辅助机械部件的结构与性能优化分析

1.换刀装置

为了进一步提高数控机床加工的高效率和高精度，工件在一台机床上经一次装夹后可完成多道甚至全部工序加工，需使用多把刀具，因此必须有自动换刀装置。自动换刀装置应满足换刀时间短、刀具重复定位精度高、刀具储存量足够、结构紧凑及安全可靠等要求。

各类数控机床的自动换刀装置的结构取决于机床的类型、工艺范围、使用刀具种类和数目。目前数控机床使用的自动换刀装置主要有转塔式自动换刀和刀库式自动换刀两种。

（1）转塔式自动换刀装置。

转塔式自动换刀装置又分回转刀架式和转塔头式两种，回转刀架式用于各种数控车床和车削中心机床。转塔头式多用于数控钻、镗、铣床。

① 回转刀架换刀装置。

回转刀架换刀是一种简单的自动换刀装置。在回转刀架各刀座安装或夹持各种不同用途的刀具，通过回转刀架的转位实现换刀。回转刀架可在回转轴径向和轴向安装刀具。回转刀架的工位数最多可达20余个，但常用的是4、6、8、10、12和16工位6种。工位数越多，刀间夹角越小，非加工位置刀具与工件相碰而产生干涉的可能性越大。在刀架布刀时要给予考虑，避免发生干涉现象。一般情况下，回转刀架的换刀动作包括刀架抬起、刀架转位及刀架压紧等。

回转刀架在结构上必须具有良好的强度和刚度，以承受粗加工时切削抗力和减小刀架在切削力作用下的位移变形，提高加工精度。回转刀架还要选择可靠的定位方案和定位结构，以保证回转刀架在每次转位之后具有高的重复定位精度。

② 转塔头式换刀。

在带有旋转刀具的数控镗铣床中，更换主轴头换刀是一种比较简单的换刀方式。这种主轴转塔头实际上就是一个转塔刀库，如图2.11所示，它有卧式和立式两种。通常用转塔的转位来更换主轴头，以实现自动换刀。在转塔的各个主轴头上，预先安装有各工序所需要的旋转刀具，当发出换刀指令时，各主轴头依次转到加工位置，并接通主运动，使相应的主轴头带动刀具旋转。而其他处于非加工位置上的主轴头都与主运动脱开。

图2.11　数控镗铣床的转塔头式换刀结构

这种换刀装置的优点在于省去了自动松、夹、卸刀、装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，并提高了换刀的可靠性。但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。由于这些结构上的原因，因此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。

（2）刀库式自动换刀装置。

刀库式自动换刀装置是由刀库和刀具交换机构组成，目前它是多工序数控机床上应用最广泛的换刀方法。刀库用来储存刀具，刀库可装在主轴箱上、工作台上或装在机床的其他部件上。选刀时，刀具交换机构根据数控指令从刀库中选出所指定的刀具，然后从刀库和主轴（或刀架）取出刀具，并进行交换；将新刀装入主轴（或刀架），把用过的旧刀放回刀库。在具有刀库的加工中心上，换刀方式又分为有机械手换刀和无机械手换刀两类。(www.xing528.com)

① 无机械手的换刀系统。

换刀系统要实现的是刀库和主轴之间的刀具自动交换，即当加工中心运行中，需要某一刀具进行切削加工时，要把该刀具自动地从刀库交换到主轴上，切削完毕又将用过的切削刀具从主轴自动归还刀库。在无机械手换刀系统中，是通过刀库与主轴箱的相对运动来实现换刀。这就要求把刀库安置在主轴箱可以运动到的位置，或者整个刀库、某一刀位移动到主轴箱可达到的位置。刀库中刀具指向与主轴上装刀后刀具指向必须一致，在进行换刀时主轴运动到刀库的换刀位置，利用刀库动作对主轴进行刀具的装卸交换。无机械手换刀系统优点是结构简单，换刀可靠；缺点是刀库容量不大，换刀时间长。这种系统适合中小型加工中心采用。

② 有机械手的换刀系统。

有机械手的换刀系统是由刀库、机械手（有的加工中心还有运刀装置）配合共同完成刀具自动交换，也是在加工中心上用得最为普遍的换刀方式，比无机械手的换刀系统更灵活，其换刀时间可缩短到2 s以下。在诸多形式刀库中，盘式刀库用得最为普遍，其次为链式刀库。如图2.12（a）所示为可装24把刀的带机械手的盘式刀库，图2.12（b）所示为可装32把刀的带机械手的链式刀库。

2.数控机床回转工作台

为了提高数控机床的生产效率，扩大工艺范围，数控机床除了X、Y和Z三个坐标轴的直线运动之外，往往还需要X、Y和Z三个坐标轴的圆周运动。数控机床回转工作台是完成以上任务的重要执行机械部件，其类型结构多样。如图2.13（a）所示数控分度工作台和如图2.13（b）所示回转工作台是各类数控机床、加工中心最常用的工作台装置，可分别以垂直或水平两种方式安装于机床床身上，与自动换刀装置配合使用，增强了数控机床加工的高效率、高精度、高柔性。

图2.12　加工中心常见刀库

图2.13　数控回转工作台

（1）数控分度工作台。

数控分度工作台功能是将工件转位换面，实现工件一次安装能完成几个面的多种工序。但数控分度工作台只能完成分度运动，不能实现圆周进给。它按照控制装置的信号或指令在数控机床需要分度时将工作台连同工件一起回转一定的角度。分度工作台一般只能回转规定的角度（如90°、60°和45°等）。

（2）数控回转工作台。

数控回转工作台主要用于闭环或半闭环的数控机床，特别是高性能的加工中心，例如数控镗铣加工中心。数控回转工作台外形和分度工作台几乎一样，但它采用伺服系统的驱动方式。它既可以完成工作台抬起、分度转位和定位锁紧，也可以完成工件的进给运动，或者与其他伺服进给轴联动完成工件的复杂切削运动。数控回转工作台按照数控装置的信号或指令做回转分度或连续回转进给运动，以使数控机床特别是数控加工中心能完成指定的加工工序，满足数控机床高效率和高精度的工作要求。