項(xiàng)目9　數(shù)控機(jī)床機(jī)械結(jié)構(gòu)故障診斷與維修

知識(shí)目標(biāo)

1.能夠掌握數(shù)控機(jī)床常見(jiàn)機(jī)械故障的類(lèi)型；

2.了解數(shù)控機(jī)床典型部件的機(jī)械結(jié)構(gòu)；

3.了解數(shù)控機(jī)床的液壓傳動(dòng)系統(tǒng)；

4.掌握數(shù)控機(jī)床機(jī)械故障的診斷方法。

技能目標(biāo)

1.能夠?qū)?shù)控機(jī)床的常見(jiàn)機(jī)械故障進(jìn)行診斷；

2.能夠找到數(shù)控機(jī)床機(jī)械故障的原因，并排除。

任務(wù)1　數(shù)控機(jī)床主軸部件的故障診斷與維修

數(shù)控機(jī)床加工工件時(shí)，時(shí)常出現(xiàn)切削振動(dòng)大、主軸箱噪聲大、主軸發(fā)熱等現(xiàn)象。切削振動(dòng)過(guò)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(huì)產(chǎn)生噪聲污染，影響操作工人的身體健康；主軸發(fā)熱會(huì)使得切削加工區(qū)域溫度升高，改變刀具與工件的機(jī)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?yàn)橹鬏S部件的安裝誤差或工作時(shí)的損耗造成的。要解決這一類(lèi)故障，必須熟悉數(shù)控機(jī)床的主傳動(dòng)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(kāi)機(jī)后主軸不轉(zhuǎn)

◎任務(wù)提出

在生產(chǎn)加工中，某臺(tái)數(shù)控銑床開(kāi)機(jī)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(lèi)型數(shù)控機(jī)床主傳動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)；

2.掌握不同類(lèi)型數(shù)控機(jī)床的主軸部件。

◎相關(guān)知識(shí)

主傳動(dòng)系統(tǒng)將動(dòng)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(jī)床具有更高的切削性能要求，因而要求數(shù)控機(jī)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(dòng)系統(tǒng)的變速方式

數(shù)控銑床主傳動(dòng)系統(tǒng)，是指將主軸電動(dòng)機(jī)的原動(dòng)力通過(guò)該傳動(dòng)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(dòng)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(lái)對(duì)工件進(jìn)行切削，因而對(duì)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(duì)主傳動(dòng)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(gè)具有良好性能的主傳動(dòng)系統(tǒng)和一個(gè)具有高精度、高剛度、振動(dòng)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(dòng)系統(tǒng)一般采用直流或交流主軸電動(dòng)機(jī)，通過(guò)帶傳動(dòng)和主軸箱的變速齒輪帶動(dòng)主軸旋轉(zhuǎn)。由于這種電動(dòng)機(jī)調(diào)速范圍廣，又可無(wú)級(jí)調(diào)速，使得主軸箱的結(jié)構(gòu)大為簡(jiǎn)化。主軸電動(dòng)機(jī)在額定轉(zhuǎn)速時(shí)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(shí)也可以看出電動(dòng)機(jī)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(jī)械變擋一般采用液壓缸推動(dòng)滑移齒輪實(shí)現(xiàn)，這種方法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(dòng)機(jī)直接帶動(dòng)主軸或用帶傳動(dòng)使主軸旋轉(zhuǎn)。

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

數(shù)控銑床的主傳動(dòng)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(duì)工件進(jìn)行加工，因此對(duì)加工質(zhì)量及刀具壽命有很大的影響，所以對(duì)主傳動(dòng)系統(tǒng)的要求很高。為了滿足加工需要，必須要有一個(gè)良好性能的主傳動(dòng)系統(tǒng)和一個(gè)具有高精度、高剛度、振動(dòng)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(dòng)機(jī)，通過(guò)帶傳動(dòng)和主軸箱的變速齒輪帶動(dòng)主軸旋轉(zhuǎn)。為了適應(yīng)不同的加工要求，目前主傳動(dòng)系統(tǒng)大致可分為3種。

1.二級(jí)以上變速的主傳動(dòng)系統(tǒng)

圖9. 1（a）所示是使用滑移齒輪實(shí)現(xiàn)二級(jí)變速的主傳動(dòng)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(dòng)齒輪來(lái)實(shí)現(xiàn)。因數(shù)控銑床使用可調(diào)無(wú)級(jí)變速交流、直流電動(dòng)機(jī)，所以經(jīng)齒輪變速后，實(shí)現(xiàn)分段無(wú)級(jí)變速，調(diào)速范圍增加。其優(yōu)點(diǎn)是能夠滿足各種切削運(yùn)動(dòng)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(rùn)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(jí)齒輪變速主軸結(jié)構(gòu)。這種配置方式大、中型數(shù)控機(jī)床采用較多。它通過(guò)少數(shù)幾對(duì)齒輪降速，使之成為分段無(wú)級(jí)變速，確保低速時(shí)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(jī)床也采用這種傳動(dòng)方式，以獲得強(qiáng)力切削時(shí)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(dòng)齒輪來(lái)實(shí)現(xiàn)。

圖9.1　數(shù)控銑床主軸傳動(dòng)系統(tǒng)分類(lèi)

2.一級(jí)變速器的主傳動(dòng)系統(tǒng)

如圖9. 1（b）所示，其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(dòng)機(jī)一樣，受電動(dòng)機(jī)調(diào)速范圍的約束。這種傳動(dòng)方式可以避免齒輪傳動(dòng)時(shí)引起的振動(dòng)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(jī)床上，可以避免齒輪傳動(dòng)時(shí)引起的振動(dòng)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(dòng)是一種綜合了帶、鏈傳動(dòng)優(yōu)點(diǎn)的新型傳動(dòng)。帶的工作面及帶輪外圓上均制成齒形，通過(guò)帶輪與輪齒相嵌合，作無(wú)滑動(dòng)的嚙合傳動(dòng)。帶內(nèi)采用了承載后無(wú)彈性伸長(zhǎng)的材料作強(qiáng)力層，以保持帶的節(jié)距不變，使主、從動(dòng)帶輪可作無(wú)相對(duì)滑動(dòng)的同步傳動(dòng)，與一般帶傳動(dòng)相比，同步傳動(dòng)具有如下優(yōu)點(diǎn)：無(wú)滑動(dòng)，傳動(dòng)比準(zhǔn)確；傳動(dòng)效率高，可達(dá)98%以上；傳動(dòng)平穩(wěn)，噪聲??；使用范圍較廣；速度可達(dá)50 m/ s，速比可達(dá)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(rùn)滑。

3.調(diào)速電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)的主傳動(dòng)系統(tǒng)

如圖9. 1（c）所示，其優(yōu)點(diǎn)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(dòng)機(jī)的輸出特性完全一致，因而使用受到限制。

將調(diào)速電動(dòng)機(jī)與主軸合成一塊（電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子軸即為機(jī)床主軸），這是近年來(lái)新出現(xiàn)的一種結(jié)構(gòu)。這種變速方式大大簡(jiǎn)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(dòng)機(jī)發(fā)熱對(duì)主軸精度影響較大。從直流主軸電動(dòng)機(jī)的速度與轉(zhuǎn)矩關(guān)系中可以看出，在低于額定轉(zhuǎn)速時(shí)為恒轉(zhuǎn)矩輸出，高于額定轉(zhuǎn)矩時(shí)為恒功率輸出，使用這種電動(dòng)機(jī)可實(shí)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(shí)現(xiàn)修調(diào)輸入、速度和負(fù)載測(cè)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?yàn)閿?shù)控機(jī)床的坐標(biāo)原點(diǎn)常設(shè)定在主軸前端。為了減少熱膨脹造成的坐標(biāo)原點(diǎn)位移，應(yīng)盡量縮短坐標(biāo)原點(diǎn)至推力支撐之間的距離。主軸上的切削力是通過(guò)支撐裝置而傳遞給機(jī)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(yùn)動(dòng)時(shí)承受切削力，同時(shí)保證主軸運(yùn)動(dòng)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(lái)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(diǎn)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(jī)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(jī)床的主軸部件多采用成組高精度滾動(dòng)軸承，重型數(shù)控機(jī)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(dòng)軸承。

數(shù)控機(jī)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(jī)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(jī)床強(qiáng)力切削的要求，所以目前各類(lèi)數(shù)控機(jī)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(shí)性能良好，主軸最高轉(zhuǎn)速可達(dá)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(jī)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(dòng)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(jī)床主軸。

三、主軸部件的日常保養(yǎng)

主軸部件是數(shù)控機(jī)床機(jī)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(dòng)裝夾和切屑清除裝置組成。

數(shù)控機(jī)床主軸部件的潤(rùn)滑、冷卻與密封是機(jī)床使用和維護(hù)過(guò)程中值得重視的幾個(gè)問(wèn)題：

①良好的潤(rùn)滑效果，可以降低軸承的工作溫度和延長(zhǎng)使用壽命；為此，在操作使用中要注意：低速時(shí)，采用油脂、油液循環(huán)潤(rùn)滑；高速時(shí)，采用油霧、油氣潤(rùn)滑方式。但是，在采用油脂潤(rùn)滑時(shí)，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?yàn)橛椭^(guò)多，會(huì)加劇主軸發(fā)熱。對(duì)于油液循環(huán)潤(rùn)滑，在操作使用中要做到每天檢查主軸潤(rùn)滑恒溫油箱，看油量是否充足，如果油量不夠，則應(yīng)及時(shí)添加潤(rùn)滑油；同時(shí)要注意檢查潤(rùn)滑油溫度范圍是否合適。

為了保證數(shù)控機(jī)床主軸有良好的潤(rùn)滑，減少摩擦發(fā)熱，同時(shí)又能把主軸組件的熱量帶走，通常采用循環(huán)式潤(rùn)滑系統(tǒng)，用液壓泵強(qiáng)力供油潤(rùn)滑，使用油溫控制器控制油箱油液溫度。高檔數(shù)控機(jī)床主軸軸承采用了高級(jí)油脂封存方式潤(rùn)滑，每加一次油脂可以使用7～10年。新型的潤(rùn)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(jiàn)主軸潤(rùn)滑方式有兩種，油氣潤(rùn)滑方式近似于油霧潤(rùn)滑方式，但油霧潤(rùn)滑方式是連續(xù)供給油霧，而油氣潤(rùn)滑則是定時(shí)定量地把油霧送進(jìn)軸承空隙中，這樣既實(shí)現(xiàn)了油霧潤(rùn)滑，又避免了油霧太多而污染周?chē)諝狻娮?rùn)滑方式是用較大流量的恒溫油（每個(gè)軸承3～4 L/ min）噴注到主軸軸承，以達(dá)到潤(rùn)滑、冷卻的目的。這里較大流量噴注的油必須靠排油泵強(qiáng)制排油，而不是自然回流。同時(shí)，還要采用專(zhuān)用的大容量高精度恒溫油箱，油溫變動(dòng)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(jìn)入主軸部件，還要防止?jié)櫥偷男孤Ｖ鬏S部件的密封有接觸式和非接觸式密封。對(duì)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(duì)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(shí)施

基本任務(wù)　數(shù)控銑床開(kāi)機(jī)后主軸不轉(zhuǎn)

參考設(shè)備說(shuō)明書(shū)，發(fā)現(xiàn)該數(shù)控銑床采用三相交流變頻電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，由V帶傳動(dòng)、調(diào)速，主軸由滾動(dòng)軸承支撐。主軸不轉(zhuǎn)的原因一般有電動(dòng)機(jī)損壞、傳動(dòng)鍵損壞、V帶松動(dòng)、制動(dòng)器損壞、軸承損壞等，需對(duì)以上部件進(jìn)行逐一診斷排查。按照傳動(dòng)的先后順序，從電動(dòng)機(jī)開(kāi)始進(jìn)行檢查。具體實(shí)施過(guò)程是：打開(kāi)機(jī)床主軸箱，在斷電狀態(tài)下，檢查電動(dòng)機(jī)各項(xiàng)參數(shù)正常；檢查傳動(dòng)鍵，發(fā)現(xiàn)并沒(méi)有損壞；拆下傳動(dòng)軸觀察軸承，發(fā)現(xiàn)軸承缺乏潤(rùn)滑油而損壞，將其拆下更換，用手盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)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(kuò)展

故障現(xiàn)象：在生產(chǎn)加工中，某臺(tái)數(shù)控車(chē)床開(kāi)機(jī)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(chē)床的主傳動(dòng)系統(tǒng)一般采用交流主軸電動(dòng)機(jī)，通過(guò)帶傳動(dòng)或主軸箱內(nèi)2～4級(jí)齒輪變速傳動(dòng)主軸。由于這種電動(dòng)機(jī)調(diào)速范圍寬而且又可無(wú)級(jí)調(diào)速，因此大大地簡(jiǎn)化了主軸箱結(jié)構(gòu)。主軸電動(dòng)機(jī)在額定轉(zhuǎn)速時(shí)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(dòng)機(jī)通過(guò)兩級(jí)塔輪直接帶動(dòng)，并由電氣系統(tǒng)無(wú)級(jí)調(diào)速。由于主傳動(dòng)鏈中沒(méi)有齒輪，故噪聲很小。

圖9. 3所示為CK7815型數(shù)控車(chē)床的主軸箱展開(kāi)圖。電動(dòng)機(jī)通過(guò)帶輪1，2和三聯(lián)V帶帶動(dòng)主軸。

傳動(dòng)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(dòng)時(shí)，齒形帶兼有帶傳動(dòng)、齒輪傳動(dòng)及鏈傳動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)，無(wú)相對(duì)滑動(dòng)，無(wú)需特別張緊，傳動(dòng)效率高；平均傳動(dòng)比準(zhǔn)確，傳動(dòng)精度較高；有良好的減振性能，無(wú)噪聲，無(wú)需潤(rùn)滑，傳動(dòng)平穩(wěn)；帶的強(qiáng)度高、厚度小、質(zhì)量小、故可用于高速傳動(dòng)。采用多楔帶傳動(dòng)時(shí)，多楔帶綜合了V帶和平帶的優(yōu)點(diǎn)，是一次成形的，不會(huì)因長(zhǎng)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(dá)40 m/ min。

圖9.3　CK7815型數(shù)控車(chē)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(kāi)機(jī)床主軸箱，在斷電狀態(tài)下，檢查電動(dòng)機(jī)運(yùn)行良好；檢查傳動(dòng)鍵，發(fā)現(xiàn)機(jī)床主軸與V帶帶輪間的傳動(dòng)鍵松動(dòng)，重新安裝好，主軸正常運(yùn)行，故障排除。

子任務(wù)2　加工中心刀具無(wú)法夾緊或松開(kāi)

◎任務(wù)提出

加工中心區(qū)別于普通數(shù)控機(jī)床的最顯著的特點(diǎn)就是多工序集中加工，主傳動(dòng)系統(tǒng)所具備的自動(dòng)換刀功能正是實(shí)現(xiàn)這一目的的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。在加工中心的加工過(guò)程中有時(shí)會(huì)出現(xiàn)刀具無(wú)法夾緊或松開(kāi)的故障，此時(shí)，加工過(guò)程被迫中止，影響加工效率。為解決這一類(lèi)故障的發(fā)生，需要掌握主軸準(zhǔn)停裝置與刀具自動(dòng)夾緊機(jī)構(gòu)的機(jī)械結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)，運(yùn)用故障診斷方法逐級(jí)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(jī)械特點(diǎn)；

2.掌握加工中心刀具自動(dòng)夾緊機(jī)構(gòu)；

3.能夠判斷換刀故障的發(fā)生部位。

◎相關(guān)知識(shí)

一、加工中心的主軸部件

圖9. 4為JCS-018A主軸箱結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。如圖所示，1為主軸，主軸的前支承4配置了3個(gè)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(gè)軸承大口朝下，后面1個(gè)軸承大口朝上。前支承按預(yù)加載荷計(jì)算的預(yù)緊量由螺母5來(lái)調(diào)整。后支承6為一對(duì)小口相對(duì)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(lèi)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(zhǎng)，不影響加工精度。

圖9.4　JCS-018A主軸箱結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(dòng)夾緊機(jī)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(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)變速，而且具有較高的精度與剛度，傳動(dòng)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(shí)，會(huì)使主軸產(chǎn)生振動(dòng)，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(jìn)行循環(huán)潤(rùn)滑等，即具有良好的抗振性和熱穩(wěn)定性；為保證加工過(guò)程連續(xù)實(shí)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(dòng)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(dòng)夾緊機(jī)構(gòu)，主要由拉桿7、拉桿端部的4個(gè)鋼球3、碟形彈簧8、活塞10、液壓缸11等組成。機(jī)床執(zhí)行換刀指令，機(jī)械手從主軸拔刀時(shí)，主軸需松開(kāi)道具。這時(shí)液壓缸上腔通壓力油，活塞推動(dòng)拉桿向下移動(dòng)，使蝶形彈簧壓縮，鋼球進(jìn)入主軸錐孔上端的槽內(nèi)，刀柄尾部的拉釘2被松開(kāi)，機(jī)械手拔刀。之后，壓縮空氣進(jìn)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(jī)械手將下一把刀具插入主軸后，液壓缸上腔無(wú)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(guò)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(jī)械式主軸準(zhǔn)停裝置

1—無(wú)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)；2—感應(yīng)塊；3—凸輪定位盤(pán)；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(jī)床的切削轉(zhuǎn)矩由主軸上的端面鍵來(lái)傳遞，每次機(jī)械手自動(dòng)裝取刀具時(shí)，必須保證刀柄上的鍵槽對(duì)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(jì)的裝置稱(chēng)為主軸準(zhǔn)停裝置或稱(chēng)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(jī)械式和電氣式兩種。

圖9. 6所示機(jī)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(dòng)機(jī)以低速轉(zhuǎn)動(dòng)，主軸箱內(nèi)齒輪換擋使主軸以低速旋轉(zhuǎn)，時(shí)間繼電器開(kāi)始動(dòng)作，并延時(shí)4至6 s，保證主軸轉(zhuǎn)穩(wěn)后接通無(wú)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)1的電源，當(dāng)主軸轉(zhuǎn)到圖示位置即凸輪定位盤(pán)3上的感應(yīng)塊2與無(wú)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)1相接觸后發(fā)出信號(hào)，使主軸電動(dòng)機(jī)停轉(zhuǎn)。另一延時(shí)繼電器延時(shí)0. 2至0. 4 s后，壓力油進(jìn)入定位液壓缸下腔，使定向活塞向左移動(dòng)，當(dāng)定向活塞上的定向滾輪5頂入凸輪定位盤(pán)的凹槽內(nèi)時(shí)，行程開(kāi)關(guān)LS2發(fā)出信號(hào)，主軸準(zhǔn)停完成。若延時(shí)繼電器延時(shí)1 s后行程開(kāi)關(guān)LS2仍不發(fā)信號(hào)，說(shuō)明準(zhǔn)停沒(méi)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(shí)，行程開(kāi)關(guān)LSl發(fā)出滾輪5退出凸輪定位盤(pán)凹槽的信號(hào)，此時(shí)主軸可啟動(dòng)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(dòng)機(jī)；4—永久磁鐵；5—磁傳感器

機(jī)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(hào)主軸就可以準(zhǔn)確地定向。如常用磁力傳感器檢測(cè)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(gè)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(gè)磁傳感器5，當(dāng)銑床主軸需要停車(chē)換刀時(shí)，數(shù)控裝置發(fā)出主軸停轉(zhuǎn)的指令，主軸電動(dòng)機(jī)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(duì)準(zhǔn)磁傳感器5時(shí)，磁傳感器發(fā)出準(zhǔn)停信號(hào)，此信號(hào)經(jīng)放大后，由定向電路使電動(dòng)機(jī)準(zhǔn)確地停止在規(guī)定的周向位置上。這種準(zhǔn)停裝置機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，發(fā)磁體與磁感傳感器間沒(méi)有接觸摩擦，準(zhǔn)停的定位精度可達(dá)±1°，能滿足一般換刀要求。而且定向時(shí)間短，可靠性較高。

四、加工中心自動(dòng)換刀裝置的液壓傳動(dòng)系統(tǒng)

液壓系統(tǒng)傳動(dòng)功率大、效率高、運(yùn)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(dòng)。在加工中心上主要實(shí)現(xiàn)鏈?zhǔn)降稁?kù)的刀鏈驅(qū)動(dòng)、上下移動(dòng)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(dòng)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(gè)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(duì)系統(tǒng)的影響，避免機(jī)械部件的沖擊損壞。壓力開(kāi)關(guān)TK1用以檢測(cè)液壓系統(tǒng)的狀態(tài)，如壓力達(dá)到預(yù)定值，則發(fā)出液壓系統(tǒng)壓力正常的信號(hào)，該信號(hào)作為CNC系統(tǒng)開(kāi)啟后PLC高級(jí)報(bào)警程序自檢的首要檢測(cè)對(duì)象。如YK1無(wú)信號(hào)，PLC自檢發(fā)出報(bào)警信號(hào)，整個(gè)數(shù)控系統(tǒng)的動(dòng)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(kāi)關(guān)；1—液壓泵；2、9—止回閥；3、6—壓力開(kāi)關(guān)；4—液壓馬達(dá)；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(dòng)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(dòng)支路

VP1050加工中心配備24刀位的鏈?zhǔn)降稁?kù)，為節(jié)省換刀時(shí)間，選刀采用就近原則。在換刀時(shí)，由雙向液壓馬達(dá)4拖動(dòng)刀鏈?zhǔn)顾x刀位移動(dòng)到機(jī)械手抓刀位置。液壓馬達(dá)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(jìn)行運(yùn)算后，發(fā)信號(hào)給PLC控制HF1，用HF1不同的得電方式對(duì)液壓馬達(dá)4進(jìn)行不同轉(zhuǎn)向的控制。刀鏈不需驅(qū)動(dòng)時(shí)，HF1失電，處于中位截止?fàn)顟B(tài)，液壓馬達(dá)4停止。刀鏈到位信號(hào)由感應(yīng)開(kāi)關(guān)發(fā)出。

2.主軸箱配重支路

VP1050加工中心Z軸進(jìn)給是由主軸箱做上下移動(dòng)實(shí)現(xiàn)的，為消除主軸箱自重對(duì)Z軸伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)Z向移動(dòng)的精度和控制的影響，機(jī)床采用兩個(gè)液壓缸進(jìn)行配重。主軸箱向上移動(dòng)時(shí)，高壓油通過(guò)止回閥9和直動(dòng)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(dòng)時(shí)，液壓缸下腔高壓油通過(guò)減壓閥7進(jìn)行適當(dāng)減壓。壓力開(kāi)關(guān)YK2用于檢測(cè)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(jī)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(kāi)。機(jī)床在不換刀時(shí)，單電控兩位四通電磁換向閥HF2失電，控制高壓油進(jìn)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(kāi)關(guān)LS2檢測(cè)松刀缸上位信號(hào)；當(dāng)主軸需要換刀時(shí)，通過(guò)手動(dòng)或自動(dòng)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(kāi)刀柄拉釘，刀柄脫離主軸，松刀缸運(yùn)動(dòng)到位后感應(yīng)開(kāi)關(guān)LS1發(fā)出到位信號(hào)并提供給PLC使用，協(xié)調(diào)刀庫(kù)、機(jī)械手等其他機(jī)構(gòu)完成換刀操作。

4.高低速轉(zhuǎn)換支路

VP1050主軸傳動(dòng)鏈中，通過(guò)一級(jí)雙聯(lián)滑移齒輪進(jìn)行高低速轉(zhuǎn)換。在由高速向低速轉(zhuǎn)換時(shí)，主軸電動(dòng)機(jī)接收到數(shù)控系統(tǒng)的調(diào)速信號(hào)后，減低電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速到額定值，然后進(jìn)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(guò)推動(dòng)撥叉控制主軸變速箱交換齒輪的位置，來(lái)實(shí)現(xiàn)主軸高低速的自動(dòng)轉(zhuǎn)換。高速、低速齒輪位置信號(hào)分別由感應(yīng)開(kāi)關(guān)LS3、LS4向PLC發(fā)送。

當(dāng)機(jī)床停機(jī)或控制系統(tǒng)有故障時(shí)，液壓系統(tǒng)通過(guò)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(yùn)轉(zhuǎn)的主軸傳動(dòng)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(shí)的沖擊振動(dòng)。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(shí)施

基本任務(wù)　加工中心刀具無(wú)法夾緊或松開(kāi)

刀具無(wú)法夾緊或松開(kāi)，是指刀具夾不緊掉刀或刀具夾緊后松不開(kāi)，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(dòng)，刀具超重等。刀具夾緊后松不開(kāi)的原因可能有：松刀彈簧壓合過(guò)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(kāi)機(jī)床主軸箱，檢查刀具松夾彈簧上的螺母是否松動(dòng)，若松動(dòng)，順時(shí)針旋轉(zhuǎn)松夾彈簧上的螺母，使其最大作用載荷達(dá)到要求。若沒(méi)有松動(dòng)，可檢查是否為蝶形彈簧位移量小，調(diào)整蝶形彈簧行程長(zhǎng)度進(jìn)行檢測(cè)。

2.刀具夾緊后松不開(kāi)

打開(kāi)機(jī)床主軸箱，檢查是否為刀具松夾彈簧上的螺母壓合過(guò)緊，可逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)松夾彈簧上的螺母，試運(yùn)行機(jī)床，觀察故障是否排除。再檢查液壓缸壓力是否達(dá)到機(jī)床說(shuō)明書(shū)規(guī)定的要求，若壓力達(dá)標(biāo)，可調(diào)整液壓缸活塞行程開(kāi)關(guān)位置進(jìn)行故障檢測(cè)。

◎任務(wù)擴(kuò)展

故障現(xiàn)象：機(jī)床主軸調(diào)速上采用的是齒輪分擋加電動(dòng)機(jī)無(wú)級(jí)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(jī)床運(yùn)行過(guò)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(duì)應(yīng)液壓系統(tǒng)中的變速液壓缸無(wú)向上推動(dòng)變速齒輪的動(dòng)作，并且一直保持在此動(dòng)作的重復(fù)執(zhí)行中。

故障分析：根據(jù)液壓系統(tǒng)圖對(duì)應(yīng)的線路進(jìn)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(shí)，液壓系統(tǒng)經(jīng)過(guò)KA1液壓閥左側(cè)向潤(rùn)滑分油器供油。當(dāng)要求換刀時(shí)，需要KA1，KA2同時(shí)得電，油路經(jīng)過(guò)KA1右側(cè)、KA2右側(cè)，向拉刀機(jī)構(gòu)上方供油，實(shí)現(xiàn)換刀過(guò)程。當(dāng)要求高速向低速轉(zhuǎn)換時(shí)，僅僅需要KA1得電，油路經(jīng)過(guò)KA1右側(cè)、KA3左側(cè)，將變速液壓缸從上往下作用，實(shí)現(xiàn)換擋過(guò)程。當(dāng)要求低速向高速轉(zhuǎn)換時(shí)，需要KA1，KA3同時(shí)得電，油路經(jīng)過(guò)KA1右側(cè)、KA3右側(cè)，將變速液壓缸從下往上作用，實(shí)現(xiàn)換擋過(guò)程。

圖9.9　數(shù)控機(jī)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(jìn)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(guò)程的安全。如果齒輪沒(méi)有對(duì)插到正確位置，KA1，KA3長(zhǎng)時(shí)間得電，將導(dǎo)致兩變速齒輪齒側(cè)相互擠壓，損壞機(jī)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(duì)插嚙合的順利進(jìn)行。

經(jīng)過(guò)分析并討論：由于機(jī)床使用時(shí)間較長(zhǎng)，液壓系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間變大，在原先設(shè)定的振蕩時(shí)間內(nèi)未能產(chǎn)生足夠的壓力推動(dòng)換擋齒輪變速。即在原先設(shè)定的振蕩時(shí)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(dòng)變速齒輪動(dòng)作，振蕩時(shí)間到達(dá)后，系統(tǒng)要求KA1，KA3液壓閥失電，進(jìn)行保護(hù)，液壓缸卸壓，導(dǎo)致?lián)Q擋失敗，系統(tǒng)檢測(cè)換擋未完成，要求重復(fù)以上動(dòng)作，進(jìn)入死循環(huán)（復(fù)位、急停鍵均不起作用，需要斷電重新啟動(dòng)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(shí)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(dòng)作恢復(fù)正常。

任務(wù)2　數(shù)控機(jī)床進(jìn)給傳動(dòng)部件的故障診斷與維修

機(jī)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(lái)經(jīng)濟(jì)損失。所以在加工過(guò)程中，需要保證機(jī)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(jī)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(jī)床加工零件的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)時(shí)有尺寸超差零件，排除了工藝參數(shù)的原因后，對(duì)機(jī)床進(jìn)行檢測(cè)，找出故障點(diǎn)，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(diǎn)；

2.掌握主軸軸承的配置形式；

3.認(rèn)識(shí)數(shù)控機(jī)床的導(dǎo)軌副。

◎相關(guān)知識(shí)

一、數(shù)控機(jī)床進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)

進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)將實(shí)現(xiàn)工作臺(tái)的直線或旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的進(jìn)給和定位，保證系統(tǒng)的運(yùn)行精度和質(zhì)量。因此，要求數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)具有更高的傳動(dòng)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(dá)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(dòng)系統(tǒng)達(dá)到這樣的要求，對(duì)驅(qū)動(dòng)裝置機(jī)械結(jié)構(gòu)總的要求是消除間隙、減少摩擦、減少運(yùn)動(dòng)慣量、提高部件精度和剛度。通常采用低摩擦的傳動(dòng)副，如滾珠絲杠、減摩滑動(dòng)導(dǎo)軌、滾動(dòng)導(dǎo)軌及靜壓導(dǎo)軌等。

1.進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)

（1）進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

數(shù)控銑床的進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)如圖9. 10所示，由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，經(jīng)齒輪傳動(dòng)帶動(dòng)滾珠絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)工作臺(tái)的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。

圖9.10　數(shù)控機(jī)床進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)

1—伺服電動(dòng)機(jī)；2—聯(lián)軸器；3—螺母；4、6—軸承；5—絲杠

（2）對(duì)進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)的要求

1）調(diào)速范圍要寬

在各種數(shù)控機(jī)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(jìn)給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)必須具有足夠?qū)挼臒o(wú)級(jí)調(diào)速范圍（通常大于1∶10 000）。尤其在低速（如＜0. 1 r/ min）時(shí)，要仍能平滑運(yùn)動(dòng)而無(wú)爬行現(xiàn)象。

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

2）定位精度要高

使用數(shù)控機(jī)床主要是為了保證加工質(zhì)量的穩(wěn)定性、一致性，減少?gòu)U品率；解決復(fù)雜曲面零件的加工問(wèn)題；解決復(fù)雜零件的加工精度問(wèn)題，縮短制造周期等。數(shù)控機(jī)床是按預(yù)定的程序自動(dòng)進(jìn)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(méi)有預(yù)料到的情況。就是說(shuō)，數(shù)控機(jī)床不能像普通機(jī)床那樣，可隨時(shí)用手動(dòng)操作來(lái)調(diào)整和補(bǔ)償各種因素對(duì)加工精度的影響。因此，要求進(jìn)給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)具有較好的靜態(tài)特性和較高的剛度，從而達(dá)到較高的定位精度，以保證機(jī)床具有較小的定位誤差與重復(fù)定位誤差（目前進(jìn)給伺服系統(tǒng)的分辨率可達(dá)1 μm或0. 1 μm，甚至0. 01 μm）；同時(shí)進(jìn)給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)還要具有較好的動(dòng)態(tài)性能，以保證機(jī)床具有較高的輪廓跟隨精度。

3）快速響應(yīng)，無(wú)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(hào)的響應(yīng)要快。一方面，在啟、制動(dòng)時(shí)，要求加、減加速度足夠大，以縮短進(jìn)給系統(tǒng)的過(guò)渡過(guò)程時(shí)間，減小輪廓過(guò)渡誤差。一般電動(dòng)機(jī)的速度從零變到最高轉(zhuǎn)速，或從最高轉(zhuǎn)速降至零的時(shí)間在200 ms以?xún)?nèi)，甚至小于幾十ms，這就要求進(jìn)給系統(tǒng)要快速響應(yīng)，但又不能超調(diào)，否則將形成過(guò)切，影響加工質(zhì)量；另一方面，當(dāng)負(fù)載突變時(shí)，要求速度的恢復(fù)時(shí)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(guò)載能力強(qiáng)

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

5）可靠性高

數(shù)控機(jī)床，特別是自動(dòng)生產(chǎn)線上的設(shè)備要求具有長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)穩(wěn)定工作的能力，同時(shí)數(shù)控機(jī)床的維護(hù)、維修也較復(fù)雜，因此，要求數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)可靠性高、工作穩(wěn)定性好，具有較強(qiáng)的溫度、濕度、振動(dòng)等環(huán)境適應(yīng)能力，具有很強(qiáng)的抗干擾的能力。

2.滾珠絲杠螺母副

（1）工作原理及特點(diǎn)

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(yùn)動(dòng)與直線運(yùn)動(dòng)相互轉(zhuǎn)換的傳動(dòng)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(jī)械元件。其作用是將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€運(yùn)動(dòng)，或逆向由直線運(yùn)動(dòng)變?yōu)樾D(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。絲杠、螺母之間用滾珠做滾動(dòng)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(dòng)摩擦，因而大大地減小了摩擦阻力，提高了傳動(dòng)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(dòng)。

滾珠絲杠螺母副的優(yōu)點(diǎn)：

①傳動(dòng)效率高，摩擦損失小。滾珠絲杠螺母副的傳動(dòng)效率η=0. 92～0. 96，可實(shí)現(xiàn)高速運(yùn)動(dòng)。

②運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)無(wú)爬行。由于摩擦阻力小，動(dòng)、靜摩擦系數(shù)之差極小，故運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，不易出現(xiàn)爬行現(xiàn)象。

③傳動(dòng)精度高，反向時(shí)無(wú)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(zhǎng)。

⑤具有運(yùn)動(dòng)的可逆性?？梢詫⑿D(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成直線運(yùn)動(dòng)，也可將直線運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，即絲杠和螺母均可作主動(dòng)件或從動(dòng)件。

滾珠絲杠螺母副的缺點(diǎn)：

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(dòng)，會(huì)因部件的自重而自動(dòng)下降。當(dāng)部件向下運(yùn)動(dòng)且切斷動(dòng)力源時(shí)，由于部件的自重和慣性，不能立即停止運(yùn)動(dòng)，因此必須增加制動(dòng)裝置。

（2）滾珠的循環(huán)方式

1）外循環(huán)

滾珠在循環(huán)過(guò)程結(jié)束后通過(guò)螺母外表面上的螺旋槽或插管返回絲杠螺母間重新進(jìn)入循環(huán)，如圖9. 12所示。圖示為常見(jiàn)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(guò)插管，形成滾珠的多圈循環(huán)鏈。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(dòng)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(jìn)給系統(tǒng)，不宜用于重載傳動(dòng)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(dòng)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(gè)螺母的相對(duì)軸向位移，使每個(gè)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(shí)，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(shí)，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(jìn)給系統(tǒng)要獲得較高的傳動(dòng)精度，除了加強(qiáng)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(qiáng)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(tái)式銑床的垂直坐標(biāo)進(jìn)給傳動(dòng)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(zhǎng)的情況，當(dāng)然變形造成絲杠伸長(zhǎng)時(shí)，其一端固定，另一端能做微量的軸向浮動(dòng)。為減少絲杠熱變形的影響，安裝時(shí)應(yīng)使電動(dòng)機(jī)熱源和絲杠工作時(shí)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(duì)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(jì)時(shí)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(jī)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(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)，在很大程度上決定數(shù)控機(jī)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(jī)床的加工精度和承載能力。因此，數(shù)控機(jī)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(jī)床在高速進(jìn)給時(shí)不振動(dòng)、低速進(jìn)給時(shí)不爬行等特性。此外，導(dǎo)軌還要結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工藝性好，便于加工、裝配、調(diào)整和維修。目前數(shù)控機(jī)床使用的導(dǎo)軌主要有3種：塑料滑動(dòng)導(dǎo)軌、滾動(dòng)導(dǎo)軌和靜壓導(dǎo)軌。

（1）塑料滑動(dòng)導(dǎo)軌

目前，數(shù)控機(jī)床所使用的滑動(dòng)導(dǎo)軌材料為鑄鐵對(duì)塑料或鑲鋼對(duì)塑料滑動(dòng)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(lèi)。

1）聚四氟乙烯導(dǎo)軌軟帶的特點(diǎn)

①摩擦特性好：金屬—聚四氟乙烯導(dǎo)軌軟帶的動(dòng)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(rùn)滑作用，對(duì)潤(rùn)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(zhǎng)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(yùn)動(dòng)速度。

④工藝性好：可降低對(duì)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(jī)床的運(yùn)動(dòng)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(shù)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(guó)生產(chǎn)的SKC3和我國(guó)生產(chǎn)的HNT環(huán)氧型耐磨涂層都具有以下特點(diǎn)：

①良好的加工性：可經(jīng)車(chē)、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(jiǎn)單。

（2）滾動(dòng)導(dǎo)軌

滾動(dòng)導(dǎo)軌作為滾動(dòng)摩擦副的一類(lèi)，具有以下特點(diǎn)：

①摩擦因數(shù)小（0. 003～0. 005），運(yùn)動(dòng)靈活。

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

③可以預(yù)緊，剛度高。

④壽命長(zhǎng)。

⑤精度高。

⑥潤(rùn)滑方便，可以采用脂潤(rùn)滑，一次填裝，長(zhǎng)期使用。

⑦由專(zhuān)業(yè)廠生產(chǎn)，可以外購(gòu)選用。

因此滾動(dòng)導(dǎo)軌副被廣泛應(yīng)用于精密機(jī)床、數(shù)控機(jī)床、測(cè)量機(jī)和測(cè)量?jī)x器上。滾動(dòng)導(dǎo)軌副的主要缺點(diǎn)是抗沖擊載荷的能力較差，且滾動(dòng)導(dǎo)軌副對(duì)灰塵屑末等較敏感，應(yīng)有良好的防護(hù)罩。

直線滾動(dòng)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(duì)移動(dòng)時(shí)，滾動(dòng)體在導(dǎo)軌體和滑塊之間的圓弧直槽內(nèi)滾動(dòng)，并通過(guò)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(dòng)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(dòng)變成滾動(dòng)體的滾動(dòng)。為防止灰塵和臟物進(jìn)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(rùn)滑油杯。最近新出現(xiàn)的一種在滑塊兩端裝有自動(dòng)潤(rùn)滑的滾動(dòng)導(dǎo)軌，使用時(shí)無(wú)須再配潤(rùn)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(kāi)，實(shí)現(xiàn)液體摩擦。這種導(dǎo)軌的摩擦因數(shù)小（約0. 000 5），機(jī)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(huì)磨損，壽命長(zhǎng)，而且在低速下運(yùn)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(kāi)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(jī)

（1）線性直接驅(qū)動(dòng)的概念

線性直接驅(qū)動(dòng)技術(shù)是采用沿直線導(dǎo)軌移動(dòng)的直線電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)固定或可直接變長(zhǎng)度的桿件。線性直接驅(qū)動(dòng)與旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)（滾珠絲杠）驅(qū)動(dòng)的很本區(qū)別在于：直線電動(dòng)機(jī)所產(chǎn)生的力直接作用于移動(dòng)部件，中間沒(méi)有通過(guò)任何有柔度的機(jī)械傳動(dòng)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(dòng)系統(tǒng)的慣性矩，提高系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)速度、加速度和精度，避免振動(dòng)的產(chǎn)生。與此同時(shí)，由于動(dòng)態(tài)性能好，可以獲得較高的運(yùn)動(dòng)精度。如果采用拼裝的次級(jí)部件，還可以實(shí)現(xiàn)很長(zhǎng)的直線運(yùn)動(dòng)距離。此外，運(yùn)動(dòng)功率的傳遞是非接觸的，因此沒(méi)有機(jī)械磨損。

但是，直線電動(dòng)機(jī)最根本的缺點(diǎn)是發(fā)熱較多、效率低下。因此，直線電動(dòng)機(jī)通常必須采用循環(huán)強(qiáng)制冷卻以及隔熱措施，才不會(huì)導(dǎo)致機(jī)床熱變形。

（2）直線電動(dòng)機(jī)的原理和性能

直線電動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)的基本形式。它的工作原理是將旋轉(zhuǎn)感應(yīng)異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子和定子之間的電磁作用力從圓周展開(kāi)為平面。如圖9. 15所示，對(duì)應(yīng)于旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)的定子部分，稱(chēng)之為直線電動(dòng)機(jī)的初級(jí)；對(duì)應(yīng)于旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子部分，稱(chēng)之為直線電動(dòng)機(jī)的次級(jí)。當(dāng)多項(xiàng)交變電流通入多相對(duì)稱(chēng)繞組時(shí)，就會(huì)在直線電動(dòng)機(jī)初級(jí)和次級(jí)之間的氣隙中產(chǎn)生一個(gè)行波磁場(chǎng)，從而使初級(jí)和次級(jí)之間產(chǎn)生相對(duì)移動(dòng)。當(dāng)然，二者之間也存在一個(gè)垂直力，可以是吸引力，也可以是推斥力。

圖9.15　直線電動(dòng)機(jī)的工作原理

圖9.16　西門(mén)子1FN1系列直線電動(dòng)機(jī)的外觀

（3）直線電動(dòng)機(jī)的冷卻

直線電動(dòng)機(jī)的功率損失主要產(chǎn)生在初級(jí)繞組。由于電流密度大，溫升可能高達(dá)120℃，必須采用循環(huán)水冷卻。次級(jí)的渦流損失取決于電流頻率（運(yùn)動(dòng)速度）相對(duì)較小。例如，1FN1 246系列直線電動(dòng)機(jī)在正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，初級(jí)功率損失（PV1）約為5 400 W，而次級(jí)功率損失（PV2）僅為50 W左右。因此，初級(jí)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(shí)，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(dòng)機(jī)的冷卻回路和隔熱措施如圖9. 17所示。

圖9.17　1FN1直線電動(dòng)機(jī)的散熱機(jī)理

從圖可見(jiàn)，主冷卻回路是裝在初級(jí)部件里面的，也稱(chēng)為內(nèi)冷卻回路，它能夠帶走功率損失PV190%的熱量，保護(hù)初級(jí)繞組不至于過(guò)熱。直線電動(dòng)機(jī)的持續(xù)驅(qū)動(dòng)力FN與溫升有關(guān)，當(dāng)沒(méi)有冷卻或水箱溫度高于35℃時(shí)，直線電動(dòng)機(jī)的持續(xù)驅(qū)動(dòng)力FN將明顯下降。

在初級(jí)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(jí)部件之間還有一層隔熱材料。次級(jí)部件與機(jī)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(jī)床的床身

數(shù)控機(jī)床基礎(chǔ)件包括床身、立柱、橫梁、工作臺(tái)、刀架等結(jié)構(gòu)件，構(gòu)成了機(jī)床的基本框架，而數(shù)控機(jī)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(duì)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(duì)床身的基本要求

數(shù)控機(jī)床的床身是整個(gè)機(jī)床的基礎(chǔ)支承件，一般用來(lái)放置導(dǎo)軌、主軸箱等重要部件。為了滿足數(shù)控機(jī)床高速度、高精度、高生產(chǎn)率、高可靠性和高自動(dòng)化程度的要求，與普通機(jī)床相比，數(shù)控機(jī)床應(yīng)有更高的靜、動(dòng)剛度，更好的抗振性。對(duì)數(shù)控機(jī)床床身主要在以下3個(gè)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(yùn)動(dòng)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(zhǎng)時(shí)間保持。

（2）應(yīng)具有足夠的靜、動(dòng)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(dá)到有較高的剛度—質(zhì)量比。動(dòng)剛度直接反映機(jī)床的動(dòng)態(tài)特性，為了保證機(jī)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(dòng)及自激振動(dòng)的能力，可以通過(guò)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(dòng)而產(chǎn)生的噪聲。

（3）較好的熱穩(wěn)定性

對(duì)數(shù)控機(jī)床來(lái)說(shuō)，熱穩(wěn)定性已成了一個(gè)突出問(wèn)題，必須在設(shè)計(jì)上做到使整機(jī)的熱變形較小，或使熱變形對(duì)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(jī)床的類(lèi)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(chē)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(lèi)型。另外，斜床身結(jié)構(gòu)還能設(shè)計(jì)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(lèi)數(shù)控機(jī)床的床身結(jié)構(gòu)與數(shù)控車(chē)床有所不同，加工中心的床身有固定立柱式和移動(dòng)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(kāi)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(lái)很大不便，尤其是大中型機(jī)床的整體床身，制造時(shí)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(shí)用定位鍵和專(zhuān)用定位銷(xiāo)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(tái)在橫溜板上移動(dòng)到達(dá)行程的兩端時(shí)容易出現(xiàn)翹曲，這將影響加工精度。為了避免工作臺(tái)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(jī)床的床身通常為箱體結(jié)構(gòu)，合理設(shè)計(jì)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(duì)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(jìn)行設(shè)計(jì)的，滿足床身剛度和抗振性要求，V形肋有利于加強(qiáng)導(dǎo)軌支承部分的剛度，斜方肋和對(duì)角肋結(jié)構(gòu)可明顯增強(qiáng)床身的扭轉(zhuǎn)剛度，并且便于設(shè)計(jì)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(duì)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(jī)床中應(yīng)用越來(lái)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(diǎn)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(jì)靈活，便于產(chǎn)品更新、改進(jìn)結(jié)構(gòu)。焊接件能達(dá)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(dòng)剛度。床身的靜剛度直接影響機(jī)床的加工精度及其生產(chǎn)率。靜剛度和固有頻率，是影響動(dòng)剛度的重要因素。合理設(shè)計(jì)床身的肋板結(jié)構(gòu)，可提高床身的剛度。

◎任務(wù)實(shí)施

基本任務(wù)　加工零件尺寸不穩(wěn)定

由機(jī)床自身造成加工零件尺寸超差，可能是因?yàn)橹鱾鲃?dòng)系統(tǒng)中的齒輪或軸承損壞造成的機(jī)床主軸擺動(dòng)、進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)中滾珠絲杠螺母副的運(yùn)行精度不良、支撐滾珠絲杠螺母副的軸承損壞產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)不平穩(wěn)、機(jī)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(jī)床，了解故障現(xiàn)象。再檢測(cè)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(jī)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(duì)機(jī)床Y向進(jìn)給伺服系統(tǒng)進(jìn)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(jìn)給傳動(dòng)鏈

應(yīng)檢查傳動(dòng)鏈中各元件間的連接，由連接松動(dòng)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(cè)量頭找正主軸Y運(yùn)動(dòng)的負(fù)方向，并使測(cè)量頭壓縮到50 μm左右，然后使測(cè)量頭復(fù)位到零。

②將機(jī)床操作面板上的工作方式開(kāi)關(guān)置于增量方式（1NC）的“×10”擋，軸選擇開(kāi)關(guān)置于Y軸擋，按負(fù)方向進(jìn)給鍵，觀察千分表讀數(shù)的變化。經(jīng)測(cè)量，Y軸正、負(fù)方向的增量運(yùn)動(dòng)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(cè)量頭頂住滾珠。將機(jī)床操作面板上的工作方式開(kāi)關(guān)置于手動(dòng)方式，按正、負(fù)方向的進(jìn)給鍵，主軸箱沿Y軸正、負(fù)方向連續(xù)運(yùn)動(dòng)，觀察千分表讀數(shù)無(wú)明顯變化，故排除滾珠絲杠軸向竄動(dòng)的可能。

④檢查與Y軸伺服電動(dòng)機(jī)和滾珠絲杠連接的同步齒形帶輪，發(fā)現(xiàn)與伺服電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子軸連接的帶輪錐套有松動(dòng)，使得進(jìn)給傳動(dòng)與伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)不同步。

此次故障是由機(jī)械部分與伺服電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子軸連接的帶輪錐套松動(dòng)造成的，使得進(jìn)給傳動(dòng)與伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)不同步。由于在運(yùn)行中松動(dòng)是不規(guī)則的，從而造成零件尺寸偏差不規(guī)則。

◎任務(wù)擴(kuò)展

故障現(xiàn)象：某加工中心運(yùn)行時(shí)，工作臺(tái)X軸方向位移接近行程終端過(guò)程中產(chǎn)生明顯的機(jī)械振動(dòng)故障，故障發(fā)生時(shí)系統(tǒng)不報(bào)警。

故障分析：因故障發(fā)生時(shí)系統(tǒng)不報(bào)警，但故障明顯，故通過(guò)交換法檢查，確定故障部位應(yīng)在X軸伺服電動(dòng)機(jī)與絲杠傳動(dòng)鏈一側(cè)；為區(qū)別電動(dòng)機(jī)故障，可拆卸電動(dòng)機(jī)與滾珠絲杠之間的彈性聯(lián)軸器，單獨(dú)通電檢查電動(dòng)機(jī)。檢查結(jié)果表明，電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)無(wú)振動(dòng)現(xiàn)象，顯然故障部位在機(jī)械傳動(dòng)部分。脫開(kāi)彈性聯(lián)軸器，用扳手轉(zhuǎn)動(dòng)滾珠絲杠進(jìn)行手感檢查；通過(guò)手感檢查，發(fā)現(xiàn)工作臺(tái)X軸方向位移接近行程終端時(shí)，感覺(jué)到阻力明顯增加。

故障維修：拆下工作臺(tái)檢查，發(fā)現(xiàn)滾珠絲杠與導(dǎo)軌不平行，故而引起機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中的振動(dòng)現(xiàn)象。經(jīng)過(guò)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(dòng)交換裝置故障診斷與維修

由于加工中心具有刀具自動(dòng)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(cè)量和機(jī)床的調(diào)整時(shí)間，減少工件的周轉(zhuǎn)、搬運(yùn)和存放時(shí)間，使機(jī)床的切削時(shí)間利用率高于普通機(jī)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(jì)性。但是在使用中，由于長(zhǎng)期工作磨損或操作不當(dāng)?shù)仍驎?huì)造成刀庫(kù)轉(zhuǎn)動(dòng)不正常、機(jī)械手夾持刀柄不穩(wěn)定、刀具自動(dòng)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(kù)轉(zhuǎn)動(dòng)不正常

◎任務(wù)提出

加工中心工作時(shí)，可能會(huì)出現(xiàn)刀庫(kù)不能轉(zhuǎn)動(dòng)或刀庫(kù)轉(zhuǎn)動(dòng)不到位，試分析原因，找出故障點(diǎn)，并排除故障。

◎任務(wù)目標(biāo)

1.掌握加工中心刀庫(kù)的種類(lèi)與結(jié)構(gòu)特點(diǎn)；

2.能夠判斷換刀故障的發(fā)生部位。

◎相關(guān)知識(shí)

一、加工中心自動(dòng)換刀裝置

加工中心有立式、臥式、龍門(mén)式等多種，其自動(dòng)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(kù)進(jìn)行換刀外，還有自動(dòng)更換主軸箱、自動(dòng)更換刀庫(kù)等形式。利用刀庫(kù)實(shí)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(kù)，機(jī)床只要一個(gè)固定主軸夾持刀具，有利于提高主軸剛度。獨(dú)立的刀庫(kù)，大大增加了刀具的儲(chǔ)存數(shù)量，有利于擴(kuò)大機(jī)床的功能，并能較好地隔離各種影響加工精度的干擾。

刀庫(kù)換刀按換刀過(guò)程中有無(wú)機(jī)械手參與分成有機(jī)械手換刀和無(wú)機(jī)械手換刀兩種情況，有機(jī)械手的系統(tǒng)在刀庫(kù)配置與主軸的相對(duì)位置及刀具數(shù)量上都比較靈活，換刀時(shí)間短；無(wú)機(jī)械手方式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，只是換刀時(shí)間較長(zhǎng)。

由刀庫(kù)和機(jī)械手組成的自動(dòng)換刀裝置（Automaitic Tool Changer簡(jiǎn)稱(chēng)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(kù)形式，其結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜自動(dòng)換刀裝置種類(lèi)繁多。由于加工中心上自動(dòng)換刀次數(shù)比較頻繁，故對(duì)自動(dòng)換刀裝置的技術(shù)要求十分嚴(yán)格，如要求定位精度高、動(dòng)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(dòng)換刀裝置的結(jié)構(gòu)取決于機(jī)床的形式、工藝范圍以及刀具的種類(lèi)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(jiǎn)單的換刀方式。這種機(jī)床的主軸頭就是一個(gè)轉(zhuǎn)塔刀庫(kù)，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(dòng)地將所需要的刀具由其主軸轉(zhuǎn)到工作位置，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)換刀，同時(shí)接通主傳動(dòng)。不處在工作位置的主軸便與主傳動(dòng)脫開(kāi)。轉(zhuǎn)塔頭的轉(zhuǎn)位由槽輪機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

這種換刀裝置優(yōu)點(diǎn)是省去了自動(dòng)松、夾、卸刀、裝刀以及刀具搬運(yùn)等一系列的復(fù)雜操作，從而縮短了換刀時(shí)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(jì)得十分堅(jiān)實(shí)，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(jī)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(lái)達(dá)到換刀的目的。在實(shí)際換刀時(shí)，根據(jù)加工要求，先選好所需的主軸箱，將其運(yùn)行到機(jī)床動(dòng)力頭兩側(cè)的更換位置。待上一道工序完成后，動(dòng)力頭帶著使用過(guò)的主軸箱運(yùn)行到更換位置，動(dòng)力頭上的夾緊機(jī)構(gòu)將主軸箱松開(kāi)，推桿機(jī)構(gòu)將用過(guò)的主軸箱從動(dòng)力頭上推開(kāi)，同時(shí)將待用主軸箱推到機(jī)床動(dòng)力頭上并進(jìn)行定位與夾緊。動(dòng)力頭沿立柱導(dǎo)軌下降開(kāi)始新的加工，使用過(guò)的主軸箱被送回到主軸箱庫(kù)，并選擇下一次需要使用的主軸箱。這種形式的換刀，對(duì)于加工箱體類(lèi)零件，可以提高生產(chǎn)率。

3.帶刀庫(kù)的自動(dòng)換刀系統(tǒng)

這類(lèi)換刀裝置由刀庫(kù)、選刀機(jī)構(gòu)、刀具交換機(jī)構(gòu)及刀具在主軸上的自動(dòng)裝卸機(jī)構(gòu)等4部分組成，應(yīng)用廣泛。刀庫(kù)可裝在機(jī)床的立柱上、主軸箱上或工作臺(tái)上。當(dāng)?shù)稁?kù)容量大及刀具較重時(shí)，也可裝在機(jī)床之外，作為一個(gè)獨(dú)立部件。如刀庫(kù)遠(yuǎn)離主軸，常常要附加運(yùn)輸裝置，來(lái)完成刀庫(kù)與主軸之間刀具的運(yùn)輸。

帶刀庫(kù)的自動(dòng)換刀系統(tǒng)，整個(gè)換刀過(guò)程比較復(fù)雜，首先要把加工過(guò)程中要用的全部刀具分別安裝在標(biāo)準(zhǔn)的刀柄上，在機(jī)外進(jìn)行尺寸預(yù)調(diào)整后，插入刀庫(kù)中。換刀時(shí)，根據(jù)選刀指令先在刀庫(kù)上選刀，由刀具交換裝置從刀庫(kù)和主軸上取出刀具，進(jìn)行刀具交換，然后將新刀具裝入主軸，將用過(guò)的刀具放回刀庫(kù)。這種換刀裝置和轉(zhuǎn)塔主軸頭相比，由于機(jī)床主軸箱內(nèi)只有一根主軸，為縮短換刀時(shí)間，可采用帶刀庫(kù)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(kù)回轉(zhuǎn)軸線成45°角，當(dāng)水平方向的主軸處在加工位置時(shí)，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(shí)間大部分和機(jī)床加工時(shí)間重合，只需要轉(zhuǎn)塔頭轉(zhuǎn)位的時(shí)間，所以換刀時(shí)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(kù)上刀具數(shù)目也可增加，對(duì)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(jī)床。

二、加工中心刀庫(kù)形式

加工中心刀庫(kù)的形式很多，結(jié)構(gòu)也各不相同，最常用的有鼓盤(pán)式刀庫(kù)、鏈?zhǔn)降稁?kù)和格子盒式刀庫(kù)。

1.鼓盤(pán)式刀庫(kù)

鼓盤(pán)式刀庫(kù)結(jié)構(gòu)緊湊、簡(jiǎn)單，在鉆削中心上應(yīng)用較多。一般存放刀具不超過(guò)32把。圖9. 18為刀具軸線與鼓盤(pán)軸線平行布置的刀庫(kù)，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(pán)式刀庫(kù)（一）

圖9.19　鼓盤(pán)式刀庫(kù)（二）

2.鏈?zhǔn)降稁?kù)

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(dòng)。鏈?zhǔn)降稁?kù)適用于刀庫(kù)容量較大的場(chǎng)合，且多為軸向取刀。鏈?zhǔn)降稁?kù)有單環(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(zhǎng)時(shí)，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?kù)

3.格子盒式刀庫(kù)

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

圖9.21　固定型格子盒式刀庫(kù)

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

除上面介紹的3種刀庫(kù)形式之外，還有直線式刀庫(kù)、多盤(pán)式刀庫(kù)等。

◎任務(wù)實(shí)施

基本任務(wù)　刀庫(kù)轉(zhuǎn)動(dòng)不正常

刀庫(kù)轉(zhuǎn)動(dòng)不正常的故障，可分為刀庫(kù)不能轉(zhuǎn)動(dòng)和刀庫(kù)轉(zhuǎn)動(dòng)不到位兩種情況。要找出故障點(diǎn)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(kù)機(jī)械結(jié)構(gòu)上查找問(wèn)題原因。打開(kāi)刀庫(kù)外罩，仔細(xì)檢查機(jī)床刀庫(kù)的機(jī)械連接，發(fā)現(xiàn)刀庫(kù)不轉(zhuǎn)動(dòng)的原因是連接電機(jī)軸與蝸桿軸的聯(lián)軸器松動(dòng)所造成，緊固聯(lián)軸器上的螺釘，刀庫(kù)轉(zhuǎn)動(dòng)，故障排除。

對(duì)于刀庫(kù)轉(zhuǎn)動(dòng)不到位的故障，排除電氣故障的情況下，需在刀庫(kù)的機(jī)械連接與液壓傳動(dòng)系統(tǒng)找故障發(fā)生的原因。經(jīng)分析，造成刀庫(kù)轉(zhuǎn)動(dòng)不到位的原因有：

①電機(jī)故障，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)誤差。

②刀庫(kù)負(fù)載大或者有阻滯現(xiàn)象。

③系統(tǒng)潤(rùn)滑不良。

④液壓馬達(dá)故障。

⑤液壓系統(tǒng)油路不暢或液壓閥故障。

打開(kāi)刀庫(kù)外罩，先檢查系統(tǒng)內(nèi)潤(rùn)滑油路是否暢通，并重新對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行潤(rùn)滑，試運(yùn)行看故障是否排除。在斷電狀態(tài)下，檢查電動(dòng)機(jī)各項(xiàng)參數(shù)是否正常。空載狀態(tài)下檢測(cè)液壓馬達(dá)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(diǎn)之后，對(duì)其進(jìn)行維修更換，再運(yùn)行機(jī)床，檢查故障是否排除。

子任務(wù)2　機(jī)械手夾持刀柄不穩(wěn)定

◎任務(wù)提出

加工中心工作一段時(shí)間后，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)機(jī)械手夾持刀柄不穩(wěn)定的故障，試分析原因，找出故障點(diǎn)，并排除故障。

◎任務(wù)目標(biāo)

掌握加工中心機(jī)械手的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。

◎相關(guān)知識(shí)

一、JCS-018A型加工中心機(jī)械手結(jié)構(gòu)及動(dòng)作過(guò)程

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

二、其他類(lèi)型機(jī)械手

1.兩手呈180°的回轉(zhuǎn)式單臂雙手機(jī)械手

（1）兩手不伸縮的回轉(zhuǎn)式單臂雙手機(jī)械手

如圖9. 23所示，這種機(jī)械手適用于刀庫(kù)中刀座軸線與主軸軸線平行的自動(dòng)換刀裝置，機(jī)械手回轉(zhuǎn)時(shí)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(jī)構(gòu)傳動(dòng)，快速可靠，換刀時(shí)間在2 s以?xún)?nèi)。

圖9.22　JCS-018A機(jī)械手傳動(dòng)結(jié)構(gòu)示意圖

1、3、7、9、13、14—位置開(kāi)關(guān)；2、6、12—擋環(huán)；4、11—齒輪；5—連接盤(pán)；8—銷(xiāo)子；10—傳動(dòng)盤(pán)；15、18、20—液壓缸；16—軸；17、19—齒條；21—機(jī)械手

圖9.23　兩手不伸縮的回轉(zhuǎn)式單臂雙手機(jī)械手

1—刀庫(kù)；2—換刀位置的刀座；3—機(jī)械手；4—機(jī)床主軸

（2）兩手伸縮的回轉(zhuǎn)式單臂雙手機(jī)械手

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

圖9.24　兩手伸縮的回轉(zhuǎn)式單臂雙手機(jī)械手

1—機(jī)床主軸；2—主軸中刀具；3—刀庫(kù)中刀具；4—刀庫(kù)；5—機(jī)械手

（3）剪式手爪的回轉(zhuǎn)式單臂雙手機(jī)械手

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

圖9.25　剪式機(jī)械手

1—刀庫(kù)；2—剪式手爪；3—機(jī)床主軸；4—伸縮臂；5—伸縮與回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)；6—手臂擺動(dòng)機(jī)構(gòu)

2.兩手互相垂直的回轉(zhuǎn)式單臂雙手機(jī)械手

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

圖9.26　兩手相互垂直的回轉(zhuǎn)式單臂雙手機(jī)械手

1—刀庫(kù)；2—齒條；3—齒輪；4—抓刀活塞；5—手臂托架；6—機(jī)床主軸；7—抓刀動(dòng)塊；8—銷(xiāo)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(jī)械手

如圖9. 27所示，由于刀庫(kù)中刀具的軸線與機(jī)床主軸軸線方向相垂直，故機(jī)械手需有3個(gè)動(dòng)作：沿主軸軸線移動(dòng)，進(jìn)行主軸的插、拔刀；繞垂直軸作90°擺動(dòng)，完成主軸與刀庫(kù)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(jī)械手

◎任務(wù)實(shí)施

基本任務(wù)　機(jī)械手夾持刀柄不穩(wěn)定

機(jī)械手夾持刀柄不穩(wěn)定，會(huì)造成在換刀時(shí)刀具從機(jī)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(jī)械手卡緊鎖損壞。首先檢查刀具重量是否在機(jī)床說(shuō)明書(shū)的允許范圍內(nèi)，然后檢查機(jī)械手卡緊鎖，更換機(jī)械手卡銷(xiāo)。之后運(yùn)行機(jī)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(jī)床已成為機(jī)械制造的重要機(jī)床設(shè)備之一，要保證數(shù)控機(jī)床可靠穩(wěn)定的工作，除了在機(jī)械結(jié)構(gòu)和數(shù)控系統(tǒng)等方面要達(dá)到一定的要求之外，良好的冷卻、潤(rùn)滑也是不可忽視的部分，數(shù)控機(jī)床的輔助裝置主要是指潤(rùn)滑系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)。

在機(jī)床工作過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)一些部位無(wú)潤(rùn)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(jī)床潤(rùn)滑系統(tǒng)的作用及工作原理；

2.掌握數(shù)控機(jī)床冷卻系統(tǒng)的作用及工作原理。

◎相關(guān)知識(shí)

一、潤(rùn)滑系統(tǒng)

隨著數(shù)控機(jī)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(jī)床可靠穩(wěn)定的工作，除了在機(jī)械結(jié)構(gòu)和數(shù)控系統(tǒng)等方面要達(dá)到一定的要求之外，良好的冷卻、潤(rùn)滑也是不可忽視的因素，它們對(duì)延長(zhǎng)數(shù)控機(jī)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(rùn)滑的作用及分類(lèi)

在數(shù)控機(jī)床中潤(rùn)滑主要有以下幾個(gè)方面的作用：

（1）減小摩擦

在兩個(gè)具有相對(duì)運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)阻力，劇烈的摩擦甚至?xí)菇佑|表面發(fā)熱損壞。以潤(rùn)滑油或者潤(rùn)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(rùn)滑油或潤(rùn)滑脂在相對(duì)運(yùn)動(dòng)件之間可以形成一層油膜，避免了兩接觸相對(duì)運(yùn)動(dòng)件的直接接觸，可以減小磨損。

（3）降低溫度

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

（4）防止銹蝕

潤(rùn)滑油在摩擦表面形成的保護(hù)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(rùn)滑脂除具有主要的潤(rùn)滑作用外，還具有防止?jié)櫥瑒┑牧鞒龊屯饨鐗m屑進(jìn)入摩擦表面的作用，避免了摩擦、磨損的加劇。

2.數(shù)控機(jī)床的潤(rùn)滑系統(tǒng)

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

在數(shù)控機(jī)床的主軸傳動(dòng)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(rùn)滑油強(qiáng)制循環(huán)的方式，對(duì)這些零件進(jìn)行潤(rùn)滑的同時(shí)完成對(duì)主軸系統(tǒng)的冷卻。這些潤(rùn)滑和冷卻兼具的液壓系統(tǒng)對(duì)液壓油的過(guò)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(guò)濾、磁性精過(guò)濾等手段保持液壓油的潔凈，并要求經(jīng)過(guò)規(guī)定的時(shí)間后進(jìn)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(gè)運(yùn)動(dòng)精度的主要部件。為了維持它們的運(yùn)動(dòng)精度并減少摩擦及磨損，必須采用適當(dāng)?shù)臐?rùn)滑，具體采用何種潤(rùn)滑方式取決于數(shù)控機(jī)床的工作狀況及結(jié)構(gòu)要求。對(duì)負(fù)載不大、極限轉(zhuǎn)速或移動(dòng)速度不高的數(shù)控機(jī)床一般采用脂潤(rùn)滑，采用脂潤(rùn)滑可以減少設(shè)置專(zhuān)門(mén)的潤(rùn)滑系統(tǒng)，避免潤(rùn)滑油的泄露污染和廢油的處理，而且脂潤(rùn)滑具有一定的密封作用，降低外部灰塵、水氣等對(duì)軸承、絲杠和導(dǎo)軌副的影響。對(duì)一些負(fù)載較大、極限轉(zhuǎn)速或移動(dòng)速度較高的數(shù)控機(jī)床一般采用油潤(rùn)滑，采用油潤(rùn)滑既能起到對(duì)相對(duì)運(yùn)動(dòng)件之間的潤(rùn)滑作用，又可以起到一定的冷卻作用。在數(shù)控機(jī)床的軸承、絲杠和導(dǎo)軌部位，無(wú)論是采用油潤(rùn)滑還是脂潤(rùn)滑，都必須保持潤(rùn)滑介質(zhì)的潔凈無(wú)污染，按照相應(yīng)潤(rùn)滑介質(zhì)的要求和工況定期地清理潤(rùn)滑元件，更換或補(bǔ)充潤(rùn)滑介質(zhì)。

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

主軸軸承的潤(rùn)滑與密封是機(jī)床使用和維護(hù)過(guò)程中值得重視的兩個(gè)問(wèn)題。良好的潤(rùn)滑效果可以降低軸承的工作溫度和延長(zhǎng)使用壽命。密封不僅要防止灰塵屑末和切削液進(jìn)入，還要防止?jié)櫥偷男孤?/p>

3.主軸軸承潤(rùn)滑方式

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

（1）油脂潤(rùn)滑方式

這是目前在數(shù)控機(jī)床主軸軸承上最常用的潤(rùn)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(méi)有冷卻潤(rùn)滑油系統(tǒng)，那么后支撐和其他軸承，一般采用油脂潤(rùn)滑方式。

（2）油液循環(huán)潤(rùn)滑方式

在數(shù)控機(jī)床主軸上，有采用油液循環(huán)潤(rùn)滑方式的。裝有GA，MET軸承的主軸，即可使用這種方式。對(duì)一般主軸來(lái)說(shuō)，后支撐上采用這種潤(rùn)滑方式的比較常見(jiàn)。

（3）油霧潤(rùn)滑

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

（4）油氣潤(rùn)滑方式

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

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

二、冷卻系統(tǒng)

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

1.機(jī)床的冷卻和溫度控制

數(shù)控機(jī)床屬于高精度、高效率、高投入成本的機(jī)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(jī)連續(xù)工作。為了保證在長(zhǎng)時(shí)間工作情況下機(jī)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(jī)床的使用壽命，數(shù)控機(jī)床對(duì)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(duì)數(shù)控機(jī)床加工精度及工作穩(wěn)定性有不可忽視的影響。對(duì)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(jī)床工作環(huán)境的恒溫。

數(shù)控機(jī)床的電控系統(tǒng)是整臺(tái)機(jī)床的控制核心，其工作時(shí)的可靠性以及穩(wěn)定性對(duì)數(shù)控機(jī)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(shí)均會(huì)產(chǎn)生熱量，如果沒(méi)有充分適當(dāng)?shù)纳幔菀自斐烧麄€(gè)系統(tǒng)的溫度過(guò)高，影響其可靠性、穩(wěn)定性及元器件的壽命。數(shù)控機(jī)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(qiáng)制循環(huán)通風(fēng)的方式進(jìn)行熱量的擴(kuò)散，降低整個(gè)電控系統(tǒng)的溫度。但該方式具有灰塵易進(jìn)入控制箱、溫度控制穩(wěn)定性差、濕空氣易進(jìn)入的缺點(diǎn)。所以，在一些較高檔的數(shù)控機(jī)床上一般采用專(zhuān)門(mén)的電控箱冷氣機(jī)進(jìn)行電控系統(tǒng)的溫濕度調(diào)節(jié)。

在數(shù)控機(jī)床的機(jī)械本體部分，主軸部件及傳動(dòng)機(jī)構(gòu)為最主要的發(fā)熱源。對(duì)主軸軸承和傳動(dòng)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(shí)溫度過(guò)高很容易產(chǎn)生膠合磨損、潤(rùn)滑油黏度降低等后果，所以數(shù)控機(jī)床的主軸部件及傳動(dòng)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(jī)床在進(jìn)行高速大功率切削時(shí)伴隨大量的切削熱產(chǎn)生，使刀具、工件和內(nèi)部機(jī)床的溫度上升，進(jìn)而影響刀具的壽命、工件加工質(zhì)量和機(jī)床的精度。所以，在數(shù)控機(jī)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(duì)刀具、工件、機(jī)床的冷卻作用，還起到在刀具與工件之間的潤(rùn)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(jìn)行主軸和刀具的冷卻。這種方式對(duì)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(shí)效果尤為突出，所以目前應(yīng)用越來(lái)越為廣泛。

◎任務(wù)實(shí)施

基本任務(wù)　液壓系統(tǒng)出油不暢造成潤(rùn)滑不良

液壓系統(tǒng)的動(dòng)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(dá)到機(jī)床說(shuō)明書(shū)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(dá)到機(jī)床說(shuō)明書(shū)規(guī)定的額定壓力；觀察液壓油，質(zhì)地清透沒(méi)有沉淀；觀察回路中各壓力表，發(fā)現(xiàn)其中一個(gè)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(jī)床零部件得到有效潤(rùn)滑，故障排除。

◎思考題

1.數(shù)控機(jī)床主軸軸承的潤(rùn)滑方式有哪些？并簡(jiǎn)述其特點(diǎn)。

2.數(shù)控機(jī)床潤(rùn)滑裝置的作用是什么？