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数控机床结构与故障检修第5章回转工作台与自动换刀系统学习目的与要求了解机床数控改造的条件；理解定位销式、鼠齿盘分度工作台工作原理和用途；掌握数控回转工作台使用及其结构；了解数控机床常用的自动换刀装置的类型、特点、适用范围理解回转刀架换刀装置、六角同转刀架；了解换刀装置、工件交换系统。[学习导引示例]VMC-15加工中心自动换刀系统VMC-15加工中心具有可安装21把刀具的刀库，其结构简单，无须机械手交换刀具，可提供可靠快速的刀具交换方式。如图5-1所示为VMC-15加工中心的刀库结构示意图。刀库自动换刀的动作过程如下：1)主轴上的1号刀装人刀库中的1号刀位2）刀库中的5号刀具装入主轴图5--1VMC-15加工中心的刀厍结构不意图图5-1VMC-15加工中心的刀厍结构图加工中心常用的回转工作台有分度工作台和数控回转工作台。分度工作台通常又有定位销式和鼠齿盘式两种。分度工作台的功用只是将工件转位换面，和自动换刀装置配合使用，工件一次安装能实现几面加工。而数控回转工作台除了分度和转位的功能之外，还能实现圆周进给运动。5.1回转工作台分度工作台的分度、转位和定位工作是按照控制系统的指令自动进行的。分度工作台只能完成分度运动，而不能实现圆周进给运动。由于结构上的原因，通常分度工作台的分度运动只限于完成规定的角度(如45°、60°或90°等)，即在需要分度时，按照数控系统的指令，将工作台及其工件回转规定的角度，以改变工件相对于主轴的位置，完成工件各个表面的加工。为满足分度精度的要求，需要使用专门的定位元件。常用的定位方式有定位销式、鼠齿盘定位和钢球定位几种。5.1.1定位销式分度工作台图5-2所示为卧式镗铣床加工中心的定位销式分度工作台。这种工作台的定位分度主要靠定位销、定位孔来实现。回转分度时，工作台需经过（1）松开（2）回转（3）分度定位（4）夹紧四个过程。图5-2定位销式分度工作台的结构1一分度工作台2一锥套3一螺钉4一支座5一消隙油缸6一定位孔衬套7一定位销8一锁紧油缸9一大齿轮10一长方形工作台11一活塞12一弹簧13一油槽14、19、20-轴承15一螺栓16一活塞17一中央液压缸18一油管21一底座22一挡块运作5.1.2齿盘定位式分度工作台1.齿盘定位式分度工作台工作原理齿盘啮合、脱开相当于两齿盘对研过程。2多齿盘的特点①定位精度高，一般为士3’。②承载能力强③适用于多工位分度④结构复杂，制造比较困难，其齿形及形位公差要求很高，对齿盘的研磨工序很费工时，一般要研磨几十小时以上，因此生产效率低、成本也较高【实例5-1】THK6370型数控卧式镗铣床齿盘定位的分度工作台有一对分度齿盘、升夹液压缸、蜗杆副等组成。分度转位动作包括：工作台抬起，齿盘脱离啮合，完成分度前的准备工作（工作台抬起）；回转分度，工作台下降，齿盘重新啮合，完成定位夹紧。鼠牙盘式分度工作台主要由工作台面、底座、分度液压缸及鼠牙盘等零件组成，如图5-4所示。鼠牙盘是保证分度精度的关键零件，每个齿盘的端面带有数目相同的三角形齿，当两个齿盘啮合时，能够自动确定轴向和径向的相对位置。鼠牙盘式分度工作台作分度运动三个步骤：①分度工作台抬起②工作台回转分度③分度工作台下降5.1.3鼠牙盘分度工作台图5-4鼠牙盘式分度工作台1、2、15、16一推杆3一下齿盘4一上齿盘5、13一推力轴承6一活塞7一工作台8一齿条活塞9一升降液压缸上腔10一升降液压缸下腔11一齿轮12一齿圈14、17一挡块18一分度液压缸右腔19一分度液压缸左腔20、21一分度液压缸进回油管道22、23一升降液压缸进回油管道三种不同生产类型的生产管理特点1.5.1.4带有交换托盘式分度工作台【实例5-2】ZHS-K630型卧式加工中心带有交换托盘式分度工作台图5-5带有托盘交换的分度工作台1一活塞体2、5、16一液压阀3、4、8、9一油腔6、7一鼠齿盘10一托板11一液压缸12一定位销13—工作台体14一齿圈15一齿轮分度工作原理：上下齿盘相啮合，可准确地定位，实现了工作台的分度。回转分度工作台根据编程命令可以正转，也可以反转，由于该齿盘有360个，故最小分度单位为1°。分度工作台上的两个托盘是用来交换工件的。数控回转工作台的主要作用是按照控制装置的信号或指令作回转分度或连续回转进给运动，以使数控机床完成指定的加工工序，如完成圆周进给运动，进行各种圆弧加工或曲面加工，它也可以进行分度工作。数控回转工作台分为开环和闭环两种。5.2.1开环数控回转工作当转台做圆周分度运动时，先分度回转再夹紧蜗轮，以保证定位的可靠，并提高承受负载的能由于数控转台是根据数控装置发出的指令脉冲信号来控制转位角度，没有其他的定位元件。因此，对开环数控转台的传动精度要求高，传动间隙应尽量小。数控转台设有零点。5．2数控回转工作台【实例5-3】JCS-013型自动换刀数控镗铣床的数控回转工作台JCS—0l3数控回转台由传动系统、间隙消除装置及蜗轮夹紧装置等组成。数控回转工作台通过移动双螺距渐厚蜗杆的轴向位置来调节间隙，消除蜗杆副传动间隙；设有零点，使工作台准确地停在零点位置上；可作任意角度的回转和分度。5.2.2闭环数控回转工作台图5-10数控回转工作台1一电液脉冲马达2、4一齿轮3一偏心环5一楔形拉紧销6一压块7一螺母8一锁紧螺钉9一蜗杆l0一蜗轮11一调整套12、13一夹紧瓦14一夹紧液压缸15一活塞16一弹簧17一钢球18一光栅19一撞块20一感应块适用范围：对已投产的企业确定生产类型时使用5.3刀架换刀装置5.3.1自动换刀装置的形式表5-1自动换刀装置的形式形式特点适用范围转塔式回转刀架多为顺序换刀，换刀时间短，结构简单紧凑，可容纳刀具较少各种数控车床，车削加工中心转塔头顺序换刀，换刀时间短，刀具主轴都集中在转塔头上，结构紧凑。但刚性较差，刀具主轴数受限制数控钻、镗、铣床刀库式刀具与主轴之间直接换刀换刀运动集中，运动部件少。但刀库容量受限各种类型的自动换刀数控机床。尤其是对使用回转类刀具的数控镗铣床类立式、卧式加工心机床。要根据工艺范围和机床特点，确定刀库容量和自动换刀装置形式用机械手配合刀库进行换刀刀库只有选刀运动，机械手进行换刀运动，刀库容量大5.3.2刀具的选择方式1．顺序选择刀具刀具按预定工序的先后顺序插入刀库的刀座中，使用时按顺序转到取刀位置。用过的刀具放回原来的刀座内，也可以按加工顺序放人下一个刀座内。2．任意选择刀具这种方法根据程序指令的要求任意选择所需要的刀具，刀具在刀库中不必按照工件的加工顺序排列，可以任意存放。每把刀具(或刀座)都编上代码，自动换刀时，刀库旋转，每把刀具(或刀座)都经过“刀具识别装置”接受识别。任意选择法主要有三种编码方式：(1)刀具编码方式(2)刀座编码方式(3)编码附件方式5.3.3回转刀架换刀装置回转刀架换刀装置是一种简单的自动换刀装置，常用于数控车床。1．四方刀架换刀装置：WZD4型刀架具体结构，如图5-13所示。2．六角同转刀架其换刀的过程为刀架抬起、刀架转位、刀架压紧、转位液压缸复位等几个步骤。图5-13数控车床方刀架结构1一电动机．2一联轴器3一蜗杆轴4一蜗轮丝杠5一刀架底座6一粗定位盘7一刀架体8一球头销9一转位套10一电刷座11一发信体12一螺母13、14一电刷15一定位销【实例5-4】CK3263系列数控车床回转刀架学生研读CK3263系列数控车床回转刀架结构与以下刀架内容比较各自特点及其结果。5.3.4多主轴转塔头换刀装置(1)脱开主轴(2)转塔头抬起(3)转塔头转位(4)转塔头定位压紧(5)主轴传动5.3.5排刀式刀架特点是，在使用上刀具布置和机床调整都较方便，可以根据具体工件的车削工艺要求，任意组合各种不同用途的刀具。1．鼓(盘)式刀库在盘式刀库结构中，刀具可以沿主轴轴向、径向、斜向安放，刀具轴向安装的结构最为紧凑。盘式刀库的刀具轴线与鼓(圆盘)轴线平行，刀具环行排列，分径向、轴向两种取刀方式，其刀座(刀套)结构不同。这种鼓式刀库结构简单，应用较多，适用于刀库容量较小的情况。5．4刀库自动换刀系统图5-21鼓(盘)式刀库2．链式刀库链式刀库容量比盘式的要大，结构也比较灵活和紧凑，常为轴向换刀。链环可根据机床的布局配置成各种形状，也可将换刀位置刀座突出以利于换刀。一般当刀具数量在30～120把时，多采用链式刀库。(1)刀库结构主动链轮由伺服电动机通过蜗轮减速装置驱动(根据需要，还可经过齿轮副传动)。确保刀套准确地停在换刀位置上采取定位盘准停等三种方式。(2)刀库的转位刀库转位机构由伺服电动机通过消隙齿轮带动蜗杆，通过蜗轮使刀库转动。3．格子盒式刀库①固定型格子盒式刀库②非固定型格子盒式刀库mnmn5.4.2刀具交换机构/1．利用刀库与机床主轴的相对运动实现刀具交换2．采用机械手进行刀具交换最常见的有如图5-30所示的五种机械手的形式：(a)单臂单爪回转式机械手(b)单臂双爪摆动式机械手(c)单臂双爪回转式机械手(d)双机械手(e)双臂往复交叉式机械手(f)双臂端面夹紧机械手图5-30机械手的形式5.4.3机械手结构原理1．机械手的形式①单臂双爪式机械手：图5-32所示，通过活塞的运动带动齿条齿轮传动来实现。这种机械手换刀动作可靠，换刀时间短。缺点是刀柄精度要求高，结构复杂，②单臂双爪且手臂回转轴与主轴成45°的机械手【实例5-5】JCS013卧式加工中心双臂单爪交叉型机械手图5-32这种机械手的自动换刀过程，如图5-34所示。图5-35钳形机械手手爪图5-36刀库夹爪1一手臂2一锁销3一止退销4一弹簧1一锁销2一顶销3一弹簧5一支点轴6一手爪7一键8一螺钉4一支点轴5一手爪6一挡销2．手爪形式(1)钳形手的杠杆手爪（图5-35）(2)刀库夹爪（图5-36)3．机械手结构原理：机械手有两对抓刀爪，分别由液压缸驱动其动作。4．机械手的驱动机构：气缸通过杆带动机械手臂升降。【实例5-7】JCS-018A加工中心的自动换刀装置1．自动换刀工作过程(图5-43)①刀套转90°②机械手转75°③刀具松开④机械手拔刀⑤交换两刀具位置⑥机械手插刀⑦刀具夹紧⑧液压缸复位⑨机械手反转75°，回到原始位置。⑩刀套带着刀具向上翻转90°，为下一次选刀做准备。2．机械手传动过程机械手的拔刀、插刀动作大都由油缸完成。根据结构要求可以采取“油缸动、活塞固定”或“活塞动、油缸固定’’的结构形式。图5-43自动换刀过程示意图1一机械手；2一刀库；3一主轴；4一刀套；5一刀具图5-44JCS一018A刀库结构简图1一电动机2一十字联轴节3一蜗轮4一蜗杆5一汽缸6一活塞杆7一拨叉8一螺杆9一位置开关10一定位开关11一滚子12一销轴13一刀套4一刀盘图5-45所示为本机床盘式刀库的结构简图。如图5-44(a)所示，当数控系统发出换刀指令后，直流伺服电动机1接通，其运动经过十字联轴节2、蜗杆4、蜗轮3传到如图5-44(b)所示的刀盘.3．刀库结构【实例5-7】带刀库自动换刀系统实例TH6350卧式加工中心的自动换刀系统由链式刀库和换刀机械手组成1．刀库该机床的链式方刀库置于机床左侧，通过地脚螺钉及调整装置，使刀库与机床的相对位置能保持准确的换刀。刀库存刀数有30、40、60把三种。图5-46刀库的结构：(1)刀具锁紧装置(2)刀库回零(3)手动换刀装置图5-46刀库部分传动结构1一刀套2一联接板3一链条4一链条张紧装置5一伺服电动机6一联轴器7一蜗杆8一蜗轮9、10一齿轮11一链轮1)编刀号钻头为00、镗刀为05、铣刀为15、铰刀为45。2)装刀具00号刀装上主轴，05、15、45号分别装人刀库0、29、28三个位置，如图5-48所示。3)将刀号输入刀套地址和主轴上的刀号地址，见表5-2。4)起动机床进行加工，机床执行钻孔程序后接到M06指令，便进行换刀。换刀后，主轴上00到了0号刀