矩,能在整個速度范圍內(nèi)提供切削所需的功率和轉(zhuǎn)矩,特別是滿足機床強力切削時的要求。(3)精度要求。要求主軸具有較高的回轉(zhuǎn)精度,足夠的剛度和抗振性,以及較好的熱穩(wěn)定性,以滿足高精度、高速或強力切削的需要。(4)動態(tài)響應(yīng)性能。要求升降速時間短,調(diào)速時運轉(zhuǎn)平穩(wěn)。有的機床需要實現(xiàn)正反轉(zhuǎn)切削,則要求換向時可進行自動加減速控制。3.3數(shù)控機床的主傳動系統(tǒng)及主軸組件1.帶有齒輪變速的主傳動如圖3-10a所示,主軸電動機經(jīng)過二級齒輪變速,使主軸獲得低速和高速兩種轉(zhuǎn)速系列,這是大中型數(shù)控機床采用較多的一種配置方式。這種分段無級變速,可確保低速時的大轉(zhuǎn)矩,滿足機床對功率-轉(zhuǎn)矩特性的要求。齒輪變速自動換檔主要采用電-液控制撥叉和電磁離合器兩種方式。電-液控制撥叉是用電信號控制電磁換向閥,操縱液壓缸帶動撥叉推動滑移齒輪來實現(xiàn)變速。在換檔時,主軸以低速旋轉(zhuǎn),將數(shù)控裝置送來的電信號轉(zhuǎn)換成電磁閥的機械運動,通過液壓缸、活塞桿帶動撥叉推動滑移齒輪移動使離合器嚙合來實現(xiàn)變速。電-液控制撥叉是一種有效的變速方式,工作平穩(wěn)、易實現(xiàn)自動化,但結(jié)構(gòu)較復(fù)雜,早期的數(shù)控機床采用較多,現(xiàn)代數(shù)控機床已較少采用。電磁離合器是基于電磁效應(yīng)接通或切斷運動的元件,由于它便于實現(xiàn)自動操作,并有現(xiàn)成的系列產(chǎn)品可供選用,因而已成為自動化裝置中常用的操縱元件。電磁離合器用于數(shù)控機床的主傳動時,能簡化變速機構(gòu),通過若干個安裝在各傳動軸上的離合器的吸合和分離的不同組合來改變齒輪的傳動路線,實現(xiàn)主軸的變速。在數(shù)控機床中常使用無滑環(huán)摩擦片式電磁離合器和牙嵌式電磁離合器。3.3.1數(shù)控機床主傳動形式2.通過帶傳動的主傳動通過帶傳動的主傳動如圖3-10b所示,主要應(yīng)用在轉(zhuǎn)速較高、變速范圍不大的機床。電動機本身的調(diào)速就能夠滿足要求,不用齒輪變速,可以避免齒輪傳動引起的振動與噪聲,適用于高速、低轉(zhuǎn)矩特性要求的主軸。在數(shù)控機床上必須使用同步帶,以保證主軸的伺服功能。同步帶兼有帶傳動、齒輪傳動和鏈傳動的優(yōu)點,與一般的帶傳動相比,它不會打滑,且不需要很大的張緊力,減少或消除了軸的靜態(tài)徑向力;傳動效率高達98%~99.5%,平均傳動比準確,傳動精度較高,有良好的減振性能,無噪聲,無需潤滑,傳動平穩(wěn);帶的強度高、厚度小、質(zhì)量小,可用于線速度為60~80m/s的高速加工。但是在高速加工時,由于帶輪必須設(shè)置輪緣,因此在設(shè)計時要考慮輪齒槽的排氣,避免產(chǎn)生“嘯叫”。3.用兩個電動機分別驅(qū)動主軸如圖3-10c所示,這是上述兩種方式的混合傳動,兼具有上述兩種方式的性能特點。高速時電動機通過帶輪直接驅(qū)動主軸旋轉(zhuǎn);低速時,另一個電動機通過兩級齒輪傳動驅(qū)動主軸旋轉(zhuǎn),齒輪起到降速和擴大變速范圍的作用,這樣就使恒功率區(qū)增大,擴大了變速范圍,克服了低速時轉(zhuǎn)矩不夠且電動機功率不能充分利用的缺陷。3.3.1數(shù)控機床主傳動形式4.由主軸電動機直接驅(qū)動的主傳動如圖3-10d所示,電動機軸通過聯(lián)軸器直接驅(qū)動主軸旋轉(zhuǎn),主軸轉(zhuǎn)速變化通過電動機無級調(diào)速來實現(xiàn)。這種方式的優(yōu)點是主軸部件結(jié)構(gòu)更緊湊,質(zhì)量小,慣性小,可提高起動、停止的響應(yīng)特性;缺點是主軸輸出轉(zhuǎn)矩較小,電動機發(fā)熱對主軸精度影響較大。3.3.1數(shù)控機床主傳動形式圖3-10主傳動的四種形式目前數(shù)控機床的主軸軸承配置形式主要有三種。1)前支承采用雙列短圓柱滾子軸承和60°雙列推力角接觸球軸承組合,后支承采用成對推力角接觸球軸承(圖3-11a)。2)前軸承采用高精度雙列推力角接觸球軸承(圖3-11b)。3)雙列和單列圓錐滾子軸承(圖3-11c)。3.3.2數(shù)控機床主軸支承形式及端部結(jié)構(gòu)圖3-11數(shù)控機床主軸軸承配置形式數(shù)控機床主軸端部一般用于安裝刀具、夾持工件或夾具,在結(jié)構(gòu)上應(yīng)能保證定位準確、安裝可靠、連接牢固和裝卸方便,并能傳遞足夠的轉(zhuǎn)矩。常見的幾種用于不同類型數(shù)控機床主軸的端部結(jié)構(gòu)如圖3-12所示。目前這些主軸端部結(jié)構(gòu)都已標準化。具體可參閱國家標準GB/T5900.1—2008。3.3.2數(shù)控機床主軸支承形式及端部結(jié)構(gòu)圖3-12主軸的端部結(jié)構(gòu)

a)數(shù)控車床主軸端部b)銑鏜類機床主軸端部c)外圓磨床主軸端部3.3.3刀具自動裝卸及切屑清除裝置圖3-13數(shù)控銑鏜床主軸部件

a)主軸結(jié)構(gòu)剖面圖b)主軸前端錐孔局部放大圖

1—刀架2—拉釘3—主軸4—拉桿5—碟形彈簧6—活塞7—液壓缸

8、10—行程開關(guān)9—壓縮空氣管接頭11—彈簧12—鋼球13—端面鍵在某些帶有刀具庫的數(shù)控機床中,要求主軸部件除具有較高的精度和剛度外,還帶有刀具自動裝卸裝置和主軸孔內(nèi)的切屑清除裝置。如圖3-13所示,主軸前端有7∶24的錐孔,用于裝夾錐柄刀具。端面鍵13用于刀具定位和傳遞轉(zhuǎn)矩。為了實現(xiàn)刀具的自動裝卸,主軸內(nèi)設(shè)有刀具自動夾緊裝置,由拉緊機構(gòu)拉緊錐柄刀夾尾端的軸頸實現(xiàn)刀夾的定位及夾緊。夾緊刀夾時,液壓缸上腔接通回油,彈簧11推動活塞6上移,處于圖示位置,拉桿4在碟形彈簧5的作用下向上移動。由于此時裝在拉桿前端徑向孔中的四個鋼球12進入主軸孔中直徑較小的d2處(圖3-13b),被迫徑向收攏而卡進拉釘2的環(huán)形凹槽內(nèi),因而刀桿被拉桿拉緊,依靠摩擦力緊固在主軸上。換刀前需將刀夾松開時,液壓油進入液壓缸上腔,活塞6推動拉桿4向下移動,碟形彈簧5被壓縮;當鋼球12隨拉桿一起下移至進入主軸孔中直徑較大的d1處時,它就不再能約束拉釘?shù)念^部,緊接著拉桿前端內(nèi)孔的臺肩端面碰到拉釘,把刀夾頂松。此時行程開關(guān)10發(fā)出信號,換刀機械手隨即將刀夾取下。與此同時,壓縮空氣由管接頭9經(jīng)活塞和拉桿的中心通孔吹入主軸裝刀孔內(nèi),把切屑或臟物清除干凈,以保證刀具的裝夾精度。機械手把新刀裝上主軸后,液壓缸7接通回油,碟形彈簧又拉緊刀夾。刀夾拉緊后,行程開關(guān)8發(fā)出信號。1.機械控制的主軸準停裝置采用機械控制的主軸準停裝置定向比較可靠、精確,但結(jié)構(gòu)復(fù)雜。如圖3-14所示,主軸準停裝置設(shè)在主軸尾端,當主軸需要停車換刀時,發(fā)出降速信號,主軸箱自動改變傳動路線,使主軸轉(zhuǎn)速換到低速運轉(zhuǎn)。3.3.4主軸準停裝置圖3-14機械控制的主軸準停裝置

1、2—凸輪3—活塞4—開關(guān)5—滾子6—定位活塞7—限位開關(guān)8—行程開關(guān)2.電氣控制的主軸準停裝置現(xiàn)代數(shù)控機床中,一般采用安裝在主軸上的編碼器或接近開關(guān)作為位置反饋元件,控制主軸準確地停止在規(guī)定的位置上。圖3-15所示為電磁傳感器主軸準停裝置。在帶動主軸旋轉(zhuǎn)的多楔帶輪1的端面上裝有厚墊片4,墊片上裝有一個體積很小的永久磁鐵3,在主軸箱箱體對應(yīng)于主軸準停的位置上,裝有磁傳感器2。當數(shù)控裝置發(fā)出主軸準停指令時,主軸電動機立即降速,在主軸以最低轉(zhuǎn)速慢轉(zhuǎn)幾圈、永久磁鐵3對準磁傳感器2時,磁傳感器發(fā)出準停信號,該信號經(jīng)放大后,由定向電路控制主軸電動機停在規(guī)定的周向位置。3.3.4主軸準停裝置圖3-15電磁傳感器主軸準停裝置

1—多楔帶輪2—磁傳感器

3—永久磁鐵4—墊片隨著電氣傳動技術(shù)(變頻調(diào)速技術(shù)、矢量控制技術(shù)等)的迅速發(fā)展和日趨完善,高速數(shù)控機床主傳動系統(tǒng)的機械結(jié)構(gòu)得到了極大的簡化,基本上取消了帶傳動和齒輪傳動。機床主軸由內(nèi)裝式電動機直接驅(qū)動,從而把機床主傳動鏈的長度縮短為零,實現(xiàn)了機床主軸的“零傳動”。這種主軸電動機與機床主軸“合二為一”的傳動結(jié)構(gòu),使主軸部件從機床的傳動系統(tǒng)和整體結(jié)構(gòu)中相對獨立出來,被做成主軸單元,又稱電主軸,如圖3-16所示。電主軸結(jié)構(gòu)主要有兩種,一種是內(nèi)裝(藏)式交流變頻電動機電主軸,另一種是內(nèi)埋式永磁同步電動機電主軸。3.3.5電主軸圖3-16內(nèi)裝式電主軸1.內(nèi)裝式交流變頻電動機電主軸(1)基本參數(shù)電主軸的主要參數(shù)包括主軸的最高轉(zhuǎn)速、恒功率轉(zhuǎn)速范圍、額定功率、最大轉(zhuǎn)矩、前軸頸直徑和前后軸承間跨距等,其中主軸的最高轉(zhuǎn)速、額定功率及前軸頸直徑是電主軸的基本參數(shù)。(2)結(jié)構(gòu)布局根據(jù)電動機和主軸軸承相對位置的不同,電主軸的布局可有兩種方式。一種是電動機置于主軸前后兩軸承之間,結(jié)構(gòu)如圖3-17所示。此種布局的優(yōu)點是電主軸單元的軸向尺寸較小、主軸剛度高、出力大,適用于大中型加工中心,故大多數(shù)加工中心采用此結(jié)構(gòu)布局方式。第二種是電動機置于后軸承之后,結(jié)構(gòu)如圖3-18所示。此時主軸箱與電動機做軸向的同軸布置(也可用聯(lián)軸節(jié))。其優(yōu)點是前端的徑向尺寸可減小,電動機的散熱條件較好,但整個電主軸單元的軸向尺寸較大,與主軸的同軸度不易調(diào)整,適用于小型高速數(shù)控機床,如加工模具型腔的高速精密機床。3.3.5電主軸圖3-17電動機置于兩軸承間的電主軸單元

1—編碼盤2—電主軸殼體3—冷卻水套4—電動機定子5—油氣噴嘴

6—電動機轉(zhuǎn)子7—階梯過盈套8—平衡盤9—角接觸陶瓷球軸承3.3.5電主軸圖3-18電動機置于后軸承之后的電主軸單元

1—液壓缸2—拉桿3—主軸軸承4—碟形彈簧5—夾頭6—主軸7—內(nèi)置電動機2.內(nèi)埋式永磁同步電動機電主軸圖3-19為內(nèi)埋式永磁同步電動機電主軸單元的結(jié)構(gòu)示意圖。內(nèi)埋式永磁同步電動機電主軸有如下優(yōu)點:1)體積小、重量輕、效率高,有利于實現(xiàn)主軸單元的位置與姿態(tài)的高速控制。2)用新型永久磁鐵代替感應(yīng)電動機的鼠籠,轉(zhuǎn)子發(fā)熱少,有利于保證主軸的精度。3)有較高的剛度和抗振性,提高了主軸高速切削性能。4)可方便地實現(xiàn)恒功率弱磁調(diào)速,從而擴大電主軸的調(diào)速范圍,有效地滿足了寬范圍高速切削的要求。3.3.5電主軸圖3-19內(nèi)埋式永磁同步電動機電主軸單元數(shù)控機床的進給傳動系統(tǒng)又稱伺服進給系統(tǒng),由伺服驅(qū)動電路、伺服執(zhí)行元件、機械傳動機構(gòu)和數(shù)控工作臺組成。伺服驅(qū)動電路是將數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出的指令信號經(jīng)控制和功率放大后驅(qū)動執(zhí)行元件,機械傳動機構(gòu)負責(zé)運動傳遞和轉(zhuǎn)換,一般采用齒輪或同步帶傳動加上滾珠絲杠螺母副。對于閉環(huán)控制系統(tǒng),還要在進給運動的末端加上位置檢測系統(tǒng),并將測量的實際位移反饋到控制系統(tǒng)中,以使運動更準確,如圖3-20所示。數(shù)控機床是將高效率、高精度和高柔性集中于一體的機床。為此,對伺服進給系統(tǒng)也提出了較高的要求:3.4進給系統(tǒng)的機械傳動機構(gòu)3.4.1組成、特點和要求圖3-20數(shù)控機床進給系統(tǒng)框圖1.傳動精度高伺服進給系統(tǒng)應(yīng)具有較高的傳動精度和定位精度,以保證數(shù)控機床的產(chǎn)品加工質(zhì)量;伺服進給系統(tǒng)還要具有較好的動態(tài)性能,以保證數(shù)控機床具有較高的輪廓跟隨精度。2.響應(yīng)速度快伺服系統(tǒng)應(yīng)具有良好的快速響應(yīng)性,執(zhí)行件跟蹤指令信號的響應(yīng)要快,過程時間要短,一般在200ms以內(nèi),要求較高時在幾十微秒以內(nèi)。3.調(diào)速范圍寬數(shù)控機床中,由于刀具、工件材料、主軸轉(zhuǎn)速以及加工工藝不同,為得到各種情況下的最佳切削條件,伺服進給系統(tǒng)必須具有足夠?qū)挼臒o級調(diào)速范圍,高速切削時進給速度可達60m/min;低速(如<0.1mm/min)切削時,要求能平滑運動而無爬行現(xiàn)象。一般數(shù)控機床的進給速度為0~24m/min,高檔數(shù)控機床可實現(xiàn)0~120m/min的進給速度并連續(xù)可調(diào)。進給運動是數(shù)字控制的直接對象,不論是點位控制還是輪廓控制,工件的最后尺寸精度和輪廓精度都受進給系統(tǒng)的傳動精度、靈敏度和穩(wěn)定性的影響。為此,數(shù)控機床伺服進給系統(tǒng)中的機械傳動和執(zhí)行機構(gòu)一般還應(yīng)滿足以下要求:(1)摩擦阻力小(2)傳動精度和剛度高3.4.1組成、特點和要求1.工作原理與特點滾珠絲杠螺母副外觀和結(jié)構(gòu)原理如圖3-22所示,在絲杠和螺母上都有半圓弧的螺旋槽,當將它們套裝在一起時,便構(gòu)成了滾珠的螺旋滾道。螺母上有滾珠回路管道和滾珠循環(huán)進出口,將幾圈螺旋滾道的兩端連接起來構(gòu)成封閉的循環(huán)滾道,并在滾道內(nèi)裝滿滾珠。當絲杠旋轉(zhuǎn)時,滾珠在滾道內(nèi)既自轉(zhuǎn)又沿滾道循環(huán)轉(zhuǎn)動,因而迫使螺母(或絲杠)軸向移動。由于滾珠絲杠螺母副中的摩擦是滾動摩擦,因此具有以下特點:(1)傳動效率高、摩擦損失小(2)無軸向間隙(3)運動平穩(wěn)、無爬行現(xiàn)象、傳動精度高(4)有可逆性(5)磨損小、使用壽命長(6)制造成本高3.4.2滾珠絲杠螺母副圖3-22滾珠絲杠螺母副外觀與結(jié)構(gòu)原理

a)內(nèi)循環(huán)絲杠螺母副外觀b)外循環(huán)絲杠螺母副外觀c)滾珠絲杠螺母副內(nèi)部結(jié)構(gòu)2.滾珠絲杠螺母副的循環(huán)方式常用的滾珠循環(huán)方式有外循環(huán)和內(nèi)循環(huán)兩種。(1)外循環(huán)滾珠通過回珠器脫離絲杠返回的滾珠循環(huán)方式稱為外循環(huán)。外循環(huán)的回珠器有螺旋槽式和插管式兩種,如圖3-23所示。(2)內(nèi)循環(huán)滾珠在循環(huán)過程中始終與絲杠保持接觸的稱為內(nèi)循環(huán),如圖3-24所示。3.4.2滾珠絲杠螺母副圖3-23外循環(huán)滾珠絲杠螺母副

a)插管式b)螺旋槽式圖3-24內(nèi)循環(huán)滾珠絲杠螺母副3.滾珠絲杠螺母副的軸向間隙消除和預(yù)加載荷滾珠絲杠螺母副在預(yù)加載荷后可提高剛度并消除軸向間隙,故在數(shù)控機床的伺服進給傳動中得以優(yōu)先選用。消除軸向間隙和預(yù)加載荷的方法有多種,在機床上常用雙螺母法,如圖3-25所示。圖3-25a把左、右螺母往兩頭撐開,圖3-25b把左、右螺母向中間擠緊,使?jié)L珠與絲杠和螺母滾道的接觸角為45°,且左右螺母接觸方向相反,預(yù)加載荷為F0。左、右螺母裝在一個共同的螺母座內(nèi),使雙螺母作為一個整體與絲杠處于無間隙或過盈狀態(tài),以提高接觸剛度。3.4.2滾珠絲杠螺母副圖3-25滾珠絲杠螺母副的雙螺母消隙和預(yù)加載荷方法

1—絲杠2—左螺母3—鋼球4—右螺母常見的消除間隙和預(yù)加載荷的方法有以下三種結(jié)構(gòu)形式:(1)墊片消隙式。圖3-26所示為采用墊片消隙和預(yù)加載荷的結(jié)構(gòu)原理。通過調(diào)整墊片的厚度可使兩個螺母產(chǎn)生軸向相對位移,從而達到消除間隙和產(chǎn)生預(yù)緊力的目的。這種結(jié)構(gòu)的特點是結(jié)構(gòu)簡單、可靠性好、剛度高、拆裝方便,但調(diào)整費時,并且在工作中不能隨意調(diào)整,除非更換不同厚度的墊片。此方法適用于一般精度的結(jié)構(gòu)中。(2)螺紋消隙式。螺紋消隙和預(yù)加載荷的結(jié)構(gòu)原理如圖3-27所示。一個螺母的外端有凸緣,另一個螺母的外端沒有凸緣而制有螺紋,且伸出在套筒外,并用兩個圓螺母和平鍵與外套相連。旋轉(zhuǎn)圓螺母時能使螺母相對絲杠做軸向移動,從而消除間隙,并產(chǎn)生預(yù)緊力,調(diào)整好后再用鎖緊螺母把它鎖緊。這種結(jié)構(gòu)既緊湊,工作又可靠,調(diào)整也方便,故應(yīng)用較多。但調(diào)整位移量不易精確控制。因此,預(yù)緊力也不能準確控制。3.4.2滾珠絲杠螺母副圖3-26墊片消隙和預(yù)加載荷的滾珠絲杠螺母副

1—螺釘2—調(diào)整墊片圖3-27螺紋消隙和預(yù)加載荷的滾珠絲杠螺母副

1—圓螺母2—鎖緊螺母(3)齒差消隙式。圖3-28所示是齒差消隙和預(yù)加載荷結(jié)構(gòu)原理。在兩個螺母的凸緣上各制有齒數(shù)分別為z1、z2的圓柱齒輪,且z2-z1=1,兩個圓柱外齒輪分別與兩端相應(yīng)的內(nèi)齒輪相嚙合。內(nèi)齒輪用螺釘和定位銷固定在螺母座上。預(yù)緊時脫開內(nèi)齒輪,根據(jù)間隙的大小,使兩個螺母沿相同方向轉(zhuǎn)過一個齒或幾個齒,這樣就使這兩個螺母彼此在軸向接近或遠離一個相應(yīng)的距離(因為兩邊的齒數(shù)差為1,所以實際轉(zhuǎn)過的角度不同)。然后再合上內(nèi)齒輪。當兩個螺母相對于螺母座同方向轉(zhuǎn)動時,一個螺母對另一個螺母產(chǎn)生軸向相對位移,使兩螺母的軸向相對位置發(fā)生變化,從而實現(xiàn)間隙的消除和預(yù)緊力的施加。間隙消除量Δ可用下式計算:式中,n是兩個螺母沿同一方向轉(zhuǎn)過的齒數(shù);ph是滾珠絲杠副的導(dǎo)程。3.4.2滾珠絲杠螺母副圖3-28齒差消隙和預(yù)加載荷的滾珠絲杠螺母副

1—內(nèi)齒輪2—圓柱外齒輪4.滾珠絲杠螺母副標識符號(GB/T17587.1—2017)3.4.2滾珠絲杠螺母副1.直齒圓柱齒輪傳動間隙的調(diào)整(1)偏心套調(diào)整如圖3-29所示,電動機1通過偏心套2裝到殼體上,通過轉(zhuǎn)動偏心套就能夠方便地調(diào)整兩齒輪的中心距,從而消除齒側(cè)間隙。(2)墊片調(diào)整如圖3-30所示,在加工相互嚙合的兩個齒輪1、2時,將分度圓柱面制成帶有小錐度的圓錐面,使齒輪齒厚在軸向稍有變化,裝配時只需改變墊片3的厚度,使齒輪2做軸向移動,調(diào)整兩齒輪在軸向的相對位置即可消除齒側(cè)間隙。上述兩種方法的特點是結(jié)構(gòu)比較簡單,傳動剛度好,能傳遞較大的動力,但齒輪磨損后齒側(cè)間隙不能自動補償,因此加工時對齒輪的齒厚及齒距公差要求較嚴,否則傳動的靈活性將受到影響。(3)雙齒輪錯齒調(diào)整如圖3-31所示,兩個齒數(shù)相同的薄片齒輪1、2與另外一個寬齒輪嚙合。薄片齒輪1、2套裝在一起,并可做相對回轉(zhuǎn)運動。每個薄片齒輪上分別開有周向圓弧槽,并在薄片齒輪1、2的槽內(nèi)分別裝有用于掛彈簧的凸耳4和8,由于彈簧3的作用使薄片齒輪1、2錯位,分別與寬齒輪的齒槽左右側(cè)貼緊,消除齒側(cè)間隙。無論正向或反向旋轉(zhuǎn),因都分別只有一個薄片齒輪承受轉(zhuǎn)矩,因此承載能力受到限制,設(shè)計時需計算彈簧3的拉力,使它能克服最大轉(zhuǎn)矩。這種調(diào)整法結(jié)構(gòu)較復(fù)雜,傳動剛度低,不宜傳遞大轉(zhuǎn)矩,對齒輪的齒厚和齒距要求較低,可始終保持齒輪嚙合無間隙,尤其適用于檢測裝置。3.4.3傳動齒輪間隙消除機構(gòu)3.4.3傳動齒輪間隙消除機構(gòu)圖3-29偏心套消除間隙

1—電動機2—偏心套圖3-30墊片調(diào)整消除間隙

1、2—齒輪3—墊片圖3-31

雙齒輪錯齒調(diào)整消除間隙

1、2—薄片斜齒輪3—彈簧4、8—凸耳5—調(diào)節(jié)螺釘6、7—螺母2.斜齒圓柱齒輪傳動間隙的消除(1)墊片調(diào)整如圖3-32所示,寬齒輪4同時與兩個相同齒數(shù)的薄片斜齒輪1和2嚙合,薄片齒輪經(jīng)平鍵與軸連接,相互間無相對回轉(zhuǎn)。薄片斜齒輪1和2間加厚度為t'的墊片,用螺母擰緊,使兩薄片齒輪1和2的螺旋線產(chǎn)生錯位,前后兩齒面分別與寬齒輪4的齒面貼緊消除間隙。(2)軸向壓簧調(diào)整如圖3-33所示,薄片斜齒輪1和2用鍵滑套在軸上,相互間無相對轉(zhuǎn)動。薄片斜齒輪1和2同時與寬齒輪5嚙合,螺母3調(diào)節(jié)彈簧4使薄片斜齒輪1和2的齒側(cè)分別貼緊寬齒輪5的齒槽左右兩側(cè),從而消除間隙。彈簧壓力的調(diào)整大小應(yīng)適當,壓力過小則起不到消隙的作用,壓力過大會使齒輪磨損加快,縮短使用壽命。齒輪內(nèi)孔應(yīng)有較長的導(dǎo)向長度,因而軸向尺寸較大,結(jié)構(gòu)不緊湊,優(yōu)點是可以自動補償間隙。3.4.3傳動齒輪間隙消除機構(gòu)圖3-32墊片調(diào)整消除斜齒輪間隙圖3-33軸向壓簧調(diào)整消除斜齒輪間隙3.錐齒輪傳動間隙的消除(1)周向壓簧調(diào)整如圖3-34所示,將大錐齒輪加工成1和2兩部分,外環(huán)1上開有三個圓弧槽8,內(nèi)環(huán)2的端面帶有三個凸爪4,套裝在圓弧槽內(nèi)。壓簧6的兩端分別頂在凸爪4和鑲塊7上,使大錐齒輪1、2兩部分的錐齒錯位與小錐齒輪3嚙合,達到消除間隙的作用。螺釘5將內(nèi)外齒圈相對固定是為了安裝方便,安裝完畢后即可拆去。(2)軸向壓簧調(diào)整如圖3-35所示,錐齒輪1、2相互嚙合。在錐齒輪1的軸5上裝有壓簧3,用螺母4調(diào)整壓簧3的彈力。錐齒輪1在彈力作用下沿軸向移動,可消除錐齒輪1和2的間隙。3.4.3傳動齒輪間隙消除機構(gòu)圖3-34周向壓簧調(diào)整錐齒輪間隙圖3-35軸向壓簧調(diào)整錐齒輪間隙4.齒輪齒條傳動間隙的消除對于工作行程很大的大型數(shù)控機床,一般采用齒輪齒條來實現(xiàn)進給傳動。齒輪齒條傳動也同齒輪傳動一樣存在齒側(cè)間隙,因此也存在消除間隙問題。當載荷較小、進給力不大時,齒輪齒條可采用雙片薄齒輪錯齒調(diào)整,分別與齒條的齒槽左、右兩側(cè)貼緊來消除間隙。當載荷較大、所需進給力較大時,通常采用雙厚齒輪的傳動結(jié)構(gòu),其原理如圖3-36所示。進給運動由傳動軸2輸入,通過兩對斜齒輪將運動傳給傳動軸1和傳動軸3,然后由兩個直齒輪4和5去傳動齒條,帶動工作臺移動。傳動軸2上兩個斜齒輪的螺旋線的方向相反。在傳動軸2上作用一個軸向力F,使斜齒輪產(chǎn)生微量的軸向移動。這時傳動軸1和傳動軸3以相反的方向轉(zhuǎn)過一個角度,使齒輪4和5分別與齒條的兩齒面貼緊,從而消除間隙。3.4.3傳動齒輪間隙消除機構(gòu)由于滾珠絲杠、伺服電動機及其控制單元性能提高,很多數(shù)控機床的伺服進給系統(tǒng)中已去掉減速機構(gòu),采用伺服電動機直接與滾珠絲杠連接以保證傳動無間隙,準確執(zhí)行脈沖指令,而不丟掉脈沖。因而使整個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單,減少了產(chǎn)生誤差的環(huán)節(jié);同時,由于轉(zhuǎn)動慣量減小,使伺服特性也有所改善。圖3-37所示為一種膜片彈性聯(lián)軸器,通過錐環(huán)和彈性片實現(xiàn)伺服電動機軸與滾珠絲杠軸的無隙彈性直連。3.4.4伺服電動機與進給絲杠的連接圖3-37膜片彈性聯(lián)軸器

1—壓圈2—聯(lián)軸器3、5—球面墊圈4—彈性片6—錐環(huán)7—電動機軸8—滾珠絲杠采用直線電動機技術(shù)替代滾珠絲杠螺母副并應(yīng)用于數(shù)控伺服進給系統(tǒng)中,可簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、提高定位精度和動態(tài)特性、實現(xiàn)高速直線運動乃至平面運動。直線電動機進給驅(qū)動系統(tǒng)具有下列特點:(1)速度快、加減速過程短(2)精度高(3)傳動剛度高、推力平穩(wěn)(4)高速響應(yīng)性(5)行程長度不受限制(6)運行時效率高、噪聲低3.4.5直線電動機進給系統(tǒng)數(shù)控機床的床身是整個機床的基礎(chǔ)支承件,一般用來放置導(dǎo)軌、主軸箱等重要部件。為了滿足數(shù)控機床加工精度要求,需要機床在受熱、受力時變形小。所以在床身結(jié)構(gòu)上要盡可能地提高它的剛度、抗振性及熱穩(wěn)定性,同時采取措施盡量減少機床運行時的發(fā)熱量或使床身各部位受熱均勻。3.5.1床身3.5客戶選擇的策略1.鑄造床身結(jié)構(gòu)根據(jù)數(shù)控機床的類型不同,床身的結(jié)構(gòu)有各種各樣的形式。數(shù)控銑床和加工中心等機床的床身結(jié)構(gòu)有固定立柱式和移動立柱式兩種,前者一般適用于中小型立式或臥式加工中心,而后者又分為整體T形床身和前后床身分開組裝的T形床身。機床床身結(jié)構(gòu)一般為箱體型結(jié)構(gòu),為使床身在較小質(zhì)量下又能獲得較高的靜剛度和適宜的固有頻率,設(shè)計時需采用肋板結(jié)構(gòu),圖3-40所示是床身中常用的幾種肋板布置的斷面圖。圖3-40

數(shù)控機床床身幾種肋板布置的斷面圖

a)加工中心床身斷面b)加工中心立柱斷面c)數(shù)控車床床身斷面2.鋼板焊接結(jié)構(gòu)大多數(shù)床身結(jié)構(gòu)采用鑄鐵鑄造而成,但隨著焊接技術(shù)的發(fā)展和焊接質(zhì)量的提高,焊接結(jié)構(gòu)的床身在數(shù)控機床中應(yīng)用越來越多。焊接結(jié)構(gòu)床身的突出優(yōu)點是制造周期短,一般比鑄鐵結(jié)構(gòu)的制造周期可以縮短1/2~1/3,省去了木模制作和鑄造工序,不易出廢品。焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計靈活,便于結(jié)構(gòu)改進和產(chǎn)品更新。焊接件能達到與鑄件相同,甚至更好的結(jié)構(gòu)特性,可提高抗彎截面慣性矩,減小質(zhì)量。采用鋼板焊接結(jié)構(gòu)能夠按剛度要求合理布置肋板的形式,充分發(fā)揮壁板和肋板的承載和抗變形作用。另外,鋼板的彈性模量E=2×105MPa,而鑄鐵的彈性模量E=1.2×105MPa,兩者幾乎相差1倍。因此采用鋼板焊接結(jié)構(gòu)有利于提高床身固有頻率。3.5.1床身數(shù)控機床導(dǎo)軌是機床基本結(jié)構(gòu)要素之一,主要用來支承和引導(dǎo)運動部件沿確定的方向運動。在導(dǎo)軌副中,運動的一方稱為運動導(dǎo)軌,不動的一方稱為支承導(dǎo)軌。運動導(dǎo)軌相對于支承導(dǎo)軌的運動,通常是直線運動或回轉(zhuǎn)運動。數(shù)控機床使用的導(dǎo)軌,主要有滑動導(dǎo)軌和滾動導(dǎo)軌兩種。1.對導(dǎo)軌的要求(1)導(dǎo)向精度高(2)耐磨性能好(3)足夠的剛度(4)低速運動平穩(wěn)(5)結(jié)構(gòu)簡單、工藝性好2.滑動導(dǎo)軌滑動導(dǎo)軌也稱為硬軌,仍主要采用傳統(tǒng)方式鑄鐵鑄造,但對于數(shù)控機床上采用的硬軌,在結(jié)構(gòu)和制造工藝上已經(jīng)完全不同于傳統(tǒng)的普通機床,而是采用鑄鐵-塑料或鑲鋼-塑料滑動導(dǎo)軌副。貼塑導(dǎo)軌常用在導(dǎo)軌副的運動導(dǎo)軌上,與之相配的金屬導(dǎo)軌主要采用鑄鐵或鑲鋼導(dǎo)軌,常用鑄鐵牌號為HT300,表面淬火硬度45~50HRC,表面粗糙度值Ra=0.2~0.1μm;鑲鋼導(dǎo)軌常用55鋼或其他合金鋼,表面淬火硬度58~62HRC;導(dǎo)軌貼塑常用聚四氟乙烯導(dǎo)軌軟帶或環(huán)氧型耐磨導(dǎo)軌涂層。3.5.2數(shù)控機床的導(dǎo)軌3.直線滾動導(dǎo)軌直線滾動導(dǎo)軌副也稱單元式直線滾動導(dǎo)軌,它將滾珠(或滾柱)置于導(dǎo)軌與滑塊之間,在將滑動摩擦轉(zhuǎn)換為滾動摩擦的同時,把載荷傳遞給導(dǎo)軌,并通過回珠結(jié)構(gòu)保證滾珠(或滾柱)可在導(dǎo)軌與滑塊之間循環(huán)滾動。直線滾動導(dǎo)軌副的組成零件主要有導(dǎo)軌條5、滑塊3、端蓋、滾珠1與保持架4等,如圖3-41所示。3.5.2數(shù)控機床的導(dǎo)軌圖3-41

直線滾動導(dǎo)軌副結(jié)構(gòu)

a)外形圖b)剖面圖

1—滾珠2—回珠孔3—滑塊4—保持架5—導(dǎo)軌條滾動導(dǎo)軌副主要技術(shù)特性如下:(1)定位精度高使用滾動導(dǎo)軌作為機床直線導(dǎo)軌時,不僅摩擦系數(shù)可降低至滑動摩擦導(dǎo)軌的1/50,動摩擦力與靜摩擦力的差也變得很小。因此機床運行時,不會有爬行現(xiàn)象發(fā)生,可達到微米級的定位精度。(2)磨損小,能長時間維持精度滑動導(dǎo)軌不僅會因油膜逆流作用影響滑座精度,而且可能由于潤滑不充分導(dǎo)致滑動接觸面磨損,嚴重影響精度和精度保持性,而滾動導(dǎo)軌的磨損非常小。(3)適合高速運動由于直線滾動導(dǎo)軌移動時摩擦力非常小,只需較小動力便能讓機床運動,尤其是在滑座頻繁往復(fù)運行時,更能明顯降低其驅(qū)動功率。另外,因其摩擦小,所以產(chǎn)生的熱量也小,更適合高速加工。(4)可同時承受上下左右各方向載荷滾動導(dǎo)軌特殊的約束結(jié)構(gòu)設(shè)計,采用4列承載的滾珠在斷面上呈45°角分布,因此可同時平均承受上、下、左、右4個方向的載荷。而滑動導(dǎo)軌在平行接觸面方向可承受的側(cè)向負荷較小,易造成機床運行精度不良。(5)組裝容易并具互換性組裝時只要銑削或磨削機床導(dǎo)軌的裝配面,并按規(guī)范的步驟將導(dǎo)軌、滑塊分別固定在機床床身、滑座上即可。直線導(dǎo)軌副為整體部件,規(guī)格、型號已形成系列化、標準化(JB/T7175.2—2006),由專業(yè)制造廠專業(yè)化生產(chǎn),使用中具有互換性。3.5.2數(shù)控機床的導(dǎo)軌數(shù)控機床為了能在工件一次裝夾中完成多種甚至所有加工工序,縮短輔助時間,減少多次安裝工件所引起的誤差,必須帶有自動換刀裝置。自動換刀裝置應(yīng)當滿足換刀時間短、刀具重復(fù)定位精度高、刀具儲存量足夠、刀庫占地面積小以及安全可靠等基本要求。自動換刀裝置的主要類型、特點及適用范圍見表3-1。3.6數(shù)控機床的刀庫與換刀裝置表3-1自動換刀裝置的主要類型、特點及適用范圍數(shù)控車床上使用的回轉(zhuǎn)刀架是一種最簡單的自動換刀裝置。根據(jù)不同的加工對象,有四方刀架、六角刀架和八工位圓盤式軸向裝刀刀架等多種形式,轉(zhuǎn)塔刀架上分別安裝著四把、六把、八把或更多的刀具,并按數(shù)控裝置的指令換刀。轉(zhuǎn)塔刀架又有立式和臥式兩種,立式轉(zhuǎn)塔刀架的回轉(zhuǎn)軸與機床主軸成垂直布置,結(jié)構(gòu)比較簡單,經(jīng)濟型數(shù)控車床多采用這種刀架。圖3-42所示為一螺旋升降式四方刀架,它的換刀過程如下:(1)刀架抬起當數(shù)控裝置發(fā)出換刀指令后,電動機22正轉(zhuǎn),并經(jīng)聯(lián)軸套16、軸17,由滑鍵(或花鍵)帶動蝸桿18、蝸輪2、軸1、軸套10轉(zhuǎn)動。軸套10的外圓上有兩個凸起,可在套筒9內(nèi)孔中的螺旋槽內(nèi)滑動,從而舉起與套筒9相連的刀架8及上端齒盤6,使上端齒盤6與下端齒盤5分開,完成刀架抬起動作。(2)刀架轉(zhuǎn)位刀架抬起后,軸套10仍在繼續(xù)轉(zhuǎn)動,同時帶動刀架8轉(zhuǎn)過90°(如不到位,刀架還可繼續(xù)轉(zhuǎn)位180°、270°、360°),并由微動開關(guān)19發(fā)出信號給數(shù)控裝置。(3)刀架壓緊刀架轉(zhuǎn)位后,由微動開關(guān)發(fā)出的信號使電動機22反轉(zhuǎn),銷13使刀架8定位而不隨軸套10回轉(zhuǎn),于是刀架8向下移動。上下端齒盤合攏壓緊。蝸桿18繼續(xù)轉(zhuǎn)動則產(chǎn)生軸向位移,壓縮彈簧21,套筒20的外圓曲面壓下微動開關(guān)19,使電動機22停止旋轉(zhuǎn),從而完成一次轉(zhuǎn)位。3.6.1數(shù)控車床回轉(zhuǎn)刀架3.6.1數(shù)控車床回轉(zhuǎn)刀架圖3-42螺旋升降式四方刀架結(jié)構(gòu)

a)刀架外形b)刀架結(jié)構(gòu)帶旋轉(zhuǎn)刀具的數(shù)控機床常采用轉(zhuǎn)塔頭式換刀裝置,如數(shù)控鉆鏜床的多軸轉(zhuǎn)塔頭等。其轉(zhuǎn)塔頭上裝有幾個主軸,每個主軸上均裝一把刀具,加工過程中轉(zhuǎn)塔頭可自動轉(zhuǎn)位實現(xiàn)自動換刀。主軸轉(zhuǎn)塔頭就相當于一個轉(zhuǎn)塔刀庫,其優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單,換刀時間短,僅為2s左右。由于受空間位置的限制,主軸數(shù)目不能太多,主軸部件結(jié)構(gòu)不能設(shè)計得十分堅實,影響了主軸系統(tǒng)的剛度,通常只適用于工序較少,精度要求不太高的機床,如數(shù)控鉆床、數(shù)控銑床等。近年來出現(xiàn)了一種用機械手和轉(zhuǎn)塔頭配合刀庫進行換刀的自動換刀裝置,如圖3-43所示。它實際上是轉(zhuǎn)塔頭換刀裝置和刀庫換刀裝置的結(jié)合。其工作原理如下:轉(zhuǎn)塔頭5上有兩個刀具主軸3和4,當用一個刀具主軸上的刀具進行加工時,可由機械手2將下一步需用的刀具換至不工作的主軸上。待本工序完成后,轉(zhuǎn)塔頭回轉(zhuǎn)180°,完成換刀。因其換刀時間大部分和機加工時間重合,只需轉(zhuǎn)塔頭轉(zhuǎn)位的時間,所以換刀時間很短。轉(zhuǎn)塔頭上的主軸數(shù)目較少,有利于提高主軸的結(jié)構(gòu)剛性,但很難保證精鏜加工所需要的主軸剛度。因此,這種換刀方式主要用于鉆床,也可用于銑鏜床和數(shù)控組合機床。3.6.2轉(zhuǎn)塔頭式換刀裝置圖3-43機械手和轉(zhuǎn)塔頭配合刀庫換刀的自動換刀裝置

1—刀庫2—機械手3、4—刀具主軸5—轉(zhuǎn)塔頭6—工件7—工作臺圖3-44所示為數(shù)控車床采用的盤形電動回轉(zhuǎn)刀架結(jié)構(gòu)圖,一般可配置12位(A型或B型)、8位(C型)刀盤。3.6.3盤形自動回轉(zhuǎn)刀架圖3-44盤形電動回轉(zhuǎn)刀架

a)刀架結(jié)構(gòu)b)刀盤結(jié)構(gòu)c)刀架外形1.刀庫的類型刀庫的作用是儲備一定數(shù)量的刀具,通過機械手實現(xiàn)與主軸上刀具的交換。刀庫的形式和容量主要是為滿足機床的工藝范圍。常見的刀庫類型如下:(1)盤式刀庫。換刀時主軸箱上升至換刀位置,使主軸和刀具正好對準刀庫的某一個空刀位置,在夾住刀具之后刀庫前伸,將刀具從主軸孔中拔出;然后刀庫將下一工序刀具旋轉(zhuǎn)至與主軸對準的位置,刀庫后退將新刀具插入主軸孔中;最后主軸箱下降到加工位置進行加工。此類換刀裝置的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單,成本較低,換刀可靠性較好;缺點是換刀時間長,適用于刀庫容量較小的加工中心。(2)鏈式刀庫。此類刀庫結(jié)構(gòu)緊湊,刀庫容量較大,可根據(jù)機床的布局做成各種鏈環(huán)形狀,也可將換刀位突出以便于換刀。當需要增加刀具數(shù)量時,只需增加鏈條的長度即可,給刀庫設(shè)計與制造帶來了方便。3.6.4帶刀庫的自動換刀系統(tǒng)2.刀庫的選刀方式常用的選刀方式有順序選刀和任意選刀兩種。順序選刀是在加工之前,將加工零件所需刀具按照工藝要求依次插入刀庫的刀套中,順序不能搞錯,加工時按順序調(diào)刀,加工不同的工件時必須重新調(diào)整刀庫中的刀具順序,操作煩鎖,而且由于刀具的尺寸誤差也容易造成加工精度不穩(wěn)定。其優(yōu)點是刀庫的驅(qū)動和控制都比較簡單。因此,這種選刀方式適合加工批量較大,工件品種數(shù)量較少的中、小型自動換刀機床。隨著技術(shù)的發(fā)展,目前大多數(shù)的數(shù)控系統(tǒng)都具有刀具任選功能,即根據(jù)刀具上的編碼來識別和選擇刀具。常用的刀具編碼方式有刀套編碼、刀具編碼和記憶式等。刀具編碼或刀套編碼需要在刀具或刀套上安裝用于識別的編碼條,采用二進制編碼原理進行編碼。刀具編碼選刀方式采用一種特殊的刀柄結(jié)構(gòu),每把刀具都具有自己的代碼,因而可以在不同的工序中多次重復(fù)使用各把刀具。換下的刀具不用放回原刀座,有利于選刀和裝刀,刀庫的容量也相應(yīng)減少,而且可避免由于刀具順序的差錯所發(fā)生的事故。但由于每把刀具都帶有專用的編碼系統(tǒng),使刀具長度加長,制造困難,剛度降低,刀庫和機械手的結(jié)構(gòu)變得復(fù)雜。刀套編碼選刀方式要求一把刀具只對應(yīng)一個刀套,從一個刀套中取出的刀具必須放回同一刀套中,取送刀具十分麻煩,換刀時間長。目前在加工中心上大量使用記憶式的選刀方式。這種方式能將刀具和刀庫中的刀套位置(地址)對應(yīng)地記憶在數(shù)控系統(tǒng)的PC中,無論刀具放在哪個刀套內(nèi)都始終記憶著。刀庫上裝有位置檢測裝置,可以檢測出每個刀套的位置。這樣刀具就可以任意取出并送回。刀庫上還設(shè)有機械原點,使每次選刀時就近選取。例如,對于盤式刀庫每次選刀運動正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)都不超過180°。3.6.4帶刀庫的自動換刀系統(tǒng)3.刀具交換裝置刀具的交換方式有兩種:由刀庫與機床主軸的相對運動實現(xiàn)刀具交換以及采用機械手交換刀具。刀具的交換方式及它們的具體結(jié)構(gòu)對機床的生產(chǎn)率和工作可靠性有直接的影響。(1)利用刀庫與機床主軸的相對運動實現(xiàn)刀具交換該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,兩個動作不能同時進行,換刀時間較長,圖3-45所示臥式加工中心機床就采用這類刀具交換方式。(2)采用機械手進行刀具交換由于機械手換刀靈活,動作快,而且結(jié)構(gòu)簡單,因此采用機械手進行刀具交換的方式得到廣泛應(yīng)用。根據(jù)刀庫及刀具交換方式的不同,換刀機械手也有多種形式。從手臂的類型來分,有單臂機械手、雙臂機械手。3.6.4帶刀庫的自動換刀系統(tǒng)1.定位