機床數(shù)控技術(shù)基礎(chǔ)-數(shù)控機床的機械結(jié)構(gòu)

數(shù)控機床的機械結(jié)構(gòu)2.1數(shù)控機床機械結(jié)構(gòu)的組成和特點2.2數(shù)控機床主傳動系統(tǒng)及主軸部件2.3數(shù)控機床進給傳動系統(tǒng)2.4數(shù)控機床分度工作臺和回轉(zhuǎn)工作臺2.5自動換刀裝置知識拓展本章小結(jié)

(1)數(shù)控機床機械結(jié)構(gòu)的主要組成和特點;

(2)數(shù)控機床對主傳動系統(tǒng)和進給傳動系統(tǒng)的要求;

(3)數(shù)控機床主傳動系統(tǒng)的特點和分類;

(4)數(shù)控機床主軸部件的結(jié)構(gòu)和工作原理;

(5)數(shù)控機床滾珠絲杠副的結(jié)構(gòu)、工作原理和軸向間隙的調(diào)整方法;

(6)進給傳動系統(tǒng)齒輪間隙的消除方法;

(7)數(shù)控機床分度工作臺、回轉(zhuǎn)工作臺的結(jié)構(gòu)和工作原理;

(8)自動換刀裝置的結(jié)構(gòu)和工作原理。

立式加工中心與臥式加工中心在結(jié)構(gòu)上有什么區(qū)別?

2.1數(shù)控機床機械結(jié)構(gòu)．

的組成和特點

2.1.1數(shù)控機床機械結(jié)構(gòu)的主要組成由于進給伺服驅(qū)動、主軸驅(qū)動和CNC技術(shù)的發(fā)展,以及為適應(yīng)高生產(chǎn)率的需要,數(shù)控機床的機械結(jié)構(gòu)已從初期對普通機床局部結(jié)構(gòu)的改進,逐步發(fā)展為數(shù)控機床的獨特機械結(jié)構(gòu)。盡管如此,普通機床的構(gòu)成模式仍適應(yīng)于現(xiàn)代數(shù)控機床,其零部件的設(shè)計方法和普通機床設(shè)計理論和計算方法基本一樣。

數(shù)控機床的機械結(jié)構(gòu),除機床基礎(chǔ)部件外,由下列各部分組成:

①主傳動系統(tǒng);

②進給系統(tǒng);

③實現(xiàn)工件回轉(zhuǎn)、定位的裝置和附件;

④實現(xiàn)某些部件動作和輔助功能的系統(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;

⑤刀架或自動換刀裝置;

⑥自動托盤交換裝置;

⑦特殊功能裝置,如刀具破損監(jiān)控、精度檢測和監(jiān)控裝置;

⑧為完成自動化控制功能的各種反饋信號裝置及元件。

機床基礎(chǔ)件稱機床大件,通常是指床身、底坐、立柱、橫梁、滑坐、工作臺等。圖2-1所示為XH715立式加工中心基礎(chǔ)件裝配圖,它是整臺機床的基礎(chǔ)和框架,機床的其他零、部件,或者固定在基礎(chǔ)件上,或者工作時在它的導(dǎo)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。如一般的數(shù)控機床除基礎(chǔ)件外,還有主傳動系統(tǒng)、進給系統(tǒng)以及液壓、潤滑、冷卻等其它輔助裝置,這是數(shù)控機床機械結(jié)構(gòu)的基本構(gòu)成。加工中心則至少還應(yīng)有ATC,有的還有雙工位APC等。柔性制造單元(FMC)除ATC外還帶有工位數(shù)較多的APC,有的配有用于上下料的工業(yè)機器人。圖2-1XH715立式加工中心基礎(chǔ)件裝配圖

2.1.2-數(shù)控機床機械結(jié)構(gòu)的主要特點

1.高剛度和高抗振性

1)機床剛度的基本概念機床剛度是機床的技術(shù)性能之氣,它反映了機床結(jié)構(gòu)抵抗變形的能力。根據(jù)機床所受載荷性質(zhì)的不同,機床在靜態(tài)力作用下所表現(xiàn)的剛度稱為機床的靜剛度,機床在動態(tài)力作用下所表現(xiàn)的剛度稱為機床的動剛度。在機床性能測試中,常用機床柔度來說明機床的該項性能。柔度是剛度的倒數(shù)。

機床和機床零部件在靜力負載下的剛度系數(shù)(N/μm)為

機床和機床零部件在動態(tài)力負載下的剛度系數(shù)(N/μm)為

由式(2-1)和式(2-2)可見,機床彈性系統(tǒng)在動態(tài)力作用下的動剛度κd與靜剛度、激振頻率與固有頻率的頻率比ω/ωn及阻尼比有關(guān)。

當(dāng)ω/ωn=1時,即當(dāng)兩種頻率相等時,為共振狀態(tài),動剛度最小,κd=2ξκ。

當(dāng)ω/ωn≤1時,即激振頻率遠比固有頻率小時,動剛度接近于靜剛度,κd≈κ。

當(dāng)ω/ωn≥1時,即激振頻率遠比固有頻率大時,動剛度隨著ω的加大而增加。

在同樣頻率比的條件下,靜剛度愈大,動剛也愈大,兩者成正比關(guān)系;阻尼愈大,動剛度也愈大。機床系統(tǒng)的綜合剛度由機床各零部件的剛度綜合而成。

上述機床剛度分析的基本理論同樣適用于數(shù)控機床。為滿足數(shù)控機床高速度、高精度、高生產(chǎn)率、高可靠性和高自動化的要求,與普通機床比較,數(shù)控機床應(yīng)有更高的靜、動剛度和更好的抗振性。例如有的國家規(guī)定數(shù)控機床的剛度系數(shù)比普通機床至少高50%。

2)提高數(shù)控機床結(jié)構(gòu)剛度的措施

(1)提高機床構(gòu)件的靜剛度和固有頻率。

改善薄弱環(huán)節(jié)的結(jié)構(gòu)或布局,以減少所承受的彎曲負載和轉(zhuǎn)矩負載。

(2)改善數(shù)控機床結(jié)構(gòu)的阻尼特性。

在大件內(nèi)腔充填泥芯和混凝土等阻尼材料,防止在振動時因相對摩擦力較大而耗散振動能量。

(3)采用新材料和鋼板焊接結(jié)構(gòu)。

長期以來,機床大件材料主要采用鑄鐵,現(xiàn)在部分機床大件已采用新材料代替,主要的新材料是聚化物混凝土,它具有剛度高、抗振好,耐腐蝕和耐熱的特點。

2.減少機床熱變形的影響

機床的熱變形是影響機床加工精度的重要因素之一。由于數(shù)控機床主軸轉(zhuǎn)速、進給速度遠高于普通機床,而大切削量產(chǎn)生的熾熱切屑對工件和機床部件的熱傳導(dǎo)影響遠比普通機床嚴重,而熱變形對加工精度的影響操作者往往難以修正。因此,應(yīng)特別重視減少數(shù)控機床熱變形的影響。常用措施有以下幾種:

1)改進機床的布局和結(jié)構(gòu)

(1)采用熱對稱結(jié)構(gòu)。采用熱對稱結(jié)構(gòu)時,相對熱源是對稱的。

(2)采用傾斜床身和斜滑板結(jié)構(gòu)。

圖15所示的數(shù)控車床采用傾斜60°導(dǎo)軌結(jié)構(gòu),這樣便于配置傾斜的防護罩,使熾熱的切屑容易進入排屑口,被自動排屑裝置及時排出。

(3)采用熱平衡措施。

某些重型數(shù)控機床由于結(jié)構(gòu)限制,不能采用上面所述的對稱結(jié)構(gòu)方法,可采用熱平衡法。

2)控制溫度

對機床發(fā)熱部位(如主軸箱等)采用散熱、風(fēng)冷和液冷等控制溫升的辦法來吸收熱源發(fā)出的熱量。這是各類數(shù)控機床上廣泛采用的一種減少熱變形影響的對策。

3)對切削部位采取強冷措施

在大切削量切削加工時,落在工作臺、床身等部件上的熾熱切屑是重要的熱源。

4)熱位移補償

預(yù)測熱變形規(guī)律,建立數(shù)學(xué)模型并存入計算機中,以進行實時補償。圖2-2是熱變形自動修正裝置。圖2-2-熱變形自動補償裝置

3.傳動系統(tǒng)機械結(jié)構(gòu)的簡化

數(shù)控機床的主軸驅(qū)動系統(tǒng)和進給驅(qū)動系統(tǒng)分別采用交、直流主軸電動機和伺服電動機驅(qū)動,這兩類電動機調(diào)速范圍大,并可無級調(diào)速,因此使主軸箱、進給變速箱及傳動系統(tǒng)大為簡化,箱體結(jié)構(gòu)簡單,齒輪、軸承和軸類零件數(shù)量大為減少甚至不用齒輪,而由電動機直接帶動主軸或進給滾珠絲杠。圖2-3是某普通車床和數(shù)控車床的傳動系統(tǒng)圖。圖2-3普通車床與數(shù)控車床傳動系統(tǒng)比較圖2-3普通車床與數(shù)控車床傳動系統(tǒng)比較

4.高傳動效率和無間隙傳動裝置

數(shù)控機床在高進給速度下,要求工作平穩(wěn)并有高定位精度。因此,對進給系統(tǒng)中的機械傳動裝置和元件要求具有高壽命、高剛度、無間隙、高靈敏度和低摩擦阻力的特點。目前,數(shù)控機床進給驅(qū)動系統(tǒng)中常用的機械裝置主要有三種,即滾珠絲杠副、靜壓蝸桿蝸母條機構(gòu)和預(yù)加載荷雙齒輪齒條。

5.低摩擦因數(shù)的導(dǎo)軌

機床導(dǎo)軌是機床的基本結(jié)構(gòu)之一。機床加工精度和使用壽命在很大程度上決定于機床導(dǎo)軌的質(zhì)量,數(shù)控機床的導(dǎo)軌則有更高的要求。如在高速進給時不振動,低速進給時不爬行,具有很高的靈敏度,能在重載下長期連續(xù)工作,耐磨性要高,精度保持性要好等?，F(xiàn)代數(shù)控機床使用的導(dǎo)軌從類型上說仍是滑動導(dǎo)軌、滾動導(dǎo)軌和靜壓導(dǎo)軌3種,但在材料和結(jié)構(gòu)上已發(fā)生了質(zhì)的變化,已不同于普通機床的導(dǎo)軌。

1)塑料滑動導(dǎo)軌

傳統(tǒng)的鑄鐵鑄鐵滑動導(dǎo)軌,除經(jīng)濟型數(shù)控機床外,在其他數(shù)控機床上已不再采用,取而代之的是做鑄鐵塑料或鑲鋼塑料滑動導(dǎo)軌。塑料導(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)軌有鑄鐵或鋼質(zhì)導(dǎo)軌兩種。鑄鐵牌號為HT300,表面淬火硬度為45~50HRC,表面粗糙度磨削為Ra0.20~0.10;鑲鋼導(dǎo)軌常用55鋼或其它合金鋼,淬硬為58~62HRC。導(dǎo)軌塑料常用聚四氟乙烯導(dǎo)軌軟帶和環(huán)氧耐磨導(dǎo)軌涂層兩類。

(1)聚四氟乙烯導(dǎo)軌軟帶。

聚四氟乙烯導(dǎo)軌軟帶材料以聚四氟乙烯為基體,加入青銅粉、二硫化鉬和石墨等填充劑混合燒結(jié)并做成軟帶狀。聚四氟乙烯導(dǎo)軌軟帶的特點主要有以下四點:

①摩擦特性好。

②耐磨性好。

③減振性好。

④工藝性好。

由于聚四氟乙烯導(dǎo)軌軟帶具有這些優(yōu)點,所以被廣泛應(yīng)用于中、小型數(shù)控機床的運動導(dǎo)軌中,常用的進給移動速度為15m/min以下。圖2-4是加工中心工作臺的橫剖面,在移動工作臺的各面都粘貼有聚四氟乙烯導(dǎo)軌軟帶。圖2-4工作臺和滑座橫剖面

導(dǎo)軌軟帶使用工藝很簡單。首先將導(dǎo)軌粘貼面加工至表面粗糙度為Ra3.2~1.6。有時為了固定軟帶,將導(dǎo)軌粘貼面加工成0.5~1mm深的凹槽,如圖2-5所示。用汽油或金屬清凈劑或丙酮清洗粘合面后,用膠粘劑粘合。固化1~2h后再合攏到配對的固定導(dǎo)軌或?qū)Ｓ脢A具上,施加一定的壓力,并在室溫下固化24h,取下清除余膠即可開油槽和進行精加工。由于這類導(dǎo)軌采用粘接方法,習(xí)慣稱為“貼塑導(dǎo)軌”。圖2-5導(dǎo)軌軟帶

2)滾動導(dǎo)軌

滾動導(dǎo)軌具有摩擦因數(shù)低(一般是0.003左右),動、靜摩擦因數(shù)相差小,幾乎不受運動速度變化的影響,定位精度和靈敏度高,精度保持性好等優(yōu)點。數(shù)控機床常用的滾動導(dǎo)軌有滾動導(dǎo)軌塊和單元式直線滾動導(dǎo)軌兩種。

(1)滾動導(dǎo)軌塊。

滾動導(dǎo)軌塊是一種滾動體循環(huán)運動的滾動導(dǎo)軌。移動部件運動時,滾動體沿封閉軌道作循環(huán)運動。滾動體為滾珠或滾柱。圖2-7所示為滾柱式滾動導(dǎo)軌塊,多用于中等負荷導(dǎo)軌。圖2-7滾柱式滾動導(dǎo)軌塊

(2)單元式直線滾動導(dǎo)軌。

單元式直線滾動導(dǎo)軌的外形如圖2-8所示。這種滾動導(dǎo)軌是把軌道及相對運動的導(dǎo)軌塊由生產(chǎn)廠家預(yù)先根據(jù)用戶要求組裝好,用戶只要把導(dǎo)軌單元的軌道和導(dǎo)軌塊分別固定在機床的固定導(dǎo)軌和運動導(dǎo)軌上即可。因此在設(shè)計和裝配調(diào)試上都十分簡單方便。圖2-8單元式直線滾動導(dǎo)軌

圖2-9所示是單元式直線滾動導(dǎo)軌的結(jié)構(gòu)。這種滾動導(dǎo)軌由導(dǎo)軌體、滑塊、滾珠、保持器、端蓋等組成。當(dāng)滑塊沿軌道移動時,滾珠在軌道和滑塊之間的圓弧直槽內(nèi)滾動,并通過端蓋內(nèi)的滾道從負荷區(qū)移到非負荷區(qū),然后繼續(xù)滾動回到負荷區(qū),不斷地循環(huán),從而把軌道和滑塊之間的移動變成了滾珠的滾動。為防止灰塵和臟物進入導(dǎo)軌滾道,滑塊兩端及下部均裝有塑料密封墊?；瑝K上還有潤滑油注油杯。圖2-9直線式滾動導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)

3)靜壓導(dǎo)軌

靜壓導(dǎo)軌是在兩個相對運動的導(dǎo)軌面間通入壓力油,使運動件浮起。工作過程中,導(dǎo)軌面上的油腔中的油壓能隨著外加負載的變化自動調(diào)節(jié),以平衡外加負載,保證導(dǎo)軌面間始終處于純液體摩擦狀態(tài)。

靜壓導(dǎo)軌較多地應(yīng)用在大型、重型數(shù)控機床上。有關(guān)靜壓導(dǎo)軌的詳細參數(shù)可參閱液壓技術(shù)。

2.2

數(shù)控機床主傳動系統(tǒng)及主軸部件

2.2.1數(shù)控機床對主傳動系統(tǒng)的要求數(shù)控機床主傳動系統(tǒng)是用來實現(xiàn)機床主運動的,它將主軸電動機的原動力通過該傳動系統(tǒng)變成可供切削加工用的切削力矩和切削速度。為了適應(yīng)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)要有較寬的轉(zhuǎn)速范圍及相應(yīng)的輸出力矩。

此外,由于主軸部件將直接裝夾刀具對工件進行切削,因而對加工質(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、低粗糙度的工件,必須要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。

2.2.2-數(shù)控機床主傳動系統(tǒng)的特點

數(shù)控機床的主傳動系統(tǒng)—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,因此主軸箱的結(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。

圖2-10所示為直流主軸電動機轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩的關(guān)系。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。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(shè)置幾擋變速(2~4擋)。機械變擋一般采用液壓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。有些小型的或者調(diào)速范圍不需太大的數(shù)控機床,也常采用由電動機直接帶動主軸或用帶傳動主軸旋轉(zhuǎn)。

圖2-10直流主軸電動機的轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩關(guān)系圖

2.2.3主傳動系統(tǒng)的分類

為了適應(yīng)不同的加工要求,目前主傳動系統(tǒng)大致可以分為三類。

1.帶有變速齒輪的主傳動

圖2-11(a)是帶有變速齒輪的主傳動,這是大、中型數(shù)控機床采用的一種配置方式。

2.通過皮帶傳動的主傳動

圖2-11(b)是通過皮帶傳動的主傳動,主要應(yīng)用在小型數(shù)控機床上,可以避免齒輪傳動時引起的振動與噪聲。

3.由調(diào)速電機直接驅(qū)動的主傳動

圖2-11(c)是由調(diào)速電機直接驅(qū)動的主傳動,這種主傳動方式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。圖2-11數(shù)控機床主傳動系統(tǒng)分類

撥叉機構(gòu)在使用中為了保證不出現(xiàn)移動齒輪的“頂齒”現(xiàn)象,通常必須增加一臺小型電動機,在變速時使主軸作低速回轉(zhuǎn),這會使結(jié)構(gòu)變得十分復(fù)雜。摩擦片式離合器由于打滑現(xiàn)象,不能使用于有伺服要求的主軸系統(tǒng)。電磁離合器的電刷和滑環(huán)之間的摩擦和磨損會影響變速的可靠性;更嚴重的是它具有剩磁和發(fā)熱等缺點,會使主軸軸承磁化,壽命下降,并影響加工精度。因此目前已很少使用以上兩種變速方法。

2.2.4主軸部件

數(shù)控機床主軸部件是機床中最關(guān)鍵的部件之一,是體現(xiàn)整臺機床技術(shù)水平的一個主要標(biāo)志,它的精度、剛度和熱變形對加工質(zhì)量將產(chǎn)生直接影響。而且由于數(shù)控機床在加工過程中不進行人工調(diào)整,這些影響就更為嚴重。

1.數(shù)控機床主軸軸承的一般配置形式

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°角接觸雙列向心推力球軸承組合,后支承采用成對向心推力球軸承,如圖2-12(a)所示。

這種配置型式使主軸的綜合剛度大幅度提高,可以滿足強力切削的要求,因此普遍應(yīng)用于各類數(shù)控機床的主軸。圖2-12-數(shù)控機床主軸軸承的配置形式

(2)前軸承采用高精度雙列向心推力球軸承。

如圖2-12(b)所示,向心推力球軸承具有良好的高速性能,主軸最高轉(zhuǎn)速可達10000r/min,但是它的承載能力小,因而適用于高速、輕載和精密的數(shù)控機床主軸。

(3)雙列和單列圓錐滾子軸承。

如圖2-12(c)所示,這組軸承徑向和軸向剛度高,能承受重載荷,尤其能承受較強的動載荷,安裝與調(diào)整性能好。

數(shù)控機床主軸端部的結(jié)構(gòu)對工件或刀具的定位、安裝、拆卸以及夾緊的準(zhǔn)確、牢固、方便和可靠有很大影響。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2-13所示,目前這些結(jié)構(gòu)都已標(biāo)準(zhǔn)化。圖2-13數(shù)控機床主軸的端部結(jié)構(gòu)

2.主軸部件的特殊結(jié)構(gòu)

1)主軸內(nèi)刀具的自動夾緊和切屑清除裝置

數(shù)控加工中心的機床為實現(xiàn)刀具在主軸上的自動裝卸,其主軸必須設(shè)計刀具的自動夾緊機構(gòu)。自動換刀臥式鏜銑加工中心主軸的刀具夾緊機構(gòu)如圖2-14所示。圖2-14臥式鏜銑加工中心機床主軸的刀具夾緊機構(gòu)

上述的主軸結(jié)構(gòu)在活塞向左推動拉桿時,將在主軸軸承上作用一個相當(dāng)大的推力。為了使此軸向推力不直接作用在主軸軸承上,可以采用圖2-15所示的改進結(jié)構(gòu),使軸向推力作用到箱體上。油缸的支架6用螺釘(圖中未示出)與連接座3固定在一起,并允許在主軸箱孔內(nèi)作向右浮動。因此連接座3并不固死在主軸箱體2上,而是用螺釘5通過彈簧4壓緊在主軸箱的端面。當(dāng)油缸右腔通入壓力油使活塞7受到向左的推力時,油缸右端面受到方向相反的向右推力。此時整個油缸支架6及連接座3壓縮彈簧4,而向右移動。當(dāng)連接座3上的墊片8的端面和螺母1壓緊時,松開刀桿所需要的推力可以直接由連接座3和油缸支架6承受,從而實現(xiàn)主軸軸承的軸向卸載。圖2-15主軸改進結(jié)構(gòu)

自動清除主軸孔中的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,在拉緊刀桿時,主軸錐孔表面和刀桿的錐柄就會被劃傷,并且使刀桿發(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。圖2-14的活塞11的心部鉆有壓縮空氣通道,當(dāng)活塞向左移動時,壓縮空氣經(jīng)過活塞由主軸孔內(nèi)的空氣噴嘴4吹噴出,將錐孔清理干凈。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。

2)主軸準(zhǔn)停裝置

在鏜銑加工中心上,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(zhǔn)主軸的端面鍵,這就要求主軸具有準(zhǔn)確定位的功能。在加工精密的坐標(biāo)孔時,由于每次都能在主軸固定的圓周位置上裝刀,因此能保證刀尖與主軸相對位置的一致性,從而減少被加工孔的尺寸分散度,這是主軸準(zhǔn)停裝置帶來的另一個好處。

主軸的準(zhǔn)停裝置設(shè)在主軸尾端(如圖2-14所示),當(dāng)主軸需要停車換刀時,會發(fā)出降速信號,主軸箱自動改變傳動路線,使主軸轉(zhuǎn)換到最低轉(zhuǎn)速運轉(zhuǎn)。在時間繼電器延時數(shù)秒鐘后,開始接通無觸點開關(guān)14。在凸輪10上的感應(yīng)片對準(zhǔn)無觸點開關(guān)時,發(fā)出準(zhǔn)停信號,立即切斷主電機電源,脫開與主軸的傳動聯(lián)系,以排除傳動系統(tǒng)中大部分旋轉(zhuǎn)零件的慣性對主軸準(zhǔn)停的影響,使主軸作低速慣性空轉(zhuǎn)。再經(jīng)過時間繼電器的短暫延時,接通壓力油,使定位活塞13帶著定位滾子12向上運動,并緊壓在凸輪10的外表面。

當(dāng)凸輪9的V形缺口對準(zhǔn)滾子12時,滾子進入槽內(nèi),使主軸準(zhǔn)確停止,同時限位開關(guān)15發(fā)出信號,表示已完成準(zhǔn)停。如果在規(guī)定時間內(nèi)限位開關(guān)并未發(fā)出完成準(zhǔn)停信號,即表示滾子12沒有進入V形缺口,時間繼電器將發(fā)出重新定位信號,并重復(fù)上述動作,直到完成準(zhǔn)停為止。然后,活塞13退回到釋放位置,行程開關(guān)16發(fā)出相應(yīng)信號。

2.3數(shù)控機床進給傳動系統(tǒng)

2.3.1數(shù)控機床對進給傳動系統(tǒng)的要求

數(shù)控機床對進給傳動系統(tǒng)的要求通常有三點,即傳動精度、系統(tǒng)的穩(wěn)定性和動態(tài)響應(yīng)特性(靈敏度)。傳動精度包括動態(tài)誤差、穩(wěn)態(tài)誤差和靜態(tài)誤差,即伺服系統(tǒng)的輸入量與驅(qū)動裝置實際位移量的精確程度。系統(tǒng)的穩(wěn)定性是指系統(tǒng)在啟動狀態(tài)或受外界干擾時,經(jīng)過幾次衰減振蕩后,能迅速地穩(wěn)定在新的或原來的平衡狀態(tài)的能力。動態(tài)響應(yīng)特性是指系統(tǒng)的響應(yīng)時間以及驅(qū)動裝置的加速能力。

2.3.2-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)換的傳動裝置,在數(shù)控機床上得到了廣泛的應(yīng)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作為中間傳動元件,以減少摩擦,工作原理如圖2-16所示。圖2-16滾珠絲杠副的原理圖

1.滾珠絲杠副的結(jié)構(gòu)

滾珠絲杠的螺紋滾道法向截面有單圓弧和雙圓弧兩種不同的形狀,如圖2-17所示。其中單圓弧加工工藝簡單,雙圓弧加工工藝較復(fù)雜,但性能較好。圖2-17螺紋截面

滾珠的循環(huán)方式有外循環(huán)和內(nèi)循環(huán)兩種。滾珠在返回過程中與絲杠脫離接觸的為外循環(huán),滾珠在循環(huán)過程中與絲杠始終接觸的為內(nèi)循環(huán)。在內(nèi)、外循環(huán)中,滾珠在同一個螺母上只有一個回路管道的叫單循環(huán),有兩個回路管道的叫雙列循環(huán)。循環(huán)中的滾珠叫工作滾珠,工作滾珠所走過的滾道圈數(shù)叫工作圈數(shù)。

外循環(huán)滾珠絲杠副按滾珠循環(huán)時的返回方式分類,主要有插管式和螺旋槽式兩種。圖2-18(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,但由于管道突出于螺母體外,徑向尺寸較大。圖2-18(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,但制造上較為復(fù)雜。圖2-18外循環(huán)滾珠絲杠

圖2-19為內(nèi)循環(huán)結(jié)構(gòu)。在螺母的側(cè)孔中裝有圓柱凸鍵式反向器,反向器上銑有S形回珠槽(如圖2-19(b)所示),將相鄰兩螺紋滾道聯(lián)結(jié)起來。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。其優(yōu)點是徑向尺寸緊湊,剛性好,因其返回滾道較短,摩擦損失小;缺點是反向器加工困難。圖2-19內(nèi)循環(huán)滾珠絲杠

2.滾珠絲杠副軸向間隙的調(diào)整

滾珠絲杠的傳動間隙是軸向間隙。為了保證反向傳動精度和軸向剛度,必須消除軸向間隙。消除間隙的方法常采用雙螺母結(jié)構(gòu),利用兩個螺母的相對軸向位移,使兩個滾珠螺母中的滾珠分別貼緊在螺旋滾道的兩個相反的側(cè)面上。用這種方法預(yù)緊消除軸向間隙時,應(yīng)注意預(yù)緊力不宜過大,預(yù)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。此外還要消除絲杠安裝部分和驅(qū)動部分的間隙。

常用的雙螺母絲杠消除間隙方法有:

1)墊片調(diào)隙式

如圖2-20所示,調(diào)整墊片厚度使左右兩螺母產(chǎn)生方向相反的位移,使兩個螺母中的滾珠分別貼緊在螺旋滾道的兩個相反的側(cè)面上,即可消除間隙并產(chǎn)生預(yù)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(yù)緊。圖2-20墊片調(diào)隙式

2)螺紋調(diào)隙式

如圖2-21所示,右螺母4外端有凸緣,而左螺母1左端是螺紋結(jié)構(gòu),用兩個圓螺母2、3把墊片壓在螺母座上;左右螺母和螺母座上加工有鍵槽,采用平鍵連接,使螺母在螺母座內(nèi)可以軸向滑移而不能相對轉(zhuǎn)動;調(diào)整時,只要擰緊圓螺母3使左螺母1向左滑動,就可以改變兩螺母的間距,即可消除間隙并產(chǎn)生預(yù)緊力。螺母2是鎖緊螺母,調(diào)整完畢后,將螺母2和螺母3并緊,可以防止在工作中螺母松動。這種調(diào)整方法具有結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、調(diào)整方便的優(yōu)點,但調(diào)整預(yù)緊量不能控制。圖2-21螺紋調(diào)隙式

3)齒差調(diào)隙式

如圖422所示,在左右兩個螺母的凸緣上各加工有圓柱外齒輪,分別與左右內(nèi)齒圈相嚙合,內(nèi)齒圈相嚙合緊固在螺母座左右端面上,所以左右螺母不能轉(zhuǎn)動。兩螺母凸緣齒輪的齒數(shù)不相等,相差一個齒。調(diào)整時,先取下內(nèi)齒圈,讓兩個螺母相對于螺母*座同方向都轉(zhuǎn)動一個齒,然后再插入內(nèi)齒圈并緊固在螺母座上,則兩個螺母便產(chǎn)生相對角位移,使兩螺母軸向間距改變,實現(xiàn)消除間隙和預(yù)緊。圖2-22-齒差調(diào)隙式

設(shè)兩凸緣齒輪的齒數(shù)分別為Z1、Z2,滾珠絲杠的導(dǎo)程為t,兩個螺母相對于螺母座同方向轉(zhuǎn)動一個齒后,其軸向位移量為。例如,Z1=81,Z2=80,滾珠絲杠的導(dǎo)程為L=6mm時,則s=6/6480≈0.001mm。這種調(diào)整方法能精確調(diào)整預(yù)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。

4)單螺母變位螺距預(yù)加負荷

如圖423所示,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(dǎo)程變量,從而使兩列滾珠在軸向錯位實現(xiàn)預(yù)緊。這種調(diào)隙方法結(jié)構(gòu)簡單,但導(dǎo)程變量須預(yù)先設(shè)定且不能改變。圖2-23單螺母變位螺距式

3.滾珠絲杠副的參數(shù)及選擇

如圖2-24所示,滾珠絲杠副的參數(shù)主要有公稱直徑d0、基本導(dǎo)程L0和接觸角β。圖2-24滾珠絲杠副的基本參數(shù)

1)公稱直徑d0

公稱直徑是指滾珠與螺紋滾道在理論接觸角狀態(tài)時包絡(luò)滾珠球心的圓柱直徑,用d0表示,它是滾珠絲杠副的特性尺寸。

2)基本導(dǎo)程

L0基本導(dǎo)程是指絲杠相對于螺母旋轉(zhuǎn)2π弧度時,螺母上的基準(zhǔn)點的軸向位移,且L0表示。

3)接觸角β

接觸角是指滾珠與滾道在接觸點處的公法線與螺紋軸線的垂直線間的夾角,用β表示。理想接觸角β=45°。

4.滾珠絲杠副的標(biāo)記方法

根據(jù)機械工業(yè)部標(biāo)準(zhǔn)JB/T3162.1-1991的規(guī)定,滾珠絲杠副的型號根據(jù)其結(jié)構(gòu)、規(guī)格、精度、螺紋旋向等特征按下列格式編寫。

其中循環(huán)方式見表2-1,預(yù)緊方式見表2-2,結(jié)構(gòu)特征見表2-3,精度等級標(biāo)號及選擇見表2-4。螺紋旋向為右旋者不標(biāo),為左旋者標(biāo)記代號為“LH”。P類為定位滾珠絲杠副,即通過旋轉(zhuǎn)角度和導(dǎo)程控制軸向位移量的滾珠絲杠副;T類為傳動滾珠絲杠副,它是與旋轉(zhuǎn)角度無關(guān),用于傳遞動力的滾珠絲杠副。

5.滾珠絲杠副的安裝支承方式

數(shù)控機床的進給系統(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。如為減少受力后的變形,螺母座應(yīng)有加強肋,增大螺母座與機床的接觸面積,并且要連結(jié)可靠;采用高剛度的推力軸承,以提高滾珠絲杠副的軸向承載能力。

滾珠絲杠副的支承方式有以下幾種,如圖2-25所示。

圖2-25滾珠絲杠副在機床上的支承方式

圖2-25(a)為一端裝推力軸承。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(biāo)進給傳動結(jié)構(gòu)。

圖2-25(b)為一端裝推力軸承,另一端裝向心球軸承。此種方式用于絲杠較長的情況,當(dāng)熱變形造成絲杠伸長時,其一端固定,另一端能作微量的軸向浮動。為減少絲杠熱變形的影響,安裝時應(yīng)使電機熱源和絲杠工作時的常用段遠離止推端。

圖2-25(c)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(yù)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。

圖2-25(d)為兩端裝推力軸承及向心球軸承。它的兩端均采用雙重支承并施加預(yù)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(yù)緊力,但設(shè)計時要求提高推力軸承的承載能力和支架剛度。

6.滾珠絲杠副的防護

滾珠絲杠副也可用潤滑劑來提高耐磨性及傳動效率。潤滑劑分為潤滑油和潤滑脂兩大類。潤滑油一般為機械油或90-180號透平油或140號主軸油。潤滑脂可采用鋰基潤滑脂。潤滑脂一般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)。

2.3.3進給傳動系統(tǒng)齒輪間隙的消除

1.直齒圓柱齒輪傳動

圖2-26是最簡單的偏心軸套式消除間隙結(jié)構(gòu)。電動機2通過偏心套1安裝在殼體上。轉(zhuǎn)動偏心套使電動機中心軸線的位置向上,而從動齒輪軸線位置固定不變,所以兩嚙合齒輪的中心距減小,從而消除了齒側(cè)間隙。圖2-26偏心套調(diào)整

圖2-27是用軸向墊片來消除間隙的結(jié)構(gòu)。兩個嚙合著的齒輪1和2的節(jié)圓直徑沿齒寬方向制成略帶錐度形式,使其齒厚沿軸線方向逐漸變厚。裝配時,兩齒輪按齒厚相反變化走向嚙合。改變調(diào)整墊片3的厚度,使兩齒輪沿軸線方向產(chǎn)生相對位移,從而消除間隙。圖2-27軸向墊片調(diào)整

圖2-28為雙片薄齒輪錯齒調(diào)整法。在一對嚙合的齒輪中,其中一個是寬齒輪(圖中未示出),另一個由兩薄片齒輪組成。薄片齒輪1和2上各開有周向圓弧槽,并在兩齒輪的槽內(nèi)各壓配有安裝彈簧4的短圓柱3。在彈簧4的作用下使齒輪1和2錯位,分別與寬齒輪的齒槽左右側(cè)貼緊,消除了齒側(cè)間隙,但彈簧4的張力必須足以克服驅(qū)動轉(zhuǎn)矩。由于齒輪1和2的軸向圓弧槽及彈簧的尺寸都不能太大,故這種結(jié)構(gòu)不宜傳遞轉(zhuǎn)矩,僅用于讀數(shù)裝置。圖2-28雙片薄齒輪錯齒調(diào)整

2.斜齒圓柱齒輪傳動

圖2-29為斜齒輪墊片調(diào)整法,其原理與錯齒調(diào)整法相同。斜齒輪l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D的墊片3,這樣它的螺旋線便錯開了,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D與齒側(cè)間隙4的關(guān)系可表示為

式中:γ———螺旋角。圖2-29斜齒輪墊片調(diào)整法

圖2-30為斜齒壓簧錯齒調(diào)整法,原理同上。其特點是齒側(cè)隙可以自動補償,但軸向尺寸較大,結(jié)構(gòu)不緊湊。圖2-30斜齒壓簧調(diào)整法

3.錐齒輪傳動

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。

圖2-31為軸向壓簧調(diào)整法。兩個嚙合著的錐齒輪1和2,其中在裝錐齒輪l的傳動軸5上裝有壓簧3,錐齒輪1在彈簧力的作用下可稍作軸向移動,從而消除間隙。彈簧力的劃、由螺母4調(diào)節(jié)。圖2-31錐齒輪軸向壓簧調(diào)整法

圖2-32為周向彈簧調(diào)整法。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。為了安裝的方便,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。圖2-32-錐齒輪周向壓簧調(diào)整法

4.預(yù)加負載雙齒輪

齒條傳動在大型數(shù)控機床(如大型數(shù)控龍門銑床)中,工作臺的行程很長,因此它的進給運動不宜采用滾珠絲杠副傳動。一般的齒輪齒條結(jié)構(gòu)是機床上常用的直線運動機構(gòu)之一,它效率高,結(jié)構(gòu)簡單,從動件易于獲得高的移動速度和長行程,適合在工作臺行程長的大型機床上用作直線運動機構(gòu)。但一般齒輪齒條傳動機構(gòu)的位移精度和運動平穩(wěn)性較差,為了利用其結(jié)構(gòu)上的優(yōu)點,除提高齒條本身的精度或采用精度補償措施外,還應(yīng)采取措施消除傳動間隙。

圖2-33(a)所示是預(yù)加負載雙齒輪齒條無間隙傳動機示意圖。進給電動機經(jīng)兩對減速齒輪傳遞到軸3,軸3上有兩個螺旋方向相反的斜齒輪5和7,分別經(jīng)兩級減速傳至與床身齒條2相嚙合的兩個小齒輪1。軸3端部有加載彈簧6,調(diào)整螺母,可使軸3上下移動。由于軸3上兩個齒輪的螺旋方向相反,因而兩個與床身齒條嚙合的小齒輪1產(chǎn)生相反方向的微量轉(zhuǎn)動,以改變間隙。當(dāng)螺母將軸3往上調(diào)時,將間隙調(diào)小或預(yù)緊力加大,反之則將間隙調(diào)大和預(yù)緊力減小。傳動間隙的調(diào)整也可以靠液壓加負載,如圖2-33(b)所示。圖2-33預(yù)加負載雙齒輪齒條無間隙傳動機構(gòu)

5.靜壓蝸桿－蝸輪條傳動

蝸桿－蝸輪條機構(gòu)是絲杠螺母機構(gòu)的一種特殊形式。如圖2-34所示,蝸桿可看作長度很短的絲杠,其長徑比很小。蝸輪條則可以看作一個很長的螺母沿軸向剖開后的一部分,其包容角常在90°~120°之間。圖2-34蝸桿蝸輪條傳動機構(gòu)

液體靜壓蝸桿蝸輪條機構(gòu)是在蝸桿蝸輪條的嚙合面間注入壓力油,以形成一定厚度的油膜,使兩嚙合齒面間成為液體摩擦,其工作原理如圖2-35所示。圖中油腔開在蝸輪上,用毛細管節(jié)流的定壓供油方式給靜壓蝸桿蝸輪條供壓力油。從液壓泵輸出的壓力油,經(jīng)過蝸桿螺紋內(nèi)的毛細管節(jié)流器10分別進入蝸輪條齒的兩側(cè)面油腔內(nèi),然后經(jīng)過嚙合面之間的間隙進入齒頂與齒根之間的間隙,之后壓力降為零,流回油箱。圖2-35靜壓蝸桿蝸輪條的工作原理

靜壓蝸桿蝸輪條傳動由于既有純液體摩擦的特點,又有蝸桿蝸輪條機構(gòu)結(jié)構(gòu)的特點,因此特別適合在重型機床的進給傳動系統(tǒng)上應(yīng)用,其優(yōu)點是:

(1)摩擦阻力小,啟動摩擦因數(shù)小于0.0005;功率消耗少,傳動效率高,可達0.94~0.98;在很低的速度下運動也很平穩(wěn)。

(2)使用壽命長,齒面不直接接觸,不易磨損,能長期保持精度。

(3)抗振性能好。油腔內(nèi)的壓力油層有良好的吸振能力。

(4)有足夠的軸向剛度。

(5)蝸輪條能無限接長,因此運動部件的行程可以很長,不像滾珠絲杠副受結(jié)構(gòu)的限制。

2.4數(shù)控機床分度工作臺和回轉(zhuǎn)工作臺

2.4.1數(shù)控分度工作臺分度工作臺只完成分度輔助運動,即按照數(shù)控系統(tǒng)的指令,在需要分度時,將工作臺及其工件回轉(zhuǎn)一定角度(45°、60°或90°等),以改變工件相對于主軸的位置,加工工件的各個表面。分度工作臺按其定位機構(gòu)的不同分為端面齒盤式和定位銷式兩類。

1.端面齒盤式分度工作臺

端面齒盤式分度工作臺是目前用得較多的一種精密的分度定位機構(gòu),可與數(shù)控機床做成整體的,也可以作為機床的標(biāo)準(zhǔn)附件。

端面齒盤式分度工作臺主要由工作臺面、底座、夾緊液壓缸分度液壓缸及端面齒盤等零件組成,見圖2-36。

端面齒盤式分度工作臺的優(yōu)點是分度和定心精度高,分度精度可達±(0.5~3)″。由于采用多齒重復(fù)定位,從而可使重復(fù)定位精度穩(wěn)定,而且定位剛性好,只要分度數(shù)能除盡端面齒盤齒數(shù),都能分度,適用于多工位分度。端面齒盤式分度工作臺除用于數(shù)控機床外,還用在各種加工和測量裝置中。缺點是端面齒盤的制造比較困難,此外它不能進行任意角度的分度。

2.定位銷式分度工作臺

圖2-37所示為THK6380型自動換刀數(shù)控臥式鏜銑床的定位銷式分度工作臺。分度工作臺臺面1的兩側(cè)有長方工作臺10。在不單獨使用分度工作臺時,它們可以作為整體工作臺使用。圖2-37定位銷式分度工作臺

2.4.2-數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺

數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺主要用于數(shù)控鏜床和數(shù)控銑床,其外形和分度工作臺十分相似,但其內(nèi)部結(jié)構(gòu)卻具有數(shù)控進給驅(qū)動機構(gòu)的許多特點。它的功能是使工作臺進行圓周進給,以完成切削工作,并使工作臺進行分度。開環(huán)系統(tǒng)中的數(shù)控轉(zhuǎn)臺由傳動系統(tǒng)、間隙消除裝置及蝸輪夾緊裝置等組成。

下面介紹JCS013型自動換刀數(shù)控臥式鏜銑床的數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺,如圖2-38所示。圖2-38數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺圖2-38數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺

開環(huán)系統(tǒng)的數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺的定位精度主要取決于蝸輪副的傳動精度,因而必須采用高精度的蝸輪副。除此之外,還可在實際測量工作臺靜態(tài)定位誤差之后,確定需要補償?shù)慕嵌任恢煤脱a償脈沖的符號(正向或反向),并將其記憶在補償回路中,由數(shù)控裝置進行誤差補償。

數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺設(shè)有零點,當(dāng)它作返回零點運動時,首先由安裝在蝸輪上的撞塊19(如圖2-38(b)所示)碰撞限位開關(guān),使工作臺減速;再通過感應(yīng)塊20和無觸點開關(guān)使工作臺準(zhǔn)確地停在零點位置上。

2.5自動換刀裝置

2.5.1數(shù)控車床刀架刀架是數(shù)控車床的重要功能部件,其結(jié)構(gòu)形式很多,主要取決于機床的形式、工藝范圍以及刀具的種類和數(shù)量等。下面介紹幾種典型刀架結(jié)構(gòu)。

1.經(jīng)濟型數(shù)控車床方刀架

經(jīng)濟型數(shù)控車床方刀架是在普通車床四方刀架的基礎(chǔ)上發(fā)展的一種自動換刀裝置,其功能和普通四方刀架一樣:有四個刀位,能裝夾四把不同功能的刀具;方刀架回轉(zhuǎn)90°時,刀具變換一個刀位,但方刀架的回轉(zhuǎn)和刀位號的選擇是由加工程序指令控制的;換刀時方刀架的動作順序是刀架抬起—刀架轉(zhuǎn)位—刀架定位—夾緊刀架。為完成上述動作要求,要有相應(yīng)的機構(gòu)來實現(xiàn),下面就以WZD4型刀架為例說明其具體結(jié)構(gòu)。

如圖2-39所示,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。圖2-39數(shù)控車床方刀架結(jié)構(gòu)圖2-39數(shù)控車床方刀架結(jié)構(gòu)

2.盤形自動回轉(zhuǎn)刀架

圖2-40為CK7815型數(shù)控車床采用的BA200L刀架結(jié)構(gòu)圖。該刀架可配置12位(A型或B型)、8位(C型)刀盤。A、B型回轉(zhuǎn)刀盤的外切刀可使用25mm×150mm的標(biāo)準(zhǔn)刀具和刀桿截面為25mm×25mm的可調(diào)工具,C型可用尺寸為20mm×20mm×125mm的標(biāo)準(zhǔn)刀具。鏜刀桿直徑最大為32mm。

刀具在刀盤上由壓板15及調(diào)節(jié)楔鐵16(見圖2-40(b))來夾緊,更換和對刀十分方便。圖2-40回轉(zhuǎn)刀架圖2-40回轉(zhuǎn)刀架

3.車削中心用動力刀架

圖2-41(a)為意大利Baruffaldi公司生產(chǎn)的適用于全功能數(shù)控車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(fù)雜工序,實現(xiàn)加工程序的自動化、高效化。

圖2-41(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)位由三相異步電動機驅(qū)動,電動機內(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動機驅(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。圖2-41動力轉(zhuǎn)塔刀架

2.5.2-加工中心自動換刀系統(tǒng)

加工中心是一種備有刀庫并能自動更換刀具對工件進行多工序加工的數(shù)控機床。工件經(jīng)一次裝夾后,數(shù)控系統(tǒng)能控制機床按不同工序自動選擇和更換刀具;自動改變機床主軸的轉(zhuǎn)速、進給量和刀具相對工件的運動軌跡及其他輔助機能;依次完成工件幾個面上多工序的加工。由于加工中心能集中完成多種工序,因而可減少工件裝夾、測量和機床的調(diào)整時間,減少工件周轉(zhuǎn)、搬運和存放時間,使機床的切削利用率很高,具有良好的經(jīng)濟效果。

自動換刀系統(tǒng)是加工中心的重要組成部分,主要包括刀庫、刀具交換裝置(機械手)等部件。刀庫是存放加工過程所要使用的全部刀具的裝置。當(dāng)需要換刀時,根據(jù)數(shù)控機床指令,由機械手將刀具從刀庫取出并裝入主軸中心。刀庫的容量從幾把刀具到上百把刀具不等,機械手的結(jié)構(gòu)根據(jù)刀庫與主軸的相對位置及結(jié)構(gòu)的不同也有多種形式,下面具體加以介紹。

1.刀庫的形式

刀庫的形式很多,結(jié)構(gòu)也各不相同,加工中心最常用的刀庫有鼓輪式刀庫和鏈?zhǔn)降稁靸煞N。

1)鼓輪式刀庫

鼓輪式刀庫結(jié)構(gòu)緊湊、簡單,在鉆削中心上應(yīng)用較多,一般存放刀具不超過32把。圖2-42為刀具軸線與鼓輪軸線平行分布的刀庫,其中圖2-42(a)為徑向取刀形式,圖2-42(b)為軸向取刀形式。圖2-42-鼓輪式刀庫之一

圖2-43為刀具徑向安裝在刀庫上(圖2-43(a))和刀具軸線與鼓輪軸線成一定角度分布的結(jié)構(gòu)(圖2-43(b)),這種結(jié)構(gòu)占地面積較大。圖2-43鼓輪式刀庫之二

2)鏈?zhǔn)降稁?/p>

鏈?zhǔn)降稁焓窃诃h(huán)形鏈條上裝有許多刀座,刀座的孔中裝夾各種刀具,鏈條由鏈輪驅(qū)動。鏈?zhǔn)降稁爝m用于刀庫容量較大的場合,且多為軸向取刀。鏈?zhǔn)降稁煊袉苇h(huán)鏈?zhǔn)胶投喹h(huán)鏈?zhǔn)降葞追N,如圖2-44(a)、(b)所示。當(dāng)鏈條較長時,可以增加支承鏈輪的數(shù)目,使鏈條折迭回繞,提高了空間利用率,如圖2-44(c)所示。圖2-44多種鏈?zhǔn)降稁?/p>

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。

1)順序選刀刀具的順序選擇方式是指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,刀具在刀庫上排列順序也要改變。這種方式的缺點是同一工件上相同的刀具不能重復(fù)使用,因此增加了刀具的數(shù)量,降低了刀具和刀庫的利用率,但其控制及刀庫運動等比較簡單。

2)任意選刀

任意選刀方式是指預(yù)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。任意選刀有四種方式:

①刀具編碼方式;

②附件編碼方式;

③刀座編碼方式;

④計算機記憶方式。

(1)刀具編碼方式。

刀具編碼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(fù)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。

接觸式識別的編碼刀柄如圖2-45所示。圖2-45編碼刀柄示意圖

光電識別方法的原理如圖2-46所示。圖2-46光電識別方法

(2)附件編碼方式。

附件編碼方式可分為編碼鑰匙、編碼卡片、編碼桿和編碼盤等,其中應(yīng)用最多的是編碼鑰匙。這種方式是先給刀具都縛上一把表示該刀具號的編碼鑰匙,當(dāng)把某把刀具放入刀庫中時,識別裝置可以通過識別刀具上的號碼來選取該鑰匙旁邊的刀具。這種編碼方式也稱為臨時性編碼,因為從刀座中取出刀具時,刀座中的編碼鑰匙也會被取出,刀庫中原來的編碼隨之消失。因此,這種方式具有更大的靈活性。采用這種編碼方式時,用過的刀具不必放回原來的刀座中。

(3)刀座編碼方式。

刀座編碼是對刀庫中所有刀座預(yù)先編碼,每把刀具放人相應(yīng)刀座之后,就具有了相應(yīng)刀座的編碼,即刀具在刀庫中的位置是固定的。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),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(fù)多次使用,缺點是必須把用過的刀具放回原來的刀座。

(4)計算機記憶方式。

目前應(yīng)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(yīng)地存放在計算機的存儲器或可編程控制器的存儲器中。不論刀具存放在哪個刀座上,新的對應(yīng)關(guān)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(shè)置編碼元件,結(jié)構(gòu)大為簡化,控制也十分簡單。計算機控制的機床幾乎全部采用這種方式選刀。

3.刀具交換裝置

在數(shù)控機床的自動換刀系統(tǒng)中,實現(xiàn)刀庫與機床主軸之間刀具傳遞和刀具裝卸的裝置稱為刀具交換裝置。刀具的交換方式通常分為無機械手換刀和有機械手換刀兩大類。

1)無機械手換刀無機械手換刀的方式是利用刀庫與機床主軸的相對運動實現(xiàn)刀具交換。XH754型臥式加工中心就是采用這類刀具交換裝置的實例,其外形如圖17所示。

該機床主軸2在立柱上可以沿Y軸方向上下移動,工作臺1橫向運動為Z軸,縱向移動為X軸。鼓輪式刀庫3位于機床頂部,有30個裝刀位置,可裝29把刀具。4為數(shù)控柜。換刀過程見圖2-47。圖2-47換刀過程

這種換刀機構(gòu)不需要機械手,結(jié)構(gòu)簡單、緊湊。由于交換刀具時機床不工作,所以不會影響加工精度,但會影響機床的生產(chǎn)效率。其次因刀庫尺寸限制,裝刀數(shù)量不能太多,因此常用于小型加工中心。

刀庫轉(zhuǎn)位機構(gòu)由伺服電動機通過消隙齒輪1、2帶動蝸桿3,通過蝸輪4使刀庫轉(zhuǎn)動,如圖2-48所示。蝸桿為右旋雙導(dǎo)程蝸桿,可以用軸向移動的方法來調(diào)整蝸輪副的間隙。壓蓋5內(nèi)孔螺紋與套6相配合,轉(zhuǎn)動套6即可調(diào)整蝸桿的軸向位置,也就調(diào)整了蝸輪副的間隙。調(diào)整好后用螺母7鎖緊。圖2-48刀庫轉(zhuǎn)位機構(gòu)

刀庫及轉(zhuǎn)位機構(gòu)在同一個箱體內(nèi),由液壓缸實現(xiàn)其移動。圖2-49為刀厙液壓缸結(jié)構(gòu)圖,1是刀庫和轉(zhuǎn)位機構(gòu),2是液壓缸,3是立柱頂部平面。圖2-49刀厙液壓缸結(jié)構(gòu)圖

2)機械手換刀

采用機械手進行刀具交換的方式應(yīng)用得最為廣泛,這是因為機械手換刀有很大的靈活性,而且可以減少換刀時間。機械手的結(jié)構(gòu)形式是多種多樣的,因此換刀運動也有所不同。下面以臥式鏜銑加工中心為例說明采用機械手換刀的工作原理。

如圖2-50所示,該機床采用的是鏈?zhǔn)降稁?位于機床立柱左側(cè)。由于刀庫中存放刀具的軸線與主軸的軸線垂直,故而機械手需要有三個自由度。機械手沿主軸軸線的插拔刀具動作,由液壓缸來實現(xiàn);繞豎直軸90°的擺動進行刀庫與主軸間刀具的傳送動作,由液壓馬達實現(xiàn);繞水平軸旋轉(zhuǎn)180°完成刀庫與主軸上刀具交換的動作,也由液壓馬達實現(xiàn),其換刀分解動作如圖2-50(a)~(f)所示。圖2-50換刀分解動作示意圖

為防止刀具掉落,各種機械手的刀爪都必須帶有自鎖機構(gòu)。圖2-51是機械手臂和刀爪部分的構(gòu)造。它有兩個固定刀爪5,每個刀爪上還有一個活動銷4,它依靠后面的彈簧1在抓刀后頂住刀具。為了保證機械手在運動時刀具不被甩出,有一個鎖緊銷2。當(dāng)活動銷4頂住刀具時,鎖緊銷2就被彈簧3彈起,將活動銷4鎖住,再不能后退。當(dāng)機械手處在上升位置要完成插拔刀動作時,銷6被擋塊壓下使銷2也退下,故可以自由地抓放刀具。圖2-51機械手臂和刀爪

知識拓展

1.電主軸數(shù)控機床將高效、高精度和高柔性集為一體。為了得到高生產(chǎn)效率和高加工精度,高速加工技術(shù)越來越受到業(yè)內(nèi)的重視。超高速數(shù)控機床是實現(xiàn)超高速加工的物質(zhì)基礎(chǔ),而高速主軸又是超高速數(shù)控機床的“核心”部件,它的性能直接決定了機床的超高速加工性能,它不但要求較高的速度精度,而且要求連續(xù)輸出的高轉(zhuǎn)矩能力和非常寬的恒功率運行范圍