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第一章绪论1.1 数控设备的发展历史>第一代数控系统：1952年至1959年，采川电子管元件。
>第二代数控系统：1959年开始，采刖晶体管元件。
>第三代数控系统：1965年开始，采川集成电路。
>第四代数控系统：1970年开始，采刖人规模集成电路及小型通用计算机。
>第五代数控系统：1974年开始，采用微处理机和微型计算机。
1.2 自动换刀系统的意义从换刀系统发展的历史米看，1956年日本富士通研究成功数控转塔式冲床，美国IBM公司同期也研制成功了“APT”（刀具程序控制装置）。
1958年美国K&T公司研制出带ATC(自动刀具交换装置)的加工中心。
1967年出现了FMS（柔性制造系统）。
1978年以后，加工中心迅速发展，带有ATC装置，可实现多种工序加工的机床，步入了机床发展的黄金时代。
1.1.1 加工中心加工中心机床的出现，加之CAD技术、信息技术、网络控制技术以及系统工程学的发展，为单机数控自动化向计算机控制的多机制造系统自动化方向发展，创造了必要的条件．计算机群控系统即直接数控(Direct NC-DNC)系统，就是这一发展趋向的具体体观。
DNC系统使用一台较大的计算机，控制与管理多台数控机床和数控加工中心，能进行多品种、多工序的加工。
加工中心机床配备有装载多把刀具的刀具库，有自动更换刀具的功能，一次装夹中可以完成钻、镗、铣、铰等工序，特别适用于箱体类零件的多面、多工序加工。
它能完成车削加工的同时，兼有铣、镗、钻孔、攻丝等功能。
1.1.2 柔性制造单元柔性制造单元(FMC)是由中心控制计算机、加工中心与自动交换工件(AWC，APC)装置所组成。
工件一次装夹后可在柔性制造单元中的加工中心上加工，使得加工的柔性（可编程性）、加工精度和生产效率更高。
在柔性制造单元中，中心控制计算机负责作业调度、自动检测与工况自动监控等功能。
工件装在自动交换工件装置（工作台）上在中心控制计算机控制下传送到加工中心上加工；加工中心接收中心控制计算机传送来的数控程序进行加工，并将工况数据送中心控制计算机处理，如工件尺寸自动检测和补偿，刀具损坏和寿命躲控等。
金属切削加工已进入了一个以高速切削为代表的新的发展阶段，由于高速切削加工能极大地提高材料的切除率和零件的加工质量，降低加工成本，因而成为当今金属切削加工的发展方向之一。
高速切削刀具技术是高速切削加工的一个关键技术，它包括高速切削刀具材料、刀柄系统、刀具系统动平衡技术、刀具监测技术等。
一.高速切削加工对刀具系统的要求所谓刀具系统是指由刀柄、夹头和切削刀具所组成的完整的刀具体系，刀柄与机床主轴相连，切削刀具通过夹头装入刀柄之中。
要使刀具系统能在高速下进行切削加工，应满足以下基本条件：1.1较高的系统精度系统精度包括系统定位夹持精度和刀具重复定位精度，前者指刀具与刀柄、刀柄与机床主轴的连接精度；后者指每次换刀后刀具系统精度的一致性。
刀具系统具有较高的系统精度，才能保证高速加工条件下刀具系统应有的静态和动态稳定性。
1.2较高的系统刚度刀具系统的静、动刚度是影响加工精度及切削性能的重要因素。
刀具系统刚度不足会导致刀具系统振动，从而降低加工精度，并加剧刀具的磨损，降低刀具的使用寿命。
1.3较好的动平衡性高速切削加工条件下，微小质量的不平衡都会造成巨大的离心力，在加工过程中引起机床的急剧振动。
因此，高速刀具系统的动平衡非常重要。
二.数控铣削刀具系统标准数控镗铣类刀具系统采用的标准有国际标准（ ISO 7388 ）、德国标准（ DIN 69871 ）、美国标准（ ANSI/ASME B5.50 ）、日本标准（ MAS 403 ，其高速刀柄采用 HSK 标准）和中国标准（ GB10944-89 ）等。
由于标准繁多，我们在机床使用时务必注意，所具备的刀具系统的标准必须与所使用的机床相适应。
三.刀柄的选择数控铣床使用的刀具通过刀柄与主轴相连，刀柄通过拉钉和主轴内的拉刀装置固定在主轴上，由刀柄夹持传递速度、扭矩，如图4-5 所示。
刀柄的强度、刚性、耐磨性、制造精度以及夹紧力等对加工有直接的影响。
常见刀柄如下图:1.传统刀柄标准7/24锥联结目前，在数控铣床、数控镗床和加工中心上使用的传统刀柄是标准7:24锥度实心长刀柄。
数控机床主轴的几种结构形式
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数控机床的主轴部件包括主轴、主轴的支承轴承和安装在主轴上的传动零件等。
主轴部件是机床的重要部件，其结构的先进性已成为衡量机床水平的标志之一。
由于数控机床的转速高、功率大，并且在加工过程中不进行人工调整，因此要求主轴部件具有良好的回转精度、结构刚度、抗振性、热稳定性、耐磨性和精度的保持性。
对于具有自动换刀装置的数控机床，为了实现刀具在主轴上的自动装卸和夹紧，还必须有刀具的自动夹紧装置、主轴准停装置等。
机床主轴的端部一般用于安装刀具、夹持工件或夹具。
在结构上，应能保证定位准确、安装可靠、连接牢固、装卸方便，并能传递足够的扭矩。
目前，主轴端部的结构形状都已标准化，图i所示为几种机床上通用的结构形式。
（a）数控车床主轴端部（b）铣、镗类机床主轴端部（c）外圆磨床砂轮主轴端部
（d）内圆磨床砂轮主轴端部（e）钻床与普通镗床锤杆端部（f）数控镗床主轴端部
图1机床主轴的几种结构形式。
自动换刀装置的结构原理与维修8.4.1 自动换刀装置的形式自动换刀装置是加工中心的重要执行机构，它的形式多种多样，目前常见的有以下几种。
1．回转刀架换刀数控机床使用的回转刀架是最简单的自动换刀装置，有四方刀架、六角刀架，即在其上装有四把、六把或更多的刀具。
回转刀架必须具有良好的强度和刚度，以承受粗加工的切削力：同时要保证回转刀架在每次转位的重复定位精度。
图8-17为数控车床六角回转刀架，它适用于盘类零件的加工。
在加工轴类零件时，可以用四方回转刀架。
由于两者底部安装尺寸相同，更换刀架十分方便。
图8-17 数控车床六角回转刀架1－活塞 2－刀架体 3、7－齿轮 4－齿圈 5－空套齿轮6－活塞 8－齿条 9－固定插销 10、11－推杆 12－触头回转刀架的全部动作由液压系统通过电磁换向阀和顺序阀进行控制，它的动作分为4个步骤：(1)刀架抬起当数控装置发出换刀指令后，压力油由a孔进入压紧液压缸的下腔，活塞1上升，刀架体2抬起，使定位用的活动插销10与固定插销9脱开。
同时，活塞杆下端的端齿离合器与空套齿轮5结合。
(2)刀架转位当刀架抬起后，压力油从c孔进入转位液压缸左腔，活塞6向右移动，通过联接板带动齿条8移动，使空套齿轮5作逆时针方向转动。
通过端齿离合器使刀架转过60º。
活塞的行程应等于齿轮5分度圆周长的1/6，并由限位开关控制。
(3)刀架压紧刀架转位之后，压力油从b孔进入压紧液压缸上腔，活塞1带动刀架体2下降。
齿轮3的底盘上精确地安装有6个带斜楔的圆柱固定插销9，利用活动插销10消除定位销与孔之间的间隙，实现反靠定位。
刀架体2下降时，定位活动插销10与另一个固定插销9卡紧，同时齿轮3与齿圈4的锥面接触，刀架在新的位置定位并夹紧。
这时，端齿离合器与空套齿轮5脱开。
(4)转位液压缸复位刀架压紧之后，压力油从d孔进入转位液压缸的右腔，活塞6带动齿条复位，由于此时端齿离合器已脱开，齿条带动齿轮3在轴上空转。
8.4.1 自动换刀装置的形式自动换刀装置是加工中心的重要执行机构，它的形式多种多样，目前常见的有以下几种。
1．回转刀架换刀数控机床使用的回转刀架是最简单的自动换刀装置，有四方刀架、六角刀架，即在其上装有四把、六把或更多的刀具。
回转刀架必须具有良好的强度和刚度，以承受粗加工的切削力：同时要保证回转刀架在每次转位的重复定位精度。
图8-17为数控车床六角回转刀架，它适用于盘类零件的加工。
在加工轴类零件时，可以用四方回转刀架。
由于两者底部安装尺寸相同，更换刀架十分方便。
图8-17 数控车床六角回转刀架1－活塞2－刀架体3、7－齿轮4－齿圈5－空套齿轮6－活塞8－齿条9－固定插销10、11－推杆12－触头回转刀架的全部动作由液压系统通过电磁换向阀和顺序阀进行控制，它的动作分为4个步骤：(1)刀架抬起当数控装置发出换刀指令后，压力油由a孔进入压紧液压缸的下腔，活塞1上升，刀架体2抬起，使定位用的活动插销10与固定插销9脱开。
同时，活塞杆下端的端齿离合器与空套齿轮5结合。
(2)刀架转位当刀架抬起后，压力油从c孔进入转位液压缸左腔，活塞6向右移动，通过联接板带动齿条8移动，使空套齿轮5作逆时针方向转动。
通过端齿离合器使刀架转过60º。
活塞的行程应等于齿轮5分度圆周长的1/6，并由限位开关控制。
(3)刀架压紧刀架转位之后，压力油从b孔进入压紧液压缸上腔，活塞1带动刀架体2下降。
齿轮3的底盘上精确地安装有6个带斜楔的圆柱固定插销9，利用活动插销10消除定位销与孔之间的间隙，实现反靠定位。
刀架体2下降时，定位活动插销10与另一个固定插销9卡紧，同时齿轮3与齿圈4的锥面接触，刀架在新的位置定位并夹紧。
这时，端齿离合器与空套齿轮5脱开。
(4)转位液压缸复位刀架压紧之后，压力油从d孔进入转位液压缸的右腔，活塞6带动齿条复位，由于此时端齿离合器已脱开，齿条带动齿轮3在轴上空转。
如果定位和夹紧动作正常，推杆11与相应的触头12接触，发出信号表示换刀过程已经结束，可以继续进行切削加工。
自动换刀装置的结构原理与维修动换刀装置的形式自动换刀装置是加工中心的重要执行机构，它的形式多种多样，目前常见的有以下几种。
1．回转刀架换刀数控机床使用的回转刀架是最简单的自动换刀装置，有四方刀架、六角刀架，即在其上装有四把、六把或更多的刀具。
回转刀架必须具有良好的强度和刚度，以承受粗加工的切削力：同时要保证回转刀架在每次转位的重复定位精度。
图1为数控车床六角回转刀架，它适用于盘类零件的加工。
在加工轴类零件时，可以用四方回转刀架。
由于两者底部安装尺寸相同，更换刀架十分方便。
图1 数控车床六角回转刀架1－活塞2－刀架体3、7－齿轮4－齿圈5－空套齿轮6－活塞8－齿条9－固定插销10、11－推杆12－触头回转刀架的全部动作由液压系统通过电磁换向阀和顺序阀进行控制，它的动作分为4个步骤：(1)刀架抬起当数控装置发出换刀指令后，压力油由a孔进入压紧液压缸的下腔，活塞1上升，刀架体2抬起，使定位用的活动插销10与固定插销9脱开。
同时，活塞杆下端的端齿离合器与空套齿轮5结合。
(2)刀架转位当刀架抬起后，压力油从c孔进入转位液压缸左腔，活塞6向右移动，通过联接板带动齿条8移动，使空套齿轮5作逆时针方向转动。
通过端齿离合器使刀架转过60º。
活塞的行程应等于齿轮5分度圆周长的1/6，并由限位开关控制。
(3)刀架压紧刀架转位之后，压力油从b孔进入压紧液压缸上腔，活塞1带动刀架体2下降。
齿轮3的底盘上精确地安装有6个带斜楔的圆柱固定插销9，利用活动插销10消除定位销与孔之间的间隙，实现反靠定位。
刀架体2下降时，定位活动插销10与另一个固定插销9卡紧，同时齿轮3与齿圈4的锥面接触，刀架在新的位置定位并夹紧。
这时，端齿离合器与空套齿轮5脱开。
(4)转位液压缸复位刀架压紧之后，压力油从d孔进入转位液压缸的右腔，活塞6带动齿条复位，由于此时端齿离合器已脱开，齿条带动齿轮3在轴上空转。
如果定位和夹紧动作正常，推杆11与相应的触头12接触，发出信号表示换刀过程已经结束，可以继续进行切削加工。
第一章课后习题1.简述数控机床经历的两个阶段和六代的发展过程。
答：数控技术是综合应用计算机、自动控制、自动检测及精密机械等高新技术的产物。
2.简述数控机床的发展趋势。
答：当前，世界数控技术及其装各正朝着下述几个方向发展:1. 高速、高效、高精度和高可靠性2.模块化、智能化、柔性化和集成化4.数控机床通常由哪些部分组成？各部分的作用是什么？答：数控机床通常是由程序载体：用于存取零件加工程序的装置计算机数控装置（CNC装置）：接收从输入装置送来的脉冲信号；并将信号通过数控装置的系统软件或逻辑电路的编译、运算和逻辑处理后，输出各种信号和控制指令。
伺服系统：把来自CNC装置的微弱指令信号调解、转换、放大后驱动伺服电动机，通过执行部件驱动机床移动部件的运动，使工作台精确定位或使刀具和工件及主轴按规定的轨迹运动，最后加工出符合图样要求的零件。
检测与反馈装置：将机床导轨和主轴移动的位移量、移动速度等参数检测出来，通过模数转换变成数字信号，并反馈到数控装置中，数控装置根据反馈回来的信息进行判断，并发出相应的指令，纠正所产生的误差。
辅助装置：把计算机送来的辅助控制指令经机床接口转换成强电信号，用来控制主轴电动机启停和变速、冷却液的开关及分度工作台的转位和自动换刀等动作。
机床主体：它是实现加工零件的执行部件。
5.简述数控机床的工作原理。
答：用数控机床加工零件时，首先将加工零件的几何信息和工艺信息编制成加工程序，由输入装置送入数控系统中，经过数控系统的处理、运算，按各坐标轴的分量送到各轴的驱动电路，经过转换、放大进行伺服电动机的驱动，带动各轴运动，并进行反馈控制，使刀具与工件及其辅助装置严格地按照加工程序规定的顺序、轨迹和参数进行工作，从而加工出零件的全部轮廓。
6.数控机床的分类通常是如何划分的？答：1.按工艺用途分类：1）切削加工类数控机床。
2）成型加工类数控机床。
3）特种加工类数控机床。
4）其他加工类数控机床2.按机床运动轨迹分类：1）点位控制数控机床。
机床的主轴部件班级：09机械1班姓名：苏汉生学号：0915020045指导老师：陈从桂一、功能设计大多数机床都具有主轴部件。
有的机床只有一个主轴部件，有得则有多个。
机床主轴指的是机床上带动工件或刀具旋转的轴。
通常由主轴、轴承和传动件（齿轮或带轮）等组成主轴部件。
除了刨床、拉床等主运动为直线运动的机床外，大多数机床有主轴部件。
主轴部件的运动精度和结构刚度是决定加工质量和切削效率的因素。
衡量主轴部件性能的指标主要是旋转精度、刚度和速度适应性。
①旋转精度：主轴旋转时在影响加工精度的方向上出现的径向和轴向跳动（见形位公差），主要决定于主轴和轴承的制造和装配质量。
②动、静刚度：主要决定于主轴的弯曲刚度、轴承的刚度和阻尼。
③速度适应性：允许的最高转速和转速范围，主要决定于轴承的结构和润滑，以及散热条件。
主轴部件是机床的执行件，它的功用是支承并带动工件或刀具，完成表面成形运动，同时还起传递运动和扭矩、承受切削力和驱动力等载荷的作用。
数控机床的主轴部件要求有高的精度、刚度和热稳定性，还应满足数控机床所持有的结构要求。
如对于自动换刀的数控机床，为了实现刀具在主轴上的自动装卸与夹持，还必须有刀具的自动夹紧装置、主轴准停和主轴孔的清理装置等结构。
二、原理结构设计（1）主轴的传动方式：对于机床主轴，传动件的作用是以一定的功率和最佳切削速度完成切削加工。
按传动功能不同可将主传动作如下分类：1.有变速功能的传动：为了简化结构、在传动设计时，将主轴当做传动变速组，常用变速副是滑移齿轮组。
为了保证主轴传动精度及动平衡，可将固定齿轮装于主轴上或在主轴上装换档离合器，这类传动副多装与两支承中间。
对于不频繁的变速，可用交换齿轮、塔轮结构等，此时变速传动副多装于主轴尾端。
2.固定变速传动方式：这种传动方式是为了将主轴运动速度（或扭矩）调整到适当范围。
考虑到受力和安装、调整的方便，固定传动组可装在两支承之外，尽量靠近某一支承，以减少对主轴的弯矩作用，或采用卸荷机构。
22
主轴内部刀具自动夹紧机构是数控机床特别是加工中心的特有机构。图8-6为ZHS-K63加工中心主轴结构
部件图，其刀具可以在主轴上自动装卸并进行自动夹紧，其工作原理如下：当刀具2装到主轴孔后，其刀
柄后部的拉钉3便被送到主轴拉杆7的前端，在碟形弹簧9的作用下，通过弹性卡爪5将刀具拉紧。当需
要换刀时，电气控制指令给液压系统发出信号，
图8-6 ZHS-K63加工中心主轴内部刀具夹紧机构
1—冷却液喷嘴 2—刀具 3—拉钉 4—主轴 5—弹性卡爪 6—喷气嘴
7—拉杆 8—定位凸轮 9—碟形弹簧 10—轴套 11—固定螺母 12—旋转接头
13—推杆 14—液压缸 15—交流伺服电机 16—换档齿轮
使液压缸14的活塞左移，带动推杆13向左移动，推动固定在拉杆7上的轴套10，使整个拉杆7向左
移动，当弹性卡爪5向前伸出一段距离后，在弹性力作用下，卡爪5自动松开拉钉3，此时拉杆7继续向
左移动，喷气嘴6的端部把刀具顶松，机械手便可把刀具取出进行换刀。装刀之前，压缩空气从喷气嘴6
中喷出，吹掉锥孔内脏物，当机械手把刀具装入之后，压力油通人液压缸14的左腔，使推杆退回原处，在
碟形弹簧的作用下，通过拉杆7又把刀具拉紧。冷却液喷嘴1用来在切削时对刀具进行大流量冷却。
内容摘要:4 加工中心的主轴部件2。1 主轴部件精度加工中心主轴部件由主轴动力、传动及主轴组件组成，
它是加工中心成型运动的重要执行部件之一，因此要求加工中心的主轴部件具有高的运转精度、长久的精
度保持性以及长时 fdl 运
2.4 加工中心的主轴部件
2.4.1 主轴部件精度
加工中心主轴部件由主轴动力、传动及主轴组件组成，它是加工中心成型运
动的重要执行部件之一，因此要求加工中心的主轴部件具有高的运转精度、长久
的精度保持性以及长时 fdl 运行的精度稳定性。
加工中心通常作为精密机床使用，主轴部件的运转精度决定了机床加工精度
的高低．考核机床的运转精度一般有动态检验和静态检验两种方法。静态检验是
指在低速或手动转动主轴情况下，检验主轴部件各个定位面及工作表面的跳动
量．动态检验则需使用一定的仪器在机床主轴额定转速下．采用非接触的检测方
法检验主轴的回转精度。由于加工中心通常具有自动换刀功能，刀具通过专用刀
柄由安装在加工中心主轴内部的拉紧机构紧固．因此主轴的回转精度要考虑由于
刀柄定位面的加工误差所引起的误差。
加工中心主轴轴承通常使用C级轴承，在二支承主轴部件中多采用4-1、2-
2组合使用，即前支承和后支承分别用四个向心推力轴承和一个向心球轴承，或
前、后支承都使用两个向心推力轴承组成主轴部件的支承体系．对于轻型高精度
加工中心，也有前、后支承各使用一个向心推力轴承组成主轴部件的支承体系，
该种结构适宜高精度、高速主轴部件的场合．简单的主轴轴承组合，可以大大降
低主轴部件的装配误差和热传导引起的主轴隙丧失，但主轴的承载能力会有较大
幅度的下降．
2.4.2 主轴部件结构
主轴部件主要由主轴、轴承、传动件、密封件和刀具自动卡紧机构等组成
⑴ 主轴
主轴前端有7：24的锥孔．用于装夹BT40刀柄或刀杆．主轴端面有一瑞面
键．既可通过它传递刀具的扭矩，又可用于刀具的周向定位．主轴的主要尺寸参
数包括：主轴的直径、内孔直径、悬伸长度和支承跨距。评价和考虑主轴主要尺
寸参数的依据是主轴的刚度、结构
上艺性和主轴组件的工艺适用范围．主轴材料的选择主要根据刚度、载荷特点、
耐磨性和热处理变形大小等因素确定。主轴材料常采用的有 45 钢、 Gcr15 等，
需经渗氮和感应加热悴火．
加下中心的主轴支承形式很多．其中立式加工中心的主轴前支承采用四个向
心推力球轴承，后支承采用一个向．心球轴承，这种支承结构使主轴的承载能力
较高．且能适应高速的要求．主轴支承前端定位，主轴受热向后伸长，能较好地
满足精度需要．只是支承结构较为复杂。
⑵ 刀具自动卡紧机构
加工中心可以白动换刀，所以，主轴系统应具备自动松开和夹紧刀具的功能。
刀具的自动夹紧机构安装在主轴的内部，图2一7所示为刀具的夹紧状态．刀柄
1由主轴抓刀爪2 央持，碟形弹簧5通过拉杆4、抓刀爪 2 ，在内套 3 的作用
下将刀栖的拉钉拉紧，当换刀时，要求松开刀柄．此时将主轴上端气缸的上腔通
压缩空气，活塞7带动压杆8及拉4向下移动．同时压缩碟形弹簧5，当拉杆4
下移到使抓刀爪2的下端移出内套3时．卡爪张开．同时拉杆4将刀柄顶松，刀
其即可由机械手或刀库拔出。待新刀装入后，气缸6的下腔通压缩空气．在碟形
弹簧的作用下．活塞带动抓刀爪上移．抓刀爪拉杆贯新进人内套3 ，将刀柄拉
紧。活塞7移动的两个极限位置分别设有行程开关10，作为刀具夹紧和松开的
信号．
刀杆尾部的拉紧机构，除上述的卡爪式外，常见的还有钢球拉紧机构，其内
部结构如图2一8所示。
液压卡盘主要体现在卡爪夹紧或者张开时使用到液压油缸的推力或者压力.比较常见的有弹簧夹,薄膜卡盘和快速夹具(滑爪卡盘).弹簧夹头通过金属材料本身的
弹性来达到夹紧(或张开),反之通过油缸的推拉来实现张开(夹紧).
薄膜卡盘在盘齿类零件的内孔加工里最常见,它通过拉杆来推开金属膜片使之变形,而装在膜片上的卡爪也随之微量张开,当拉杆不作用于膜片上,膜片恢复原形,
卡爪不张开,卡盘处于夹紧状态.
滑爪卡盘就是把卡爪装在一个有斜度的座上，当油缸拉杆后拉会使卡爪一边后移一边直径方向缩小,这样就达到了夹紧的目的.现在市场上有比较完整的液压卡
盘,类似滑爪卡盘的,好象都比较贵,十寸的要8000多块.台湾千岛精密的.
一般液压卡盘装第一个零件前都要卡爪自磨(夹紧量小,大调整必须手动调整卡爪离卡盘中心的距离,或者直接更换卡爪)
液压夹紧轴套
