深入了解数控机床的各功能部件

一、认识数控机床的组成

做一做：

（1）查看车间的数控机床，找出机床的各主要功能部件，并简述其功能。

（2）在老师的指导下，你来给数控机床上电，试试与普通机床有何不同。

认识数控机床的组成

提示：

数控机床的上电步骤，如图1-2-1所示。

先打开及床边墙上该机床隔离开关，再打开机床电器柜上电开关，此时机床电器柜风扇运转。

图1-2-1　数控机床的上电步骤

相关知识：

数控机床的基本组成如图1-2-2所示，包括加工程序载体、数控装置、伺服驱动装置、机床主体和其他辅助装置。零件的加工信息用规定的代码编写成加工程序，通过信息载体输入到数控装置，数控装置能够逻辑地处理具有控制编码或其他符号指令规定的程序，并将其 译码，经运算处理发出各种控制信号，通过伺服驱动装置控制机床本体和其他辅助装置的动作，按图纸要求的形状和尺寸，自动地将零件加工出来。

图1-2-2　数控机床的组成

数控机床与普通机床一样，要为加工零件提供必要的切削运动，因此，它也和普通机床一样，具有以下功能部件：

（1）支撑部件：机床床身、底座、立柱等。

（2）主运动部件：机床主轴等。

（3）进给运动部件：工作台（铣床）、刀架（车床）等。

（4）驱动装置：驱动电机及传动机构，包括主轴电动机、主轴箱和进给电动机、丝杠螺母机构等。

（5）控制装置：机床电气开关按钮、控制电路和操纵手柄等。

（6）辅助装置：照明、防护及冷却润滑装置，排屑装置，液压装置，气动装置等。

二、认识数控机床的主传动装置

做一做：

在老师的指导下尝试手动拆装数控铣床主轴上的刀柄，观察这个过程中机床都有哪些动作。

相关知识：

（一）数控机床主传动方式

数控机床主运动的最高与最低转速、转速范围、传递功率，决定了数控机床的切削加工效率和加工工艺能力。因此数控机床对主传动提出了越来越高的要求。目前，数控机床主传动主要有三种方式，如图1-2-3所示：变速齿轮传动、皮带传动和调速电动机直接驱动。为实现主轴的调速要求，高档数控机床多采用变频调速直接驱动，为了保证低速时能传递较大的扭矩，同时为扩大恒功率区变速范围，现代数控机床在交流或直流电动机无级变速的基础上，再配以少量齿轮变速，进而构成分段无级变速系统。一部分小型数控机床也采用这种传动方式，以获得强力切削所需的驱动力矩。皮带传动可以避免齿轮传动引起的振动与噪声，且能在一定程度上满足转速与扭矩的输出要求。但其调速范围要受电机调速范围的限制，传递功率也有限，故主要用于小型机床。

图1-2-3　数控机床主传动的三种方式

（a）齿轮传动主轴；（b）带轮传动主轴；（c）电动机直接驱动主轴

想一想：

你们车间的数控机床主轴转速是如何调整的？

（二）数控机床的主轴部件

主轴部件是主运动的执行部件，它夹持刀具或工件，并带动其旋转。对于自动换刀数控机床，主轴部件中还有自动夹紧装置、主轴准停装置和自动吹净装置。

1.自动夹紧装置

数控车床工件夹紧装置可用三爪自定心卡盘、四爪单动卡盘或弹簧夹头（用于棒料加工）。为减少数控车床装夹工件的辅助时间，广泛采用的是一种液压驱动动力自定心卡盘，卡盘用螺钉固定在主轴前端（短锥定位），液压缸固定在主轴后端，改变液压缸左、右腔的供油状态，活塞杆带动卡盘内的驱动爪夹紧或松开工件，并通过行程开关发出相应信号，如图1-2-4所示。

图1-2-4　数控车床液压自动卡盘

数控铣床和在带有刀库的自动换刀数控机床中，为实现刀具在主轴上的自动装卸，其主轴必须设计有刀具的自动夹紧机构。刀具自动夹紧机构如图1-2-5所示。刀柄以锥度为7：24的锥柄在主轴前端的锥孔中定位，碟形弹簧通过拉杆、卡爪将刀柄的拉钉拉紧，当换刀时，要求松开刀柄。此时将数控机床主轴上端气缸的上腔通压缩空气，活塞带动压杆及拉杆向下移动，同时压缩碟形弹簧。当拉杆下移到使卡爪的下端移出内套时，卡爪张开，同时拉杆将刀柄顶松，数控机床刀具即可由手工或机械手拔出。待新刀装入后，气缸的下腔通压缩空气，在碟形弹簧的作用下，活塞带动卡爪上移，卡爪拉杆重新进入内套，将刃柄拉紧。活塞移动的两个极限位置分别设有行程开关，作为刀具夹紧和松开的信号。数控机床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。

图1-2-5　数控铣床刀具自动夹紧机构

1—增压气缸；2—光电开关；3—拉杆；4—碟形弹簧；5—卡爪弹簧；6—卡爪；7—刀具拉钉；8—机床主轴；9—7：24主轴锥孔

2.自动吹净装置

主轴自动换刀时，需自动清除主轴装刀锥孔内的切屑或灰尘，以保证主轴锥孔和刀柄表面接触，确保刀具定位安装精度。为此，主轴上装有压缩空气吹净装置，当机械手将刀柄从主轴锥孔拔出后，压缩空气可通过活塞杆上端喷嘴，经活塞和拉杆的中心孔自动地吹净主轴锥孔。

3.主轴准停装置

主轴自动换刀时，需保证主轴上的端面键对准刀柄上的键槽，以实现刀具正确定位和传递转矩。因此，主轴在每次自动装卸刀具时，都应停在一定的圆周位置上，即要求主轴具有准确定位的功能。

4.主轴速度检测装置

数控机床采用了分散的单独驱动方式，即机床的每一个运动都由一个独立的电动机驱动，虽然对每一个独立的运动可进行相应的控制，但是机床的主运动和进给运动就失去了联系，也就是主运动和进给运动没有相应的比例关系，这样就不能加工螺纹。机床加工螺纹时主运动与进给运动应有一定的关系，即主轴每转一转，刀具沿轴向进给一个螺距。所以必须对主轴运动进行检测并控制。

认识数控机床的进给传动装置

三、认识数控机床的进给传动装置(www.xing528.com)

相关知识：

数控机床进给运动是数字控制的直接对象。数控机床传动装置的精度、灵敏度和稳定性，将直接影响工件的加工精度。数控机床的进给传动系统必须满足下列要求：传动刚度高、摩擦阻力小、惯量低。为此，其进给传动的方式常采用最多一两级齿轮或带轮传动副和滚珠丝杠螺母副组成的传动系统，将伺服电动机的动力和运动传递给工作台。数控机床进给传动原理如图1-2-6所示，斜床身数控车床进给传动机构实物如图1-2-7所示。

图1-2-6　数控机床进给传动原理

图1-2-7　斜床身数控车床进给传动机构实物

1—纵向滚珠丝杠；2—驱动电机；3—横向滚珠丝杠；4—横向滚珠螺母；5—横向机床导轨；6—纵向机床导轨

数控机床进给运动的驱动方式采用伺服电动机的无级调速。传动系统的齿轮副或带轮副的作用主要是通过降速来匹配进给系统的惯量和获得要求的输出机械特性，对开环系统，还起到匹配所需的脉冲当量的作用。根据机床的运动部件或驱动电机有无位置信息反馈功能，数控机床进给传动有开环、闭环、半闭环三种控制方式，其中有位置检测的闭环控制的数控机床，加工精度高，是高档数控机床广泛采用的控制方法。

近年来，由于伺服电动机及其控制单元性能的发展，很多数控机床的进给传动系统省掉了降速齿轮副，直接将伺服电动机与滚珠丝杠连接。

想一想：

滚珠丝杠传动与普通丝杠传动有哪些不同？找到数控机床进给传动装置。

四、认识数控机床的辅助装置

相关知识：

（一）分度和回转工作台

数控机床除了具有沿X、Y和Z三个坐标轴的直线进给运动之外，为扩大工艺的加工范围，往往还有绕X、Y和Z轴的圆周进给运动或分度运动，这两种运动分别由回转工作台和分度工作台来实现。

1.分度工作台

分度工作台的功能是按照数控指令完成工作台的自动分度回转动作，将工件转位换面，与自动换刀装置配合使用，在加工过程中实现工件一次装夹、多个面加工的工序集中式加工，提高数控机床的加工效率。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0°～360°范围内任意角度的分度。图1-2-8所示为数控机床上常用的数控分度头。

图1-2-8　数控分度头

2.回转工作台

数控回转工作台的功能是使工作台连续回转进给，来完成切削加工，同时能完成0°到360°范围内任意角度的分度。它的作用是既能作为数控机床的一个回转坐标轴，用于加工各种圆弧或直线坐标联动的加工曲面，又可以作为分度头完成工件的转位换面，如图 1-2-9所示。

图1-2-9　回转工作台

想一想：

分度工作台和回转工作台分别适合加工哪种类型的工件？

（二）自动换刀装置

数控机床为了能在工件一次装夹中完成多道加工工序，缩短辅助时间，减少多次安装工件所引起的误差，必须带有自动换刀装置。自动换刀装置应当满足换刀时间短、刀具重复定位精度高、刀具储存量足够、刀库占地面积小以及安全可靠等基本要求。数控机床自动换刀装置的主要类型、特点及适用范围如表1-2-1所示。

自动换刀装置

表1-2-1　自动换刀装置的主要类型、特点及适用范围

图1-2-10　回转刀架换刀装置

图1-2-11　带刀库的自动换刀装置

（三）其他辅助装置

数控机床除数控装置和机床本体以外，其他辅助主要有：气、液压系统；冷却系统；润滑系统；排屑和工件整理系统。

1.液压系统

现代数控机床在实现整机的全自动化控制中，除数控系统外，还需配备液压和气动装置来辅助实现整机的自动运行功能。液压传动装置由于功率大、结构紧凑、动作平稳可靠、易于调节和噪声较小而被广泛应用，但需配置油泵和油箱。一个完整的液压系统由动力源、执行机构、控制部分和辅助部分等组成。在液压系统中，各部件可分别装在数控机床的有关零部件上，通过管路连接。为减少液压系统的发热，液压泵采用变量泵。油箱内安装的过滤器应定期用汽油或超声波振动清洗。

2.气压系统

气动装置的气源容易获得，机床可不单独配置气源，装置结构简单，工作介质不污染环境，工作速度快、动作频率高，适合于完成频繁启动的辅助工作，过载时比较安全，不易发生过载损坏机件等事故。气压系统通常用于刀具或工件的夹紧、安全防护门的开关以及主轴锥孔的吹屑等。气压系统中的分水滤气器应定期限放水，分水滤气器和油雾器还应定期清洗。

3.润滑系统

数控车床的润滑系统主要包括机床导轨、传动齿轮、滚珠丝杠及主轴箱等的润滑，其形式有电动间歇润滑泵和定量式集中润滑泵等。其中电动间歇润滑泵用得较多，其自动润滑时间和每次泵油量可根据润滑要求进行调整或用参数设定。

4.排屑装置

为了数控机床自动加工的顺利进行和减少数控机床的发热，数控机床应具有合适的排屑装置。排屑装置的安装位置一般尽可能靠近刀具切削区域，如车床的排屑装置装在旋转工件下方，以简化机床和排屑装置结构、减小机床占地面积、提高排屑效率。排出的切屑一般都落入切屑收集箱或小车中，有的直接排入车间排屑系统。

5.冷却系统

数控机床的冷却系统主要是为了冷却刀具与工件，同时起冲屑作用。冷却泵打出的冷却液经主轴前端的三组喷嘴喷向工件，对刀具和工件起冷却冲屑作用。冷却泵的启停由数控程序指令加以控制。

6.其他辅助装置

数控机床除了上述的液压和气动装置、自动排屑装置外，还有自动润滑系统、冷却装置、刀具破损检测装置、精度检测装置和监控装置等。

做一做：

仔细观察数控机床，找出上述几种装置分别在什么位置，并观察其都由哪些部分组成。