数控机床及编程：5.5 数控机床的换刀装置

5.5 数控机床的换刀装置

一、自动换刀装置的作用

自动换刀装置可帮助数控机床节省辅助时间，并满足在一次安装中完成多工序、工步加工要求。

二、对自动换刀装置的要求

数控机床对自动换刀装置的要求是：换刀迅速、时间短，重复定位精度高，刀具储存量足够，所占空间位置小，工作稳定可靠。

三、换刀形式

1、回转刀架换刀

其结构类似普通车床上回转刀架，根据加工对象不同可设计成四方或六角形式，由数控系统发出指令进行回转换刀。

2、更换主轴头换刀

各主轴头预先装好所需刀具，依次转至加工位置，接通主运动，带动刀具旋转。该方式的优点是省去了自动松夹、装卸刀具、夹紧及刀具搬动等一系列复杂操作，缩短了换刀时间，提高了换刀可靠性。

3、使用刀库-机械手换刀

将加工中所需刀具分别装于标准刀柄，在机外进行尺寸调整之后按一定方式放入刀库，由交换装置从刀库和主轴上取刀交换。

四、刀具交换装置

自动换刀装置中，实现刀库与主轴间传递和装卸刀具的装置为刀具交换装置。刀具交换方式常有两种：采用机械手交换刀具和由刀库与机床主轴的相对运动交换刀具（刀库移至主轴处换刀或主轴运动到刀库换刀位置换刀）,其中以机械手换刀最为常见。五、刀库

刀库是自动换刀装置中最主要的部件之一，其容量、布局及具体结构对数控机床的总体设计有很大影响。

1、刀库容量

指刀库存放刀具的数量，一般根据加工工艺要求而定。刀库容量小，不能满足加工需要；容量过大，又会使刀库尺寸大，占地面积大，选刀过程时间长，且刀库利用率低，结构过于复杂，造成很大浪费。

2、刀库类型

一般有盘式、链式及鼓轮式刀库几种。

盘式刀库刀具呈环行排列，空间利用率低，容量不大但结构简单。

链式刀库结构紧凑，容量大，链环的形状也可随机床布局制成各种形式而灵活多变，还可将换刀位突出以便于换刀，应用较为广泛。

鼓轮式或格子式刀库占地小，结构紧凑，容量大，但选刀、取刀动作复杂，多用于FMS 的集中供刀系统。

3、选刀方式

常有顺序选刀和任意选刀两种。

顺序选刀是在加工前，将加工所需刀具依工艺次序插入刀库刀套中，顺序不能有差错，加工时按顺序调刀。工件变更时，需重调刀具顺序，操作烦琐，且加工同一工件中刀具不能重复使用。

任意选刀是刀具均有自己的代码，加工中任选且可重复使用，也不用放于固定刀座，装刀、选刀都较方便。

图5-1 工作台部分结构示意图

图5-2 主轴箱结构示意图

回转工作台是数控铣床、数控镗床、加工中心等数控机床不可缺少的重要附件( 或部件 ) 。它的作用是按照控制装置的信号或指令作回转分度或连续回转进给运动，以使数控机床能完

成指定的加工工序。常用的回转工作台有分度工作台和数控回转工作台。

一、分度工作台

分度工作台的功能是完成回转分度运动，即在需要分度时，将工作台及其工件回转一定角度。其作用是在加工中自动完成工件的转位换面，实现工件一次安装完成几个面的加工。由于结构上的原因，通常分度工作台的分度运动只限

于某些规定的角度；不能实现范围内任意角度的分度。

为了保证加工精度，分度工作台的定位精度 ( 定心和分度 ) 要求很高。实现工作台转位的机构很难达到分度精度的要求，所以要有专门定位元件来保证。按照采用的定位元件不同，有定位销式分度工作台和鼠齿盘式分度工作台。

1 ．定位销式分度工作台

定位销式分度工作台采用定位销和定位孔作为定位元件，定位精度取决于定位销和定位孔的精度 ( 位置精度、配合间隙等 ) ，最高可达±5′′ 。因此，定位销和定位孔衬套的制造和装配精度要求都很高，硬度的要求也很高，而且耐磨性要好。图 5-31 是自动换刀数控卧式镗铣床的定位销式分度工作台。该分度工作台置于长方形工作台中间，在不单独使用分度工作台时，两者可以作为一个整体使用。

图 5-31 定位销式分度工作台结构

1 —挡块；

2 —工作台；

3 —锥套；

4 —螺钉；

5 —支座；

6 —油缸；

7 —定位衬套；

8 —定位销； 9 —锁紧油缸； 10 —大齿轮； 11 —长方形工作台； 12 —上底座；

13 —止推轴承； 14 —滚针轴承； 15 —进油管道； 16 —中央油缸； 17 —活塞；

18 —螺栓； 19 —双列圆柱滚子轴承； 20 —下底座； 21 —弹簧； 22 —活塞拉杆

工作台 2 的底部均匀分布着八个 ( 削边圆柱 ) 定位销 8 ，在工作台下底座 12 上有一个定位衬套 7 以及环形槽。定位时只有一个定位销插入定位衬套的孔中，其余七个则进人环形槽中，因为定位销之间的分布角度为

45 ° ，故只能实现45 ° 等分的分度运动。

定位销式分度工作台作分度运动时，其工作过程分为三个步骤：

(1) 松开锁紧机构并拔出定位销

当数控装置发出指令时，下底座 20 上的六个均布锁紧油缸 9( 图中只示出一个 ) 卸荷。活塞拉杆 22 在弹簧 21 的作用下上升 15mm ，使工作台 2 处于松开状态。同时，间隙消除油缸 6 也卸荷，中央油缸 16 从管道 15 进压力油，使活塞 17 上升，并通过螺栓 18 、支座 5 把止推轴承 13 向上抬起，顶在上底座 12 上，再通过螺钉 4 、锥套 3 使工作台 2 抬起 15mm ，圆柱销从定位衬套 7 中拔出。

(2) 工作台回转分度

当工作台抬起之后发出信号使油马达驱动减速齿轮 ( 图中未示出 ) ，带动与工作台 2 底部联接的大齿轮 10 回转，进行分度运动。在大齿轮 10 上以45 ° 的间隔均布八个挡块 1 ，分度时，工作台先快速回转。当定位销即将进入规定位置时，挡块碰撞第一个限位开关，发出信号使工作台降速，当挡块碰撞第二个限位开关时，工作台 2 停止回转，此时，相应的定位销 8 正好对准定位衬套 7 。

(3) 工作台下降并锁紧

分度完毕后，发出信号使中央油缸 16 卸荷，工作台 2 靠自重下降，定位销 8 插入定位衬套 7 中，在锁紧工作台之前，消除间隙的油缸 6 通压力油，活塞顶向工作台 2 ，消除径向间隙。然后使锁紧油缸 9 的上腔通压力油，活塞拉杆 22 下降，通过拉杆将工作台锁紧。

工作台的回转轴支承在加长型双列圆柱滚子轴承 19 和滚针轴承 14 中，轴承 19 的内孔带有 1 ： 12 的锥度，用来调整径向间隙。另外，它的内环可以带着滚柱在加长的外环内作 15mm 的轴向移动。当工作台抬起时，支座 5 的一部分推力由止推轴承 13 承受，这将有效地减小分度工作台的回转摩擦阻力矩，使工作台 2 转动灵活。

2 ．鼠齿盘式分度工作台

鼠齿盘式分度工作台采用鼠齿盘作为定位元件。这种工作台有以下特点：

(1) 定位精度高，分度精度可达±2'' ，最高可达±0 ． 4'' 。

(2) 由于采用多齿重复定位，因而重复定位精度稳定。

(3) 因为多齿啮合，一般齿面啮合长度不少于 60 ％，齿数啮合率不少于 90 ％，所以定位刚度好，能承受很大外载。

(4) 最小分度为360 ° ／ Z(Z 为鼠齿盘的齿数 ) ，因而分度数目多，适用于多工位分度。

(5) 磨损小，且因为齿盘啮合、脱开相当于两齿盘对研过程，所以，随着使用时间的延续，其定位精度不断提高，使用寿命长。

(6) 鼠齿盘的制造比较困难。

图 5-32 为鼠齿盘及其齿形结构

图 5 —33 为鼠齿盘式分度工作台的结构，主要由一对分度鼠齿盘 13 、 14 ，升夹油缸 12 ，活塞 8 ，液压马达，蜗轮副 3 、 4 ，减速齿轮副 5 、 6 等组成。其工作过程如下：

(1) 工作台抬起，齿盘脱离啮合

当需要分度时，控制系统发出分度指令，压力油进入分度工作台 9 中央的升夹油缸 12 的下腔，活塞 8 向上移动，通过止推轴承 10 和 11 带动工作台 9 向上抬起，使上、下齿盘 13 、 14 脱离啮合，完成分度的准备工作。

(2) 回转分度

当工作台 9 抬起后，通过推动杆和微动开关发出信号，启动液压马达旋转，通过蜗轮 4 和齿轮副 5 、 6 带动工作台 9 进行分度回转运动。工作台分度回转角度由指令给出，共有八个等分，即为45 ° 的整倍数。当工作台的回转角度接近所要分度的角度时，减速挡块使微动开关动作，发出减速信号使液压马达低速回转，为齿盘准确定位创造条件；当达到要求的角度时，准停挡块压合微动开关发出信号，使液压马达停止转动，工作台便完成回转分度工作。

(3) 工作台下降，完成定位夹紧

液压马达停止转动的同时，压力油进入升夹油缸 12 的上腔，推动活塞8 带动工作台下降，数控机床的结构与传动种圆弧或与直线坐标轴联动加工曲面，又能作为分度头完成工件的转位换面。

由于数控回转工作台的功能要求连续回转进给并与其他坐标轴联动，因此采用伺服驱动系统来实现回转、分度和定位，其定位精度由控制系统决定。根据控制方式，有开环数控回转工作台和闭环数控回转工作台。

( 一 ) 开环数控回转工作台

开环数控回转工作台采用电液脉冲马达或功率步进电机驱动，图 5-34 是开环数控回转工作台的结构。

图 5-34 开环数控回转工作台结构

1 —偏心环；

2 、 6 —齿轮；

3 —步进电机；

4 —蜗杆；

5 —橡胶套； 7 —调整环；

8 、 10 —微动开头； 9 、 11 —挡块； 12 —双列短圆柱滚子轴承； 13 —滚珠轴承；

14 —油缸； 15 —蜗轮； 16 —柱塞； 17 —钢球； 18 、 19 —夹紧瓦； 20 —弹簧；

21 —底座； 22 —圆锥滚子轴承； 23 —调整套； 24 —支座

工作台由功率步进电机 3 驱动，经齿轮副 2 、 6 ，蜗轮副 4 、 15 ，带动其作回转进给或分度运动。由于是按控制系统所指定的脉冲数来决定转位角度，因此，对开环数控回转工作台的传动精度要求高，传动间隙应尺量小。为此，在传动结构上采用了消除间隙的措施。步进电机 3 由偏心环 1 与底座连接，通过调整偏心环消除齿轮 2 和齿轮 6 的啮合间隙。蜗杆 4 为双导程 ( 变齿厚 ) 蜗杆，可以用轴向移动蜗杆的方法来消除蜗杆 4 和蜗轮 15 的啮合间隙。调整时，只要将调整环 7 的厚度改变，便可使蜗杆 4 沿轴向移动。

为了消除累积误差，数控回转工作台设有零点。当它作返零控制时，先由挡块 11 压合微动开关 10 ，发出从快速回转变为慢速回转信号，工作台慢速回转，再由挡块 9 压合微动开关 8 进行第二欠减速，然后由无触点行程开关发出从慢速回转变为点动步进信号，最后由步进电机停在某一固定通电相位上，从而使工作台准确地停在零点位置上。

当数控回转工作台用于分度时，分度回转结束后，要把工作台夹紧。在蜗轮 15 下部的内、外两面装有夹紧瓦 18 和 19 ，底座 21 上固定的支座 24 内均布有 6 个油缸 14 。油缸 14 上腔进压力油，柱塞 16 下移，并通过钢球 17 推动夹紧瓦 18 和 19 ，将蜗轮夹紧，从而将工作台夹紧。不需要夹紧时，控制系统发出指令，使油缸 14 上腔油液流回油箱，在弹簧 20 的作用下把钢球 17 抬起，于是夹紧瓦 18 和 19 松开蜗轮 15 ，这时启动步进电机，驱动工作台回转进给或分度。

该数控回转工作台的圆形导轨采用大型滚珠轴承 13 ，使回转运动灵活，双列短圆柱滚子轴承 12 及圆锥滚子轴承 22 保证回转精度和定心精度。调整轴承 12 的预紧力，可以消除回转轴的径向间隙，调整轴承 22 的调整套 23 的厚度，可以使大型滚珠轴承有适当的预紧力，保证导轨有一定的接触刚度。

( 二 ) 闭环数控回转工作台

闭环数控回转工作台的结构与开环数控回转工作台基本相同，区别在于闭环数控回转工作台采用直流或交流伺服电机驱动，有转动角度测量元件 ( 圆光栅、圆感应同步器、脉冲编码器等 ) 。测量的结果反馈与指令值进行比较，按闭环控制原理进行工作，使工作台定位精度更高。

图 5-35 为闭环数控回转工作台结构，该工作台采用直流伺服电机驱动，经两对齿轮副和一对蜗轮副传动工作台。采用双片齿轮 22 消除齿轮啮合间隙，蜗杆为双导程蜗杆，伺服电机带有每转 1000 个脉冲信号的编码器作为角度测量反馈元件。分度精度 25'' ，重复精度 4'' 。

工作台导轨为环形平面导轨，工作台与导轨面间粘贴有聚四氟乙烯导轨板 5 ，具有较好的摩擦特性。

夹紧工作台时，按控制信号要求，压缩空气从气通管接头 20 通过气液转换装置 11 内的电磁换向阀进入气缸右腔，使气缸里的活塞杆 13 向左移动，油腔 14 内的压力油逐渐增压。这时，油缸活塞 1 压缩弹簧 3 并带动拉杆 4 向下移动，将工作台压紧在底座上，同时又移动触头 10 ，压合刹紧信号开关8 ，发出夹紧信号。松开工作台时，压缩空气进入气缸左腔，使活塞杆 13 向右移动，油腔 14 内的压力油减压，直至工作台松开，同时触头 10 压合松开信号开关 12 ，发出信号，伺服电机 17 可开始驱动工作台回转进给或分度。

图 5-35 闭环数控回转工作台结构

1 —油缸活塞；

2 —储油腔；

3 —弹簧；

4 —拉杆；

5 —氟化乙烯导轨板；

6 —工作台；

7 —主轴；

8 —刹紧信号开关；

9 —手摇脉冲发生器； 10 —刹紧、松开触头； 11 —气液转换装置；

12 —松开信号开关； 13 —气缸活塞杆； 14 —油腔； 15 —气缸法兰盘； 16 —储油管油腔；

17 —伺服电机； 18 —伺服电机法兰盘； 19 —齿轮； 20 —气通管接头； 21 —紧固螺钉；

22 —双片齿轮； 23 —双导程蜗杆； 24 —定位键； 25 —螺纹套； 26 —调整螺母

( 三 ) 双导程蜗杆传动

双导程蜗杆传动具有改变啮合侧隙的特点，能够始终保持正确的啮合关系；并且结构紧

凑，调整方便，因而在要求连续精确分度的结构中被采用，以便调整啮合侧隙到最小程度。

双导程蜗杆副啮合原理与一般的蜗杆副啮合原理相同，蜗杆的轴向截面仍相当于基本齿条，蜗轮则相当于同它啮合的齿轮。双导程蜗杆齿的左、右两侧面具有不同的齿距 ( 导程 ) 或者说齿的左、右两侧面具有不同的模数 m(m=t ／π ) ，但同一侧齿距则是相等的，因此，该蜗杆的齿厚从一端到另一端均匀地逐渐增厚或减薄，故又称变齿厚蜗杆，可用轴向移动蜗杆的方法来消除或调整啮合间隙。因为同一侧面齿距相同，没有破坏啮合条件，所以当轴向移动蜗杆后，也能保证良好的啮合。

双导程蜗杆的齿形如图 5-36 所示，图中，、分别为蜗杆左、右侧面轴向齿距；为公称轴向齿矩；、分别为蜗杆左、右侧面齿形角； S 为齿厚； C 为齿槽宽。下面介绍双导程蜗杆传动的特殊参数的选择。

图 5-36 双导程蜗杆齿形

1 ．公称模数

双导程蜗杆传动的公称模数 m 可看成普通蜗杆副的轴向模数，用强度计算方法求得，并选取标准值，它一般等于左、右齿面模数的平均值。

当公称模数确定后，公称齿距也随之而确定。从图 5-36 可知

(5-9)

2 ．齿厚增量系数

齿厚增量系数值为蜗杆轴向移动单位长度内的轴向齿厚变化量，即

(5-10)

值与 m 值一样，是确定其他参数的原始数据，因而在设计中首先要确定值。选择值时应考虑以下问题：

(1) 为了补偿一定的侧隙，蜗杆轴向移动长度与成反比。值大，可使蜗杆轴向尺寸紧凑；但值过大，则使啮合区过分偏移，同时齿顶变尖，齿槽变窄，从而使蜗轮轮齿 ( 大模数值时 ) 发生根切， ( 小模数值时 ) 齿顶变尖。而值过小，则会增大传动机构的轴向尺寸。

(2) 值与啮合节点有一定的关系，由图 5-37 看出，大模数齿面节点向蜗杆的齿根方向偏移，而小模数齿面节点向蜗杆的齿顶方向偏移，节点偏

移量与的关系为

(5-11)

式中，为蜗轮齿数。

图 5-37 啮合关系图

为了保证啮合质量，点不应超出蜗轮的齿顶高，点不应超出蜗杆的齿顶高，即

(5-12)

式中，为齿顶高系数。

因此，根据式 (5-11) 和式 (5-12) 得

(5-13)

3 ．齿厚调整量

齿厚调整量ΔS 是为了补偿制造误差和蜗轮的最大允许磨损量所形成的侧隙而选取的。一般推荐ΔS=0.3~ 0.5mm 。对于数控回转工作台，ΔS 值应偏小。当传递动力时，ΔS 也可选为π mk 。

4 ．模数差与节距差

模数差Δm 值为左、右齿面模数与公称模数 m 之差的绝对值。当已知 m 和值时，有

(5-14)

因而

(5 -15)

(5-16) 同样，节距差Δt 值、左面和右面齿距分别为

(5-1 7)

设计双导程蜗杆时，还要对齿槽变窄、齿顶变尖、蜗轮根切进行验算。

双导程蜗杆的优点是：啮合间隙可调整得很小，根据实际经验，侧隙调整可以小至 0.01~ 0.015mm ，而普通蜗轮副一般只能达 0.03 ～ 0.08mm ，因此，双导程蜗杆副能在较小的侧隙下工作，这对提高数控回转工作台的分度精度非常有利。由于普通蜗杆是用蜗杆沿蜗轮径向移动来调整啮合侧隙，因而改变了传动副的中心距 ( 中心距的改变会引起齿面接触情况变差，甚至加剧磨损，不利于保持蜗轮副的精度 ) ；而双导程蜗杆是用蜗杆轴向移动来调整啮合侧隙，不会改变传动副的中心距，可避免上述缺点。双导程蜗杆是用修磨调整环来控制调整量，调整准确，方便可靠；而普通蜗轮副的径向调整量较难掌握，调整时也容易产生蜗杆轴线歪斜。

双导程蜗杆的缺点是：蜗杆加工比较麻烦，在车削和磨削蜗杆左、右齿面时，螺纹传动链要选配不同的两套挂轮，而这两种蜗距往往是烦琐的小数，对于精确配算挂轮很费时；同样，在制造加工蜗轮的滚刀时，应根据双导程蜗杆的参数设计制造，通用性差。

图5－10倾斜式床身及切屑传送带自动排屑装置