加工中心的特殊构件解析：主轴结构

1.主轴结构

加工中心是以镗削、铣削、钻削为主的数控机床，它的主运动是刀具的旋转运动，刀具由装夹机构装夹在主轴上。为保证刀具的刀套能准确地在主轴上定位，主轴上必须设计有准停机构与刀具的装夹机构。

2.刀库系统

刀库系统是由刀库与机械手组成的自动换刀装置，简称ATC（automatic tool changer）。

1）刀库

刀库是存储加工所需刀具的仓库。刀库能输送刀具，作移位运动达到换刀位置，并且能准确定位，保证换刀可靠。否则，如换刀时机械手抓刀不准，容易产生掉刀现象。加工中心的功能主要体现在刀库容量与刀库类型上。

（1）刀库容量。加工中心作为柔性制造单元，能连续自动加工复杂零件，加工能力强、工艺范围广。刀库的容量大，存储的刀具多，使机床的结构复杂。若刀库容量小，存储的刀具少，就不能满足工艺上的要求。刀库中刀具数量的多少又直接影响加工程序的编制。编制大容量刀库的加工程序的工作量大、程序复杂。所以刀库容量的配置有一个最佳的数量。一般情况下，加工中心刀库中只存放一种零件在一次装夹中所完成的加工工序所需要的刀具，刀具数量不能超过刀库容量。刀库的容量受到机床结构的制约。通常立式加工中心的刀库容量为20把刀具，卧式加工中心刀库的容量为40把刀具，万能加工中心能容纳120把刀具。

（2）刀库类型。刀库主要有两大类型，即圆盘式刀库与链式刀库。圆盘式刀库上的刀具轴线相对于刀库轴线可以按不同方向配置，如图6-20所示。采用这些结构可以简化取刀动作，且结构简单紧凑，因而应用较多。但因刀具单环排列，空间利用率低，因此多用于刀库容量小的场合。链式刀库在环形链条上装有许多刀座，刀座孔中装各种刀具，链条由链轮驱动。链式刀库容量较大、扩展性好，在加工中心上的配置位置灵活，但结构复杂。其链环可根据机床的总体布局要求配置成适当形式，以利于换刀机构的工作。链式刀库取刀多为轴向取刀。链式刀库如图6-21所示。

图6-20　圆盘式刀库示意图

（a）轴向；（b）径向；（b）斜向

图6-21　链式刀库示意图

（a）单链结构；（b）多链结构；（c）回转式链结构

2）刀具的选用与识别

刀库系统的重要功能就是刀具的选用与识别。目前常用的有以下3种方法。

（1）顺序方式选刀。刀库中的刀具按照加工零件的加工顺序排列，加工时按顺序依次选用刀具。这种选刀方法使刀库的控制与驱动装置简单，无需编码，也不需要刀具识别装置。但是当加工零件改变时，刀具要按加工零件的加工顺序重新排列，增加了机床的准备时间。

（2）编码方式选刀。在加工中心刀库中，对每一把刀具都进行编码，加工时通过刀具的识别装置来识别和选择所需要的刀具。这种随机选择刀具的方式使刀库中刀具的排列是任意的，与加工零件的加工顺序无关。当加工零件改变时，刀具在刀库中原有的排列顺序不变，减少刀具的调整时间。加工时可以重复使用同一把刀具，减少刀库中刀具的数量。这种选刀方式更适合于多品种、少批量的生产类型。编码方式选刀必须对刀具进行编码。加工中心要配置有刀具编码的识别装置，以控制机械装置选取所需要的刀具。编码方法有两种：一种是直接对刀具编码；另一种是将刀具装夹在刀座上，然后对刀座进行编码。

（3）计算机记忆方式选刀。在安装有位置检测装置的刀库中，把刀具号和刀库上的存刀位置相对应地存储在计算机的存储器中，计算机始终跟踪着刀具在刀库中的实际位置。加工中刀具可以随机的取存，而且不必对刀具进行编码，也省去编码识别装置。现在大多数加工中心采用计算机记忆方式来选取加工所需的刀具，不但简化了控制系统，而且增加了可靠性。

3）自动换刀装置。

担负自动换刀任务的机构是机械手。机械手能准确、迅速、可靠地进行自动换刀。

随着机床的布局不同，自动换刀装置的机械结构有很大的差异，机械手也是各式各样的。但最常见的是单臂双爪回转式机械手，如图6-22所示。单臂双爪回转式机械手的工作步骤是：①单臂旋转，双爪夹紧刀具，如图6-22（a）所示；②单臂前伸，同时从主轴孔和刀库中取出刀具，如图6-22（b）所示；③单臂旋转180°，双爪交换位置，如图6-22（c）所示；④单臂缩回，同时将新刀具装入主轴孔、旧刀具退回刀库中，如图6-22（d）所示；⑤双爪复位，如图6-22（e）所示。(www.xing528.com)

图6-22　单臂双爪回转式机械手动作顺序

（a）抓刀；（b）拔刀；（c）换刀；（d）插刀；（e）复位
1—主轴；2—刀库；3—机械手

复习思考题

1.什么是数控技术？什么是数控机床？

2.数控系统由哪些部分组成？各个部分的功用是什么？

3.闭环控制伺服系统的工作原理是怎样的？有什么特点？

4.为什么半闭环控制伺服系统用得比较广泛？

5.交流伺服电机与直流伺服电机各有哪些优缺点？

6.步进电机有何特点？主要应用在哪些场合？

7.数控机床上常用的导轨有哪几种类型？它们各有什么特点？

8.与普通机床相比，数控机床的机械结构有什么特殊的要求？

9.数控机床最适合加工哪些类型的零件？

10.与普通机床相比，数控机床生产效率比较高的主要原因是什么？

11.数控机床的坐标轴是如何确定的？它们的方向如何判定？

12.数控加工程序的编制方法有哪几种？各有什么特点？

13.手工编程的主要内容有哪些？

14.什么是绝对坐标系？什么是相对坐标系？编程时如何选用？

15.试分析刀具补偿的功能与作用。

16.什么是加工中心？它与数控机床有什么显著区别？

17.加工中心有哪些主要特点？

18.数控系统是如何识别与选取加工中心刀库中的刀具的？