JCS018A加工中心结构

加工中心结构及附件

2.1.1 主传动系统

1.对加工中心主轴系统的要求

加工中心主轴系统主要由主轴动力、主轴传动、主轴组件等部分组成。由于加工中心相对一般的数控铣床来说必须具有更高的加工效率，更宽的使用范围，更高的加工精度，因此，它的主轴系统必须满足如下要求： (1)具有更大的调速范围并实现无级变速

(2)具有较高的精度与刚度，传动平稳，噪声低 (3)良好的抗振性和热稳定性 (4)具有刀具的自动夹紧功能 2.主轴电动机与传动

1）主轴电动机 加工中心常用的主轴电动机有交流调速和交流伺服电动机两种。交流调速电动机通过改变电动机的供电频率可以调整电动机的转速，这种电动机成本较低，但不能实现电动机轴的径向准确定位。交流伺服主轴电动机是一种高效能的主轴驱动电动机，这种电动机轴不但能实现任意径向的定位，还能以大转矩实现微小角度的转动。

2）主轴传动系统

低速主轴常采用齿轮变速机构或同步带构成主轴的传动系统，从而可增强主轴的驱动力矩，适应主轴传动系统性能与结构。

图2-1为VPl050加工中心的主轴传动结构。主轴转速范围为10 r/min～4000r/min。当滑移齿轮3处于下位时，主轴在10～1200r/min间可实现无级变速。当数控加工程序要求较高的主轴转速时，PLC根据数控系统的指令，主轴电动机自动实现快速降速，在主轴转速低于10r/min时，滑移齿轮3向上滑移，当达到上位时，主轴电动机开始升速，使主轴转速达到程序要求的转速。

高速主轴要求在极短时间内实现升降速，在指定位置快速准停，这就要求主轴具有很高的角加速度。通过齿轮或传动带这些中间环节，常常会引起较大振动和较大噪声，而且增加了转动惯量。为此将主轴电动机与主轴合二为一，制成电主轴，实现无中间环节的直接传动，是主轴高速单元的理想结构。目前电主轴的转速可达到120000r/min～80000r/min；有的电主轴的最高主轴转速甚至能达到120000r/min。

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图2-1 VP1050加工中心的主轴传动机构

1-主轴驱动电动机 2、5-主轴齿轮 3-滑移齿轮 4、6-从动齿轮

3.加工中心主轴组件

加工中心主轴组件包括主轴、主轴轴承、传动件、密封件、自动夹紧装置、主轴定向装置和主轴锥孔清理装置等结构。

1）主轴部件 如图2-2所示，主轴1前端有7:24的锥孔，用于装夹BT40刀柄。主轴端面装有端面键，用以传递扭矩及周向定位。主轴材料常采用的有38CrMoAlA、9Mn2V、GCrl5等。主轴锥孔及与支承轴承配合部位均应经渗氮和感应加热淬火。主轴1的前支承配置了三个高精度的向心推力角接触球轴承4，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。后支承为一对小口相对配置的向心推力角接触球轴承6，它们只承受径

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

图2-2 JCS-018A主轴结构简图

1－主轴；2－拉钉；3－钢球；4、6－向心推力角接触球轴承；5－预紧螺母；

7－拉杆；8－碟形弹簧；9－圆柱螺旋弹簧；10－活塞；11－液压缸

2）刀具的自动夹紧机构 在图2-2所示，主轴内部和后端安装的是刀具自动夹紧机构。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，机械手从主轴拔刀时，主轴需松开刀具。这时液压缸上腔通入压力油，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2(拉紧刀具用)被松开，机械手拔刀。之后，压缩空气进入活塞和拉杆的中间孔，吹净主轴锥孔，为装入新刀具做好准备。当机械手将下一把刀具插入主轴后，液压缸上腔回油，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，由于碟形弹簧的弹性力使刀具夹紧。

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刀杆尾部的拉紧机构，常见的还有卡爪式。钢球拉紧刀柄时，接触应力太大，易将主轴孔和刀柄压出坑痕，而卡爪式则相对较好。如图2-3所示。

图2-3 改进后的刀柄拉紧机构 2－拉杆；3－卡爪；4－套

3）切屑清除装置 如果主轴锥孔中落入了切屑、灰尘或其它污物，在拉紧刀杆时，锥孔表面和刀杆锥柄表面会被划伤，甚至会使刀杆发生偏斜，破坏刀杆的正确定位，影响零件的加工精度，甚至会使零件超差报废。为了保持主轴锥孔的清洁，常采用的方法是使用压缩空气吹屑。

4）主轴准停装置 机床的切削转矩由主轴上的端面键来传递，每次机械手自动装取刀具时，必须保证刀柄上的键槽对准主轴端面键，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为主轴定向装置。主轴要求准停的另一原因是便于在镗完内孔后能正确的退刀。目前主轴准停装置主要有机械方式和电气方式两种。

机械准停方式中较典型的V形槽定位盘准停机构，如图2-4所示。其工作过程是，定位盘与主轴连接，当要执行主轴准停指令时，首先主轴降速至已设定的低速，当无触点开关有效信号被检测到后，主轴电动机停转，此时主轴依惯性继续空转，同时准停液压缸定位销在压力作用下伸向并压紧定位盘。当定位盘V形槽与定位销对正，由于液压缸的压力，定位销插入V形槽，LS2有效，表明主轴准停完成。采用这种准停方式，必须有一定的逻辑互锁，即当LS2有效，才能进行换刀，只有当LSl有效，主轴电动机才能起动运转。

图2-4 机械准停原理示意图

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电气准停装置主要有磁传感器式、编码型方式和数控系统控制方式。其中数控系统控制方式要求主轴驱动控制器具有闭环伺服控制功能。采用接近开关准停是最简单的控制方式。当主轴转动中接受到数控系统发来准停信号，主轴立即减速，当达到准停速度(如10r/min)时，主轴立即刹车停止转动。

2.1.2 直线进给传动系统

1.对进给传动系统的要求

进给运动是机床成形运动的一个重要部分，其传动质量直接关系到机床的加工性能。加工中心对进给系统的要求如下：

1）高的传动精度与定位精度 这是加工中心进给系统最重要的性能指标。普通精度级的定位精度目前已达0.005～0.008mm/300mm，精密级的定位精度已达0.0015～0.003mm/全行程，重复定位精度也提高到了1?m。传动精度直接影响机床加工轮廓面的精度，定位精度直接关系到加工的尺寸精度。

2）宽的进给调速范围 为保证加工中心在不同工况下对进给速度的选择，进给系统应该有较大的调速范围。普通加工中心进给速度一般为几mm～几万mm /min；低速定位要求速度能保证在0.1mm/min左右；快速移动速度则高达几十m/min到几百m/min。 3）快的响应速度 所谓快速响应，是指进给系统能快速的跟踪指令信号的变化，并能迅速趋于稳定。为此，应减小传动中的间隙和摩擦以及系统的转动惯量，增大传动刚度，从而可提高进给伺服系统的快速响应能力。

2.进给系统的机械结构及典型元件

在数控机床进给驱动系统中，伺服电机与滚珠丝杠联接，要保证传动无间隙，只有这样才能准确执行脉冲指令，而不丢掉脉冲。为此在数控机床上，主要采用三种联接方式，直接联接式、齿轮减速式、齿形带式。

用得最普遍的是如图2-5所示的直联式。它是通过挠性联轴节把伺服电机和滚珠丝杠联接起来的。图中所示“锥环”，是无隙直联方式的关键元件。

图2-5 挠性联轴节

1－压阀；2－联轴套；3、5－球面垫圈；4－柔性片；6－锥环；7－电动机；8－滚珠丝杠

2.1.3 回转工作台

加工中心常用的回转工作台有分度工作台和数控回转工作台。分度工作台又可分为插销式和鼠齿盘式两种。分度工作台的功用是将工件转位换面，和自动换刀装置配合使

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置来调整间隙。这种蜗杆的左右两侧面具有不同的螺距，因此蜗杆齿厚从一端向另一端逐渐增厚。但由于同一侧的螺距是相同的，所以仍然保持着正常的啮合。调整时先松开螺母7上的锁紧螺钉8，使压块6与调整套1l松开，同时将楔形拉紧圆柱销5松开。然后转动调整套11，带动蜗杆9作轴向移动。根据设计要求，蜗杆有10mm的轴向移动调整量，这时蜗杆副的侧隙可调整0.2mm。调整后锁紧调整套11和楔形拉紧圆柱销5。蜗杆的左右两端都由双列滚针轴承支承。左端为自由端，可以伸长以消除温度变化的影响；右端装有双列推力轴承，能轴向定位。 当工作台静止时必须处于锁紧状态。工作台面用沿其圆周方向分布的八个夹紧液压缸进行夹紧。当工作台不回转时，夹紧液压缸14的上腔通压力油，使活塞15向下运动，通过钢球17、夹紧瓦13及12将蜗轮10夹紧；当工作台需要回转时，数控系统发出指令，使夹紧液压缸14上腔回油。在弹簧16的作用下，钢球17抬起，夹紧瓦12及13松开蜗轮10，然后电液脉冲马达1通过传动装置，使蜗轮和回转工作台按照控制系统的指令作回转运动。

数控回转工作台设有零点，当它作返回零点运动时，首先由安装在蜗轮上的撞块19(图2-8P向)碰撞限位开关，使工作台减速；再通过感应块20和无触点开关，使工作台准确地停在零点位置上。

该数控工作台可作任意角度的回转和分度，由光栅18进行读数控制，工作台的分度精度可达±10″。

2.1.4 工件交换系统

所谓工件交换，即在加工第一个工件时，工人开始安装调整第二个工件，当第一个工件加工完后，第二个工件进入加工区加工，从而使工件的安装调整时间与加工时间重合，达到进一步提高加工效率的目的。目前常用的工件交换方式为工作台直接交换和采用自动随行夹具等方式。

图2-9为H400教学型加工中心工作台交换系统。整个交换过程可分为工作台抬起、交换、夹紧三个过程。一个零件加工完成后，根据控制系统指令，升降缸下腔通气，活塞带动工作台托叉向上移动，同时插销拔出。当托叉上位感应开关产生信号，表明托叉升起到位。然后，起动转位电动机，通过同步带、蜗轮蜗杆副带动托叉回转。在交换台支承轴的下方，安装着4个接近开关感应块，当托叉带动工作台回转180°时，感应开关产生信号，表明回转到位，电动机停转刹车。升降缸下缸回气，托叉带动工作台下降，插销插入，托叉准确定位，当托叉下位感应开关产生信号，表明托叉到位，工作台已放置到鞍座上。工作台与鞍座由4个定位锥定位，通过气缸拉紧拉钉使工作台与鞍座固连。

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图2-10所示为工件装、卸工位分开的自动更换随行夹具(亦称托盘)的方案。可预先在随行夹具上将坯件安装调试好，随行夹具有标准的滑行导轨和定位夹紧机构，便于在工作台面上传送、定位和夹紧。图示结构装、卸工位和工作台串行排列，分别置于工

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作台两端，其优点是坯件与成品堆栈分开，便于管理。

图2-10 更换随行夹具的交换系统

2.2 加工中心自动换刀装置

加工中心自动换刀装置的形式多种多样。除利用刀库进行换刀外，还有自动更换主轴箱、自动更换刀库等形式。其中利用刀库实现换刀，是目前加工中心大量使用的换刀方式。由于有了刀库，机床只要一个固定主轴夹持刀具，有利于提高主轴刚度。独立的刀库，大大增加了刀具的储存数量，有利于扩大机床的功能，并能较好地隔离各种影响加工精度的干扰。

刀库换刀按换刀过程中有无机械手参与分为有机械手换刀和无机械手换刀两种情况。有机械手的系统在刀库配置、与主轴的相对位置及刀具数量上都比较灵活，换刀时间短。无机械手方式结构简单，只是换刀时间较长。

加工中心上所需更换的刀具较多从几支到几十支，甚至上百支，故通常采用刀库形式。由于加工中心上自动换刀次数比较频繁，故对自动换刀装置的技术要求十分严格。

1.自动换刀装置的形式

各种加工中心的自动换刀装置的结构取决于机床的型式、工艺范围以及刀具的种类和数量等。

1)更换主轴换刀装置 更换主轴换刀是一种比较简单的换刀方式。这种机床的主轴头就是一个转塔刀库，主轴头有卧式和立式两种。八方形主轴头(转塔头)上装有8根主轴，每根主轴上装有一把刀具。根据各加工工序的要求按顺序自动地将所需要的刀具由其主轴转到工作位置，实现自动换刀，同时接通主传动。不处在工作位置的主轴便与主传动脱开。转塔头的转位由槽轮机构来实现，其结构如图2-11所示，转塔头径向分布着8根结构完全相同的主轴，每次转位包括下列动作。

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图2-11 八轴转塔头结构

1、12－齿轮；2、3、4、7－行程开关；4、5－油缸； 6－蜗轮；8－蜗杆；9－盘；10－鼠牙盘；11－槽轮

(1)脱开主轴传动 油缸4卸压，弹簧推动齿轮1与主轴上的齿轮12脱开。

(2)转塔头抬起 当齿轮1脱开后，固定在其上的支板接通行程开关3，控制电磁阀，使液压油进入油缸5的左腔，油缸活塞带动转塔头向右移动，直至活塞与油缸端部相接触。固定在转塔头体上的鼠牙盘10便脱开。

(3)转塔头转位 当鼠牙盘脱开后，行程开关发出信号启动转位电机，经蜗杆8和蜗轮6带动槽轮机构的主动曲拐使槽轮11转过45°。并由槽轮机构的圆弧槽来完成主轴头的分度位置粗定位。主轴号的选定是通过行程开关组来实现。若处于加工位置的主轴不是所需要的，转位电机继续回转，带动转塔头间歇地再转45°，直至选中主轴为止。主轴选好后，由行程开关7关停转位电机。

(4)转塔头定位夹紧 通过电磁阀使压力油进入油缸5的右腔，转塔头向左返回，由鼠牙盘10精确定位，并利用油缸5右腔的油压作用，将转塔头可靠地压紧。

(5)主轴传动重新接通 由电磁阀控制压力油进入油缸4，压缩弹簧使齿轮1与主轴上的齿轮12啮合。此时转塔头转位、定位动作全部完成。

这种换刀装置优点是省去了自动松、夹、卸刀、装刀以及刀具搬运等一系列的复杂

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操作，从而缩短了换刀时间，并提高了换刀的可靠性。但是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。所以转塔主轴头通常只适应于工序较少、精度要求不太高的机床，如数控钻镗铣床。

2)更换主轴箱换刀装置

有的加工中心采用多主轴的主轴箱，利用更换主轴箱来达到换刀的目的，如图2-12所示。机床立柱后面的主轴箱库两侧的导轨上，装有同步运行的小车Ⅰ和Ⅱ，它们在主轴箱库与机床动力头之间进行主轴箱的运输。根据加工要求，先选好所需的主轴箱，等两小车运行至该主轴箱处，将它推到小车I上，小车I载着它与空车Ⅱ同时运行到机床动力头两侧的更换位置。当上一道工序完成后，动力头带着主轴箱1上升到更换位置，动力头上的夹紧机构将主轴箱松开，定位销也从定位孔中拔出，推杆机构将用过的主轴箱l从动力头上推到小车Ⅱ上。同时又将待用主轴箱从小车I推到机床动力头上，并进行定位与夹紧。然后动力头沿立柱导轨下降开始新的加工。与此同时，两小车回到主轴箱库，停在待换的主轴箱旁。由推杆机构将下次待换的主轴箱推上小车I，并把用过的主轴箱从小车Ⅱ推入主轴箱库中的空位。小车又一次载着下次待换的主轴箱运行到动力头的更换位置，等待下一次换箱。

图2-12更换主轴箱换刀装置

1－主轴箱；2～7－备用主轴箱；8－主轴箱库；9－刀库；10－机械手；Ⅰ、Ⅱ－小车

3)带刀库的自动换刀系统

这类换刀装置由刀库、选刀机构、刀具交换机构及刀具在主轴上的自动装卸机构等四部分组成，应用广泛。刀库可装在机床的立柱上（如图2-13所示）、主轴箱上或工作台上。当刀库容量大及刀具较重时，也可装在机床之外，作为一个独立部件；如刀库远离主轴，常常要附加运输装置，来完成刀库与主轴之间刀具的运输。

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图2-13 刀库装在机床立柱一侧 1－机械手；2－刀库；2－主轴箱；4－主轴

带刀库的自动换刀系统，整个换刀过程比较复杂，首先要把加工过程中要用的全部刀具分别安装在标准的刀柄上，在机外进行尺寸预调整后，插入刀库中。换刀时，根据选刀指令先在刀库上选刀，由刀具交换装置从刀库和主轴上取出刀具，进行刀具交换，然后将新刀具装入主轴，将用过的刀具放回刀库。这种换刀装置和转塔主轴头相比，由于机床主轴箱内只有一根主轴在结构上可以增强主轴的刚性，有利于精密加工和重切削加工；可采用大容量的刀库，以实现复杂零件的多工序加工，从而提高了机床的适应性和加工效率。但换刀过程的动作较多，同时，影响换刀工作可靠性的因素也较多。

常见的加工中心上自动换刀装置形式列于表2-1所示。

表2-1 加工中心上的换刀装置

类 别 转 塔 式 垂直转塔头 水平转塔头 特 点 应用范围 1.根椐驱动方式不同，可为顺序换刀或任意换刀 2.结构紧凑简单 用于钻削中心 3.容纳刀具数目少 小型加工中心 刀 库 式 1.利用刀库运动与主轴直接换刀，省去机械手 无机械手换刀 2.结构紧凑 3.刀库运动较多 机械手换刀 机械手和 刀具运送器 1.刀库只作选刀运动，机械手换刀 2.布局灵活，换刀速度快 1.刀库距机床主轴较远时，用刀具运送器将刀具送至机械手 2.结构上复杂 1.利用更换转塔头，增加换刀数目 2.换刀时间基本不变 1.利用更换主轴箱，扩大组合机床加工工艺范围 2.结构比较复杂 1.扩大加工工艺，更换刀库，另有刀库存储器 2.充分提高机床利用率和自动化程度 3.扩大加工中心的加工工艺范围 各种加工中心 大型加工中心 扩大工艺范围的钻削中心 扩大柔性的组合机床 加工复杂零件，需刀具很多的加工中心或组成高度自动化的生产系统 26

成 套 更 换 方 式 更换转塔 更换主轴箱 更换刀库

2.2.1 加工中心刀库形式

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。由于多数加工中心的取送刀具位置都是在刀库中某一固定刀位，因此刀库还需要有使刀具运动的机构来保证换刀的可靠性。刀库中刀具的定位机构是用来保证要更换的每一把刀具或刀套都能准确地停在换刀位置上。

加工中心刀库的形式很多，结构也各不相同，最常用的有鼓盘式刀库、链式刀库和格子盒式刀库。

1.鼓盘式刀库 鼓盘式刀库结构紧凑、简单，在钻削中心上应用较多。一般存放刀具不超过32支。图2-14为刀具轴线与鼓盘轴线平行布置的刀库，其中图(a)为径向取刀形式，图(b)为轴向取刀形式。(c)为刀具径向安装在刀库上的结构，(d)为刀具轴线与鼓盘轴线成一定角度布置的结构。

图2-14 鼓盘式刀库

2.链式刀库 在环形链条上装有许多刀座，刀座的孔中装夹各种刀具，链条由链轮驱动。链式刀库适用于刀库容量较大的场合，且多为轴向取刀。链式刀库有单环链式和多环链式等几种，如图2-15(a)，(b)所示。当链条较长时，可以增加支承链轮的数目，使链条折叠回绕，提高空间利用率(如图2-15(c)所示)。

图2-15 几种链式刀库

3.格子盒式刀库 图2-16所示为固定型格子盒式刀库。刀具分几排直线排列，由

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纵、横向移动的取刀机械手完成选刀运动，将选取的刀具送到固定的换刀位置刀座上，由换刀机械手交换刀具。由于刀具排列密集，因此空间利用率高，刀库容量大。

图2-16 固定型格子盒式刀库

1－刀座；2－刀具固定板架；3－取刀机械手横向导轨； 4—取刀机械手纵向导轨；5—换刀位置刀座；6—换刀机械手

2.2.2 加工中心刀库结构

刀库容量需根据加工工艺的需要来确定。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支铣刀可完成工件95％左右的铣削工艺；10支孔加工刀具可完成70％的钻削工艺；因此14支刀的容量就可完成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支以下。所以对于一般的中、小型立式加工中心，配有14~40支刀具的刀库就能够满足70％~95％工件的加工需要。

图2-17是JCS-018A型加工中心的盘式刀库的结构简图。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器2、蜗杆4、蜗轮3传到刀盘14，刀盘带动其上面的16个刀套13转动，完成选刀工作。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，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、主轴误动作。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。

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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。通过螺杆8，可以调整拨叉的行程。拨叉的行程决定刀具轴线相对主轴轴线的位置。

刀套的结构如图2-18所示，刀套4的锥孔尾部有两个球头销钉3。在螺纹套2与球头销之间装有弹簧1，当刀具插入刀套后，由于弹簧力的作用，使刀柄被夹紧。拧动螺纹套，可以调整夹紧力大小，当刀套在刀库中处于水平位置时，靠刀套上部的滚子5来支承。

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图2-18 JCS-018A刀库结构图

1-弹簧 2-螺纹套 3-球头销钉 4-刀套 5、7-滚子 6-销轴

2.2.3 JCS-018A型加工中心机械手结构

JCS-018A型加工中心使用的换刀机械手为回转式单臂双手机械手。在自动换刀过程中，机械手要完成抓刀、拔刀、交换主轴上和刀库上的刀具位置、插刀、复位等动作。

1)机械手的结构及动作过程 图2-19为JCS-018A型加工中心机械手换刀动作结构示意图。当前面所述刀套逆时针旋转90°后，压下上行程位置开关，发出机械手抓刀信号。此时，机械手21正处在如图所示的上面位置，液压缸18右腔通压力油，活塞杆推动齿条17向左移动，使齿轮11转动。如图2-20所示，8为液压缸15的活塞杆，齿轮1、齿条7和轴2即为图2-19中的齿轮11、齿条17和轴16。连接盘3与齿轮1用螺钉联接，它们空套在机械手臂轴2上，传动盘5与机械手臂轴2用花键联接，它上端的销子4插入连接盘3的销孔中，因此齿轮转动时带动机械手臂轴转动，使机械手回转75°抓刀，抓刀动作结束后，齿条17上的挡环12压下位置开关14，发出拔刀信号，于是液压缸15的上腔通入压力油，活塞杆推动机械手臂轴16下降拔刀。在轴16下降时，传动盘10随之下降，其下端的销子8(图2-20中的销子6)插入连接盘5的销孔中，连接盘5和其下面的齿轮4也是用螺钉联接的，它们空套在轴16上。当拔刀动作完成后，轴16上的挡环2压下位置开关1，发出换刀信号。这时液压缸20的右腔通入压力油，活塞杆推着齿条19向左移动，使齿轮4和连接盘5转动，通过销子8，由传动盘带动机械手转180°，交换主轴上和刀库上的刀具位置。换刀动作完成后，齿条19上

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能力。采用高刚性材料、提高材料弹性模量可以提高支承件的刚度；增大接触面积、加大预紧力、提高表面质量可以有效地提高接触刚度；采用合理的截面形状、合理配置加强肋板和加强筋是提高支承件刚度的有效措施。

2)抗振性要求 支承件的抗振性是指其抵抗受迫振动和自激振动的能力。振动不仅会使机床产生噪声，同时也会影响加工质量，因此支承件应有足够的抗振性，具有合乎要求的动态特性。影响支承件的抗振性的主要因素是：支承件的刚度、固有频率、阻尼、支撑情况和材料等。

3)热变形和内应力要求 影响支承件热变形的主要因素是：支承件的结构，运动部件的发热及外部热源。通过采用热对称结构、隔离热源、强制冷却、快速排屑等措施减少热变形。

2.加工中心支承件典型结构

1)床身 床身是机床的基础件，要求具有足够高的静、动刚度和精度保持性。在满足总体设计要求的前提下，应尽可能做到既要结构合理、肋板布置恰当，又要保证良好的冷、热加工工艺性。

2)立柱 加工中心立柱主要是对主轴箱起到支承作用，满足主轴的Z向运动，因此，立柱应具有较好的刚性和热稳定性。

3)床身的三点支承 加工中心的导轨大都采用直线滚动导轨，滚动导轨摩擦系数很低、动静摩擦系数差别小，低速运动平稳、无爬行，因此可以获得较高的定位精度。但是这些精度的实现，必须建立在底座处于正确的状态，否则垂直方向的支撑高低误差会造成结构侧向扭曲，进而造成全行程内摩擦阻力的变化，导致定位精度的误差。以前采用滑动导轨时，导轨的配合面要刮研精修，在装配过程中可发生导轨扭曲现象，并通过修配实现校正。改用滚动导轨，不存在修正过程，很难避免床身扭曲或安装所造成的轨道扭曲。

2.4 加工中心的压力控制系统

数控机床包括一些辅助设备，比如液压夹紧装置、气动控制、各种润滑等。

在工程控制中，常以空气、液体作为工作介质，利用压力进行能量和力的传递来进行控制，这种技术被称之为压力控制。在数控机床中，这种控制技术被广泛应用。

2.4.1 压力控制系统的功能与组成

1.压力传动的特点

气压、液压传动属于流体传动的两个分支，它们分别是以压缩空气和液压油为工作介质，来进行能量的传递和控制的传动技术。相对于机械传动、电力传动等传动技术，气、液压传动是新兴的工程技术。由于它们具有许多机械传动所不具有的优点，故其发展速度较快，应用范围也越来越广，目前已广泛应用于工程技术中的各个领域。

1）气压传动

气压传动是以空气压缩机为动力源，以压缩空气为工作介质，进行能量传递或信号传递的一门工程技术，是工程实际中进行各种生产控制和自动控制的重要手段之一。与机械、电气、液压传动等方式相比，气压传动具有以下一些优点：

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(1)由于工作介质为空气，故其来源容易、制取方便、成本低廉。

(2)较好的工作环境适应性。由于气压传动以空气作为工作介质，故能用于环境恶劣，高净化、无污染的场合，且工作可靠性较好，易于实现过载保护。

(3)空气粘度小，在传动过程中的能量损失较小，节能、高效，适宜于远距离的供气和气源的集中布置。

(4)气压传动反应灵敏、动作迅速、易维护和调节，故比较适宜于直接应用到自动控制的场合。

(5)气动元件结构简单，制造工艺性较好，制造成本低，使用寿命长，易于实现标准化、系列化、通用化。

但是，气压传动也存在一些缺点：对变载荷工作运动平稳性较差；气动装置工作压力不高(常用气源一般为0.5～1MPa的压力)，输出力或转矩不大；排气噪声大；需在气路中设置供油润滑装置对气路元件进行润滑。

2）液压传动

液压传动是以液压泵为动力源，以液压油为工作介质，进行能量传递或信号传递的一门工程技术。液压传动与其他传动方式相比，具有以下优点：

(1)易于实现无级调速和大范围调速，一般可达到100:1～2000:1的传动比。 (2)单位功率的传动装置重量轻、体积小、结构紧凑(在同样大小功率的条件下，一般电动机是液压马达重量的4～5倍)，可产生和传递较大的力和力矩。

(3)惯性小、反应快、冲击小、工作平稳，易于实现高速起动、制动和换向。液压传动装置的换向频率，回转运动每分钟可达500次，往复直线运动每分钟可达1000次。

(4)易控制、易调节、操纵方便，易于与电气控制相结合，用以实现远程控制和复杂顺序控制的自动化，易于实现过载保护。

(5)液压传动具有自润滑、自冷却作用，可以减少因摩擦和高温产生的液压元件损坏，工作寿命较长。

(6)液压元器件易于实现系列化、标准化、通用化，故可以降低制造、使用成本。 但是，液压传动也存在一些缺点：如泄漏，污染环境、浪费资源，且不易实现定比传动；对油温和负载的变化比较敏感，不宜在高温或低温环境中工作；要求元件制造精度高，使用维护要求较为严格，故障点不易确定。

2. 气、液压传动发展概况及应用 近几十年来，随着现代制造技术、密封技术等的发展，液压传动技术在高压、高速、大功率、低噪声、节能、高效和提高使用寿命等方面取得了巨大进展，并在交流液压技术、机—电—液组合传动、液压系统的逻辑设计、液压技术计算机化等方面进行了有益的探索，取得了一定的成效，并在工程实际中开始应用推广。

气动技术目前已发展成为一门独立的技术，在各方面的应用范围也在不断扩大。近年来，气动技术在向小型化、集成化、无油化(由不供油润滑和无润滑元件组成的系统)、提高元器件和系统的可靠性及使用寿命、发展节能技术、电—气一体化(如压力比例阀、流量比例阀、数字控制气缸等气、电技术结合的自适应控制气动元件等)、提高气动系统的机电一体化和自动化水平等方面进行发展。

机床上采用气、液压技术的方面很多，但主要是利用气、液传动在工作中可以实

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现无级变速、易于实现自动化、可频繁换向等优点。

就数控机床而言，气、液压传动的应用主要在静压支承和辅助运动的实现方面。如主轴静压轴承、静压导轨，工件的夹紧、装卸，刀具的更换，垂直移动部件的自重平衡，托盘的交换，工作台的回转分度等，有时机床和工件的清理、冷却等场合也应用到液、气压系统。

2.4.2 数控机床的压力系统

1.气、液压系统在数控机床中常用来完成如下的辅助功能：

1)数控机床运动部件的制动、离合器的控制、齿轮拨叉挂挡的实现等。

2)数控机床中运动部件的平衡。如主轴箱的重力平衡、换刀机械手的平衡等。 3)定位面的自动吹屑清理等。

4)数控机床防护罩、板、门的自动打开与关闭。 5)工作台的松开与夹紧，交换台的自动交换动作。 6)夹具的自动松开与夹紧。

7)自动换刀所需动作。如机械手的伸缩、回转和摆动以及刀具的松开和拉紧等。 2.数控机床气动系统工作原理、结构布置及特点

数控机床气动系统的设计及布置与加工中心的类型、结构、要求完成的功能等有关，结合气压传动的特点，一般在要求力或力矩不太大的情况下采用气压传动。下面以H400型卧式加工中心气动系统为例介绍加工中心气动系统的特点、布置及其工作原理等。

如图2-26所示为H400型卧式加工中心气动系统原理图。主要包括松刀缸、双工作台交换、工作台与鞍座之间的拉紧、工作台回转分度、分度插销定位、刀库前后移动、主轴锥孔吹气清理等几个动作完成的气动支路。

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气动系统要求提供额定压力为0.7MPa的压缩空气，压缩空气通过?8mm的管道联接

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图2-26 H400型卧式加工中心气动系统原理图 到气动系统调压、过滤、油雾气动三联件ST，经过气动三联件ST后，得以干燥、洁净并加入适当润滑用油雾，然后提供给后面的执行机构使用，保证整个气动系统的稳定安全运行，避免或减少执行部件、控制部件的磨损而降低寿命。YKl为压力开关，该元件在气动系统达到额定压力时发出电参量开关信号，通知机床气动系统正常工作。

1）松刀缸支路

松刀缸是完成刀具的拉紧和松开的执行机构。为保证机床切削加工过程的稳定、安全、可靠，刀具拉紧拉力应大于12000N，抓刀、松刀动作时间在2s以内。换刀时通过气动系统对刀柄与主轴间的7:24定位锥孔进行清理，使用高速气流清除结合面上的杂物。为达到这些要求，并且尽可能地使其结构紧凑，减轻重量，并且结构上要求工作缸直径不能大于150mm，所以采用复合双作用气缸(额定压力0.5MPa)可达到设计要求。

在无换刀操作指令的状态下，松刀缸在自动复位控制阀HFl(见图2-26)的控制下始终处于上位状态，并由感应开关LS11检测该位置信号，以保证松刀缸活塞杆与拉刀杆脱离，避免主轴旋转时活塞杆与拉刀杆摩擦损坏。主轴对刀具的拉力由碟形弹簧受压产生的弹力提供。当进行自动或手动换刀时，两位四通电磁阀HFl线圈1YA得电，松刀缸上腔通入高压气体，活塞向下移动，活塞杆压住拉刀杆克服弹簧弹力向下移动，直到拉刀爪松开刀柄上的拉钉，刀柄与主轴脱离。感应开关LSl2检测到位信号，通过变送扩展板传送到CNC的PMC，作为对换刀机构进行协调控制的状态信号。DJ1、DJ2是调节气缸压力和松刀速度的单向节流阀，用于避免气流的冲击和振动的产生。电磁阀HF2用来控制主轴和刀柄之间的定位锥面在换刀时的吹气清理气流的开关，主轴锥孔吹气的气体流量大小用节流阀JL1调节。

2）工作台交换支路

交换台是实现双工作台交换的关键部件，由于H400加工中心交换台提升载荷较大，工作过程中冲击较大，设计上升、下降动作时间为3s，且交换台位置空间较大，故采用大直径气缸(D=350mm)，6mm内径的气管，可满足设计载荷和交换时间的要求。机床无工作台交换时，在两位双电控电磁阀HF3的控制下交换台托升缸处于下位，感应开关LS17有信号，工作台与托叉分离，工作台可以进行自由的运动。当进行自动或手动的双工作台交换时，数控系统通过PMC发出信号，使两位双电控电磁阀HF3的3YA得电，托升缸下腔通入高压气，活塞带动托叉连同工作台一起上升，当达到上下运动的上终点位置时，由接近开关LSl6检测其位置信号，并通过变送扩展板传送到CNC的PMC，控制交换台回转180?运动开始动作，接近开关LSl8检测到回转到位的信号，并通过变送扩展板传送到CNC的PLC，控制HF3的4YA得电，托升缸上腔通入高压气体，活塞带动托叉连同工作台在重力和托升缸的共同作用下一起下降，当达到上下运动的下终点位置时由接近开关LSl7检测其位置信号，并通过变送扩展板传送到CNC的PLC，双工作台交换过程结束，机床可以进行下一步的操作。在该支路中采用DJ3、DJ4单向节流阀调节交换台上升和下降的速度，避免较大的载荷冲击及对机械部件的损伤。

3）工作台夹紧支路

H400采用双工作台工作，为了节约交换时间，保证交换的可靠，所以工作台与鞍座之间必须具有能够快速、可靠的定位、夹紧及迅速脱离的功能。如图2-27所示，可交换的工作台固定于鞍座上，由四个带定位锥的气缸夹紧，并且为了达到拉力大于

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图2-29 VP1050主轴润滑冷却管路示意图

图2-30 VP1050导轨润滑脂加注示意图

主轴轴承的润滑与密封是机床使用和维护过程中值得重视的两个问题。良好的润滑效果可以降低轴承的工作温度和延长使用寿命。密封不仅要防止灰尘屑末和切削液进入，还要防止润滑油的泄漏。

1）主轴轴承润滑方式 在加工中心上，主轴轴承采用的润滑方式有：油脂润滑、油液循环润滑、油雾润滑、油气润滑等方式。

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(1)油脂润滑 这是目前在数控机床的主轴轴承上最常用的润滑方式，特别是在前支撑轴承上最为常用。当然，如果主轴箱中没有冷却润滑油系统，那么后支撑和其他轴承，一般采用油脂润滑方式。

(2)油液循环润滑 在数控机床主轴上，有采用油液循环润滑方式的。装有GA、MET轴承的主轴，即可使用这种方式。对一般主轴来说，后支撑上采用这种润滑方式比较常见。

(3)油雾润滑 油雾润滑是将油液经高压气体雾化后成雾状喷射到须润滑的部位的润滑方式。由于是雾状油液吸热性好，又无油液搅拌作用，所以通常用于高速主轴轴承的润滑。但是，油雾容易吹出，污染环境。

(4)油气润滑 油气润滑方式是针对高速主轴而开发的新型润滑方式。它是利用极微量的油气化(8min～10min约0.03cm3油)润滑轴承，以抑制轴承发热。

在用油液润滑角接触轴承时，要注意角接触轴承的油泵效应，即使油液从小口进入。 2）主轴的密封

主轴的密封有接触式密封和非接触式密封。 图2-31是几种非接触式密封的形式。图中(a)是利用轴承盖与轴的间隙密封，轴承盖的孔内开槽是为了提高密封效果。这种密封用在工作环境比较清洁的油脂润滑处；图中(b)是在螺母的外圆上开锯齿形环槽，当油向外流时，靠主轴转动的离心力把油沿斜面甩到端盖1的空腔内，油液流回油箱；图中(c)是迷宫式密封结构，在切屑多、灰尘大的工作环境下可获得可靠的密封效果，这种结构适用油脂或油液润滑的密封。在用非接触式的油液密封时，为了防漏，重要的是保证回油能尽快排掉，因此要保证回油孔的畅通。

图2-31 非接触式密封 1-端盖；2-螺母

接触式密封主要有油毡圈和耐油橡胶密封圈密封，如图2-32所示。

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图2-32 接触式密封

1-甩油环；2-油毡圈3-耐油橡胶密封圈

2.5.2 加工中心的冷却系统

加工中心的冷却系统按照其作用主要分为对机床的冷却和对刀具、工件的冷却两部分。

1．机床冷却和温度控制

为了提高生产效率，一般要求加工中心不停机连续工作，为了保证在长时间工作情况下机床加工精度的一致性、电气及控制系统的工作稳定性和机床的使用寿命，加工中心对环境温度和各部分的发热冷却及温度控制均有相应的要求。

环境温度对加工中心加工精度及工作稳定性有不可忽视的影响。对精度要求较高和整批零件尺寸一致性要求较高的加工，应保持恒温工作环境。

加工中心的电控系统是整台机床的控制核心，其工作时的可靠性以及稳定性对加工中心的正常工作起着决定性作用，并且电控系统中间的绝大部分元器件在通电工作时均会产生热量，如果没有充分适当的散热，容易造成整个系统温度过高，导致其可靠性、稳定性及元器件寿命降低甚至损毁。加工中心的电控系统一般在发热量大的元器件上采用加装散热片或采用风扇强制循环通风的方式进行热量的扩散，以降低电控系统的温度。但该方式容易使灰尘易进入控制箱，温度控制稳定性差，湿空气易进入的缺点。所以，在高档的加工中心上一般采用专门的电控箱冷气机进行电控系统的温湿度调节。

在加工中心的机械本体部分，主轴部件及传动机构为最主要的发热源。对主轴轴承和传动齿轮等零件，特别是中等以上预紧的主轴轴承，如果工作时温度过高很容易产生胶合磨损、润滑油粘度降低等后果，所以加工中心的主轴部件及传动装置通常设有工作温度控制装置。

图2-33a所示为主轴温控机的工作原理图，循环液压泵2将主轴头内的润滑油(L-AN32机油)通过管道6抽出，经过滤器4过滤送入主轴头内，温度传感器5检测润滑油液的温度，并将温度信号传给温控机控制系统，控制系统根据操作人员在温控机上的预设值，来控制冷却器的开停。冷却润滑系统的工作状态由压力继电器3检测，并将此信号传送到数控系统的PLC。数控系统把主轴传动系统及主轴的正常润滑作为主轴系统工作的充要条件，如果压力继电器3无信号发出，则数控系统PLC发出报警信号，且禁止主轴起动。图2-33b为温控机操作面板。操作人员可以设定油温和室温的差值，温控机根据此差值进行控制，面板上设置有循环液压泵、冷却机工作、故障等多个指示灯，

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供操作人员识别温控机的工作状态。主轴头内高负荷工作的主轴传动系统与主轴同时得到冷却。

图2-33 主轴温控机

（a）工作原理图 （b）操作面板图

1－冷却器；2－循环液压泵；3－压力继电器；4－过滤器； 5－温度传感器；6－出油管；7－进油管；8－主轴电机；9－主轴头

2.工件切削冷却

加工中心高速大功率切削时会产生大量的切削热，使刀具、工件和内部结构的温度上升，进而降低刀具的寿命、工件加工质量和机床的精度。所以，良好的工件切削冷却对加工中心具有重要的意义，切削液不仅具有冷却作用，还能起到在刀具与工件之间的润滑、排屑清理、防锈等作用。如图2-34所示为H400型加工中心工件切削冷却系统原理图。

图2-34 H400加工中心切削冷却系统图

1－冷却液箱；2－过滤器；3－液压泵；4－溢流阀；5－电磁阀；

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6－主轴部件；7－分流阀；8－冷却液喷嘴；9－工件；10－冷却液收集箱

为了充分提高冷却效果，在一些加工中心上还采用了主轴中央通水和使用内冷却刀具的方式进行主轴和刀具的冷却。这种方式对提高刀具寿命、发挥加工中心良好的切削性能、切屑的顺利排出等方面具有较好的作用。

2.6 加工中心的附属装置

2.6.1 对刀装置

1.对刀装置的种类

加工中心所使用的对刀装置种类很多，从其功用上可划分以下几种类型。

1)测量类 包括百分表、千分表、杠杆表。主要用于确定工具及夹具定位基准面的方位。

2)目测类 包括电子感应器、偏心轴、验棒等。主要用于确定工件及夹具在机床工作台的坐标位置。

3)自动测量类 主要包括机床的自动测量系统。 2.对刀装置的使用

在机械加工中测量类普遍使用，在此不再叙述。下面介绍目测类对刀装置的原理及使用。

1)电子感应器

电子感应器的结构如图2-35所示。使用时将其夹持在主轴上，其轴线与主轴轴线重合，采用手动进给，缓慢地将标准钢球与工件靠近，在钢球与工件定位基准面接触的瞬间，由机床、工件、电子感应器组成的电路接通，指示灯亮，从而确定其基准的位置。使用电子感应器时，是人为目测定位，随机误差较大，需重复操作几次，以确定其正确位置，其重复定位精度在2?m以内。

电子感应器在使用时必须小心，让其钢球部位与工件接触，同时被加工工件必须是良导体，定位基准面有较好的表面粗糙度。

图2-35 电子感应器对刀装置

2)偏心轴

偏心轴是采用离心力的原理来确定工件位置的，主要用于确定工件坐标系及测量工件长度、孔径、槽宽等。使用过程如下。

如图2-36(a)所示，将偏心轴夹持在机床主轴上，测定端处于下方。将主轴转速设定在400～600r/min的范围内，测定端保持偏心距0.5mm左右。将测定端与工件端面相接触且逐渐逼近工件端面，测定端由摆动逐步变为相对静止，如图2-36(b)、图2-36 (c)。

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