數(shù)控機(jī)床的自動換刀裝置和數(shù)控工作臺

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1、第6章 數(shù)控機(jī)床的自動換刀裝置和數(shù)控工作臺6.1自動換刀裝置 為了提高數(shù)控機(jī)床的加工效率，除了要提高切削速度，減少非切削時間也非常重要，現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床正向著工件在一臺機(jī)床上一次裝夾可完成多道工序或全部工序加工的方向發(fā)展，這些多工序加工的數(shù)控機(jī)床在加工過程中需使用多種刀具，因此必須有自動換刀裝置，以便選用不同的刀具來完成不同工序的加工。 自動換刀裝置應(yīng)具備換刀時間短，刀具重復(fù)定位精度高，有足夠的刀具儲備量，占地面積小，安全可靠等特性。 各類數(shù)控機(jī)床的自動換刀裝置的結(jié)構(gòu)和數(shù)控機(jī)床的類型、工藝范圍、使用刀具種類和數(shù)量有關(guān)。數(shù)控機(jī)床常用的自動換刀裝置的類型、特點、適用范圍見表6-1所示。 類型特點適用范

2、圍轉(zhuǎn)塔刀架 回轉(zhuǎn)刀架 回轉(zhuǎn)刀架多為順序換刀換刀時間短，結(jié)構(gòu)簡單緊湊，容納刀具較少 各種數(shù)控車床，車削中心機(jī)床 轉(zhuǎn)塔頭 順序換刀，換刀時間短，刀具主軸都集中在轉(zhuǎn)塔頭上，結(jié)構(gòu)緊湊，但剛性較差，刀具主軸數(shù)受限制 數(shù)控鉆床、鏜床 刀 庫式 刀庫與主軸之間直接換刀 換刀運動集中，運動部件少。但刀庫運動多。布局不靈活，適應(yīng)性差 各種類型的自動換刀數(shù)控機(jī)床，尤其是對使用回轉(zhuǎn)類刀具的數(shù)控鏜銑，鉆鏜類立式、臥式加工中心機(jī)床，要根據(jù)工藝范圍和機(jī)床特點，確定刀庫容量和自動換刀裝置類型，用于加工工藝范圍的立、臥式車削中心機(jī)床 用機(jī)械手配合刀庫換刀 刀庫只有選刀運動，機(jī)械手進(jìn)行換刀運動，比刀庫作換刀運動慣性小，速度快

3、用機(jī)械手、運輸裝置配合刀庫換刀 換刀運動分散，有多個部件實現(xiàn)，運動部件多，但布局靈活，適應(yīng)性好 有刀庫的轉(zhuǎn)塔頭換刀裝置 彌補(bǔ)轉(zhuǎn)換刀數(shù)量不足的缺點，換刀時間短 擴(kuò)大工藝范圍的各類轉(zhuǎn)塔式數(shù)控機(jī)床 表6-1自動換刀裝置的主要類型、特點及適用范圍 6.1.1數(shù)控車床的自動轉(zhuǎn)位刀架 刀架是數(shù)控車床的重要功能部件，其結(jié)構(gòu)形式很多，下面介紹幾種典型刀架結(jié)構(gòu)。 1.數(shù)控車床方刀架 數(shù)控車床方刀架是在普通車床方刀架的基礎(chǔ)上發(fā)展的一種自動換刀裝置，它有四個刀位，能同時裝夾四把刀具，刀架回轉(zhuǎn)90，刀具變換一個刀位，轉(zhuǎn)為信號和刀位號的選擇由加工程序指令控制。圖6-1所示為數(shù)控車床方刀架結(jié)構(gòu)。 1電動機(jī) 2聯(lián)軸器 3蝸

4、桿軸 4蝸輪絲杠 5刀架底座 6粗定位盤 7刀架體 8球頭銷9轉(zhuǎn)位套 10電刷座 11發(fā)迅體 12螺母 13、14電刷 15粗定位銷圖6-1 數(shù)控車床方刀架結(jié)構(gòu) 其換刀過程如下：刀架抬起 當(dāng)數(shù)控裝置發(fā)出換刀指令后，電動機(jī)1啟動正轉(zhuǎn)，通過平鍵套筒聯(lián)軸器2使蝸桿軸3轉(zhuǎn)動，從而帶動蝸輪絲杠4轉(zhuǎn)動。刀架體7的內(nèi)孔加工有內(nèi)螺紋，與蝸輪絲杠旋合。蝸輪絲杠內(nèi)孔與刀架中心軸外圓是滑配合，在轉(zhuǎn)位換刀時，中心軸固定不動，蝸輪絲杠繞中心軸空轉(zhuǎn)。當(dāng)蝸輪絲杠開始轉(zhuǎn)動時，由于刀架體7和刀架體底座5上的端面齒處于嚙合狀態(tài)，且蝸輪絲杠軸向固定，因此刀架體7不能轉(zhuǎn)動只能軸向移動，這是刀架體抬起。 （2）刀架轉(zhuǎn)位 當(dāng)?shù)都荏w抬至一

5、定距離后，端面齒脫開，轉(zhuǎn)位套用銷釘與蝸輪絲杠聯(lián)接，隨蝸輪絲杠一起轉(zhuǎn)動，當(dāng)端面齒完全脫開時，轉(zhuǎn)位套9正好轉(zhuǎn)過160（如圖6-1AA剖視圖所示），球頭銷8在彈簧力的作用下進(jìn)入轉(zhuǎn)位套9的槽內(nèi)，轉(zhuǎn)位套通過彈簧銷帶動刀架體轉(zhuǎn)位。（3）刀架定位 刀架體7轉(zhuǎn)動時帶著電刷座10轉(zhuǎn)動，當(dāng)轉(zhuǎn)到程序指令的刀號時，定位銷15在彈簧的作用下進(jìn)入粗定位盤6的槽中進(jìn)行粗定位，同時電刷13、14接觸導(dǎo)通，是電動機(jī)1反轉(zhuǎn)。由于粗定位槽的限制，刀架體7不能 轉(zhuǎn)動，使其在該位置垂直落下，刀架體7和刀架底座5上的端面齒嚙合實現(xiàn)精確定位。 （4）夾緊 刀架電動機(jī)1繼續(xù)反轉(zhuǎn)，此時蝸輪絲杠停止轉(zhuǎn)動，蝸桿軸3繼續(xù)轉(zhuǎn)動，端面齒間夾緊力不斷增加

6、，轉(zhuǎn)距不斷增大，達(dá)到一定值時，在傳感器的控制下電動機(jī)1停止轉(zhuǎn)動。 譯碼裝置由發(fā)信體11、電刷13、14組成。 電刷13負(fù)責(zé)發(fā)信，電刷14負(fù)責(zé)位置判斷。當(dāng)?shù)都芏ㄎ怀霈F(xiàn)過位或不到位時，可松開螺母12，調(diào)好發(fā)信體11與電刷14的相對位置。這種刀架在經(jīng)濟(jì)性數(shù)控機(jī)床及臥式車床的數(shù)控化改造中應(yīng)用廣泛。 2.數(shù)控車床盤形自動回轉(zhuǎn)刀架圖6-2所示為CK7815型數(shù)控車床采用的BA200L刀架的結(jié)構(gòu)。 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25mm150mm標(biāo)準(zhǔn)刀具和刀桿截面為25mm25mm的可調(diào)刀具，C型可用尺寸為20mm20mm125mm的標(biāo)準(zhǔn)刀具。 鏜刀桿最

7、大直徑為32mm。刀架轉(zhuǎn)位為機(jī)械傳動，端面齒盤定位。 1刀架 2、3端面齒盤 4滑快 5蝸輪 6軸 7蝸桿 8、9、10傳動齒輪 11電動機(jī)12微動開關(guān) 13小軸 14圓環(huán) 15壓板 16鍥鐵圖6-2 回轉(zhuǎn)刀架 轉(zhuǎn)位過程如下：（1）回轉(zhuǎn)刀架的松開 轉(zhuǎn)位開始時，電磁制動器斷電，電動機(jī)11通電轉(zhuǎn)動，通過齒輪10、9、8帶動蝸桿7旋轉(zhuǎn)，使蝸輪5轉(zhuǎn)動。蝸輪內(nèi)孔有螺紋，與軸6上的螺紋配合。端面齒盤3被固定在刀架箱體上，軸6和端面齒盤2固定連接，端面齒盤2和3處于嚙合狀態(tài)，因此，蝸輪5轉(zhuǎn)動時，軸6不能轉(zhuǎn)動，只能和端面齒盤2、刀架體1同時向左移動，直到端面齒盤2和3脫離嚙合。 （2）轉(zhuǎn)位 軸6外圓柱面上有兩

8、個對稱槽，內(nèi)裝滑塊4。當(dāng)端面齒盤2和3脫離嚙合后，蝸輪5轉(zhuǎn)到一定角度時，與蝸輪5固定在一起的圓環(huán)14左側(cè)端面的凸塊便碰到滑塊4，蝸輪繼續(xù)轉(zhuǎn)動，通過14上的凸塊帶動滑塊連同軸6、刀架體1一起進(jìn)行轉(zhuǎn)位。 （3）回轉(zhuǎn)刀架的定位 到達(dá)要求位置后，電刷選擇器發(fā)出信號，使電機(jī)11反轉(zhuǎn)，這時蝸輪5與圓換14反向旋轉(zhuǎn)，凸塊與滑塊4脫離，不再帶動軸6轉(zhuǎn)動。 同時，蝸輪5與軸6上的旋和螺紋使軸6右移，端面齒盤2和3嚙合并定位。當(dāng)齒盤壓緊時，軸6右端的小軸13壓下微動開關(guān)，發(fā)出轉(zhuǎn)位結(jié)束信號，電動機(jī)斷電，電磁制動器通電，維持電動機(jī)軸上的反轉(zhuǎn)力矩，以保持端面齒盤之間有一定的壓緊力。 刀具在刀盤上由壓板15及調(diào)節(jié)楔鐵16

9、來夾緊，更換和對刀十分方便。 刀位選擇由刷型選擇器進(jìn)行，松開、夾緊位置檢測由微動開關(guān)12控制。整個刀架控制是一個純電氣系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)簡單。 3.車削中心動力轉(zhuǎn)塔刀架 圖6-3(a)為意大利Baruffaldi公司生產(chǎn)的適用于全功能型數(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(jìn)行加工，還可以安裝動力刀夾進(jìn)行主動切削，配合主機(jī)完成車、銑、鉆、鏜等各種復(fù)雜工序，實現(xiàn)加工程序自動化、高效化。 圖6-3(b)為該轉(zhuǎn)塔刀夾的傳動示意圖。刀架采用端面齒盤作為分度定位元件，刀架轉(zhuǎn)位由三相異步電動機(jī)驅(qū)動，電動機(jī)內(nèi)部帶有制動機(jī)構(gòu)，刀為由二進(jìn)制絕

10、對編碼器識別，并可正反雙向轉(zhuǎn)位和任意刀位就近選刀。動力刀具由交流飼服電動機(jī)驅(qū)動，通過同步齒型帶、傳動軸、傳動齒輪、端面齒離合器將動力傳至動力刀夾，在通過刀夾內(nèi)部的齒輪傳動，刀具回轉(zhuǎn)，實現(xiàn)主動切削。 圖6-3 動力轉(zhuǎn)塔刀架 7.1.2轉(zhuǎn)塔頭式換刀裝置 帶有旋轉(zhuǎn)刀具的數(shù)控機(jī)床常采用轉(zhuǎn)塔頭式自動換刀裝置，如數(shù)控鉆鏜床的多軸轉(zhuǎn)塔頭等。在轉(zhuǎn)塔頭上裝有幾個主軸，每個主軸上均裝一把刀具，加工過程中轉(zhuǎn)塔頭可自動轉(zhuǎn)位，從而實現(xiàn)自動換刀。主軸轉(zhuǎn)塔頭可看作是一個轉(zhuǎn)塔刀庫，它的結(jié)構(gòu)簡單，換刀時間短，僅為2s左右。但由于受到空間位置的限制，主軸數(shù)目不能太多，主軸部件的結(jié)構(gòu)剛度也有所下降，通常只適用與工序較少，精度要求不

11、太高的機(jī)床，如數(shù)控鉆床、數(shù)控銑床等。 為了彌補(bǔ)轉(zhuǎn)塔換刀數(shù)量少的缺點，近年來出現(xiàn)了一種機(jī)械手和轉(zhuǎn)塔頭配合刀庫進(jìn)行換刀的自動換刀裝置，如圖6-4所示。它實際上是轉(zhuǎn)塔頭換刀裝置和刀庫式換刀裝置的結(jié)合。它的工作原理如下：轉(zhuǎn)塔頭5上安裝兩個刀具主軸3和4，當(dāng)用一個刀具主軸上的刀具進(jìn)行加工時，機(jī)械手2將下一個工序需要的刀具換至不工作的主軸上，待本工序完成后，轉(zhuǎn)塔頭回轉(zhuǎn)180，完成換刀。 因為它的換刀時間大部分和機(jī)械加工時間重合，只需要轉(zhuǎn)塔頭轉(zhuǎn)位的時間，所以換刀時間很短，而且轉(zhuǎn)塔頭上只有兩個主軸，有利于提高主軸的結(jié)構(gòu)剛性，但還未能達(dá)到精鏜加工所需要的主軸剛度，這種換刀方式主要用于數(shù)控鉆床，也可用于數(shù)控銑鏜床

12、和數(shù)控組合機(jī)床。 圖6-4 機(jī)械手和轉(zhuǎn)塔頭配合刀庫換刀的自動換刀裝置1-刀庫 2-機(jī)械手 3.4-刀具主軸 5-轉(zhuǎn)塔頭 6-工件 7-工作臺 6.1.3 刀庫式自動換刀裝置 刀庫式自動換刀裝置主要應(yīng)用于加工中心上。加工中心是一種備有刀庫并能自動更換刀具對工件進(jìn)行多工序加工的數(shù)控機(jī)床。工件經(jīng)一次裝夾后，數(shù)控系統(tǒng)能控制機(jī)床連續(xù)完成多工步的加工，工序高度集中。自動換刀裝置是加工中心的重要組成部分，主要包括刀庫、刀具交換裝置等部分。 1.刀庫 刀庫是存放加工過程中所使用的全部刀具的裝置，它的容量從幾把刀到上百把刀。加工中心刀苦的形式很多，結(jié)構(gòu)也各不相同，常用的有鼓盤式刀庫、鏈?zhǔn)降稁旌透褡訋焓降稁臁?1

13、）鼓盤式刀庫 鼓盤式刀庫結(jié)構(gòu)簡單、緊湊，在鉆削中心上應(yīng)用較多。一般存放刀具數(shù)目不超過32把。目前，大部分的刀庫安裝在機(jī)床立柱的頂面和側(cè)面，當(dāng)?shù)稁烊萘枯^大時，為了防止刀庫轉(zhuǎn)動造成的振動對加工精度的影響，也有的安裝在單獨的地基上。圖7-5為刀具軸線與鼓盤軸線平行布置的刀庫，其中：圖(a)為徑向取刀式；圖(b)為軸向取刀式。 圖6-5 鼓盤式刀庫 圖6-6(a)為刀具徑向安裝在刀庫上的結(jié)構(gòu)，圖6-6(b)為刀具軸線與鼓盤軸線成一定角度布置的結(jié)構(gòu)。這兩種結(jié)構(gòu)占地面積較大。 圖6-6 鼓盤式刀庫 （2）鏈?zhǔn)降稁?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)降稁煊袉苇h(huán)鏈

14、式和多環(huán)鏈?zhǔn)降葞追N，如圖6-7（a）,(b)所示。當(dāng)鏈條較長時，可以增加支承鏈輪的數(shù)目，使鏈條折疊回繞，提高空間利用率，如圖6-7（c）所示。 圖6-7 各種鏈?zhǔn)降稁靉）單環(huán)鏈?zhǔn)?（b）多環(huán)鏈?zhǔn)?（c）折疊鏈?zhǔn)?（3）格子盒式刀庫 圖6-8所示為固定型格子盒式刀庫。刀具分幾排直線排列，由縱、橫向移動的取刀機(jī)械手完成選刀運動，將選取的刀具送到固定的換刀位置刀座上，有換刀機(jī)械手交換刀具。這種形式刀具排列密集，空間利用率高，刀庫容量大。 圖6-8 固定型格子盒式刀庫 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：（1

15、）順序選刀 刀具的順序選擇方式是將刀具按加工工序的順序，一次放入刀庫的每一個刀座內(nèi)，刀具順序不能搞錯。 當(dāng)加工工件改變時，刀具在刀庫上的排列順序也要改變。這種選刀方式的缺點是同一工件上的相同刀具不能重復(fù)使用，因此刀具的數(shù)量增加，降低了刀具和刀庫的利用率，優(yōu)點是它的控制以及刀庫的運動等比較簡單。 （2）任意選刀 任意選刀方式是預(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照工件的加工順序排列。 任意選刀有刀具編碼式、刀座編碼式、附件編碼式、計算機(jī)記憶式四種方式：刀具編碼式 這種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(jìn)行編碼。換刀時通過編碼識別裝置，根據(jù)換刀指令

16、代碼，在刀庫中尋找所需要的道具。 由于每一把刀都有自己的代碼，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，刀庫的容量相應(yīng)減少，而且可避免由于刀具順序的差錯所發(fā)生的事故。但每把刀具上都帶有專用的編碼系統(tǒng)，刀具長度加長，制造困難，剛度降低，刀庫和機(jī)械手的結(jié)構(gòu)變復(fù)雜。 刀具編碼識別有兩種方式：接觸式識別和非接觸式識別。接觸式識別編碼的刀柄結(jié)構(gòu)如圖6-9所示： 圖6-9 編碼刀柄示意圖1-編碼環(huán) 2-鎖緊螺母 3-拉緊螺 在刀柄尾部的拉緊螺桿1上套裝著一組等間隔的編碼環(huán)3，并由鎖緊螺母2將它們

17、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(jìn)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。例如圖中的7個編碼環(huán)，就能夠區(qū)別出127種刀具（27-1）。 通常全部為零的代碼不允許使用，以免和刀座中沒有刀具的狀況相混淆。 當(dāng)?shù)毒咭来瓮ㄟ^編碼識別裝置時，編碼環(huán)的大小就能使相應(yīng)的觸針讀出每一把刀具的代碼，從而選擇合適的刀具。 接觸式編碼識別裝置結(jié)構(gòu)簡單，但可靠性較差，壽命較短，而且不能快速選刀。 非接觸式刀具識別采用磁性或光電識別法。 磁性識別法是利用磁性材料和非磁性材料磁感應(yīng)的強(qiáng)弱不同，通過感應(yīng)線圈讀取代碼。編碼環(huán)分別由軟鋼和塑料制成，軟鋼代表“1

18、”，塑料代表“0”，將它們按規(guī)定的編碼排列。 當(dāng)編碼環(huán)通過感應(yīng)線圈時，只有對應(yīng)軟鋼圓環(huán)的那些感應(yīng)線圈材能感應(yīng)出電信號“1”，而對應(yīng)于塑料的感應(yīng)線圈狀態(tài)保持不變“0”，從而讀出每一把刀具的代碼。 磁性識別裝置沒有機(jī)械接觸和磨損，因此可以快速選刀，而且結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、壽命長。 刀座編碼式刀座編碼是對刀庫中所有的刀座預(yù)先編碼，一把刀具只能對應(yīng)一個刀座，從一個刀座中取出的刀具必須放回同一刀座中，否則會造成事故。這種編碼方式取消了刀柄中的編碼環(huán)，使刀柄結(jié)構(gòu)簡化，長度變短，刀具在加工過程中可重復(fù)使用，但必須把用過的刀具放回原來的刀座，送取刀具麻煩，換刀時間長。 計算機(jī)記憶式 目前加工中心上大量使用的是

19、計算機(jī)記憶式選刀。這種方式能將刀具號和刀庫中的刀座位置(地址)對應(yīng)的存放在計算機(jī)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，這樣刀具可在任意位置(地址)存取，刀具不需設(shè)置編碼元件，結(jié)構(gòu)大為簡化，控制也十分簡單。在刀庫機(jī)構(gòu)中通常設(shè)有刀庫零位，執(zhí)行自動選刀時，刀庫可以正反方向旋轉(zhuǎn)，每次選刀式刀庫轉(zhuǎn)動不會超過一圈的1/2。 3.刀具交換裝置 數(shù)控機(jī)床的自動換刀裝置中，實現(xiàn)刀庫與機(jī)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。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。刀具的交換方式通常分為有機(jī)械手換刀和無機(jī)械手換刀兩大類。 （1）機(jī)械

20、手換刀 采用機(jī)械手進(jìn)行刀具交換的方式應(yīng)用最為廣泛，因為機(jī)械手換刀具有很大的靈活性，換刀時間也較短。機(jī)械手的結(jié)構(gòu)型式多種多樣，換刀運動也有所不同。下面介紹兩種最常見的換刀形式。 180回轉(zhuǎn)刀具交換裝置 最簡單的刀具交換裝置是180回轉(zhuǎn)刀具交換裝置，如圖6-10所示。接到換刀指令后，機(jī)床控制系統(tǒng)便將主軸控制到指定換刀位置；同時刀具庫運動到適當(dāng)位置完成選刀，機(jī)械手回轉(zhuǎn)并同時與主軸、刀具庫的刀具相配合；拉桿從主軸刀具上卸掉，機(jī)械手向前運動，將刀具從各自的位置上取下；機(jī)械手回轉(zhuǎn)180，交換兩把刀具的位置，與此同時刀庫重新調(diào)整位置，以接受從主軸上取下的刀具；機(jī)械手向后運動，將夾換的刀具和卸下的刀具分別插入

21、主軸和刀庫；機(jī)械手轉(zhuǎn)回原位置待命。至此換刀完成，程序繼續(xù)。這種刀具交換裝置的主要優(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)，預(yù)側(cè)置后置的刀庫相比，切屑及切削液易進(jìn)入刀夾，刀夾錐面上有切屑會造成換刀誤差，甚至損壞刀夾和主軸，因此必須對刀具另加防護(hù)。這種刀具交換裝置既可用于臥式機(jī)床也可用于立式機(jī)床。 圖6-10 180回轉(zhuǎn)刀具交換裝置 回轉(zhuǎn)插入式刀具交換裝置 回轉(zhuǎn)插入式刀具交換裝置是最常用的形式之一，使回轉(zhuǎn)式的改進(jìn)形式。這種裝置刀庫位于機(jī)床立柱一側(cè)，避免了切屑造成主軸或刀夾損壞的可能。但刀庫中存放的刀具的軸線與主軸的軸線垂直，因此機(jī)械手需要三個自由度。機(jī)械手

22、沿主軸軸線的插拔刀具動作，由液壓缸實現(xiàn)；繞豎直軸90的擺動進(jìn)行刀庫與主軸間刀具的傳送由液壓馬達(dá)實現(xiàn)；繞水平軸旋轉(zhuǎn)180完成刀庫與主軸上刀具的交換的動作，由液壓馬達(dá)實現(xiàn)。其換刀分解動作如圖6-11所示。 圖6-11 換刀分解動作 圖7-11(a):抓刀爪伸出，抓住刀庫上的待換刀具，刀庫刀座上的鎖板拉開。圖7-11(b)：機(jī)械手帶著待換刀具繞豎直軸逆時針方向轉(zhuǎn)90，與主軸軸線平行，另一個抓刀爪抓住主軸上的刀具，主軸將刀具松開。圖7-11(c):機(jī)械手前移，將刀具從主軸錐孔內(nèi)拔出。圖7-11(d)：機(jī)械手繞自身水平軸轉(zhuǎn)180，將兩把刀具交換位置。 圖7-11(e)：機(jī)械手后退，將新刀具裝入主軸，主軸

23、將刀具鎖住。圖7-11(f)：抓刀爪縮回，松開主軸上的刀具。機(jī)械手繞豎直軸順時針轉(zhuǎn)90，將刀具放回到庫相應(yīng)的刀座上，刀庫上的鎖板合上。最后，抓刀爪縮回，松開刀庫上的刀具，恢復(fù)到原始位置。 為了防止刀具掉落，各種機(jī)械手的刀爪都必須帶有自鎖機(jī)構(gòu)，如圖6-12所示。 圖6-12 機(jī)械手臂和刀爪1、3彈簧 2所緊銷 4活動銷 5刀爪 6銷 它由兩個固定刀爪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(jī)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頂起，將活動銷4鎖住不能后退。當(dāng)機(jī)械手處于上升位置要完成拔插刀動作時，銷6被擋塊壓下使銷

24、2也退下，因此可自由的抓放刀具。 （2）無機(jī)械手換刀 無機(jī)械手換刀的方式是利用刀庫與機(jī)床主軸的相對運動實現(xiàn)刀具交換，也叫主軸直接式換刀。 XH754型臥式加工中心就是采用這類刀具交換裝置的實例。機(jī)床外形和換刀過程如圖6-13所示。圖6-13(a): 當(dāng)加工工步結(jié)束后執(zhí)行換刀指令，主軸實現(xiàn)準(zhǔn)停，主軸箱沿Y軸上升。這是機(jī)床上方的刀庫的空檔刀為正好處在換刀位置，裝夾刀具的卡爪打開。 圖6-13 XH754型臥式加工中心機(jī)床外形及其換刀過程1-主軸箱； 2-刀庫 圖7-13(b)：主軸箱上升到極限位置，被更換刀具的刀桿進(jìn)入刀庫空刀位，被刀具定位卡爪鉗住，與此同時主軸內(nèi)刀桿自動夾緊裝置放松刀具。圖7-1

25、3(c): 刀庫伸出，從主軸錐孔內(nèi)將刀具拔出。圖7-13(d)：刀庫轉(zhuǎn)位，按照程序指令要求將選好的刀具轉(zhuǎn)到主軸最下面的換刀位置，同時壓縮空氣將主軸錐孔吹凈。圖7-13(e): 刀庫退回，同時將新刀具插入主軸錐孔，主軸內(nèi)刀具夾緊裝置將刀桿拉緊。圖7-13(f)：主軸下降到加工位置后起動，開始下一步的加工。 無機(jī)械手換刀方式特點：這種換刀機(jī)構(gòu)不需要機(jī)械手，結(jié)構(gòu)簡單、緊湊。由于換刀時機(jī)床不工作，所與不會影響加工精度，但機(jī)床加工效率下降。刀庫結(jié)構(gòu)尺寸受限，裝刀數(shù)量不能太多。這種換刀方式常用于小型加工中心。這種換刀方式，每把刀具在刀庫上的位置是固定的，從哪個刀座上取下的刀具，用完后仍然放回刀哪個刀座上。

26、 6.2 分度工作臺和回轉(zhuǎn)工作臺工作臺是數(shù)控機(jī)床的重要部件，為了提高數(shù)控機(jī)床的生產(chǎn)效率，擴(kuò)大其工藝范圍，對于數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給運動除了沿坐標(biāo)軸X、Y、Z三個方向的直線進(jìn)給運動之外，還常常需要有分度運動和圓周進(jìn)給運動。數(shù)控機(jī)床中的工作臺主要有矩形、回轉(zhuǎn)式以及傾斜成各種角度的萬能工作臺三種。本節(jié)主要介紹數(shù)控機(jī)床常用的定位、回轉(zhuǎn)工作臺的結(jié)構(gòu)及工作原理。 6.2.1 分度工作臺分度工作臺的功用是完成分度輔助運動，將工件轉(zhuǎn)位換面，和自動換刀裝置配合使用，實現(xiàn)工件一次安裝能完成幾個面的多道工序的加工。分度工作臺的分度、轉(zhuǎn)位和定位是按照控制系統(tǒng)的指令自動進(jìn)行的，每一次轉(zhuǎn)位可回轉(zhuǎn)一定的角度（45、60、90等）。

27、分度工作臺按其定位機(jī)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(jī)構(gòu)，它主要由工作臺底座、夾緊液壓缸、分度液壓缸和端面齒盤等零件組成，其結(jié)構(gòu)如圖6-14。 端面齒盤式分度工作臺的分度轉(zhuǎn)位動作過程可分為三大步驟： （1）工作臺的抬起 （2）回轉(zhuǎn)分度 （3）工作臺下降定位夾緊 1、2、15、16推桿 3下齒盤 4上齒盤 5、13推力軸承 6活塞 7工作臺 8齒條活塞 9升降液壓缸上腔 10升降液壓缸下腔 11齒輪 12齒圈 14、17擋塊 18分度液壓缸右腔 19分度液壓缸左腔 20、21分度液壓缸進(jìn)油管道 22、23分度

28、液壓缸回油管道圖6-14 端面齒盤式工作臺 （1）工作臺的抬起 當(dāng)機(jī)床需要分度時，數(shù)控裝置就發(fā)出分度指令(也可用手壓按鈕進(jìn)行手動分度)，由電磁鐵控制液壓閥(圖中未示出)，使壓力油經(jīng)管道23至分度工作臺7中央的夾緊液壓缸的下腔10，推動活塞6上移，經(jīng)推力球軸承5使工作臺7抬起，上端面齒盤4和下端面齒盤3脫離嚙合。與此同時，在工作臺7向上移動的過程中帶動內(nèi)齒圈12上移并與齒輪11嚙合，完成了分度前的準(zhǔn)備工作。 （2）回轉(zhuǎn)分度 當(dāng)工作臺7向上抬起時，推桿2在彈簧的作用下向上移動，使推桿1在彈簧的作用下右移，松開微動開關(guān)D的觸頭，控制電磁閥(圖為示出)使壓力油經(jīng)管道21進(jìn)入分度液壓缸的左腔19內(nèi)，推動

29、齒條活塞8右移，與它相嚙合的齒輪11逆時針轉(zhuǎn)動。根據(jù)設(shè)計要求，當(dāng)齒條活塞8移動113mm時，齒輪11回轉(zhuǎn)90，此時內(nèi)齒輪12與齒輪11已經(jīng)嚙合，所以分度工作臺也回轉(zhuǎn)90。回轉(zhuǎn)角度的近似值將由微動開關(guān)和擋塊17控制，開始回轉(zhuǎn)時，擋塊14離開推桿15使微動開關(guān)C復(fù)位，通過電路互鎖，始終保持工作臺處于上升位置。 （3）工作臺下降定位夾緊 當(dāng)工作臺轉(zhuǎn)到預(yù)定位置附近，擋塊17壓動推桿16，使微動開關(guān)E被壓下，控制電磁鐵使夾緊液壓缸上腔9通入壓力油，活塞6下移，工作臺7下降。端面齒盤4和3又重新嚙合，定位并夾緊。管道23中有節(jié)流閥用來限制工作臺7的下降速度，避免產(chǎn)生沖擊。當(dāng)分度工作臺下降時，推桿2被壓下，

30、推桿1左移，微動開關(guān)D的觸頭被壓下，通過電磁鐵控制液壓閥，使壓力油從管道20進(jìn)入分度液壓缸的右腔18，推動活塞齒條8左移，使齒輪11順時針回轉(zhuǎn)并帶動擋塊17及14回到原處，為下一次分度最好準(zhǔn)備。 端面齒盤式分度工作臺的特點：優(yōu)點：分度和定心精度高，分度精度可達(dá)(0.53)，由于采用多齒重復(fù)定位，因此重復(fù)定位精度穩(wěn)定，定位剛度高，只要是分度數(shù)能除盡端面齒盤齒數(shù)，都能分度，適用于多工位分度。缺點：是端面齒盤制造較為困難，且不能進(jìn)行任意角度的分度。 2.定位銷式分度工作臺這種工作臺的定位元件由定位銷和定位套孔組成，圖6-15所示為自動換刀臥式數(shù)控銑鏜床的定位銷式分度工作臺的結(jié)構(gòu)。分度工作臺面1的兩側(cè)

31、有長方形工作臺,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。在分度工作臺1的下方又八個均布的圓柱定位銷7，在轉(zhuǎn)臺座19上有一個定位套6和一個供定位銷移動的環(huán)形槽。其中只有一個定位銷7進(jìn)入定位套中，其它7個定位銷都在環(huán)形槽中。定位銷之間間隔45，工作臺只能作二、四、八等分的分度運動。 圖6-15 定位銷式分度工作臺 分度過程： （1）工作臺抬起 當(dāng)需要分度時，首先由機(jī)床的數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出指令，使六個均布與固定工作臺圓周上的夾緊液壓缸8(圖中只畫了一個)上腔中的壓力油流回油箱，活塞10被彈簧11頂起，分度工作臺處于放松狀態(tài)。同時消隙液壓缸活塞5也卸荷，液壓缸中的壓力油經(jīng)管導(dǎo)流回油箱。 中央液

32、壓缸15由管道16進(jìn)油，使活塞14上升，通過止推螺釘13、止推軸套4把止推軸承18向上抬起15mm，頂在轉(zhuǎn)臺座19上。分度工作臺1用四個螺釘與轉(zhuǎn)臺軸2相連，而轉(zhuǎn)臺軸2用六角螺釘3固定在軸套4上，所以當(dāng)軸套4上移時，通過轉(zhuǎn)臺軸使工作臺1抬高15mm，固定在工作臺面上的定位銷7從定位襯套中拔出，完成了分度前的準(zhǔn)備工作。 （2）分度當(dāng)工作臺抬起之后發(fā)出信號使液壓馬達(dá)驅(qū)動減速齒輪(圖中未示出)，帶動固定在工作臺1下面的大齒輪9轉(zhuǎn)動，進(jìn)行分度運動。分度工作臺的回轉(zhuǎn)速度由液壓馬達(dá)和液壓系統(tǒng)中的單向節(jié)流閥來調(diào)節(jié)，分度初作快速運動，由于在大齒輪9上沿圓周均布八個擋塊，當(dāng)擋塊碰到第一個限位開關(guān)時減速，碰到第二個

33、限位開關(guān)時準(zhǔn)停。此時，新的定位銷7正好對準(zhǔn)定位套的定位孔，準(zhǔn)備定位。 （3）定位、消隙與夾緊 分度完畢后，數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出信號使中央液壓缸15卸荷，油液經(jīng)管道16流回由箱，分度臺1靠自重下降，定位銷7插入定位套孔6中。 定位完畢后，消隙液壓缸通入壓力油，活塞5頂向工作臺面1，以消除徑向間隙。 夾緊液壓缸8上腔進(jìn)油，活塞10下降，通過活塞桿上端的臺階部分將工作臺夾緊。至此分度工作進(jìn)行完畢。 分度工作臺的支承 分度工作臺的回轉(zhuǎn)部分支承在加長型雙列圓柱滾子軸承12和滾針軸承17中，軸承12的內(nèi)孔帶有錐度，可用來調(diào)整徑向間隙。軸承內(nèi)環(huán)固定在轉(zhuǎn)臺軸2和軸套4之間，并可帶著滾柱在加長外環(huán)內(nèi)作15mm的軸向移動

34、。軸承17裝在軸套4內(nèi)，能隨軸套作上升或下降移動，并作另一端的回轉(zhuǎn)支承。軸套4內(nèi)還裝有推力球軸承，使工作臺回轉(zhuǎn)很平穩(wěn)。 精度要求 定位銷式分度工作臺的定位精度取決于定位銷和定位孔的精度，最高可達(dá)5。 有時為了調(diào)頭鏜孔，對最常用的相差180同軸線孔的定位精度要求高些，而對其它角度定位精度要求可稍低些。 定位銷和定位套的制造和裝配精度要求都很高，硬度的要求也很高，且耐磨性要好。 6.2.2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，它的功用是使工作臺進(jìn)行圓周進(jìn)給，以完成切削工作，也可使工作臺進(jìn)行分度。數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺的外形和分度工作臺很相似，但由于要實現(xiàn)圓周進(jìn)給運動，所以其內(nèi)部結(jié)構(gòu)具有數(shù)

35、控進(jìn)給驅(qū)動機(jī)構(gòu)的許多特點，區(qū)別在于數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給驅(qū)動機(jī)構(gòu)實現(xiàn)的是直線運動，而數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺實現(xiàn)的是旋轉(zhuǎn)運動。數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺分為開環(huán)和閉環(huán)兩種。 1.開環(huán)數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺開環(huán)數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺和開環(huán)直線進(jìn)給機(jī)構(gòu)一樣，都可以用功率步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動。圖6-16所示為自動換刀數(shù)控立式銑鏜床的數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺的結(jié)構(gòu)。步進(jìn)電動機(jī)3的輸出軸的運動由齒輪2和6傳遞給蝸桿，蝸桿4的兩端裝有滾針軸承，左端為自由端，可以伸縮，右端裝有兩個角接觸球軸承，承受蝸桿的軸向力。蝸輪15下部的內(nèi)、外兩面裝有夾緊瓦18和19，數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺的底座21上的固定支座24內(nèi)均布6個液壓缸14。液壓缸14上腔進(jìn)壓力油時，柱塞16向下移動，通過鋼球

36、17推動夾緊瓦18和19將蝸輪夾緊，從而將數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺夾緊，實現(xiàn)精確分度定位。 1-偏心環(huán) 2、6-齒輪 3-電動機(jī) 4-蝸桿 5-墊圈 7-調(diào)整環(huán) 8、10-微動開關(guān) 9.11-擋快 12、13-軸承 14-液壓缸 15-蝸輪 16-柱塞 17-鋼球 18、19-夾緊瓦 20-彈簧 21-底座 22-圓錐滾子軸承 23-調(diào)整套 24-支座圖6-16 開環(huán)數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺 數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺圓周進(jìn)給運動 控制系統(tǒng)首先發(fā)出指令，使液壓缸14上腔的壓力油流回油箱，在彈簧20的作用下將鋼球17抬起，夾緊瓦18和19就松開蝸輪15，柱塞16到上位發(fā)出信號，功率步進(jìn)電機(jī)起動并按照指令脈沖的要求驅(qū)動數(shù)控回轉(zhuǎn)工

37、作臺實現(xiàn)圓周進(jìn)給運動。當(dāng)工作臺作圓周分度運動時，先分度回轉(zhuǎn)再夾緊蝸輪，以保證定位的可靠，并提高承受負(fù)載的能力。 數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺的圓形導(dǎo)軌采用大型推力滾柱軸承13支承，回轉(zhuǎn)靈活。徑向?qū)к売蓾L子軸承12及圓周滾子軸承22保證回轉(zhuǎn)精度和定位精度。調(diào)整軸承12的預(yù)緊力，可以消除回轉(zhuǎn)軸的徑向間隙。調(diào)整軸承22的調(diào)整套23的厚度，可以使圓導(dǎo)軌上有適當(dāng)?shù)念A(yù)緊力，保證導(dǎo)軌有一定的接觸剛度。 數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺的分度定位和分度工作臺不同，它是按照控制系統(tǒng)所制定的脈沖數(shù)來決定轉(zhuǎn)位角度，沒有其它的定位元件，因此，對開環(huán)數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺的傳動精度要求高、傳動間隙應(yīng)盡量小。齒輪2和6的嚙合間隙由調(diào)整偏心環(huán)1來消除。齒輪6與蝸

38、桿4用花鍵結(jié)合，花鍵間隙應(yīng)盡量小，以減小對分度精度的影響。蝸桿4為雙導(dǎo)程蝸桿，可以用軸向移動蝸桿的辦法來消除蝸桿4與蝸輪15的嚙合間隙。調(diào)整時只要將調(diào)整環(huán)7（兩個半圓墊片）的厚度尺寸改變，便可使蝸桿軸向移動。 零點定位 數(shù)控控制臺設(shè)有零點，當(dāng)它作回零控制時，先快速回轉(zhuǎn)，運動至擋塊11時壓動微動開關(guān)10，發(fā)出“慢速回轉(zhuǎn)”的信號，再由擋塊9壓動微動開關(guān)8發(fā)出“點動步進(jìn)”信號，最后由功率步進(jìn)電動機(jī)停在某一固定的通電向位上（稱為鎖相），從而使工作臺準(zhǔn)確的停在零點位置上。 開環(huán)數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺可做成標(biāo)準(zhǔn)附件，回轉(zhuǎn)軸可水平安裝也可垂直安裝，以適應(yīng)不同工件的加工要求。數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺脈沖當(dāng)量是指每一個脈沖使工作

39、臺回轉(zhuǎn)的角度，現(xiàn)有的脈沖當(dāng)量在0.001/脈沖到2/脈沖之間，使用時根據(jù)加工精度要求和工作臺直徑大小來選取。 2.閉環(huán)數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺閉環(huán)數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺和開環(huán)數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺大致相同，其區(qū)別在于閉環(huán)數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺由轉(zhuǎn)動角度的測量元件(圓光柵或元感應(yīng)同步器)。所測量的結(jié)果經(jīng)反饋可與指令值相比較，按閉環(huán)原理進(jìn)行工作，使工作臺分度精度更高。圖6-17所使為閉環(huán)數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺的結(jié)構(gòu)。 1-工作臺 2-鑲鋼滾柱導(dǎo)軌 3、4-夾緊瓦 5-液壓缸 6-活塞 7-彈簧 8-鋼球 9-光柵 10、11-軸承 12-蝸桿 13-蝸輪 14、16-齒輪 15-電機(jī)圖6-17 閉環(huán)數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺 閉環(huán)數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺由直流

40、飼服電機(jī)15通過減速齒輪14、 16及蝸桿12、蝸輪13帶動工作臺1回轉(zhuǎn)，工作臺的轉(zhuǎn)角位置用圓光柵9測量。測量結(jié)果發(fā)出反饋信號與數(shù)控裝置發(fā)出的指令信號進(jìn)行比較，若有偏差經(jīng)放大后控制飼服電機(jī)朝消除偏差方向轉(zhuǎn)動，使工作臺精確運轉(zhuǎn)或定位。 當(dāng)工作臺靜止時，必須處于鎖緊狀態(tài)。臺面的鎖緊用均布的八個小液壓缸5來完成，當(dāng)控制系統(tǒng)發(fā)出夾緊指令時，液壓缸上腔進(jìn)壓力油，活塞6下移，通過鋼球8推開夾緊瓦3及4，從而將蝸輪13夾緊。當(dāng)工作臺回轉(zhuǎn)時，控制系統(tǒng)發(fā)出指令，液壓缸5上腔壓力油流回油箱，在彈簧7的作用下，鋼球8抬起，加緊瓦松開，不再夾緊蝸輪13。然后按數(shù)控系統(tǒng)的指令，由飼服電機(jī)15通過傳動裝置實現(xiàn)工作臺的分度轉(zhuǎn)位、定位、夾緊或連續(xù)回轉(zhuǎn)運動。 思考題 6 -1 車床上的回轉(zhuǎn)刀架換刀時需完成哪些動作?如何實現(xiàn)? 6 -2 車削中心動力刀架有什么功能? 6 -3 刀具的交換方式分哪幾類?試比較它們的特點及應(yīng)用場合。 6 -4 加工中心選刀方式有哪幾種?各有何特點? 6 -5 加工中心常用的刀庫有哪三種形式?各有何特點?各應(yīng)用于哪些場合? 6 -6 分度工作臺的功用如何?試述其工作原理。6 -7 數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺的功用如何?試述其工作原理。