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1、模块二 数控机床的机械结构及维修主讲 张 红 旗黄冈科技职业学院机电汽车工程系模块二 数控机床的机械结构n1. 概述n2. 数控机床的机械结构n3. 数控机床的主传动系统n4. 数控机床的进给系统n5. 数控机床用导轨n6. 自动换刀装置n7. 数控工作台与分度工作台n与普通机床相比，数控机床机械结构有许多特 点。n在主传动系统方面，具有下列特点：n(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 逐步被直流调速电机和新型的交流调速电机所代替 。n(2)转速高，功率大。n(3)变速范围大。n(4)主轴速度的变换迅速可靠。2.1 概述1. 数控机床机械结构
2、概述主轴提供切削功率、在高档数 控机床中还具有C轴功能及定 向功能 电主轴数控车床主轴换挡控制普通交流鼠笼式异步电动机配变频器1-冷却液喷嘴；2-刀具；3-拉钉；4-主轴；5-弹性卡爪；6-喷气嘴7-拉杆；8-定位凸轮；9-碟形弹簧；10-轴套；11-固定螺母；12-旋转接头；13-推杆；14-液压缸；15-交流伺服电机；16-换挡齿轮图2-3ZHS-K63 加工中心 主轴内部 刀具夹紧 机构1. 数控机床机械结构概述n在进给传动系统方面，具有下列特点：n（1）尽量采用低摩擦的传动副。采用静压导轨 、滚动导轨和滚珠丝杠等，以减小摩擦力。n（2）选用最佳的降速比，以达到提高机床分辨 率，使工作台
3、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。n（3）缩短传动链及用预紧的方法提高传动系统 的刚度。n（4）尽量消除传动间隙，减小反向死区误差 。2.1 概述1. 数控机床机械结构概述进给部件：其作用是在伺服电机的驱动下 完成直线运动的定位、进给。下图 是滚珠丝杠、联轴节的实物照片。 n滚珠丝杠螺母副机构滚珠丝杠螺母副是一种新型的传动机构，它的结 构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，以减小摩擦，如图2-4所示。1. 数控机床机械结构概述滚珠丝杠螺母副n（2）滚珠循环方式。目前国内外生产的滚珠丝 杠螺母副，可分为外循环和内循环两类。如图2-7所 示为
4、外循环螺旋槽式滚珠丝杠副如图2-8所示为内循 环滚珠丝杠螺母副。数控机床的进给系统图2-7 外循环螺旋槽式滚珠丝杠副图数控机床的进给系统图2-8 内循环滚珠丝杠螺母副数控机床的进给系统n常用的双螺母消除轴向间隙的结构形式有以下3 种。n（a）垫片调隙式（图2-9）1、2-单螺母；3-螺母座；4-调整垫片图2-9 垫片调隙式数控机床的进给系统n （b）螺纹调隙式（图2-10）1、2-单螺母；3-平键；4-调整螺母图2-10 螺纹调隙式数控机床的进给系统n（c）齿差调隙式（图2-11）。1、4-内齿圈；2、3-单螺母 图2-11 齿差调隙式数控机床的进给系统图2-14 滚珠丝杠在机床上的支承方式
5、滚珠丝杠齿形带 及带轮丝杠母润滑油管伺服电机数控机床用导轨 n（1）滑动导轨。在数控机床上常用的滑动导 轨有液体静压导轨、气体静压导轨和贴塑导轨。n液体静压导轨。在两导轨工作面间通入具有 一定压力的润滑油，形成静压油膜，使导轨工作面 间处于纯液态摩擦状态，摩擦系数极低。n气体静压导轨。在两导轨工作面间通入具有 恒定压力的气体，使两导轨面形成均匀分离，以得 到高精度的运动。n贴塑导轨。在动导轨的摩擦表面上贴上一层 由塑料等其他化学材料组成的塑料薄膜软带。数控机床用导轨 n（2）滚动导轨。滚动导轨的最大优点是摩擦 系数小，一般为0.00250.005n近年来数控机床愈来愈多地采用由专业厂家生 产的
6、直线滚动导轨副或滚动导轨块。这种导轨组件 本身制造精度很高，对机床的安装基面要求不高， 安装、调整都非常方便。数控机床用导轨 n如图2-16所示为一种滚动导轨块组件，其特点 是刚度高、承载能力大、导轨行程不受限制。当运 动部件移动时，滚珠3在支承部件的导轨与本体6之 间滚动，同时绕本体6循环滚动。每一导轨上使用 导轨块的数量可根据导轨的长度和负载的大小确定 。1-防护板；2-端盖；3-滚珠；4-导向片；5-保护架；6-本体图2-16 滚动导轨块组件自动换刀装置数控车床的转塔刀架 、加工中心的刀库及换刀机 构，能够使工件一次装夹后 不用再拆卸工件就可完成多 工序的加工。 自动换刀装置 n一、自动
7、换刀装置的形式n1. 回转刀架换刀n数控车床上使用的回转刀架是一种最简单的自 动换刀装置，根据不同加工对象，可以设计成四方 刀架和六角刀架等多种形式。n数控车床回转刀架动作的要求是刀架抬起、刀 架转位、刀架定位和刀架夹紧。自动换刀装置 n如图2-17所示为数控车床六角回转刀架，它适 用于盘类零件的加工。1活塞 2刀架体 3、7齿轮 4齿圈 5空套齿轮 6活塞 8齿条 9固定插销 10活动插销 11推杆 12触头n 自动换刀装置 n2. 转塔头式换刀装置n一般数控机床常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
8、具，当发出换刀指令时，各种主轴头依次 转到加工位置，并接通主运动，使相应的主轴带动 刀具旋转，而其他处于不同加工位置的主轴都与主 运动脱开。自动换刀装置 1-主轴；2-端盖；3-螺母；4-套筒；5、6、15-齿轮；7、8-鼠齿盘； 9、11-推力轴承；10-转塔刀架；12-活塞 13-中心液压缸；14-操纵杆；16-顶杆； 17-螺钉； 18-轴承图2-18 卧式八轴转塔头自动换刀装置 n3. 车削中心用动力刀架n如图2-19(a)所示为意大利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。n如图2-19(b)所示为该转塔刀架的传动示意图 。图2-19 动力转塔
9、刀架自动换刀装置 n二、带刀库的自动换刀系统n自动换刀数控机床多采用刀库式自动换刀装置 。带刀库的自动换刀系统由刀库和刀具交换机构组 成，它是多工序数控机床上应用最广泛的换刀方法 。n整个换刀过程较为复杂，首先把加工过程中需 要使用的全部刀具分别安装在标准的刀柄上，在进 行尺寸预调整之后，按一定的方式放入刀库，换刀 时先在刀库中进行选刀，并由刀具交换装置从刀库 和主轴上取出刀具。在进行刀具交换之后，将新刀 具装入主轴，把旧刀具放入刀库。n常见的刀库形式有3种，即盘形刀库，链式刀 库，格子箱刀库等。自动换刀装置n1. 直接在刀库与主轴（或刀架）之间换刀的自 动换刀装置n这种换刀装置只具备一个刀库
10、，刀库中储存着 加工过程中需使用的各种刀具，利用机床本身与刀 库的运动实现换刀过程。如图2-20所示为自动换 刀数控立式车床示意图。1-工作台；2-工件；3-立柱 4-横梁；5-刀架滑座6-刀架滑枕；7-刀库图2-20 自动换刀数控立式车床示意图自动换刀装置 1-刀库；2-换刀机械手；3、4-刀具主轴；5-转塔头；6-工件；7-工作台图2-22 机械手和转塔头配合刀库换刀的自动换刀过程自动换刀装置 n刀具交换装置n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。自动
11、换刀装置n1. 利用刀库与机床主轴的相对运动实现刀具交 换的装置n此装置在换刀时必须首先将用过的刀具送回刀 库，然后再从刀库中取出新刀具，这两个动作不可 能同时进行，如图2-23所示的数控立式镗铣床就 是采用这类刀具交换方式的实例。1-工件；2-刀具；3-主轴4-主轴箱；5-刀库图2-23 数控立式镗铣床自动换刀装置 图2-24 双臂机械手常用机构自动换刀装置 n如图2-25所示是双刀库机械手换刀装置图2-25 双刀库机械手换刀装置自动换刀装置 n根据各类机床的需要，自动换刀数控机床所使 用的刀具的刀柄有圆柱形和圆锥形两种。为了使机 械手能可靠地抓取刀具，刀柄必须有合理的夹持部 分，而且应当尽
12、可能使刀柄标准化。如图2-26所 示是常用的两种刀柄结构。nV形槽夹持结构（图2-26(a)）适用于图2-24 的各种机械手n法兰盘夹持结构（图2-26(b)）适用于钳式机 械手装夹图2-26 刀柄结构自动换刀装置 n四、机械手n机械手的形式常见的有如图2-27所示的几种形 式。图2-27 各种形式的机械手 自动换刀装置 n1. 单臂单爪回转式机械手n这种机械手的手臂可以回转不同的角度，进行 自动换刀，手臂上只有一个卡爪，不论在刀库上或 是在主轴上，均靠这一个卡爪来装刀及卸刀，因此 换刀时间较长，见图2-27a。 n2. 单臂双爪回转式机械手n这种机械手的手臂上有两个卡爪，两个卡爪有 所分工，
13、一个卡爪只执行从主轴上取下“旧刀”送 回刀库的任务。另一个卡爪则执行由刀库取出“新 刀”送到主轴的任务，其换刀时间较上述单爪回转 式机械手要少，见图2-27b。 自动换刀装置 n3. 双臂回转式机械手n这种机械手的两臂各有一个卡爪，两个卡爪可 同时抓取刀库及主轴上的刀具，回转180o后又同时 将刀具放回刀库及装入主轴。换刀时间较以上两种 单臂机械手均短，是最常用的一种形式。图2-27c 右边的一种机械手在抓取或将刀具送入刀库及主轴 时，两臂可伸缩。 n4. 双机械手n这种机械手相当于两个单臂单爪机械手，互相 配合起来进行自动换刀。其中一个机械手从主轴上 取下“旧刀”送回刀库，另一个机械手由刀库
14、取出 “新刀”装入机床主轴，见图2-27d。 自动换刀装置 n5. 双臂往复交叉式机械手n这种机械手的两手臂可以往复运动，并交叉成 一定角度。一个手臂从主轴上取下“旧刀”送回刀 库，另一个手臂由刀库取出“新刀”装入机床主轴 。整个机械手可沿某导轨直线移动或绕某个转轴回 转，以实现刀库与主轴间的运刀工作，见图2-27e 。 n6. 双臂端面夹紧式机械手n这种机械手只是在夹紧部位上与前几种不同。 前几种机械手均靠夹紧刀柄的外圆表面以抓取刀具 ，这种机械手则夹紧刀柄的两个端面，见图2-27f 。 数控回转工作台与分度工作台 n一、数控回转工作台 n数控回转工作台的功用有两个：一是使工作台 进行圆周进
15、给运动，二是工作台进行分度运动。 n用于开环系统中的数控回转工作台是由传动系 统、间隙消除装置及蜗轮夹紧装置等组成。当接到 控制系统的回转指令后，首先要把蜗轮松开，然后 开动电液脉冲马达，按照指令脉冲来确定工作台回 转的方向、速度、角度大小以及回转过程中速度的 变化等参数。当工作台回转完毕后，再把蜗轮夹紧 。 数控回转工作台与分度工作台 1-电液脉冲马达 2-偏心环 3-主动齿轮 4-从动齿轮 5-销钉 6-锁紧瓦 7-套筒 8-螺钉 9-丝杠 10-蜗杆 11-蜗轮 12、13-夹紧瓦 14-液压缸 15-活塞 16-弹簧 17-钢球 18-底座 19-光栅 20、21-轴承 JCS-013
16、型自动换刀数控卧式镗铣床的数控回转工作台数控回转工作台与分度工作台 图2-29 定位销式分度工作台 数控回转工作台与分度工作台 n2. 齿盘式分 度工作台 n图2-30为 Z65258型转转塔 式坐标标卧式钻钻床 的齿盘齿盘 分度工作 台的液压系统图， 图2-31为分度工作 台的结构图。 图2-30 分度工作台的液压系统 数控回转工作台与分度工作台 1-分度工作台 2、4、15、18-管道 3、17-活塞 5、10-轴承 6、7-齿盘 8、9、22、23-推杆 11-内齿轮 12-外齿轮 13-下腔 14-上腔 16-左腔 19-右腔 20-挡铁 21-挡块 图2-31 齿盘式分度工作台 2.8 高速动力卡盘与其它辅助装置 n一、高速动力卡盘n高速动力卡盘一般只用于数控机床。随着卡盘 的转速提高，由卡爪、滑座
