主轴内部刀具自动夹紧机构
数控铣床自动换刀化改造(刀库式加工中心)
第一章绪论1.1 数控设备的发展历史>第一代数控系统：1952年至1959年，采川电子管元件。
>第二代数控系统：1959年开始，采刖晶体管元件。
>第三代数控系统：1965年开始，采川集成电路。
>第四代数控系统：1970年开始，采刖人规模集成电路及小型通用计算机。
>第五代数控系统：1974年开始，采用微处理机和微型计算机。
1.2 自动换刀系统的意义从换刀系统发展的历史米看，1956年日本富士通研究成功数控转塔式冲床，美国IBM公司同期也研制成功了“APT”（刀具程序控制装置）。
1958年美国K&T公司研制出带ATC(自动刀具交换装置)的加工中心。
1967年出现了FMS（柔性制造系统）。
1978年以后，加工中心迅速发展，带有ATC装置，可实现多种工序加工的机床，步入了机床发展的黄金时代。
1.1.1 加工中心加工中心机床的出现，加之CAD技术、信息技术、网络控制技术以及系统工程学的发展，为单机数控自动化向计算机控制的多机制造系统自动化方向发展，创造了必要的条件．计算机群控系统即直接数控(Direct NC-DNC)系统，就是这一发展趋向的具体体观。
DNC系统使用一台较大的计算机，控制与管理多台数控机床和数控加工中心，能进行多品种、多工序的加工。
加工中心机床配备有装载多把刀具的刀具库，有自动更换刀具的功能，一次装夹中可以完成钻、镗、铣、铰等工序，特别适用于箱体类零件的多面、多工序加工。
它能完成车削加工的同时，兼有铣、镗、钻孔、攻丝等功能。
1.1.2 柔性制造单元柔性制造单元(FMC)是由中心控制计算机、加工中心与自动交换工件(AWC，APC)装置所组成。
工件一次装夹后可在柔性制造单元中的加工中心上加工，使得加工的柔性（可编程性）、加工精度和生产效率更高。
在柔性制造单元中，中心控制计算机负责作业调度、自动检测与工况自动监控等功能。
工件装在自动交换工件装置（工作台）上在中心控制计算机控制下传送到加工中心上加工；加工中心接收中心控制计算机传送来的数控程序进行加工，并将工况数据送中心控制计算机处理，如工件尺寸自动检测和补偿，刀具损坏和寿命躲控等。
高速电主轴
目前，国内外各著名机床制造商在高速 数控机床中广泛采用电主轴结构，特别是 在复合加工机床、多轴联动、多面体加工 机床和并联机床中。
工作原理
电主轴就是直接将空心的电动机转子 装在主轴上，定子通过冷却套固定在主 轴箱体孔内，形成一个完整的主轴单元， 通电后转子直接带动主轴运转。
结构
电主轴由主轴及主轴箱本体、 电主轴由主轴及主轴箱本体、内置式 的交流伺服电机、辅助装置、检测装置组成。 的交流伺服电机、辅助装置、检测装置组成。 主轴的变速有主轴驱动模块控制， 主轴的变速有主轴驱动模块控制，而 主轴单元内的温升由冷却装置控制。 主轴单元内的松刀油缸， 后面装有测速、测角位移编码器，松刀油缸， 旋转接头；全段的内锥孔和端面用于安装刀具， 旋转接头；全段的内锥孔和端面用于安装刀具， 刀具夹爪；中间有刀具拉杆，刀具夹紧弹簧。 刀具夹爪；中间有刀具拉杆，刀具夹紧弹簧。
发展趋势
（1） 向高速大功率和低速大转矩方向发展 向高精度、 （2） 向高精度、高刚度方向发展 （3） 向精确定向（准停）方向发展 向精确定向（准停） 向快速起、 （4） 向快速起、停方向发展 （5） 向超高速方向发展 （6） 向标准化方向发展
自动换刀机构原理
电主轴自动换刀机构的组成
由刀具夹紧部分和松刀部分组成。 刀具夹紧部分主要由拉刀爪、拉杆、碟 形弹簧等组成，这一部分随主轴一起旋转。 松刀部分主要通过气缸来实现，气动装 置提供动力，实现夹紧和放松刀柄的动作。
电主轴
机械与精密仪器工程学院 李博
内容
电主轴简介概述 自动换刀机构原理 电主轴动画制作流程 总结
电主轴简介概述
概述
电主轴是高速数控加工机床的“ 电主轴是高速数控加工机床的“心脏部 件”。 由于高速加工不但可以大幅度提高加工 效率，而且还可以显著提高工件的加工质 量，所以其应用领域非常广泛，特别是在 航空航天、汽车和模具等制造业中。于是， 具有高速加工能力的数控机床已成为市场 新宠。
自动换刀装置
为完成对工件的多工序加工而设置的存储及更换 刀具的装置称为自动换刀装置（Automatic Tool Changer, ATC）。 自动换刀装置应当满足的基本要求为：
刀具换刀时间短且换刀可靠。 刀具重复定位精度高。 足够的刀具储存量。 结构简单，便于制造、维修、调整。 布局合理，机床总布局美观大方。
编码识别装置
接触式刀具识别装置的原理
非接触式磁性识别原理图
光导纤维刀具识别原理图
刀座编码方式
对每个刀座都进行编码，刀具也编号，并将刀具放到与 其号码相符的刀座中，换刀时刀库旋转，使各个刀座依次经 过识刀器，直至找到规定的刀座，刀库停止旋转。
如图所示为圆盘形刀库的刀 座编码装置。在圆盘的圆周上均 匀分布若干个刀座，其外侧边缘 上装有相应的刀座识别装置2。 刀座编码的识别原理与刀具编码 完全相同.
(6)主轴箱及主轴带着刀具上升；
(7)机床工作台快速向左返回，将刀库 从主轴下面移开，同时将工件移至主轴 数控立式镗铣床
下面，使主轴上的刀具对准工件的加工
面。
四、刀具交换装置
1、利用刀库与机床主轴的相对运动实现刀具交换
这种自动换刀装置只有一个刀库， 不需要其他装置，结构极为简单，然而 换刀过程却较为复杂。 另外，由于刀库置于工作台上，因 而减少了工作台的有效使用面积。这种 换刀装置多用于小型低价位的加工中心。
转塔头主轴通常只适应于工序较少，精度要求 不太高的机床，如数控钻床、铣床等。
一、自动换刀装置的型式——转塔头式换刀装置
优点： 省去了自动松、夹、装刀、卸刀以及刀具搬运等一系 列的复杂操作，从而缩短了换刀时间（仅为2s左右）， 并提高了换刀的可靠性。
缺点： 由于空间位置的限制，使主轴部件结构不能设计得十 分坚实，因而影响了主轴系统的刚度。为了保证主轴的 刚度，必须限制主轴数目，否则将使结构尺寸大大增加。
刀柄知识——精选推荐
金属切削加工已进入了一个以高速切削为代表的新的发展阶段，由于高速切削加工能极大地提高材料的切除率和零件的加工质量，降低加工成本，因而成为当今金属切削加工的发展方向之一。
高速切削刀具技术是高速切削加工的一个关键技术，它包括高速切削刀具材料、刀柄系统、刀具系统动平衡技术、刀具监测技术等。
一.高速切削加工对刀具系统的要求所谓刀具系统是指由刀柄、夹头和切削刀具所组成的完整的刀具体系，刀柄与机床主轴相连，切削刀具通过夹头装入刀柄之中。
要使刀具系统能在高速下进行切削加工，应满足以下基本条件：1.1较高的系统精度系统精度包括系统定位夹持精度和刀具重复定位精度，前者指刀具与刀柄、刀柄与机床主轴的连接精度；后者指每次换刀后刀具系统精度的一致性。
刀具系统具有较高的系统精度，才能保证高速加工条件下刀具系统应有的静态和动态稳定性。
1.2较高的系统刚度刀具系统的静、动刚度是影响加工精度及切削性能的重要因素。
刀具系统刚度不足会导致刀具系统振动，从而降低加工精度，并加剧刀具的磨损，降低刀具的使用寿命。
1.3较好的动平衡性高速切削加工条件下，微小质量的不平衡都会造成巨大的离心力，在加工过程中引起机床的急剧振动。
因此，高速刀具系统的动平衡非常重要。
二.数控铣削刀具系统标准数控镗铣类刀具系统采用的标准有国际标准（ ISO 7388 ）、德国标准（ DIN 69871 ）、美国标准（ ANSI/ASME B5.50 ）、日本标准（ MAS 403 ，其高速刀柄采用 HSK 标准）和中国标准（ GB10944-89 ）等。
由于标准繁多，我们在机床使用时务必注意，所具备的刀具系统的标准必须与所使用的机床相适应。
三.刀柄的选择数控铣床使用的刀具通过刀柄与主轴相连，刀柄通过拉钉和主轴内的拉刀装置固定在主轴上，由刀柄夹持传递速度、扭矩，如图4-5 所示。
刀柄的强度、刚性、耐磨性、制造精度以及夹紧力等对加工有直接的影响。
常见刀柄如下图:1.传统刀柄标准7/24锥联结目前，在数控铣床、数控镗床和加工中心上使用的传统刀柄是标准7:24锥度实心长刀柄。
数控机床主轴的几种结构形式
数控机床主轴的几种结构形式
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数控机床的主轴部件包括主轴、主轴的支承轴承和安装在主轴上的传动零件等。
主轴部件是机床的重要部件，其结构的先进性已成为衡量机床水平的标志之一。
由于数控机床的转速高、功率大，并且在加工过程中不进行人工调整，因此要求主轴部件具有良好的回转精度、结构刚度、抗振性、热稳定性、耐磨性和精度的保持性。
对于具有自动换刀装置的数控机床，为了实现刀具在主轴上的自动装卸和夹紧，还必须有刀具的自动夹紧装置、主轴准停装置等。
机床主轴的端部一般用于安装刀具、夹持工件或夹具。
在结构上，应能保证定位准确、安装可靠、连接牢固、装卸方便，并能传递足够的扭矩。
目前，主轴端部的结构形状都已标准化，图i所示为几种机床上通用的结构形式。
（a）数控车床主轴端部（b）铣、镗类机床主轴端部（c）外圆磨床砂轮主轴端部
（d）内圆磨床砂轮主轴端部（e）钻床与普通镗床锤杆端部（f）数控镗床主轴端部
图1机床主轴的几种结构形式。
第十章(2)加工中心(2h) (PPTminimizer)
1.按照加工中心布局方式分类(4)
万能加工中心（复合加工中心） 具有立式和卧式加工中心的功能，工件一次装夹 后能完成除安装面外的所有侧面和顶面（五个面） 的加工，也叫五面加工中心。 具有数控回转工作台
MAHO两轴数控转台图例
它
除了 可绕水平 轴回转以 外，还可 绕垂直轴 作360° 回转。
三、加工中心的分类
1.按照加工中心布局方式分类(1)
立式加工中心 立式加工中心是指主轴轴心线为垂直状态设置的 加工中心，其结构形式多为固定立柱式，工作台 为长方形，无分度回转功能，适合加工盘类零件。 在工作台上安装一个水平轴的数控回转台，可用 于加工螺旋线类零件。立式加工中心的结构简单， 占地面积小，价格低。
２．能够自动改变加工工艺参数
加工中心能自动改变主轴转速、进给量、和刀具 相对工件的运动轨迹及其它辅助机能。
３．有些加工中心可以 将加工和安装工件同时进行
加工中心如果配有交换工作台，工件在工作位置 的工作台上加工的同时，另外的待加工工件可在 处于装卸位置的工作台上进行安装，减少辅助工 作时间，提高了工作效率。
5．自动换刀装置
它由刀库、机械手和驱动机构等部件组成。刀库是存放 加工过程所使用的全部刀具的装置。刀库有盘式、鼓式 和链式等多种形式，容量从几把到几百把，当需换刀时， 根据数控系统指令，由机械手(或通过别的方式)将刀具 从刀库取出装入主轴中。机械手的结构根据刀库与主轴 的相对位置及结构的不同有多种形式。有的加工中心不 用机械手而利用主轴箱或刀库的移动来实现换刀。尽管 换刀过程、选刀方式、刀库结构、机械手类型等各不相 同，但都是在数控装置及可编程序控制器控制下，由电 机、液压或气动机构驱动刀库和机械手实现刀具的选择 与交换。当机构中装入接触式传感器，还可实现对刀具 和工件误差的测量。
自动换刀装置的结构原理与维修
自动换刀装置的结构原理与维修8.4.1 自动换刀装置的形式自动换刀装置是加工中心的重要执行机构，它的形式多种多样，目前常见的有以下几种。
1．回转刀架换刀数控机床使用的回转刀架是最简单的自动换刀装置，有四方刀架、六角刀架，即在其上装有四把、六把或更多的刀具。
回转刀架必须具有良好的强度和刚度，以承受粗加工的切削力：同时要保证回转刀架在每次转位的重复定位精度。
图8-17为数控车床六角回转刀架，它适用于盘类零件的加工。
在加工轴类零件时，可以用四方回转刀架。
由于两者底部安装尺寸相同，更换刀架十分方便。
图8-17 数控车床六角回转刀架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、11－推杆 12－触头回转刀架的全部动作由液压系统通过电磁换向阀和顺序阀进行控制，它的动作分为4个步骤：(1)刀架抬起当数控装置发出换刀指令后，压力油由a孔进入压紧液压缸的下腔，活塞1上升，刀架体2抬起，使定位用的活动插销10与固定插销9脱开。
同时，活塞杆下端的端齿离合器与空套齿轮5结合。
(2)刀架转位当刀架抬起后，压力油从c孔进入转位液压缸左腔，活塞6向右移动，通过联接板带动齿条8移动，使空套齿轮5作逆时针方向转动。
通过端齿离合器使刀架转过60º。
活塞的行程应等于齿轮5分度圆周长的1/6，并由限位开关控制。
(3)刀架压紧刀架转位之后，压力油从b孔进入压紧液压缸上腔，活塞1带动刀架体2下降。
齿轮3的底盘上精确地安装有6个带斜楔的圆柱固定插销9，利用活动插销10消除定位销与孔之间的间隙，实现反靠定位。
刀架体2下降时，定位活动插销10与另一个固定插销9卡紧，同时齿轮3与齿圈4的锥面接触，刀架在新的位置定位并夹紧。
这时，端齿离合器与空套齿轮5脱开。
(4)转位液压缸复位刀架压紧之后，压力油从d孔进入转位液压缸的右腔，活塞6带动齿条复位，由于此时端齿离合器已脱开，齿条带动齿轮3在轴上空转。
自动换刀装置的形式---回转刀架换刀
8.4.1 自动换刀装置的形式自动换刀装置是加工中心的重要执行机构，它的形式多种多样，目前常见的有以下几种。
1．回转刀架换刀数控机床使用的回转刀架是最简单的自动换刀装置，有四方刀架、六角刀架，即在其上装有四把、六把或更多的刀具。
回转刀架必须具有良好的强度和刚度，以承受粗加工的切削力：同时要保证回转刀架在每次转位的重复定位精度。
图8-17为数控车床六角回转刀架，它适用于盘类零件的加工。
在加工轴类零件时，可以用四方回转刀架。
由于两者底部安装尺寸相同，更换刀架十分方便。
图8-17 数控车床六角回转刀架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、11－推杆12－触头回转刀架的全部动作由液压系统通过电磁换向阀和顺序阀进行控制，它的动作分为4个步骤：(1)刀架抬起当数控装置发出换刀指令后，压力油由a孔进入压紧液压缸的下腔，活塞1上升，刀架体2抬起，使定位用的活动插销10与固定插销9脱开。
同时，活塞杆下端的端齿离合器与空套齿轮5结合。
(2)刀架转位当刀架抬起后，压力油从c孔进入转位液压缸左腔，活塞6向右移动，通过联接板带动齿条8移动，使空套齿轮5作逆时针方向转动。
通过端齿离合器使刀架转过60º。
活塞的行程应等于齿轮5分度圆周长的1/6，并由限位开关控制。
(3)刀架压紧刀架转位之后，压力油从b孔进入压紧液压缸上腔，活塞1带动刀架体2下降。
齿轮3的底盘上精确地安装有6个带斜楔的圆柱固定插销9，利用活动插销10消除定位销与孔之间的间隙，实现反靠定位。
刀架体2下降时，定位活动插销10与另一个固定插销9卡紧，同时齿轮3与齿圈4的锥面接触，刀架在新的位置定位并夹紧。
这时，端齿离合器与空套齿轮5脱开。
(4)转位液压缸复位刀架压紧之后，压力油从d孔进入转位液压缸的右腔，活塞6带动齿条复位，由于此时端齿离合器已脱开，齿条带动齿轮3在轴上空转。
如果定位和夹紧动作正常，推杆11与相应的触头12接触，发出信号表示换刀过程已经结束，可以继续进行切削加工。
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主轴内部刀具自动夹紧机构是数控机床特别是加工中心的特有机构。图8-6为ZHS-K63加工中心主轴结构
部件图，其刀具可以在主轴上自动装卸并进行自动夹紧，其工作原理如下：当刀具2装到主轴孔后，其刀
柄后部的拉钉3便被送到主轴拉杆7的前端，在碟形弹簧9的作用下，通过弹性卡爪5将刀具拉紧。当需
要换刀时，电气控制指令给液压系统发出信号，
图8-6 ZHS-K63加工中心主轴内部刀具夹紧机构
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—换档齿轮
使液压缸14的活塞左移，带动推杆13向左移动，推动固定在拉杆7上的轴套10，使整个拉杆7向左
移动，当弹性卡爪5向前伸出一段距离后，在弹性力作用下，卡爪5自动松开拉钉3，此时拉杆7继续向
左移动，喷气嘴6的端部把刀具顶松，机械手便可把刀具取出进行换刀。装刀之前，压缩空气从喷气嘴6
中喷出，吹掉锥孔内脏物，当机械手把刀具装入之后，压力油通人液压缸14的左腔，使推杆退回原处，在
碟形弹簧的作用下，通过拉杆7又把刀具拉紧。冷却液喷嘴1用来在切削时对刀具进行大流量冷却。
内容摘要:4 加工中心的主轴部件2。1 主轴部件精度加工中心主轴部件由主轴动力、传动及主轴组件组成，
它是加工中心成型运动的重要执行部件之一，因此要求加工中心的主轴部件具有高的运转精度、长久的精
度保持性以及长时 fdl 运
2.4 加工中心的主轴部件
2.4.1 主轴部件精度
加工中心主轴部件由主轴动力、传动及主轴组件组成，它是加工中心成型运
动的重要执行部件之一，因此要求加工中心的主轴部件具有高的运转精度、长久
的精度保持性以及长时 fdl 运行的精度稳定性。
加工中心通常作为精密机床使用，主轴部件的运转精度决定了机床加工精度
的高低．考核机床的运转精度一般有动态检验和静态检验两种方法。静态检验是
指在低速或手动转动主轴情况下，检验主轴部件各个定位面及工作表面的跳动
量．动态检验则需使用一定的仪器在机床主轴额定转速下．采用非接触的检测方
法检验主轴的回转精度。由于加工中心通常具有自动换刀功能，刀具通过专用刀
柄由安装在加工中心主轴内部的拉紧机构紧固．因此主轴的回转精度要考虑由于
刀柄定位面的加工误差所引起的误差。
加工中心主轴轴承通常使用C级轴承，在二支承主轴部件中多采用4-1、2-
2组合使用，即前支承和后支承分别用四个向心推力轴承和一个向心球轴承，或
前、后支承都使用两个向心推力轴承组成主轴部件的支承体系．对于轻型高精度
加工中心，也有前、后支承各使用一个向心推力轴承组成主轴部件的支承体系，
该种结构适宜高精度、高速主轴部件的场合．简单的主轴轴承组合，可以大大降
低主轴部件的装配误差和热传导引起的主轴隙丧失，但主轴的承载能力会有较大
幅度的下降．
2.4.2 主轴部件结构
主轴部件主要由主轴、轴承、传动件、密封件和刀具自动卡紧机构等组成
⑴ 主轴
主轴前端有7：24的锥孔．用于装夹BT40刀柄或刀杆．主轴端面有一瑞面
键．既可通过它传递刀具的扭矩，又可用于刀具的周向定位．主轴的主要尺寸参
数包括：主轴的直径、内孔直径、悬伸长度和支承跨距。评价和考虑主轴主要尺
寸参数的依据是主轴的刚度、结构
上艺性和主轴组件的工艺适用范围．主轴材料的选择主要根据刚度、载荷特点、
耐磨性和热处理变形大小等因素确定。主轴材料常采用的有 45 钢、 Gcr15 等，
需经渗氮和感应加热悴火．
加下中心的主轴支承形式很多．其中立式加工中心的主轴前支承采用四个向
心推力球轴承，后支承采用一个向．心球轴承，这种支承结构使主轴的承载能力
较高．且能适应高速的要求．主轴支承前端定位，主轴受热向后伸长，能较好地
满足精度需要．只是支承结构较为复杂。
⑵ 刀具自动卡紧机构
加工中心可以白动换刀，所以，主轴系统应具备自动松开和夹紧刀具的功能。
刀具的自动夹紧机构安装在主轴的内部，图2一7所示为刀具的夹紧状态．刀柄
1由主轴抓刀爪2 央持，碟形弹簧5通过拉杆4、抓刀爪 2 ，在内套 3 的作用
下将刀栖的拉钉拉紧，当换刀时，要求松开刀柄．此时将主轴上端气缸的上腔通
压缩空气，活塞7带动压杆8及拉4向下移动．同时压缩碟形弹簧5，当拉杆4
下移到使抓刀爪2的下端移出内套3时．卡爪张开．同时拉杆4将刀柄顶松，刀
其即可由机械手或刀库拔出。待新刀装入后，气缸6的下腔通压缩空气．在碟形
弹簧的作用下．活塞带动抓刀爪上移．抓刀爪拉杆贯新进人内套3 ，将刀柄拉
紧。活塞7移动的两个极限位置分别设有行程开关10，作为刀具夹紧和松开的
信号．
刀杆尾部的拉紧机构，除上述的卡爪式外，常见的还有钢球拉紧机构，其内
部结构如图2一8所示。
液压卡盘主要体现在卡爪夹紧或者张开时使用到液压油缸的推力或者压力.比较常见的有弹簧夹,薄膜卡盘和快速夹具(滑爪卡盘).弹簧夹头通过金属材料本身的
弹性来达到夹紧(或张开),反之通过油缸的推拉来实现张开(夹紧).
薄膜卡盘在盘齿类零件的内孔加工里最常见,它通过拉杆来推开金属膜片使之变形,而装在膜片上的卡爪也随之微量张开,当拉杆不作用于膜片上,膜片恢复原形,
卡爪不张开,卡盘处于夹紧状态.
滑爪卡盘就是把卡爪装在一个有斜度的座上，当油缸拉杆后拉会使卡爪一边后移一边直径方向缩小,这样就达到了夹紧的目的.现在市场上有比较完整的液压卡
盘,类似滑爪卡盘的,好象都比较贵,十寸的要8000多块.台湾千岛精密的.
一般液压卡盘装第一个零件前都要卡爪自磨(夹紧量小,大调整必须手动调整卡爪离卡盘中心的距离,或者直接更换卡爪)
液压夹紧轴套