机床数控技术及应用-数控机床的机械结构

数控机床的机械结构置6.1概述6.2数控机床的主传动系统6.3进给传动机构6.4数控机床的自动换刀系统6.5刀具交换装置6.6数控机床的其它装置习题与思考题

6.1概述

数控机床与普通机床一样，都是一种切削加工设备。早期人们通常认为只要在设计优良的普通机床上装备数控装置就能成为一台数控机床。因此，当时数控机床的机械结构大都是在普通机床的基础上通过对其局部结构进行改进而成。但是，随着数控技术的快速发展，普通机床的一些弱点(如结构刚性不足、抗振性差、滑动面的摩擦阻力较大及传动元件中的间隙等)就越来越明显地暴露出来，不能满足现代制造业在生产效率、加工精度和安全环保等方面越来越高的要求。

特别是近年来，随着电离轴、直线电动机等新技术、新产

品在数控机床上的推广应用，数控机床的机械结构正在发生重大的变化。虚拟轴机床的出现和实用化，使传统的机床结构面临着更严峻的挑战。现代数控机床的机械结构已经从早

期对普通机床的局部改进，逐步发展形成了自己独特的结构。

数控机床是高精度和高生产率的自动化机床，其加工过程中的动作顺序、运动部件的坐标位置及辅助功能，都是通过数字信息自动控制的，操作者在加工过程中无需人工干

预，不需像在普通机床上加工零件那样，对机床本身的结构和装配的薄弱环节进行人为补偿，所以数控机床在很多方面的设计要求均比普通机床更为完善，制造也要求更为精密。

在这一结构的完善过程中，数控机床出现了不少新颖的结构及元件。与普通机床相比，数控机床机械结构在主传动系统和进给传动系统方面有许多特点。

1.主传动系统方面

在主传动系统方面，数控机床的机械结构具有下列特点:

(1)目前数控机床的主传动电机已不再采用普通的交流异步电机或传统的直流调速电机，它们已逐步被新型的交流调速电机和直流调速电机所代替。

(2)转速高，功率大。数控机床可进行大功率切削和高速切削，实现高效率加工。

(3)变速范围大。数控机床的主传动系统要求有较大的调速范围，一般Rn>100，以保证加工时能选用合理的切削用量，从而获得最佳的生产率、加工精度和表面质量。

(4)主轴速度的变换迅速可靠。数控机床的变速是按照控制指令自动进行的，因此变速机构必须适应自动操作的要求。由于直流和交流主轴电机的调速系统日趋完善，不仅能

够方便地实现宽范围的无级变速，而且减少了中间传递环节，提高了变速控制的可靠性。

2.进给传动系统方面

在进给传动系统方面，数控机床的机械结构具有下列特点:

(1)尽量采用低摩擦的传动副，如采用静压导轨、滚动导滚和滚珠丝杠等，以减小摩擦力。

(2)选用最佳的降速比，以提高机床分辨率，使工作台尽可能大地加速以达到跟踪指令、系统折算到驱动轴上的惯量尽量小的要求。

(3)缩短传动链以及用预紧的方法提高传动系统的刚度，如采用大扭矩宽调速的直流电机与丝杠直接相连应用预加负载的滚动导轨和滚动丝杠副，丝杠支承设计成两端轴向固

定的并可预拉伸的结构等办法来提高传动系统的刚度。

(4)尽量消除传动间隙，减小反向死区误差，如采用消除间隙的联轴节(如用加锥销固定的联轴套、用键加顶丝紧固的联轴套以及用无扭转间隙的挠性联轴器等)、有消除间隙措施的传动副等。

6.2数控机床的主传动系统

6.2.1对主传动系统的要求对数控机床主传动系统的要求如下:

(1)具有更大的调速范围，并能实现无级调速。数控机床为了保证加工时能选用合理的切削用量，从而获得最高的生产率、加工精度和表面质量，必须具有更大的调速范围。对于自动换刀的数控机床，为了适应各种工序和各种加工材料的需要，主运动的调速范围还应进一步扩大。

(2)有较高的精度和刚度，传动平稳，噪声低。数控机床加工精度的提高，与主传动系统具有较高的精度密切相关。为此，要提高传动件的制造精度与刚度，齿轮齿面应高频感

应加热淬火以增加耐磨性;最后一级采用斜齿轮传动，使传动平稳;采用精度高的轴承及合理的支承跨距等，以提高主轴组件的刚性。

(3)良好的抗振性和热稳定性。数控机床在加工时，可能由于断续切削、加工余量不均匀、运动部件不平衡以及切削过程中的自振等原因引起冲击力或交变力的干扰，使主轴

产生振动，影响加工精度和表面粗糙度，严重时可能破坏刀具或主传动系统中的零件，使其无法工作。主传动系统的发热使其中所有零部件产生热变形，使传动效率降低，破坏了

零部件之间的相对位置精度和运动精度，造成加工误差。为此，主轴组件要有较高的固有频率，实现动平衡，保持合适的配合间隙并进行循环润滑等。

6.2.2主传动系统的变速方式

数控机床一般采用直流或交流主轴伺服电机实现主轴无级变速。

交流主轴电机及交流变频驱动装置(笼型感应交流电机配置矢量变换变频调速系统)由于没有电刷，不产生火花，所以使用寿命长，且性能已达到直流驱动系统的水平，甚至在噪声方面还有所降低，因此，目前应用较为广泛。

1.齿轮变速传动

如图6.1(a)所示，齿轮变速是大、中型数控机床较常采用的配置方式，通过少数几对齿轮传动，扩大了变速范围，可确保低速时的扭矩，以满足主轴输出扭矩特性的要求。滑移齿轮的移位大多采用液压拨叉或直接由液压缸带动齿轮来实现。

2.带传动

如图6.1(b)所示，带传动主要用在转速较高、变速范围不大的小型数控机床上。电机本身的调整就能够满足要求，不用齿轮变速，可以避免由齿轮传动所引起的振动和噪声。

它适用于高速低转矩特性的主轴，常用的有多楔带和同步齿形带。图6.1数控机床主传动的四种配置方式

数控机床上应用的多楔带又称为复合三角带，横向断面呈多个楔形，如图6.2(a)所示，楔角为40°。传递负载主要靠强力层。强力层中有多根钢丝绳或涤纶绳，具有较小的伸长率，较大的抗拉强度和抗弯疲劳强度。多楔带综合了V带和平带的优点，运转时振动小、发热少、运转平稳、重量小，因此可在40m/s的线速度下使用。此外，多楔带与带轮的接触好，负载分布均匀，即使瞬时超载，也不会产生打滑，而传动功率比V带大20%~30%，因此能够满足主传动高速、大转矩和不打滑的要求。多楔带安装时需较大的张紧力，使得主轴和电机承受较大的径向负载，这是多楔带的一大缺点。图6.2多楔带和同步齿形带结构型式

同步齿形带传动是一种综合了带传动和链传动优点的新型传动方式。同步齿形带的带型有梯形齿和圆弧齿，如图6.

2(b)所示。同步齿形带的结构和传动如图6.3所示。带的工作面及带轮外圆均制成齿形，通过带轮与轮齿相嵌合，进行无滑动的啮合传动。带内采用了加载后无弹性伸长的材料做强力层，以保持带的节距不变，可使主、从动带轮进行无相对滑动的同步传动。与一般带传动相比，同步齿形带传动具有如下优点:图6.3同步齿形带的结构和传动

(1)传动效率高，可达98%以上。

(2)无滑动，传动比准确。

(3)传动平稳，噪声小。

(4)使用范围较广，速度可达50m/s，速比可达10左右，传递功率由几瓦至数千瓦。

(5)维修保养方便，不需要润滑。

(6)安装时中心距要求严格，带与带轮制造工艺较复杂，成本高。

同步带传动早在1900年已有人研究并多次提出专利，但其实用化却是在二次世界大战以后。由于同步带是一种兼有链、齿轮、三角胶带优点的传动零件，随着二次大战后工

业的发展而得到重视，于1940年由美国尤尼罗尔(Unirayal)橡胶公司首先加以开发。1946年辛加公司把同步带用于缝纫机针和缠线管的同步传动上，取得显著效益，并被逐渐引用到其他机械传动上。同步带传动的开发和应用，至今仅七十余年，但在各方面已取得迅速进展。常见的同步带结构如图6.4所示。图6.4常见同步带结构

3.两个电机分别驱动主轴传动

采用两个电机分别驱动主轴是上述两种方式的混合传动，具有上述两种传动的性能，如图6.1(c)所示。高速运转时，由一个电机通过带传动;低速运转时，由另一个电机通过齿轮传动，齿轮起到降速和扩大变速范围的作用，这样就使恒功率区增大，扩大了变速范围，避免了低速运转时转矩不够且电机功率不能充分利用的问题。但两个电机不能同时工作，也是一种浪费。

4.调速电机直接驱动主轴传动

调速电机直接驱动主轴传动是由电动机直接驱动主轴，即电动机的转子直接装在主轴上，因而大大简化了主轴箱体与主轴的结构，有效地提高了主轴部件的刚度，但主轴输出扭矩小，电机发热对主轴的精度影响较大，如图6.1(d)所示。

5.电主轴传动

电主轴是“高频主轴”(HighFrequencySpindle)的简称，有时也称做“直接传动主轴”(DirectDriveSpindle)，是内装式电机主轴单元。它把机床主传动链的长度缩短为零，实现

了机床的“零传动”，具有结构紧凑、机械效率高、回转速度高、回转精度高、噪声低、振动小等优点，因而在现代数控机床中获得了愈来愈广泛的应用。在国外，电主轴已成为一种机电一体化的高科技产品，由一些技术水平很高的专业工厂生产，如瑞士的FISCHER公司、德国的GMN公司、美国的PRECISE公司、意大利的GAMFIOR公司、日本的NSK公司等。

1)电主轴的结构

如图6.5(a)所示，电主轴由无外壳电机、主轴、轴承、主轴单元壳体、主轴驱动模块和主轴冷却装置等组成。电机的转子采用压配方法与主轴做成一体，主轴则由前后轴承支

承。电机的定子通过冷却套安装于主轴单元的壳体中。主轴的变速由主轴驱动模块控制，而主轴单元内的温升由主轴冷却装置限制。为了实现自动换刀以及刚性攻丝，电主轴内置

一脉冲编码器，以实现准确的相位控制以及与进给的配合。前端的内锥孔和端面用于安装刀具。图6.5(b)所示为某高频电主轴的内部结构，图6.5(c)所示为瑞士IBAG公司生产的电主轴，其内装电机主轴最大转速可达140000r/min。图6.5电主轴驱动系统及结构

2)电主轴的轴承

轴承是决定主轴寿命和承载能力的关键部件，其性能对电主轴的使用功能极为重要。目前电主轴采用的轴承主要有陶瓷球轴承、流体静压轴承和磁悬浮轴承。陶瓷球轴承是应

用广泛且经济的轴承，它的陶瓷滚珠质量轻、硬度高，可大幅度减小轴承离心力和内部载荷，减少磨损，从而提高轴承寿命。德国GMN公司和瑞士STEPTEC公司用于加工中

心和铣床的电主轴全部采用了陶瓷球轴承。

流体静压轴承为非直接接触式轴承，具有磨损小、寿命长、回转精度高、振动小等优点，用于电主轴上，可延长刀具寿命，提高加工质量和加工效率。美国Ingersoll公司在其生产的电主轴单元中主要采用其拥有专利技术的流体静压轴承。

磁悬浮轴承依靠多对在圆周上互为180°的磁极产生径向吸力(或斥力)而将主轴悬浮在空气中，使轴颈与轴承不接触，径向间隙为1mm左右。当承受载荷后，主轴空间位置会产生微小变化，控制装置根据位置传感器检测出的主轴位置变化值改变相应磁极的吸力(或斥力)值，使主轴迅速恢复到原来的位置，从而保证主轴始终绕其惯性轴作高速回转，因此它的高速性能好、精度高，但由于价格昂贵，至今没有得到广泛应用。

3)电主轴的冷却

由于电主轴将电机集成于主轴单元中，且其转速很高，运转时会产生大量热量，引起电主轴温升，使电主轴的热态特性和动态特性变差，从而影响电主轴的正常工作。因此必

须采取一定措施控制电主轴的温度，使其保持恒定在一定范围内。目前一般采取强制循环油冷却的方式对电主轴的定子及主轴轴承进行冷却，即将经过油冷却装置的冷却油强制性

地在主轴定子外和主轴轴承外循环，带走主轴高速旋转产生的热量。另外，为了减少主轴轴承的发热，还必须对主轴轴承进行合理的润滑。如对于陶瓷球轴承，可采用油雾润滑或

油气润滑的方式。

4)电主轴的驱动

目前，电主轴的电动机均采用交流异步感应电动机，由于是用在高速加工机床上，启动时要从静止迅速升速至每分钟数万转乃至数十万转，启动转矩大，因而启动电流要超出普通电机的额定电流5~7倍。其驱动方式有变频器驱动和矢量控制驱动器驱动两种。变频器的驱动控制特性为恒转矩驱动，输出功率与转矩成正比。最新的变频器采用先进的晶体管技术(如瑞士ABB公司生产的SAMIGS系列变频器)，可实现主轴的无级变速。矢量控制驱动器的驱动控制为:在低速端为恒转矩驱动;在中、高速端为恒功率驱动。

5)电主轴的基本参数

电主轴的基本参数包括:套筒直径、最高转速、输出功率、转矩和刀具接口等，其中套筒直径为电主轴的主要参数。表6.1列出了德国GMN公司用于加工中心和铣床的电主轴

的型号和基本参数。

6.2.3齿轮传动系统的总传动比及其分配

数控机床主传动系统采用齿轮传动系统，主要是由于其整体的动力学特性，从而获得高精度、高稳定性、高速性、高可靠性和低噪声的齿轮传动系统。

1.最佳总传动比

首先把传动系统中的工作负载、惯性负载和摩擦负载综合为系统的总负载，方法有以下两种：

(1)峰值综合：若各种负载为非随机性负载，将各负载的峰值取代数和。

(2)均方根综合：若各种负载为随机性负载，取各负载的均方根。

负载综合时，要转化到电机轴上，成为等效峰值综合负载转矩或等效均方根综合负载转矩。使等效负载转矩最小或负载加速度最大的总传动比，即为最佳总传动比。

2.总传动比分配

齿轮系统的总传动比确定后，要根据对传动链的技术要求，选择传动方案，使驱动部件和负载之间的转矩、转速达到合理匹配。若总传动比较大，又不准备采用谐波、少齿差

等传动，则需要确定传动级数，并在各级之间分配传动比。单级传动比增大使传动系统简化，但大齿轮的尺寸增大会使整个传动系统的轮廓尺寸变大。可按下述三种原则适当分级，并在各级之间分配传动比。

1)最小等效转动惯量原则

利用该原则所设计的齿轮传动系统，换算到电机轴上的等效转动惯量最小。图6.6二级减速传动

设有一小功率电机驱动的二级齿轮减速系统，如图6.

6所示。设其总传动比为i=i1i2

。先假设各主动小齿轮具有相同的转动惯量，各齿轮均近似看成实心圆柱体，齿宽B、比重γ均相同，其转动惯量为如不计轴和轴承的转动惯量，则根据系统动能不变的原则，等效到电机轴上的等效转动惯量为

2)重量最轻原则

对于小功率传动系统，使各级传动比i1=i2=i3=…=

，即可使传动装置的重量最轻。由于这个结论是在假定各主动小齿轮模数、齿数均相同的条件下导出的，因此所有大齿轮的齿数、模数也相同，每级齿轮副的中心距离也相同。上述结论对于大功率传动系统是不适用的，因其传递扭矩大，故要考虑齿轮模数、齿轮齿宽等参数要逐级增加的情况，此时应根据经验、类比方法以及结构紧凑的要求进行综合考虑。各级传动比一般应以“先大后小”原则处理。

3)输出轴转角误差最小原则

为了提高机电一体化系统中齿轮传动系统传递运动的精度，各级传动比应按“先小后大”的原则分配，以便降低齿轮的加工误差、安装误差以及回转误差对输出转角精度的影

响。设齿轮传动系统中各级齿轮的转角误差换算到末级输出轴上的总转角误差为Δϕmax，则

式中：Δφk———第k个齿轮所具有的转角误差;

ikn———第k个齿轮的转轴至第n级输出轴的传动比。

比如对于一个四级齿轮传动系统，设各齿轮的传动误差分别为Δφ1、Δφ2、…、Δφ8，则换算到末级输出轴上的总转角误差为

上述计算对于小功率传动比较符合实际，而对于大功率传动，由于转矩较大，需要按其它法则进行计算。

综上所述，设计定轴齿轮传动系统，在确定总传动比、传动级数和分配传动比时，要根据系统的工作条件和功能要求，在考虑上述三个原则的同时，考虑其可行性和经济性，

合理分配传动比。

6.2.4主轴部件

主轴部件是机床的一个关键部件，它包括主轴的支承、安装在主轴上的传动零件等。主轴部件质量的好坏直接影响加工质量。

1.主轴端部的结构形状

主轴端部用于安装刀具或夹持工件的夹具，在设计要求上，应能保证定位准确、安装可靠、联结牢固、装卸方便，并能传递足够的转矩。主轴端部的结构形状都已标准化，如图6.7所示为数控机床(或普通机床)通用的几种主轴端部的结构形式。

图6.7(a)所示为车床主轴端部，卡盘靠前端的短圆锥面和凸缘端面定位，用拨销传递转矩。卡盘装有固定螺栓，当卡盘装于主轴端部时，螺栓从凸缘上的孔中穿过，转动快卸卡板将数个螺栓同时拴住，再拧紧螺母将卡盘固定在主轴端部。主轴为空心，前端有莫氏锥度孔，用以安装顶尖或心轴。

图6.7(b)所示为铣、镗类机床的主轴端部，铣刀或刀杆在前端7∶24的锥孔内定位，并用拉杆从主轴后端拉紧，而且由前端的端面键传递转矩。

图6.7(c)所示为外圆磨床砂轮主轴的端部。图6.7(d)所示为内圆磨床砂轮主轴端部。图6.7(e)所示为钻床与普通镗杆端部，刀杆或刀具由莫氏锥孔定位，用锥孔后端第1个扁孔传递转矩，第2个扁孔用以拆卸刀具。但在数控镗床上要使用如图6.7(b)所示的形式，图中7∶24的锥孔没有自锁作用，便于自动换刀时拔出刀具。图6.7主轴端部的结构形式

2.主轴部件的支承

机床主轴带着刀具或夹具在支承中进行回转运动，应能传递切削转矩承受切削抗力，并保证必要的旋转精度。机床主轴多采用滚动轴承作为支承，对于精度要求高的主轴则采

用动压或静压滑动轴承作为支承。

1)主轴滚动轴承的配置

在实际应用中，数控机床主轴轴承常见的配置有3种形式，如图6.8所示。图6.8数控机床主轴轴承配置形式

图6.8(a)所示的配置形式能使主轴获得较大的径向和轴向刚度，可以满足机床强力切削的要求，普遍应用于各类数控机床的主轴，如数控车床、数控铣床的主轴。

图6.8(b)所示的配置没有图6.8(a)所示的主轴刚度大，但这种配置提高了主轴的转速，适合主轴要求在较高转速下工作的数控机床。目前，这种配置形式在立式、卧式加工中心机床上得到广泛应用，满足了这类机床转速范围大、最高转速高的要求。为提高这种形式配置的主轴刚度，前支承可以用4个或更多个的轴承相组配，后支承用两个轴承相组配。

图6.8(c)所示的配置形式能使主轴承受较重载荷(尤其是承受较强的动载荷)，径向和轴向刚度高，安装和调整性好。但这种配置相对限制了主轴最高转速和精度，适用于中等精度、低速与重载的数控机床主轴。

为提高主轴组件刚度，数控机床还常采用三支承主轴组件。尤其是前后轴承间跨距较大的数控机床，采用辅助支承可以有效地减少主轴弯曲变形。在三支承主轴结构中，一个

支承为辅助支承，辅助支承可以选为中间支承，也可以选为后支承。辅助支承在径向要保留必要的游隙，以避免由于主轴安装轴承处轴径和箱体安装轴承处孔的制造误差(主要是同轴度误差)造成的干涉。辅助支承常采用深沟球轴承。

2)主轴滚动轴承的预紧

所谓轴承预紧，就是使轴承滚道预先承受一定的载荷，这不仅能消除间隙而且还使滚动体与滚道之间发生一定的变形，从而使接触面积增大，轴承受力时变形减小，抵抗变形

的能力增大。因此，对主轴滚动轴承进行预紧和合理选择预紧量，可以提高主轴部件的旋转精度、刚度和抗振性。机床主轴部件在装配时要对轴承进行预紧，使用一段时间以后，

间隙或过盈有了变化，还需要重新调整，所以要求预紧结构便于进行调整。滚动轴承间隙的调整或预紧，通常是使轴承内、外圈相对轴向移动来实现的。常用的方法有以下几种:

(1)轴承内圈移动。如图6.9所示，这种方法适用于锥孔双列圆柱滚子轴承。该方法采用螺母通过套筒推动内圈在锥形轴颈上进行轴向移动，使内圈变形胀大，在滚道上产生过盈，从而达到预紧的目的。图6.9(a)所示的结构较简单，但预紧量不易控制，常用于轻载机床主轴部件。图6.9(b)所示结构用右端螺母限制内圈的移动量，易于控制预紧量。图6.9(c)所示结构在主轴凸缘上均布数个螺钉以调整内圈的移动量，调整方便，但是用几个螺钉调整，易使垫圈歪斜。图6.9(d)所示结构将紧靠轴承右端的垫圈做成两个半环，可以径向取出，修磨其厚度可控制预紧量的大小，调整精度较高。调整螺母一般采用细牙螺纹，便于微量调整，而且在调好后要能锁紧防松。图6.9轴承内圈移动

(2)修磨座为外圈窄边相对(面对面)安装时，可采取修磨轴承外圈的窄边，如图6.10所示。在安装时按图示的相对关系装配，并用螺母或法兰盖将两个轴承轴向压拢，使两个修磨过的端面贴紧，这样在两个轴承的滚道之间产生预紧。另一种方法是将两个厚度不同的隔套放在两轴承内、外圈之间，同样将两个轴承轴向相对压紧，使滚道之间产生预紧，如图6.11(a)、(b)所示。图6.10修磨座圈图6.11隔套的应用

3.主轴的进给功能

在车削中心的主传动系统中，增加了主轴的进给功能。主轴的进给功能即主轴的C轴坐标功能，用以实现主轴定向停车和圆周进给，并在数控装置控制下实现C轴、Z轴插补和C轴、X轴插补。图6.12所示为主轴的C轴功能的示意图。图6.12主轴的C轴功能的示意图

4.主轴内部刀具自动夹紧机构

主轴内部刀具自动夹紧机构是数控机床特别是加工中心的特有机构。图6.13所示为加工中心ZHSK63主轴结构部件图，刀具可以在主轴上自动装卸并进行自动夹紧，其工

作原理如下:当刀具2装到主轴孔后，其刀柄后部的拉钉3便被送到主轴拉杆7的前端，在碟形弹簧9的作用下，通过弹性卡爪5将刀具拉紧。当需要换刀时，电气控制指令给液

压系统发出信号，使液压缸14的活塞左移，带动推杆13向左移动，推动固定在拉杆7上的轴套10，使整个拉杆7向左移动。

当弹性卡爪5向前伸出一段距离后，在弹性力作用下，卡爪5自动松开拉钉3，此时拉杆7继续向左移动，用喷气嘴6的端部把刀具顶松，机械手便可把刀具取出进行换刀。装刀之前，压缩空气从喷气嘴6中喷出，吹掉锥孔内脏物，当

机械手把刀具装入之后，压力油通入液压缸14的左腔，使推杆退回原处，在碟形弹簧的作用下，通过拉杆7又把刀具拉紧。冷却液喷嘴1用来在切削时对刀具进行大流量冷却。

图6.13ZHSK63加工中心主轴内部刀具夹紧机构

6.3进给传动机构

数控机床进给系统的机电部件主要有伺服电机、检测元件、联轴节、减速机构(齿轮副和带轮)、滚珠丝杠螺母副(或齿轮齿条副)、丝杠轴承、运动部件(工作台、主轴箱、滑座、横梁和立柱等)。由于滚珠丝杠、伺服电机及其控制单元性能的提高，很多数控机床的进给系统中已去掉减速机构而直接用伺服电机与滚珠丝杠连接，不仅整个系统结构简单，减少了产生误差的环节;同时，由于转动惯量减小，使伺服特性亦有改善。

在整个进给系统中，除了上述部件外，还有一个重要的部件就是导轨。虽然从表面上看导轨似乎与进给系统的联系不十分密切，实际上运动摩擦力及负载这两个参数在进给系统中占有重要地位，因此导轨的性能对进给系统的影响是不容忽视的。下面从机械传动的角度对数控机床伺服系统的主要传动装置进行简要介绍。

6.3.1对进给传动系统的要求

为确保数控机床进给系统的传动精度和工作平稳性等，数控机床进给传动系统必须满足如下要求:

(1)减小摩擦阻力;

(2)减小各运动零件的惯量;

(3)高的传动精度与定位精度;

(4)响应速度要快;

(5)使用维护方便。

6.3.2联轴器

在数控机床进给驱动系统中，伺服电机轴、传动轴和滚珠丝杠之间的传动连接只有确保无间隙，才能保证传动精度，准确执行脉冲指令，而不丢掉脉冲。在数控机床中伺服电

机与滚珠丝杠之间主要采用3种连接方式:直联式、齿轮减速式、同步带式。

图6.14所示为直联式连接，它是通过挠性联轴器把伺服电机和滚珠丝杠采用无键连接结构连接起来的。其连接原理为:联轴套3与轴之间用锥环7连接，锥环7分为内锥环和外锥环，是一对经相互配研接触良好的弹性锥形胀套。

当通过拧紧压圈2上的螺钉将锥环压紧时，内锥环的内孔缩小，外锥环的外圈胀大，产生了弹性变形，消除了配合间隙;并在被连接的轴与内锥环、内锥环与外锥环、外锥环与联轴器间的接合面上产生很大的接触压力，依靠这个接触压力所产生的摩擦力可以传递转矩。联轴套间采用柔性片5传递扭矩。柔性片5分别用螺钉和球面垫圈4、6与两边联轴套3连接，两端联轴套的位置误差(同轴度和垂直度误差)由柔性片的变形抵消。显然，锥环7是这种无键、无隙直联方式的关键元件。这种联轴器称为膜片弹性联轴器，在加工中心进给驱动系统中用得较多。这种挠性联轴器不仅可简化结构，减小噪声，而且对消除传动间隙，提高传动刚度有利。

图6.14电机与丝杠直联式连接

图6.15所示为齿轮减速式。这种连接方式主要用于因结构上的原因不能直联或因负载力矩大，需要放大伺服电机输出转矩的地方。这种连接方式应特别注意齿轮精度和啮合

间隙对传动精度的影响。关于齿轮啮合间隙的调整请参照下节内容。齿轮减速式连接在数控机床上应用较普遍，特别是经济型数控机床，基本上都是采用这种方式连接的。

同步带式连接与齿轮减速式连接的使用条件基本相同，但在成本和低噪声方面，同步带式明显优于齿轮减速式。在充分理解同步带特性的情况下，正确选用和调整，才会收到

良好的效果。图6.15步进电机与丝杠的齿轮减速连接方式

6.3.3消除间隙的齿轮传动结构

在数控设备的进给驱动系统中，考虑到惯量、转矩或脉冲当量的要求，有时要在电机到丝杠之间加入齿轮传动副，而齿轮传动副存在的间隙会使进给运动反向滞后于指令信

号，造成反向死区而影响其传动精度和系统的稳定性。因此，为了提高进给系统的传动精度，必须消除齿轮传动副的间隙。下面介绍几种实践中常用的齿轮间隙消除结构形式。

1.直齿圆柱齿轮传动副

直齿圆柱齿轮传动副有以下三种调整法。

(1)偏心套调整法。图6.16(a)所示为偏心套式消除间隙结构。电机1通过偏心套2安装到机床壳体上，通过转动偏心套2，就可以调整两齿轮的中心距，从而消除齿侧的间隙。图6.16直齿圆柱齿轮传动副消除间隙结构

(2)锥度齿轮调整法。图6.16(b)所示为以带有锥度的齿轮来消除间隙的结构。在加工齿轮1和2时，将假想的分度圆柱面改变成带有小锥度的圆锥面，使其齿厚在齿轮的轴向稍有变化。调整时，只要改变垫片3的厚度就能调整两个齿轮的轴向相对位置，从而消除齿侧间隙。

以上两种方法的特点是结构简单，能传递较大转矩，传动刚度较好，但齿侧间隙调整后不能自动补偿，又称为刚性调整法。

(3)双片齿轮错齿调整法。如图6.17所示，其中图(a)是双片齿轮周向可调弹簧错齿消隙结构。两个相同齿数的薄齿轮1和2与另一个宽齿轮啮合，两薄齿轮可相对回转。在

两个薄齿轮1和2的端面均匀分布着4个螺孔，分别装上凸耳3和7。齿轮1的端面还有另外4个通孔，凸耳8可以在其中穿过，弹簧4的两端分别钩在凸耳3和调节螺钉8上。通过螺母5调节弹簧4的拉力，调节完后用螺母6锁紧。弹簧的拉力使薄齿轮错位，即两个薄齿轮的左、右齿面分别贴在宽齿轮齿槽的左、右齿面上，从而消除了齿侧间隙。

图6.17(b)是另一种双片齿轮周向弹簧错齿消隙结构，两片薄齿轮1和2套装在一起，每片齿轮各开有两条周向通槽，在齿轮的端面上装有短柱3，用来安装弹簧4。装配时弹簧4具有足够的拉力，使两个薄齿轮的左、右面分别与宽齿轮的左、右面贴紧，以消除齿侧间隙。

图6.17双片齿轮错齿消隙结构

双片齿轮错齿法调整间隙，在齿轮传动时，由于正向和反向旋转分别只有一片齿轮承受转矩，因此承载能力受到限制，并且弹簧的拉力要足以克服最大转矩，否则起不到消隙

作用，这种方法称为柔性调整法，它适用于负荷不大的传动装置中。

这种结构装配好后，齿侧间隙自动消除(补偿)，可始终保持无间隙啮合，是一种常用的无间隙齿轮传动结构。

2.斜齿圆柱齿轮传动副

斜齿圆柱齿轮传动副有以下两种调整法。

(1)轴向垫片调整法。图6.18所示为斜齿轮垫片调整法，其原理与错齿调整法相同。薄片斜齿轮1和2的齿形拼装在一起加工，装配时在两薄片齿轮间装入已知厚度为t的垫片3，这样它的螺纹方向便错开了，使两薄片齿轮分别与宽齿轮4的左、右齿面贴紧，消除了间隙。垫片3的厚度t与齿侧间隙Δ的关系为

垫片厚度一般由测试法确定，往往要经几次修磨才能调整好。这种结构的齿轮承载能力较小，且不能自动补偿消除间隙。图6.18斜齿轮垫片调整法

(2)轴向压簧调整法。图6.19所示为斜齿轮轴向压簧错齿消隙结构。该结构消隙原理与轴向垫片调整法相似，所不同的是利用薄片斜齿轮2右面的弹簧压力使两个薄片斜齿轮的左、右齿轮面分别与宽齿轮的左、右齿面贴紧，以消除侧间隙。图6.19(a)所示采用的是压簧，图6.19(b)所示采用的是碟形弹簧。

弹簧3的压力可利用螺母5来调整，压力的大小要调整合适，因为压力过大会加快齿轮磨损，压力过小又达不到消隙作用。这种结构的齿轮间隙能自动消除，始终保持无间隙的啮合，但它只适于负载较小的场合，并且这种结构的轴向尺寸较大。图6.19斜齿轮轴向压簧错齿消隙结构

3.锥齿轮传动副

锥齿轮同圆柱齿轮一样，可用上述类似的方法来消除齿侧间隙。

6.3.4滚珠丝杠螺母副

滚珠丝杠螺母副是直线运动与回转运动能相互转换的新型传动装置。

1.滚珠丝杠螺母副的工作原理及特点

图6.20所示的滚珠丝杠螺母副(简称滚珠丝杠副)是一种在丝杠与螺母间装有滚珠为中间元件的丝杠副，其结构原理如图6.21所示。在丝杠1和螺母2上都有半圆弧形的螺旋槽，当它们套装在一起时便形成了滚珠的螺旋滚道。螺母上有滚珠回殊管4，将几圈螺旋滚道的两端连接起来，构成封闭的循环滚道，并在滚道内装满滚珠3。当丝杠旋转时，滚珠在滚道内既自转又沿滚道循环转动，因而迫使螺母(或丝杠)轴向移动。这种结构的特点是具有螺旋槽的丝杠螺母间装有滚珠作为中间传动件，以减少摩擦。

图6.21中丝杠和螺母上都磨有圆弧形的螺旋槽，这两个圆形的螺旋槽对合起来就形成螺旋线滚道，在滚道内装有滚珠。当丝杠回转时，滚珠相对于螺母上的滚道滚动，因此丝杠与螺母之间基本上为滚动摩擦。为了防止滚珠从螺母中滚出来，在螺母的螺旋槽两端设有回程引导装置，使滚珠能循环流动。

图6.20滚珠丝杠螺母副实体图图6.21滚珠丝杠螺母副结构

滚珠丝杠副的特点是:

(1)传动效率高，摩擦损失小。滚珠丝杠副的传动效率η=0.92~0.96，比常规的丝杠螺母副提高了3~4倍。因此，功率消耗只相当于常规的丝杠螺母副的1/4~1/3。

(2)给予适当预紧，可消除丝杠和螺母的螺纹间隙，反向时就可以消除空行程死区，因此滚珠丝杠副的定位精度高，刚度好。

(3)运动平稳，无爬行现象，传动精度高。

(4)运动具有可逆性，可以从旋转运动转换为直线运动，也可以从直线运动转换为旋转运动，即丝杠和螺母都可以作为主动件。

(5)磨损小，使用寿命长。

(6)制造工艺复杂。滚珠丝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)不能自锁。特别是对于垂直丝杠，由于自重惯力的作用，下降时当传动切断后，不能立刻停止运动，故常需添加制动装置。

2.滚珠丝杠螺母副的主要参数

如图6.22所示，滚珠丝杠螺母副的主要参数如下:

(1)公称直径d0:滚珠与螺纹滚道在理论接触角状态时包络滚珠球心的圆柱直径，是滚珠丝杠副的特征尺寸。公称直径d0越大，承载能力和刚度越大，推荐滚珠丝杠副的公称直径d0应大于丝杠工作长度的1/30。数控机床常用的进给丝杠，其公称直径d0为ϕ30~80mm。

(2)导程L:丝杠相对螺母旋转任意弧度时，螺母上基准点的轴向位移。

(3)基本导程L0:丝杠相对于螺母旋转2π时，螺母上的基准点轴向位移。

(4)接触角β:在螺纹滚道法向剖面内，滚珠球心与滚道接触点的连线和螺纹轴线的垂直线间的夹角。理想接触角β=45°。

(5滚珠的工作圈数i。试验结果已表明，在每一个循环回路中，各圈滚珠所受的轴向负载是不均匀的，第一圈滚珠承受总负载的约50%，第二圈约承受30%，第三圈约承受20%。因此，滚珠丝杠副中每个循环回路的滚珠工作圈数取为i=2.5~3.5圈，工作圈数大于3.5无实际意义。

(6)滚珠的总数N。一般N不超过150个，若超过规定的最大值，则因流通不畅容易产生堵塞现象;反之，若工作滚珠的总数N太少，将使得每个滚珠的负载加大，引起过大的弹性变形。

(7)其他参数。除了上述参数外，滚珠丝杠副还有丝杠螺纹大径d、丝杠螺纹小径d1，螺纹全长L、螺母螺纹大径D、螺母螺纹小径D1、滚道圆弧偏心距e、滚道圆弧半径R等参数。图6.22滚珠丝杠副的基本参数

3.滚珠丝杠螺母副间隙的调整

滚珠丝杠的传动间隙是轴向间隙，其数值是指丝杠和螺母无相对转动时，二者之间的最大轴向窜动量。除了结构本身的游隙之外，传动间隙还包括施加轴向载荷后产生的弹性

变形所造成的轴向窜动量。

由于存在轴向间隙，当丝杠反向转动时，将产生空回误差，从而影响传动精度和轴向刚度。通常采用预加载荷(预紧)的方法来减小弹性变形所带来的轴向间隙，以保证反向传动精度和轴向刚度。但过大的预加载荷会增大摩擦阻力，降低传动效率，缩短使用寿命。

所以，一般需要经过多次调整，以保证既消除间隙又能灵活运转。调整时，除螺母预紧外，还应特别注意使丝杠安装部分和驱动部分的间隙尽可能小，并且具有足够刚度;同时应注意预紧力不宜过大，预紧力过大会使空载力矩增加，从而降低传动效率，缩短使用寿命。

1)双螺母消隙

常用的双螺母丝杠消除间隙的方法有:

(1)垫片调隙式。如图6.23所示，调整垫片厚度使左、右两螺母产生轴向位移，即可消除间隙和产生预紧力。这种方法结构简单、刚性好，但调整不便，滚道有磨损时不能随

时消除间隙和进行预紧。图6.23螺纹调隙式

(2)螺纹调隙式。如图6.24所示，螺母1的外端有凸缘固定在螺母座上，利用螺母7外端的外螺纹，调整时只要旋动圆螺母6即可消除轴向间隙，调整好后再用另一个圆螺母

锁紧。这种结构调整方便，且可在使用过程中，随时调整，但预紧力大小不能准确控制。图6.24螺纹调隙式

(3)齿差调隙式。如图6.25所示，在两个螺母的凸缘上各制有圆柱外齿轮，分别与固紧在套筒两端的内齿圈相啮合，其齿数分别为z1和z2，并相差一个齿。调整时，先取下内齿圈，让两个螺母相对于套筒同方向都转动一个齿，然后再插入内齿圈，则两个螺母便产生相对角位移，其轴向位移量例如，z1=80，z2=81，滚珠丝杠的导程为Pn=6mm时，s=6/6480≈0.001mm。这种调整方法能精确调整预紧量，调整方便、可靠，但结构尺寸较大，多用于高精度的传动。图6.25齿差调隙式

2)单螺母消隙。

常用的单螺母丝杠消除间隙的方法有:

(1)单螺母变位螺距预紧。如图6.26所示，在滚珠螺母体内的两列循环珠链之间，使内螺母滚道在轴向产生一个ΔL0的导程突变量，从而使两列滚珠在轴向错位实现预紧。这种调隙方法结构简单，但负荷量须预先设定且不能改变。图6.26单螺母变螺距式

(2)单螺母螺钉预紧。如图6.27所示，螺母在专业生产工厂完成精磨之后，沿径向开一薄槽，通过内六角调整螺钉实现间隙的调整和预紧。该专利技术成功地解决了开槽后滚珠在螺母中良好的通过性。单螺母结构不仅具有很好的性能价格比，而且间隙的调整和预紧极为方便。图6.27能消除间隙的单螺母结构

(3)滚珠丝杠螺母副预紧。对于滚珠丝杠螺母副，为保证传动精度及刚度，除消除传动间隙外，还要求预紧。预紧力计算公式为

式中:Fmax

———轴向最大工作载荷。

前述各种消除滚珠丝杠螺母副轴向间隙的方法，都能对螺母副进行预紧，调整时只要注意预紧力大小Fv=1/3Fmax

即可。

5.滚珠丝杠的支承与制动

1)支承方式

为提高滚珠丝杠的传动刚度，选择合理的支承结构并正确安装很重要。滚珠丝杠主要承受轴向载荷，径向载荷主要是卧式丝杠的自重，因此滚珠丝杠的轴向精度和刚度要求较

高。滚珠丝杠所用轴承有接触角为60°的角接触球轴承和滚针推力圆柱滚子组合轴承。滚珠丝杠的支承结构如图6.

28所示。表6.2列出了滚球丝杠副三种支承方式的特点与应用。图6.28滚珠丝杠的支承配置

2)制动方式

由于滚珠丝杠副的传动效率高，无自锁作用(特别是滚珠丝杠处于垂直传动时)，为防止自重下降，必须装有制动装置。图6.29所示为数控卧式镗床主轴箱进给丝杠制动装置示意图。机床工作时，电磁铁通电，使摩擦离合器脱开，运动由步进电机经减速齿轮传给丝杠，使主轴箱上、下移动。当加工完毕或中间停车时，步进电机和电磁铁同时断电，借压力弹簧作用合上摩擦离合器，使丝杠不能转动，主轴箱便不会下落。图6.29主轴箱进给丝杠制动装置

6.滚珠丝杠的预拉伸

滚珠丝杠在工作时会发热，其温度高于床身。丝杠的热膨胀将使导程加大，影响定位精度。为了补偿热膨胀，可将丝杠预拉伸。预拉伸量应略大于热膨胀量。发热后，热膨胀量抵消了部分预拉伸量，使丝杠内的拉应力下降，但长度却没有变化。需进行预拉伸的丝杠在制造时应使其目标行程(螺纹部分在常温下的长度)等于公称行程(螺纹部分的理论长度等于公称导程乘以丝杠上的螺纹圈数)减去预拉伸量。拉伸后需恢复公称行程值。减去的量称为“行程补偿值”。

7.滚珠丝杠副的精度等级与标注

以下介绍滚珠丝杠副的精度等级与标注。

1)滚珠丝杠副的精度等级

按JB3162.2—1991《滚珠丝杠副的验收技术条件》规定，滚珠丝杠副的精度分为1、2、3、4、5、8和10共7个等级，1级精度最高，依次递减。

根据不同的应用场合，滚珠丝杠副分为定位型(P类)和传动型(T类)两类。数控机床进给系统用的是定位型滚珠丝杠副，精度主要采用1~4级。

2)滚珠丝杠副的标注方法

如图6.30所示，滚珠丝杠副的标注方法根据其结构、规格、精度和螺纹旋向等特征，采用汉语拼音、数字等结合的标注法。滚珠丝杠副的标注方法尚不完全统一，如图6.30所示为《机床设计手册》中介绍的标注方法。图6.30滚球丝杠副的标注方法

如表6.3和表6.4所示为滚珠丝杠副预紧方式代号和滚珠丝杠副中钢球循环方式代号。

例如:CDM5010—3—P3表示外循环管接式，双螺母垫片预紧，导珠管埋入式的滚珠丝杠副，公称直径为50mm，基本导程为10mm，螺纹旋向为右旋，负荷总圈数为3圈，精度等级为3级。

WD3005—3.5×1/B左—900×1000表示外循环垫片调隙式的双螺母滚珠丝杠螺母副，公称直径为30mm，螺距为5mm，负荷总圈数为3.5圈，单列B级精度，左旋，丝杠的螺纹部分长度为900mm，丝杠总长度为1000mm。

实际上，每个厂家的标号会略有所不同，下面举例仅供参考。江苏天安机械厂生产的丝杠FSG—50×10R—4.5—P5—1500—1000，浙江省丽水市贝斯特轴承有限公司生产销售的滚珠丝杠副中RMFSI1605R—T1—4A—1050—1500—C7螺母副的型号说明，如图6.31所示。

图6.31滚珠丝杠副型号举例

8.滚珠丝杠副的润滑与密封

滚珠丝杠副也可用润滑剂来提高耐磨性及传动效率。润滑剂可分为润滑油及润滑脂两大类。润滑油为一般机油、90~180号透平油或140号主轴油。润滑脂可采用锂基油脂。润滑脂加在螺纹滚道和安装螺母的壳体空间内，而润滑油则经过壳体上的油孔注入螺母的空间内。

9.滚珠丝杠副的设计计算

设计计算滚珠丝杠副的已知条件包括:工作载荷F(N)或平均工作载荷Fm(N)，使用寿命L'h(h)，丝杠的工作长度(或螺母的有效行程)L(m)、丝杠的转速n(平均转速nm或最大转速nmax)(r/min)、滚道硬度HRC和运转情况。

滚珠丝杠副一般的设计步骤及方法如下:

(1)计算滚珠丝杠副的载荷FC(N):

FC=KFKHKAFm(6－5)

式中:KF

———载荷系数，按表6.5选取;

KH

———硬度系数，按表6.6选取;

KA———精度系数，按表6.7选取;

Fm———平均工作载荷(N)。

例6－1试设计一数控铣床工作台进给用滚珠丝杠副。已知平均工作载荷Fm=3800N，丝杠工作长度l=1.2m，平均转速nm=100r/min，最大转速nmax=10000r/min，使用寿命L'h=15000h左右，丝杠材料为CrWMn钢，滚道硬度为HRC58~62，传动精度要求σ=±0.03。

表6.9稳定性系数

(6)效率验算。滚珠丝杠副的传动效率η为

η要求在90%~95%之间，所以该丝杠副能满足使用要求。

经上述计算验证，FFZD5006—5各项性能指标均符合题目要求，可选用。

6.4数控机床的自动换刀系统

无自动换刀功能的数控机床只能完成单工序的加工，如车、钻、铣等。而实际上，一个零件往往需要进行多道工序的加工，因此，在加工一个零件的过程中，必须花费大量的时间用于更换刀具、装卸零件、测量和搬运零件等加工辅助时间，切削加工时间仅占整个工时中较小的比例。为了缩短加工辅助时间，充分发挥数控机床的效率，往往采用“工序集中”的原则。

常见的带有自动换刀装置的数控机床、“加工中心”机床就是典型的产品。目前，自动换刀装置已广泛用于镗铣床、铣床、钻床、车床、组合机床及其他机床上。使用自动换刀装置再配合精密数控转台，不仅扩大了数控机床的使用范围，还可使加工效率得到较大的提高，同时由于零件一次安装可以完成多道工序加工，减少了零件安装定位次数和装夹误差，从而进一步提高了加工精度。

在数控机床上，实现刀具自动交换的装置称为自动换刀装置。自动换刀装置必须能够存放一定数量的刀具，即有刀库或刀架，并能完成刀具的自动交换。因此，刀具存放数量

多(刀库容量大)、换刀时间短、刀具重复定位精度高、结构简单、制造成本低、可靠性高是对数控机床自动换刀装置的基本要求。其中，特别是自动换刀装置的可靠性，对于自动换刀机床来说显得尤其重要。

自动换刀装置的形式与机床种类、机床的总体结构布局、刀具数量等因素密切相关。

在数控车床上，由于工件安装在主轴上，刀具只须在刀架上进行交换即可，它不涉及到主轴和刀架间的刀具交换问题，因此，换刀装置结构简单，型式比较单一，通常都使用回转刀架进行换刀。

在加工中心上，由于刀具被安装于主轴上，换刀必须在主轴和刀库之间进行，为此，必须设计专门的自动换刀装置和刀库。其刀具的交换方式通常可以分为无机械手换刀和带

机械手换刀两大类。

无机械手换刀方式是通过刀库与机床主轴的相对运动，结合刀库的回转运动实现刀具自动交换的方式。这种换刀方式的特点是结构简单、动作可靠，不需要专门的换刀机械手;

但其缺点是刀具交换的时间较长，刀具数量不宜过多，刀库的布局也受到局限，通常在小型加工中心上使用较多。

机械手换刀方式是利用机械手实现主轴和刀库间刀具交换的方式。它可以克服无机械手换刀的缺点，刀具交换速度快，刀具数量多，刀库布局灵活，使用范围广;但其结构通常较复杂，制造成本高。

6.4.1自动换刀装置的形式

1.回转刀架

回转刀架是一种简单的自动换刀装置，常用于数控车床。根据不同的机床要求，回转刀架可以设计成四方、六方刀架或圆盘式等多种形式，并相应地安装四把、六把或更多的刀具。为了承受切削力，数控车床的刀架必须具有良好的刚性和强度;另外，由于刀架的定位直接决定了机床的加工精度，因此，刀架必须具有很高的定位精度。在这两点上，它比加工中心的刀库要求高得多。

图6.32所示为一种数控车床用圆盘电动刀架结构原理图。这种刀架常用的规格有12位、8位刀架两种(如图6.32(b)、(c)所示)，可以装夹25mm×25mm的可调刀具或

20mm×20mm×125mm的标准刀具，两种刀架可装的最大镗杆直径均为ϕ32mm。回转刀架由驱动电动机作为动力源，通过机械传动系统的动作，自动实现刀盘的放松、转位、定位及夹紧等动作。刀具通过压板及斜铁夹紧，更换刀具和对刀都较方便。

在图6.32(a)中，驱动电动机11应带有制动器。换刀动作步骤如下:

(1)刀架松开，换刀开始后，首先松开电动机制动器，电动机通过齿轮带动蜗杆、蜗轮旋转。由于蜗轮与轴之间采用螺纹连接，因此，通过蜗轮的旋转带动轴沿轴向左移，使左鼠牙盘脱开，刀架完成松开动作。

(2)刀架转位由图6.32可见，在轴上开有两个对称槽，内装两个滑块，当鼠牙盘脱开后，电动机继续带动蜗轮旋转，一旦蜗轮转到一定角度，与蜗轮固定的圆盘上的凸块便碰到滑块，蜗轮随即通过盘上的凸块带动滑块，连同轴、刀盘一起进行旋转，刀架进行转位动作。

(3)刀架定位当刀架转到要求的位置之后，驱动电动机反转，这时盘上的凸块便与滑块脱离，不再带动轴转动。蜗轮通过螺纹带动轴右移，左鼠牙盘与右鼠牙盘啮合定位，完

成刀架定位动作。

(4)刀架夹紧刀架定位完成后，电动机制动器制动，维持电动机轴上的反转力矩，以保证鼠牙盘之间有一定的夹紧力。同时轴右端的端部压下微动开关，发出转动结束信号，电动机断电，换刀动作结束。

该刀架可以安装四把不同的刀具，转位信号由加工程序指定。当换刀指令发出后，小型电机启动正转，通过平键套筒联轴器使蜗杆轴转动，从而带动蜗轮转动。刀架体内的孔

加工有螺纹，与丝杠连接，蜗轮与丝杠为整体结构。当蜗轮开始转动时，由于加工在刀架底座和刀架体上的端面齿处在啮合状态，且蜗轮丝杠轴向固定，这时刀架体抬起。当刀架

体抬至一定距离后，端面齿脱开。转位套用销钉与蜗轮丝杠连接，随蜗轮丝杠一同转动，当端面齿完全脱开时，转位套正好转过160°(如A—A剖视图所示)，球头销在弹簧力作用下进入转位套的槽中，带动刀架体转位。

刀架体转动时带着电刷座转动，当转到程序指定的刀号时，定位销在弹簧的作用下进入粗定位盘的槽中进行粗定位，同时电刷接触导体使电机反转，由于粗定位槽的限制，刀架体不能转动，使其在该位置垂直落下，刀架体和刀架底座上的端面齿啮合实现精确定位。电机继续反转，此时蜗轮停止转动，蜗杆轴自身转动，当两端面齿增加到一定夹紧力时，电机停止转动。

图6．32数控车床电动刀架结构图6．32数控车床电动刀架结构

译码装置由发信体、电刷组成，电刷13负责发信，电刷14负责位置判断。当刀架定位出现过位或不到位时，可松开螺母调好发信体与电刷14的相对位置。

这种刀架在经济型数控车床及卧式车床的数控化改造中得到了广泛应用。回转刀架一般采用液压缸驱动转位和定位销定位，也有采用电动机马氏机构转位和鼠盘定位，以及其它转位和定位机构。

2.转塔头式换刀装置

数控机床一般采用转塔头式换刀装置，如数控车床的转塔刀架、数控钻镗床的多轴转塔头等。在转塔的各个主轴头上，预先安装有各工序所需要的旋转刀具，当发出换刀指令

时，各主轴头依次转到加工位置，并接通主运动，使相应的主轴带动刀具旋转，而其它处于不同加工位置的主轴都与主运动脱开。转塔头式换刀方式的主要优点在于省去了自动松

夹、卸刀、装刀、夹紧以及刀具搬运等一系列复杂的操作，缩短了换刀时间，提高了换刀可靠性，它适用于工序较少，精度要求不高的数控机床。

图6.33为卧式八轴转塔头。转塔头上径向分布着8根结构完全相同的主轴1，主轴的回转运动由齿轮15输入。当数控装置发出换刀指令时，通过液压拨叉(图中未示出)将移动齿轮6与齿轮15脱离啮合，同时在中心液压缸13的上腔通压力油。由于活塞杆和活塞口固定在底座上，因此中心液压缸13带有两个止推轴承9和11，支承的转塔刀架体10抬起，鼠齿盘7和8脱离啮合。然后压力油进入转位液压缸，推动活塞齿条，再经过中间齿轮使大齿轮5与转塔刀架体10一起回转45o，将下一工序的主轴转到工作位置。图6.33卧式八轴转塔头

转位结束后，压力油进入中心液压缸13的下腔使转塔头下降，鼠齿盘7和8重新啮合，实现了精确的定位。在压力油的作用下，转塔头被压紧，转位液压缸退回原位。最后通过液压拨叉拨动移动齿轮6，使它与新换上的主轴齿轮15啮合。

为了改善主轴结构的装配工艺性，整个主轴部件装在套筒4内，只要卸去螺钉17，就可以将整个部件抽出。主轴前轴承18采用锥孔双列圆柱滚子轴承，调整时先卸下端盖2，然后拧动螺母3，使内环作轴向移动，以便消除轴承的径向间隙。

为了便于卸出主轴锥孔内的刀具，每根主轴都有操纵杆14，只要按压操纵杆，就能通过斜面推动顶出刀具。

转塔主轴头的转位、定位和压紧方式与鼠齿盘式分度工作台极为相似。但因为在转塔上分布着许多回转主轴部件，使结构更为复杂。由于空间位置的限制，主轴部件的结构不

可能设计得十分坚固，因而影响了主轴系统的刚度。为了保证主轴的刚度，主轴的数目必须加以限制，否则将会使尺寸大为增加。

3.车削中心用动力刀架

图6.34(a)为意大利Baruffaldi公司生产的适用于全功能数控车床及车削中心的动力转塔刀架。刀盘上既可以安装各种非动力辅助刀夹(车刀夹、镗刀夹、弹簧夹头、莫氏刀

柄)夹持刀具进行加工，还可安装动力刀夹进行主动切削，配合主机完成车、铣、钻、镗等各种复杂工序，实现加工程序自动化、高效化。

图6.34(b)为该转塔刀架的传动示意图。刀架采用端齿盘作为分度定位元件，刀架转位由三相异步电机驱动，电机内部带有制动机构，刀位由二进制绝对编码器识别，并可双

向转位和任意刀位就近选刀。动力刀具由交流伺服电机驱动，通过同步齿形带、传动轴、传动齿轮、端面齿离合器将动力传递到动力刀夹，再通过刀夹内部的齿轮传动，刀具回转，

实现主动切削。

6.4.2带刀库的自动换刀系统

回转刀架、转塔头式换刀装置容纳的刀具数量不能太多，满足不了复杂零件的加工需

1)刀库的类型

刀库的形式和容量主要是为满足机床的工艺范围。常见的刀库类型有:

(1)盘式刀库。图6.35(a)、(b)所示为两类常用的盘式刀库，其刀具的方向与主轴平行或垂直。盘式结构中，刀具可以沿主轴轴向、径向、斜向安放，刀具轴向安装的结构最为紧凑，但为了换刀时刀具与主轴同向，有的刀库中的刀具需在换刀位置作90°翻转。目前大量的刀库安装在机床立柱的顶面或侧面，如图6.35(c)所示。在刀库容量较大时，也有安装在单独的地基上，以隔离刀库转动造成的振动。图6.35盘式刀库

(2)链式刀库。链式刀库是目前用得最多的一种形式，由一个主动链轮带动装有刀套的链条转动(移动)。图6.36所示为链式刀库的基本结构。链式刀库结构紧凑，结构也比较灵活，刀库容量较大，链条的形状可根据机床的布局制成各种形状，也可将换刀位突出以便于换刀。当需要增加刀具数量时，可以采用加长链带式方式加大刀库的容量，也可采用链带折叠回绕的方式提高空间利用率，在要求刀具容量很大时还可以采用多条链带结构。图6.36各种链式刀库

此外，还有密集形的鼓轮弹仓式或格子式刀库，虽然占地面积小，结构紧凑，在相同的空间内可容纳的刀具数量较多，但选刀和取刀动作复杂，已经很少用于单机加工中心，

多用于FMS(柔性制造系统)的集中供刀系统。

2)刀库的容量

刀库的容量并不是越多越好，太多反而会增加刀库的尺寸和占地面积，使选刀时间增长。决定刀库容量时，应根据广泛的工业统计，依照该机床大多数工件加工时需要的刀具

数来确定刀库容量。据资料分析，对于钻削加工用10把刀具就能完成大约80%的工件加工，用20把刀具就可以完成90%的工件加工;对于铣削加工，只需4把铣刀就可完成

90%的铣削工艺;对于车削加工，只需10把刀具即可完成90%的工艺加工。

若是从完成被加工工件的全部工序考虑进行统计，得到的结果是大部分(超过80%)的工件完成全部加工只需40把左右的刀具就足够了。因此从使用角度出发，刀库的容量一般为10~40把，盲目地加大刀库容量，会使刀库的利用率降低，结构过于复杂，造成很大的浪费。

3)刀库的选刀方式

常用的刀具选择方法有顺序选刀和任意选刀两种。顺序选刀是在加工之前，将加工零件所需刀具按照工艺要求依次插入刀库的刀套中，顺序不能搞错，加工时按顺序调刀，加

工不同的工件时必须重新调整刀库中的刀具顺序，操作繁琐，而且由于刀具的尺寸误差也容易造成加工精度不稳定。其优点是刀库的驱动和控制都比较简单。因此，这种方式适合

加工批量较大，工件品种数量较少的中、小型自动换刀机床。

在机床自动换刀装置中，刀库的回转是由直流伺服电机经蜗杆副驱动的。机械手的回转、取刀、装刀机构均由液压系统驱动。该自动换刀装置结构简单、换刀可靠，由于它安装在立柱上，故不影响主轴箱移动精度;随机换刀，采用记忆式的任选换刀方式，每次选刀运动，刀库正转或反转的角度均不超过180°

2.加工中心的自动换刀装置

加工中心的自动换刀装置可分为五种基本形式，即转塔式、180°回转式、回转插入式、二轴转动式和主轴直接式。自动换刀的刀具可靠固紧在专用刀夹内，每次换刀时将刀夹直接装入主轴。

1)转塔式换刀装置

采用转塔实现换刀是最早的自动换刀方式。如图6.37(a)所示，转塔是由若干与机床动力头(主轴箱)相连接的主轴组成的。在运行程序之前将刀具分别装入主轴，需要哪把刀具时，转塔就转到相应的位置。图6.37(b)为转塔式换刀在立式镗铣机床上的应用。图6.37转塔式换刀装置

这种换刀装置的缺点是主轴的数量受到限制。要使用数量多于主轴数的刀具时，操作者必须卸下已用过的刀具，并装上后续程序所需要的刀具。转塔式换刀并不是拆卸刀具，

而是将刀具和刀夹一起换下，所以这种换刀方式很快。目前NC钻床等还在使用转塔式刀库。

2)180°回转式换刀装置

180°回转式换刀装置是最简单的换刀装置，如图6.38所示。接到换刀指令后，机床控制系统便将主轴转到指定换刀位置;与此同时，刀具库运动到适当位置，换刀装置回转并同时与主轴、刀具库的刀具相配合;然后拉杆从主轴刀具上卸掉，换刀装置将刀具从各自的位置上取下加转180°并将主轴刀具与刀具库中的刀具带走;换刀装置回转的同时，刀具库重新调整其位置，以接受从主轴取下的刀具;接下来，换刀装置将要换上的刀具与卸下的刀具分别装入主轴和刀具库;最后，换刀装置转回原“待命”位置。

至此，换刀完成，程序继续运行。这种换刀装置的主要优点是结构简单、涉及的运动少、换刀快;主要缺点是刀具必须存放在与主轴平行的平面内，与侧置后置刀具库相比，切屑及切削液易进入刀夹，因此必须对刀具另加防护。刀夹锥面上有切屑，换刀装置回转容易造成换刀误差，甚至有损坏刀夹与主轴的可能。因此有些加工中心使用了传递杆，并将刀具库侧置，当换刀指令被调用时，传递杆将刀具库的刀具取下，转到机床前方，并定位于与换刀装置配合的位置。180°回转式换刀装置既可用于卧式机床，也可用于立式机床。

图6.38180°回转式换刀装置

3)回转插入式换刀装置

回转插入式换刀装置(最常用的形式之一)是回转式换刀装置的改进形式。回转插入机构是换刀装置与传递杆的组合。图6.39为回转插入式换刀装置的工作原理图。回转插入式换刀装置主要应用在卧式加工中心上。这种换刀装置的结构设计与180°回转式换刀装置基本相同，当接到换刀指令时，主轴移至换刀点，刀具库转到适当位置，使换刀装置从其槽内取出欲换上的刀具;然后换刀装置转动并从位于机床一侧的刀具库中取出刀具，换刀装置回转至机床的前方，在该位置将主轴上的刀具取下，再回转180°将欲换上的刀具装入主轴;与此同时，刀具库移至适当位置以接受从主轴取下的刀具，而换刀装置转到机床的一侧，并将从主轴取下的刀具放入刀具库的槽内。

这种换刀装置的主要优点是刀具存放在机床的一侧，避免了切屑造成主轴或刀夹损坏的可能性。与180°回转式换刀装置相比，该换刀装置的缺点是换刀过程中的动作多，换刀所用的时间长。

3.JCS018A加工中心自动换刀系统

1)JCS018A刀库结构

图6.40所示为JCS018A刀库的结构简图。如图6.40(a)所示，当数控系统发出换刀指令后，直流伺服电机1接通，其运动经过十字联轴器2、蜗轮3、蜗杆4传到图6.40(b)所示的刀盘14，刀盘带动其上面的16个刀套13转动，完成选刀工作。每个刀套尾部有一个滚子11，当待换刀具转到换刀位置时，滚子11进入拨叉7的槽内。

同时气缸5的下腔通压缩空气，如图6.40(a)所示，活塞杆6带动拨叉7上升，放开位置开关9，用以断开相关的电路，防止刀库、主轴等有误动作。如图6.40(b)所示，拨叉7在上升的过程中，带动刀套绕着销轴12逆时针向下翻转90°，从而使刀具轴线与主轴轴线平行。

图6.40JCS018A刀库的结构简图

刀套下转90°后，拨叉7上升到终点，压住定位开关10，发出信号使机械手抓刀。通过图6.40(a)中的螺杆8，可以调整拨叉的行程。拨叉的行程决定了刀具轴线相对于主轴轴线的位置。

JCS018A刀套的结构如图6.41所示，F—F剖视图中的滚子7即为图6.40(b)中的滚子11，E—E剖视图中的销轴6即为图6.40(b)图中的销轴12。刀套4的锥孔尾部有两个球头螺钉3。在螺纹套2与球头销之间装有弹簧1，当刀具插入刀套后，由于弹簧力的作用，使刀柄被夹紧。拧动螺纹套，可以调整夹紧力的大小，当刀套在刀库中处于水平位置时，靠刀套上部的滚子5来支承。图6.41JCS018A刀套结构图

2)自动换刀过程

图6.42所示为自动换刀过程示意图。上一工序加工完毕，主轴处于“准停”位置，由自动换刀装置换刀，其过程如下:

(1)刀套下转90°。机床的刀库位于立柱左侧，刀具在刀库中的安装方向与主轴垂直。换刀之前，刀库2转动将待换刀具5送到换刀位置，之后把带有刀具5的刀套4向下翻转90°，使得刀具轴线与主轴轴线平行(如图6.42中虚线所示)。

(2)机械手转75°。如K向视图所示，在机床切削加工时，机械手1的手臂中心线与主轴中心到换刀位置的刀具中心的连线成75°，该位置为机械手的原始位置。机械手换刀的第一个动作是顺时针转75°，两手爪分别抓住刀库2和主轴3上的刀柄。

(3)刀具松开。机械手抓住主轴刀具的刀柄后，刀具的自动夹紧机构松开刀具。

(4)机械手拔刀。机械手下降，同时拔出两把刀具。

(5)交换两刀具位置。机械手带着两把刀具逆时针转180°(从K向观察)，使主轴刀具与刀库刀具交换位置。

图6.42自动换刀过程示意图

(6)机械手插刀。机械手上升，分别把刀具插入主轴锥孔和刀套中。

(7)刀具夹紧。刀具插入主轴锥孔后，刀具的自动夹紧机构夹紧刀具。

(8)液压缸复位。驱动机械手逆时针转180°的液压缸复位，机械手无动作。

(9)机械手逆转75°。机械手逆转75°，回到原始位置。

(10)刀套上转90°。刀套带着刀具向上翻转90°，为下一次选刀做准备。

6.5刀具交换装置

数控机床的自动换刀装置中，实现刀库与机床主轴之间传递和装卸刀具的装置称为刀具交换装置。刀具的交换方式通常分为由刀库与机床主轴的相对运动实现刀具交换和采用机械手交换刀具两类。刀具的交换方式和它们的具体结构对机床生产率和工作可靠性有着直接的影响。

1.利用刀库与机床主轴的相对运动实现换刀

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