数控加工设备

数控加工设备（共6篇）

篇1：数控加工设备

数控加工夹具简介 数控车床、铣床、加工中心夹具

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数控加工夹具简介 数控车床、铣床、加工中心夹具

图3-37三爪自定心卡盘的构造

现代自动化生产中，数控机床的应用已愈来愈广泛。数控机床夹具必须适应数控机床的高精度、高效率、多方向同时加工、数字程序控制及单件小批生产的特点。为此，对数控

机床夹具提出了一系列新的要求。

(1)推行标准化、系列化和通用化；

(2)发展组合夹具和拼装夹具，降低生产成本；

(3)提高精度；

(4)提高夹具的高效自动化水平。

根据所使用的机床不同，用于数控机床的通用夹具通常可分为以下几种：

1．数控车床夹具

数控车床夹具主要有三爪自定心卡盘、四爪单动卡盘、花盘等。三爪自定心卡盘如图3-37所示，可自动定心，装夹方便，应用较广，但它夹紧力较小，不便于夹持外形不规则的工件。

四爪单动卡盘如图3-38所示，其四个爪都可单独移动，安装工件时需找正，夹紧

力大，适用于装夹毛坯及截面形状不规则和不对称的较重、较大的工件。

通常用花盘装夹不对称和形状复杂的工件，装夹工件时需反复校正和平衡。

2．数控铣床夹具

数控铣床常用夹具是平口钳，先把平口钳固定在工作台上，找正钳口，再把工件装夹

在平口钳上，这种方式装夹方便，应用广泛，适于装夹形状规则的小型工件。如图3-39所示。

图3-38四爪单动卡盘

1-卡盘体2-卡爪3-丝杆图3-39平口钳

1-底座2-固定钳口3-活动钳口4-螺杆

3．加工中心夹具

数控回转工作台是各类数控铣床和加工中心的理想配套附件，有立式工作台、卧式工

作台和立卧两用回转工作台等不同类型产品。立卧回转工作台在使用过程中可分别以立式和

水平两种方式安装于主机工作台上。工作台工作时，利用主机的控制系统或专门配套的控制

系统，完成与主机相协调的各种必须的分度回转运动。

为了扩大加工范围，提高生产效率，加工中心除了沿X、Y、Z三个坐标轴的直线进给

运动之外；往往还带有A、B、C三个回转坐标轴的圆周进给运动。数控回转工作台作为机床的一个旋转坐标轴由数控装置控制，并且可以与其他坐标联动，使主轴上的刀具能加工到工

件除安装面及顶面以外的周边。回转工作台除了用来进行各种圆弧加工或与直线坐标进给联

动进行曲面加工以外，还可以实现精确的自动分度。因此回转工作台已成为加工中心一个不可缺少的部件。

除以上通用夹具外，数控机床夹具主要采用拼装夹具、组合夹具、可调夹具和数控夹具。

篇2：数控加工设备

1、目的通过将产品加工程序在首次加工前的调试、验证来保证产品生产的可靠性，避免因加工程序的错误而产生不合格品。

2、适用范围

适用于对公司数控车床、加工中心等编程加工设备的程序确认。

3、职责

3.1 技术部负责提供产品的技术图纸或三维数模。

3.2 编程人员负责根据技术图纸和三维数模编制产品加工程序，并进行效验。

3.3 质保部门负责程序验证试件的检测确认。

3.4 生产部负责使用合格的程序进行批量生产。

4、确认程序

4.1技术部根据图纸进行图纸转换及数模绘制并将数模文件在审核后下发至生产部。

4.2 生产部编程人员根据技术部下发的相关图纸及文件进行编程，效验。具体内容如下：

4.2.1 数控车床编程人员根据图纸编程和选配刀具，在实际加工前通过机床上的“空运行”功能效验加工轨迹是否正确。确认轨迹正确后对产品进行试加工，并在自检合格后交质保部工序检验员专检，试件合格后将此程序存档。

4.2.2 加工中心编程人员根据图纸和三维模型编程和选配刀具，并通过CAM软件进行程序的加工模拟，确认程序无过切、漏切等问题后对产品进行试加工，并在自检合格后交质保部工序检验员专检，试件合格后将此程序存档。

5、再确认

5.1存档固化的程序，在正常生产过程中，每批量产前都需要进行首件检查，经自检专检确认首件合格后，方可开始生产。

5.2批量生中，需按工艺文件的规定的频次进行自检、专检、巡检、末检；发现问题需告知编程人员，待编程人员调整验证后再进行生产。

篇3：数控加工设备

一、教学过程中使用仿真软件的优点

(一) 最大限度地节约教学成本

真实机床上进行实际操作是传统教学模式, 但是学校的机床数量是有限的, 无法让每个学生都有足够的时间进行实际操作。而利用数控仿真软件的教学模式可以弥补数控设备的不足, 并且能够减少道具的损耗, 节约教学成本。

(二) 保证学生的安全

对于刚接触数控专业的学生, 直接上机床操作是不太安全的事情, 很容易因误操引发安全事故, 而且对设备和刀具的损耗非常大。然而数控仿真软件既安全又实用。即使在学生不注意的情况下操作失误也只会出现警告提示, 一般不会危及学生的人身安全。学生可以在实际操作中找到自己失误的原因, 吸取教训并总结经验, 在下次出现同样的状况时能够以最佳的方式避免失误。

(三) 提高学生的学习兴趣和分析能力, 采用正确的方法解决问题

编写的NC代码在数控仿真软件上都能体现, 并且能对刀具切削加工路径的正确性进行验证, 学生可以直接观察工件在加工过程中可能出现的各种问题, 加工完成之后学生可以自己检查工件的有关参数。这样的教学模式可以让学生熟悉数控加工过程, 熟练掌握数控机床的使用方法与编程方法, 提高学生的学习积极性, 激发学生的自主思维能力。在操作过程中出现操作与程序上的错误, 学生可以通过仿真软件的提示与教师的指导发现与解决操作过程出现的各种问题。这种教学方法有利于提高学生独立思考与解决问题的能力。

二、教学过程中数控仿真软件的应用

(一) 使用灵活的教学方法, 让学生把主动学习当成习惯

目前, 职业技术学院的新生知识基础都不扎实, 对学习也不感兴趣。为了提高学生的学习积极性, 教师利用先进的教学模式与教育手段吸引学生的注意力。数控加工专业的教师都应该具有相对高的教学水平和教学能力, 有专业的数控职业能力, 能够熟练地利用实际操作提高学生的动手动脑能力。在数控教学过程中, 教师起着带领作用, 要对学生在学习中遇到的问题进行详细解答, 做示范操作。在整个教学过程中教师尽量让学生把精力集中在知识点的掌握上, 深入浅出, 熟练掌握编程方法和技巧。

(二) 巧用数控加工仿真软件, 充分利用仿真软件的优势

数控加工仿真软件的使用已经被教师关注与重视, 教学过程中数控加工仿真软件的使用已经得到广泛的应用, 教师不仅要利用仿真软件的优势进行教学而且要在教学中进行引导, 让学生自主思考。教师不能只唱独角戏应该科学地、充分地发挥数控加工仿真软件的特点, 以便简单又生动的教学。

编程方法在数控编程与操作课堂中是重点, 教师在教学过程中需要注重编程工艺问题的处理, 学生在上机课堂中利用数控仿真系统解决实际操作中出现的各种机床操作问题。这种教学模式可以让学生更快更好地掌握数控专业的实际操作技能, 培养学生的学习兴趣和提高分析与解决问题的能力, 以便独立完成每一项实际操作练习。

(三) 对教学内容进行合理安排, 循序渐进地掌握数控编程与操作技巧

教学的目的是把学生送入人才市场, 数控教学需要以就业为导向。数控编辑教学从内容上可以划分为两大模块———第一, 基础模块:这一模块是教学的重中之重, 包含对知识点的讲解、学校训练最常用的数控机床的编程方法、操作及应用。这个模块能让学生熟练地掌握操作技能, 灵活应用所学知识, 为后期学生上机奠定坚实的基础。第二, 提高和拓展模块:各种数控系统的优势都在仿真软件上体现, 可以根据基础训练讲解结合机床编程与操作方法来优化学生所学的知识点, 即使在后期工作中碰到不同操作系统都能上手操作。这样的教学模式, 加大了学生的就业范围, 提高了学生的自信心, 能在最短的时间内适用工作环境。

将数控仿真软件应用到教学过程中, 数控课堂变得更加生动, 学生学习数控技术的兴趣越来越浓, 数控仿真软件的使用提高了学生学习的积极性, 调动学生主观能动性。但是仿真软件毕竟与实际机床有一定的差距, 不能完全代替实际操作, 只能在课堂教学中作为辅助软件, 让学生熟练利用这个操作方法, 提高学生的学习效果。

参考文献

[1]常虹.数控加工仿真软件在数控教学中的应用研究[J].科技信息, 2011 (23) .

篇4：谈数控加工指令及加工工艺

目前，随着生产和技术的发展，产品更新换代更为频繁，品种多、批量小以及形状复杂，精度高的零件越来越多。为合理解决多品种、小批量生产的实际需要，同时也为了提高产品质量，提高生产率和改善劳动条件，在机械切削加工的企业已逐步使用数控机床来进行切削加工。而数控机床是一种以数字量作为指令信息形式，通过计算机对这种信息进行处理而实现自动控制的机床，是计算技术、电子技术、自动控制、伺服驱动、精密测量和精密机械结构等新技术的综合应用。它已成为金属切削机床的发展方向，但是数控机床的编程操作比较复杂，对数控编程操作人员素质要求较高，同时数控机床价格比较昂贵，一旦编程操作不慎，发生碰撞，其后果不堪设想。因此编程操作人员必须经过专业培训。近几年来，全球制造业向中国转移，以及国内制造企业的不断发展壮大，面向制造企业的技能型人才呈现供不应求的局面，企业亟需大量有理论基础和实践的实用型人才来提升企业的竞争力而举办各类各样的培训班。但是在培训班上，初学数控编程的学员对理解数控加工指令及加工工艺往往存在困难。笔者根据教学体会，谈一下怎样才能理解好数控编程加工指令及加工工艺。

二、加工指令及加工工艺

首先，数控加工工艺及程序编制教程对指令为读者作了如下解释：快速定位（G00）：G00X__Z__，刀具分别以各轴快速进给速度移动到X、Z值点上。

直线插补（G01）：G01X__Z__F__刀具以指令的进给速度移至坐标值为X、Z的点上。例如，如图1所示G01X45Z-20F30（A—B）：

圆弧插补G02（顺时针）和G03（逆时针）：G02（G03）X__Z__R__F__，刀具以F速度沿半径R移至圆弧终点X、Z点上。例如，如图2所示G03X50Z-10R10F100（A—B）：

接下来是教程对上述加工指令的应用进行举例，

如图3所示。

O0001

G00 X100Z100；定起刀点

M03 S800 T0101；主轴正转，调1号刀

G00X35Z0； 快速定位至端面加工起点

G01X0Z0F100 ；车端面至圆弧R15的起点

G03X21.88Z-24.92R15F80；加工R15圆弧面

G02X26Z-32.81R5F80；加工R5圆弧面

G01X26Z-36.81F80； 加工圆26外圆面

G01X32Z-36.81F80； 加工台阶面

G01X32Z-45F80； 加工圆32外圆面

G00X100Z100； 回起刀点

M05； 主轴停止

M30； 程序結束

从上面所列的内容看，教程只让读者了解指令的定义及格式。但是，我们都知道车削加工常用的毛坯多为圆棒料，从圆棒料到零件之间有加工余量大小的问题。在确定背吃刀量（即切削深度aP）时，一般是先把精加工（半精加工）余量扣除，然后把剩下的粗加工余量尽可能一次切除。如果粗加工余量较大，机床功率不足，刀具强度较低，应分几次切除余量，否则会损坏刀具。对加工尺寸精度，表面粗糙度要求较高的工件，如果增大背吃刀量aP，则切削力增大得较快，引起切削加工的振动，会使加工零件的表面质量下降，所以吃刀深度要合理。因此，初学数控编程的学员往往会问：数控加工余量大时如何加工？所以单从指令进行讲解会使读者产生疑惑与困难。

三、改进方法

笔者认为在讲解加工指令的同时应讲解加工工艺，以便读者理解接受所讲的加工指令。在普通车床加工零件，车床加工的切削用量，工序工步安排以及走刀路线等内容，往往都是由操作工人决定，操作工人会按零件图样的技术要求，按一定的切削深度，逐层把毛坯的余量切除，不会因吃刀深度太大而损坏车刀，从而保证加工零件的质量。而数控加工的所有工序工步，切削用量，走刀路线，加工余量和所用的尺寸及类型等都要编入程序中，编程可参照普通车床的逐层加工过程的原理，使用有关的加工指令把加工过程逐层编写出来即可。所以笔者在讲授数控加工指令时，会结合普通机加工的切削用量进行一起比较分析。如上面所列的数控加工例子，应在讲解有关G01，G02，G03等指令时，要讲吃刀深度问题，若吃刀深度过大，可分层应用有关加工指令逐层编程加工，最后一次走刀才按照零件图样的尺寸进行编程。这样可避免初学数控加工的学员误解数控加工工艺与数控加工指令的关系而产生困惑。经过按每次走刀的吃刀深度，逐层加工编程之后，初学数控编程的学员已经对加工指令有了初步的认识，然后对车削加工余量较大，一个表面需要进行多次反复加工的零件，为简化编程可使用固定循环指令（如G71、G72、G73、G84等）编程加工，若精度要求比较高的零件再配合精车循环（G70）进行编程加工。例如车削如图4所示的台阶工件，直径从45mm车至25mm，台阶长度为35mm。

那么在讲解这个零件加工的有关数控加工指令时，可参照普通车床分层切削过程的方式，应用有关的数控加工编程指令对这个零件进行分层编写车削程序， 程序如下：

……

N20 G00 X50 Z2 T0101；刀具快速移动到S

N30 G01 X40 F80； 车削第1次进刀，背吃刀量2.5mm

N40 Z-35；切削

N50 G00 X50； 退刀

N60 Z2；返回(50，2)的坐标点

N70 G00 X35；车削第2次进刀，背吃刀量2.5mm

N80 G01Z-35 F80； 切削

N90 G00 X50； 退刀

N100Z2；返回(50，2)的坐标点

N110 G00 X30；车削第3次进刀，背吃刀量2.5mm

N120 G01 Z-35 F80；切削

N130 G00 X50；退刀

N140Z2；返回(50，2)的坐标点

N150 G00 X25； 车削第4次进刀，背吃刀量2.5mm

N160 G01 Z-35 F80； 切削

N170 G00 X50； 退刀

N180 G00 X100 Z100； 返回换刀点（100，100）上

……

从对这个零件进行分层循环加工的过程中，可从上述有关数控编程看出，数控循环车削过程包括了“切入—切削—退刀—返回”等4个动作，每次进刀深度都为2.5mm。它与普通车床手动加工相一致。这样讲解就方便初学数控编程的学员理解加工指令与加工工艺。在此基础上为减少编程工作量和进一步提高编程水平，可用循环指令（GSK980T车床数控系统）编写这个零件车削程序如下：

……

N20 G00 X50 Z2 T0101；刀具快速移动到S点

N30G71U2.5R0.5； 粗车循环开始，背吃刀量2.5mm，退刀量0.5mm

N40 G71 P50 Q70 U0.3 W0.2 F80；

N50 G00 X25；参加粗车循环的第一段程序

N60 G01 X25 Z-35 F80；

N70 G01 X50 Z-35； 参加粗车循环的最后一段程序

N80 G00 X100 Z100；返回换刀点(100，100)上

N90 T0202；调精车刀

N100 G70 P50 Q70； 精车N50~N70所指定程序段到尺寸

N110 G00 X100 Z100； 返回换刀点(100，100)上

M30； 程序结束

或者采用TUN120CNC车床G84纵向车削循环编程如下：

N20 G00 X50 Z2； 刀具快速至S点

N30 G84 X25 Z-35 D32500F 100； D32500为分层切削深度

总而言之，在给初学数控编程的学员讲解数控加工指令时，应把数控加工指令及加工工艺综合在一起进行讲授，从简单到复杂讲解有关数控加工指令。

四、总结

篇5：《数控加工工艺及设备》教案2

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注

第二章

数控机床机械结构

第一节 数控机床机械结构特点

一、数控机床机械结构的组成

主要由以下几部分组成：

1．机床基础部件，如床身、立柱、工作台等； 2．主传动系统； 3．进给传动系统；

4．实现某些动作和辅助功能的系统和装置，如液压、气动、润滑、冷却等系统及排屑、防护装置和刀架、自动换刀装置；

5．工件实现回转、定位的装置及附件，如数控回转工作台； 6．特殊功能装置，如监控装置、加工过程图形显示、精度检测等。掌握这些结构对于正确合理使用数控机床是非常必要的。

二、数控机床的结构特点

为了保证高精度、高效率的加工，数控机床的结构应具有以下特点： 1．高刚度和高抗振性 2．高灵敏度 3．热变形小 4．高精度保持性 5．高可靠性

6．工艺复合化和功能集成化

第二节 数控机床的主传动系统一、数控机床的主传动系统特点

1．主轴转速高、调速范围宽并实现无级调速 2．主轴部件具有较大的刚度和较高的精度 3．良好的抗振性和热稳定性

4．为实现刀具的快速或自动装卸，数控机床主轴具有特有的刀具安装结构

二、数控机床主轴的传动方式

（一）齿轮传动方式（图2-1a）

（二）带传动方式（图2-1b）

同步齿形带传动具有如下优点：

《数控加工工艺及设备》教案

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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。

（三）调速电动机直接驱动主轴传动方式（图2-1c）

备

注

三、主轴组件

主轴、主轴支承、装在主轴上的传动件和密封件等组成了主轴组件。

（一）数控机床的主轴支承

主轴轴承是主轴组件的重要组成部分，它的类型、结构、配置、精度直接影响主轴组件的工作性能。

1．主轴轴承类型

数控机床主轴经常采用滚动轴承和滑动轴承两类轴承。（1）滚动轴承（2）滑动轴承 2．主轴轴承的配置

典型的主轴轴承的结构配置形式有下面三种：

（l）图2-6a结构配置形式是现代数控机床主轴结构中刚性最好的一种。它使主轴的综合刚度得到大幅度提高，可以满足强力切削的要求，所以目前各类数控机床的主轴普遍采用这种配置形式。

（2）前支承采用3个超精密级角接触球轴承组合方式，具有较好的高速性能。后支承结构有采用2个角接触球轴承支承的，如图2-6b，也有用一个圆柱滚子轴承支承的。

（3）圆锥滚子轴承，图2-6c。这种轴承径向和轴向刚度高，能承受重载荷，尤其能承受较大的动载荷，安装与调整性能好，但是这种轴承配置方式限制了主轴的最高转速和精度，所以仅适用于中等精度、低速与重载的数控机床主轴。

3．主轴轴承的装配

采用选配定向法进行装配，可提高主轴组件的精度。装配时尽可能使主轴定位内孔与主轴轴颈的偏心量和轴承内圈与滚道的偏心量接近，并使其方向相反，这样可使装配后的偏心量减小。

4．滚动轴承的间隙与预紧

将滚动轴承进行适当预紧，使滚动体与内外圈滚道在接触处产生预变形，使受载后承载的滚动体数量增多，受力趋向均匀，从而提高承载能力和刚度，有利于减少主轴回转轴线的漂移，提高旋转精度。若过盈量太大，轴承磨损加剧，承载能力将显著下降。轴承所需的预紧量与轴承精度、类型和工作条件等因素有关。

（二）主轴准停功能

《数控加工工艺及设备》教案

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机床的切削扭矩由主轴上的端面键来传递，每次机械手自动装取刀具时，必须保征刀柄上的键槽对准主轴的端面键，这就要求主轴具有准确定位的功能。为满足主轴这一功能而设计的装置称为主轴准停装置或称主轴定向装置。主轴准停装置是加工中心换刀过程中所要求的特别装置，为了将主轴准确地停在某一固定位置上，以便在该处进行换刀等动作，这就要求主轴定向控制。

（三）主轴上刀具自动夹紧和切屑清除

加工中心为了实现刀具在主轴内的自动装卸，其主轴必须设计有刀具的自动夹紧机构。刀杆采用7：24的锥柄，这种锥柄既有利于定心，也为松夹带来了方便。

备

注

第三节 数控机床主传动系统应用

一、SSCK20/500数控车床主传动系统及主轴箱结构

（一）主传动系统

SSCK20/500数控车床的主传动系统由功率为11kw的AC伺服电动机驱动，经l：1的带传动带动主轴旋转，使主轴在 24~2400r/min的转速范围内实现无级调速，主轴箱内省去了齿轮传动变速机构，提高了主轴精度，减少齿轮传动躁声的影响，结构简单，维修方便。改变电机旋转方向，可以得到相应的主轴正、反转，主轴停车是由电机制动来实现。螺纹切削和主轴每转进给量是通过主轴脉冲编码器来实现。

（二）主轴箱结构

交流主轴电动机通过带轮把运动传给主轴。主轴有前后两个支承，前支承采用预加负荷的超精密级角接触球轴承组成，三个一组，其中两个轴承用来承受向后的推力，另一个用于承受向前推力。主轴的后支承采用圆柱滚子轴承，用来承受较大的径向载荷。前支承轴承的间隙用螺母来调整。主轴的支承形式为前端定位，主轴受热膨胀向后伸长。前后支承所用轴承的支承刚性好，前支承中的角接触球轴承能承受较大的轴向载荷，且允许的极限转速高。主轴所采用的支承结构适宜高速重载的需要。

二、JCS－018A加工中心主传动系统及主轴箱结构

（一）主运动传动系统

主轴电动机采用的是FANUC AC电动机。主轴电动机在45~4500r／min转速范围通过一对1：2同步带轮将运动传给主轴，使主轴在22.5~2250r／min转速范围内可以实现无级调速。

（二）主轴箱结构 1．主轴结构

主轴的前支承4配置了三个高精度的角接触球轴承，用以承受径向载荷和轴向载荷。前两个轴承大口朝下，后面一个轴承大口朝上。前支承按预加载荷计算的预紧量由螺母5来调整。后支承6为一对小口相对应的角接触球轴承，它们只

《数控加工工艺及设备》教案

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承受径向载荷，因此轴承外圈不需要定位。该主轴选择的轴承座和配置形式，能满足主轴高转速和承受较大轴向载荷的要求，主轴受热变形向后伸长，不影响加工精度。

2．刀具的自动夹紧机构

它主要由拉杆

7、拉杆端部的四个钢球

3、碟形弹簧

8、活塞

10、液压缸11等组成。机床执行换刀指令，机械手要从主轴拔刀时，主轴需松开刀具。这时液压缸上腔通压力油，活塞推动拉杆向下移动，使碟形弹簧压缩，钢球进入主轴锥孔上端的槽内，刀柄尾部的拉钉（拉紧刀具用）2被松开，机械手即拔刀。之后，压缩空气进入活塞和拉杆的中孔，吹净主轴锥孔，为装入新刀具做好准备。当机械手把下一把刀具插入主轴后，液压缸上腔无油压，在碟形弹簧和弹簧9的恢复力作用下，使拉杆、钢球和活塞退回到图示的位置，即碟形弹簧通过拉杆和钢球拉紧刀柄尾部的拉钉，使刀具被夹紧。

3．主轴准停装置

JCS－018A加工中心采用的是主轴电气式准停装置，即用磁力传感器检测定向。在主轴上安装一个发磁体，使之与主轴一起旋转，在距离发磁体外1~2mm处固定一个磁传感器。磁传感器经过放大器与主轴控制单元连接，当主轴需要定向准停时，便控制主轴停止在预定的位置。

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注

第四节 数控机床进给传动系统一、数控机床对进给传动系统的要求

对进给系统中的传动装置和元件要求具有高的寿命，高的刚度，无传动间隙，高的灵敏度和低摩擦阻力的特点，如导轨必须摩擦力较小，耐磨性要高，通常采用滚动导轨、静压导轨等。为了提高转换效率，保证运动精度，当旋转运动被转化为直线运动时，广泛应用滚珠丝杠螺母副。为了提高位移精度，减少传动误差，对采用的各种机械部件首先保证它们的加工精度，其次采用合理的预紧来消除轴向传动间隙，因此在进给传动系统中采用各种措施消除间隙，但仍然可能留有微量间隙。此外由于受力而产生弹性变形，也会有间隙，所以在进给系统反向运动时仍然由数控装置发出脉冲指令进行自动补偿。

数控机床进给传动系统的机电部件主要有伺服电动机及检测元件、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、导轨、主轴箱、滑座、横梁和立柱）等。

二、导轨

导轨是用来支撑和引导运动部件沿着直线或圆周方向准确运动的。与支承件连成一体固定不动的导轨称为支承导轨，与运动部件连成一体的导轨称为动导轨。

（一）导轨的类型和要求 1．导轨的类型

《数控加工工艺及设备》教案

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按运动部件的运动轨迹，导轨可分为直线运动导轨和圆周运动导轨。按导轨接合面的摩擦性，导轨可分为滑动导轨、滚动导轨和静压导轨。滑动导轨又可分为普通滑动导轨和塑料滑动导轨。而静压导轨根据介质的不同又可分为液压导轨和气压导轨。

2．导轨的要求（1）高的导向精度

导向精度保证部件运动轨迹的准确性。导向精度受导轨的结构形状、组合方式、制造精度和导轨间隙调整等因素的影响。

（2）良好的耐磨性

耐磨性好可使导轨的导向精度得以长久保持。耐磨性一般受导轨副的材料、硬度、润滑和载荷的影响。

（3）足够的刚度

在载荷作用下，导轨的刚度高则保持形状不变的能力好。刚度受导轨结构和尺寸的影响。

（4）具有低速运动的平稳性

运动部件在导轨上低速移动时，不应发生“爬行”的现象。造成“爬行”的主要因素有摩擦的性质、润滑条件和传动系统的刚度等。

（二）滑动导轨 1．滑动导轨的结构

滑动导轨的常见截面形状有矩形、三角形、燕尾槽形和圆柱形。

矩形导轨（图2-12a）承载能力大，制造简单，水平方向和垂直方向上的位置精度互不相关。侧面间隙不能自动补偿，必须设置间隙调整机构。三角形导轨（图2-12b）的三角形截面有两个导向面，同时控制垂直方向和水平方向的导向精度。这种导轨在载荷的作用下能自行补偿而消除间隙，导向精度较其他导轨高。燕尾槽导轨（图2-12c）的高度值最小，能承受颠覆力矩，摩擦阻力也较大。圆柱形导轨（图2-12d）制造容易，磨损后调整间隙较困难。以上截面形状的导轨有凸形（图2-12上图）和凹形（图2-12下图）两类。凹形导轨容易存油，但也容易积存切屑和尘粒，因此适用于防护良好的环境。凸形导轨需要良好的润滑条件。

直线运动导轨一般由两条导轨组成，不同的组合形式可满足各类机床的工作要求。数控机床上滑动导轨的形状主要为三角形一矩形式和矩形一矩形式，只有少部分结构采用燕尾式。

2．滑动导轨的材料

导轨材料主要有铸铁、钢、塑料以及有色金属。目前常采用一种导轨材料为金属和塑料的滑动导轨，称为塑料导轨（贴塑导轨），它具有刚度好，动、静摩擦系数差值小，在油润滑状态下其摩擦系数约为0.06，耐磨性好，使用寿命为普通铸铁导轨的8~10倍，无爬行，减振性好。其形式主要有塑料导轨板和塑料导轨软带两种。软带是以聚四氟乙烯为基材，添加青铜粉、二硫化铝和石墨的高分子复合材料。软带应粘贴在机床导轨副的短导轨面上，如图2-13所示，圆形导

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轨应粘贴在下导轨面上。塑料导轨软带有各种厚度规格，长与宽由用户自行裁剪，粘贴方法比较固定。由于塑料导轨软带较软，容易被硬物刮伤，因此应用时要有良好的密封防护措施。塑料导轨在机床上的应用形式如图2-14所示。

（三）滚动导轨

滚动导轨是在导轨工作面之间安排滚动件，使两导轨面之间形成滚动摩擦，滚动导轨的摩擦系数小，而且动、静摩擦系数相近，磨损小，润滑容易。因此它低速运动平稳性好，移动精度和定位精度高。但滚动导轨的抗振性比滑动导轨差，结构复杂，对脏物也较为敏感，需要良好的防护。数控机床常用的滚动导轨有直线滚动导轨和滚动导轨块两种。

1．直线滚动导轨

直线滚动导轨又称单元直线滚动导轨，它主要由导轨体、滑块、滚珠、保持架、端盖等组成。导轨体固定在不动部件上，滑块固定在运动部件上。当滑块沿导轨体移动时，滚珠在导轨体和滑块之间的圆弧直槽内滚动，并通过端盖内的滚道从工作负荷区运动到非工作负荷区，然后再滚动回到工作负荷区。这样不断循环，把滚动体和滑块之间的移动变成滚珠的滚动。用密封垫来防止灰尘和脏物进入导轨滚道。

2．滚动导轨块

滚动导轨块用滚动体进行循环运动，滚动体为滚珠或滚柱，承载能力和刚度都比直线滚动导轨高，但摩擦系数略大。它多用于中等载荷的导轨，使用时有专业生产厂家提供各种规格、形式供用户选择。

（四）液体静压导轨

静压导轨通常在两个相对运动的导轨面间通入压力油，使运动件浮起。在工作过程中，导轨面上油腔中的油压能随外加负载的变化自动调节，保证导轨面间始终处于纯液体摩擦状态。所以静压导轨的摩擦系数极小（约为0.0005），功率消耗少。这种导轨不会磨损，因而导轨的精度保持性好，寿命长。它的油膜厚度几乎不受速度的影响，油膜承载能力大、刚性高、吸振性良好。这种导轨的运行很平稳，既无爬行也不会产生振动。但静压导轨结构复杂，并需要有一套过滤效果良好的液压装置，制造成本较高。目前静压导轨一般应用在大型、重型数控机床上。

静压导轨按导轨的形式可分为开式和闭式两种，数控机床上常采用闭式静压导轨。静压导轨按供油方式又可分为恒压（即定压）供油和恒流（即定量）供油两种。

（五）导轨的润滑与防护

导轨润滑的目的是减少摩擦阻力和摩擦磨损，避免低速爬行，降低高速时的温升。常用的润滑剂有润滑油和润滑脂，前者用于滑动导轨，而滚动导轨两者均可采用。数控机床上滑动导轨的润滑主要采用压力润滑。一般常用压力循环润滑和定时定量润滑两种方式。如直线滚动导轨滑块上配有润滑油注油杯，只要定期将锂基润滑脂放入润滑油注油杯即可实现润滑。

导轨面上应有可靠的防护装置。常用的防护装置有刮板式、卷帘式和伸缩式

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等，数控机床上大多采用伸缩式防护罩。这些装置结构简单，由专门厂家制造。

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注

三、滚珠丝杠螺母副

滚珠丝杠螺母副是回转运动与直线运动相互转换的新型理想传动装置。

（一）滚珠丝杠螺母副的特点

其工作原理是：在丝杠和螺母上加工有弧形螺旋槽，当把它们套装在一起时形成螺旋通道，并且滚道内填满滚珠。当丝杠相对于螺母旋转时，两者发生轴向位移，而滚珠则可沿着滚道流动，按照滚珠返回的方式不同可以分为内循环式和外循环式二种。内循环式带有反向器，如图2-17a，返回的滚珠经过反向器和丝杠外圆返回。外循环式如图2-17b所示，其螺母旋转槽的两端由回珠管连接起来，返回的滚珠不与丝杠外圆相接触，滚珠可以作周而复始的循环运动，在管道的两端还能起到挡珠的作用，用以避免滚珠沿滚道滑出。

钢珠每一个循环闭路称为列。每个滚珠循环闭路内所含导程数称为圈数。内循环滚珠丝杠副的每个螺母有2列、3列、4列、5列等几种，每列只有一圈。外循环每列有1.5圈，2.5圈，3.5圈等几种，剩下的半圈作回珠。外循环滚珠丝杠螺母副的每个螺母有1列2.5圈，1列3.5圈，2列1.5圈，2列2.5圈等，种类很多。

在传动时，滚珠与丝杠、螺母之间基本上是滚动摩擦，所以具有下述特点： 1．摩擦损失小，传动效率高

滚珠丝杠副的传动效率可达92％~98％，是普通丝杠传动的3~4倍。2．传动灵敏，运动平稳，低速时无爬行

滚珠丝杠螺母副滚珠与丝杠和螺母是滚动摩擦，其动、静摩擦系数基本相等，并且很小,移动精度和定位精度高。

3．使用寿命长

滚珠丝杠副采用优质合金钢制成，其滚道表面淬火硬度高达60~62HRC，表面粗糙度值小，另外，因为是滚动摩擦，故磨损很小。

4．轴向刚度高

滚珠丝杠螺母副可以完全消除间隙传动，并可预紧，因此具有较高的轴向刚度。同时，反向时无空程死区，反向定位精度高。

5．具有传动的可逆性

既可以将旋转运动转化为直线运动，也可以把直线运动转化为旋转运动。因为滚珠丝杠副具有这些优点，所以现在被各类中、小型数控机床普遍采用。6．不能实现自锁

由于其摩擦系数小不能自锁，当用于垂直位置时，为防止因突然停断电而造成主轴箱下滑，必须加有制动装置。

7．制造工艺复杂成本高

滚珠丝杠和螺母的材料、热处理和加工要求相当于滚动轴承，螺旋滚道必须磨削，制造成本高。目前已由专门厂集中生产，其规格、型号已标准化和系列化，这样，不仅提高了滚珠丝杠螺母副的产品质量，而且也降低了生产成本，使滚珠

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丝杠螺母副得到广泛的应用。

（二）滚珠丝杠螺母副间隙的调整

轴向间隙通常是指丝杠和螺母无相对转动时，丝杠和螺母之间的最大轴向窜动量。除了结构本身所有的游隙之外，还包括施加轴向载荷后产生弹性变形所造成的轴向窜动量。通常采用双螺母预紧的办法解决，预紧是指它在过盈的条件下工作，把弹性变形量控制在最小限度。而用双螺母加预紧力调整后，基本上能消除轴向间隙。利用双螺母加预紧力消除轴向间隙时，必须注意：

1．预加载荷能够有效地减少弹性变形所带来的轴向位移，预紧力太小不能起到消除间隙的作用。但预紧力也不宜过大，过大的预紧载荷将增加摩擦力，使传动效率降低，缩短丝杠的使用寿命。

2．要特别减小丝杠安装部分和驱动部分的间隙。消除间隙的方法除了少数用微量过盈滚珠的单螺母消除间隙外，常用的双螺母消除轴向间隙的结构形式有垫片预紧方式、螺纹预紧方式和齿差预紧方式等。

（1）图2-18是双螺母垫片预紧方式结构，通过调整垫片的厚度使左右螺母产生轴向位移，就可达到消除间隙和产生预紧力的作用。

（2）图2-19是双螺母螺纹预紧方式结构，用键限制螺母在螺母座内的转动。调整时，拧动圆螺母将螺母沿轴向移动一定距离，在消除间隙之后用圆螺母将其锁紧。

（3）图2-20是双螺母齿差预紧方式结构，在两个螺母1和2的凸缘上各制有一个圆柱外齿轮，两个齿轮的齿数相差一个齿，即z1z21。两个内齿圈3和4与外齿轮齿数分别相同，并用预紧螺钉和销钉固定在螺母座的两端。调整时先将内齿圈取下，根据间隙的大小调整两个螺母1、2分别向相同的方向转过一个或多个齿。使两个螺母在轴向移近了相应的距离达到调整间隙和预紧的目地。间隙消除量△可用下式简便地计算出：

（2-1）

式中

n —— 螺母在同一方向转过的齿数；

t —— 滚珠丝杠的导程；

z1,z2——齿轮的齿数。

ntz1z2备

注

nz1zt 例如，当z1=101，z2=100，t=5mm时，如果两个螺母向相同方向各转过一个齿时，其相对轴向位移量为=5/（100×101）≈0.0005mm，若间隙量为0.002mm，n=0.002×100×101/5=4。则相应的两螺母沿同方向转过4个齿即可消除。

（三）滚珠丝杠螺母副的结构形式

接螺旋滚道法向截面形状分单圆弧型和双圆弧型；按滚珠循环方式分内循环式和外循环式；按消除轴向间隙和调整预紧方式的不同分为垫片预紧方式、螺纹预紧方式和齿差预紧方式三种；按用途分为定位滚珠丝杠副（P类）、传动滚珠丝

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杠副（T类）两类，数控机床进给运动采用P类。

国内生产的滚珠丝杠螺母副螺旋滚道法向截形有两种：单圆弧型和双圆弧型，见图2-21。在螺纹滚道法向剖面内，滚珠与滚道接触点法线与丝杠轴线的垂直线夹角称接触角，理想接触角等于45°。

1．单圆弧型

如图2-21a所示。滚道半径R稍大于滚珠半径rb，取比值：R/rb=1.02~1.12，常取1.04或1.1。接触角随初始间隙和轴向截荷大小而变化。当增大后，轴向刚度、传动效率随之增大。为保证=45°，必须严格控制径向间隙。这种截面形状滚道形状简单，用成形砂轮磨削可得到较高精度。为消除轴向间隙和调整预紧，必须采用双螺母结构。

2．双圆弧型

如图2-21b所示。滚道由半径R稍大于滚珠半径rb的对称双圆弧组成。理论上轴向和径向间隙为零，接触角=45°是恒定的。比值：R/rb也常取1.02~1.12，并也常取1.04或1.1。这种截形滚道接触稳定，但加工较复杂。消除轴向间隙和调整预紧，不仅可以采用双螺母结构，也可以采用增大滚珠直径的单螺母结构。另外两圆弧交接处有一小沟槽，可容纳润滑油和脏物，这对工作有利。

（四）滚珠丝杠螺母副的主要参数及代号 1．滚珠丝杠螺母副的主要参数

（1）公称直径dm：即滚珠丝杠的名义直径（图2-22）。.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，是滚珠丝杠螺母副的特征尺寸。名义直径与承载能力有直接关系，dm越大，承载能力和刚度越大，有的资料推荐滚珠丝杠螺母副的名义直径应大于丝杠工作长度的 1/30。数控机床常用进给丝杠的名义直径dm为30mm至80mm。国际标准ISO规定滚珠丝杠螺母副的名义直径系列为：6，8，10，12，16，20，25，30，40，50，60，80，100，120，125，160及200 mm。

（2）导程L0：丝杠相对于螺母旋转一圈时，螺母上基准点的轴向位移。它按承载能力选取，并与进给系统的脉冲当量要求有关。导程的大小是根据机床的加工精度要求确定的。精度要求高时，应将导程取小一些，这样在一定的轴向力作用下，丝杠上的摩擦阻力较小。但为了使滚珠丝杠具有一定的承载能力，滚珠直径又不能太小。导程过小势必使滚珠直径变小，滚珠丝杠螺母副的承载能力亦随之减小。若丝杠副的名义直径不变，导程减小则螺旋升角也变小，传动效率降低。因此在满足机床加工精度的条件下，导程应尽可能取得大些。国际标准ISO规定滚珠丝杠螺母副的导程为 1，2，2.5，3，4，5，6，10，12，16，20，25，30，40 mm。应尽量选用2.5，5，10，20，40 mm。

此外还有接触角、丝杠螺纹大径d、丝杠螺纹小径d1、螺纹全长l、滚珠直径db、螺母螺纹大径D、螺母螺纹小径D1、滚道圆弧偏心距e 以及滚道圆弧半径R等参数。

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2．精度等级

根据JB3162.2—91滚珠丝杠螺母副按其使用范围及要求分为7个精度等级，即1、2、3、4、5、7和10七个精度等级。一级精度最高，其余依次逐级递减，一般动力传动可选用4、5、7级精度，数控机床和精密机械可选用2、3级精度，精密仪器、仪表机床、螺纹磨床可选用1、2级精度。滚珠丝杠螺母副精度直接影响定位精度，承载能力和接触刚度，因此它是滚珠丝杠副的重要指标，选用时要予以考虑。

3．滚珠丝杠螺母副代号的标注

根据JB3162.2—91滚珠丝杠副代号的标注方法如图2-23a所示。采用汉语拼音字母、数字及汉字结合标注法，标注示例如图2-23b 所示。例如：CDM6012-3.5-P4LH它表示外循环插管式，垫片预紧，回珠管埋入式，公称直径为60mm，导程为12mm，螺纹旋向为左旋，负荷钢球圈数为3.5圈，定位滚珠丝杠，精度等级为4级。滚珠丝杠副的特征代号见表2-1。

（五）滚珠丝杠螺母副的支承

滚珠丝杠主要承受轴向载荷，它的径向载荷主要是卧式丝杠的自重。因此对滚珠丝杠的轴向精度和刚度要求较高。此外，滚珠丝杠的正确安装及其支承的结构刚度也不容忽视。滚珠丝杠两端常用支承形式如图2-24所示。图2-24a是一端固定一端自由的支承形式。其特点是结构简单，轴向刚度低，它适用于短丝杠及垂直布置丝杠，一般用于数控机床的调整环节和升降台式数控铣床的垂直坐标轴。图2-24b是一端固定一端浮动的支承形式，丝杠轴向刚度与图2-24a形式相同，丝杠受热后有膨胀伸长的余地，需保证螺母与两支承同轴。这种形式的配置结构较复杂，工艺较困难，适用于较长丝杠或卧式丝杠。图2-24c是两端固定的支承形式，这种支承结构只要轴承无间隙，丝杠的轴向刚度比一端固定形式高约4倍，固有频率比一端固定的高，可预拉伸，在它的一端装有蝶形弹簧和调整螺母，这样既可对滚珠丝杠施加预紧力，又可使丝杠受热变形得到补偿，保持恒定预紧力，但结构工艺都较复杂，适用于长丝杠。

（六）滚珠丝杠螺母副的密封与润滑 1．密封

通常滚珠丝杠副可用防尘密封圈和防护套密封，防止灰尘及杂质进入滚珠丝杠副。密封圈有接触式和非接触式两种，装在滚珠螺母的两端。防护套可防止尘土及杂质进入滚珠丝杠，影响其传动精度。对于暴露在外面的丝杠一般采用螺旋钢带、伸缩套筒、锥形套管以及折叠式防护罩，以防止尘埃和磨粒粘附到丝杠表面。这些防护罩一端连接在滚珠螺母的端面，另一端固定在滚珠丝杠的支承座上。近年来还出现了一种钢带缠卷式丝杠防护装置。

2．润滑

使用润滑剂，以提高耐磨性及传动效率，从而维持传动精度，延长使用寿命。常用的润滑剂有润滑油和润滑脂两类。润滑脂一般在安装过程中放进滚珠螺母的滚道内，定期润滑。使用润滑油时应注意要经常通过注油孔注油。

（七）滚珠丝杠螺母副的选择方法

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1．滚珠丝杠螺母副结构的选择

可根据防尘、防护条件以及对调隙及预紧的要求选择适当的结构形式。例如：允许间隙存在（如垂直运动）时，可选用具有单圆弧型螺纹滚道的单螺母滚珠丝杠副；如果必须有预紧，并在使用过程中因磨损而需要定期调整时，应采用双螺母螺纹预紧或齿差预紧式结构；当具备良好的防尘条件，只需在装配时调整间隙及预紧力时，可采用结构简单的双螺母垫片调整预紧式结构。

2．滚珠丝杠螺母副结构尺寸的选择

选用滚珠丝杠螺母副时主要选择丝杠的公称直径和导程。公称直径应根据轴向最大工作载荷，按滚珠丝杠副的尺寸系列选择。在允许的情况下螺纹长度要尽量短。导程（或螺距）应按承载能力、传动精度及传动速度选取。当要求传动速度快时，可选用大导程滚珠丝杠副。

3．滚珠丝杠螺母副的选择步骤

在选用滚珠丝杠螺母副时，必须知道实际的工作条件，包括最大工作载荷（或平均工作载荷、最大载荷作用下的使用寿命、丝杠的工作长度（或螺母的有效行程）、丝杠的转速（或平均转速）、滚道的硬度及丝杠的工作状况等，然后按下列步骤进行选择：

（1）最大的工作载荷；

（2）最大动载荷。对于静态或低速运转的滚珠丝杠，需考虑另一种失效形式—滚珠接触面上的塑性变形，即最大静载荷是否充分地超过了滚珠丝杠的工作载荷；

（3）刚度的验算；

（4）压杆稳定性核算。另外，滚珠丝杠在轴向力的作用下将伸长或缩短，在扭矩的作用下将产生扭转而影响丝杠导程的变化，从而影响传动精度及定位精度，故应验算满载时的预紧量。

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注

四、传动齿轮间隙消除机构

（一）直齿圆柱齿轮传动间隙的调整 l．偏心套调整

如图2-25所示偏心轴套消除传动间隙结构。电动机1是用偏心套2与箱体连接的，通过转动偏心套2的位置就能调整两啮合齿轮中心距，从而消除齿侧间隙。其结构非常简单，常用于电动机与丝杠之间齿轮传动。

2．垫片调整

如图2-26所示，在加工相互啮合的两个齿轮1、2时，将分度圆柱面制成带有小锥度的圆锥面，使齿轮齿厚在轴向稍有变化，装配时只需改变垫片3的厚度，使齿轮2作轴向移动，调整两齿轮在轴向的相对位置即可达到消除齿侧间隙的目的。

3．双齿轮错齿调整

如图2-27所示，两个相同齿数的薄片齿轮1、2与另外一个宽齿轮啮合。可作相对回转运动的齿轮1、2套装在一起。每个薄片齿轮上分别开有周向圆弧槽，《数控加工工艺及设备》教案

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并在齿轮1、2的槽内压有装弹簧的短圆柱3，在弹簧4的作用下使齿轮1、2错位，分别与宽齿轮的齿槽左右侧贴紧，消除了齿侧间隙。无论正向或反向旋转都分别只有一个齿轮承受扭矩，因此承载能力受到限制，设计时必须计算弹簧4的拉力，使它能克服最大扭矩。

（二）斜齿圆柱齿轮传动间隙的消除 1．轴向垫片调整

如图2-28所示，宽齿轮同时与两个相同齿数的薄片齿轮啮合，薄片齿轮通过平键与轴联结，相互间不能转动。通过调整薄片齿轮之间垫片厚度的增减量，然后拧紧螺母，这时它们的螺旋线产生错位，其左右两齿面分别与宽齿轮的齿槽左右两齿面贴紧消除了齿侧间隙。垫片厚度的增减量t和齿侧间隙的关系可由下式算出：

tctg

（2-2）

式中——斜齿轮的螺旋角；

——齿侧间隙； t——垫片厚度的增减量。

备

注

2．轴向压簧调整

如图2-29所示，轴向压簧调整齿轮齿侧间隙的原理与轴垫片法是一样的。但用弹簧压紧

能自动补偿齿侧间隙，达到无间隙传动。弹簧弹力要用调整螺母达到适当的值。过大会使齿轮磨损加快，降低使用寿命；过小达不到消除齿侧间隙的作用。

（三）圆锥齿轮传动间隙的消除

1．周向压簧调整

如图2-30所示，将大锥齿轮加工成1和2两部分，齿轮的外圈1开有三个圆弧槽8，内圈2的端面上的三个凸爪4，套装在圆弧槽内。弹簧6的两端分别顶在凸爪4和镶块7上，使内外齿圈1、2的锥齿错位与小锥齿轮啮合达到消除间隙的作用。为了安装方便，螺钉5将内外齿圈相对固定，安装完毕后即刻卸去。

2．轴向压簧调整

如图2-31所示，两个锥齿轮相互啮合。在其中一个锥齿轮的传动轴上装有压簧，调整螺母可改变压簧的弹力。锥齿轮在弹力作用下沿轴向移动，从而达到消除齿侧间隙的目的。

五、回转进给系统

数控机床靠回转工作台实现圆周进给运动。常用的回转工作台有分度工作台和数控回转工作台，它们的功能各不相同，分度工作台只是将工件分度转位，实现分别加工工件的各个表面的目的，给零件的加工尤其是箱体类零件的加工带来了很大的方便。而数控回转工作台除了分度和转位的功能之外，还能实现圆周进给运动。

1．分度工作台

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分度工作台是按照数控系统的指令，在需要分度时工作台连同工件按规定的角度回转，有时也可采用手动分度。分度工作台只能够完成分度运动而不能实现圆周运动，并且它的分度运动只能完成一定的回转度数如 90°、60°或45°等。

鼠牙盘式分度工作台其结构如图2-32 所示，它主要由工作台面底座、夹紧液压缸、分度液压缸和鼠牙盘等零件组成。鼠牙盘是保证分度精度的关键零件，在每个齿盘的端面有相同数目的三角形齿。当两个齿盘啮合时，就能自动确定周向和径向的相对位置。

（1）工作台抬起，鼠齿盘脱离啮合

机床需要进行分度时，数控装置发出指令→电磁铁控制液压阀使压力油经孔23进入到工作台7中央的夹紧液压缸下腔10→推动活塞6向上移动→经推力轴承5和13将工作台7抬起→内齿轮12向上套入齿轮11→上下两个鼠齿盘4和3脱离啮合，完成分度前的准备工作。

（2）回转分度

当工作台7上升时，推杆2在弹簧力的作用下向上移动→使推杆1向右移动→微动开关S2复位→使压力油经油孔21进入分度油缸左腔19→推动齿条活塞8向右移动→齿轮11作逆时针方向转动→与齿轮11相啮合的内齿轮12转动→分度台也转过相应的角度。回转角度的大小由微动开关和挡块17决定，开始回转时，挡块14离开推杆15使微动开关S1复位，通过电路互锁，始终保持工作台处于上升位置。

（3）工作台下降，完成定位夹紧图

当工作台转到预定位置附近，挡块17通过16使微动开关S3工作。压力油经油孔22进入到压紧液压缸上腔9→活塞6带动工作台7下降→上鼠齿盘4与下鼠齿盘3在新的位置重新啮合并定位压紧。为了保护鼠齿盘齿面不受冲击，液压缸下腔10的回油经节流阀可限制工作台的下降速度。

（4）复位为下次分度作准备

当分度工作台下降时，推杆2和1启动微动开关S2→分度液压缸右腔18进压力油→活塞齿条8退回→齿轮11顺时针转动→挡块17、14回到原位，为下次分度作准备。

鼠齿盘式分度工作台具有刚性好，承载能力强，重复定位精度高，分度精度高，能自动定心，结构简单等特点。鼠齿盘制造精度要求高，它分度的度数只能是鼠齿盘齿数的整数倍。这种工作台不仅可与数控机床做成一体，也可作为附件使用，广泛应用于各种加工和测量装置中。

2．数控回转工作台

为了实现任意角度分度，并在切削过程中能够实现回转，采用了数控回转工作台。它主要用于数控镗铣床。从外形上看与分度工作台没有多大差别，但在内部结构和功能上则有较大的不同。

如图2-33所示，由传动系统、间隙消除装置及蜗轮夹紧装置等组成了数控回转工作台。它由伺服电动机1驱动，经齿轮2和4带动蜗杆

9、蜗轮10使工作台回转。通过调整偏心环3来消除齿轮2和4啮合侧隙。为了消除轴与套的配合间

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注

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隙，通过楔形拉紧圆柱销5（A—A剖面）来连接齿轮4与蜗杆9。蜗杆9采用螺距渐厚蜗杆，蜗杆齿厚从头到尾逐渐增厚，这种蜗杆的左右两侧具有不同的导程。但由于同一侧的螺距是相同的，所以仍能保持正确的啮合。通过移动蜗杆的轴向位置来调节间隙，实现无间隙传动。

当工作台静止时，必须处于锁紧状态。为此，在蜗轮底部装有八对夹紧块12及13，并在底座上均布着八个小液压缸14，夹紧液压缸14的上腔通入压力油，使活塞向下运动，通过钢球17撑开夹紧块12及13，将蜗轮夹紧。当工作台需要回转时，数控系统发出指令，夹紧液压缸14上腔的油流回油箱，钢球17在弹簧16的作用下向上抬起，夹紧块12和13松开蜗轮，这时蜗轮和回转工作台可按照控制系统的指令作回转运动。

数控回转工作台的导轨面由大型滚柱轴承支承，并由圆锥滚子轴承及双列圆柱滚子轴承保持回转中心的准确。为消除累积误差，数控回转工作台设有零点，当它作回零运动时首先由安装在蜗轮上的挡块碰撞限位开关，使工作台减速，然后通过感应块和无触点开关的作用使工作台准确停在零点位置上。分度角度位置通常由角度反馈元件圆光栅18反馈给数控系统。

数控回转工作台可作任意角度的回转和分度，因此能够达到较高的分度精度。

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注

第五节

数控机床进给传动系统应用

一、MJ-50数控车床进给传动系统

（一）特点

数控车床的进给运动是把伺服电动机的旋转运动转化为刀架和滑板X、Z轴的直线运动，而且对移动精度要求很高，X轴最小移动量为0.0005mm（直径编程），Z轴最小移动量为0.00lmm。采用滚珠丝杠螺母传动副，可以有效地提高进给系统的灵敏度、定位精度并防止爬行。另外，消除丝杠螺母副的配合间隙和丝杠两端的轴承间隙，也有利于提高传动精度。

数控车床的进给系统采用伺服电动机驱动，经同步带轮传动到滚珠丝杠上，滚珠丝杠螺母带动刀架或滑板移动，所以刀架或滑板的快速移动和进给运动均为同一传动路线。

（二）X轴进给系统传动装置

图2-34是MJ-50数控车床 X轴进给传动装置的结构简图。如图a所示，功率为0.9kw的AC伺服电动机15经20：24同步带轮 14和 10以及同步带 12带动滚珠丝杠6回转，滚珠丝杠螺距为6mm，其上螺母7带动刀架21（图2-34b所示）沿滑板1的导轨移动，实现X轴的进给运动。电动机轴与同步带轮14用键13连接。滚珠丝杠有前后两个支承。前支承3由三个角接触球轴承组成，其中一个轴承大口向前两个轴承大口向后，分别承受双向的轴向载荷。前支承的轴承由螺母2进行预紧。其后支承9为一对角接触球轴承，轴承大口相背放置，由螺母11进行预紧。这种丝杠两端固定的支承形式，其结构和工艺都较复杂，可以

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容

保证和提高丝杠的轴向刚度。脉冲编码器16安装在伺服电动机的尾部。图中5和8是缓冲块，在出现意外碰撞时起保护作用。

A-A剖面图表示滚珠丝杠前支承的轴承座 4用螺钉20固定在滑板上。滑板导轨如B-B剖视图所示为矩形导轨，镶条17、18、19用来调整刀架与滑板导轨的间隙。

图2-34b中22为导轨护板，26、27为机床参考点的限位开关和撞块。镶条23、24、25用于调整滑板与床身导轨的间隙。

因为滑板顶面导轨与水平面倾斜30°，回转刀架的自身重力使其下滑，滚珠丝杠和螺母不能以自锁阻止其下滑，故机床依靠AC伺服电动机的电磁制动来实现自锁。

备

注

二、JCS-018A加工中心机床进给传动系统及传动装置

JCS-018A机床的 X、Y、Z三个轴各有一套进给系统，分别由三台功率为1.4kw的脉宽调速直流伺服电动机直接带动滚珠丝杠旋转。三个轴的进给速度均为1~400mm/min，快移速度X、Y轴为14 m/min，Z轴为10 m/min。为了保证各轴的进给传动系统有较高的传动精度，电动机轴和滚珠丝杠之间均采用了锥环无键连接和高精度十字联轴器的连接结构。以Z轴进给装置为例，分析电动机轴与滚珠丝杠之间的连接结构。图2-35为Z轴进给装置中电动机与丝杠连接的局部视图。如图中所示，l为直流伺服电动机，2为电动机轴，7为滚珠丝杠。电动机轴与轴套3之间采用的锥环4无键连接结构。锥面相互配合的内外锥环，当拧紧螺钉时，外锥环向外膨胀，内锥环受力后向电动机轴收缩，从而使电动机轮与轴套连接在一起。这种连接方式无需在被连接件上开键槽，而且两锥环的内外圆锥面压紧后，可以实现无间隙传动，而且对中性较好，传递动力平稳，加工工艺性好，安装与维修方便。选用锥环对数的多少，取决于所传递扭矩的大小。

高精度十字联轴器由三件组成，其中与电动机轴连接的轴套3的端面有与中心对称的凸键，与丝杠连接的轴套6上开有与中心对称的端面键槽，中间一件联轴节5的两端面上分别有与中心对称且互相垂直的凸键和键槽，它们分别与件3和件6相配合，用来传递运动和扭矩。为了保证十字联轴节的传动精度，在装配时凸键与凹键的径向配合面要经过配研，以便消除反向间隙和传递动力平稳。由于主轴箱垂直运动，为防止滚珠丝杠因不能自锁而使主轴箱下滑，所以Z轴电动机带有制动器。

第六节

自动换刀装置自动换刀装置应当满足的基本要求： 1．刀具换刀时间短且换刀可靠； 2．刀具重复定位精度高；

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内

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3．足够的刀具储存量； 4．刀库占地面积小。

备

注

一、自动换刀装置的形式

根据其组成结构，自动换刀装置可分为回转刀架式、转塔式、带刀库式三种形式，下面作分别介绍。

（一）回转刀架自动换刀装置

数控机床上使用的回转刀架是一种最简单的自动换刀装置。根据不同的适用对象，刀架可设计为四方形、六角形或其它形式。回转刀架可分别安装四把、六把以及更多的刀具，并按数控装置发出的脉冲指令回转、换刀。

CK7815型数控车床采用 BA200L刀架，最多可以有 24个分度位置，机床可选用 12位、8位刀盘。其工作循环是：刀架接收数控装置的指令→松开→转到指令要求的位置→夹紧→发出转位结束的信号。按照这个规律就可以分析各种结构刀架的工作过程。

图2-36中，当电动机11通电时，尾部的电磁制动器30ms以后松开，电动机开始转动，通过齿轮10、9、8带动蜗杆7旋转，从而使蜗轮5转动。蜗轮内孔有螺纹，与轴6上的螺纹配合。这时轴6不能回转，当蜗轮转动时，使得轴6沿轴向向左移动，因为刀架1与轴

6、活动鼠牙盘2是固定在一起的，所以刀盘和鼠牙盘也向左移动，鼠牙盘2和3脱开。在轴6上有两个对称槽，内装滑块4，在鼠牙盘脱开后，蜗轮转到一定角度与蜗轮固定在一起的圆盘14上的凸起便碰到滑块4，蜗轮便通过轴6上的螺纹使轴6右移，鼠牙盘2、3结合定位，电磁制动器通电，维持电动机轴上的反转力矩，以保证鼠牙盘之间有一定的压紧力。最后电动机断电，同时轴6右端的小轴13压下微动开关12，发出转位结束信号。刀架的选位由刷形选位器进行选位。松开、夹紧位置检测则由微动开关12实行。整个刀架是一个纯电器系统，结构简单。

（二）转塔式自动换刀装置

在带有旋转刀具的数控机床中，转塔刀架上装有主轴头，主轴头通常有卧式和立式两种，常用转塔的转位来更换主轴头以实现自动换刀，它是一种比较简单的换刀方式，各个主轴头上预先装有各工序加工所需要的旋转刀具，当收到换刀指令时，各主轴头依次的转到加工位置，并接通主运动使相应的主轴带动刀具旋转，而其它处于不加工位置上的主轴都与主运动脱开。如图2-37数控钻镗铣床，它是装有8把刀具且绕水平轴转位的转塔式自动换刀装置。

（三）带刀库的自动换刀装置

带刀库的自动换刀系统由刀库和刀具换刀机构组成，目前这种换刀方法在数控机床上的应用最为广泛。

刀具的交换方式通常分为机械手交换刀具和由刀库与机床主轴的相对运动实现刀具交换即无机械手交换刀具两种。刀具的交换方式及它们的具体结构直接影响机床的工作效率和可靠性。

1．无机械手交换刀具方式

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无机械手的换刀系统一般是采用把刀库放在主轴箱可以运动到的位置，或整个刀库或某一刀位能移动到主轴箱可以到达的位置，同时，刀库中刀具的存放方向一般与主轴上的装刀方向一致。换刀时，由主轴运动到刀库上的换刀位置，利用主轴直接取走或放回刀具。

2．带机械手交换刀具方式

采用机械手进行刀具交换方式在加工中心中应用最为广泛。机械手是当主轴上的刀具完成一个工步后，把这一工步的刀具送回刀库，并把下一工步所需要的刀具从刀库中取出来装入主轴继续进行加工的功能部件。

图2-39a是单臂单爪回转式机械手，带一个夹爪的手臂可自由回转，装刀卸刀均靠这个夹爪进行，因此，换刀时间较长。

图2-39b是单臂双爪摆动式机械手，手臂上的一个夹爪只完成从主轴上取下“旧刀”送回刀库的任务，而另一个夹爪则执行由刀库取出“新刀”送到主轴的任务，其换刀时间较单爪回转式机械手要短。

图2-39c是双臂回转式机械手，手臂两端各有一个夹爪，能够同时完成抓刀→拔刀→回转→插刀→返回等一系列动作。为了防止刀具掉落，各机械手的活动爪都带有自锁机构。由于双臂回转机械手的动作比较简单，而且能够同时抓取和装卸机床主轴和刀库中的刀具，因此换刀时间可进一步缩短，是最常用的一种形式。图右边的机械手在抓取刀具或将刀具送入刀库主轴时，其两臂可伸缩。

图2-39d是双机械手，相当于两个单臂单爪机械手，它们相互配合完成自动换刀动作。

图2-39e是双臂往复交叉式机械手。这种机械手的两臂可以进行往复运动，并交叉成一定的角度。一个手臂从主轴上取下“旧刀”送回刀库，另一个手臂由刀库中取出“新刀”装入主轴，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换刀动作。

图2-39f是双臂端面夹紧式机械手。它的特点是靠夹紧刀柄的两个端面来抓取刀具，而其它机械手均靠夹紧刀柄的外圆表面抓取刀具。

备

注

二、刀库

刀库是用来储存加工刀具及辅助工具的，是自动换刀装置中最主要的部件之一。

1．刀库的类型

按刀库的结构形式可分为圆盘式刀库、链式刀库和箱型式刀库。圆盘式刀库如图2-40，结构简单，应用也较多。但因刀具采用单环排列，空间利用率低，因此出现了将刀具在盘中采用双环或多环排列的形式，以增加空间利用率。但这样使刀库的外径扩大，转动惯量也增大，选刀时间也长。所以，圆盘式刀库一般用于刀具容量较小的刀库。链式刀库如图2-41所示，适用于刀库容量较大的场合。链的形状可以根据机床的布局配置，也可将换刀位突出以利于换刀。当需要增加链式刀库的刀具容量时，只需增加链条的长度，在一定范围内，无需变更刀库的线速度及惯量。一般刀具数量30~120把时都采用链式刀库。箱型式刀库的结构

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也比较简单，有箱型和线型两种，如图2-42，图2-43。箱型刀库一般容量比较大，刀库的空间利用率较高，换刀时间较长，往往用于加工单元式加工中心。线型刀库容量小，一般在十几把刀左右，多用于自动换刀的数控车床，数控钻床也有采用。

另外，按设置部位的不同刀库可以分为顶置式、侧置式、悬挂式和落地式等

备

注

多种类型。按交换刀具还是交换主轴，刀库可分为普通刀库（简称刀库）和主轴箱刀库。

2．刀库的容量

确定刀库的容量首先要考虑加工工艺的需要。对若干种工件进行分析表明，各种加工所必需的刀具数量是：4把铣刀可完成工件95％左右的铣削工艺，10把孔加工刀具可完成70％的钻削工艺，因此，14把刀的容量就可完成70％以上工件的钻铣工艺。如果从完成工件的全部加工所需的刀具数目统计，则80％的工件（中等尺寸，复杂程度一般）完成全部加工任务所需的刀具数为40种以下。所以对于一般的中、小型立式加工中心，配有14~30把刀具的刀库就能够满足70％~95％工件的加工需要。

3．刀库的选刀方式

目前，加工中心刀库使用的选刀方式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，顺序不能有差错。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，因而操作十分繁琐，而且加工同一工件中各工序的刀具不能重复使用。这样就会增加刀具的数量，而且由于刀具的尺寸误差也容易造成加工精度的不稳定。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、小型自动换刀装置。

随着数控系统的发展，目前绝大多数的数控系统都具有刀具任选功能。任选刀具的换刀方式可以有刀套编码、刀具编码和记忆等方式。刀具编码或刀套编码都需要在刀具或刀套安装用于识别的编码条，如图2-44，一般都是根据二进制编码原理进行编码。刀具编码选刀方式采用了一种特殊的刀柄结构，并对每把刀具编码。由于每把刀具都具有自己的代码，因而刀具可以放在刀库中的任何一个刀座内，这样不仅刀库中的刀具可以在不同的工序中多次重复使用，而且换下的刀具也不用放回原来的刀座，这对装刀和选刀都十分有利，刀库的容量也可以相应地减少。而且还可以避免由于刀具顺序的差错所造成的事故。但是由于每把刀具上都带有专用的编码系统，使刀具的长度加长，制造困难，刀具刚度降低，同时使得刀库和机械手的结构也变得复杂。对于刀套

二、刀库

刀库是用来储存加工刀具及辅助工具的，是自动换刀装置中最主要的部件之一。

1．刀库的类型

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容

按刀库的结构形式可分为圆盘式刀库、链式刀库和箱型式刀库。圆盘式刀库如图2-40，结构简单，应用也较多。但因刀具采用单环排列，空间利用率低，因此出现了将刀具在盘中采用双环或多环排列的形式，以增加空间利用率。但这样使刀库的外径扩大，转动惯量也增大，选刀时间也长。所以，圆盘式刀库一般用于刀具容量较小的刀库。链式刀库如图2-41所示，适用于刀库容量较大的场合。链的形状可以根据机床的布局配置，也可将换刀位突出以利于换刀。当需要增加链式刀库的刀具容量时，只需增加链条的长度，在一定范围内，无需变更刀库的线速度及惯量。一般刀具数量30~120把时都采用链式刀库。箱型式刀库的结构也比较简单，有箱型和线型两种，如图2-42，图2-43。箱型刀库一般容量比较大，刀库的空间利用率较高，换刀时间较长，往往用于加工单元式加工中心。线型刀库容量小，一般在十几把刀左右，多用于自动换刀的数控车床，数控钻床也有采用。

另外，按设置部位的不同刀库可以分为顶置式、侧置式、悬挂式和落地式等

备

注

多种类型。按交换刀具还是交换主轴，刀库可分为普通刀库（简称刀库）和主轴箱刀库。

2．刀库的容量

确定刀库的容量首先要考虑加工工艺的需要。对若干种工件进行分析表明，各种加工所必需的刀具数量是：4把铣刀可完成工件95％左右的铣削工艺，10把孔加工刀具可完成70％的钻削工艺，因此，14把刀的容量就可完成70％以上工件的钻铣工艺。如果从完成工件的全部加工所需的刀具数目统计，则80％的工件（中等尺寸，复杂程度一般）完成全部加工任务所需的刀具数为40种以下。所以对于一般的中、小型立式加工中心，配有14~30把刀具的刀库就能够满足70％~95％工件的加工需要。

3．刀库的选刀方式

目前，加工中心刀库使用的选刀方式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，顺序不能有差错。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，因而操作十分繁琐，而且加工同一工件中各工序的刀具不能重复使用。这样就会增加刀具的数量，而且由于刀具的尺寸误差也容易造成加工精度的不稳定。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、小型自动换刀装置。

随着数控系统的发展，目前绝大多数的数控系统都具有刀具任选功能。任选刀具的换刀方式可以有刀套编码、刀具编码和记忆等方式。刀具编码或刀套编码都需要在刀具或刀套安装用于识别的编码条，如图2-44，一般都是根据二进制编码原理进行编码。刀具编码选刀方式采用了一种特殊的刀柄结构，并对每把刀具编码。由于每把刀具都具有自己的代码，因而刀具可以放在刀库中的任何一个刀座内，这样不仅刀库中的刀具可以在不同的工序中多次重复使用，而且换下的刀具也不用放回原来的刀座，这对装刀和选刀都十分有利，刀库的容量也可以相应地减少。而且还可以避免由于刀具顺序的差错所造成的事故。但是由于每把刀具

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上都带有专用的编码系统，使刀具的长度加长，制造困难，刀具刚度降低，同时使得刀库和机械手的结构也变得复杂。对于刀套编码的方式，一把刀具只对应一个刀套，从一个刀套中取出的刀具必须放回同一刀套中，取送刀具十分麻烦，换刀时间长。因此，无论是刀具编码还是刀套编码都给换刀系统带来麻烦。目前在加工中心上绝大多数都使用记忆式的任选换刀方式。这种方式是第一次给刀库装刀时，告诉控制系统刀库中的每个刀套号和该刀套上的刀具号，刀具在使用中不一定被送还到原来的刀套上，但是控制系统仍能记住该刀具号所在的新刀套号。这种方式有利于缩短换刀、选刀时间。由于这种方式经常改变刀具号与刀套的对应关系，所以在重新启动机床时必须使刀库回零，校验一下显示器上显示的内容与实际刀具的情况。

刀库选刀方式一般采用就近移动原则，即无论采取哪种选刀方式，在根据程序指令把下一工序要用的刀具移到换刀位置时，都要向距离换刀最近的方向移动，以节省选刀时间。

备

注

三、实例

这是JCS-018A加工中心的自动换刀装置。1．自动换刀工作过程

（1）刀套下转90°

本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，如图2-45所示。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°，使刀具轴线与主轴轴线平行。

（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的手臂与主轴中心到换刀位置的刀具中心线的连线成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上和主轴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。

（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

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）机械手反转75°

机械手反转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。2．机械手传动过程

本机床上使用的换刀机械手为双臂回转式机械手。图2-46为机械手传动结构示意图，它是目前加工中心上用得较多的一种。这种机械手的拔刀、插刀动作大都由油缸完成。根据结构要求可以采取“油缸动、活塞固定”或“活塞动、油缸

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固定”的结构形式。它的手臂的回转动作通过活塞带动齿条齿轮传动来实现，并且活塞的可调行程来保证机械手臂的不同回转角度。

3．刀库结构

图2-47是本机床盘式刀库的结构简图。如图a所示，当数控系统发出换刀指令后，直流伺服电动机1接通，其运动经过十字联轴节

2、蜗杆

4、蜗轮3传到如图b所示的刀盘14，刀盘带动其上面的16个刀套13转动，完成选刀的工作。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 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。

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a中的螺杆8，可以调整拨叉的行程，而拨叉的行程又决定刀具轴线相对主轴轴线的位置。

备

注

第七节

辅助装置

一、数控机床的液压和气动系统

1．数控机床中的液压和气动装置功能

液压和气动装置在数控机床中一般完成如下辅助功能

（1）自动换刀所需的动作。如机械手的伸、缩、回转和摆动以及刀具的松开和拉紧动作。

（2）主轴的自动松开、夹紧。

（3）机床运动部件的制动和离合器的控制，齿轮的拨叉挂档等。（4）机床的润滑、冷却、防护罩、门的自动开关。（5）工作台的松开夹紧，交换工作台的自动交换动作等。

（6）机床运动部件的平衡。如机床主轴箱的重力平衡、刀库机械手的平衡等。

2．数控机床中的液压装置

图2-48所示为数控车床液压系统原理图。液压系统采用单向变量液压泵，系统压力调整至4MPa，由压力表显示。泵出口的压力油经过单向阀进入控制油路。机床的卡盘夹紧与松开、夹盘夹紧力的高低压转换、回转刀架的松开与夹紧、刀架刀盘的正转反转、尾座套筒的伸出与退回动作都是由液压系统驱动的，数控系统的PC控制液压系统中各电磁阀电磁铁的动作。

2位四通电磁阀1控制主轴卡盘的夹紧与松开，电磁阀2控制卡盘的高压夹紧与低压夹紧的转换。当卡盘处于正卡（也称外卡）且在高压夹紧状态下，夹紧力的大小由减压阀6来调整，由压力表12显示卡盘压力。系统压力油经减压阀6→电磁阀2（左位）→电磁阀1（左位）→液压缸右腔，活塞杆左移，卡盘夹紧。

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这时液压缸左腔的油液经阀1（左位）直接回油箱。反之，系统压力油经减压阀6→电磁阀2（左位）→电磁阀1（右位）→液压缸左腔，活塞杆右移，卡盘松开。这时液压缸右腔的油液经阀1（右位）直接回油箱。当卡盘处于正卡且在低压夹紧状态下，夹紧力的大小由减压阀7来调整。系统压力油经减压阀7→电磁阀2（右位）→电磁阀1（左位）→液压缸右腔，卡盘夹紧。反之，系统压力油经减压阀7→电磁2（右位）→电磁阀1（右位）→液压缸左腔，卡盘松开。也可对刀架转位、刀盘松开夹紧及尾座套筒动作的控制进行分析。

备

注

二、排屑装置

1．排屑装置在数控机床中的作用

切屑占用加工区域，如果不及时清除必然会覆盖或缠绕在工件和刀具上，使自动加工无法继续进行。此外，炽热的切屑向机床或工件散发热量，使机床或工件产生变形，影响加工的精度。因此迅速、有效地排除切屑对数控机床加工来说十分重要，而排屑装置正是完成该工作的必备附属装置。排屑装置的主要作用是将切屑从加工区域排出到数控机床之外。

2．排屑装置的种类

（1）平板链式排屑装置，图2-49a。该装置以滚动链轮牵引钢质平板链带在封闭箱中运转，加工中的切屑落到链带上而被带出机床。这种装置能排除各种形状的切屑，适应性强，各类机床都能采用。在车床上使用时多与机床的冷却液箱合为一体，以简化机床结构。

（2）刮板式排屑装置，图2-49b。该装置的传动原理与平板链式的基本相同，只是链板不同，它的链板带有刮板。这种装置常用于输送各种材料的短小切屑，排屑能力较强。但因负载大而需采用较大功率的驱动电动机。

（3）螺旋式排屑装置，图2-49c。该装置采用电动机，经减速装置驱动安装在沟槽中的长螺旋杆。螺旋杆转动时，沟槽中的切屑即被螺旋杆推动而连续向前运动，最终排入切屑收集箱中。螺旋式排屑装置占用空间小，适于安装在机床与立柱间空隙狭小的位置上，而且它结构简单，排屑性能良好。但这种装置只适于沿水平或小角度倾斜直线方向排运切屑，不能大角度倾斜、提升或转向排屑。

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编码的方式，一把刀具只对应一

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个刀套，从一个刀套中取出的刀具必须放回同一刀套中，取送刀具十分麻烦，换刀时间长。因此，无论是刀具编码还是刀套编码都给换刀系统带来麻烦。目前在加工中心上绝大多数都使用记忆式的任选换刀方式。这种方式是第一次给刀库装刀时，告诉控制系统刀库中的每个刀套号和该刀套上的刀具号，刀具在使用中不一定被送还到原来的刀套上，但是控制系统仍能记住该刀具号所在的新刀套号。这种方式有利于缩短换刀、选刀时间。由于这种方式经常改变刀具号与刀套的对应关系，所以在重新启动机床时必须使刀库回零，校验一下显示器上显示的内容与实际刀具的情况。

刀库选刀方式一般采用就近移动原则，即无论采取哪种选刀方式，在根据程序指令把下一工序要用的刀具移到换刀位置时，都要向距离换刀最近的方向移动，以节省选刀时间。

备

注

三、实例

这是JCS-018A加工中心的自动换刀装置。1．自动换刀工作过程

（1）刀套下转90°

本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，如图2-45所示。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°，使刀具轴线与主轴轴线平行。

（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的手臂与主轴中心到换刀位置的刀具中心线的连线成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上和主轴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。

（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

液压缸复位驱动机械手逆时针转180°的液压缸复位，机

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械手无动作。

（9）机械手反转75°

机械手反转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。2．机械手传动过程

本机床上使用的换刀机械手为双臂回转式机械手。图2-46为机械手传动结构示意图，它是目前加工中心上用得较多的一种。这种机械手的拔刀、插刀动作大都由油缸完成。根据结构要求可以采取“油缸动、活塞固定”或“活塞动、油缸固定”的结构形式。它的手臂的回转动作通过活塞带动齿条齿轮传动来实现，并且活塞的可调行程来保证机械手臂的不同回转角度。

3．刀库结构

图2-47是本机床盘式刀库的结构简图。如图a所示，当数控系统发出换刀指令后，直流伺服电动机1接通，其运动经过十字联轴节

2、蜗杆

4、蜗轮3传到如图b所示的刀盘14，刀盘带动其上面的16个刀套13转动，完成选刀的工作。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 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。

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a中的螺杆8，可以调整拨叉的行程，而拨叉的行程又决定刀具轴线相对主轴轴线的位置。

备

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《数控加工工艺及设备》教案

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哦哦

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篇6：数控加工论文

赵玉刚$张$健$于光伟$胡$柳

（山东理工大学机械工程学院，山东淄博 %“"&’（）

摘!要：数控系统在使用刀具半径补偿功能时，由于数控编程或工艺处理不当等，易产生工件过切现象。针

对以上过切现象，分析其原因并提出应对策略。

关键词：过切!刀具半径补偿!数控编程

中图分类号：”#$%&！文献标识码：’

!“# $%&’()*)&%+ $+,-).*%/ 0#.”1+ 213 45#3)*6# 7-..*%/ *% 787)*+,-./01/，)*+23 4501，-6 3.01/785，*6 95.（:;<==> =? @8;<015;0> A1/5188B51/，:<01C=1/ 615D8BE5FG =? H8;<1=>=/G，)5I= %“"&’(，J*2）

’()*+,-*：K<81 F<8;.FF8B B0C5.E;=LM81E0F5=1 5E 0MM>58C，2J MB=/B0LL51/ =B F8;<15;0> MB=;8EE 5E 510MMB=MB50F8，7<5;< >80C F= =D8BE5N8;.FF51/O +10>GN51/ F<8 B80E=1 01C 0CD01;51/ 0CP.EF51/ L8F<=C ?=B F<8 F=M =? F<8 =Q

D8BE5N8;.FF51/O

./012+3)：,D8BE5N8 J.FF51/；J.FF8B R0C5.E J=LM81E0F5=1；2J SB=/B0LL51/

近些年，由于数控加工的需要，大部分数控系统都废。本文针对经常出现的几种过切情况进行分析，给

已经具备了刀具半径补偿功能。在编程时，技术人员出应对策略并加以实现。只需给出刀具半径值，并按照工件轮廓轨迹编制程序 $!数控加工中的过切现象及应对策略

代码，而不必经过繁琐的计算得到刀具中心轨迹路径。这种只需改变刀具半径而无需改变程序就可以实现不$O $!加工小于刀具半径的内圆弧面

同刀具的数控加工，为数控加工带来方便。然而，数控当加工内轮廓圆弧，圆弧的半径小于刀具半径值

机床在加工中，由于编程轨迹处理不当、工艺过程处理时，此段圆弧刀具半径补偿将会导致过切，数控系统出

不当等原因导致切削过量现象，称为“过切”［!］。过切现报警提醒并停止于将要过切语句的起始位置［%］。现象直接影响工件的表面质量，甚至导致加工产品报图!在加工圆弧！&拐角处，半径为！” 的刀具))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))

备倍受推崇。因此笔者认为，柔性化生产和敏捷性生 %!缸体生产线工艺发展趋势

产是缸体生产线的工艺发展趋势。

汽车行业是一个技术密集型、资金密集性、劳动密参考文献

集型的产业，基于节省投资的需要，要求发动机生产线［!］叶伟昌O改进珩磨头结构提高珩孔质量［4］O机械工艺师，!((T（#）O 尽可能满足多品种生产的需要。同时由于国际环保和［%］葛延翔，郑云龙O缸孔平台网纹珩磨的评定方法和工艺实践［ 4］O汽

节能呼声的高涨，各国对汽车的排放、油耗提出了更高车制造业，%&&’（#）O 的限制，因此要求产品开发人员对发动机的持续性升［U］陶前昭，李胜柱O缸孔平台网纹珩磨工艺［

4］O现代制造工程，%&&%

级和改进已成为现实。所以发动机生产模式由传统的（U）O 少品种、大批量的生产模式向多品种、中小批量的生产 作者：董克安，男，!(T%年生，工程师，技术部长，模式过渡，从而柔性化生产和敏捷性生产的重要性也主要从事发动机的生产制造工作，致力于新技术、新工

日益在发动机领域突显出来。美国福特公司、日本本艺的研发应用。

田公司等国际汽车龙头企业越来越关注发动机的柔性（编辑$谭弘颖）$$ 化生产和敏捷性生产，从而在发动机机加工生产线中，（收稿日期：%&!& V&W V!W）$$

文章编号：！&!’“象立式加工中心、卧式加工中心等具有相当柔性的设 如果您想发表对本文的看法，请将文章编号填入读者意见调查表中的相应位置。

·$ $$!”# ·

出现过切现象，若机床不停止加工，在两个端点处出现

阴影部分的过切区域。因

此针对此种情况，若对过渡

圆弧有尺寸要求，应使得刀

具半径值小于加工的圆弧

半径；若要求不是很严格，在做刀补处理时，可以省略

过渡圆弧，用刀具外形轮廓

代替需要加工的圆角。

!% “#加工长度小于刀具直

径的沟槽

!% &%!$刀具过切现象

如图

&所示，被加工凹

槽底部宽度小于刀具直径

时，启动刀具半径补偿功

能，刀具中心轨迹为 ’!(!)!*!，在(!、)!点处出现过

切削区域如图 &阴影部分。

在这种情况下，机床数控系

统会报警并停留在该程序

段的起点位置。

!% &% &$刀具过切现象的应

对策略

若想加工出底部凹槽，需更改刀具，缩小刀具半

径，使得刀具直径值小于底部凹槽()的长度；若受到

加工条件的限制，不能改变刀具，此种情况只能改变刀

具半径补偿功能，附加一个过切判断。在刀具半径补

偿中，可以通过编程矢量与其相对应的修正矢量的标

量积的正负进行判别。在上图中，!”为编程矢量，！

“!为

!”对应的修正矢量，!为它们之间的夹角。则

标量积为

!“·！”！“！”!“"！”!+ ,-.!（!）

显然，当!“·！”!/0（即 102 /!/ ）时，刀

具就要背向编程轨迹移动，造成过切削。图 &中!3

!402，所以必定产生过切削。

假设

#!坐标为（$0，%0），&!坐标为（$!，%!），刀具

中心轨迹的交点 ’（$，%），且 #！!的单位方向向量为（($0，(%0），“!$!的单位方向向量为（($!，(%!），则存在

如下的关系式：

{（$0)$）(%0)（%0)%）($0!0（$)$!）(%!)（%!)%）($！0（&）

可得到刀具中心轨迹的交点’，从而将没有过切 判断的刀具中心轨迹*!#!&!+!，经过切判断并简化刀

具轨迹为 *!’+!，这样可以解决过切问题，但不能加工

出底部的凹槽。图

5为凹槽过切时，刀具半径补偿经

过切判断，改变了走刀路线，避免了过切。

!, $#尖角加工的过切现象及处理!, 5,!$刀具半径过大的情况 在数控加工中经常会

出现尖角情况，若刀具半径 足够小，加工的刀具轨迹可 以无限接近凹角顶点；但若

刀具半径很大，超过了夹角 端口的宽度，不仅此处凹角

不能加工，而且对其他轮廓轨迹带来过切。图 6为尖

角加工的过切现象，阴影部分为刀具在交点处的过切 区域。

尖角加工的刀具半径补偿功能的过切判断与上面 凹槽的判断相似，将编程轨迹 #&与刀具中心轨迹！”!做矢量乘积，判断正负，从而得到是否过切。若对 此种过渡类型的加工无严格要求，可以简化刀具轨迹，即得到 #！!与 “!$!的交点，最终刀具中心轨迹为 *!’+!。图

”是加工尖角，出现过切现象时，经过切判断 而简化的刀具中心轨迹。

图

“中，内圈图形为无刀补的刀具中心轨迹（即 轮廓轨迹），外圈为半径为!0 77的刀具中心轨迹，在

右侧尖角处出现过切现象，刀具半径补偿功能经过切 判断，对原始的刀具路径轨迹进行修改，形成新的刀具 路径。

·$ $$!”# ·

!% &% ’$内角交接处的过切

加工零件内角时，刀具半径小于内角端口的宽度 也可能产生过切，原因如下：（!）当刀具运动至内角交 点处，刀具与工件的接触面积增大，致使工件作用于刀 具的切削力增大，转过拐角时，刀具变为单面作用，切 削力减小，工艺系统弹性变形恢复，导致刀具向工件加 工侧延伸，产生过切；大惯性系统，（’）对于大增益、进

给速度过高，其运动惯性导致工件过切［&］。

应对策略：（!）选择刚性好，抗振及受热应力变形 小的短柄刀具；（’）采用进给速度的分级，使得在拐角 处降低进给速度，从而减小刀具惯性，达到减小过切区 域的目的。

!“ #$刀具半径补偿的建立与

!轴的切入操作

开始加工工件前，在即将接触工件的位置建立刀 具半径补偿，再进行

!轴方向的切入，为保证程序运

行后得到正确的工件轮廓而不产生过切，编程时须注 意加工程序的结构［(］。))))!*!+,)+”(-!))).)& *’ +))/!))*& 0)1)*(+)!+(!0’)1!)23 4!))*“ /’ *3 /5!)*6 1”)*# 0“)*, 1’)*!)0!)*！+))/!))*!’ +()0)1)*!&.)” *!(.)’

根据刀具半径补偿功 能编程规则，在

“#$平面

内建立刀具半径补偿后，不 能连续出现两段!轴的移

动指令，否则会出现补偿位 置不正确，系统无法获得下 一步补偿矢量，系统并不报 警，补偿照样进行，从而出 现过切现象，如图 3所示。

为避免过切现象的发生，对刀具半径补偿功能的 源程序进行修订，在获得刀具建立行后，继续读取程序 行，直到获得下一段程序的补偿矢量（即 *6行），而此

种判断是通过加工指令与 ”#$平面坐标关系判定的。图

6所示，是对刀补程序进行修订后得到的模拟仿真

·$ $$!“# ·

图。

!% %$各轴速度滞后性引起的过切

加工转角为直角的工件轮廓，其刀具中心正好沿

着两正交轴移动，在某一坐标伺服系统的位置为加工 终点，而另一个正交轴伺服系统紧接着接受位置指令，速度瞬间从零加速至指定值。但在两正交轴改变的瞬 间，第一正交轴对指令位置有滞后性，使得第二正交轴 加速时，第一正交轴未到达拐点，出现过切。

应对策略：（!）在编程时，对第一正交轴采用分级 加度，或编程轨迹改变时有自动减速和加速功能；（’）改变编程中正交轴的位置；（&）编程时在拐角处停留 一段时间［”］。

&$结语

以上分析了数控加工过程中的几种过切现象及应 对策略。当然，引起过切的因素是多方面的，在编制数 控加工程序时，需综合考虑零件结构、刀具选择和编制 的数控程序代码等，才能得到规定的工件形状。

参考文献

［!］黄登红，王建平%刀具半径补偿中的过切现象及对策探讨［ 7］%现代 制造工程，’))“（!)）：’!5’’% ［’］唐和业，梅江平%由“刀具半径补偿”引起的过切现象［ 7］%数控技 术，’))”（!’）：63 566% ［&］丁跃浇%数控铣床加工中的过切现象浅析［ 7］%机械设计与制造，’))&（（）：#’ 5#&% ［(］王粟%数控加工中心的过切现象分析［ 7］%计算机应用，’))“（”）：“" 5 ”3% ［“］张伟%数控铣削中过切现象分析研究［7］%机械制造与研究，’))”，&(（（）：&“ 5&3，&,% 第一作者：赵玉刚，男，教授，主要研究方向为数控 技术及特种加工，已发表论文 36篇。

（编辑$余$捷）$$（收稿日期：’)!)5)” 5!,）$$