項目9　數(shù)控機床機械結(jié)構(gòu)故障診斷與維修

知識目標(biāo)

1.能夠掌握數(shù)控機床常見機械故障的類型；

2.了解數(shù)控機床典型部件的機械結(jié)構(gòu)；

3.了解數(shù)控機床的液壓傳動系統(tǒng)；

4.掌握數(shù)控機床機械故障的診斷方法。

技能目標(biāo)

1.能夠?qū)?shù)控機床的常見機械故障進行診斷；

2.能夠找到數(shù)控機床機械故障的原因，并排除。

任務(wù)1　數(shù)控機床主軸部件的故障診斷與維修

數(shù)控機床加工工件時，時常出現(xiàn)切削振動大、主軸箱噪聲大、主軸發(fā)熱等現(xiàn)象。切削振動過大，直接影響到所加工零件的尺寸精度與表面粗糙度；而主軸箱噪聲大會產(chǎn)生噪聲污染，影響操作工人的身體健康；主軸發(fā)熱會使得切削加工區(qū)域溫度升高，改變刀具與工件的機械性能，降低所加工零件的尺寸精度與表面粗糙度。引起這些故障的原因均是因為主軸部件的安裝誤差或工作時的損耗造成的。要解決這一類故障，必須熟悉數(shù)控機床的主傳動系統(tǒng)及主軸部件，找到故障產(chǎn)生的部位。

子任務(wù)1　數(shù)控銑床開機后主軸不轉(zhuǎn)

◎任務(wù)提出

在生產(chǎn)加工中，某臺數(shù)控銑床開機后主軸不轉(zhuǎn)，不能工作。試分析原因，排除故障。

◎任務(wù)目標(biāo)

1.掌握不同類型數(shù)控機床主傳動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點；

2.掌握不同類型數(shù)控機床的主軸部件。

◎相關(guān)知識

主傳動系統(tǒng)將動力傳遞給主軸，保證系統(tǒng)具有切削所需要的轉(zhuǎn)矩和速度。由于數(shù)控機床具有更高的切削性能要求，因而要求數(shù)控機床的主軸部件具有更高的回轉(zhuǎn)精度，更好的結(jié)構(gòu)剛度和抗振性能。

一、數(shù)控銑床主傳動系統(tǒng)的變速方式

數(shù)控銑床主傳動系統(tǒng)，是指將主軸電動機的原動力通過該傳動系統(tǒng)變成可供切削加工用的切削力矩和切削速度。為了適應(yīng)各種不同材料的加工及各種不同的加工方法，要求數(shù)控銑床的主傳動系統(tǒng)要有較寬的轉(zhuǎn)速范圍及相應(yīng)的輸出轉(zhuǎn)矩。此外，由于主軸部件直接裝夾刀具來對工件進行切削，因而對加工質(zhì)量（包括加工粗糙度）及刀具壽命有很大的影響，所以對主傳動系統(tǒng)的要求是很高的。為了能高效率地加工出高精度、低粗糙度的工件，必須要有一個具有良好性能的主傳動系統(tǒng)和一個具有高精度、高剛度、振動小、熱變形及噪聲均能滿足需要的主軸部件。

數(shù)控銑床的主傳動系統(tǒng)一般采用直流或交流主軸電動機，通過帶傳動和主軸箱的變速齒輪帶動主軸旋轉(zhuǎn)。由于這種電動機調(diào)速范圍廣，又可無級調(diào)速，使得主軸箱的結(jié)構(gòu)大為簡化。主軸電動機在額定轉(zhuǎn)速時輸出全部功率和最大轉(zhuǎn)矩，隨著轉(zhuǎn)速的變化功率和轉(zhuǎn)矩將發(fā)生變化。在調(diào)壓范圍內(nèi)（從額定轉(zhuǎn)速調(diào)到最低轉(zhuǎn)速）為恒轉(zhuǎn)矩，功率隨轉(zhuǎn)速成正比例下降；在調(diào)速范圍內(nèi)（從額定轉(zhuǎn)速調(diào)到最高轉(zhuǎn)速）為恒功率，轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)速升高成正比例減小。這種變化規(guī)律是符合正常加工要求的，即低速切削所需轉(zhuǎn)矩大，高速切削消耗功率大。同時也可以看出電動機的有效轉(zhuǎn)速范圍并不一定能完全滿足主軸的工作需要，所以主軸箱一般仍需要設(shè)置幾擋變速（2～4擋）。機械變擋一般采用液壓缸推動滑移齒輪實現(xiàn)，這種方法結(jié)構(gòu)簡單，性能可靠，一次變速只需1 s。有些小型的或者調(diào)速范圍不需太大的數(shù)控銑床，也常采用由電動機直接帶動主軸或用帶傳動使主軸旋轉(zhuǎn)。

為了滿足主傳動系統(tǒng)的高精度、高剛度和低噪聲的要求，主軸箱的傳動齒輪都要經(jīng)過高速滑移齒輪（一般都用花鍵傳動），采用內(nèi)徑定心。側(cè)面定心的花鍵對降低噪聲更為有利，因為這種定心方式傳動間隙小，接觸面大，但加工需要專門的刀具和花鍵磨床。帶傳動容易產(chǎn)生振動，在傳動帶長度不一致的情況下更為嚴(yán)重。因此，在選擇傳送帶時，應(yīng)盡可能縮短帶的長度。如因結(jié)構(gòu)限制，帶長度無法縮短時，可增設(shè)壓緊輪，將帶張緊，以減少振動。

數(shù)控銑床的主傳動系統(tǒng)要求具有較寬的轉(zhuǎn)速范圍及相應(yīng)的輸出轉(zhuǎn)矩。由于主軸部件直接裝夾刀具對工件進行加工，因此對加工質(zhì)量及刀具壽命有很大的影響，所以對主傳動系統(tǒng)的要求很高。為了滿足加工需要，必須要有一個良好性能的主傳動系統(tǒng)和一個具有高精度、高剛度、振動小、熱變形小及噪聲均能滿足要求的主軸部件。數(shù)控銑床一般采用直流或交流主軸電動機，通過帶傳動和主軸箱的變速齒輪帶動主軸旋轉(zhuǎn)。為了適應(yīng)不同的加工要求，目前主傳動系統(tǒng)大致可分為3種。

1.二級以上變速的主傳動系統(tǒng)

圖9. 1（a）所示是使用滑移齒輪實現(xiàn)二級變速的主傳動系統(tǒng)，滑移齒輪的移位大都采用液壓缸和撥叉或直接由液壓缸帶動齒輪來實現(xiàn)。因數(shù)控銑床使用可調(diào)無級變速交流、直流電動機，所以經(jīng)齒輪變速后，實現(xiàn)分段無級變速，調(diào)速范圍增加。其優(yōu)點是能夠滿足各種切削運動的轉(zhuǎn)矩輸出，且具有大范圍調(diào)節(jié)速度的能力。但由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜，需要增加潤滑及溫度控制裝置，成本較高，此外制造和維修也比較困難。圖9. 1（a）所示是一種典型的二級齒輪變速主軸結(jié)構(gòu)。這種配置方式大、中型數(shù)控機床采用較多。它通過少數(shù)幾對齒輪降速，使之成為分段無級變速，確保低速時的轉(zhuǎn)矩，以滿足主軸輸出轉(zhuǎn)矩特性的要求。但有一小部分?jǐn)?shù)控機床也采用這種傳動方式，以獲得強力切削時所需要的轉(zhuǎn)矩?；讫X輪的位移大都采用液壓撥叉或直接由液壓缸帶動齒輪來實現(xiàn)。

圖9.1　數(shù)控銑床主軸傳動系統(tǒng)分類

2.一級變速器的主傳動系統(tǒng)

如圖9. 1（b）所示，其優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，安裝調(diào)試方便，且在一定條件下滿足轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩的輸出要求。但系統(tǒng)的調(diào)速范圍與電動機一樣，受電動機調(diào)速范圍的約束。這種傳動方式可以避免齒輪傳動時引起的振動與噪聲，適用于低轉(zhuǎn)矩特性要求的主軸。

這種變速方式主要應(yīng)用在小型數(shù)控機床上，可以避免齒輪傳動時引起的振動和噪聲，但它只能適用于低轉(zhuǎn)矩特性要求的主軸。同步帶傳動是一種綜合了帶、鏈傳動優(yōu)點的新型傳動。帶的工作面及帶輪外圓上均制成齒形，通過帶輪與輪齒相嵌合，作無滑動的嚙合傳動。帶內(nèi)采用了承載后無彈性伸長的材料作強力層，以保持帶的節(jié)距不變，使主、從動帶輪可作無相對滑動的同步傳動，與一般帶傳動相比，同步傳動具有如下優(yōu)點：無滑動，傳動比準(zhǔn)確；傳動效率高，可達98%以上；傳動平穩(wěn)，噪聲小；使用范圍較廣；速度可達50 m/ s，速比可達10左右，傳遞功率由幾瓦至數(shù)千瓦；維修保養(yǎng)方便，不需要潤滑。

3.調(diào)速電動機直接驅(qū)動的主傳動系統(tǒng)

如圖9. 1（c）所示，其優(yōu)點是結(jié)構(gòu)緊湊，占用空間少，轉(zhuǎn)換頻率高。但是主軸轉(zhuǎn)速的變化及轉(zhuǎn)矩的輸出和電動機的輸出特性完全一致，因而使用受到限制。

將調(diào)速電動機與主軸合成一塊（電動機轉(zhuǎn)子軸即為機床主軸），這是近年來新出現(xiàn)的一種結(jié)構(gòu)。這種變速方式大大簡化了主軸箱體與主軸的結(jié)構(gòu)，有效地提高了主軸部件的剛度，但主軸輸出轉(zhuǎn)矩小，電動機發(fā)熱對主軸精度影響較大。從直流主軸電動機的速度與轉(zhuǎn)矩關(guān)系中可以看出，在低于額定轉(zhuǎn)速時為恒轉(zhuǎn)矩輸出，高于額定轉(zhuǎn)矩時為恒功率輸出，使用這種電動機可實現(xiàn)純電氣定向，而且主軸的控制功能可以很容易與數(shù)控系統(tǒng)相連接并實現(xiàn)修調(diào)輸入、速度和負(fù)載測量輸出等。

二、數(shù)控銑床主軸部件的支撐

主軸支撐分徑向和推力（軸向）支撐。角接觸軸承兼起徑向和推力支撐的作用。推力支撐應(yīng)位于前支撐內(nèi)，因為數(shù)控機床的坐標(biāo)原點常設(shè)定在主軸前端。為了減少熱膨脹造成的坐標(biāo)原點位移，應(yīng)盡量縮短坐標(biāo)原點至推力支撐之間的距離。主軸上的切削力是通過支撐裝置而傳遞給機床基礎(chǔ)件的，主軸部件支撐裝置的作用是在刀具或工件作回轉(zhuǎn)運動時承受切削力，同時保證主軸運動精度，為了保證加工精度，必須保證其旋轉(zhuǎn)精度和相應(yīng)的承載能力，即有足夠的軸向和徑向剛度。

主軸軸承，主要應(yīng)根據(jù)精度、剛度和轉(zhuǎn)速來選擇。為了提高精度和剛度，主軸軸承的間隙應(yīng)該是可調(diào)的。線接觸的滾子軸承比點接觸的球軸承剛度高，但在一定溫升下允許的轉(zhuǎn)速較低。根據(jù)數(shù)控機床的規(guī)格、精度采用不同的主軸軸承。一般中小規(guī)格數(shù)控機床的主軸部件多采用成組高精度滾動軸承，重型數(shù)控機床則采用液體靜壓軸承，高速主軸常采用氮化硅材料的陶瓷滾動軸承。

數(shù)控機床的主軸軸承主要有3種配置形式，如圖9. 2所示。

圖9.2　數(shù)控機床主軸軸承配置形式

圖9. 2（a）所示為前后支撐采用不同軸承的配置形式，即前支撐采用雙列短圓柱滾子軸承和60°角接觸雙列向心推力球軸承。這種配置形式能使主軸獲得較大的徑向和軸向剛度，滿足機床強力切削的要求，所以目前各類數(shù)控機床的主軸普遍采用這種配置形式。

圖9. 2（b）所示為采用高精度雙列向心推力球軸承的配置形式，前軸承采用高精度雙列向心推力球軸承，后支撐采用單列角接觸球軸承。向心推力球軸承高速時性能良好，主軸最高轉(zhuǎn)速可達4 000 r/ min，但是它的承載能力小，因而適用于高速、輕載和精密的數(shù)控機床主軸。

圖9. 2（c）所示為前后軸承分別采用雙列和單列圓錐滾子軸承的配置形式，這種軸承徑向和軸向剛度高，能承受重載荷，尤其能承受較大的動載荷，安裝和調(diào)試性能好，但這種軸承配置形式限制了主軸的最高轉(zhuǎn)速和精度，故適用于中等精度、低速、重載的數(shù)控機床主軸。

三、主軸部件的日常保養(yǎng)

主軸部件是數(shù)控機床機械部分中的重要組成部件，主要由主軸、軸承、主軸準(zhǔn)停裝置、自動裝夾和切屑清除裝置組成。

數(shù)控機床主軸部件的潤滑、冷卻與密封是機床使用和維護過程中值得重視的幾個問題：

①良好的潤滑效果，可以降低軸承的工作溫度和延長使用壽命；為此，在操作使用中要注意：低速時，采用油脂、油液循環(huán)潤滑；高速時，采用油霧、油氣潤滑方式。但是，在采用油脂潤滑時，主軸軸承的封入量通常為軸承空間容積的10%，切忌隨意填滿，因為油脂過多，會加劇主軸發(fā)熱。對于油液循環(huán)潤滑，在操作使用中要做到每天檢查主軸潤滑恒溫油箱，看油量是否充足，如果油量不夠，則應(yīng)及時添加潤滑油；同時要注意檢查潤滑油溫度范圍是否合適。

為了保證數(shù)控機床主軸有良好的潤滑，減少摩擦發(fā)熱，同時又能把主軸組件的熱量帶走，通常采用循環(huán)式潤滑系統(tǒng)，用液壓泵強力供油潤滑，使用油溫控制器控制油箱油液溫度。高檔數(shù)控機床主軸軸承采用了高級油脂封存方式潤滑，每加一次油脂可以使用7～10年。新型的潤滑冷卻方式不單要減少軸承溫升，還要減少軸承內(nèi)外圈的溫差，以保證主軸熱變形小。

常見主軸潤滑方式有兩種，油氣潤滑方式近似于油霧潤滑方式，但油霧潤滑方式是連續(xù)供給油霧，而油氣潤滑則是定時定量地把油霧送進軸承空隙中，這樣既實現(xiàn)了油霧潤滑，又避免了油霧太多而污染周圍空氣。噴注潤滑方式是用較大流量的恒溫油（每個軸承3～4 L/ min）噴注到主軸軸承，以達到潤滑、冷卻的目的。這里較大流量噴注的油必須靠排油泵強制排油，而不是自然回流。同時，還要采用專用的大容量高精度恒溫油箱，油溫變動控制在±0. 5℃。

②主軸部件的冷卻主要是以減少軸承發(fā)熱，有效控制熱源為主。

③主軸部件的密封則不僅要防止灰塵、屑末和切削液進入主軸部件，還要防止?jié)櫥偷男孤?。主軸部件的密封有接觸式和非接觸式密封。對于采用油氈圈和耐油橡膠密封圈的接觸式密封，要注意檢查其老化和破損；對于非接觸式密封，為了防止泄漏，重要的是保證回油能夠盡快排掉，要保證回流孔的通暢。

◎任務(wù)實施

基本任務(wù)　數(shù)控銑床開機后主軸不轉(zhuǎn)

參考設(shè)備說明書，發(fā)現(xiàn)該數(shù)控銑床采用三相交流變頻電動機驅(qū)動，由V帶傳動、調(diào)速，主軸由滾動軸承支撐。主軸不轉(zhuǎn)的原因一般有電動機損壞、傳動鍵損壞、V帶松動、制動器損壞、軸承損壞等，需對以上部件進行逐一診斷排查。按照傳動的先后順序，從電動機開始進行檢查。具體實施過程是：打開機床主軸箱，在斷電狀態(tài)下，檢查電動機各項參數(shù)正常；檢查傳動鍵，發(fā)現(xiàn)并沒有損壞；拆下傳動軸觀察軸承，發(fā)現(xiàn)軸承缺乏潤滑油而損壞，將其拆下更換，用手盤轉(zhuǎn)動主軸正常。故故障原因是支撐主軸的軸承損壞導(dǎo)致主軸不轉(zhuǎn)。

◎任務(wù)擴展

故障現(xiàn)象：在生產(chǎn)加工中，某臺數(shù)控車床開機后主軸不轉(zhuǎn)，不能工作。試分析原因，排除故障。

故障分析：數(shù)控車床的主傳動系統(tǒng)一般采用交流主軸電動機，通過帶傳動或主軸箱內(nèi)2～4級齒輪變速傳動主軸。由于這種電動機調(diào)速范圍寬而且又可無級調(diào)速，因此大大地簡化了主軸箱結(jié)構(gòu)。主軸電動機在額定轉(zhuǎn)速時可輸出全部功率和最大轉(zhuǎn)矩，隨著轉(zhuǎn)速的變化，功率和轉(zhuǎn)矩將發(fā)生變化；也有的主軸由交流調(diào)速電動機通過兩級塔輪直接帶動，并由電氣系統(tǒng)無級調(diào)速。由于主傳動鏈中沒有齒輪，故噪聲很小。

圖9. 3所示為CK7815型數(shù)控車床的主軸箱展開圖。電動機通過帶輪1，2和三聯(lián)V帶帶動主軸。

傳動主軸的帶形式主要有同步齒形帶、多楔帶（即多聯(lián)V帶）。采用同步齒形帶傳動時，齒形帶兼有帶傳動、齒輪傳動及鏈傳動的優(yōu)點，無相對滑動，無需特別張緊，傳動效率高；平均傳動比準(zhǔn)確，傳動精度較高；有良好的減振性能，無噪聲，無需潤滑，傳動平穩(wěn)；帶的強度高、厚度小、質(zhì)量小、故可用于高速傳動。采用多楔帶傳動時，多楔帶綜合了V帶和平帶的優(yōu)點，是一次成形的，不會因長度不一致而受力不均，承載能力也比多根V帶高，最高線速度可達40 m/ min。

圖9.3　CK7815型數(shù)控車床主軸箱

1、2—帶輪；3、7、11—螺母；4—脈沖發(fā)生器；5—螺釘；6—支架；8、10—鎖緊螺母；9—主軸

故障維修：打開機床主軸箱，在斷電狀態(tài)下，檢查電動機運行良好；檢查傳動鍵，發(fā)現(xiàn)機床主軸與V帶帶輪間的傳動鍵松動，重新安裝好，主軸正常運行，故障排除。

子任務(wù)2　加工中心刀具無法夾緊或松開

◎任務(wù)提出

加工中心區(qū)別于普通數(shù)控機床的最顯著的特點就是多工序集中加工，主傳動系統(tǒng)所具備的自動換刀功能正是實現(xiàn)這一目的的執(zhí)行機構(gòu)。在加工中心的加工過程中有時會出現(xiàn)刀具無法夾緊或松開的故障，此時，加工過程被迫中止，影響加工效率。為解決這一類故障的發(fā)生，需要掌握主軸準(zhǔn)停裝置與刀具自動夾緊機構(gòu)的機械結(jié)構(gòu)及特點，運用故障診斷方法逐級檢查，排除故障。

◎任務(wù)目標(biāo)

1.掌握加工中心主軸準(zhǔn)停裝置的機械特點；

2.掌握加工中心刀具自動夾緊機構(gòu)；

3.能夠判斷換刀故障的發(fā)生部位。

◎相關(guān)知識

一、加工中心的主軸部件

圖9. 4為JCS-018A主軸箱結(jié)構(gòu)簡圖。如圖所示，1為主軸，主軸的前支承4配置了3個高精度的角接觸球軸承，用以承受徑向載荷和軸向載荷，前兩個軸承大口朝下，后面1個軸承大口朝上。前支承按預(yù)加載荷計算的預(yù)緊量由螺母5來調(diào)整。后支承6為一對小口相對配置的角接觸球軸承，他們只承受徑向載荷，因此軸承外圈不需要定位。該主軸選擇的軸承類型和配置形式，滿足主軸高轉(zhuǎn)速和承受較大軸向載荷的要求。主軸受熱變形向后伸長，不影響加工精度。

圖9.4　JCS-018A主軸箱結(jié)構(gòu)簡圖

1—主軸；2—拉釘；3—鋼球；4、6—角接觸球軸承；5—預(yù)緊螺母；7—拉桿；8—碟形彈簧；9—圓柱螺旋彈簧；10—活塞；11—液壓缸

二、刀具的自動夾緊機構(gòu)

加工中心具有更高的加工效率、更寬的使用范圍和更高的加工精度，它的主軸系統(tǒng)要滿足更高的要求。加工中心主軸系統(tǒng)必須具有更大的調(diào)速范圍并實現(xiàn)無級變速，而且具有較高的精度與剛度，傳動平穩(wěn)，噪聲低，才能滿足其加工工藝的需要，獲得更高的生產(chǎn)率、加工精度和表面質(zhì)量。加工中心在工作時，會使主軸產(chǎn)生振動，影響加工精度和表面質(zhì)量，為此，主軸組件要有較高的固有頻率，保持合適的配合間隙并進行循環(huán)潤滑等，即具有良好的抗振性和熱穩(wěn)定性；為保證加工過程連續(xù)實施，加工中心主軸系統(tǒng)與其他主軸系統(tǒng)相比，必須具有自動換刀功能。

如圖9. 4所示，主軸內(nèi)部和后端安裝的是刀具自動夾緊機構(gòu)，主要由拉桿7、拉桿端部的4個鋼球3、碟形彈簧8、活塞10、液壓缸11等組成。機床執(zhí)行換刀指令，機械手從主軸拔刀時，主軸需松開道具。這時液壓缸上腔通壓力油，活塞推動拉桿向下移動，使蝶形彈簧壓縮，鋼球進入主軸錐孔上端的槽內(nèi)，刀柄尾部的拉釘2被松開，機械手拔刀。之后，壓縮空氣進入活塞和拉桿的中孔，吹凈主軸錐孔，為裝入新刀具做好準(zhǔn)備。當(dāng)機械手將下一把刀具插入主軸后，液壓缸上腔無油壓，在蝶形彈簧和彈簧9的恢復(fù)力作用下，使拉桿、鋼球和活塞退回到圖示的位置，即蝶形彈簧通過拉桿和鋼球拉緊刀柄尾部的拉釘，使刀具被夾緊。

主軸前端鋼球與拉釘?shù)慕Y(jié)構(gòu)關(guān)系如圖9. 5所示。

圖9.5　加工中心主軸與刀柄連接圖

圖9.6　機械式主軸準(zhǔn)停裝置

1—無觸點開關(guān)；2—感應(yīng)塊；3—凸輪定位盤；4—定位液壓缸；5—定向滾輪；6—定位活塞

三、加工中心主軸準(zhǔn)停裝置

機床的切削轉(zhuǎn)矩由主軸上的端面鍵來傳遞，每次機械手自動裝取刀具時，必須保證刀柄上的鍵槽對準(zhǔn)主軸的端面鍵，這就要求主軸具有準(zhǔn)確定位的功能。為滿足主軸這一功能而設(shè)計的裝置稱為主軸準(zhǔn)停裝置或稱為主軸定向裝置。主軸準(zhǔn)停的另一原因是便于在鏜完內(nèi)孔后能正確地退刀。主軸準(zhǔn)停裝置分機械式和電氣式兩種。

圖9. 6所示機械準(zhǔn)停裝置的工作原理如下：準(zhǔn)停前主軸必須是處于停止?fàn)顟B(tài)，當(dāng)接收到主軸準(zhǔn)停指令后，主軸電動機以低速轉(zhuǎn)動，主軸箱內(nèi)齒輪換擋使主軸以低速旋轉(zhuǎn)，時間繼電器開始動作，并延時4至6 s，保證主軸轉(zhuǎn)穩(wěn)后接通無觸點開關(guān)1的電源，當(dāng)主軸轉(zhuǎn)到圖示位置即凸輪定位盤3上的感應(yīng)塊2與無觸點開關(guān)1相接觸后發(fā)出信號，使主軸電動機停轉(zhuǎn)。另一延時繼電器延時0. 2至0. 4 s后，壓力油進入定位液壓缸下腔，使定向活塞向左移動，當(dāng)定向活塞上的定向滾輪5頂入凸輪定位盤的凹槽內(nèi)時，行程開關(guān)LS2發(fā)出信號，主軸準(zhǔn)停完成。若延時繼電器延時1 s后行程開關(guān)LS2仍不發(fā)信號，說明準(zhǔn)停沒完成，需使定向活塞6后退，重新準(zhǔn)停。當(dāng)活塞桿向右移到位時，行程開關(guān)LSl發(fā)出滾輪5退出凸輪定位盤凹槽的信號，此時主軸可啟動工作。

圖9.7　電氣式主軸準(zhǔn)停裝置

1—主軸；2—同步感應(yīng)器；3—主軸電動機；4—永久磁鐵；5—磁傳感器

機械準(zhǔn)停裝置比較準(zhǔn)確可靠，但結(jié)構(gòu)較復(fù)雜?，F(xiàn)代的數(shù)控銑床一般都采用電氣式主軸準(zhǔn)停裝置，只要數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出指令信號主軸就可以準(zhǔn)確地定向。如常用磁力傳感器檢測定向的電氣式主軸準(zhǔn)停裝置，其工作原理如圖9. 7所示，在主軸上安裝有一個永久磁鐵4與主軸一起旋轉(zhuǎn)，在距離永久磁鐵4旋轉(zhuǎn)軌跡外1至2 mm處固定有一個磁傳感器5，當(dāng)銑床主軸需要停車換刀時，數(shù)控裝置發(fā)出主軸停轉(zhuǎn)的指令，主軸電動機3立即降速，使主軸以很低的轉(zhuǎn)速回轉(zhuǎn)，當(dāng)永久磁鐵4對準(zhǔn)磁傳感器5時，磁傳感器發(fā)出準(zhǔn)停信號，此信號經(jīng)放大后，由定向電路使電動機準(zhǔn)確地停止在規(guī)定的周向位置上。這種準(zhǔn)停裝置機械結(jié)構(gòu)簡單，發(fā)磁體與磁感傳感器間沒有接觸摩擦，準(zhǔn)停的定位精度可達±1°，能滿足一般換刀要求。而且定向時間短，可靠性較高。

四、加工中心自動換刀裝置的液壓傳動系統(tǒng)

液壓系統(tǒng)傳動功率大、效率高、運行安全可靠，一般在要求力或力矩較大的情況下采用液壓傳動。在加工中心上主要實現(xiàn)鏈?zhǔn)降稁斓牡舵滘?qū)動、上下移動的主軸箱的配重、刀具的安裝和主軸高低速的轉(zhuǎn)換等輔助動作的完成。圖9. 8為VP1050加工中心的液壓系統(tǒng)工作原理圖。整個液壓系統(tǒng)采用變量葉片泵為系統(tǒng)提供壓力油，并在泵后設(shè)置止回閥2用于減小系統(tǒng)斷電或其他故障造成的液壓泵壓力突然降低而對系統(tǒng)的影響，避免機械部件的沖擊損壞。壓力開關(guān)TK1用以檢測液壓系統(tǒng)的狀態(tài)，如壓力達到預(yù)定值，則發(fā)出液壓系統(tǒng)壓力正常的信號，該信號作為CNC系統(tǒng)開啟后PLC高級報警程序自檢的首要檢測對象。如YK1無信號，PLC自檢發(fā)出報警信號，整個數(shù)控系統(tǒng)的動作將全部停止。

圖9.8　VP1050加工中心的液壓系統(tǒng)工作原理圖

LS1、LS2、LS3、LS4—行程開關(guān)；1—液壓泵；2、9—止回閥；3、6—壓力開關(guān)；4—液壓馬達；5—配重液壓缸；7、16—減壓閥；8、11、15—換向閥；10—松刀缸；12—變速液壓缸；13、14—單向節(jié)流閥

VP1050加工中心的液壓系統(tǒng)包括刀鏈驅(qū)動支路、主軸箱配重支路、松刀缸支路及高低速轉(zhuǎn)換支路。

1.刀鏈驅(qū)動支路

VP1050加工中心配備24刀位的鏈?zhǔn)降稁?，為?jié)省換刀時間，選刀采用就近原則。在換刀時，由雙向液壓馬達4拖動刀鏈?zhǔn)顾x刀位移動到機械手抓刀位置。液壓馬達的轉(zhuǎn)向控制由雙電控三位電磁閥HF1完成，具體轉(zhuǎn)向由CNC進行運算后，發(fā)信號給PLC控制HF1，用HF1不同的得電方式對液壓馬達4進行不同轉(zhuǎn)向的控制。刀鏈不需驅(qū)動時，HF1失電，處于中位截止?fàn)顟B(tài)，液壓馬達4停止。刀鏈到位信號由感應(yīng)開關(guān)發(fā)出。

2.主軸箱配重支路

VP1050加工中心Z軸進給是由主軸箱做上下移動實現(xiàn)的，為消除主軸箱自重對Z軸伺服電動機驅(qū)動Z向移動的精度和控制的影響，機床采用兩個液壓缸進行配重。主軸箱向上移動時，高壓油通過止回閥9和直動型減壓閥7向配重缸下腔供油，產(chǎn)生向上的配重力；當(dāng)主軸箱向下移動時，液壓缸下腔高壓油通過減壓閥7進行適當(dāng)減壓。壓力開關(guān)YK2用于檢測配重支路的工作狀態(tài)。

3.松刀缸支路

VP1050加工中心采用BT40型刀柄使刀具與主軸連接。為了能夠可靠地夾緊與快速地更換刀具，采用蝶形彈簧拉緊機構(gòu)使刀柄與主軸連接為一體，采用液壓缸使刀柄與主軸脫開。機床在不換刀時，單電控兩位四通電磁換向閥HF2失電，控制高壓油進入松刀缸10下腔，松刀缸10的活塞始終處于上位狀態(tài)，感應(yīng)開關(guān)LS2檢測松刀缸上位信號；當(dāng)主軸需要換刀時，通過手動或自動操作使單電控兩位四通電磁閥HF2得電換位，松刀缸10上腔通入高壓油，活塞下移，使主軸抓刀爪松開刀柄拉釘，刀柄脫離主軸，松刀缸運動到位后感應(yīng)開關(guān)LS1發(fā)出到位信號并提供給PLC使用，協(xié)調(diào)刀庫、機械手等其他機構(gòu)完成換刀操作。

4.高低速轉(zhuǎn)換支路

VP1050主軸傳動鏈中，通過一級雙聯(lián)滑移齒輪進行高低速轉(zhuǎn)換。在由高速向低速轉(zhuǎn)換時，主軸電動機接收到數(shù)控系統(tǒng)的調(diào)速信號后，減低電動機的轉(zhuǎn)速到額定值，然后進行齒輪滑移，完成高低速的轉(zhuǎn)換。在液壓系統(tǒng)中該支路采用雙電控三位四通電磁閥HF3控制液壓油的流向，變速液壓缸12通過推動撥叉控制主軸變速箱交換齒輪的位置，來實現(xiàn)主軸高低速的自動轉(zhuǎn)換。高速、低速齒輪位置信號分別由感應(yīng)開關(guān)LS3、LS4向PLC發(fā)送。

當(dāng)機床停機或控制系統(tǒng)有故障時，液壓系統(tǒng)通過雙電控三位四通電磁閥HF3使變速齒輪處于原工作位置，避免高速運轉(zhuǎn)的主軸傳動系統(tǒng)產(chǎn)生硬件沖擊損壞。單向節(jié)流閥DJ2、DJ3用以控制液壓缸的速度，避免齒輪換位時的沖擊振動。減壓閥16用于調(diào)節(jié)變速液壓缸12的工作壓力。

◎任務(wù)實施

基本任務(wù)　加工中心刀具無法夾緊或松開

刀具無法夾緊或松開，是指刀具夾不緊掉刀或刀具夾緊后松不開，分析故障原因，刀具夾不緊掉刀的原因可能有：蝶形彈簧位移量較小，刀具松夾彈簧上的螺母松動，刀具超重等。刀具夾緊后松不開的原因可能有：松刀彈簧壓合過緊，液壓缸壓力和行程不夠，液壓系統(tǒng)電磁閥失靈等。

1.刀具夾不緊掉刀

打開機床主軸箱，檢查刀具松夾彈簧上的螺母是否松動，若松動，順時針旋轉(zhuǎn)松夾彈簧上的螺母，使其最大作用載荷達到要求。若沒有松動，可檢查是否為蝶形彈簧位移量小，調(diào)整蝶形彈簧行程長度進行檢測。

2.刀具夾緊后松不開

打開機床主軸箱，檢查是否為刀具松夾彈簧上的螺母壓合過緊，可逆時針旋轉(zhuǎn)松夾彈簧上的螺母，試運行機床，觀察故障是否排除。再檢查液壓缸壓力是否達到機床說明書規(guī)定的要求，若壓力達標(biāo)，可調(diào)整液壓缸活塞行程開關(guān)位置進行故障檢測。

◎任務(wù)擴展

故障現(xiàn)象：機床主軸調(diào)速上采用的是齒輪分擋加電動機無級調(diào)速，正常調(diào)速范圍是低速擋50～80 r/ min，高速擋800～4 000 r/ min。在機床運行過程中遇到了低速擋不能向高速擋轉(zhuǎn)換的故障。當(dāng)輸入換擋指令后，出現(xiàn)KA1，KA3繼電器一直振蕩的現(xiàn)象，對應(yīng)液壓系統(tǒng)中的變速液壓缸無向上推動變速齒輪的動作，并且一直保持在此動作的重復(fù)執(zhí)行中。

故障分析：根據(jù)液壓系統(tǒng)圖對應(yīng)的線路進行分析：如圖9. 9所示，在正常使用中，當(dāng)KA1，KA2，KA3均不得電時，液壓系統(tǒng)經(jīng)過KA1液壓閥左側(cè)向潤滑分油器供油。當(dāng)要求換刀時，需要KA1，KA2同時得電，油路經(jīng)過KA1右側(cè)、KA2右側(cè)，向拉刀機構(gòu)上方供油，實現(xiàn)換刀過程。當(dāng)要求高速向低速轉(zhuǎn)換時，僅僅需要KA1得電，油路經(jīng)過KA1右側(cè)、KA3左側(cè)，將變速液壓缸從上往下作用，實現(xiàn)換擋過程。當(dāng)要求低速向高速轉(zhuǎn)換時，需要KA1，KA3同時得電，油路經(jīng)過KA1右側(cè)、KA3右側(cè)，將變速液壓缸從下往上作用，實現(xiàn)換擋過程。

圖9.9　數(shù)控機床高低速轉(zhuǎn)換回路

最初分析認(rèn)為，可能是系統(tǒng)的PLC程序出現(xiàn)了故障。于是將系統(tǒng)PLC程序調(diào)出進行分析，發(fā)現(xiàn)程序完全正確。分析PLC要求KA1，KA3振蕩是為了保證變速齒輪嚙合過程的安全。如果齒輪沒有對插到正確位置，KA1，KA3長時間得電，將導(dǎo)致兩變速齒輪齒側(cè)相互擠壓，損壞機床，KA1，KA3振蕩的目的就是為了（配合低速振蕩的主軸）保證變速齒輪對插嚙合的順利進行。

經(jīng)過分析并討論：由于機床使用時間較長，液壓系統(tǒng)的響應(yīng)時間變大，在原先設(shè)定的振蕩時間內(nèi)未能產(chǎn)生足夠的壓力推動換擋齒輪變速。即在原先設(shè)定的振蕩時間0. 2 s（PLC程序內(nèi)查得）內(nèi)，KA1，KA3液壓閥得電，但變速液壓缸內(nèi)未能產(chǎn)生足夠壓力推動變速齒輪動作，振蕩時間到達后，系統(tǒng)要求KA1，KA3液壓閥失電，進行保護，液壓缸卸壓，導(dǎo)致?lián)Q擋失敗，系統(tǒng)檢測換擋未完成，要求重復(fù)以上動作，進入死循環(huán)（復(fù)位、急停鍵均不起作用，需要斷電重新啟動系統(tǒng)）。

故障維修：經(jīng)多次調(diào)試（分別取0. 25 s，0. 3 s，0. 4 s，0. 5 s，0. 6 s，…），發(fā)現(xiàn)將原先的振蕩時間0. 2 s更改為0. 4 s較合適，重新執(zhí)行換擋指令后，換刀動作恢復(fù)正常。

任務(wù)2　數(shù)控機床進給傳動部件的故障診斷與維修

機械加工的最終目的是要得到形狀與圖紙規(guī)定相一致，尺寸和表面質(zhì)量在圖紙規(guī)定范圍內(nèi)的一批合格零件。如果零件尺寸超差或者尺寸不穩(wěn)定，將造成廢品率增加，成本升高，給企業(yè)帶來經(jīng)濟損失。所以在加工過程中，需要保證機床可以持續(xù)穩(wěn)定地加工出合格的零件。影響加工零件尺寸的因素有很多，除了工藝參數(shù)方面的影響外，機床的磨損與故障也可能造成加工零件尺寸不穩(wěn)定。

◎任務(wù)提出

用數(shù)控機床加工零件的過程中發(fā)現(xiàn)時有尺寸超差零件，排除了工藝參數(shù)的原因后，對機床進行檢測，找出故障點，排除故障。

◎任務(wù)目標(biāo)

1.掌握滾珠絲杠螺母副的工作原理與結(jié)構(gòu)特點；

2.掌握主軸軸承的配置形式；

3.認(rèn)識數(shù)控機床的導(dǎo)軌副。

◎相關(guān)知識

一、數(shù)控機床進給傳動系統(tǒng)

進給傳動系統(tǒng)將實現(xiàn)工作臺的直線或旋轉(zhuǎn)運動的進給和定位，保證系統(tǒng)的運行精度和質(zhì)量。因此，要求數(shù)控機床的進給傳動系統(tǒng)具有更高的傳動精度、系統(tǒng)的穩(wěn)定性和快速響應(yīng)的能力，既要能盡快地根據(jù)控制指令要求，穩(wěn)定地達到需要的加工速度和位置精度，并盡量小地出現(xiàn)振蕩和超調(diào)現(xiàn)象。為確保傳動系統(tǒng)達到這樣的要求，對驅(qū)動裝置機械結(jié)構(gòu)總的要求是消除間隙、減少摩擦、減少運動慣量、提高部件精度和剛度。通常采用低摩擦的傳動副，如滾珠絲杠、減摩滑動導(dǎo)軌、滾動導(dǎo)軌及靜壓導(dǎo)軌等。

1.進給傳動系統(tǒng)的機械結(jié)構(gòu)

（1）進給傳動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡圖

數(shù)控銑床的進給傳動系統(tǒng)如圖9. 10所示，由伺服電機驅(qū)動，經(jīng)齒輪傳動帶動滾珠絲杠轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)工作臺的進給運動。

圖9.10　數(shù)控機床進給傳動系統(tǒng)

1—伺服電動機；2—聯(lián)軸器；3—螺母；4、6—軸承；5—絲杠

（2）對進給傳動系統(tǒng)的要求

1）調(diào)速范圍要寬

在各種數(shù)控機床中，由于加工用刀具、被加工材料、主軸轉(zhuǎn)速以及零件加工工藝要求的不同，為保證在任何情況下都能得到最佳切削條件，就要求進給驅(qū)動系統(tǒng)必須具有足夠?qū)挼臒o級調(diào)速范圍（通常大于1∶10 000）。尤其在低速（如＜0. 1 r/ min）時，要仍能平滑運動而無爬行現(xiàn)象。

脈沖當(dāng)量為1 μm/ P情況下，最先進的數(shù)控機床的進給速度從0～240 m/ min連續(xù)可調(diào)。但對于一般的數(shù)控機床，要求進給驅(qū)動系統(tǒng)在0～24 m/ min進給速度下工作就足夠了。

2）定位精度要高

使用數(shù)控機床主要是為了保證加工質(zhì)量的穩(wěn)定性、一致性，減少廢品率；解決復(fù)雜曲面零件的加工問題；解決復(fù)雜零件的加工精度問題，縮短制造周期等。數(shù)控機床是按預(yù)定的程序自動進行加工的，避免了操作者的人為誤差，但是，它不可能應(yīng)付事先沒有預(yù)料到的情況。就是說，數(shù)控機床不能像普通機床那樣，可隨時用手動操作來調(diào)整和補償各種因素對加工精度的影響。因此，要求進給驅(qū)動系統(tǒng)具有較好的靜態(tài)特性和較高的剛度，從而達到較高的定位精度，以保證機床具有較小的定位誤差與重復(fù)定位誤差（目前進給伺服系統(tǒng)的分辨率可達1 μm或0. 1 μm，甚至0. 01 μm）；同時進給驅(qū)動系統(tǒng)還要具有較好的動態(tài)性能，以保證機床具有較高的輪廓跟隨精度。

3）快速響應(yīng)，無超調(diào)

為了提高生產(chǎn)率和保證加工質(zhì)量，除了要求有較高的定位精度外，還要求有良好的快速響應(yīng)特性，即要求跟蹤指令信號的響應(yīng)要快。一方面，在啟、制動時，要求加、減加速度足夠大，以縮短進給系統(tǒng)的過渡過程時間，減小輪廓過渡誤差。一般電動機的速度從零變到最高轉(zhuǎn)速，或從最高轉(zhuǎn)速降至零的時間在200 ms以內(nèi)，甚至小于幾十ms，這就要求進給系統(tǒng)要快速響應(yīng)，但又不能超調(diào)，否則將形成過切，影響加工質(zhì)量；另一方面，當(dāng)負(fù)載突變時，要求速度的恢復(fù)時間也要短，且不能有振蕩，這樣才能得到光滑的加工表面。

4）低速大轉(zhuǎn)矩，過載能力強

數(shù)控機床要求進給驅(qū)動系統(tǒng)有非常寬的調(diào)速范圍，例如在加工曲線和曲面時，拐角位置某軸的速度會逐漸降至零。這就要求進給驅(qū)動系統(tǒng)在低速時保持恒力矩輸出，無爬行現(xiàn)象，并且具有長時間內(nèi)較強的過載能力和頻繁的啟動、反轉(zhuǎn)、制動能力。一般，伺服驅(qū)動器具有數(shù)分鐘甚至半小時內(nèi)1. 5倍以上的過載能力，在短時間內(nèi)可以過載4～6倍而不損壞。

5）可靠性高

數(shù)控機床，特別是自動生產(chǎn)線上的設(shè)備要求具有長時間連續(xù)穩(wěn)定工作的能力，同時數(shù)控機床的維護、維修也較復(fù)雜，因此，要求數(shù)控機床的進給驅(qū)動系統(tǒng)可靠性高、工作穩(wěn)定性好，具有較強的溫度、濕度、振動等環(huán)境適應(yīng)能力，具有很強的抗干擾的能力。

2.滾珠絲杠螺母副

（1）工作原理及特點

圖9.11　滾珠絲杠螺母副的工作原理

1—絲杠；2—滾道；3—螺母；4—滾珠

滾珠絲杠螺母副是回轉(zhuǎn)運動與直線運動相互轉(zhuǎn)換的傳動裝置，在數(shù)控銑床上得到了廣泛的應(yīng)用。滾珠絲杠副是由絲杠，螺母，滾珠組成的機械元件。其作用是將旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€運動，或逆向由直線運動變?yōu)樾D(zhuǎn)運動。絲杠、螺母之間用滾珠做滾動體。由于在絲杠和螺母之間放入了滾珠，使絲杠與螺母間變?yōu)闈L動摩擦，因而大大地減小了摩擦阻力，提高了傳動效率。圖9. 11為滾珠絲杠螺母副的工作原理示意圖。絲杠和螺母上均制有圓弧形面的螺旋槽，將它們裝在一起便形成了螺旋滾道，滾珠在其間既自轉(zhuǎn)又循環(huán)滾動。

滾珠絲杠螺母副的優(yōu)點：

①傳動效率高，摩擦損失小。滾珠絲杠螺母副的傳動效率η=0. 92～0. 96，可實現(xiàn)高速運動。

②運動平穩(wěn)無爬行。由于摩擦阻力小，動、靜摩擦系數(shù)之差極小，故運動平穩(wěn)，不易出現(xiàn)爬行現(xiàn)象。

③傳動精度高，反向時無空程。滾珠絲杠副經(jīng)預(yù)緊后，可消除軸向間隙。

④磨損小，精度保持性好，使用壽命長。

⑤具有運動的可逆性?？梢詫⑿D(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換成直線運動，也可將直線運動轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)運動，即絲杠和螺母均可作主動件或從動件。

滾珠絲杠螺母副的缺點：

由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜，絲杠和螺母等元件的加工精度和表面質(zhì)量要求高，故制造成本高。由于不能自鎖，特別是垂直安裝的滾珠絲杠傳動，會因部件的自重而自動下降。當(dāng)部件向下運動且切斷動力源時，由于部件的自重和慣性，不能立即停止運動，因此必須增加制動裝置。

（2）滾珠的循環(huán)方式

1）外循環(huán)

滾珠在循環(huán)過程結(jié)束后通過螺母外表面上的螺旋槽或插管返回絲杠螺母間重新進入循環(huán)，如圖9. 12所示。圖示為常見的外循環(huán)結(jié)構(gòu)形式。在螺母外圓上裝有螺旋形的插管口，其兩端插入滾珠螺母工作始末兩端孔中，以引導(dǎo)滾珠通過插管，形成滾珠的多圈循環(huán)鏈。結(jié)構(gòu)簡單，工藝性好，承載能力較高，但徑向尺寸較大。應(yīng)用最廣，也可用于重載傳動系統(tǒng)。

2）內(nèi)循環(huán)

靠螺母上安裝的反向器接通相鄰滾道，使?jié)L珠成單圈循環(huán)，如圖9. 13所示。反向器2的數(shù)目與滾珠圈數(shù)相等。結(jié)構(gòu)緊湊，剛度好，滾珠流通性好，摩擦損失小，但制造較困難。適用于高靈敏、高精度的進給系統(tǒng)，不宜用于重載傳動中。

圖9.12　外循環(huán)滾珠絲杠

圖9.13　內(nèi)循環(huán)滾珠絲杠

1—絲杠；2—反向器；3—滾珠；4—螺母

（3）滾珠絲杠螺母副軸向間隙的調(diào)整

為了保證滾珠絲杠反向傳動精度和軸向剛度，必須消除滾珠絲杠螺母副軸向間隙。消除間隙的方法常采用雙螺母結(jié)構(gòu)，利用兩個螺母的相對軸向位移，使每個螺母中的滾珠分別接觸絲杠滾道的左右兩側(cè)。用這種方法預(yù)緊消除軸向間隙時，預(yù)緊力一般應(yīng)為最大軸向負(fù)載的1/3。當(dāng)要求不太高時，預(yù)緊力可小于此值。常用的雙螺母絲杠消除間隙方法有：墊片調(diào)整式、螺紋調(diào)隙式、齒差調(diào)隙式和單螺母變位螺距預(yù)加負(fù)荷的方式。

（4）滾珠絲杠副的安裝支撐方式

數(shù)控銑床的進給系統(tǒng)要獲得較高的傳動精度，除了加強滾珠絲杠副本身的剛度外，滾珠絲杠的正確安裝及支撐結(jié)構(gòu)的剛度也是不可忽視的因素。為減少受力后的變形，螺母座應(yīng)有加強肋，增大螺母座與銑床的接觸面積，并且要連接可靠。采用高剛度的推力軸承以提高滾珠絲杠的軸向承載能力。

滾珠絲杠的支撐方式有4種，如圖9. 14所示。

圖9.14　滾珠絲杠在銑床上的支撐方式

圖9. 14（a）為僅一端裝推力軸承。這種安裝方式只適用于行程小的短絲杠，它的承載能力小，軸向剛度低，一般用于數(shù)控銑床的調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)或升降臺式銑床的垂直坐標(biāo)進給傳動結(jié)構(gòu)。

圖9. 14（b）為一端裝推力軸承，另一端裝向心球軸承。此種方式用于絲杠較長的情況，當(dāng)然變形造成絲杠伸長時，其一端固定，另一端能做微量的軸向浮動。為減少絲杠熱變形的影響，安裝時應(yīng)使電動機熱源和絲杠工作時的常用端遠(yuǎn)離止推端。

圖9. 14（c）為兩端裝推力軸承。把推力軸承裝在滾珠絲杠的兩端，并施加預(yù)緊力，可以提高軸向剛度，但這種安裝方式對絲杠的熱變形較為敏感。

圖9. 14（d）為兩端裝推力軸承及深溝球軸承。它的兩端均采用雙重支撐并施加預(yù)緊，使絲杠具有較大的剛度，這種方式還可使絲杠的溫度變形轉(zhuǎn)化為推力軸承的預(yù)緊力，但設(shè)計時要求提高推力軸承的承載能力和支架剛度。

3.導(dǎo)軌副

導(dǎo)軌副是數(shù)控機床的重要部件之一，它的作用是為了導(dǎo)向和支承，也即支承運動部件并保證其能在外力的作用下準(zhǔn)確地沿著規(guī)定的方向運動，在很大程度上決定數(shù)控機床的剛度、精度和精度保持性。導(dǎo)軌的精度以及它的性能直接影響機床的加工精度和承載能力。因此，數(shù)控機床導(dǎo)軌必須具有較高的導(dǎo)向精度、高耐磨性和良好的精度保持性，機床在高速進給時不振動、低速進給時不爬行等特性。此外，導(dǎo)軌還要結(jié)構(gòu)簡單，工藝性好，便于加工、裝配、調(diào)整和維修。目前數(shù)控機床使用的導(dǎo)軌主要有3種：塑料滑動導(dǎo)軌、滾動導(dǎo)軌和靜壓導(dǎo)軌。

（1）塑料滑動導(dǎo)軌

目前，數(shù)控機床所使用的滑動導(dǎo)軌材料為鑄鐵對塑料或鑲鋼對塑料滑動導(dǎo)軌。導(dǎo)軌塑料常用聚四氟乙烯導(dǎo)軌軟帶和環(huán)氧型耐磨導(dǎo)軌涂層兩類。

1）聚四氟乙烯導(dǎo)軌軟帶的特點

①摩擦特性好：金屬—聚四氟乙烯導(dǎo)軌軟帶的動靜摩擦因數(shù)基本不變。

②耐磨特性好：聚四氟乙烯導(dǎo)軌軟帶材料中含有青銅、二硫化銅和石墨，因此其本身即具有自潤滑作用，對潤滑油的要求不高。此外，塑料質(zhì)地較軟，即使嵌入金屬碎屑、灰塵等，也不致?lián)p傷金屬導(dǎo)軌面和軟帶本身，可延長導(dǎo)軌副的使用壽命。

③減振性好：塑料的阻尼性能好，其減振效果、消聲的性能較好，有利于提高運動速度。

④工藝性好：可降低對粘貼塑料的金屬基體的硬度和表面質(zhì)量要求，而且塑料易于加工（銑、刨、磨、刮），使導(dǎo)軌副接觸面獲得優(yōu)良的表面質(zhì)量。聚四氟乙烯導(dǎo)軌軟帶被廣泛用于中小型數(shù)控機床的運動導(dǎo)軌中。

2）環(huán)氧型耐磨涂層

環(huán)氧型耐磨涂層是以環(huán)氧樹脂和二硫化鉬為基體，加入增塑劑，混合成液狀或膏狀為一組份和固化劑為另一組分的雙組分塑料涂層。德國生產(chǎn)的SKC3和我國生產(chǎn)的HNT環(huán)氧型耐磨涂層都具有以下特點：

①良好的加工性：可經(jīng)車、銑、刨、鉆、磨削和刮削。

②良好的摩擦性。

③耐磨性好。

④使用工藝簡單。

（2）滾動導(dǎo)軌

滾動導(dǎo)軌作為滾動摩擦副的一類，具有以下特點：

①摩擦因數(shù)小（0. 003～0. 005），運動靈活。

②動、靜摩擦因數(shù)基本相同，因而啟動阻力小，而不易產(chǎn)生爬行。

③可以預(yù)緊，剛度高。

④壽命長。

⑤精度高。

⑥潤滑方便，可以采用脂潤滑，一次填裝，長期使用。

⑦由專業(yè)廠生產(chǎn)，可以外購選用。

因此滾動導(dǎo)軌副被廣泛應(yīng)用于精密機床、數(shù)控機床、測量機和測量儀器上。滾動導(dǎo)軌副的主要缺點是抗沖擊載荷的能力較差，且滾動導(dǎo)軌副對灰塵屑末等較敏感，應(yīng)有良好的防護罩。

直線滾動導(dǎo)軌主要由導(dǎo)軌體、滑塊、滾柱或滾珠、保持器、端蓋等組成。

當(dāng)滑塊與導(dǎo)軌體相對移動時，滾動體在導(dǎo)軌體和滑塊之間的圓弧直槽內(nèi)滾動，并通過端蓋內(nèi)的滾道，從工作負(fù)荷區(qū)到非工作負(fù)荷區(qū)，然后再滾動回工作負(fù)荷區(qū)，不斷循環(huán)，從而把導(dǎo)軌體和滑塊之間的移動變成滾動體的滾動。為防止灰塵和臟物進入導(dǎo)軌滾道，滑塊兩端及下部均裝有塑料密封墊，滑塊上還有潤滑油杯。最近新出現(xiàn)的一種在滑塊兩端裝有自動潤滑的滾動導(dǎo)軌，使用時無須再配潤滑裝置。

（3）液體靜壓導(dǎo)軌

液體靜壓導(dǎo)軌是將具有一定壓力的油液經(jīng)節(jié)流器輸送到導(dǎo)軌面的油腔，形成承載油膜，將相互接觸的金屬表面隔開，實現(xiàn)液體摩擦。這種導(dǎo)軌的摩擦因數(shù)?。s0. 000 5），機械效率高；由于導(dǎo)軌面間有一層油膜，吸振性好；導(dǎo)軌面不相互接觸，不會磨損，壽命長，而且在低速下運行也不易產(chǎn)生爬行。但靜壓導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造成本較高。靜壓導(dǎo)軌按導(dǎo)軌形式可分為開式和閉式兩種；按供油方式分為恒壓（即定壓）供油和恒流（即定量）供油兩種。

4.直線電機

（1）線性直接驅(qū)動的概念

線性直接驅(qū)動技術(shù)是采用沿直線導(dǎo)軌移動的直線電動機直接驅(qū)動固定或可直接變長度的桿件。線性直接驅(qū)動與旋轉(zhuǎn)電動機（滾珠絲杠）驅(qū)動的很本區(qū)別在于：直線電動機所產(chǎn)生的力直接作用于移動部件，中間沒有通過任何有柔度的機械傳動環(huán)節(jié)，諸如滾珠絲杠和螺母、齒形帶以及聯(lián)軸器等。因此，可以減少傳動系統(tǒng)的慣性矩，提高系統(tǒng)的運動速度、加速度和精度，避免振動的產(chǎn)生。與此同時，由于動態(tài)性能好，可以獲得較高的運動精度。如果采用拼裝的次級部件，還可以實現(xiàn)很長的直線運動距離。此外，運動功率的傳遞是非接觸的，因此沒有機械磨損。

但是，直線電動機最根本的缺點是發(fā)熱較多、效率低下。因此，直線電動機通常必須采用循環(huán)強制冷卻以及隔熱措施，才不會導(dǎo)致機床熱變形。

（2）直線電動機的原理和性能

直線電動機的供電方式可以是直流或交流的、同步的或異步的，工作原理不完全相同。交流感應(yīng)異步原理是直線電動機的基本形式。它的工作原理是將旋轉(zhuǎn)感應(yīng)異步電動機轉(zhuǎn)子和定子之間的電磁作用力從圓周展開為平面。如圖9. 15所示，對應(yīng)于旋轉(zhuǎn)電動機的定子部分，稱之為直線電動機的初級；對應(yīng)于旋轉(zhuǎn)電動機的轉(zhuǎn)子部分，稱之為直線電動機的次級。當(dāng)多項交變電流通入多相對稱繞組時，就會在直線電動機初級和次級之間的氣隙中產(chǎn)生一個行波磁場，從而使初級和次級之間產(chǎn)生相對移動。當(dāng)然，二者之間也存在一個垂直力，可以是吸引力，也可以是推斥力。

圖9.15　直線電動機的工作原理

圖9.16　西門子1FN1系列直線電動機的外觀

（3）直線電動機的冷卻

直線電動機的功率損失主要產(chǎn)生在初級繞組。由于電流密度大，溫升可能高達120℃，必須采用循環(huán)水冷卻。次級的渦流損失取決于電流頻率（運動速度）相對較小。例如，1FN1 246系列直線電動機在正常運轉(zhuǎn)時，初級功率損失（PV1）約為5 400 W，而次級功率損失（PV2）僅為50 W左右。因此，初級繞組的冷卻系統(tǒng)是主冷卻回路（內(nèi)冷卻回路）。在要求較高時，可以選用附加的精密冷卻回路（外冷卻回路）。1FN1系列直線電動機的冷卻回路和隔熱措施如圖9. 17所示。

圖9.17　1FN1直線電動機的散熱機理

從圖可見，主冷卻回路是裝在初級部件里面的，也稱為內(nèi)冷卻回路，它能夠帶走功率損失PV190%的熱量，保護初級繞組不至于過熱。直線電動機的持續(xù)驅(qū)動力FN與溫升有關(guān)，當(dāng)沒有冷卻或水箱溫度高于35℃時，直線電動機的持續(xù)驅(qū)動力FN將明顯下降。

在初級部件上面安裝有板狀鋁散熱器，其中間安放外冷卻回路（精密冷卻回路）。鋁板兩側(cè)也安裝有散熱板，以增加散熱面積。在散熱器與初級部件之間還有一層隔熱材料。次級部件與機床部件之間也有一層隔熱材料和空氣層，還可以安裝V2A材料的附加冷卻管道。

二、數(shù)控機床的床身

數(shù)控機床基礎(chǔ)件包括床身、立柱、橫梁、工作臺、刀架等結(jié)構(gòu)件，構(gòu)成了機床的基本框架，而數(shù)控機床的其他部件均附著在基礎(chǔ)件上。由于基礎(chǔ)件起著支撐和導(dǎo)向的作用，因而對基礎(chǔ)件的基本要求是有好的剛性及較大的阻尼特性。

1.對床身的基本要求

數(shù)控機床的床身是整個機床的基礎(chǔ)支承件，一般用來放置導(dǎo)軌、主軸箱等重要部件。為了滿足數(shù)控機床高速度、高精度、高生產(chǎn)率、高可靠性和高自動化程度的要求，與普通機床相比，數(shù)控機床應(yīng)有更高的靜、動剛度，更好的抗振性。對數(shù)控機床床身主要在以下3個方面提出了更高的要求：

（1）很高的精度和精度保持性

在床身上有很多安裝零部件的加工面和運動部件的導(dǎo)軌面，這些面本身的精度和相互位置精度要求都很高，而且要能長時間保持。

（2）應(yīng)具有足夠的靜、動剛度

靜剛度包括：床身的自身結(jié)構(gòu)剛度、局部剛度和接觸剛度，都應(yīng)該采取相應(yīng)的措施，最后達到有較高的剛度—質(zhì)量比。動剛度直接反映機床的動態(tài)特性，為了保證機床在交變載荷作用下具有較高的抵抗變形的能力和抵抗受迫振動及自激振動的能力，可以通過適當(dāng)增加阻尼、提高固有頻率等措施避免共振及因薄壁振動而產(chǎn)生的噪聲。

（3）較好的熱穩(wěn)定性

對數(shù)控機床來說，熱穩(wěn)定性已成了一個突出問題，必須在設(shè)計上做到使整機的熱變形較小，或使熱變形對加工精度的影響較小。

2.床身的結(jié)構(gòu)

（1）床身結(jié)構(gòu)

根據(jù)數(shù)控機床的類型不同，床身的結(jié)構(gòu)形式有各種各樣的形式。例如，數(shù)控車床床身的結(jié)構(gòu)形式有平床身、斜床身、平床身斜導(dǎo)軌和直立床身等4種類型。另外，斜床身結(jié)構(gòu)還能設(shè)計成封閉式斷面，這樣大大提高了床身的剛度。數(shù)控銑床、加工中心等這一類數(shù)控機床的床身結(jié)構(gòu)與數(shù)控車床有所不同，加工中心的床身有固定立柱式和移動立柱式兩種。前者一般適用于中小型立式和臥式加工中心，而后者又分為整體T形床身和前后床身分開組裝的T形床身。所謂T形床身是指床身是由橫置的前床身（亦叫橫床身）和與它垂直的后床身（亦叫縱床身）組成。整體式床身，剛性和精度保持性都比較好，但是卻給鑄造和加工帶來很大不便，尤其是大中型機床的整體床身，制造時需有大型設(shè)備。而分離式T形床身，鑄造工藝性和加工工藝性都大大改善。前后床身連接處要刮研，連接時用定位鍵和專用定位銷定位，然后沿截面四周用大螺栓固緊。這樣連接的床身，在剛度和精度保持性方面，基本能滿足使用要求。這種分離式T形床身適用于大中型臥式加工中心。

由于床身導(dǎo)軌的跨距比較窄，致使工作臺在橫溜板上移動到達行程的兩端時容易出現(xiàn)翹曲，這將影響加工精度。為了避免工作臺翹曲，有些立式加工中心增設(shè)了輔助導(dǎo)軌。

（2）床身的截面形狀

數(shù)控機床的床身通常為箱體結(jié)構(gòu)，合理設(shè)計床身的截面形狀及尺寸，采用合理布置的肋板結(jié)構(gòu)可以在較小質(zhì)量下獲得較高的靜剛度和適當(dāng)?shù)墓逃蓄l率。床身中常用的幾種截面肋板布置有V形肋、對角肋和斜方肋。

床身肋板通常是根據(jù)床身結(jié)構(gòu)和載荷分布情況進行設(shè)計的，滿足床身剛度和抗振性要求，V形肋有利于加強導(dǎo)軌支承部分的剛度，斜方肋和對角肋結(jié)構(gòu)可明顯增強床身的扭轉(zhuǎn)剛度，并且便于設(shè)計成全封閉的箱形結(jié)構(gòu)。

此外，還有縱向肋板和橫向肋板，分別對抗彎剛度和抗扭剛度有顯著效果；米字形肋板和井字形肋板的抗彎剛度也較高，尤其是米字形肋板更高。

（3）鋼板焊接結(jié)構(gòu)

隨著焊接技術(shù)的發(fā)展和焊接質(zhì)量的提高，焊接結(jié)構(gòu)的床身在數(shù)控機床中應(yīng)用越來越多。而軋鋼技術(shù)的發(fā)展，提供了多種形式的型鋼，焊接結(jié)構(gòu)床身的突出優(yōu)點是制造周期短，一般比鑄鐵結(jié)構(gòu)的快1. 7～3. 5倍，省去了制作木模和鑄造工序，不易出廢品。焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計靈活，便于產(chǎn)品更新、改進結(jié)構(gòu)。焊接件能達到與鑄件相同，甚至更好的結(jié)構(gòu)特性，可提高抗彎截面慣性矩，減小質(zhì)量。

采用鋼板焊接結(jié)構(gòu)能夠按剛度要求布置肋板的形式，充分發(fā)揮壁板，和肋板的承載和抗變形作用。另外，焊接床身采用鋼板，其彈性模量E = 2×105MPa，而鑄鐵的彈性模量E = 1. 2×105MPa，兩者幾乎相差一倍。因此，采用鋼板焊接結(jié)構(gòu)床身有利于提高固有頻率。

3.床身的剛度

根據(jù)床身所受載荷性質(zhì)的不同，床身剛度分為靜剛度和動剛度。床身的靜剛度直接影響機床的加工精度及其生產(chǎn)率。靜剛度和固有頻率，是影響動剛度的重要因素。合理設(shè)計床身的肋板結(jié)構(gòu)，可提高床身的剛度。

◎任務(wù)實施

基本任務(wù)　加工零件尺寸不穩(wěn)定

由機床自身造成加工零件尺寸超差，可能是因為主傳動系統(tǒng)中的齒輪或軸承損壞造成的機床主軸擺動、進給傳動系統(tǒng)中滾珠絲杠螺母副的運行精度不良、支撐滾珠絲杠螺母副的軸承損壞產(chǎn)生的運動不平穩(wěn)、機床導(dǎo)軌表面損傷造成直線度超差等原因。

先查看發(fā)生故障的機床，了解故障現(xiàn)象。再檢測不合格的零件，分析尺寸超差是發(fā)生在工件的X向、Y向、還是Z向，確定故障發(fā)生部位。分析零件尺寸，確認(rèn)超差尺寸是否具有規(guī)律性。

經(jīng)檢查分析，出故障的機床尺寸偏差發(fā)生在工件Y軸方向，超差尺寸不具有規(guī)律性?，F(xiàn)對機床Y向進給伺服系統(tǒng)進行檢查。

1.檢查Y軸有關(guān)位置參數(shù)

檢查后發(fā)現(xiàn)反向間隙、夾緊誤差等均在要求范圍內(nèi)，可排除由于參數(shù)設(shè)置不當(dāng)引起故障的因素。

2.檢查Y軸進給傳動鏈

應(yīng)檢查傳動鏈中各元件間的連接，由連接松動或間隙均可產(chǎn)生位置偏差，造成加工零件尺寸超差。

①將千分表表座吸在橫梁上，測量頭找正主軸Y運動的負(fù)方向，并使測量頭壓縮到50 μm左右，然后使測量頭復(fù)位到零。

②將機床操作面板上的工作方式開關(guān)置于增量方式（1NC）的“×10”擋，軸選擇開關(guān)置于Y軸擋，按負(fù)方向進給鍵，觀察千分表讀數(shù)的變化。經(jīng)測量，Y軸正、負(fù)方向的增量運動都存在不規(guī)則的偏差。

③找一粒滾珠置于滾珠絲杠的端部中心，用千分表的測量頭頂住滾珠。將機床操作面板上的工作方式開關(guān)置于手動方式，按正、負(fù)方向的進給鍵，主軸箱沿Y軸正、負(fù)方向連續(xù)運動，觀察千分表讀數(shù)無明顯變化，故排除滾珠絲杠軸向竄動的可能。

④檢查與Y軸伺服電動機和滾珠絲杠連接的同步齒形帶輪，發(fā)現(xiàn)與伺服電動機轉(zhuǎn)子軸連接的帶輪錐套有松動，使得進給傳動與伺服電動機驅(qū)動不同步。

此次故障是由機械部分與伺服電動機轉(zhuǎn)子軸連接的帶輪錐套松動造成的，使得進給傳動與伺服電動機驅(qū)動不同步。由于在運行中松動是不規(guī)則的，從而造成零件尺寸偏差不規(guī)則。

◎任務(wù)擴展

故障現(xiàn)象：某加工中心運行時，工作臺X軸方向位移接近行程終端過程中產(chǎn)生明顯的機械振動故障，故障發(fā)生時系統(tǒng)不報警。

故障分析：因故障發(fā)生時系統(tǒng)不報警，但故障明顯，故通過交換法檢查，確定故障部位應(yīng)在X軸伺服電動機與絲杠傳動鏈一側(cè)；為區(qū)別電動機故障，可拆卸電動機與滾珠絲杠之間的彈性聯(lián)軸器，單獨通電檢查電動機。檢查結(jié)果表明，電動機運轉(zhuǎn)時無振動現(xiàn)象，顯然故障部位在機械傳動部分。脫開彈性聯(lián)軸器，用扳手轉(zhuǎn)動滾珠絲杠進行手感檢查；通過手感檢查，發(fā)現(xiàn)工作臺X軸方向位移接近行程終端時，感覺到阻力明顯增加。

故障維修：拆下工作臺檢查，發(fā)現(xiàn)滾珠絲杠與導(dǎo)軌不平行，故而引起機械轉(zhuǎn)動過程中的振動現(xiàn)象。經(jīng)過認(rèn)真修理、調(diào)整后，重新裝好，故障排除。

任務(wù)3　刀具自動交換裝置故障診斷與維修

由于加工中心具有刀具自動交換裝置，能夠?qū)崿F(xiàn)多工序集中加工，因而可以大大減少工件裝夾、測量和機床的調(diào)整時間，減少工件的周轉(zhuǎn)、搬運和存放時間，使機床的切削時間利用率高于普通機床，具有較好的加工一致性，高的生產(chǎn)率和質(zhì)量穩(wěn)定性及良好的經(jīng)濟性。但是在使用中，由于長期工作磨損或操作不當(dāng)?shù)仍驎斐傻稁燹D(zhuǎn)動不正常、機械手夾持刀柄不穩(wěn)定、刀具自動交換裝置不工作或旋轉(zhuǎn)不到位便停止等故障。

子任務(wù)1　刀庫轉(zhuǎn)動不正常

◎任務(wù)提出

加工中心工作時，可能會出現(xiàn)刀庫不能轉(zhuǎn)動或刀庫轉(zhuǎn)動不到位，試分析原因，找出故障點，并排除故障。

◎任務(wù)目標(biāo)

1.掌握加工中心刀庫的種類與結(jié)構(gòu)特點；

2.能夠判斷換刀故障的發(fā)生部位。

◎相關(guān)知識

一、加工中心自動換刀裝置

加工中心有立式、臥式、龍門式等多種，其自動換刀裝置的形式更是多種多樣。換刀的原理及結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度也各不相同，除利用刀庫進行換刀外，還有自動更換主軸箱、自動更換刀庫等形式。利用刀庫實現(xiàn)換刀、是目前加工中心大量使用的換刀方式。由于有了刀庫，機床只要一個固定主軸夾持刀具，有利于提高主軸剛度。獨立的刀庫，大大增加了刀具的儲存數(shù)量，有利于擴大機床的功能，并能較好地隔離各種影響加工精度的干擾。

刀庫換刀按換刀過程中有無機械手參與分成有機械手換刀和無機械手換刀兩種情況，有機械手的系統(tǒng)在刀庫配置與主軸的相對位置及刀具數(shù)量上都比較靈活，換刀時間短；無機械手方式結(jié)構(gòu)簡單，只是換刀時間較長。

由刀庫和機械手組成的自動換刀裝置（Automaitic Tool Changer簡稱ATC）是加工中心的重要組成部分。加工中心上所需更換的刀具較多，從幾把到幾十把，甚至上百把，故通常采用刀庫形式，其結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜自動換刀裝置種類繁多。由于加工中心上自動換刀次數(shù)比較頻繁，故對自動換刀裝置的技術(shù)要求十分嚴(yán)格，如要求定位精度高、動作平穩(wěn)、工作可靠以及精度保持性等。這些要求都與加工中心的性能息息相關(guān)。

各種加工中心自動換刀裝置的結(jié)構(gòu)取決于機床的形式、工藝范圍以及刀具的種類和數(shù)量等。換刀裝置主要可以分為以下幾種方式：

1.更換主軸換刀裝置

更換主軸換刀裝置是一種簡單的換刀方式。這種機床的主軸頭就是一個轉(zhuǎn)塔刀庫，主軸頭有臥式和立式兩種。八方形主軸頭（轉(zhuǎn)塔頭）上裝有8根主軸，每根主軸上裝有一把刀具。根據(jù)各加工工序的要求按順序自動地將所需要的刀具由其主軸轉(zhuǎn)到工作位置，實現(xiàn)自動換刀，同時接通主傳動。不處在工作位置的主軸便與主傳動脫開。轉(zhuǎn)塔頭的轉(zhuǎn)位由槽輪機構(gòu)來實現(xiàn)。

這種換刀裝置優(yōu)點是省去了自動松、夾、卸刀、裝刀以及刀具搬運等一系列的復(fù)雜操作，從而縮短了換刀時間，并提高了換刀的可靠性。但是由于空間位置的限制，使主軸部件結(jié)構(gòu)不能設(shè)計得十分堅實，因而影響了主軸系統(tǒng)的剛度。為保證主軸的剛度，必須限制主軸數(shù)目，否則將使結(jié)構(gòu)尺寸大大增加。由于這些結(jié)構(gòu)上的原因，所以轉(zhuǎn)塔主軸頭通常只適應(yīng)于工序較少、精度要求不太高的機床，如數(shù)控鉆鏜銑床。

2.更換主軸箱換刀裝置

有的加工中心采用多主軸的主軸箱，利用更換這種主軸箱來達到換刀的目的。在實際換刀時，根據(jù)加工要求，先選好所需的主軸箱，將其運行到機床動力頭兩側(cè)的更換位置。待上一道工序完成后，動力頭帶著使用過的主軸箱運行到更換位置，動力頭上的夾緊機構(gòu)將主軸箱松開，推桿機構(gòu)將用過的主軸箱從動力頭上推開，同時將待用主軸箱推到機床動力頭上并進行定位與夾緊。動力頭沿立柱導(dǎo)軌下降開始新的加工，使用過的主軸箱被送回到主軸箱庫，并選擇下一次需要使用的主軸箱。這種形式的換刀，對于加工箱體類零件，可以提高生產(chǎn)率。

3.帶刀庫的自動換刀系統(tǒng)

這類換刀裝置由刀庫、選刀機構(gòu)、刀具交換機構(gòu)及刀具在主軸上的自動裝卸機構(gòu)等4部分組成，應(yīng)用廣泛。刀庫可裝在機床的立柱上、主軸箱上或工作臺上。當(dāng)?shù)稁烊萘看蠹暗毒咻^重時，也可裝在機床之外，作為一個獨立部件。如刀庫遠(yuǎn)離主軸，常常要附加運輸裝置，來完成刀庫與主軸之間刀具的運輸。

帶刀庫的自動換刀系統(tǒng)，整個換刀過程比較復(fù)雜，首先要把加工過程中要用的全部刀具分別安裝在標(biāo)準(zhǔn)的刀柄上，在機外進行尺寸預(yù)調(diào)整后，插入刀庫中。換刀時，根據(jù)選刀指令先在刀庫上選刀，由刀具交換裝置從刀庫和主軸上取出刀具，進行刀具交換，然后將新刀具裝入主軸，將用過的刀具放回刀庫。這種換刀裝置和轉(zhuǎn)塔主軸頭相比，由于機床主軸箱內(nèi)只有一根主軸，為縮短換刀時間，可采用帶刀庫的雙主軸或多主軸系統(tǒng)。該轉(zhuǎn)塔軸上待更換刀具的主軸與轉(zhuǎn)塔刀庫回轉(zhuǎn)軸線成45°角，當(dāng)水平方向的主軸處在加工位置時，待更換刀具的主軸處于換刀位置，由刀具交換裝置預(yù)先換刀，待本工序加工完畢后，轉(zhuǎn)塔頭回轉(zhuǎn)并交換主軸，即換刀。這種換刀方式，換刀時間大部分和機床加工時間重合，只需要轉(zhuǎn)塔頭轉(zhuǎn)位的時間，所以換刀時間短；轉(zhuǎn)塔頭上的主軸數(shù)目較少，有利于提高主軸的結(jié)構(gòu)剛性；刀庫上刀具數(shù)目也可增加，對多工序加工有利。但這種換刀方式也難保證精鏜加工所需要的主軸剛度。因此，這種換刀方式主要用于鉆床，也可用于銑鏜床和數(shù)控組合機床。

二、加工中心刀庫形式

加工中心刀庫的形式很多，結(jié)構(gòu)也各不相同，最常用的有鼓盤式刀庫、鏈?zhǔn)降稁旌透褡雍惺降稁臁?/p>

1.鼓盤式刀庫

鼓盤式刀庫結(jié)構(gòu)緊湊、簡單，在鉆削中心上應(yīng)用較多。一般存放刀具不超過32把。圖9. 18為刀具軸線與鼓盤軸線平行布置的刀庫，其中圖9. 18（a）為徑向取刀形式，圖9. 18（b）為軸向取刀形式。

圖9.18　鼓盤式刀庫（一）

圖9.19　鼓盤式刀庫（二）

2.鏈?zhǔn)降稁?/p>

在環(huán)形鏈條上裝有許多刀座，刀座的孔中裝夾各種刀具，鏈條由鏈輪驅(qū)動。鏈?zhǔn)降稁爝m用于刀庫容量較大的場合，且多為軸向取刀。鏈?zhǔn)降稁煊袉苇h(huán)鏈?zhǔn)胶投喹h(huán)鏈?zhǔn)降葞追N，如圖9. 20所示。當(dāng)鏈條較長時，可以增加支承鏈輪的數(shù)目，使鏈條折疊回繞，提高空間利用率。

圖9.20　鏈?zhǔn)降稁?/p>

3.格子盒式刀庫

圖9. 21所示為固定型格子盒式刀庫。刀具分幾排直線排列，由縱、橫向移動的取刀機械手完成選刀運動，將選取的刀具送到固定的換刀位置刀座上，由換刀機械手交換刀具。由于刀具排列密集，因此空間利用率高，刀庫容量大。

圖9.21　固定型格子盒式刀庫

1—刀座；2—刀具固定板架；3—取刀機械手橫向?qū)к墸?—取刀機械手縱向?qū)к墸?—換刀位置刀座；6—換刀機械手

除上面介紹的3種刀庫形式之外，還有直線式刀庫、多盤式刀庫等。

◎任務(wù)實施

基本任務(wù)　刀庫轉(zhuǎn)動不正常

刀庫轉(zhuǎn)動不正常的故障，可分為刀庫不能轉(zhuǎn)動和刀庫轉(zhuǎn)動不到位兩種情況。要找出故障點需仔細(xì)分析故障現(xiàn)象，在排除電氣故障的情況下，在刀庫機械結(jié)構(gòu)上查找問題原因。打開刀庫外罩，仔細(xì)檢查機床刀庫的機械連接，發(fā)現(xiàn)刀庫不轉(zhuǎn)動的原因是連接電機軸與蝸桿軸的聯(lián)軸器松動所造成，緊固聯(lián)軸器上的螺釘，刀庫轉(zhuǎn)動，故障排除。

對于刀庫轉(zhuǎn)動不到位的故障，排除電氣故障的情況下，需在刀庫的機械連接與液壓傳動系統(tǒng)找故障發(fā)生的原因。經(jīng)分析，造成刀庫轉(zhuǎn)動不到位的原因有：

①電機故障，傳動機構(gòu)誤差。

②刀庫負(fù)載大或者有阻滯現(xiàn)象。

③系統(tǒng)潤滑不良。

④液壓馬達故障。

⑤液壓系統(tǒng)油路不暢或液壓閥故障。

打開刀庫外罩，先檢查系統(tǒng)內(nèi)潤滑油路是否暢通，并重新對系統(tǒng)進行潤滑，試運行看故障是否排除。在斷電狀態(tài)下，檢查電動機各項參數(shù)是否正常?？蛰d狀態(tài)下檢測液壓馬達工作是否正常。最后，檢查液壓系統(tǒng)油路流通情況及液壓閥是否正常。找出故障點之后，對其進行維修更換，再運行機床，檢查故障是否排除。

子任務(wù)2　機械手夾持刀柄不穩(wěn)定

◎任務(wù)提出

加工中心工作一段時間后，有時會出現(xiàn)機械手夾持刀柄不穩(wěn)定的故障，試分析原因，找出故障點，并排除故障。

◎任務(wù)目標(biāo)

掌握加工中心機械手的結(jié)構(gòu)特點。

◎相關(guān)知識

一、JCS-018A型加工中心機械手結(jié)構(gòu)及動作過程

如圖9. 22所示為加工中心機械手傳動結(jié)構(gòu)示意圖，當(dāng)前一步加工工作結(jié)束需要換刀時，位置開關(guān)被壓下，發(fā)出機械手抓刀信號。液壓系統(tǒng)依次向液壓缸18右腔，液壓缸15上腔和液壓缸20右腔通入壓力油。使機械手先按圖示箭頭方向旋轉(zhuǎn)75°，同時將主軸上使用過的刀具與刀庫中的待用刀具卡入手爪中，實現(xiàn)抓刀。之后機械手垂直向下運動將刀具從主軸中拔出，運動到最底部時旋轉(zhuǎn)180°實現(xiàn)換刀。此時，擋環(huán)6壓下位置開關(guān)9，液壓系統(tǒng)得到信號后向液壓缸15下腔通入壓力油，活塞帶動機械手垂直向上運動，兩手爪中的刀具分別插入主軸孔與刀庫中，刀具裝好之后機械手反轉(zhuǎn)75°復(fù)位，為下次選刀做好準(zhǔn)備。

二、其他類型機械手

1.兩手呈180°的回轉(zhuǎn)式單臂雙手機械手

（1）兩手不伸縮的回轉(zhuǎn)式單臂雙手機械手

如圖9. 23所示，這種機械手適用于刀庫中刀座軸線與主軸軸線平行的自動換刀裝置，機械手回轉(zhuǎn)時不得與換刀位置刀座相鄰的刀具干涉。手臂的回轉(zhuǎn)由蝸桿凸輪機構(gòu)傳動，快速可靠，換刀時間在2 s以內(nèi)。

圖9.22　JCS-018A機械手傳動結(jié)構(gòu)示意圖

1、3、7、9、13、14—位置開關(guān)；2、6、12—擋環(huán)；4、11—齒輪；5—連接盤；8—銷子；10—傳動盤；15、18、20—液壓缸；16—軸；17、19—齒條；21—機械手

圖9.23　兩手不伸縮的回轉(zhuǎn)式單臂雙手機械手

1—刀庫；2—換刀位置的刀座；3—機械手；4—機床主軸

（2）兩手伸縮的回轉(zhuǎn)式單臂雙手機械手

如圖9. 24所示，這種機械手也適用于刀庫中刀座軸線與主軸軸線平行的自動換刀裝置。由于兩手可伸縮，縮回后回轉(zhuǎn)，可避免與刀庫中其他刀具干涉。由于增加了兩手的伸縮動作，因此換刀時間相對較長。

圖9.24　兩手伸縮的回轉(zhuǎn)式單臂雙手機械手

1—機床主軸；2—主軸中刀具；3—刀庫中刀具；4—刀庫；5—機械手

（3）剪式手爪的回轉(zhuǎn)式單臂雙手機械手

其特點是用兩組剪式手抓夾持刀柄，故又稱剪式機械手。如圖9. 25（a）所示，為刀庫刀座軸線與機床主軸軸線平行時用的剪式機械手示意圖。圖9. 25（b）為刀庫刀座軸線與機床主軸軸線垂直時用的剪式機械手示意圖。與上述剪式機械手不同的是兩組剪式手爪分別動作，因此換到時間較長。

圖9.25　剪式機械手

1—刀庫；2—剪式手爪；3—機床主軸；4—伸縮臂；5—伸縮與回轉(zhuǎn)機構(gòu)；6—手臂擺動機構(gòu)

2.兩手互相垂直的回轉(zhuǎn)式單臂雙手機械手

圖9. 26所示的機械手用于刀庫刀座軸線與機床主軸軸線垂直，刀庫為徑向存取刀具形式的自動換刀裝置。機械手有伸縮、回轉(zhuǎn)和抓刀、松刀等動作。

圖9.26　兩手相互垂直的回轉(zhuǎn)式單臂雙手機械手

1—刀庫；2—齒條；3—齒輪；4—抓刀活塞；5—手臂托架；6—機床主軸；7—抓刀動塊；8—銷子；9—抓刀定塊；10、12—小齒輪；11—彈簧；13、14—小齒條

3.兩手平行的回轉(zhuǎn)式單臂雙手機械手

如圖9. 27所示，由于刀庫中刀具的軸線與機床主軸軸線方向相垂直，故機械手需有3個動作：沿主軸軸線移動，進行主軸的插、拔刀；繞垂直軸作90°擺動，完成主軸與刀庫間的刀具傳遞；繞水平軸作180°回轉(zhuǎn)，完成刀具交換。

圖9.27　兩手平行的回轉(zhuǎn)式單臂雙手機械手

◎任務(wù)實施

基本任務(wù)　機械手夾持刀柄不穩(wěn)定

機械手夾持刀柄不穩(wěn)定，會造成在換刀時刀具從機械手中脫落，使加工被迫停止甚至損壞刀具，刀具脫落的原因可能是刀具超重或機械手卡緊鎖損壞。首先檢查刀具重量是否在機床說明書的允許范圍內(nèi)，然后檢查機械手卡緊鎖，更換機械手卡銷。之后運行機床，檢查故障是否排除。

任務(wù)4　輔助裝置故障診斷與維修

數(shù)控機床已成為機械制造的重要機床設(shè)備之一，要保證數(shù)控機床可靠穩(wěn)定的工作，除了在機械結(jié)構(gòu)和數(shù)控系統(tǒng)等方面要達到一定的要求之外，良好的冷卻、潤滑也是不可忽視的部分，數(shù)控機床的輔助裝置主要是指潤滑系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)。

在機床工作過程中，發(fā)現(xiàn)一些部位無潤滑，檢查后發(fā)現(xiàn)是液壓系統(tǒng)出油不暢造成?，F(xiàn)找出出油不暢的原因，并排除故障。

◎任務(wù)目標(biāo)

1.掌握數(shù)控機床潤滑系統(tǒng)的作用及工作原理；

2.掌握數(shù)控機床冷卻系統(tǒng)的作用及工作原理。

◎相關(guān)知識

一、潤滑系統(tǒng)

隨著數(shù)控機床朝高速度、大功率、高精度的方向上發(fā)展，其可靠性已成為衡量其性能的重要指標(biāo)。要保證數(shù)控機床可靠穩(wěn)定的工作，除了在機械結(jié)構(gòu)和數(shù)控系統(tǒng)等方面要達到一定的要求之外，良好的冷卻、潤滑也是不可忽視的因素，它們對延長數(shù)控機床的使用壽命、提高切削效率、保證工作正常具有十分重要的作用。

1.潤滑的作用及分類

在數(shù)控機床中潤滑主要有以下幾個方面的作用：

（1）減小摩擦

在兩個具有相對運動的接觸表面之間存在著摩擦，摩擦使零件、部件產(chǎn)生磨損，增大運動阻力，劇烈的摩擦甚至?xí)菇佑|表面發(fā)熱損壞。以潤滑油或者潤滑脂加入到摩擦表面后，可以降低摩擦系數(shù)，從而減小摩擦。

（2）減小磨損

潤滑油或潤滑脂在相對運動件之間可以形成一層油膜，避免了兩接觸相對運動件的直接接觸，可以減小磨損。

（3）降低溫度

流動的潤滑油可以把摩擦產(chǎn)生的大量熱量帶走，從而起到降低潤滑表面溫度的作用。

（4）防止銹蝕

潤滑油在摩擦表面形成的保護油膜，阻擋了金屬與空氣或其他氧化源的直接接觸，在一定程度上防止了金屬零件的銹蝕。

（5）形成密封

潤滑脂除具有主要的潤滑作用外，還具有防止?jié)櫥瑒┑牧鞒龊屯饨鐗m屑進入摩擦表面的作用，避免了摩擦、磨損的加劇。

2.數(shù)控機床的潤滑系統(tǒng)

數(shù)控機床良好的潤滑對提高各相對運動件的壽命、保持良好的動態(tài)性能和運動精度等具有較大的意義。在數(shù)控機床的運動部件中，既有高速的相對運動，也有低速的相對運動，既有重載的部位，也有輕載的部位，所以在數(shù)控機床中通常采用分散潤滑與集中潤滑、油潤滑與脂潤滑相結(jié)合的綜合潤滑方式對數(shù)控機床的各個需潤滑部位進行潤滑。數(shù)控機床中潤滑系統(tǒng)主要包括主軸傳動部分、軸承、絲杠和導(dǎo)軌等部件的潤滑。

在數(shù)控機床的主軸傳動部分中，齒輪和主軸軸承等零件轉(zhuǎn)速較高、負(fù)載較大，溫升劇烈，所以一般采用潤滑油強制循環(huán)的方式，對這些零件進行潤滑的同時完成對主軸系統(tǒng)的冷卻。這些潤滑和冷卻兼具的液壓系統(tǒng)對液壓油的過濾要求較為嚴(yán)格，否則容易影響齒輪、軸承等零件的使用壽命。一般在這部分液壓系統(tǒng)中采用沉淀、過濾、磁性精過濾等手段保持液壓油的潔凈，并要求經(jīng)過規(guī)定的時間后進行液壓油的清理更換。

軸承、絲杠和導(dǎo)軌是決定加工中心各個運動精度的主要部件。為了維持它們的運動精度并減少摩擦及磨損，必須采用適當(dāng)?shù)臐櫥?，具體采用何種潤滑方式取決于數(shù)控機床的工作狀況及結(jié)構(gòu)要求。對負(fù)載不大、極限轉(zhuǎn)速或移動速度不高的數(shù)控機床一般采用脂潤滑，采用脂潤滑可以減少設(shè)置專門的潤滑系統(tǒng)，避免潤滑油的泄露污染和廢油的處理，而且脂潤滑具有一定的密封作用，降低外部灰塵、水氣等對軸承、絲杠和導(dǎo)軌副的影響。對一些負(fù)載較大、極限轉(zhuǎn)速或移動速度較高的數(shù)控機床一般采用油潤滑，采用油潤滑既能起到對相對運動件之間的潤滑作用，又可以起到一定的冷卻作用。在數(shù)控機床的軸承、絲杠和導(dǎo)軌部位，無論是采用油潤滑還是脂潤滑，都必須保持潤滑介質(zhì)的潔凈無污染，按照相應(yīng)潤滑介質(zhì)的要求和工況定期地清理潤滑元件，更換或補充潤滑介質(zhì)。

數(shù)控車床主軸軸承潤滑可采用油脂潤滑、迷宮式密封，也可采用集中強制型潤滑，為保證潤滑的可靠性，常裝有壓力繼電器作為失壓報警裝置。

主軸軸承的潤滑與密封是機床使用和維護過程中值得重視的兩個問題。良好的潤滑效果可以降低軸承的工作溫度和延長使用壽命。密封不僅要防止灰塵屑末和切削液進入，還要防止?jié)櫥偷男孤?/p>

3.主軸軸承潤滑方式

在數(shù)控機床上，主軸軸承潤滑方式有油脂潤滑、油液循環(huán)潤滑、油霧潤滑、油氣潤滑等方式。

（1）油脂潤滑方式

這是目前在數(shù)控機床主軸軸承上最常用的潤滑方式，特別是在前支撐軸承上更是常用。當(dāng)然，如果主軸箱中沒有冷卻潤滑油系統(tǒng)，那么后支撐和其他軸承，一般采用油脂潤滑方式。

（2）油液循環(huán)潤滑方式

在數(shù)控機床主軸上，有采用油液循環(huán)潤滑方式的。裝有GA，MET軸承的主軸，即可使用這種方式。對一般主軸來說，后支撐上采用這種潤滑方式的比較常見。

（3）油霧潤滑

油霧潤滑是將油液經(jīng)高壓氣體霧化后從噴嘴成霧狀噴到需潤滑的部位的潤滑方式。由于是霧狀油液吸熱性好，又無油液攪拌作用，所以通常用于高速主軸軸承的潤滑。但是，油霧容易吹出，污染環(huán)境。

（4）油氣潤滑方式

油氣潤滑方式是針對高速主軸而開發(fā)的新型潤滑方式。它是利用極微量的油（8～10 min約0. 03 cm3油）潤滑軸承，以抑制軸承發(fā)熱。

在用油液潤滑角接觸軸承時，要注意角接觸軸承油泵效應(yīng)，須使油液從小口進入。

二、冷卻系統(tǒng)

數(shù)控機床的冷卻系統(tǒng)按照其作用主要分為機床的冷卻和切削時對刀具和工件的冷卻兩部分。

1.機床的冷卻和溫度控制

數(shù)控機床屬于高精度、高效率、高投入成本的機床，為了提高生產(chǎn)效率，盡可能地發(fā)揮其作用，一般要求24 h不停機連續(xù)工作。為了保證在長時間工作情況下機床加工精度的一致性、電氣及控制系統(tǒng)的工作穩(wěn)定性和機床的使用壽命，數(shù)控機床對環(huán)境溫度和各部分的發(fā)熱冷卻及溫度控制均有相應(yīng)的要求。

環(huán)境溫度對數(shù)控機床加工精度及工作穩(wěn)定性有不可忽視的影響。對精度要求較高和整批零件尺寸一致性要求較高的加工，應(yīng)保持?jǐn)?shù)控機床工作環(huán)境的恒溫。

數(shù)控機床的電控系統(tǒng)是整臺機床的控制核心，其工作時的可靠性以及穩(wěn)定性對數(shù)控機床的正常工作起著決定性作用，并且電控系統(tǒng)中間的絕大部分元器件在通電工作時均會產(chǎn)生熱量，如果沒有充分適當(dāng)?shù)纳?，容易造成整個系統(tǒng)的溫度過高，影響其可靠性、穩(wěn)定性及元器件的壽命。數(shù)控機床的電控系統(tǒng)一般采用在發(fā)熱量大的元器件上加裝散熱片與采用風(fēng)扇強制循環(huán)通風(fēng)的方式進行熱量的擴散，降低整個電控系統(tǒng)的溫度。但該方式具有灰塵易進入控制箱、溫度控制穩(wěn)定性差、濕空氣易進入的缺點。所以，在一些較高檔的數(shù)控機床上一般采用專門的電控箱冷氣機進行電控系統(tǒng)的溫濕度調(diào)節(jié)。

在數(shù)控機床的機械本體部分，主軸部件及傳動機構(gòu)為最主要的發(fā)熱源。對主軸軸承和傳動齒輪等零件，特別是中等以上預(yù)緊的主軸軸承，如果工作時溫度過高很容易產(chǎn)生膠合磨損、潤滑油黏度降低等后果，所以數(shù)控機床的主軸部件及傳動裝置通常設(shè)有工作溫度控制裝置。

2.工件切削冷卻

數(shù)控機床在進行高速大功率切削時伴隨大量的切削熱產(chǎn)生，使刀具、工件和內(nèi)部機床的溫度上升，進而影響刀具的壽命、工件加工質(zhì)量和機床的精度。所以，在數(shù)控機床中，良好的工件切削冷卻具有重要的意義，切削液不僅具有對刀具、工件、機床的冷卻作用，還起到在刀具與工件之間的潤滑、排屑清理、防銹等作用。為了充分提高冷卻效果，在一些加工中心上還采用了主軸中央通水和使用內(nèi)冷卻刀具的方式進行主軸和刀具的冷卻。這種方式對提高刀具壽命、發(fā)揮加工中心良好的切削性能、切屑的順利排出等方面具有較好的作用，特別是在加工深孔時效果尤為突出，所以目前應(yīng)用越來越為廣泛。

◎任務(wù)實施

基本任務(wù)　液壓系統(tǒng)出油不暢造成潤滑不良

液壓系統(tǒng)的動力元件是液壓泵，首先檢查液壓泵工作是否正常，液壓泵輸出壓力是否達到機床說明書規(guī)定的額定壓力；其次檢查液壓油是否有沉淀或雜質(zhì)，檢查回路中是否有堵塞，檢查管路或液壓元件是否有破裂或滲漏，造成系統(tǒng)壓力損失。

檢查液壓泵工作正常，輸出壓力達到機床說明書規(guī)定的額定壓力；觀察液壓油，質(zhì)地清透沒有沉淀；觀察回路中各壓力表，發(fā)現(xiàn)其中一個壓力明顯偏低，檢查管路后發(fā)現(xiàn)管路連接處有泄漏，造成壓力損失，致使出油不暢。重新連接后，不產(chǎn)生泄漏，系統(tǒng)出油順暢。機床零部件得到有效潤滑，故障排除。

◎思考題

1.數(shù)控機床主軸軸承的潤滑方式有哪些？并簡述其特點。

2.數(shù)控機床潤滑裝置的作用是什么？