3.带刀套机械手换刀

VPl050换刀机械手如图2-25所示。套筒1由气缸带动做垂直方向运动，实现对刀库中刀具的抓刀，滑座2由气缸作用在两条圆柱导轨上水平移动，用于将刀库刀夹上的刀具(或换刀臂上的刀具)移到换刀臂上(或移到刀库刀夹上)。换刀臂可以上升、下降及180°旋转实现主轴换刀。换刀臂的上下运动由气缸实现，回转运动由齿轮齿条机构实现。换刀过程如下：

图2-25 VP1050换刀机械手原理

1-套筒；2-滑座；3-换刀臂；4-弹簧刀夹；5-刀号； 6-主轴；7-主轴抓刀爪；8-换刀臂外侧爪；9-换刀臂内侧爪

1)取刀 套筒1下降(套进刀把)→滑座2前移至换刀臂(将刀具从刀库中移到换刀臂)→换刀臂3刀号更新(换刀臂的刀号登记为刀链的刀号，此过程在数控系统内部由PLC程序完成，用于刀库的自动管理)→套筒1上升(套筒脱离刀把)→滑座2移进刀库(恢复初始预备状态)。

2)换刀 主轴6运动至还(换)刀参考点(运动顺序为先Z轴，后X轴，将刀柄送入换刀臂外侧爪)→主轴抓刀爪7松开→换刀臂3下降(从主轴上取下刀具)→换刀臂3旋转(刀具转至刀库侧)→换刀臂3上升(换刀臂刀爪与刀库刀爪对齐)→滑座2前移(套筒1对正刀柄)→套筒1下降(套进刀柄)→滑座2移进刀库(刀具从换刀臂移进刀库)→换刀臂3刀号设置为0(换刀臂刀号为空白，由数控系统PLC完成)→套筒上升(脱离刀把)→还刀完成。

2.3 加工中心支承系统

1.支承件的功用和要求

加工中心的支承件主要包括床身、立柱、横梁、底座等大件，它的作用是支承零部件，承受作用力并保证它们的相互位置。虽然支承件的形态、几何尺寸和材料多种多样，但它们都必须满足如下要求：

1)刚度要求 支承件的刚度是指支承件在恒定载荷和交变载荷作用下抵抗变形的

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能力。采用高刚性材料、提高材料弹性模量可以提高支承件的刚度；增大接触面积、加大预紧力、提高表面质量可以有效地提高接触刚度；采用合理的截面形状、合理配置加强肋板和加强筋是提高支承件刚度的有效措施。

2)抗振性要求 支承件的抗振性是指其抵抗受迫振动和自激振动的能力。振动不仅会使机床产生噪声，同时也会影响加工质量，因此支承件应有足够的抗振性，具有合乎要求的动态特性。影响支承件的抗振性的主要因素是：支承件的刚度、固有频率、阻尼、支撑情况和材料等。

3)热变形和内应力要求 影响支承件热变形的主要因素是：支承件的结构，运动部件的发热及外部热源。通过采用热对称结构、隔离热源、强制冷却、快速排屑等措施减少热变形。

2.加工中心支承件典型结构

1)床身 床身是机床的基础件，要求具有足够高的静、动刚度和精度保持性。在满足总体设计要求的前提下，应尽可能做到既要结构合理、肋板布置恰当，又要保证良好的冷、热加工工艺性。

2)立柱 加工中心立柱主要是对主轴箱起到支承作用，满足主轴的Z向运动，因此，立柱应具有较好的刚性和热稳定性。

3)床身的三点支承 加工中心的导轨大都采用直线滚动导轨，滚动导轨摩擦系数很低、动静摩擦系数差别小，低速运动平稳、无爬行，因此可以获得较高的定位精度。但是这些精度的实现，必须建立在底座处于正确的状态，否则垂直方向的支撑高低误差会造成结构侧向扭曲，进而造成全行程内摩擦阻力的变化，导致定位精度的误差。以前采用滑动导轨时，导轨的配合面要刮研精修，在装配过程中可发生导轨扭曲现象，并通过修配实现校正。改用滚动导轨，不存在修正过程，很难避免床身扭曲或安装所造成的轨道扭曲。

2.4 加工中心的压力控制系统

数控机床包括一些辅助设备，比如液压夹紧装置、气动控制、各种润滑等。

在工程控制中，常以空气、液体作为工作介质，利用压力进行能量和力的传递来进行控制，这种技术被称之为压力控制。在数控机床中，这种控制技术被广泛应用。

2.4.1 压力控制系统的功能与组成

1.压力传动的特点

气压、液压传动属于流体传动的两个分支，它们分别是以压缩空气和液压油为工作介质，来进行能量的传递和控制的传动技术。相对于机械传动、电力传动等传动技术，气、液压传动是新兴的工程技术。由于它们具有许多机械传动所不具有的优点，故其发展速度较快，应用范围也越来越广，目前已广泛应用于工程技术中的各个领域。

1）气压传动

气压传动是以空气压缩机为动力源，以压缩空气为工作介质，进行能量传递或信号传递的一门工程技术，是工程实际中进行各种生产控制和自动控制的重要手段之一。与机械、电气、液压传动等方式相比，气压传动具有以下一些优点：

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(1)由于工作介质为空气，故其来源容易、制取方便、成本低廉。

(2)较好的工作环境适应性。由于气压传动以空气作为工作介质，故能用于环境恶劣，高净化、无污染的场合，且工作可靠性较好，易于实现过载保护。

(3)空气粘度小，在传动过程中的能量损失较小，节能、高效，适宜于远距离的供气和气源的集中布置。

(4)气压传动反应灵敏、动作迅速、易维护和调节，故比较适宜于直接应用到自动控制的场合。

(5)气动元件结构简单，制造工艺性较好，制造成本低，使用寿命长，易于实现标准化、系列化、通用化。

但是，气压传动也存在一些缺点：对变载荷工作运动平稳性较差；气动装置工作压力不高(常用气源一般为0.5～1MPa的压力)，输出力或转矩不大；排气噪声大；需在气路中设置供油润滑装置对气路元件进行润滑。

2）液压传动

液压传动是以液压泵为动力源，以液压油为工作介质，进行能量传递或信号传递的一门工程技术。液压传动与其他传动方式相比，具有以下优点：

(1)易于实现无级调速和大范围调速，一般可达到100:1～2000:1的传动比。 (2)单位功率的传动装置重量轻、体积小、结构紧凑(在同样大小功率的条件下，一般电动机是液压马达重量的4～5倍)，可产生和传递较大的力和力矩。

(3)惯性小、反应快、冲击小、工作平稳，易于实现高速起动、制动和换向。液压传动装置的换向频率，回转运动每分钟可达500次，往复直线运动每分钟可达1000次。

(4)易控制、易调节、操纵方便，易于与电气控制相结合，用以实现远程控制和复杂顺序控制的自动化，易于实现过载保护。

(5)液压传动具有自润滑、自冷却作用，可以减少因摩擦和高温产生的液压元件损坏，工作寿命较长。

(6)液压元器件易于实现系列化、标准化、通用化，故可以降低制造、使用成本。 但是，液压传动也存在一些缺点：如泄漏，污染环境、浪费资源，且不易实现定比传动；对油温和负载的变化比较敏感，不宜在高温或低温环境中工作；要求元件制造精度高，使用维护要求较为严格，故障点不易确定。

2. 气、液压传动发展概况及应用 近几十年来，随着现代制造技术、密封技术等的发展，液压传动技术在高压、高速、大功率、低噪声、节能、高效和提高使用寿命等方面取得了巨大进展，并在交流液压技术、机—电—液组合传动、液压系统的逻辑设计、液压技术计算机化等方面进行了有益的探索，取得了一定的成效，并在工程实际中开始应用推广。

气动技术目前已发展成为一门独立的技术，在各方面的应用范围也在不断扩大。近年来，气动技术在向小型化、集成化、无油化(由不供油润滑和无润滑元件组成的系统)、提高元器件和系统的可靠性及使用寿命、发展节能技术、电—气一体化(如压力比例阀、流量比例阀、数字控制气缸等气、电技术结合的自适应控制气动元件等)、提高气动系统的机电一体化和自动化水平等方面进行发展。

机床上采用气、液压技术的方面很多，但主要是利用气、液传动在工作中可以实

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现无级变速、易于实现自动化、可频繁换向等优点。

就数控机床而言，气、液压传动的应用主要在静压支承和辅助运动的实现方面。如主轴静压轴承、静压导轨，工件的夹紧、装卸，刀具的更换，垂直移动部件的自重平衡，托盘的交换，工作台的回转分度等，有时机床和工件的清理、冷却等场合也应用到液、气压系统。

2.4.2 数控机床的压力系统

1.气、液压系统在数控机床中常用来完成如下的辅助功能：

1)数控机床运动部件的制动、离合器的控制、齿轮拨叉挂挡的实现等。

2)数控机床中运动部件的平衡。如主轴箱的重力平衡、换刀机械手的平衡等。 3)定位面的自动吹屑清理等。

4)数控机床防护罩、板、门的自动打开与关闭。 5)工作台的松开与夹紧，交换台的自动交换动作。 6)夹具的自动松开与夹紧。

7)自动换刀所需动作。如机械手的伸缩、回转和摆动以及刀具的松开和拉紧等。 2.数控机床气动系统工作原理、结构布置及特点

数控机床气动系统的设计及布置与加工中心的类型、结构、要求完成的功能等有关，结合气压传动的特点，一般在要求力或力矩不太大的情况下采用气压传动。下面以H400型卧式加工中心气动系统为例介绍加工中心气动系统的特点、布置及其工作原理等。

如图2-26所示为H400型卧式加工中心气动系统原理图。主要包括松刀缸、双工作台交换、工作台与鞍座之间的拉紧、工作台回转分度、分度插销定位、刀库前后移动、主轴锥孔吹气清理等几个动作完成的气动支路。

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