機床數(shù)控技術及應用-數(shù)控機床的機械結(jié)構(gòu)

數(shù)控機床的機械結(jié)構(gòu)置6.1概述6.2數(shù)控機床的主傳動系統(tǒng)6.3進給傳動機構(gòu)6.4數(shù)控機床的自動換刀系統(tǒng)6.5刀具交換裝置6.6數(shù)控機床的其它裝置習題與思考題

6.1概述

數(shù)控機床與普通機床一樣，都是一種切削加工設備。早期人們通常認為只要在設計優(yōu)良的普通機床上裝備數(shù)控裝置就能成為一臺數(shù)控機床。因此，當時數(shù)控機床的機械結(jié)構(gòu)大都是在普通機床的基礎上通過對其局部結(jié)構(gòu)進行改進而成。但是，隨著數(shù)控技術的快速發(fā)展，普通機床的一些弱點(如結(jié)構(gòu)剛性不足、抗振性差、滑動面的摩擦阻力較大及傳動元件中的間隙等)就越來越明顯地暴露出來，不能滿足現(xiàn)代制造業(yè)在生產(chǎn)效率、加工精度和安全環(huán)保等方面越來越高的要求。

特別是近年來，隨著電離軸、直線電動機等新技術、新產(chǎn)

品在數(shù)控機床上的推廣應用，數(shù)控機床的機械結(jié)構(gòu)正在發(fā)生重大的變化。虛擬軸機床的出現(xiàn)和實用化，使傳統(tǒng)的機床結(jié)構(gòu)面臨著更嚴峻的挑戰(zhàn)。現(xiàn)代數(shù)控機床的機械結(jié)構(gòu)已經(jīng)從早

期對普通機床的局部改進，逐步發(fā)展形成了自己獨特的結(jié)構(gòu)。

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需人工干

預，不需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)控機床在很多方面的設計要求均比普通機床更為完善，制造也要求更為精密。

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)在主傳動系統(tǒng)和進給傳動系統(tǒng)方面有許多特點。

1.主傳動系統(tǒng)方面

在主傳動系統(tǒng)方面，數(shù)控機床的機械結(jié)構(gòu)具有下列特點:

(1)目前數(shù)控機床的主傳動電機已不再采用普通的交流異步電機或傳統(tǒng)的直流調(diào)速電機，它們已逐步被新型的交流調(diào)速電機和直流調(diào)速電機所代替。

(2)轉(zhuǎn)速高，功率大。數(shù)控機床可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。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。

2.進給傳動系統(tǒng)方面

在進給傳動系統(tǒng)方面，數(shù)控機床的機械結(jié)構(gòu)具有下列特點:

(1)盡量采用低摩擦的傳動副，如采用靜壓導軌、滾動導滾和滾珠絲杠等，以減小摩擦力。

(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、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，如采用大扭矩寬調(diào)速的直流電機與絲杠直接相連應用預加負載的滾動導軌和滾動絲杠副，絲杠支承設計成兩端軸向固

定的并可預拉伸的結(jié)構(gòu)等辦法來提高傳動系統(tǒng)的剛度。

(4)盡量消除傳動間隙，減小反向死區(qū)誤差，如采用消除間隙的聯(lián)軸節(jié)(如用加錐銷固定的聯(lián)軸套、用鍵加頂絲緊固的聯(lián)軸套以及用無扭轉(zhuǎn)間隙的撓性聯(lián)軸器等)、有消除間隙措施的傳動副等。

6.2數(shù)控機床的主傳動系統(tǒng)

6.2.1對主傳動系統(tǒng)的要求對數(shù)控機床主傳動系統(tǒng)的要求如下:

(1)具有更大的調(diào)速范圍，并能實現(xiàn)無級調(diào)速。數(shù)控機床為了保證加工時能選用合理的切削用量，從而獲得最高的生產(chǎn)率、加工精度和表面質(zhì)量，必須具有更大的調(diào)速范圍。對于自動換刀的數(shù)控機床，為了適應各種工序和各種加工材料的需要，主運動的調(diào)速范圍還應進一步擴大。

(2)有較高的精度和剛度，傳動平穩(wěn)，噪聲低。數(shù)控機床加工精度的提高，與主傳動系統(tǒng)具有較高的精度密切相關。為此，要提高傳動件的制造精度與剛度，齒輪齒面應高頻感

應加熱淬火以增加耐磨性;最后一級采用斜齒輪傳動，使傳動平穩(wěn);采用精度高的軸承及合理的支承跨距等，以提高主軸組件的剛性。

(3)良好的抗振性和熱穩(wěn)定性。數(shù)控機床在加工時，可能由于斷續(xù)切削、加工余量不均勻、運動部件不平衡以及切削過程中的自振等原因引起沖擊力或交變力的干擾，使主軸

產(chǎn)生振動，影響加工精度和表面粗糙度，嚴重時可能破壞刀具或主傳動系統(tǒng)中的零件，使其無法工作。主傳動系統(tǒng)的發(fā)熱使其中所有零部件產(chǎn)生熱變形，使傳動效率降低，破壞了

零部件之間的相對位置精度和運動精度，造成加工誤差。為此，主軸組件要有較高的固有頻率，實現(xiàn)動平衡，保持合適的配合間隙并進行循環(huán)潤滑等。

6.2.2主傳動系統(tǒng)的變速方式

數(shù)控機床一般采用直流或交流主軸伺服電機實現(xiàn)主軸無級變速。

交流主軸電機及交流變頻驅(qū)動裝置(籠型感應交流電機配置矢量變換變頻調(diào)速系統(tǒng))由于沒有電刷，不產(chǎn)生火花，所以使用壽命長，且性能已達到直流驅(qū)動系統(tǒng)的水平，甚至在噪聲方面還有所降低，因此，目前應用較為廣泛。

1.齒輪變速傳動

如圖6.1(a)所示，齒輪變速是大、中型數(shù)控機床較常采用的配置方式，通過少數(shù)幾對齒輪傳動，擴大了變速范圍，可確保低速時的扭矩，以滿足主軸輸出扭矩特性的要求。滑移齒輪的移位大多采用液壓撥叉或直接由液壓缸帶動齒輪來實現(xiàn)。

2.帶傳動

如圖6.1(b)所示，帶傳動主要用在轉(zhuǎn)速較高、變速范圍不大的小型數(shù)控機床上。電機本身的調(diào)整就能夠滿足要求，不用齒輪變速，可以避免由齒輪傳動所引起的振動和噪聲。

它適用于高速低轉(zhuǎn)矩特性的主軸，常用的有多楔帶和同步齒形帶。圖6.1數(shù)控機床主傳動的四種配置方式

數(shù)控機床上應用的多楔帶又稱為復合三角帶，橫向斷面呈多個楔形，如圖6.2(a)所示，楔角為40°。傳遞負載主要靠強力層。強力層中有多根鋼絲繩或滌綸繩，具有較小的伸長率，較大的抗拉強度和抗彎疲勞強度。多楔帶綜合了V帶和平帶的優(yōu)點，運轉(zhuǎn)時振動小、發(fā)熱少、運轉(zhuǎn)平穩(wěn)、重量小，因此可在40m/s的線速度下使用。此外，多楔帶與帶輪的接觸好，負載分布均勻，即使瞬時超載，也不會產(chǎn)生打滑，而傳動功率比V帶大20%~30%，因此能夠滿足主傳動高速、大轉(zhuǎn)矩和不打滑的要求。多楔帶安裝時需較大的張緊力，使得主軸和電機承受較大的徑向負載，這是多楔帶的一大缺點。圖6.2多楔帶和同步齒形帶結(jié)構(gòu)型式

同步齒形帶傳動是一種綜合了帶傳動和鏈傳動優(yōu)點的新型傳動方式。同步齒形帶的帶型有梯形齒和圓弧齒，如圖6.

2(b)所示。同步齒形帶的結(jié)構(gòu)和傳動如圖6.3所示。帶的工作面及帶輪外圓均制成齒形，通過帶輪與輪齒相嵌合，進行無滑動的嚙合傳動。帶內(nèi)采用了加載后無彈性伸長的材料做強力層，以保持帶的節(jié)距不變，可使主、從動帶輪進行無相對滑動的同步傳動。與一般帶傳動相比，同步齒形帶傳動具有如下優(yōu)點:圖6.3同步齒形帶的結(jié)構(gòu)和傳動

(1)傳動效率高，可達98%以上。

(2)無滑動，傳動比準確。

(3)傳動平穩(wěn)，噪聲小。

(4)使用范圍較廣，速度可達50m/s，速比可達10左右，傳遞功率由幾瓦至數(shù)千瓦。

(5)維修保養(yǎng)方便，不需要潤滑。

(6)安裝時中心距要求嚴格，帶與帶輪制造工藝較復雜，成本高。

同步帶傳動早在1900年已有人研究并多次提出專利，但其實用化卻是在二次世界大戰(zhàn)以后。由于同步帶是一種兼有鏈、齒輪、三角膠帶優(yōu)點的傳動零件，隨著二次大戰(zhàn)后工

業(yè)的發(fā)展而得到重視，于1940年由美國尤尼羅爾(Unirayal)橡膠公司首先加以開發(fā)。1946年辛加公司把同步帶用于縫紉機針和纏線管的同步傳動上，取得顯著效益，并被逐漸引用到其他機械傳動上。同步帶傳動的開發(fā)和應用，至今僅七十余年，但在各方面已取得迅速進展。常見的同步帶結(jié)構(gòu)如圖6.4所示。圖6.4常見同步帶結(jié)構(gòu)

3.兩個電機分別驅(qū)動主軸傳動

采用兩個電機分別驅(qū)動主軸是上述兩種方式的混合傳動，具有上述兩種傳動的性能，如圖6.1(c)所示。高速運轉(zhuǎn)時，由一個電機通過帶傳動;低速運轉(zhuǎn)時，由另一個電機通過齒輪傳動，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，避免了低速運轉(zhuǎn)時轉(zhuǎn)矩不夠且電機功率不能充分利用的問題。但兩個電機不能同時工作，也是一種浪費。

4.調(diào)速電機直接驅(qū)動主軸傳動

調(diào)速電機直接驅(qū)動主軸傳動是由電動機直接驅(qū)動主軸，即電動機的轉(zhuǎn)子直接裝在主軸上，因而大大簡化了主軸箱體與主軸的結(jié)構(gòu)，有效地提高了主軸部件的剛度，但主軸輸出扭矩小，電機發(fā)熱對主軸的精度影響較大，如圖6.1(d)所示。

5.電主軸傳動

電主軸是“高頻主軸”(HighFrequencySpindle)的簡稱，有時也稱做“直接傳動主軸”(DirectDriveSpindle)，是內(nèi)裝式電機主軸單元。它把機床主傳動鏈的長度縮短為零，實現(xiàn)

了機床的“零傳動”，具有結(jié)構(gòu)緊湊、機械效率高、回轉(zhuǎn)速度高、回轉(zhuǎn)精度高、噪聲低、振動小等優(yōu)點，因而在現(xiàn)代數(shù)控機床中獲得了愈來愈廣泛的應用。在國外，電主軸已成為一種機電一體化的高科技產(chǎn)品，由一些技術水平很高的專業(yè)工廠生產(chǎn)，如瑞士的FISCHER公司、德國的GMN公司、美國的PRECISE公司、意大利的GAMFIOR公司、日本的NSK公司等。

1)電主軸的結(jié)構(gòu)

如圖6.5(a)所示，電主軸由無外殼電機、主軸、軸承、主軸單元殼體、主軸驅(qū)動模塊和主軸冷卻裝置等組成。電機的轉(zhuǎn)子采用壓配方法與主軸做成一體，主軸則由前后軸承支

承。電機的定子通過冷卻套安裝于主軸單元的殼體中。主軸的變速由主軸驅(qū)動模塊控制，而主軸單元內(nèi)的溫升由主軸冷卻裝置限制。為了實現(xiàn)自動換刀以及剛性攻絲，電主軸內(nèi)置

一脈沖編碼器，以實現(xiàn)準確的相位控制以及與進給的配合。前端的內(nèi)錐孔和端面用于安裝刀具。圖6.5(b)所示為某高頻電主軸的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，圖6.5(c)所示為瑞士IBAG公司生產(chǎn)的電主軸，其內(nèi)裝電機主軸最大轉(zhuǎn)速可達140000r/min。圖6.5電主軸驅(qū)動系統(tǒng)及結(jié)構(gòu)

2)電主軸的軸承

軸承是決定主軸壽命和承載能力的關鍵部件，其性能對電主軸的使用功能極為重要。目前電主軸采用的軸承主要有陶瓷球軸承、流體靜壓軸承和磁懸浮軸承。陶瓷球軸承是應

用廣泛且經(jīng)濟的軸承，它的陶瓷滾珠質(zhì)量輕、硬度高，可大幅度減小軸承離心力和內(nèi)部載荷，減少磨損，從而提高軸承壽命。德國GMN公司和瑞士STEPTEC公司用于加工中

心和銑床的電主軸全部采用了陶瓷球軸承。

流體靜壓軸承為非直接接觸式軸承，具有磨損小、壽命長、回轉(zhuǎn)精度高、振動小等優(yōu)點，用于電主軸上，可延長刀具壽命，提高加工質(zhì)量和加工效率。美國Ingersoll公司在其生產(chǎn)的電主軸單元中主要采用其擁有專利技術的流體靜壓軸承。

磁懸浮軸承依靠多對在圓周上互為180°的磁極產(chǎn)生徑向吸力(或斥力)而將主軸懸浮在空氣中，使軸頸與軸承不接觸，徑向間隙為1mm左右。當承受載荷后，主軸空間位置會產(chǎn)生微小變化，控制裝置根據(jù)位置傳感器檢測出的主軸位置變化值改變相應磁極的吸力(或斥力)值，使主軸迅速恢復到原來的位置，從而保證主軸始終繞其慣性軸作高速回轉(zhuǎn)，因此它的高速性能好、精度高，但由于價格昂貴，至今沒有得到廣泛應用。

3)電主軸的冷卻

由于電主軸將電機集成于主軸單元中，且其轉(zhuǎn)速很高，運轉(zhuǎn)時會產(chǎn)生大量熱量，引起電主軸溫升，使電主軸的熱態(tài)特性和動態(tài)特性變差，從而影響電主軸的正常工作。因此必

須采取一定措施控制電主軸的溫度，使其保持恒定在一定范圍內(nèi)。目前一般采取強制循環(huán)油冷卻的方式對電主軸的定子及主軸軸承進行冷卻，即將經(jīng)過油冷卻裝置的冷卻油強制性

地在主軸定子外和主軸軸承外循環(huán)，帶走主軸高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的熱量。另外，為了減少主軸軸承的發(fā)熱，還必須對主軸軸承進行合理的潤滑。如對于陶瓷球軸承，可采用油霧潤滑或

油氣潤滑的方式。

4)電主軸的驅(qū)動

目前，電主軸的電動機均采用交流異步感應電動機，由于是用在高速加工機床上，啟動時要從靜止迅速升速至每分鐘數(shù)萬轉(zhuǎn)乃至數(shù)十萬轉(zhuǎn)，啟動轉(zhuǎn)矩大，因而啟動電流要超出普通電機的額定電流5~7倍。其驅(qū)動方式有變頻器驅(qū)動和矢量控制驅(qū)動器驅(qū)動兩種。變頻器的驅(qū)動控制特性為恒轉(zhuǎn)矩驅(qū)動，輸出功率與轉(zhuǎn)矩成正比。最新的變頻器采用先進的晶體管技術(如瑞士ABB公司生產(chǎn)的SAMIGS系列變頻器)，可實現(xiàn)主軸的無級變速。矢量控制驅(qū)動器的驅(qū)動控制為:在低速端為恒轉(zhuǎn)矩驅(qū)動;在中、高速端為恒功率驅(qū)動。

5)電主軸的基本參數(shù)

電主軸的基本參數(shù)包括:套筒直徑、最高轉(zhuǎn)速、輸出功率、轉(zhuǎn)矩和刀具接口等，其中套筒直徑為電主軸的主要參數(shù)。表6.1列出了德國GMN公司用于加工中心和銑床的電主軸

的型號和基本參數(shù)。

6.2.3齒輪傳動系統(tǒng)的總傳動比及其分配

數(shù)控機床主傳動系統(tǒng)采用齒輪傳動系統(tǒng)，主要是由于其整體的動力學特性，從而獲得高精度、高穩(wěn)定性、高速性、高可靠性和低噪聲的齒輪傳動系統(tǒng)。

1.最佳總傳動比

首先把傳動系統(tǒng)中的工作負載、慣性負載和摩擦負載綜合為系統(tǒng)的總負載，方法有以下兩種：

(1)峰值綜合：若各種負載為非隨機性負載，將各負載的峰值取代數(shù)和。

(2)均方根綜合：若各種負載為隨機性負載，取各負載的均方根。

負載綜合時，要轉(zhuǎn)化到電機軸上，成為等效峰值綜合負載轉(zhuǎn)矩或等效均方根綜合負載轉(zhuǎn)矩。使等效負載轉(zhuǎn)矩最小或負載加速度最大的總傳動比，即為最佳總傳動比。

2.總傳動比分配

齒輪系統(tǒng)的總傳動比確定后，要根據(jù)對傳動鏈的技術要求，選擇傳動方案，使驅(qū)動部件和負載之間的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速達到合理匹配。若總傳動比較大，又不準備采用諧波、少齒差

等傳動，則需要確定傳動級數(shù)，并在各級之間分配傳動比。單級傳動比增大使傳動系統(tǒng)簡化，但大齒輪的尺寸增大會使整個傳動系統(tǒng)的輪廓尺寸變大?？砂聪率鋈N原則適當分級，并在各級之間分配傳動比。

1)最小等效轉(zhuǎn)動慣量原則

利用該原則所設計的齒輪傳動系統(tǒng)，換算到電機軸上的等效轉(zhuǎn)動慣量最小。圖6.6二級減速傳動

設有一小功率電機驅(qū)動的二級齒輪減速系統(tǒng)，如圖6.

6所示。設其總傳動比為i=i1i2

。先假設各主動小齒輪具有相同的轉(zhuǎn)動慣量，各齒輪均近似看成實心圓柱體，齒寬B、比重γ均相同，其轉(zhuǎn)動慣量為如不計軸和軸承的轉(zhuǎn)動慣量，則根據(jù)系統(tǒng)動能不變的原則，等效到電機軸上的等效轉(zhuǎn)動慣量為

2)重量最輕原則

對于小功率傳動系統(tǒng)，使各級傳動比i1=i2=i3=…=

，即可使傳動裝置的重量最輕。由于這個結(jié)論是在假定各主動小齒輪模數(shù)、齒數(shù)均相同的條件下導出的，因此所有大齒輪的齒數(shù)、模數(shù)也相同，每級齒輪副的中心距離也相同。上述結(jié)論對于大功率傳動系統(tǒng)是不適用的，因其傳遞扭矩大，故要考慮齒輪模數(shù)、齒輪齒寬等參數(shù)要逐級增加的情況，此時應根據(jù)經(jīng)驗、類比方法以及結(jié)構(gòu)緊湊的要求進行綜合考慮。各級傳動比一般應以“先大后小”原則處理。

3)輸出軸轉(zhuǎn)角誤差最小原則

為了提高機電一體化系統(tǒng)中齒輪傳動系統(tǒng)傳遞運動的精度，各級傳動比應按“先小后大”的原則分配，以便降低齒輪的加工誤差、安裝誤差以及回轉(zhuǎn)誤差對輸出轉(zhuǎn)角精度的影

響。設齒輪傳動系統(tǒng)中各級齒輪的轉(zhuǎn)角誤差換算到末級輸出軸上的總轉(zhuǎn)角誤差為Δ?max，則

式中：Δφk———第k個齒輪所具有的轉(zhuǎn)角誤差;

ikn———第k個齒輪的轉(zhuǎn)軸至第n級輸出軸的傳動比。

比如對于一個四級齒輪傳動系統(tǒng)，設各齒輪的傳動誤差分別為Δφ1、Δφ2、…、Δφ8，則換算到末級輸出軸上的總轉(zhuǎn)角誤差為

上述計算對于小功率傳動比較符合實際，而對于大功率傳動，由于轉(zhuǎn)矩較大，需要按其它法則進行計算。

綜上所述，設計定軸齒輪傳動系統(tǒng)，在確定總傳動比、傳動級數(shù)和分配傳動比時，要根據(jù)系統(tǒng)的工作條件和功能要求，在考慮上述三個原則的同時，考慮其可行性和經(jīng)濟性，

合理分配傳動比。

6.2.4主軸部件

主軸部件是機床的一個關鍵部件，它包括主軸的支承、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。

1.主軸端部的結(jié)構(gòu)形狀

主軸端部用于安裝刀具或夾持工件的夾具，在設計要求上，應能保證定位準確、安裝可靠、聯(lián)結(jié)牢固、裝卸方便，并能傳遞足夠的轉(zhuǎn)矩。主軸端部的結(jié)構(gòu)形狀都已標準化，如圖6.7所示為數(shù)控機床(或普通機床)通用的幾種主軸端部的結(jié)構(gòu)形式。

圖6.7(a)所示為車床主軸端部，卡盤靠前端的短圓錐面和凸緣端面定位，用撥銷傳遞轉(zhuǎn)矩?？ūP裝有固定螺栓，當卡盤裝于主軸端部時，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，用以安裝頂尖或心軸。

圖6.7(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，而且由前端的端面鍵傳遞轉(zhuǎn)矩。

圖6.7(c)所示為外圓磨床砂輪主軸的端部。圖6.7(d)所示為內(nèi)圓磨床砂輪主軸端部。圖6.7(e)所示為鉆床與普通鏜桿端部，刀桿或刀具由莫氏錐孔定位，用錐孔后端第1個扁孔傳遞轉(zhuǎn)矩，第2個扁孔用以拆卸刀具。但在數(shù)控鏜床上要使用如圖6.7(b)所示的形式，圖中7∶24的錐孔沒有自鎖作用，便于自動換刀時拔出刀具。圖6.7主軸端部的結(jié)構(gòu)形式

2.主軸部件的支承

機床主軸帶著刀具或夾具在支承中進行回轉(zhuǎn)運動，應能傳遞切削轉(zhuǎn)矩承受切削抗力，并保證必要的旋轉(zhuǎn)精度。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。

1)主軸滾動軸承的配置

在實際應用中，數(shù)控機床主軸軸承常見的配置有3種形式，如圖6.8所示。圖6.8數(shù)控機床主軸軸承配置形式

圖6.8(a)所示的配置形式能使主軸獲得較大的徑向和軸向剛度，可以滿足機床強力切削的要求，普遍應用于各類數(shù)控機床的主軸，如數(shù)控車床、數(shù)控銑床的主軸。

圖6.8(b)所示的配置沒有圖6.8(a)所示的主軸剛度大，但這種配置提高了主軸的轉(zhuǎn)速，適合主軸要求在較高轉(zhuǎn)速下工作的數(shù)控機床。目前，這種配置形式在立式、臥式加工中心機床上得到廣泛應用，滿足了這類機床轉(zhuǎn)速范圍大、最高轉(zhuǎn)速高的要求。為提高這種形式配置的主軸剛度，前支承可以用4個或更多個的軸承相組配，后支承用兩個軸承相組配。

圖6.8(c)所示的配置形式能使主軸承受較重載荷(尤其是承受較強的動載荷)，徑向和軸向剛度高，安裝和調(diào)整性好。但這種配置相對限制了主軸最高轉(zhuǎn)速和精度，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少主軸彎曲變形。在三支承主軸結(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游隙，以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。

2)主軸滾動軸承的預緊

所謂軸承預緊，就是使軸承滾道預先承受一定的載荷，這不僅能消除間隙而且還使?jié)L動體與滾道之間發(fā)生一定的變形，從而使接觸面積增大，軸承受力時變形減小，抵抗變形

的能力增大。因此，對主軸滾動軸承進行預緊和合理選擇預緊量，可以提高主軸部件的旋轉(zhuǎn)精度、剛度和抗振性。機床主軸部件在裝配時要對軸承進行預緊，使用一段時間以后，

間隙或過盈有了變化，還需要重新調(diào)整，所以要求預緊結(jié)構(gòu)便于進行調(diào)整。滾動軸承間隙的調(diào)整或預緊，通常是使軸承內(nèi)、外圈相對軸向移動來實現(xiàn)的。常用的方法有以下幾種:

(1)軸承內(nèi)圈移動。如圖6.9所示，這種方法適用于錐孔雙列圓柱滾子軸承。該方法采用螺母通過套筒推動內(nèi)圈在錐形軸頸上進行軸向移動，使內(nèi)圈變形脹大，在滾道上產(chǎn)生過盈，從而達到預緊的目的。圖6.9(a)所示的結(jié)構(gòu)較簡單，但預緊量不易控制，常用于輕載機床主軸部件。圖6.9(b)所示結(jié)構(gòu)用右端螺母限制內(nèi)圈的移動量，易于控制預緊量。圖6.9(c)所示結(jié)構(gòu)在主軸凸緣上均布數(shù)個螺釘以調(diào)整內(nèi)圈的移動量，調(diào)整方便，但是用幾個螺釘調(diào)整，易使墊圈歪斜。圖6.9(d)所示結(jié)構(gòu)將緊靠軸承右端的墊圈做成兩個半環(huán)，可以徑向取出，修磨其厚度可控制預緊量的大小，調(diào)整精度較高。調(diào)整螺母一般采用細牙螺紋，便于微量調(diào)整，而且在調(diào)好后要能鎖緊防松。圖6.9軸承內(nèi)圈移動

(2)修磨座為外圈窄邊相對(面對面)安裝時，可采取修磨軸承外圈的窄邊，如圖6.10所示。在安裝時按圖示的相對關系裝配，并用螺母或法蘭蓋將兩個軸承軸向壓攏，使兩個修磨過的端面貼緊，這樣在兩個軸承的滾道之間產(chǎn)生預緊。另一種方法是將兩個厚度不同的隔套放在兩軸承內(nèi)、外圈之間，同樣將兩個軸承軸向相對壓緊，使?jié)L道之間產(chǎn)生預緊，如圖6.11(a)、(b)所示。圖6.10修磨座圈圖6.11隔套的應用

3.主軸的進給功能

在車削中心的主傳動系統(tǒng)中，增加了主軸的進給功能。主軸的進給功能即主軸的C軸坐標功能，用以實現(xiàn)主軸定向停車和圓周進給，并在數(shù)控裝置控制下實現(xiàn)C軸、Z軸插補和C軸、X軸插補。圖6.12所示為主軸的C軸功能的示意圖。圖6.12主軸的C軸功能的示意圖

4.主軸內(nèi)部刀具自動夾緊機構(gòu)

主軸內(nèi)部刀具自動夾緊機構(gòu)是數(shù)控機床特別是加工中心的特有機構(gòu)。圖6.13所示為加工中心ZHSK63主軸結(jié)構(gòu)部件圖，刀具可以在主軸上自動裝卸并進行自動夾緊，其工

作原理如下:當?shù)毒?裝到主軸孔后，其刀柄后部的拉釘3便被送到主軸拉桿7的前端，在碟形彈簧9的作用下，通過彈性卡爪5將刀具拉緊。當需要換刀時，電氣控制指令給液

壓系統(tǒng)發(fā)出信號，使液壓缸14的活塞左移，帶動推桿13向左移動，推動固定在拉桿7上的軸套10，使整個拉桿7向左移動。

當彈性卡爪5向前伸出一段距離后，在彈性力作用下，卡爪5自動松開拉釘3，此時拉桿7繼續(xù)向左移動，用噴氣嘴6的端部把刀具頂松，機械手便可把刀具取出進行換刀。裝刀之前，壓縮空氣從噴氣嘴6中噴出，吹掉錐孔內(nèi)臟物，當

機械手把刀具裝入之后，壓力油通入液壓缸14的左腔，使推桿退回原處，在碟形彈簧的作用下，通過拉桿7又把刀具拉緊。冷卻液噴嘴1用來在切削時對刀具進行大流量冷卻。

圖6.13ZHSK63加工中心主軸內(nèi)部刀具夾緊機構(gòu)

6.3進給傳動機構(gòu)

數(shù)控機床進給系統(tǒng)的機電部件主要有伺服電機、檢測元件、聯(lián)軸節(jié)、減速機構(gòu)(齒輪副和帶輪)、滾珠絲杠螺母副(或齒輪齒條副)、絲杠軸承、運動部件(工作臺、主軸箱、滑座、橫梁和立柱等)。由于滾珠絲杠、伺服電機及其控制單元性能的提高，很多數(shù)控機床的進給系統(tǒng)中已去掉減速機構(gòu)而直接用伺服電機與滾珠絲杠連接，不僅整個系統(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，使伺服特性亦有改善。

在整個進給系統(tǒng)中，除了上述部件外，還有一個重要的部件就是導軌。雖然從表面上看導軌似乎與進給系統(tǒng)的聯(lián)系不十分密切，實際上運動摩擦力及負載這兩個參數(shù)在進給系統(tǒng)中占有重要地位，因此導軌的性能對進給系統(tǒng)的影響是不容忽視的。下面從機械傳動的角度對數(shù)控機床伺服系統(tǒng)的主要傳動裝置進行簡要介紹。

6.3.1對進給傳動系統(tǒng)的要求

為確保數(shù)控機床進給系統(tǒng)的傳動精度和工作平穩(wěn)性等，數(shù)控機床進給傳動系統(tǒng)必須滿足如下要求:

(1)減小摩擦阻力;

(2)減小各運動零件的慣量;

(3)高的傳動精度與定位精度;

(4)響應速度要快;

(5)使用維護方便。

6.3.2聯(lián)軸器

在數(shù)控機床進給驅(qū)動系統(tǒng)中，伺服電機軸、傳動軸和滾珠絲杠之間的傳動連接只有確保無間隙，才能保證傳動精度，準確執(zhí)行脈沖指令，而不丟掉脈沖。在數(shù)控機床中伺服電

機與滾珠絲杠之間主要采用3種連接方式:直聯(lián)式、齒輪減速式、同步帶式。

圖6.14所示為直聯(lián)式連接，它是通過撓性聯(lián)軸器把伺服電機和滾珠絲杠采用無鍵連接結(jié)構(gòu)連接起來的。其連接原理為:聯(lián)軸套3與軸之間用錐環(huán)7連接，錐環(huán)7分為內(nèi)錐環(huán)和外錐環(huán)，是一對經(jīng)相互配研接觸良好的彈性錐形脹套。

當通過擰緊壓圈2上的螺釘將錐環(huán)壓緊時，內(nèi)錐環(huán)的內(nèi)孔縮小，外錐環(huán)的外圈脹大，產(chǎn)生了彈性變形，消除了配合間隙;并在被連接的軸與內(nèi)錐環(huán)、內(nèi)錐環(huán)與外錐環(huán)、外錐環(huán)與聯(lián)軸器間的接合面上產(chǎn)生很大的接觸壓力，依靠這個接觸壓力所產(chǎn)生的摩擦力可以傳遞轉(zhuǎn)矩。聯(lián)軸套間采用柔性片5傳遞扭矩。柔性片5分別用螺釘和球面墊圈4、6與兩邊聯(lián)軸套3連接，兩端聯(lián)軸套的位置誤差(同軸度和垂直度誤差)由柔性片的變形抵消。顯然，錐環(huán)7是這種無鍵、無隙直聯(lián)方式的關鍵元件。這種聯(lián)軸器稱為膜片彈性聯(lián)軸器，在加工中心進給驅(qū)動系統(tǒng)中用得較多。這種撓性聯(lián)軸器不僅可簡化結(jié)構(gòu)，減小噪聲，而且對消除傳動間隙，提高傳動剛度有利。

圖6.14電機與絲杠直聯(lián)式連接

圖6.15所示為齒輪減速式。這種連接方式主要用于因結(jié)構(gòu)上的原因不能直聯(lián)或因負載力矩大，需要放大伺服電機輸出轉(zhuǎn)矩的地方。這種連接方式應特別注意齒輪精度和嚙合

間隙對傳動精度的影響。關于齒輪嚙合間隙的調(diào)整請參照下節(jié)內(nèi)容。齒輪減速式連接在數(shù)控機床上應用較普遍，特別是經(jīng)濟型數(shù)控機床，基本上都是采用這種方式連接的。

同步帶式連接與齒輪減速式連接的使用條件基本相同，但在成本和低噪聲方面，同步帶式明顯優(yōu)于齒輪減速式。在充分理解同步帶特性的情況下，正確選用和調(diào)整，才會收到

良好的效果。圖6.15步進電機與絲杠的齒輪減速連接方式

6.3.3消除間隙的齒輪傳動結(jié)構(gòu)

在數(shù)控設備的進給驅(qū)動系統(tǒng)中，考慮到慣量、轉(zhuǎn)矩或脈沖當量的要求，有時要在電機到絲杠之間加入齒輪傳動副，而齒輪傳動副存在的間隙會使進給運動反向滯后于指令信

號，造成反向死區(qū)而影響其傳動精度和系統(tǒng)的穩(wěn)定性。因此，為了提高進給系統(tǒng)的傳動精度，必須消除齒輪傳動副的間隙。下面介紹幾種實踐中常用的齒輪間隙消除結(jié)構(gòu)形式。

1.直齒圓柱齒輪傳動副

直齒圓柱齒輪傳動副有以下三種調(diào)整法。

(1)偏心套調(diào)整法。圖6.16(a)所示為偏心套式消除間隙結(jié)構(gòu)。電機1通過偏心套2安裝到機床殼體上，通過轉(zhuǎn)動偏心套2，就可以調(diào)整兩齒輪的中心距，從而消除齒側(cè)的間隙。圖6.16直齒圓柱齒輪傳動副消除間隙結(jié)構(gòu)

(2)錐度齒輪調(diào)整法。圖6.16(b)所示為以帶有錐度的齒輪來消除間隙的結(jié)構(gòu)。在加工齒輪1和2時，將假想的分度圓柱面改變成帶有小錐度的圓錐面，使其齒厚在齒輪的軸向稍有變化。調(diào)整時，只要改變墊片3的厚度就能調(diào)整兩個齒輪的軸向相對位置，從而消除齒側(cè)間隙。

以上兩種方法的特點是結(jié)構(gòu)簡單，能傳遞較大轉(zhuǎn)矩，傳動剛度較好，但齒側(cè)間隙調(diào)整后不能自動補償，又稱為剛性調(diào)整法。

(3)雙片齒輪錯齒調(diào)整法。如圖6.17所示，其中圖(a)是雙片齒輪周向可調(diào)彈簧錯齒消隙結(jié)構(gòu)。兩個相同齒數(shù)的薄齒輪1和2與另一個寬齒輪嚙合，兩薄齒輪可相對回轉(zhuǎn)。在

兩個薄齒輪1和2的端面均勻分布著4個螺孔，分別裝上凸耳3和7。齒輪1的端面還有另外4個通孔，凸耳8可以在其中穿過，彈簧4的兩端分別鉤在凸耳3和調(diào)節(jié)螺釘8上。通過螺母5調(diào)節(jié)彈簧4的拉力，調(diào)節(jié)完后用螺母6鎖緊。彈簧的拉力使薄齒輪錯位，即兩個薄齒輪的左、右齒面分別貼在寬齒輪齒槽的左、右齒面上，從而消除了齒側(cè)間隙。

圖6.17(b)是另一種雙片齒輪周向彈簧錯齒消隙結(jié)構(gòu)，兩片薄齒輪1和2套裝在一起，每片齒輪各開有兩條周向通槽，在齒輪的端面上裝有短柱3，用來安裝彈簧4。裝配時彈簧4具有足夠的拉力，使兩個薄齒輪的左、右面分別與寬齒輪的左、右面貼緊，以消除齒側(cè)間隙。

圖6.17雙片齒輪錯齒消隙結(jié)構(gòu)

雙片齒輪錯齒法調(diào)整間隙，在齒輪傳動時，由于正向和反向旋轉(zhuǎn)分別只有一片齒輪承受轉(zhuǎn)矩，因此承載能力受到限制，并且彈簧的拉力要足以克服最大轉(zhuǎn)矩，否則起不到消隙

作用，這種方法稱為柔性調(diào)整法，它適用于負荷不大的傳動裝置中。

這種結(jié)構(gòu)裝配好后，齒側(cè)間隙自動消除(補償)，可始終保持無間隙嚙合，是一種常用的無間隙齒輪傳動結(jié)構(gòu)。

2.斜齒圓柱齒輪傳動副

斜齒圓柱齒輪傳動副有以下兩種調(diào)整法。

(1)軸向墊片調(diào)整法。圖6.18所示為斜齒輪墊片調(diào)整法，其原理與錯齒調(diào)整法相同。薄片斜齒輪1和2的齒形拼裝在一起加工，裝配時在兩薄片齒輪間裝入已知厚度為t的墊片3，這樣它的螺紋方向便錯開了，使兩薄片齒輪分別與寬齒輪4的左、右齒面貼緊，消除了間隙。墊片3的厚度t與齒側(cè)間隙Δ的關系為

墊片厚度一般由測試法確定，往往要經(jīng)幾次修磨才能調(diào)整好。這種結(jié)構(gòu)的齒輪承載能力較小，且不能自動補償消除間隙。圖6.18斜齒輪墊片調(diào)整法

(2)軸向壓簧調(diào)整法。圖6.19所示為斜齒輪軸向壓簧錯齒消隙結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)消隙原理與軸向墊片調(diào)整法相似，所不同的是利用薄片斜齒輪2右面的彈簧壓力使兩個薄片斜齒輪的左、右齒輪面分別與寬齒輪的左、右齒面貼緊，以消除側(cè)間隙。圖6.19(a)所示采用的是壓簧，圖6.19(b)所示采用的是碟形彈簧。

彈簧3的壓力可利用螺母5來調(diào)整，壓力的大小要調(diào)整合適，因為壓力過大會加快齒輪磨損，壓力過小又達不到消隙作用。這種結(jié)構(gòu)的齒輪間隙能自動消除，始終保持無間隙的嚙合，但它只適于負載較小的場合，并且這種結(jié)構(gòu)的軸向尺寸較大。圖6.19斜齒輪軸向壓簧錯齒消隙結(jié)構(gòu)

3.錐齒輪傳動副

錐齒輪同圓柱齒輪一樣，可用上述類似的方法來消除齒側(cè)間隙。

6.3.4滾珠絲杠螺母副

滾珠絲杠螺母副是直線運動與回轉(zhuǎn)運動能相互轉(zhuǎn)換的新型傳動裝置。

1.滾珠絲杠螺母副的工作原理及特點

圖6.20所示的滾珠絲杠螺母副(簡稱滾珠絲杠副)是一種在絲杠與螺母間裝有滾珠為中間元件的絲杠副，其結(jié)構(gòu)原理如圖6.21所示。在絲杠1和螺母2上都有半圓弧形的螺旋槽，當它們套裝在一起時便形成了滾珠的螺旋滾道。螺母上有滾珠回殊管4，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3。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。這種結(jié)構(gòu)的特點是具有螺旋槽的絲杠螺母間裝有滾珠作為中間傳動件，以減少摩擦。

圖6.21中絲杠和螺母上都磨有圓弧形的螺旋槽，這兩個圓形的螺旋槽對合起來就形成螺旋線滾道，在滾道內(nèi)裝有滾珠。當絲杠回轉(zhuǎn)時，滾珠相對于螺母上的滾道滾動，因此絲杠與螺母之間基本上為滾動摩擦。為了防止?jié)L珠從螺母中滾出來，在螺母的螺旋槽兩端設有回程引導裝置，使?jié)L珠能循環(huán)流動。

圖6.20滾珠絲杠螺母副實體圖圖6.21滾珠絲杠螺母副結(jié)構(gòu)

滾珠絲杠副的特點是:

(1)傳動效率高，摩擦損失小。滾珠絲杠副的傳動效率η=0.92~0.96，比常規(guī)的絲杠螺母副提高了3~4倍。因此，功率消耗只相當于常規(guī)的絲杠螺母副的1/4~1/3。

(2)給予適當預緊，可消除絲杠和螺母的螺紋間隙，反向時就可以消除空行程死區(qū)，因此滾珠絲杠副的定位精度高，剛度好。

(3)運動平穩(wěn)，無爬行現(xiàn)象，傳動精度高。

(4)運動具有可逆性，可以從旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換為直線運動，也可以從直線運動轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)運動，即絲杠和螺母都可以作為主動件。

(5)磨損小，使用壽命長。

(6)制造工藝復雜。滾珠絲杠和螺母等元件的加工精度要求高，表面粗糙度也要求高，故制造成本高。

(7)不能自鎖。特別是對于垂直絲杠，由于自重慣力的作用，下降時當傳動切斷后，不能立刻停止運動，故常需添加制動裝置。

2.滾珠絲杠螺母副的主要參數(shù)

如圖6.22所示，滾珠絲杠螺母副的主要參數(shù)如下:

(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，是滾珠絲杠副的特征尺寸。公稱直徑d0越大，承載能力和剛度越大，推薦滾珠絲杠副的公稱直徑d0應大于絲杠工作長度的1/30。數(shù)控機床常用的進給絲杠，其公稱直徑d0為?30~80mm。

(2)導程L:絲杠相對螺母旋轉(zhuǎn)任意弧度時，螺母上基準點的軸向位移。

(3)基本導程L0:絲杠相對于螺母旋轉(zhuǎn)2π時，螺母上的基準點軸向位移。

(4)接觸角β:在螺紋滾道法向剖面內(nèi)，滾珠球心與滾道接觸點的連線和螺紋軸線的垂直線間的夾角。理想接觸角β=45°。

(5滾珠的工作圈數(shù)i。試驗結(jié)果已表明，在每一個循環(huán)回路中，各圈滾珠所受的軸向負載是不均勻的，第一圈滾珠承受總負載的約50%，第二圈約承受30%，第三圈約承受20%。因此，滾珠絲杠副中每個循環(huán)回路的滾珠工作圈數(shù)取為i=2.5~3.5圈，工作圈數(shù)大于3.5無實際意義。

(6)滾珠的總數(shù)N。一般N不超過150個，若超過規(guī)定的最大值，則因流通不暢容易產(chǎn)生堵塞現(xiàn)象;反之，若工作滾珠的總數(shù)N太少，將使得每個滾珠的負載加大，引起過大的彈性變形。

(7)其他參數(shù)。除了上述參數(shù)外，滾珠絲杠副還有絲杠螺紋大徑d、絲杠螺紋小徑d1，螺紋全長L、螺母螺紋大徑D、螺母螺紋小徑D1、滾道圓弧偏心距e、滾道圓弧半徑R等參數(shù)。圖6.22滾珠絲杠副的基本參數(shù)

3.滾珠絲杠螺母副間隙的調(diào)整

滾珠絲杠的傳動間隙是軸向間隙，其數(shù)值是指絲杠和螺母無相對轉(zhuǎn)動時，二者之間的最大軸向竄動量。除了結(jié)構(gòu)本身的游隙之外，傳動間隙還包括施加軸向載荷后產(chǎn)生的彈性

變形所造成的軸向竄動量。

由于存在軸向間隙，當絲杠反向轉(zhuǎn)動時，將產(chǎn)生空回誤差，從而影響傳動精度和軸向剛度。通常采用預加載荷(預緊)的方法來減小彈性變形所帶來的軸向間隙，以保證反向傳動精度和軸向剛度。但過大的預加載荷會增大摩擦阻力，降低傳動效率，縮短使用壽命。

所以，一般需要經(jīng)過多次調(diào)整，以保證既消除間隙又能靈活運轉(zhuǎn)。調(diào)整時，除螺母預緊外，還應特別注意使絲杠安裝部分和驅(qū)動部分的間隙盡可能小，并且具有足夠剛度;同時應注意預緊力不宜過大，預緊力過大會使空載力矩增加，從而降低傳動效率，縮短使用壽命。

1)雙螺母消隙

常用的雙螺母絲杠消除間隙的方法有:

(1)墊片調(diào)隙式。如圖6.23所示，調(diào)整墊片厚度使左、右兩螺母產(chǎn)生軸向位移，即可消除間隙和產(chǎn)生預緊力。這種方法結(jié)構(gòu)簡單、剛性好，但調(diào)整不便，滾道有磨損時不能隨

時消除間隙和進行預緊。圖6.23螺紋調(diào)隙式

(2)螺紋調(diào)隙式。如圖6.24所示，螺母1的外端有凸緣固定在螺母座上，利用螺母7外端的外螺紋，調(diào)整時只要旋動圓螺母6即可消除軸向間隙，調(diào)整好后再用另一個圓螺母

鎖緊。這種結(jié)構(gòu)調(diào)整方便，且可在使用過程中，隨時調(diào)整，但預緊力大小不能準確控制。圖6.24螺紋調(diào)隙式

(3)齒差調(diào)隙式。如圖6.25所示，在兩個螺母的凸緣上各制有圓柱外齒輪，分別與固緊在套筒兩端的內(nèi)齒圈相嚙合，其齒數(shù)分別為z1和z2，并相差一個齒。調(diào)整時，先取下內(nèi)齒圈，讓兩個螺母相對于套筒同方向都轉(zhuǎn)動一個齒，然后再插入內(nèi)齒圈，則兩個螺母便產(chǎn)生相對角位移，其軸向位移量例如，z1=80，z2=81，滾珠絲杠的導程為Pn=6mm時，s=6/6480≈0.001mm。這種調(diào)整方法能精確調(diào)整預緊量，調(diào)整方便、可靠，但結(jié)構(gòu)尺寸較大，多用于高精度的傳動。圖6.25齒差調(diào)隙式

2)單螺母消隙。

常用的單螺母絲杠消除間隙的方法有:

(1)單螺母變位螺距預緊。如圖6.26所示，在滾珠螺母體內(nèi)的兩列循環(huán)珠鏈之間，使內(nèi)螺母滾道在軸向產(chǎn)生一個ΔL0的導程突變量，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，但負荷量須預先設定且不能改變。圖6.26單螺母變螺距式

(2)單螺母螺釘預緊。如圖6.27所示，螺母在專業(yè)生產(chǎn)工廠完成精磨之后，沿徑向開一薄槽，通過內(nèi)六角調(diào)整螺釘實現(xiàn)間隙的調(diào)整和預緊。該專利技術成功地解決了開槽后滾珠在螺母中良好的通過性。單螺母結(jié)構(gòu)不僅具有很好的性能價格比，而且間隙的調(diào)整和預緊極為方便。圖6.27能消除間隙的單螺母結(jié)構(gòu)

(3)滾珠絲杠螺母副預緊。對于滾珠絲杠螺母副，為保證傳動精度及剛度，除消除傳動間隙外，還要求預緊。預緊力計算公式為

式中:Fmax

———軸向最大工作載荷。

前述各種消除滾珠絲杠螺母副軸向間隙的方法，都能對螺母副進行預緊，調(diào)整時只要注意預緊力大小Fv=1/3Fmax

即可。

5.滾珠絲杠的支承與制動

1)支承方式

為提高滾珠絲杠的傳動剛度，選擇合理的支承結(jié)構(gòu)并正確安裝很重要。滾珠絲杠主要承受軸向載荷，徑向載荷主要是臥式絲杠的自重，因此滾珠絲杠的軸向精度和剛度要求較

高。滾珠絲杠所用軸承有接觸角為60°的角接觸球軸承和滾針推力圓柱滾子組合軸承。滾珠絲杠的支承結(jié)構(gòu)如圖6.

28所示。表6.2列出了滾球絲杠副三種支承方式的特點與應用。圖6.28滾珠絲杠的支承配置

2)制動方式

由于滾珠絲杠副的傳動效率高，無自鎖作用(特別是滾珠絲杠處于垂直傳動時)，為防止自重下降，必須裝有制動裝置。圖6.29所示為數(shù)控臥式鏜床主軸箱進給絲杠制動裝置示意圖。機床工作時，電磁鐵通電，使摩擦離合器脫開，運動由步進電機經(jīng)減速齒輪傳給絲杠，使主軸箱上、下移動。當加工完畢或中間停車時，步進電機和電磁鐵同時斷電，借壓力彈簧作用合上摩擦離合器，使絲杠不能轉(zhuǎn)動，主軸箱便不會下落。圖6.29主軸箱進給絲杠制動裝置

6.滾珠絲杠的預拉伸

滾珠絲杠在工作時會發(fā)熱，其溫度高于床身。絲杠的熱膨脹將使導程加大，影響定位精度。為了補償熱膨脹，可將絲杠預拉伸。預拉伸量應略大于熱膨脹量。發(fā)熱后，熱膨脹量抵消了部分預拉伸量，使絲杠內(nèi)的拉應力下降，但長度卻沒有變化。需進行預拉伸的絲杠在制造時應使其目標行程(螺紋部分在常溫下的長度)等于公稱行程(螺紋部分的理論長度等于公稱導程乘以絲杠上的螺紋圈數(shù))減去預拉伸量。拉伸后需恢復公稱行程值。減去的量稱為“行程補償值”。

7.滾珠絲杠副的精度等級與標注

以下介紹滾珠絲杠副的精度等級與標注。

1)滾珠絲杠副的精度等級

按JB3162.2—1991《滾珠絲杠副的驗收技術條件》規(guī)定，滾珠絲杠副的精度分為1、2、3、4、5、8和10共7個等級，1級精度最高，依次遞減。

根據(jù)不同的應用場合，滾珠絲杠副分為定位型(P類)和傳動型(T類)兩類。數(shù)控機床進給系統(tǒng)用的是定位型滾珠絲杠副，精度主要采用1~4級。

2)滾珠絲杠副的標注方法

如圖6.30所示，滾珠絲杠副的標注方法根據(jù)其結(jié)構(gòu)、規(guī)格、精度和螺紋旋向等特征，采用漢語拼音、數(shù)字等結(jié)合的標注法。滾珠絲杠副的標注方法尚不完全統(tǒng)一，如圖6.30所示為《機床設計手冊》中介紹的標注方法。圖6.30滾球絲杠副的標注方法

如表6.3和表6.4所示為滾珠絲杠副預緊方式代號和滾珠絲杠副中鋼球循環(huán)方式代號。

例如:CDM5010—3—P3表示外循環(huán)管接式，雙螺母墊片預緊，導珠管埋入式的滾珠絲杠副，公稱直徑為50mm，基本導程為10mm，螺紋旋向為右旋，負荷總?cè)?shù)為3圈，精度等級為3級。

WD3005—3.5×1/B左—900×1000表示外循環(huán)墊片調(diào)隙式的雙螺母滾珠絲杠螺母副，公稱直徑為30mm，螺距為5mm，負荷總?cè)?shù)為3.5圈，單列B級精度，左旋，絲杠的螺紋部分長度為900mm，絲杠總長度為1000mm。

實際上，每個廠家的標號會略有所不同，下面舉例僅供參考。江蘇天安機械廠生產(chǎn)的絲杠FSG—50×10R—4.5—P5—1500—1000，浙江省麗水市貝斯特軸承有限公司生產(chǎn)銷售的滾珠絲杠副中RMFSI1605R—T1—4A—1050—1500—C7螺母副的型號說明，如圖6.31所示。

圖6.31滾珠絲杠副型號舉例

8.滾珠絲杠副的潤滑與密封

滾珠絲杠副也可用潤滑劑來提高耐磨性及傳動效率。潤滑劑可分為潤滑油及潤滑脂兩大類。潤滑油為一般機油、90~180號透平油或140號主軸油。潤滑脂可采用鋰基油脂。潤滑脂加在螺紋滾道和安裝螺母的殼體空間內(nèi)，而潤滑油則經(jīng)過殼體上的油孔注入螺母的空間內(nèi)。

9.滾珠絲杠副的設計計算

設計計算滾珠絲杠副的已知條件包括:工作載荷F(N)或平均工作載荷Fm(N)，使用壽命L'h(h)，絲杠的工作長度(或螺母的有效行程)L(m)、絲杠的轉(zhuǎn)速n(平均轉(zhuǎn)速nm或最大轉(zhuǎn)速nmax)(r/min)、滾道硬度HRC和運轉(zhuǎn)情況。

滾珠絲杠副一般的設計步驟及方法如下:

(1)計算滾珠絲杠副的載荷FC(N):

FC=KFKHKAFm(6－5)

式中:KF

———載荷系數(shù)，按表6.5選取;

KH

———硬度系數(shù)，按表6.6選取;

KA———精度系數(shù)，按表6.7選取;

Fm———平均工作載荷(N)。

例6－1試設計一數(shù)控銑床工作臺進給用滾珠絲杠副。已知平均工作載荷Fm=3800N，絲杠工作長度l=1.2m，平均轉(zhuǎn)速nm=100r/min，最大轉(zhuǎn)速nmax=10000r/min，使用壽命L'h=15000h左右，絲杠材料為CrWMn鋼，滾道硬度為HRC58~62，傳動精度要求σ=±0.03。

表6.9穩(wěn)定性系數(shù)

(6)效率驗算。滾珠絲杠副的傳動效率η為

η要求在90%~95%之間，所以該絲杠副能滿足使用要求。

經(jīng)上述計算驗證，F(xiàn)FZD5006—5各項性能指標均符合題目要求，可選用。

6.4數(shù)控機床的自動換刀系統(tǒng)

無自動換刀功能的數(shù)控機床只能完成單工序的加工，如車、鉆、銑等。而實際上，一個零件往往需要進行多道工序的加工，因此，在加工一個零件的過程中，必須花費大量的時間用于更換刀具、裝卸零件、測量和搬運零件等加工輔助時間，切削加工時間僅占整個工時中較小的比例。為了縮短加工輔助時間，充分發(fā)揮數(shù)控機床的效率，往往采用“工序集中”的原則。

常見的帶有自動換刀裝置的數(shù)控機床、“加工中心”機床就是典型的產(chǎn)品。目前，自動換刀裝置已廣泛用于鏜銑床、銑床、鉆床、車床、組合機床及其他機床上。使用自動換刀裝置再配合精密數(shù)控轉(zhuǎn)臺，不僅擴大了數(shù)控機床的使用范圍，還可使加工效率得到較大的提高，同時由于零件一次安裝可以完成多道工序加工，減少了零件安裝定位次數(shù)和裝夾誤差，從而進一步提高了加工精度。

在數(shù)控機床上，實現(xiàn)刀具自動交換的裝置稱為自動換刀裝置。自動換刀裝置必須能夠存放一定數(shù)量的刀具，即有刀庫或刀架，并能完成刀具的自動交換。因此，刀具存放數(shù)量

多(刀庫容量大)、換刀時間短、刀具重復定位精度高、結(jié)構(gòu)簡單、制造成本低、可靠性高是對數(shù)控機床自動換刀裝置的基本要求。其中，特別是自動換刀裝置的可靠性，對于自動換刀機床來說顯得尤其重要。

自動換刀裝置的形式與機床種類、機床的總體結(jié)構(gòu)布局、刀具數(shù)量等因素密切相關。

在數(shù)控車床上，由于工件安裝在主軸上，刀具只須在刀架上進行交換即可，它不涉及到主軸和刀架間的刀具交換問題，因此，換刀裝置結(jié)構(gòu)簡單，型式比較單一，通常都使用回轉(zhuǎn)刀架進行換刀。

在加工中心上，由于刀具被安裝于主軸上，換刀必須在主軸和刀庫之間進行，為此，必須設計專門的自動換刀裝置和刀庫。其刀具的交換方式通?？梢苑譃闊o機械手換刀和帶

機械手換刀兩大類。

無機械手換刀方式是通過刀庫與機床主軸的相對運動，結(jié)合刀庫的回轉(zhuǎn)運動實現(xiàn)刀具自動交換的方式。這種換刀方式的特點是結(jié)構(gòu)簡單、動作可靠，不需要專門的換刀機械手;

但其缺點是刀具交換的時間較長，刀具數(shù)量不宜過多，刀庫的布局也受到局限，通常在小型加工中心上使用較多。

機械手換刀方式是利用機械手實現(xiàn)主軸和刀庫間刀具交換的方式。它可以克服無機械手換刀的缺點，刀具交換速度快，刀具數(shù)量多，刀庫布局靈活，使用范圍廣;但其結(jié)構(gòu)通常較復雜，制造成本高。

6.4.1自動換刀裝置的形式

1.回轉(zhuǎn)刀架

回轉(zhuǎn)刀架是一種簡單的自動換刀裝置，常用于數(shù)控車床。根據(jù)不同的機床要求，回轉(zhuǎn)刀架可以設計成四方、六方刀架或圓盤式等多種形式，并相應地安裝四把、六把或更多的刀具。為了承受切削力，數(shù)控車床的刀架必須具有良好的剛性和強度;另外，由于刀架的定位直接決定了機床的加工精度，因此，刀架必須具有很高的定位精度。在這兩點上，它比加工中心的刀庫要求高得多。

圖6.32所示為一種數(shù)控車床用圓盤電動刀架結(jié)構(gòu)原理圖。這種刀架常用的規(guī)格有12位、8位刀架兩種(如圖6.32(b)、(c)所示)，可以裝夾25mm×25mm的可調(diào)刀具或

20mm×20mm×125mm的標準刀具，兩種刀架可裝的最大鏜桿直徑均為?32mm。回轉(zhuǎn)刀架由驅(qū)動電動機作為動力源，通過機械傳動系統(tǒng)的動作，自動實現(xiàn)刀盤的放松、轉(zhuǎn)位、定位及夾緊等動作。刀具通過壓板及斜鐵夾緊，更換刀具和對刀都較方便。

在圖6.32(a)中，驅(qū)動電動機11應帶有制動器。換刀動作步驟如下:

(1)刀架松開，換刀開始后，首先松開電動機制動器，電動機通過齒輪帶動蝸桿、蝸輪旋轉(zhuǎn)。由于蝸輪與軸之間采用螺紋連接，因此，通過蝸輪的旋轉(zhuǎn)帶動軸沿軸向左移，使左鼠牙盤脫開，刀架完成松開動作。

(2)刀架轉(zhuǎn)位由圖6.32可見，在軸上開有兩個對稱槽，內(nèi)裝兩個滑塊，當鼠牙盤脫開后，電動機繼續(xù)帶動蝸輪旋轉(zhuǎn)，一旦蝸輪轉(zhuǎn)到一定角度，與蝸輪固定的圓盤上的凸塊便碰到滑塊，蝸輪隨即通過盤上的凸塊帶動滑塊，連同軸、刀盤一起進行旋轉(zhuǎn)，刀架進行轉(zhuǎn)位動作。

(3)刀架定位當?shù)都苻D(zhuǎn)到要求的位置之后，驅(qū)動電動機反轉(zhuǎn)，這時盤上的凸塊便與滑塊脫離，不再帶動軸轉(zhuǎn)動。蝸輪通過螺紋帶動軸右移，左鼠牙盤與右鼠牙盤嚙合定位，完

成刀架定位動作。

(4)刀架夾緊刀架定位完成后，電動機制動器制動，維持電動機軸上的反轉(zhuǎn)力矩，以保證鼠牙盤之間有一定的夾緊力。同時軸右端的端部壓下微動開關，發(fā)出轉(zhuǎn)動結(jié)束信號，電動機斷電，換刀動作結(jié)束。

該刀架可以安裝四把不同的刀具，轉(zhuǎn)位信號由加工程序指定。當換刀指令發(fā)出后，小型電機啟動正轉(zhuǎn)，通過平鍵套筒聯(lián)軸器使蝸桿軸轉(zhuǎn)動，從而帶動蝸輪轉(zhuǎn)動。刀架體內(nèi)的孔

加工有螺紋，與絲杠連接，蝸輪與絲杠為整體結(jié)構(gòu)。當蝸輪開始轉(zhuǎn)動時，由于加工在刀架底座和刀架體上的端面齒處在嚙合狀態(tài)，且蝸輪絲杠軸向固定，這時刀架體抬起。當?shù)都?/p>

體抬至一定距離后，端面齒脫開。轉(zhuǎn)位套用銷釘與蝸輪絲杠連接，隨蝸輪絲杠一同轉(zhuǎn)動，當端面齒完全脫開時，轉(zhuǎn)位套正好轉(zhuǎn)過160°(如A—A剖視圖所示)，球頭銷在彈簧力作用下進入轉(zhuǎn)位套的槽中，帶動刀架體轉(zhuǎn)位。

刀架體轉(zhuǎn)動時帶著電刷座轉(zhuǎn)動，當轉(zhuǎn)到程序指定的刀號時，定位銷在彈簧的作用下進入粗定位盤的槽中進行粗定位，同時電刷接觸導體使電機反轉(zhuǎn)，由于粗定位槽的限制，刀架體不能轉(zhuǎn)動，使其在該位置垂直落下，刀架體和刀架底座上的端面齒嚙合實現(xiàn)精確定位。電機繼續(xù)反轉(zhuǎn)，此時蝸輪停止轉(zhuǎn)動，蝸桿軸自身轉(zhuǎn)動，當兩端面齒增加到一定夾緊力時，電機停止轉(zhuǎn)動。

圖6．32數(shù)控車床電動刀架結(jié)構(gòu)圖6．32數(shù)控車床電動刀架結(jié)構(gòu)

譯碼裝置由發(fā)信體、電刷組成，電刷13負責發(fā)信，電刷14負責位置判斷。當?shù)都芏ㄎ怀霈F(xiàn)過位或不到位時，可松開螺母調(diào)好發(fā)信體與電刷14的相對位置。

這種刀架在經(jīng)濟型數(shù)控車床及臥式車床的數(shù)控化改造中得到了廣泛應用?；剞D(zhuǎn)刀架一般采用液壓缸驅(qū)動轉(zhuǎn)位和定位銷定位，也有采用電動機馬氏機構(gòu)轉(zhuǎn)位和鼠盤定位，以及其它轉(zhuǎn)位和定位機構(gòu)。

2.轉(zhuǎn)塔頭式換刀裝置

數(shù)控機床一般采用轉(zhuǎn)塔頭式換刀裝置，如數(shù)控車床的轉(zhuǎn)塔刀架、數(shù)控鉆鏜床的多軸轉(zhuǎn)塔頭等。在轉(zhuǎn)塔的各個主軸頭上，預先安裝有各工序所需要的旋轉(zhuǎn)刀具，當發(fā)出換刀指令

時，各主軸頭依次轉(zhuǎn)到加工位置，并接通主運動，使相應的主軸帶動刀具旋轉(zhuǎn)，而其它處于不同加工位置的主軸都與主運動脫開。轉(zhuǎn)塔頭式換刀方式的主要優(yōu)點在于省去了自動松

夾、卸刀、裝刀、夾緊以及刀具搬運等一系列復雜的操作，縮短了換刀時間，提高了換刀可靠性，它適用于工序較少，精度要求不高的數(shù)控機床。

圖6.33為臥式八軸轉(zhuǎn)塔頭。轉(zhuǎn)塔頭上徑向分布著8根結(jié)構(gòu)完全相同的主軸1，主軸的回轉(zhuǎn)運動由齒輪15輸入。當數(shù)控裝置發(fā)出換刀指令時，通過液壓撥叉(圖中未示出)將移動齒輪6與齒輪15脫離嚙合，同時在中心液壓缸13的上腔通壓力油。由于活塞桿和活塞口固定在底座上，因此中心液壓缸13帶有兩個止推軸承9和11，支承的轉(zhuǎn)塔刀架體10抬起，鼠齒盤7和8脫離嚙合。然后壓力油進入轉(zhuǎn)位液壓缸，推動活塞齒條，再經(jīng)過中間齒輪使大齒輪5與轉(zhuǎn)塔刀架體10一起回轉(zhuǎn)45o，將下一工序的主軸轉(zhuǎn)到工作位置。圖6.33臥式八軸轉(zhuǎn)塔頭

轉(zhuǎn)位結(jié)束后，壓力油進入中心液壓缸13的下腔使轉(zhuǎn)塔頭下降，鼠齒盤7和8重新嚙合，實現(xiàn)了精確的定位。在壓力油的作用下，轉(zhuǎn)塔頭被壓緊，轉(zhuǎn)位液壓缸退回原位。最后通過液壓撥叉撥動移動齒輪6，使它與新?lián)Q上的主軸齒輪15嚙合。

為了改善主軸結(jié)構(gòu)的裝配工藝性，整個主軸部件裝在套筒4內(nèi)，只要卸去螺釘17，就可以將整個部件抽出。主軸前軸承18采用錐孔雙列圓柱滾子軸承，調(diào)整時先卸下端蓋2，然后擰動螺母3，使內(nèi)環(huán)作軸向移動，以便消除軸承的徑向間隙。

為了便于卸出主軸錐孔內(nèi)的刀具，每根主軸都有操縱桿14，只要按壓操縱桿，就能通過斜面推動頂出刀具。

轉(zhuǎn)塔主軸頭的轉(zhuǎn)位、定位和壓緊方式與鼠齒盤式分度工作臺極為相似。但因為在轉(zhuǎn)塔上分布著許多回轉(zhuǎn)主軸部件，使結(jié)構(gòu)更為復雜。由于空間位置的限制，主軸部件的結(jié)構(gòu)不

可能設計得十分堅固，因而影響了主軸系統(tǒng)的剛度。為了保證主軸的剛度，主軸的數(shù)目必須加以限制，否則將會使尺寸大為增加。

3.車削中心用動力刀架

圖6.34(a)為意大利Baruffaldi公司生產(chǎn)的適用于全功能數(shù)控車床及車削中心的動力轉(zhuǎn)塔刀架。刀盤上既可以安裝各種非動力輔助刀夾(車刀夾、鏜刀夾、彈簧夾頭、莫氏刀

柄)夾持刀具進行加工，還可安裝動力刀夾進行主動切削，配合主機完成車、銑、鉆、鏜等各種復雜工序，實現(xiàn)加工程序自動化、高效化。

圖6.34(b)為該轉(zhuǎn)塔刀架的傳動示意圖。刀架采用端齒盤作為分度定位元件，刀架轉(zhuǎn)位由三相異步電機驅(qū)動，電機內(nèi)部帶有制動機構(gòu)，刀位由二進制絕對編碼器識別，并可雙

向轉(zhuǎn)位和任意刀位就近選刀。動力刀具由交流伺服電機驅(qū)動，通過同步齒形帶、傳動軸、傳動齒輪、端面齒離合器將動力傳遞到動力刀夾，再通過刀夾內(nèi)部的齒輪傳動，刀具回轉(zhuǎn)，

實現(xiàn)主動切削。

6.4.2帶刀庫的自動換刀系統(tǒng)

回轉(zhuǎn)刀架、轉(zhuǎn)塔頭式換刀裝置容納的刀具數(shù)量不能太多，滿足不了復雜零件的加工需

1)刀庫的類型

刀庫的形式和容量主要是為滿足機床的工藝范圍。常見的刀庫類型有:

(1)盤式刀庫。圖6.35(a)、(b)所示為兩類常用的盤式刀庫，其刀具的方向與主軸平行或垂直。盤式結(jié)構(gòu)中，刀具可以沿主軸軸向、徑向、斜向安放，刀具軸向安裝的結(jié)構(gòu)最為緊湊，但為了換刀時刀具與主軸同向，有的刀庫中的刀具需在換刀位置作90°翻轉(zhuǎn)。目前大量的刀庫安裝在機床立柱的頂面或側(cè)面，如圖6.35(c)所示。在刀庫容量較大時，也有安裝在單獨的地基上，以隔離刀庫轉(zhuǎn)動造成的振動。圖6.35盤式刀庫

(2)鏈式刀庫。鏈式刀庫是目前用得最多的一種形式，由一個主動鏈輪帶動裝有刀套的鏈條轉(zhuǎn)動(移動)。圖6.36所示為鏈式刀庫的基本結(jié)構(gòu)。鏈式刀庫結(jié)構(gòu)緊湊，結(jié)構(gòu)也比較靈活，刀庫容量較大，鏈條的形狀可根據(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。當需要增加刀具數(shù)量時，可以采用加長鏈帶式方式加大刀庫的容量，也可采用鏈帶折疊回繞的方式提高空間利用率，在要求刀具容量很大時還可以采用多條鏈帶結(jié)構(gòu)。圖6.36各種鏈式刀庫

此外，還有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(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)。

2)刀庫的容量

刀庫的容量并不是越多越好，太多反而會增加刀庫的尺寸和占地面積，使選刀時間增長。決定刀庫容量時，應根據(jù)廣泛的工業(yè)統(tǒng)計，依照該機床大多數(shù)工件加工時需要的刀具

數(shù)來確定刀庫容量。據(jù)資料分析，對于鉆削加工用10把刀具就能完成大約80%的工件加工，用20把刀具就可以完成90%的工件加工;對于銑削加工，只需4把銑刀就可完成

90%的銑削工藝;對于車削加工，只需10把刀具即可完成90%的工藝加工。

若是從完成被加工工件的全部工序考慮進行統(tǒng)計，得到的結(jié)果是大部分(超過80%)的工件完成全部加工只需40把左右的刀具就足夠了。因此從使用角度出發(fā)，刀庫的容量一般為10~40把，盲目地加大刀庫容量，會使刀庫的利用率降低，結(jié)構(gòu)過于復雜，造成很大的浪費。

3)刀庫的選刀方式

常用的刀具選擇方法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，操作繁瑣，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。

在機床自動換刀裝置中，刀庫的回轉(zhuǎn)是由直流伺服電機經(jīng)蝸桿副驅(qū)動的。機械手的回轉(zhuǎn)、取刀、裝刀機構(gòu)均由液壓系統(tǒng)驅(qū)動。該自動換刀裝置結(jié)構(gòu)簡單、換刀可靠，由于它安裝在立柱上，故不影響主軸箱移動精度;隨機換刀，采用記憶式的任選換刀方式，每次選刀運動，刀庫正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)的角度均不超過180°

2.加工中心的自動換刀裝置

加工中心的自動換刀裝置可分為五種基本形式，即轉(zhuǎn)塔式、180°回轉(zhuǎn)式、回轉(zhuǎn)插入式、二軸轉(zhuǎn)動式和主軸直接式。自動換刀的刀具可靠固緊在專用刀夾內(nèi)，每次換刀時將刀夾直接裝入主軸。

1)轉(zhuǎn)塔式換刀裝置

采用轉(zhuǎn)塔實現(xiàn)換刀是最早的自動換刀方式。如圖6.37(a)所示，轉(zhuǎn)塔是由若干與機床動力頭(主軸箱)相連接的主軸組成的。在運行程序之前將刀具分別裝入主軸，需要哪把刀具時，轉(zhuǎn)塔就轉(zhuǎn)到相應的位置。圖6.37(b)為轉(zhuǎn)塔式換刀在立式鏜銑機床上的應用。圖6.37轉(zhuǎn)塔式換刀裝置

這種換刀裝置的缺點是主軸的數(shù)量受到限制。要使用數(shù)量多于主軸數(shù)的刀具時，操作者必須卸下已用過的刀具，并裝上后續(xù)程序所需要的刀具。轉(zhuǎn)塔式換刀并不是拆卸刀具，

而是將刀具和刀夾一起換下，所以這種換刀方式很快。目前NC鉆床等還在使用轉(zhuǎn)塔式刀庫。

2)180°回轉(zhuǎn)式換刀裝置

180°回轉(zhuǎn)式換刀裝置是最簡單的換刀裝置，如圖6.38所示。接到換刀指令后，機床控制系統(tǒng)便將主軸轉(zhuǎn)到指定換刀位置;與此同時，刀具庫運動到適當位置，換刀裝置回轉(zhuǎn)并同時與主軸、刀具庫的刀具相配合;然后拉桿從主軸刀具上卸掉，換刀裝置將刀具從各自的位置上取下加轉(zhuǎn)180°并將主軸刀具與刀具庫中的刀具帶走;換刀裝置回轉(zhuǎn)的同時，刀具庫重新調(diào)整其位置，以接受從主軸取下的刀具;接下來，換刀裝置將要換上的刀具與卸下的刀具分別裝入主軸和刀具庫;最后，換刀裝置轉(zhuǎn)回原“待命”位置。

至此，換刀完成，程序繼續(xù)運行。這種換刀裝置的主要優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單、涉及的運動少、換刀快;主要缺點是刀具必須存放在與主軸平行的平面內(nèi)，與側(cè)置后置刀具庫相比，切屑及切削液易進入刀夾，因此必須對刀具另加防護。刀夾錐面上有切屑，換刀裝置回轉(zhuǎn)容易造成換刀誤差，甚至有損壞刀夾與主軸的可能。因此有些加工中心使用了傳遞桿，并將刀具庫側(cè)置，當換刀指令被調(diào)用時，傳遞桿將刀具庫的刀具取下，轉(zhuǎn)到機床前方，并定位于與換刀裝置配合的位置。180°回轉(zhuǎn)式換刀裝置既可用于臥式機床，也可用于立式機床。

圖6.38180°回轉(zhuǎn)式換刀裝置

3)回轉(zhuǎn)插入式換刀裝置

回轉(zhuǎn)插入式換刀裝置(最常用的形式之一)是回轉(zhuǎn)式換刀裝置的改進形式。回轉(zhuǎn)插入機構(gòu)是換刀裝置與傳遞桿的組合。圖6.39為回轉(zhuǎn)插入式換刀裝置的工作原理圖?；剞D(zhuǎn)插入式換刀裝置主要應用在臥式加工中心上。這種換刀裝置的結(jié)構(gòu)設計與180°回轉(zhuǎn)式換刀裝置基本相同，當接到換刀指令時，主軸移至換刀點，刀具庫轉(zhuǎn)到適當位置，使換刀裝置從其槽內(nèi)取出欲換上的刀具;然后換刀裝置轉(zhuǎn)動并從位于機床一側(cè)的刀具庫中取出刀具，換刀裝置回轉(zhuǎn)至機床的前方，在該位置將主軸上的刀具取下，再回轉(zhuǎn)180°將欲換上的刀具裝入主軸;與此同時，刀具庫移至適當位置以接受從主軸取下的刀具，而換刀裝置轉(zhuǎn)到機床的一側(cè)，并將從主軸取下的刀具放入刀具庫的槽內(nèi)。

這種換刀裝置的主要優(yōu)點是刀具存放在機床的一側(cè)，避免了切屑造成主軸或刀夾損壞的可能性。與180°回轉(zhuǎn)式換刀裝置相比，該換刀裝置的缺點是換刀過程中的動作多，換刀所用的時間長。

3.JCS018A加工中心自動換刀系統(tǒng)

1)JCS018A刀庫結(jié)構(gòu)

圖6.40所示為JCS018A刀庫的結(jié)構(gòu)簡圖。如圖6.40(a)所示，當數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出換刀指令后，直流伺服電機1接通，其運動經(jīng)過十字聯(lián)軸器2、蝸輪3、蝸桿4傳到圖6.40(b)所示的刀盤14，刀盤帶動其上面的16個刀套13轉(zhuǎn)動，完成選刀工作。每個刀套尾部有一個滾子11，當待換刀具轉(zhuǎn)到換刀位置時，滾子11進入撥叉7的槽內(nèi)。

同時氣缸5的下腔通壓縮空氣，如圖6.40(a)所示，活塞桿6帶動撥叉7上升，放開位置開關9，用以斷開相關的電路，防止刀庫、主軸等有誤動作。如圖6.40(b)所示，撥叉7在上升的過程中，帶動刀套繞著銷軸12逆時針向下翻轉(zhuǎn)90°，從而使刀具軸線與主軸軸線平行。

圖6.40JCS018A刀庫的結(jié)構(gòu)簡圖

刀套下轉(zhuǎn)90°后，撥叉7上升到終點，壓住定位開關10，發(fā)出信號使機械手抓刀。通過圖6.40(a)中的螺桿8，可以調(diào)整撥叉的行程。撥叉的行程決定了刀具軸線相對于主軸軸線的位置。

JCS018A刀套的結(jié)構(gòu)如圖6.41所示，F(xiàn)—F剖視圖中的滾子7即為圖6.40(b)中的滾子11，E—E剖視圖中的銷軸6即為圖6.40(b)圖中的銷軸12。刀套4的錐孔尾部有兩個球頭螺釘3。在螺紋套2與球頭銷之間裝有彈簧1，當?shù)毒卟迦氲短缀?，由于彈簧力的作用，使刀柄被夾緊。擰動螺紋套，可以調(diào)整夾緊力的大小，當?shù)短自诘稁熘刑幱谒轿恢脮r，靠刀套上部的滾子5來支承。圖6.41JCS018A刀套結(jié)構(gòu)圖

2)自動換刀過程

圖6.42所示為自動換刀過程示意圖。上一工序加工完畢，主軸處于“準?！蔽恢?，由自動換刀裝置換刀，其過程如下:

(1)刀套下轉(zhuǎn)90°。機床的刀庫位于立柱左側(cè)，刀具在刀庫中的安裝方向與主軸垂直。換刀之前，刀庫2轉(zhuǎn)動將待換刀具5送到換刀位置，之后把帶有刀具5的刀套4向下翻轉(zhuǎn)90°，使得刀具軸線與主軸軸線平行(如圖6.42中虛線所示)。

(2)機械手轉(zhuǎn)75°。如K向視圖所示，在機床切削加工時，機械手1的手臂中心線與主軸中心到換刀位置的刀具中心的連線成75°，該位置為機械手的原始位置。機械手換刀的第一個動作是順時針轉(zhuǎn)75°，兩手爪分別抓住刀庫2和主軸3上的刀柄。

(3)刀具松開。機械手抓住主軸刀具的刀柄后，刀具的自動夾緊機構(gòu)松開刀具。

(4)機械手拔刀。機械手下降，同時拔出兩把刀具。

(5)交換兩刀具位置。機械手帶著兩把刀具逆時針轉(zhuǎn)180°(從K向觀察)，使主軸刀具與刀庫刀具交換位置。

圖6.42自動換刀過程示意圖

(6)機械手插刀。機械手上升，分別把刀具插入主軸錐孔和刀套中。

(7)刀具夾緊。刀具插入主軸錐孔后，刀具的自動夾緊機構(gòu)夾緊刀具。

(8)液壓缸復位。驅(qū)動機械手逆時針轉(zhuǎn)180°的液壓缸復位，機械手無動作。

(9)機械手逆轉(zhuǎn)75°。機械手逆轉(zhuǎn)75°，回到原始位置。

(10)刀套上轉(zhuǎn)90°。刀套帶著刀具向上翻轉(zhuǎn)90°，為下一次選刀做準備。

6.5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稱為刀具交換裝置。刀具的交換方式通常分為由刀庫與機床主軸的相對運動實現(xiàn)刀具交換和采用機械手交換刀具兩類。刀具的交換方式和它們的具體結(jié)構(gòu)對機床生產(chǎn)率和工作可靠性有著直接的影響。

1.利用刀庫與機床主軸的相對運動實現(xiàn)換刀

利