3.1數(shù)控機床及加工中心機械本體的構(gòu)成及特點3.1.1數(shù)控機床及加工中心機械本體的構(gòu)成數(shù)控機床及加工中心的機械本體構(gòu)成如下:(1)機床基礎部件。(2)主傳動系統(tǒng)。(3)進給系統(tǒng)。(4)實現(xiàn)工件回轉(zhuǎn)及定位的裝置和附件。(5)實現(xiàn)某些部件動作與輔助功能的系統(tǒng)和裝置,如液壓、氣動、潤滑、冷卻等系統(tǒng)和排屑、防護等裝置。(6)刀架或自動換刀裝置(ATC)。下一頁返回3.1數(shù)控機床及加工中心機械本體的構(gòu)成及特點(7)自動托盤交換裝置(APC)。(8)特殊功能裝置,如刀具破損監(jiān)控及精度檢測和監(jiān)控裝置。(9)為完成自動化控制功能的各種信號反饋裝置及元件。機床大件稱為機床基礎件,通常是指床身、底座、立柱、橫梁、滑座和工作臺等,它是整臺機床的基礎和框架。機床的其他零部件,或者固定在基礎件上,或者工作時在它的導軌上運動。其他機械結(jié)構(gòu)的組成則按機床的功能需要選用。加工中心是數(shù)控機床,所以加工中心至少還應有自動刀具交換系統(tǒng)(ATC),有的還有雙工位APC等。柔性制造單元(FMC)除ATC外還帶有較多工位數(shù)的APC,有的還配有用于上下料的工業(yè)機器人。上一頁下一頁返回3.1數(shù)控機床及加工中心機械本體的構(gòu)成及特點數(shù)控機床可根據(jù)自動化程度、可靠性要求和特殊功能需要,選用各類破損監(jiān)控、機床與工件精度檢測、補償裝置和附件等。有些特殊加工數(shù)控機床,如電加工數(shù)控機床和激光切割機,其主軸部件不同于一般數(shù)控金屬切削機床,但對進給伺服系統(tǒng)的要求都是一樣的。數(shù)控機床用的刀具,雖不是機床本體的組成部分,但它是機床實現(xiàn)切削功能不可分割的部分,對提高數(shù)控機床的生產(chǎn)效率有重大影響。3.1.2數(shù)控機床及加工中心機械本體的特點上一頁下一頁返回3.1數(shù)控機床及加工中心機械本體的構(gòu)成及特點數(shù)控機床是高精度和高生產(chǎn)率的自動化機床,其加工過程中的動作順序、運動部件的坐標位置及輔助功能,都是通過數(shù)字信息自動控制的,操作者在加工過程中無法干預,不能像在普通機床上加工零件那樣,對機床本身的結(jié)構(gòu)和裝配的薄弱環(huán)節(jié)進行人為補償,所以數(shù)控機床幾乎在任何方面均要求機床設計得更為完善、制造得更為精密。為滿足高精度、高效率、高自動化程度的要求,數(shù)控機床的機構(gòu)設計已形成自己的獨立體系,在這一結(jié)構(gòu)的完善過程中,數(shù)控機床出現(xiàn)了不少新穎的結(jié)構(gòu)及元件。與普通機床相比,數(shù)控機床機械結(jié)構(gòu)有許多特點。在主傳動系統(tǒng)方面,具有下列特點:上一頁下一頁返回3.1數(shù)控機床及加工中心機械本體的構(gòu)成及特點(1)目前數(shù)控機床的主傳動電動機已不再采用普通的交流異步電動機或傳統(tǒng)的直流調(diào)速電動機,它們已逐步被新型的交流調(diào)速電動機和直流調(diào)速電動機所代替。(2)轉(zhuǎn)速高,功率大。它能使數(shù)控機床進行大功率切削和高速切削,實現(xiàn)高效率加工。(3)變速范圍大。數(shù)控機床的主傳動系統(tǒng)要求有較大的調(diào)速范圍,一般Rn>100,以保證加工時能選用合理的切削用量,從而獲得最佳的生產(chǎn)率、加工精度和表面質(zhì)量。(4)主軸速度的變換迅速可靠。上一頁下一頁返回3.1數(shù)控機床及加工中心機械本體的構(gòu)成及特點數(shù)控機床的變速是按照控制指令自動進行的,因此變速機構(gòu)必須適應自動操作的要求。由于直流和交流主軸電動機的調(diào)速系統(tǒng)日趨完善,不僅能夠方便地實現(xiàn)寬范圍的無級變速,而且減少了中間傳遞環(huán)節(jié),提高了變速控制的可靠性。在進給傳動系統(tǒng)方面,具有下列特點:(1)盡量采用低摩擦的傳動副。(2)選用最佳的降速比,以提高機床分辨率,使工作臺盡可能大地加速,以達到跟蹤指令和系統(tǒng)折算到驅(qū)動軸上的慣量盡量小的要求。(3)縮短傳動鏈以及用預緊的方法提高傳動系統(tǒng)的剛度。(4)盡量消除傳動間隙,減小反向死區(qū)誤差。上一頁返回3.2數(shù)控機床及加工中心主要基礎件3.2.1床身床身是機床的主體,是整個機床的基礎支撐部件,床身上一般要安裝導軌,支撐主軸箱、滑枕等部件。床身的結(jié)構(gòu)對機床的布局有很大的影響。為了滿足數(shù)控機床高速度、高精度、高生產(chǎn)率、高可靠性和高自動化程度的要求,數(shù)控機床必須比普通機床具備更高的靜、動剛度和更好的抗振性。根據(jù)數(shù)控機床的類型不同,床身的結(jié)構(gòu)形式也多種多樣,如圖3-1~圖3-4所示。3.2.2立柱下一頁返回3.2數(shù)控機床及加工中心主要基礎件加工中心的立柱用于支撐主軸箱,主軸箱沿立柱導軌上下移動進給。對立柱的基本要求是要有足夠的構(gòu)件強度、良好的抗振性和抗熱變形性。機床立柱材質(zhì)常見的為HT250,這種材質(zhì)強度、耐磨性、耐熱性均較好,減振性良好,鑄造性能較優(yōu),需進行人工時效處理。除此之外,經(jīng)常用到的還有HT200、HT300或球墨鑄鐵,根據(jù)不同工作要求而定。立柱與底座之間的連接通常采用螺栓緊固和圓錐銷定位。立式加工中心及立柱如圖3-5所示。3.2.3工作臺上一頁下一頁返回3.2數(shù)控機床及加工中心主要基礎件工作臺具有耐潮、耐腐蝕、不褪色和溫度系數(shù)低等特點,主要用于機床加工工作平面,上面有孔和T形槽,用來固定工件和清理加工時產(chǎn)生的鐵屑。按JB/T7974—1999標準制造,產(chǎn)品制成筋板式和箱體式,工作面采用刮研工藝,工作面上可加工V形、T形、U形槽和圓孔、長孔,其材質(zhì)為HT200、HT250、HT300或球墨鑄鐵。加工鑄件時,需經(jīng)過兩次人工處理(人工退火600℃~700℃和自然時效2~3年),從而能保證工作臺具有穩(wěn)定的精度和較好的耐磨性能。3.2.4底座上一頁下一頁返回3.2數(shù)控機床及加工中心主要基礎件底座主要起支撐作用。機床底座上裝有工作臺、主軸箱和立柱等,底座是機床的基礎。假如沒有底座,所有機械部件都難以組裝起來,同時機床也會失去穩(wěn)定性,運動的軌跡也將是上下起伏的,便沒有加工精度可言。機床底座的材質(zhì)多為灰鑄鐵,也有少部分采用大理石。3.2.5導軌機床導軌是機床基本結(jié)構(gòu)要素之一,起導向和支撐作用,機床的加工精度和使用壽命在很大程度上取決于機床導軌的質(zhì)量。數(shù)控機床及加工中心的導軌與普通機床的導軌相比有更高的要求。上一頁下一頁返回3.2數(shù)控機床及加工中心主要基礎件3.2.5.1導向精度高導向精度是指機床的動導軌沿支撐導軌運動的直線度(對直線運動導軌)或圓度(對圓周運動導軌)。無論空載還是加工,導軌都應具有足夠的導向精度,這是對導軌的基本要求。各種機床對于導軌本身的精度都有具體的規(guī)定或標準,以保證導軌的導向精度。3.2.5.2精度保持性好精度的保持性是指導軌能否長期保持原始精度。影響精度保持性的主要因素是導軌的磨損,此外,還與導軌的結(jié)構(gòu)形式及支撐件(如床身)的材料有關。數(shù)控機床的精度保持性要求比普通機床高,應采用摩擦因數(shù)小的滾動導軌、塑料導軌或靜壓導軌。上一頁下一頁返回3.2數(shù)控機床及加工中心主要基礎件3.2.5.3足夠的剛度機床各運動部件所受的外力,最后都由導軌面來承受。若導軌受力后變形過大,不僅會破壞導向精度,而且會惡化導軌的工作條件。導軌的剛度主要決定于導軌的類型、結(jié)構(gòu)形式和尺寸大小及導軌與床身的連接方式、導軌材料和表面加工質(zhì)量等。數(shù)控機床的導軌截面積通常較大,有時還需要在主導軌外添加輔助導軌來提高剛度。3.2.5.4良好的摩擦特性數(shù)控機床導軌的摩擦因數(shù)要小,而且動、靜摩擦因數(shù)應盡量接近,以減小摩擦阻力和導軌熱變形,使運動輕便平穩(wěn)、低速無爬行。上一頁下一頁返回3.2數(shù)控機床及加工中心主要基礎件此外,導軌結(jié)構(gòu)工藝性要好,應便于制造和裝配,便于檢驗、調(diào)整和維修,且有合理的導軌防護和潤滑措施等。1.導軌的分類按接觸面的摩擦性質(zhì),導軌可以分為滾動導軌、滑動導軌和靜壓導軌三種,其中,數(shù)控機床及加工中心最常用的是滾動導軌和滑動導軌。2.滾動導軌滾動導軌是在導軌面之間放置滾動體,使導軌面之間的滑動摩擦變成滾動摩擦。上一頁下一頁返回3.2數(shù)控機床及加工中心主要基礎件滾動導軌與滑動導軌相比的優(yōu)點是:靈敏度高,且其動摩擦因數(shù)與靜摩擦因數(shù)相差甚微,因而運動平穩(wěn),低速移動時不易出現(xiàn)爬行現(xiàn)象;定位精度高,重復定位精度可達0.2mm;摩擦阻力小,移動輕便,磨損小,精度保持性好,壽命長。但滾動導軌的抗振性較差,對防護要求較高。滾動導軌特別適用于機床的工作部件要求移動均勻、運動靈敏及定位精度高的場合。在數(shù)控機床及加工中心上應用滾動導軌較為普遍。目前,常采用的滾動導軌有滾動導軌塊和直線滾動導軌兩種。如圖3-6所示,使用時,滾動導軌塊安裝在運動部件的導軌面上,每一導軌至少用兩塊,導軌塊的數(shù)目取決于導軌的長度和負載的大小,與之相配的導軌多采用鑲鋼淬火導軌。上一頁下一頁返回3.2數(shù)控機床及加工中心主要基礎件當運動部件移動時,滾動體3在支撐部件的導軌面與本體6之間滾動,同時又繞本體6做循環(huán)滾動,滾動體3與運動部件的導軌面不接觸。這種滾動導軌塊又稱為滾動導軌支撐塊,是一種滾動體做循環(huán)運動的滾動導軌,多用于中等負荷。滾動導軌塊由專業(yè)廠家生產(chǎn),有多種規(guī)格、形式供客戶選用。滾動導軌塊的特點是剛度高、承載能力大及便于拆裝等。圖3-7所示為直線滾動導軌構(gòu)造,它由直線導軌1、滑塊7、滾動體4(滾珠)、保持架3、端蓋6等組成。上一頁下一頁返回3.2數(shù)控機床及加工中心主要基礎件使用時,直線導軌固定在不運動部件上(如床身、滑鞍及立柱等大件),滑塊固定在運動部件上。當滑塊沿導軌運動時,滾動體在直線導軌和滑塊之間的圓弧直槽內(nèi)滾動,通過端蓋內(nèi)的滾道從工作負載區(qū)到非工作負載區(qū),不斷循環(huán),從而把直線導軌與滑塊之間的移動轉(zhuǎn)化成滾動體的滾動。這種直線滾動導軌又稱為單元式直線滾動導軌,是近年來新出現(xiàn)的一種滾動導軌,優(yōu)點是沒有間隙。與一般滾動導軌相比,其還有自調(diào)整能力,安裝基面允許誤差大;制造精度高;可高速運行,運行速度可大于10m/s;能長時間保持高精度;可預加負載以提高剛度等。由生產(chǎn)廠家組裝而成,直線滾動導軌分四個精度等級,即2、3、4、5級,2級精度最高,依次遞減。上一頁下一頁返回3.2數(shù)控機床及加工中心主要基礎件3.滑動導軌滑動導軌具有結(jié)構(gòu)簡單、制造方便、剛度好和抗振性高等優(yōu)點,是機床上使用最廣泛的導軌形式。普通的鑄鐵-鑄鐵、鑄鐵-淬火鋼導軌,存在的缺點是靜摩擦因數(shù)大,而且動摩擦因數(shù)隨速度變化而變化,摩擦損失大,低速(1~60mm/min)時易出現(xiàn)爬行現(xiàn)象,降低了運動部件的定位精度。通過選用合適的導軌材料和采用相應的熱處理及加工方法,可以提高滑動導軌的耐磨性及改善其摩擦特性。1)注塑導軌上一頁下一頁返回3.2數(shù)控機床及加工中心主要基礎件導軌注塑或抗磨涂層的材料是以環(huán)氧樹脂和二硫化鉬為基體,加入增塑劑,混合成膏狀為一組分、固化劑為另一組分的雙組分塑料,國內(nèi)牌號HNT稱為環(huán)氧樹脂耐磨涂料。這種涂料附著力強,可用涂敷工藝或壓注成型工藝涂到預先加工成鋸齒形的導軌。導軌注塑工藝簡單,在調(diào)整好固定導軌和運動導軌間的相關位置上,涂層厚度為1.5~2.5mm,注入雙組分塑料,固化后將定、動導軌分離即成塑料導軌副。塑料涂層導軌摩擦因數(shù)小,在無潤滑油情況下仍有較好的潤滑和防爬行的效果。目前在大型和重型機床上應用較多。2)貼塑導軌上一頁下一頁返回3.2數(shù)控機床及加工中心主要基礎件在導軌滑動面上貼一層抗磨塑料軟帶,與之相配的導軌滑動面經(jīng)淬火和磨削加工。軟帶以聚四氟乙烯為基材,添加合金粉和氧化物制成。塑料軟帶可切成任意大小和形狀,用黏接劑黏接在導軌基面上。由于這類導軌軟帶用黏接方法,故習慣上稱貼塑導軌。塑料軟帶一般黏接在機床導軌副的短導軌面上。圓形導軌應粘貼在下導軌面上,各種組合形式的滑動導軌均可粘貼。4.靜壓導軌靜壓導軌的滑動面之間開有油腔,有一定壓力的油通過節(jié)流器輸入油腔,形成壓力油膜,浮起運動部件,使導軌工作面處于純液體摩擦,不產(chǎn)生磨損,精度保持性好。上一頁下一頁返回3.2數(shù)控機床及加工中心主要基礎件同時摩擦因數(shù)也極低(0.0005),使驅(qū)動功率大為降低。其運動不受速度和負載的限制,低速無爬行,承載能力好,剛度好,油液有吸振作用,抗振性好,導軌摩擦發(fā)熱小。其缺點是結(jié)構(gòu)復雜,要有供油系統(tǒng),油的清潔度要求高,多用于重型、精度較高的機床。上一頁返回3.3數(shù)控機床及加工中心主傳動系統(tǒng)3.3.1主傳動系統(tǒng)為了適應各種不同材料的加工及各種不同的加工方法,要求數(shù)控機床的主傳動系統(tǒng)有較寬的轉(zhuǎn)速范圍及相應的輸出力矩。此外,由于主軸部件直接裝夾刀具對工件進行切削,而且對加工質(zhì)量(包括加工粗糙度)及刀具壽命有很大的影響,所以對主傳動系統(tǒng)的要求是很高的。為了能高效率地加工出高精度、低表面粗糙度的工件,必須有一個具有良好性能的主傳動系統(tǒng)和一個具有高精度、高剛度、振動小、熱變形及噪聲均能滿足需要的主軸部件。下一頁返回3.3數(shù)控機床及加工中心主傳動系統(tǒng)3.3.2主傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特點數(shù)控機床的主傳動系統(tǒng)一般采用直流或交流主軸電動機,通過皮帶傳動和主軸箱的變速齒輪帶動主軸旋轉(zhuǎn)。由于這種電動機調(diào)速范圍廣,又可無級調(diào)速,使得主軸箱的結(jié)構(gòu)大為簡化。主軸電動機在額定轉(zhuǎn)速時輸出全部功率和最大轉(zhuǎn)矩,隨著轉(zhuǎn)速的變化,功率和轉(zhuǎn)矩將發(fā)生變化。在調(diào)壓范圍內(nèi)(從額定轉(zhuǎn)速調(diào)到最低轉(zhuǎn)速)為恒轉(zhuǎn)矩,功率隨轉(zhuǎn)速成正比例下降;在調(diào)速范圍內(nèi)(從額定轉(zhuǎn)速調(diào)到最高轉(zhuǎn)速)為恒功率,轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)速升高成正比例減小。這種變化規(guī)律是符合正常加工要求的,即低速切削所需轉(zhuǎn)矩大、高速切削消耗功率大。上一頁下一頁返回3.3數(shù)控機床及加工中心主傳動系統(tǒng)同時也可以看出電動機的有效轉(zhuǎn)速范圍并不一定能完全滿足主軸的工作需要。所以主軸箱一般仍需要設置幾擋變速(2~4擋)。機械變擋一般采用油缸推動滑移齒輪實現(xiàn),這種方法結(jié)構(gòu)簡單,性能可靠,一次變速只需1s。有些小型或者調(diào)速范圍不需要太大的數(shù)控機床,也常采用由電動機直接帶動主軸或用皮帶傳動帶動主軸旋轉(zhuǎn)。為了滿足主傳動系統(tǒng)高精度、高剛度和低噪聲的要求,主軸箱的傳動齒輪都要經(jīng)過高頻淬硬、精密磨削。在結(jié)構(gòu)允許的條件下,應適當增加齒輪寬度,提高齒輪的重疊系數(shù)。變速滑移齒輪一般都用花鍵傳動,采用內(nèi)徑定心。上一頁下一頁返回3.3數(shù)控機床及加工中心主傳動系統(tǒng)側(cè)面定心的花鍵對降低噪聲更為有利,因為這種定心方式傳動間隙小、接觸面大,但加工需要專門的刀具和花鍵磨床。皮帶傳動容易產(chǎn)生振動,在皮帶長度不一致的情況下更為嚴重。因此,在選擇皮帶時,應盡可能縮短皮帶長度。3.3.3主傳動系統(tǒng)分類為了適應不同的加工要求,目前主傳動系統(tǒng)大致可以分為3類。3.3.3.1二級以上變速的主傳動系統(tǒng)變速裝置多采用齒輪變速結(jié)構(gòu)?；讫X輪的移位大多采用液壓缸和撥叉或直接由液壓油缸帶動齒輪來實現(xiàn)。上一頁下一頁返回3.3數(shù)控機床及加工中心主傳動系統(tǒng)因數(shù)控機床使用可調(diào)無級變速交、直流電動機,所以經(jīng)齒輪變速后,實現(xiàn)分段無級變速,調(diào)速范圍增加。其優(yōu)點是能夠滿足各種切削運動的轉(zhuǎn)矩輸出,且具有大范圍調(diào)節(jié)速度的能力。但由于結(jié)構(gòu)復雜,需要增加潤滑及溫度控制裝置,故成本較高。此外制造和維修也比較困難。1.二級變速器的主傳動系統(tǒng)圖3-8所示為二級以上齒輪變速主傳動系統(tǒng)的應用實例。2.一級變速器的主傳動系統(tǒng)目前多采用皮帶傳動裝置,其優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單、安裝調(diào)試方便,且在一定條件下能滿足轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩的輸出要求。上一頁下一頁返回3.3數(shù)控機床及加工中心主傳動系統(tǒng)但系統(tǒng)的調(diào)速范圍比與電動機一樣,受電動機調(diào)速范圍的約束。這種傳動方式可以避免齒輪傳動時引起的振動與噪聲,適用于低轉(zhuǎn)矩特性要求的主軸。圖3-9

和圖3-10所示為一級變速主傳動系統(tǒng)的應用實例。數(shù)控精密鏜床主傳動系統(tǒng)由圖3-9所示的3個部分組成。其運動由交流主軸電動機1產(chǎn)生動力,經(jīng)過三角帶2驅(qū)動鏜頭3運轉(zhuǎn)。立式加工中心主傳動系統(tǒng)由圖3-10所示的3個部分組成。其運動由交流主軸電動機1產(chǎn)生動力,經(jīng)過齒形皮帶2帶動主軸3旋轉(zhuǎn)。3.3.3.2調(diào)速電動機直接驅(qū)動的主傳動系統(tǒng)上一頁下一頁返回3.3數(shù)控機床及加工中心主傳動系統(tǒng)調(diào)速電動機直接驅(qū)動的主傳動系統(tǒng)中,電動機通過聯(lián)軸器與主軸直連,其優(yōu)點是結(jié)構(gòu)緊湊、占用空間少、轉(zhuǎn)換效率高,但是主軸轉(zhuǎn)速的變化及轉(zhuǎn)矩的輸出和電動機的輸出特性完全一致,因而使用受到限制。3.3.4主軸部件數(shù)控機床主軸部件包括主軸的支承和安裝在主軸上的傳動零件等。主軸部件質(zhì)量的好壞直接影響加工質(zhì)量。無論哪種機床的主軸部件都應滿足下述幾方面的要求:主軸的回轉(zhuǎn)精度,部件的結(jié)構(gòu)剛度和抗振性,運轉(zhuǎn)溫度和熱穩(wěn)定性,以及部件的耐磨性和精度保持能力等。上一頁下一頁返回3.3數(shù)控機床及加工中心主傳動系統(tǒng)對于數(shù)控機床尤其是自動換刀數(shù)控機床,為了實現(xiàn)刀具在主軸上的自動裝卸與夾持,還必須有刀具的自動夾緊裝置、主軸準停裝置和主軸孔的清理裝置等。3.3.4.1主軸端部的結(jié)構(gòu)形狀主軸端部用于安裝刀具或安裝夾持工件的夾具。在設計要求上,應能保證定位準確、安裝可靠、連接牢固、裝卸方便,并能傳遞足夠扭矩。主軸端部的結(jié)構(gòu)形狀都已標準化,圖3-11所示為車、銑、磨3種主要數(shù)控機床的結(jié)構(gòu)形式。上一頁下一頁返回3.3數(shù)控機床及加工中心主傳動系統(tǒng)圖3-11(a)所示為車床的主軸端部,卡盤靠前端的短圓錐和凸緣端面定位,用拔銷傳遞扭矩?？ūP裝有固定螺栓,當其裝于主軸端部時,螺栓從凸緣上的孔中穿過,轉(zhuǎn)動快卸卡板將數(shù)個螺栓同時拴住,再擰緊螺母將卡盤固定在主軸端部。主軸為空心,前端有莫氏錐度孔用以安裝頂尖或芯軸。圖3-11(b)所示為銑、鏜類機床的主軸端部,銑刀或刀桿在前端7:24的錐孔內(nèi)定位,并用拉桿從主軸后端拉緊,由前端的端面鍵傳遞扭矩。圖3-11(c)所示為磨床砂輪主軸的端部。3.3.4.2主軸部件的支承上一頁下一頁返回3.3數(shù)控機床及加工中心主傳動系統(tǒng)機床主軸帶著刀具或夾具在支承中做回轉(zhuǎn)運動,應能傳遞切削扭矩、承受切削抗力,并保證必要的旋轉(zhuǎn)精度。機床主軸多采用滾動軸承作為支承。對于精度要求高的主軸,則采用動壓或靜壓滑動軸承作為支承。主軸部件常用的滾動軸承有以下幾種。1.角接觸球軸承角接觸球軸承通常兩個或三個或更多個組配使用,能承受徑向、雙向軸向負載。組配使用能滿足剛度要求,并能方便地消除軸向和徑向間隙,這種軸承允許主軸的最高轉(zhuǎn)速較高。2.圓柱滾子軸承上一頁下一頁返回3.3數(shù)控機床及加工中心主傳動系統(tǒng)圓柱滾子軸承只承受徑向載荷,承載能力大,剛度大,容易消除徑向間隙和徑向預緊。這種軸承允許主軸的最高轉(zhuǎn)速比向心推力球軸承低。3.60°角接觸推力調(diào)心球軸承60°角接觸推力調(diào)心球軸承只承受軸向載荷,承載能力大,剛度大,容易消除軸向間隙和軸向預緊。這種軸承允許主軸最高轉(zhuǎn)速與同孔徑的圓柱滾子軸承相同,適合兩者配套使用。4.圓錐滾子軸承圓錐滾子軸承能同時承受較大的軸向載荷和徑向載荷,剛度大,容易消除間隙和預緊,但允許的主軸轉(zhuǎn)速相對較低。上一頁下一頁返回3.3數(shù)控機床及加工中心主傳動系統(tǒng)在實際應用中,數(shù)控機床主軸軸承常見的配置有下列三種形式:圖3-12(a)所示結(jié)構(gòu)為前支承采用雙列短圓柱滾子軸承和雙向推力角接觸球軸承組合,后支承采用成對向心推力球軸承。這種結(jié)構(gòu)的綜合剛度高,可以滿足強力切削要求,是目前各類數(shù)控機床普遍采用的形式。圖3-12(b)所示結(jié)構(gòu)為前支承采用多個高精度向心推力球軸承,后支承采用單個向心推力球軸承。這種配置的高速性能好,但承載能力較差,適用于高速、輕載和精密數(shù)控機床。圖3-12(c)所示結(jié)構(gòu)為前支承采用雙列圓錐滾子軸承,后支承為單列圓錐滾子軸承。上一頁下一頁返回3.3數(shù)控機床及加工中心主傳動系統(tǒng)這種配置的徑向和軸向剛度很高,可承受重載荷,但這種結(jié)構(gòu)限制了主軸最高轉(zhuǎn)速和精度,因而僅適用于中等精度、低速與重載的數(shù)控機床主軸。為提高主軸組件剛度,數(shù)控機床還常采用三支承主軸組件,尤其是前、后軸承間跨距較大的數(shù)控機床,采用輔助支承可以有效地減小主軸彎曲變形。三支承主軸結(jié)構(gòu)中,一個支承為輔助支承,輔助支承可以選為中間支承,也可以選為后支承。輔助支承在徑向要保留必要的間隙,避免由于主軸安裝軸承處軸徑和箱體安裝軸承處孔的制造誤差(主要是同軸度誤差)造成的干涉。輔助支承常采用深溝球軸承。上一頁下一頁返回3.3數(shù)控機床及加工中心主傳動系統(tǒng)液體靜壓軸承和動壓軸承主要應用于主軸高轉(zhuǎn)速、高回轉(zhuǎn)精度的場合,如應用于精密、超精密數(shù)控機床主軸和數(shù)控磨床主軸。對于要求更高轉(zhuǎn)速的主軸,可以采用空氣靜壓軸承,這種軸承的轉(zhuǎn)速可達每分鐘幾萬轉(zhuǎn),并有非常高的回轉(zhuǎn)精度。3.3.4.3自動換刀數(shù)控機床主軸內(nèi)刀具的自動卡緊及吹屑裝置在帶有刀庫的自動換刀數(shù)控機床中,為實現(xiàn)刀具在主軸上的自動裝卸,其主軸必須設計刀具的自動夾緊機構(gòu)。自動換刀數(shù)控立式銑鏜床主軸的刀具夾緊機構(gòu)如圖3-13所示。主軸的前支承配置了三個高精度的角接觸球軸承,用以承受徑向載荷和軸向載荷,前兩個軸承的大口朝下,后面一個軸承的大口朝上。上一頁下一頁返回3.3數(shù)控機床及加工中心主傳動系統(tǒng)前支承按預加載荷計算的預緊量由螺母5來調(diào)整。后支承為一對小口相對配置的角接觸球軸承,它們只承受徑向載荷,因此軸承外圈不需要定位。該主軸選擇的軸承類型和配置形式,滿足主軸高轉(zhuǎn)速和承受較大軸向載荷的要求。主軸受熱變形向后伸長,不影響加工精度。主軸內(nèi)部和后端安裝的是刀具自動夾緊機構(gòu),它主要由拉桿7、拉桿端部的四個鋼球3、碟形彈簧8、活塞10和液壓缸11等組成。刀柄以錐度為7:24的錐柄在主軸1前端的錐孔中定位,并通過擰緊在錐柄尾部的拉釘2拉緊在錐孔中。上一頁下一頁返回3.3數(shù)控機床及加工中心主傳動系統(tǒng)夾緊刀柄時,液壓缸上腔接通回油,彈簧9推活塞10上移,處于圖示位置,拉桿7在碟形彈簧8的作用下向上移動;由于此時裝在拉桿前端徑向孔中的鋼球3進入主軸孔中直徑較小處,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。切削扭矩則由端面鍵傳遞。換刀前將刀柄松開時,壓力油進入液壓缸上腔,活塞10推動拉桿7向下移動,碟形彈簧被壓縮;當鋼球3隨拉桿一起下移至進入主軸孔直徑較大之處時,它就不能再約束拉釘?shù)念^部,緊接著拉桿前端內(nèi)孔的臺肩端面碰到拉釘,把刀柄頂松。此時行程開關發(fā)出信號,換刀機械手隨即將刀柄取下。上一頁下一頁返回3.3數(shù)控機床及加工中心主傳動系統(tǒng)當機械手把新刀裝上主軸后,液壓缸11接通回油,碟形彈簧又拉緊刀柄,刀柄拉緊后,行程開關發(fā)出信號。自動清除主軸孔中切屑和灰塵是換刀操作中一個不容忽視的問題。如果在主軸錐孔中掉進了切屑或其他污物,則在拉緊刀桿時,主軸錐孔表面和刀桿的錐柄就會被劃傷,甚至使刀桿發(fā)生偏斜,破壞刀具的正確定位,影響加工零件的精度,甚至使零件報廢。為了保持主軸錐孔的清潔,常用壓縮空氣吹屑。如圖3-13所示的活塞10的中心鉆有壓縮空氣通道,當活塞向下移動時,壓縮空氣經(jīng)拉桿7吹出,將主軸錐孔清理干凈。噴氣頭中的噴氣小孔要有合理的噴射角度,并均勻分布,以提高其吹屑效果。上一頁下一頁返回3.3數(shù)控機床及加工中心主傳動系統(tǒng)3.3.4.2主軸準停裝置主軸準停功能又稱主軸定位功能,即當主軸停止時,控制其停于固定位置,這是自動換刀所必需的功能。在自動換刀數(shù)控加工中心上,切削扭矩通常是通過刀桿的端面鍵來傳遞的,因此在每一次自動裝卸刀桿時都必須使刀柄上的鍵槽對準主軸上的端面鍵,這就要求主軸具有準確的軸向定位的功能。在加工精密坐標孔時,由于每次都能在主軸固定的圓周位置上裝刀,故能保證刀尖與主軸相對位置的一致性,從而提高孔徑的正確性,這是主軸準停裝置帶來的另一個好處。目前準停裝置很多,主要分為機械式和電氣式兩種。上一頁下一頁返回3.3數(shù)控機床及加工中心主傳動系統(tǒng)機械準停裝置中較典型的V形槽輪定位盤準停機構(gòu)如圖3-14所示,其工作過程如下所述。帶有V形槽的定位盤與主軸端面保持一定的位置關系,以實現(xiàn)定位。當執(zhí)行準?？刂浦噶顣r,首先使主軸降速至某一可以設定的低速轉(zhuǎn)動,然后當無觸點開關有效信號被檢測到后,立即使主軸電動機停轉(zhuǎn)并斷開主軸傳動鏈,此時主軸電動機與主傳動件依慣性繼續(xù)空轉(zhuǎn),同時準停液壓缸定位銷伸出并壓向接觸定位盤。當定位盤V形槽與定位銷對正時,由于液壓缸的壓力,定位銷插入V形槽,準停到位檢測開關LS2信號有效,表明準停動作完成,這里LS1為準停釋放信號。上一頁下一頁返回3.3數(shù)控機床及加工中心主傳動系統(tǒng)采用這種準停方式時,必須有一定的邏輯互鎖,即當LS2有效后,才能進行下面的諸如換刀等動作;而只有當LS1有效時,才能啟動主軸電動機正常運轉(zhuǎn)。上述準?？刂仆ǔＳ蓴?shù)控系統(tǒng)所配的可編程控制器完成。上一頁返回3.4數(shù)控機床及加工中心進給系統(tǒng)3.4.1進給傳動系統(tǒng)的特點數(shù)控機床及加工中心要求進給系統(tǒng)中的傳動裝置和元件具有高的壽命、高的剛度、無傳動間隙、高的靈敏度和低的摩擦阻力等特點。為了提高進給運動的位移精度,減少傳動誤差,首先要保證傳動系統(tǒng)中各種機械零部件的加工精度,其次要采用合理的預緊來消除軸向傳動間隙,所以在進給傳動系統(tǒng)中采用了間隙消除機構(gòu)。這里要強調(diào)一點,在采用預緊等各種消除間隙的措施后仍然可能留有微量間隙。此外,零部件受力后會產(chǎn)生彈性變形,也會產(chǎn)生間隙,因此在進給系統(tǒng)反向運動時,仍需由數(shù)控裝置發(fā)出脈沖指令進行自動補償。下一頁返回3.4數(shù)控機床及加工中心進給系統(tǒng)3.4.2進給傳動系統(tǒng)的構(gòu)成進給傳動系統(tǒng)通常是由伺服電動機、同步帶輪傳動副和滾珠絲杠螺母副組成的。有的機床通過聯(lián)軸器直接將伺服電動機與滾珠絲杠連接。滾珠絲杠螺母副的作用是將電動機的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換為執(zhí)行部件的直線運動。圖3-15~圖3-17所示分別為XK8140萬能工具數(shù)控銑床進給傳動系統(tǒng)、TK7140數(shù)控精密鏜床進給傳動系統(tǒng)及VMC50立式加工中心進給系統(tǒng)。上一頁下一頁返回3.4數(shù)控機床及加工中心進給系統(tǒng)如圖3-15(b)所示,萬能工具數(shù)控銑床有三向進給運動,分別是X、Y、Z三軸,均采用交流伺服電動機1,經(jīng)同步齒形帶2,傳至滾珠絲杠4,滾珠絲杠或螺母與主軸的運動部件(X軸為絲杠與垂直工作臺,Y軸為螺母與水平主軸座,Z軸為螺母與升降臺)相連接。各軸均由向心推力球軸承3直接支承絲杠。各坐標的位置檢測信號由安裝在各運動部件5上的光柵尺6反饋至數(shù)控系統(tǒng),速度信號由安裝在交流伺服電動機1內(nèi)的測速發(fā)電機7反饋至伺服驅(qū)動器。上一頁下一頁返回3.4數(shù)控機床及加工中心進給系統(tǒng)如圖3-16所示,數(shù)控精密鏜床只有縱向進給運動,是一軸數(shù)控機床,采用步進電動機1,經(jīng)聯(lián)軸器2,傳至滾珠絲杠4,絲杠螺母5與主軸的運動部件6(工作臺)相連接,滾珠絲杠由位于軸承座3內(nèi)的向心推力球軸承直接支承。動力由電動機傳到滾珠絲杠,通過滾珠絲杠螺母副來帶動工作臺移動,步進電動機由可編程控制器來控制。VMC50立式加工中心的進給運動采用三個坐標分離傳動,進給電動機1通過一個無間隙傳動的聯(lián)軸器2和滾珠絲杠5直接連接,滾珠絲杠由角接觸軸承3支承,滾珠絲杠螺母4帶動運動部件移動,分別完成X、Y、Z三個方向的坐標動作。上一頁下一頁返回3.4數(shù)控機床及加工中心進給系統(tǒng)滾珠絲杠安裝時均進行了預拉伸,可有效減小滾珠絲杠工作時因熱膨脹、自重引起的彈性變形,以提高珠絲絲杠的剛性,保證精度的穩(wěn)定性。3.4.3滾珠絲杠螺母副滾珠絲杠螺母副是回轉(zhuǎn)運動與直線運動相互轉(zhuǎn)換的一種新型傳動裝置,在數(shù)控機床及加工中心上得到了廣泛的應用。它的結(jié)構(gòu)特點是在具有螺旋槽的絲杠螺母間裝有滾珠,使絲杠與螺母之間的運動成為滾動,以減少摩擦。3.4.3.1滾珠絲杠螺母副的工作原理上一頁下一頁返回3.4數(shù)控機床及加工中心進給系統(tǒng)滾珠絲杠螺母副的工作原理如圖3-18所示,圖中絲杠和螺母上都加工有圓弧形的螺旋槽,它們對合起來就形成了螺旋滾道。在滾道內(nèi)裝有滾珠,當絲杠與螺母相對運動時,滾珠沿螺旋槽向前滾動,在絲杠上滾過數(shù)圈以后通過回程引導裝置,逐個地又滾回到絲杠與螺母之間,構(gòu)成一個閉合的回路。3.4.3.2滾珠的循環(huán)方式滾珠循環(huán)分為外循環(huán)和內(nèi)循環(huán)兩種方式。1.外循環(huán)滾珠在循環(huán)過程結(jié)束后,通過螺母外表面上的螺旋槽或插管返回絲杠間進入新循環(huán)。上一頁下一頁返回3.4數(shù)控機床及加工中心進給系統(tǒng)圖3-19(a)所示為插管式,它用彎管作為返回管道,這種形式結(jié)構(gòu)工藝性好,但由于管道凸出于螺母體外,故徑向尺寸較大。圖3-19(b)所示為螺旋槽式,它是在螺母外圓上銑出螺旋槽,槽的兩端鉆出通孔并與螺紋滾道相切,形成返回通道,這種形式的結(jié)構(gòu)比插管式結(jié)構(gòu)徑向尺寸小,但制造工藝較復雜。2.內(nèi)循環(huán)這種循環(huán)靠螺母上安裝的反向器接通相鄰滾道,循環(huán)過程中滾珠始終與絲杠保持接觸,如圖3-20所示。滾珠從螺紋滾道進入反向器,借助反向器迫使?jié)L珠越過絲杠牙頂進入相鄰滾道,實現(xiàn)循環(huán)。一般一個螺母上裝有2~4個反向器,反向器沿螺母圓周等分分布。上一頁下一頁返回3.4數(shù)控機床及加工中心進給系統(tǒng)其優(yōu)點是徑向尺寸緊湊、剛性好,因其返回滾道較短,故摩擦損失小。缺點是反向器加工困難。3.滾珠絲杠螺母副軸向間隙的調(diào)整滾珠絲杠的傳動間隙是軸向間隙。軸向間隙通常是指絲杠和螺母無相對轉(zhuǎn)動時,絲杠和螺母之間的最大軸向竄動量。除了結(jié)構(gòu)本身所有的游隙之外,還包括施加軸向載荷后產(chǎn)生彈性變形所造成的軸向竄動量。為了保證反向傳動精度和軸向剛度,必須消除軸向間隙。用預緊方法消除間隙時應注意,預加載荷能夠有效地減少彈性變形所帶來的軸向位移,但預緊力不宜過大。上一頁下一頁返回3.4數(shù)控機床及加工中心進給系統(tǒng)過大的預緊載荷將增加摩擦力,使傳動效率降低,縮短絲杠的使用壽命。所以,一般需要經(jīng)過多次調(diào)整才能保證機床在最大軸向載荷下既消除了間隙又能靈活運轉(zhuǎn)。消除間隙的方法除了少數(shù)用微量過盈滾珠的單螺母消除間隙外,常用的方法是采用雙螺母消除絲杠和螺母間隙。1)墊片調(diào)隙式圖3-21所示為雙螺母墊片調(diào)隙式結(jié)構(gòu),通過調(diào)整墊片的厚度使左右螺母產(chǎn)生軸向位移,就可達到消除間隙和產(chǎn)生預緊力的作用。這種方法結(jié)構(gòu)簡單,剛性好,裝卸方便、可靠。但調(diào)整費時,很難在一次修磨中調(diào)整完成,調(diào)整精度不高,僅適用于一般精度的數(shù)控機床。上一頁下一頁返回3.4數(shù)控機床及加工中心進給系統(tǒng)2)齒差調(diào)隙式圖3-22所示為雙螺母齒差調(diào)隙式結(jié)構(gòu):在兩個螺母2和5的凸緣上各自有一個圓柱齒輪,兩個齒輪的齒數(shù)只相差一個齒,即z2-z1=1。兩個內(nèi)齒圈1和4與外齒輪齒數(shù)分別相同,并用螺釘和銷釘固定在螺母座3的兩端。調(diào)整時先將內(nèi)齒圈取下,根據(jù)間隙的大小調(diào)整兩個螺母2、5,分別向相同的方向轉(zhuǎn)過一個或多個齒,使兩個螺母在軸向靠近,以達到調(diào)整間隙和預緊的目的。齒差調(diào)隙式的結(jié)構(gòu)較為復雜,尺寸較大,但是調(diào)整方便,可獲得精確的調(diào)整量,預緊可靠,不會松動,適用于高精度傳動。上一頁下一頁返回3.4數(shù)控機床及加工中心進給系統(tǒng)3)螺紋調(diào)隙式圖3-23所示為雙螺母螺紋調(diào)隙式結(jié)構(gòu),用鍵限制螺母在螺母座內(nèi)的轉(zhuǎn)動。調(diào)整時,擰動圓螺母,將螺母沿軸向移動一定距離,在消除間隙之后用另一圓螺母將其鎖緊。這種調(diào)整方法的結(jié)構(gòu)簡單緊湊,調(diào)整方便,但調(diào)整精度較差。4)單螺母變位螺距預加負荷式圖3-24所示為單螺母變位螺距預加負荷式結(jié)構(gòu),它是在滾珠螺母體內(nèi)的兩列循環(huán)滾珠鏈之間使內(nèi)螺紋滾道在軸向產(chǎn)生一個ΔL0的導程變量,從而使兩列滾珠在軸向錯位實現(xiàn)預緊。這種調(diào)隙方法結(jié)構(gòu)簡單,但導程變量須預先設定且不能改變。上一頁下一頁返回3.4數(shù)控機床及加工中心進給系統(tǒng)4.滾珠絲杠螺母副的參數(shù)和選擇如圖3-25所示,滾珠絲杠副的基本參數(shù)有:(1)公稱直徑d0:滾珠與螺紋滾道在理論接觸角狀態(tài)時包絡滾珠球心的圓柱直徑,它是滾珠絲杠副的特性尺寸。(2)基本導程L0:絲杠相對于螺母旋轉(zhuǎn)2π弧度時,螺母上基準點的軸向位移。(3)接觸角β:滾珠與滾道在接觸點處的公法線和螺紋軸線的垂直線間的夾角,理想接觸角為45°。此外,還有絲杠螺紋大徑d、絲杠螺紋小徑d1、螺紋全長l、滾珠直徑db、螺母螺紋大徑D、螺母螺紋小徑D1和滾道圓弧半徑R等參數(shù)。上一頁下一頁返回3.4數(shù)控機床及加工中心進給系統(tǒng)5.滾珠絲杠螺母副的計算滾珠絲杠螺母副的承載能力用額定負荷表示,其動、靜載強度計算原則與滾動軸承相類似。一般根據(jù)額定動負荷選用滾珠絲杠副,只有當n≤10r/min時,按額定靜負荷選用。對于細長且承受壓縮的滾珠絲杠副,需作壓桿穩(wěn)定性計算;對于高速、支承距大的滾珠絲杠副,需要做臨界轉(zhuǎn)速的校核;對于精度要求高的傳動要進行剛度驗算、轉(zhuǎn)動慣量校核;對閉環(huán)控制系統(tǒng)還要進行諧振頻率的驗算。在選擇滾珠絲杠螺母的過程中,一般首先根據(jù)動載強度計算或靜載強度計算來確定其尺寸規(guī)格,然后對其剛度和穩(wěn)定性進行校核計算。上一頁下一頁返回3.4數(shù)控機床及加工中心進給系統(tǒng)6.滾珠絲杠螺母副的安裝支承方式數(shù)控機床及加工中心的進給系統(tǒng)要獲得較高的傳動剛度,除了加強滾珠絲杠副本身的剛度外,滾珠絲杠的正確安裝及支承結(jié)構(gòu)的剛度也是不可忽視的因素。為了減小受力后的變形,可采取螺母座設置加強肋,增大螺母座與機床的接觸面積,且連接可靠等。安裝絲杠支承采用高剛度的推力軸承,以提高滾珠絲杠的軸向承載能力。滾珠絲杠的支承方式有以下幾種,如圖3-26所示。(1)圖3-26(a)所示為一端裝角接觸軸承:這種安裝方式只適用于行程小的短絲杠,它的承載能力小,軸向剛度低。一般用于數(shù)控機床的調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)或升降臺式銑床的垂直坐標進給傳動結(jié)構(gòu)。上一頁下一頁返回3.4數(shù)控機床及加工中心進給系統(tǒng)(2)圖3-26(b)所示為一端裝角接觸軸承,另一端裝向心球軸承:此種方式用于絲杠較長的情況,當熱變形造成絲杠伸長時,其一端固定,另一端能做微量的軸向浮動。(3)圖3-26(c)所示為兩端裝推力軸承:把推力軸承裝在滾珠絲杠的兩端,并施加預緊力,可以提高軸向剛度,但這種安裝方式對絲杠的熱變形較為敏感。(4)圖3-26(d)所示為兩端裝推力軸承和向心球軸承:它的兩端均采用雙重支承并施加預緊,使絲杠具有較大的剛度,這種方式還可使絲杠的溫度變形轉(zhuǎn)化為推力軸承的預緊力,但設計時要求提高推力軸承的承載能力和支架剛度。上一頁下一頁返回3.4數(shù)控機床及加工中心進給系統(tǒng)滾珠絲杠螺母副傳動效率很高,但不能自鎖,當用在垂直傳動或水平放置的高速大慣量傳動中時,必須裝制動裝置。常采用超越離合器、電磁摩擦離合器或者使用具有制動裝置的伺服驅(qū)動電動機制動。滾珠絲杠螺母副必須采用鋰基潤滑進行潤滑,同時要采用防塵密封裝置。3.4.4傳動齒輪間隙消除機構(gòu)由于數(shù)控機床及加工中心進給系統(tǒng)的傳動齒輪副存在間隙,在開環(huán)系統(tǒng)中會造成進給運動的位移值滯后于指令值;反向時,會出現(xiàn)反向死區(qū),影響加工精度。在閉環(huán)系統(tǒng)中,由于有反饋作用,滯后量雖可得到補償,但反向時會使伺服系統(tǒng)產(chǎn)生振動而不穩(wěn)定。上一頁下一頁返回3.4數(shù)控機床及加工中心進給系統(tǒng)為了提高數(shù)控機床伺服系統(tǒng)的性能,可采用下列方法減小或消除齒輪傳動間隙。3.4.4.1剛性調(diào)整法剛性調(diào)整法是一種調(diào)整后齒側(cè)間隙不能自動補償?shù)恼{(diào)整方法。因此,齒輪的齒距公差及齒厚要嚴格控制,否則傳動的靈活性會受到影響。這種調(diào)整方法結(jié)構(gòu)比較簡單,且具有較好的傳動剛度。圖3-27所示為用偏心軸套來調(diào)整間隙的結(jié)構(gòu)———偏心套調(diào)整結(jié)構(gòu),電動機2通過偏心軸套1安裝在殼體上,小齒輪裝在偏心軸套1上,可以通過偏心軸套1調(diào)整主動齒輪和從動齒輪之間的中心距,來消除齒輪傳動副的齒側(cè)間隙。上一頁下一頁返回3.4數(shù)控機床及加工中心進給系統(tǒng)圖3-28所示為用一個帶有錐度的齒輪來消除間隙的結(jié)構(gòu)———軸向墊片調(diào)整結(jié)構(gòu),一對嚙合著的圓柱齒輪,它們的節(jié)圓直徑沿著齒厚方向制成一個較小的錐度,只要改變墊片3的厚度就能改變齒輪2和齒輪1的軸向相對位置,從而消除齒側(cè)間隙。圖3-29所示為斜齒輪傳動齒側(cè)間隙的消除方法———斜齒輪墊片調(diào)整結(jié)構(gòu),基本是用兩個薄片齒輪1、2與寬齒輪4嚙合,只是在兩個薄片齒輪的中間用墊片3隔開了一小段距離,以使螺旋線錯開。改變墊片3的厚度,可使薄片齒輪1、2分別與寬齒輪4齒槽的左、右側(cè)面貼緊,從而達到消除齒側(cè)間隙的目的。墊片3的厚度t與齒側(cè)間隙Δ的關系可用下式表示:上一頁下一頁返回3.4數(shù)控機床及加工中心進給系統(tǒng)3.4.4.2柔性調(diào)整法柔性調(diào)整法是指調(diào)整之后齒側(cè)間隙仍可自動補償?shù)恼{(diào)整方法,這種方法一般都通過調(diào)整壓力彈簧的壓力來消除齒側(cè)間隙,并在齒輪的齒厚和齒距有變化的情況下,也能保持無間隙嚙合。但這種結(jié)構(gòu)較復雜,軸向尺寸大,傳動剛度低,且傳動平穩(wěn)性較差。圖3-30所示為斜齒輪軸向壓簧調(diào)整,兩個薄片斜齒輪1和2用鍵滑套在軸5上,用螺母4來調(diào)節(jié)壓力彈簧3的軸向壓力,使斜齒輪1和2的左、右齒面分別與寬斜齒輪6齒槽的左、右側(cè)面貼緊。上一頁下一頁返回3.4數(shù)控機床及加工中心進給系統(tǒng)圖3-31所示為錐齒輪軸向壓簧調(diào)整,兩個嚙合著的錐齒輪1和2,其中在裝錐齒輪1的傳動軸5上裝有壓力彈簧3,錐齒輪1在彈簧力的作用下可稍做軸向移動,從而消除間隙。彈簧力的大小由螺母4調(diào)節(jié)。圖3-32所示為斜齒輪周向彈簧調(diào)整,兩個齒數(shù)相同的薄片齒輪1和2與另一個寬齒輪相嚙合,齒輪1空套在齒輪2上,可以相對回轉(zhuǎn)。每個齒輪端面分別裝有凸耳3和8,齒輪1的端面還有4個通孔,凸耳8可以從中穿過,彈簧4分別鉤在調(diào)節(jié)螺釘7和凸耳3上。旋轉(zhuǎn)螺母5和6可以調(diào)整彈簧4的拉力,通過彈簧的拉力可以使薄片齒輪錯位,即兩片薄齒輪的左、右齒面分別與寬齒輪齒槽的右、左貼緊,消除了齒側(cè)間隙。上一頁下一頁返回3.4數(shù)控機床及加工中心進給系統(tǒng)圖3-33所示為錐齒輪周向彈簧調(diào)整。將一對嚙合錐齒輪中的一個齒輪做成大小兩片1和2,在大片上制有三個圓弧槽,而在小片的端面上制有三個凸爪6,凸爪6伸入大片的圓弧槽中。彈簧4一端頂在凸爪6上,而另一端頂在鑲塊3上。為了安裝方便,用螺釘5將大小片齒圈相對固定,安裝完畢之后將螺釘卸去,利用彈簧力使大、小片錐齒輪稍微錯開,從而達到消除間隙的目的。上一頁返回3.5加工中心的自動換刀裝置自動換刀裝置(AutomaticToolChanger,ATC)是加工中心的重要組成部分,其主要作用在于減少加工過程中的非切削時間,以提高生產(chǎn)率、降低生產(chǎn)成本,進而提升機床乃至整個生產(chǎn)線的生產(chǎn)能力。所以ATC在加工中心中扮演著極為重要的角色。3.5.1自動換刀裝置的分類加工中心自動換刀裝置根據(jù)其組成結(jié)構(gòu)可分為不帶刀庫的自動換刀裝置和帶刀庫的自動換刀裝置。3.5.1.1不帶刀庫的自動換刀裝置下一頁返回3.5加工中心的自動換刀裝置不帶刀庫的自動換刀裝置即為轉(zhuǎn)塔式自動換刀裝置,又可分為回轉(zhuǎn)刀架式和轉(zhuǎn)塔頭式兩種,如圖3-34所示?；剞D(zhuǎn)刀架式用于各種數(shù)控車床和車削中心,轉(zhuǎn)塔頭式多用于數(shù)控鉆、鏜和銑床。3.5.1.2帶有刀庫的自動換刀裝置帶刀庫的自動換刀裝置又分為無機械手式自動換刀裝置和有機械手式自動換刀裝置。1.無機械手式自動換刀裝置其是把刀庫放在主軸箱可以運動到的位置,或整個刀庫、某一刀位能移動到的主軸箱可以到達的位置。上一頁下一頁返回3.5加工中心的自動換刀裝置同時刀庫中刀具的存放方向一般與主軸箱的裝刀方向一致。換刀時,由主軸和刀庫的相對運動進行換刀動作,利用主軸取走或放回刀具,其刀庫一般為盤式,適用于立式加工中心。圖3-35所示為無機械手式自動換刀裝置的立式加工中心。在圖3-35中,立式加工中心配置的是斗笠式刀庫。斗笠式刀庫,顧名思義,形狀像斗笠,結(jié)構(gòu)上為盤式刀庫,換刀方式屬于無機械手換刀裝置,它由刀庫橫移裝置、刀庫分度選刀裝置以及主軸上的刀具自動裝卸機構(gòu)組成。斗笠式刀庫換刀的步驟為:(1)主軸準停,主軸體快速移至換刀位置;(2)刀庫氣缸推動刀庫前進接刀;上一頁下一頁返回3.5加工中心的自動換刀裝置(3)主軸松刀、吹氣;(4)主軸快速往上移,離開換刀位置;(5)刀庫選刀;(6)主軸快速移至換刀位置抓刀;(7)刀庫氣缸退回;(8)換刀完成。2.有機械手式自動換刀裝置有機械手式自動換刀裝置一般由機械手和刀庫組成,其刀庫的配置、位置及數(shù)量的選用要比無機械手式換刀裝置靈活得多。上一頁下一頁返回3.5加工中心的自動換刀裝置它可以根據(jù)不同的要求,配置不同形式的機械手,可以是單臂的、雙臂的,甚至可以配置成一個主機械手和一個輔助機械手的形式。它能夠配備多至數(shù)百把刀具的刀庫,換刀時間可縮短到幾秒甚至零點幾秒。因此,目前大多數(shù)加工中心都裝配了有機械手式自動換刀裝置。由于刀庫位置和機械手換刀動作的不同,其自動換刀裝置的結(jié)構(gòu)形式也多種多樣。3.5.2刀庫3.5.2.1刀庫的類型上一頁下一頁返回3.5加工中心的自動換刀裝置刀庫做成不同的形式和容量主要是為了滿足機床的工藝范圍。圖3-36所示為常見幾種刀庫的結(jié)構(gòu)形式。1.直線刀庫如圖3-36(a)所示,刀具在刀庫中直線排列,結(jié)構(gòu)簡單,存放刀具數(shù)量有限(一般為8~12把),多用于數(shù)控車床,數(shù)控鉆床也有采用。2.圓盤刀庫如圖3-36(b)~圖3-36(g)所示,其存刀量少則6~8把,多則50~60把,并且有多種形式。上一頁下一頁返回3.5加工中心的自動換刀裝置如圖3-36(b)所示的刀庫,刀具徑向布置,占有較大空間,一般置于機床立柱上端;如圖3-36(c)所示的刀庫,刀具軸向布置,常置于主軸側(cè)面,刀庫軸心線可垂直放置,也可水平放置,其使用較為廣泛;如圖3-36(d)所示的刀庫,刀具為傘狀布置,多斜放于立柱上端。3.鏈式刀庫鏈式刀庫是較常使用的一種形式,如圖3-36(h)和圖3-36(i)所示,這種刀庫的刀座固定在鏈節(jié)上,常用的有單排鏈式刀庫,如圖3-36(h)所示,一般存刀量小于30把,個別能達到60把;若要進一步增加存刀量,則可使用加長鏈條的鏈式刀庫,如圖3-36(i)所示。圖3-37所示為各種鏈式刀庫。上一頁下一頁返回3.5加工中心的自動換刀裝置4.其他刀庫刀庫的形式還有很多,如圖3-36(j)和圖3-36(k)所示的格子箱式刀庫,其刀庫容量較大,可使整箱刀庫與機外交換。為減少換刀時間,換刀機械手通常利用前一把刀具加工工件的時間,預先取出要更換的刀具,當然所配的數(shù)控系統(tǒng)應具備該項功能。這種刀庫的占地面積小,結(jié)構(gòu)緊湊,在相同的空間內(nèi)可容納的刀具數(shù)量較多,但選刀和取刀動作復雜,已經(jīng)很少用于單機加工中心,多用于FMS(柔性制造系統(tǒng))的集中供刀系統(tǒng)。圖3-36(j)和圖3-36(k)所示分別為單面式和多面式格子箱式刀庫。上一頁下一頁返回3.5加工中心的自動換刀裝置3.5.2.2刀具的選擇按數(shù)控裝置的刀具選擇指令,從刀庫中挑選各工序所需要的刀具的操作稱為自動選刀。常用的選刀方式有順序選刀和任意選刀兩種。順序選擇方式是將刀具按加工工序的順序,依次放入刀庫的每一個刀座內(nèi),刀具順序不能搞錯。更換加工工件時,刀具在刀庫上的排列順序也要改變。這種方式的缺點是同一工件上的相同刀具不能重復使用,因此刀具的數(shù)量增加,降低了刀具和刀庫的利用率,但其控制方法及刀庫運動方式比較簡單。任意選刀方式是預先把刀庫中每把刀具(或刀座)都編上代碼,按照編碼選刀,刀具在刀庫中不必按工件的加工順序排列。上一頁下一頁返回3.5加工中心的自動換刀裝置任意選刀有四種方式:刀具編碼方式,刀座編碼方式,附件編碼方式,計算機記憶方式。(1)刀具編碼選擇方式采用了一種特殊的刀柄結(jié)構(gòu),并對每把刀具進行編碼。換刀時通過編碼識別裝置,根據(jù)換刀指令代碼,在刀庫中尋找出所需要的刀具。由于每一把刀具都有自己的代碼,因而刀具可以放入刀庫的任何一個刀座內(nèi),這樣不僅刀庫中的刀具可以在不同的工序中多次重復使用,而且換下來的刀具也不必放回原來的刀座,這對裝刀和選刀都十分有利。刀具編碼識別有兩種方式,一種為接觸式識別,另一種為非接觸式識別。上一頁下一頁返回3.5加工中心的自動換刀裝置①接觸式識別的編碼刀柄如圖3-38所示。在刀柄尾部的拉緊螺桿3上裝著一組等間隔的編碼環(huán)1,并由鎖緊螺母2將它們固定。編碼環(huán)的外徑有大小兩種不同的規(guī)格,每個編碼環(huán)的大小分別表示二進制數(shù)的“1”和“0”。通過對兩種圓環(huán)的不同排列,可以得到一系列的代碼。當?shù)稁熘袔в芯幋a環(huán)的刀具依次通過編碼識別裝置時,就能根據(jù)編碼環(huán)的大小使相應的觸針讀出每一把刀具的代碼。如果讀出的代碼與指令要求選擇刀具的代碼一致,則發(fā)出信號使刀庫停止回轉(zhuǎn),這時加工所需要的刀具就準確地停留在取刀位置上,然后由機械手從刀庫中將刀具取出。接觸式編碼識別裝置的結(jié)構(gòu)簡單,但可靠性較差、壽命較短,而且不能快速選刀。上一頁下一頁返回3.5加工中心的自動換刀裝置②非接觸式刀具識別采用磁性識別方法或光電識別方法。磁性識別方法是利用磁性材料和非磁性材料磁感應的強弱不同,通過感應線圈讀取代碼。編碼環(huán)分別由軟鋼和黃銅(或塑料)制成,前者代表“1”,后者代表“0”,將它們按規(guī)定的編碼排列。當編碼環(huán)通過感應線圈時,只有對應于軟鋼圓環(huán)的那些感應線圈才能感應出電信號“1”,而對應于黃銅的感應線圈狀態(tài)保持“0”不變,從而讀出每一把刀具的代碼。磁性識別裝置沒有機械接觸和磨損,因此可以快速選刀,而且具有結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠和壽命長等優(yōu)點。光電識別方法的原理如圖3-39所示。上一頁下一頁返回3.5加工中心的自動換刀裝置鏈式刀庫帶著刀座1和刀具2依次經(jīng)過刀具識別位置Ⅰ,在位置Ⅰ處安裝有投光器3,通過光學系統(tǒng)將刀具的外形及編碼環(huán)投影到由無數(shù)光敏元件組成的屏板5上形成刀具圖樣。裝刀時,屏板5將每一把刀具的圖樣轉(zhuǎn)換成對應的脈沖信息,經(jīng)過處理后將每一把刀具的“圖形信息碼”存入存儲器中。選刀時,當某一把刀具在識別位置出現(xiàn)的“圖形信息碼”與存儲器內(nèi)指定刀具的“圖形信息碼”相一致時,便發(fā)出指令,使該刀具停在換刀位置Ⅱ,由機械手4將刀具取出。這種識別系統(tǒng)不但能識別編碼,還能識別圖樣,因此給刀具的管理帶來了方便。(2)刀座編碼是對刀庫中所有刀座預先編碼,每把刀具放入相應刀座之后,就具有了相應刀座的編碼,即刀具在刀庫中的位置是固定的。上一頁下一頁返回3.5加工中心的自動換刀裝置在編程時,要指出哪一把刀具放在哪個刀座上。必須注意的是,在這種編碼方式中必須將用過的刀具放回原來的刀座內(nèi),不然會造成事故。由于這種編碼方式取消了刀柄中的編碼環(huán),故使刀柄結(jié)構(gòu)大大簡化,刀具識別裝置的結(jié)構(gòu)也不受刀柄尺寸的限制,可放置在較為合理的位置。刀具在加工過程中可重復多次使用,缺點是必須把用過的刀具放回原來的刀座。目前應用最多的是計算機記憶式選刀。這種方式的特點是:刀具號和存刀位置或刀座號(地址)對應地存放在計算機的存儲器或可編程控制器的存儲器中,不論刀具原來存放在哪個刀座上,都按新的對應關系重新存放,這樣刀具可以在任意位置(地址)存取;刀具本身不必設置編碼元件,結(jié)構(gòu)大為簡化,控制也十分簡單。上一頁下一頁返回3.5加工中心的自動換刀裝置計算機控制的機床幾乎全部采用這種方式選刀。在刀庫機構(gòu)中通常設有刀庫零位,執(zhí)行自動選刀時,刀庫可以正、反方向回轉(zhuǎn),每次選刀運動不會超過一圈的1/2。3.5.3機械手在自動換刀加工中心中,機械手的形式也是多種多樣的,常見的有如圖3-40所示的幾種形式。圖3-40(a)所示為單臂單爪回轉(zhuǎn)式機械手,其手臂可以回轉(zhuǎn)不同的角度進行自動換刀,手臂上只有一個夾爪,不論是在刀庫還是在主軸上,均靠這一個夾爪來裝刀和卸刀,因此換刀時間較長。上一頁下一頁返回3.5加工中心的自動換刀裝置圖3-40(b)所示為單臂雙爪擺動式機械手,其手臂上有兩個夾爪,兩個夾爪有所分工,一個夾爪只執(zhí)行從主軸上取下“舊刀”送回刀庫的任務,另一個夾爪則執(zhí)行由刀庫取出“新刀”送到主軸的任務,其換刀時間較上述單爪回轉(zhuǎn)式機械手要短。圖3-40(c)所示為單臂雙爪回轉(zhuǎn)式機械手,又叫扁擔式機械手,其手臂兩端各有一個夾爪,兩個夾爪可同時抓取刀庫及主軸上的刀具,回轉(zhuǎn)180°后又同時將刀具放回刀庫及裝入主軸。換刀時間較以上兩種單臂機械手均短,是目前加工中心上使用較多的一種。上一頁下一頁返回3.5加工中心的自動換刀裝置如圖3-40(c)所示,機械手在抓取刀具或?qū)⒌毒咚腿氲稁旒爸鬏S時,兩臂可伸縮。圖3-40(d)所示為雙機械手,其機械手相當于兩個單臂單爪機械手相互配合起來進行自動換刀。其中一個機械手從主軸上取下“舊刀”送回刀庫,另一個機械手由刀庫中取出“新刀”裝入機床主軸。圖3-40(e)所示為雙臂往復交叉式機械手,其兩手臂可以往復運動,并交叉成一定的角度。一個手臂從主軸上取下“舊刀”送回刀庫,另一個機械手由刀庫中取出“新刀”裝入主軸。上一頁下一頁返回3.5加工中心的自動換刀裝置整個機械手可沿某導軌直線移動或繞某個轉(zhuǎn)軸回轉(zhuǎn),以實現(xiàn)刀庫與主軸間的換刀運動。圖3-40(f)所示為雙臂端面夾緊式機械手,其只是在夾緊部位上與前幾種不同。前幾種機械手均靠夾緊刀柄的外圓表面抓取刀具,這種機械手則夾緊刀柄的兩個端面。上一頁返回3.6柔性制造單元的工作臺交換裝置柔性制造單元(FlexibleManufacturingCell,FMC)是由一臺或數(shù)臺數(shù)控機床或加工中心構(gòu)成的加工單元。該單元根據(jù)需要可以自動更換刀具和夾具,加工不同的工件。柔性制造單元適合加工形狀復雜、加工工序簡單、加工工時較長、批量小的零件。它有較大的設備柔性,但人員柔性和加工柔性低。工作臺自動交換裝置(APC)是柔性制造單元的重要組成部件之一,其作用是攜帶工件在工位及機床之間轉(zhuǎn)換,減小定位誤差,減少裝夾時間,提高加工精度及生產(chǎn)效率。下一頁返回3.6柔性制造單元的工作臺交換裝置工作臺交換裝置即工件交換系統(tǒng),具體是在加工第一個工件時,操作者開始安裝調(diào)整第二個工件,當?shù)谝粋€工件加工完后,第二個工件進入加工區(qū)加工,從而使工件的安裝調(diào)整時間與加工時間重合,達到進一步提高加工效率的目的。工作臺自動交換裝置主要有兩大類型,一個是回轉(zhuǎn)交換式,交換空間小,多為單機時使用;另一個是移動交換式,工作臺沿導(滑)軌移至工作位置進行交換,多用于立式加工中工位多、內(nèi)容多的情況,如圖3-41所示。上一頁返回3.7柔性制造系統(tǒng)的零件轉(zhuǎn)運機器人及AGV小車柔性制造系統(tǒng)是以數(shù)控機床或加工中心為基礎,配以物料傳送裝置組成的生產(chǎn)系統(tǒng)。該系統(tǒng)由電子計算機實現(xiàn)自動控制,能在不停機的情況下滿足多品種的加工。柔性制造系統(tǒng)適合加工形狀復雜、加工工序多、批量大的零件。其加工和物料傳送柔性大,但人員柔性仍然較低。3.7.1柔性制造系統(tǒng)的構(gòu)成就機械制造業(yè)的柔性制造系統(tǒng)而言,其基本組成部分有以下幾種。3.7.1.1自動加工系統(tǒng)下一頁返回3.7柔性制造系統(tǒng)的零件轉(zhuǎn)運機器人及AGV小車自動加工系統(tǒng)是指以成組技術為基礎,把外形尺寸(形狀不必完全一致)和重量大致相似及材料相同、工藝相似的零件集中在一臺或數(shù)臺數(shù)控機床或?qū)Ｓ脵C床等設備上加工的系統(tǒng)。3.7.1.2物流系統(tǒng)物流系統(tǒng)是指由多種運輸裝置構(gòu)成,如傳送帶、軌道、轉(zhuǎn)盤以及機械手等,完成工件、刀具等的供給與傳送的系統(tǒng),它是柔性制造系統(tǒng)主要的組成部分。3.7.1.3信息系統(tǒng)上一頁下一頁返回3.7柔性制造系統(tǒng)的零件轉(zhuǎn)運機器人及AGV小車信息系統(tǒng)是指對加工和運輸過程中所需各種信息收集、處理、反饋,并通過電子計算機或其他控制裝置(液壓、氣壓裝置等),對機床或運輸設備實行分級控制的系統(tǒng)。3.7.1.4軟件系統(tǒng)軟件系統(tǒng)是指保證柔性制造系統(tǒng)用電子計算機進行有效管理的必不可少的組成部分。它包括設計、規(guī)劃、生產(chǎn)控制和系統(tǒng)監(jiān)督等軟件。柔性制造系統(tǒng)適合于年產(chǎn)量在1000~100000件的中小批量生產(chǎn)。圖3-42所示為用于加工回轉(zhuǎn)體零件的柔性制造系統(tǒng)。3.7.2柔性制造系統(tǒng)的零件轉(zhuǎn)運機器人上一頁下一頁返回3.7柔性制造系統(tǒng)的零件轉(zhuǎn)運機器人及AGV小車零件轉(zhuǎn)運機器人是可以進行自動化轉(zhuǎn)運作業(yè)的工業(yè)機器人,轉(zhuǎn)運作業(yè)是指用一種設備握持工件,并將工件從一個加工位置移到另一個加工位置。轉(zhuǎn)運機器人可安裝不同的末端執(zhí)行器以完成各種不同形狀和狀態(tài)的工件搬運工作,大大減輕了人類繁重的體力勞動。轉(zhuǎn)運機器被廣泛應用于機床上下料、沖壓機自動化生產(chǎn)線、自動裝配流水線、碼垛搬運和集裝箱等的自動搬運。機床上下料機器人可分為關節(jié)式機床上下料機器人[見圖3-43(a)]和坐標式機床上下料機器人[見圖3-43(b)]。上一頁下一頁返回3.7柔性制造系統(tǒng)的零件轉(zhuǎn)運機器人及AGV小車其中,關節(jié)式機床上下料機器人工作效率高,動作節(jié)拍快,占地空間小,但是成本投入相對高一些;坐標式機床上下料機器人工作效率高,占地空間相對大一些,但是成本的投入要少很多。這兩種形式的選擇還要由現(xiàn)場的工藝及要求來決定。3.7.3物流搬運機器人-AGVAGV(AutomatedGuidedVehicles)又名無人搬運車、自動導航車、激光導航車,其顯著的特點是無人駕駛。AGV上裝備有自動導向系統(tǒng),可以保障系統(tǒng)在不需要人工引航的情況下就能夠沿預定的路線自動行駛,將貨物或物料自動從起始點運送到目的地。上一頁下一頁返回3.7柔性制造系統(tǒng)的零件轉(zhuǎn)運機器人及AGV小車AGV的另一個特點是柔性好,自動化程度和智能化水平高,AGV的行駛路徑可以根據(jù)倉儲貨位要求、生產(chǎn)工藝流程等的改變而靈活改變,并且運行路徑改變的費用與傳統(tǒng)的輸送帶和剛性的傳送線相比非常低廉。AGV一般配備有裝卸機構(gòu),可以與其他物流設備自動接口,實現(xiàn)貨物和物料的裝卸與搬運全過程自動化。此外,AGV還具有清潔生產(chǎn)的特點,AGV依靠自帶的蓄電池提供動