认知数控机床常见的辅助系统，掌握其组成及其工作原理知识，能够掌握其类型与应用场合。

数控机床的辅助系统是指数控机床的一些必要的配套部件，用以保证数控机床的运行。

数控机床常见辅助系统主要有自动换刀系统（ATC）、液压和气压系统、冷却系统、润滑系统、排屑系统、夹具系统、加工中心的工作台交换系统（APC）及数控车床的自动送料系统等。

一、自动换刀系统

自动换刀系统简称ATC，是加工中心的重要部件，由它实现零件工序之间连续加工的换刀要求，即在每道工序完成后自动将下一道工序所用的新刀具更换到主轴上，从而保证加工中心工艺集中的工艺特点。刀具的交换一般通过机械手、刀库及机床主轴的协调动作共同完成。

带刀库和自动换刀装置的数控机床，其主轴箱和转塔主轴头相比较，由于主轴箱内只有一个主轴，主轴部件具有足够的刚度，因而能够满足各种精密加工的要求。另外，刀库可以存放数量很多的刀具，以进行复杂零件的多工步加工，可明显提高数控机床的适应性和加工效率。自动换刀系统特别适用于加工中心。

1.组成

自动换刀系统一般由刀库和机械手组成。不同机床的自动换刀系统可能不同，这正是体现机床特色的部分。

1）刀库

刀库，顾名思义，是存放刀具的仓库，就是把加工零件所用的刀具都存放在这里，在加工过程中由机械手抓取。刀库形式主要有盘式刀库和链式刀库两种。

（1）盘式刀库：盘式刀库通常应用在小型立式综合加工机上。盘式刀库结构简单，刀库容量一般为15～30把刀，价格低，装配调试方便，维护简单，需搭配自动换刀机构ATC进行刀具交换，如图5－1－1所示。

图5－1－1 盘式刀库

（2）链式刀库：刀库容量较大，可以装载100把刀具，甚至更多。链式刀库容量较大，主要是因为箱体类零件加工内容多，使用刀具的数量也就相应增加，如图5－1－2所示。

图5－1－2 链式刀库

2）机械手

机械手的形式有单臂、双臂等多种，有的加工中心甚至没有机械手，而通过刀库和主轴的相对运动实现换刀。机械手如图5－1－3所示，机械手换刀如图5－1－4所示。

图5－1－3 机械手

图5－1－4 机械手换刀

2.换刀方式

根据实现原理的不同，自动换刀有回转刀架换刀、更换主轴头换刀、带刀库自动换刀等方式。

1）回转刀架换刀

回转刀架换刀的工作原理类似于分度工作台，通过刀架定角度回转实现新旧刀具的交换。四工位回转电动刀架如图5－1－5所示，六工位电动刀架如图5－1－6所示。

图5－1－5 四工位回转电动刀架

图5－1－6 六工位电动刀架

2）更换主轴头换刀

更换主轴头换刀方式时首先将刀具放置于各个主轴头上，通过转塔的转动更换主轴头，从而达到更换刀具的目的，如图5－1－7所示。这种方式设计简单，换刀时间短，可靠性高。其缺点是储备刀具数量有限，尤其是更换主轴头换刀方式的主轴系统的刚度较差，所以仅仅适应于工序较少、精度要求不太高的机床。

图5－1－7 更换主轴头换刀

3）带刀库自动换刀

带刀库自动换刀方式由刀库、选刀系统、刀具交换机构等部分构成，结构较复杂。该方式虽然有换刀过程动作多、设计制造复杂等缺点，但由于其自动化程度高，因此在加工工序比较多的复杂零件时，被广泛采用。

换刀方式及其特点、使用范围详见表5－1－1。

表5－1－1 换刀方式及其特点、使用范围

二、冷却系统

数控机床的冷却系统主要用于在切削过程中冷却刀具与工件，同时也起冲屑作用。为了获得较好的冷却效果，冷却泵打出的切削液需要通过刀架或主轴前的喷嘴喷出直接冲向刀具与工件的切削发热处。冷却泵的开、停由数控系统中的辅助指令M08、M09来分别控制。

1.冷却系统的作用

冷却系统主要通过冷却水泵将水箱中的切削液加压后喷射到切削区域，降低切削温度，冲走切屑，润滑加工表面，以提高刀具使用寿命和工件的表面加工质量。

在金属切削过程中，通常开启冷却液，具有减缓刀具的磨损、提高工件的表面质量、冲洗切屑等功能。因此，冷却系统广泛应用在车床、铣床、加工中心、线切割等几乎所有的金属切削机床上，是机床重要的组成部分。

2.冷却系统的组成及原理

机床的冷却系统是由冷却泵、水管、电动机及控制开关等组成的，冷却泵安装在机床底座的内腔里，冷却泵将冷却液从底座打出，经水管，从喷嘴喷出，对切削部分进行冷却。

3.冷却系统的核心及控制

冷却系统的核心是冷却电动机，其外形如图5－1－8所示，冷却系统主电路如图5－1－9所示，接触器KM4起控制作用，热继电器FR2起过载保护。冷却电动机及其控制的正常与否是冷却系统正常工作的基础。

图5－1－8 冷却电动机外形

图5－1－9 冷却系统主电路

数控系统通过PLC程序输入输出点Y1.1，控制中间继电器线圈KA5的通电（图5－1－10），利用中间继电器触点的通断电控制接触器KM4的线圈得电（图5－1－11），进而控制冷却电动机的通断电。因此，冷却电动机控制电路是通过控制面板的冷却按钮及PLC程序实现单按钮启停控制的电路。

图5－1－10 PLC输出信号图

图5－1－11 冷却系统局部控制电路

三、液压与气动系统

液压与气动系统是辅助实现整机自动运行功能的主要装置。

数控机床中的液压与气压系统有：

（1）自动换刀所需的动作。

（2）主轴箱的平衡、主轴箱齿轮的变挡以及回转工作台的夹紧等。

（3）机床润滑与冷却。

（4）工件、刀具定位面和交换工作台的自动吹屑，清理定位基准面等功能。

（5）机床安全防护门的开关。

四、润滑系统

数控机床的润滑系统在机床整机中占有十分重要的位置，它不仅具有润滑作用，而且还有冷却作用，可以减小机床热变形对加工精度的影响。润滑系统的设计、调试和维修保养，对于保证机床加工精度、延长机床使用寿命等都具有十分重要的意义。

数控机床上常用的润滑有油脂润滑和油液润滑两种方式。油脂润滑是数控机床的主轴支承轴承、滚珠丝杠支承轴承及低速滚动线导轨最常采用的润滑方式；高速滚动直线导轨、贴塑导轨及变速齿轮等多采用油液润滑方式；丝杠螺母副有采用油脂润滑的，也有采用油液润滑的。

1.油脂润滑

油脂润滑不需要润滑设备，工作可靠，不需要经常添加和更换润滑脂，维护方便，但摩擦阻力大。支承轴承油脂的封入量一般为润滑空间容积的10%，滚珠丝杠螺母副油腊封入量一般为其内部空间容积的1／3。封入的油脂过多，会加剧运动部件的发热。采用油脂润滑时，必须在结构上采取有效的密封措施，以防止因冷却液或润滑油流入而使润滑脂失去功效。

2.油液润滑

1）集中润滑系统的特点

数控机床的油液润滑一般采用集中润滑系统，即从一个润滑油供给源把一定压力的润滑油，通过各主、次油路上的分配器，按所需油量分配到各润滑点。同时，系统具备对润滑时间、次数的监控和故障报警以及停机等功能，以实现润滑系统的自动控制。集中润滑系统的特点是定时、定量、准确、高效，使用方便可靠，润滑剂不被重复使用，有利于提高机床使用寿命。

2）集中润滑系统的分类

集中润滑系统按润滑泵的驱动方式不同，可分为手动供油和自动供油系统；按供油方式不同，可分为连续供油系统和间歇供油系统；连续供油系统在润滑过程中产生附加热量，且因过量供油而造成浪费和污染，往往得不到最佳的润滑效果。间歇供油系统是周期性定量对各润滑点供油，使摩擦副形成和保持适量润滑油膜。目前，数控机床的油液润滑系统一般采用间歇供油系统。

集中润滑系统按使用的润滑元件不同，可分为容积式润滑系统、阻尼式润滑系统、递进式润滑系统和油气式润滑系统。

（1）容积式润滑系统：该系统以定量阀为分配器向润滑点供油，在系统中配有压力继电器，使系统油压达到预定值后发出信号，使电动机延时停止，润滑油从定量分配器供给，系统通过换向阀卸荷，并保持一个最低压力，使定量阀分配器补充润滑油，电动机再次启动，重复这一过程，直至达到规定的润滑时间。该系统压力一般在50 MPa以下，润滑点可达几百个，其应用范围广、性能可靠，但不能作为连续润滑系统。

定量阀的结构原理是：由上、下两个油腔组成，在系统的高压下将油打到润滑点，在低压时，靠自身弹簧复位和碗形密封将存于下腔的油压入位于上腔的排油腔，排量为0.1～1.6 mL，并可按实际需要进行组合。图5－1－12所示为容积式润滑系统。

图5－1－12 容积式润滑系统

（2）阻尼式润滑系统：该系统适合于机床润滑点需油量相对较少，并需周期供油的场合。它是利用阻尼式分配器，把泵打出的油按一定比例分配到润滑点。一般用于循环系统，也可以用于开放系统，可通过控制时间来控制润滑点的油量。该润滑系统非常灵活，多一个润滑点或少一个都可以，并可由用户安装，且当某一点发生堵塞时，不影响其他点的使用，故应用十分广泛。图5－1－13所示为阻尼式润滑系统。

图5－1－13 阻尼式润滑系统

（3）递进式润滑系统：该系统主要由泵站、递进式分流器组成，并可附加控制装置加以监控。其特点是能对任一润滑点的堵塞进行报警并终止运行，以保护设备；定量准确、压力高，不但可以使用稀油，而且还适用于使用油脂润滑的情况。润滑点可达100个，压力可达21 MPa。

递进式分流器由一块底板、一块端板及最少三块中间板组成。一组阀最多可有8块中间板，可润滑18个点。其工作原理是由中间板中的柱塞从一定位置起依次动作供油，若某一点产生堵塞，则下一个出油口就不会动作，因而整个分流器停止供油。堵塞指示器可以指示堵塞位置，便于维修。图5－1－14所示为递进式润滑系统。

图5－1－14 递进式润滑系统

（4）油气式润滑系统：该系统的工作方式是利用压缩空气泵，通过分配器，供给润滑部位油气。可单纯供给系统润滑油。数控机床和加工中心的高速主轴适于采用油气式润滑系统。

五、排屑系统(www.daowen.com)

排屑系统是数控机床的必备附属系统，其主要作用是将切屑从加工区域排到数控机床之外。迅速、有效地排除切屑才能保证数控机床正常加工。

排屑装置的安装位置一般尽可能靠近刀具切削区域。如车床的排屑装置，装在回转工件下方；铣床和加工中心的排屑装置装在床身的回水槽上或工作台边侧位置，以利于简化机床或排屑装置结构，减小机床占地面积，提高排屑效率。排出的切屑一般落入存屑箱或小车中，有的则直接排入车间排屑系统。排屑装置的种类繁多，图5－1－15所示为常见的几种排屑装置。

图5－1－15 常见的几种排屑装置

（a）平板链式排屑装置；（b）刮板式排屑装置；（c）螺旋式排屑装置

1.平板链式排屑装置

平板链式排屑装置［图5－1－15（a）］以滚动链轮牵引钢制平板链带在封闭箱中运转，加工中的切屑落到链带上，经过提升将废屑中的切削液分离出来，切屑排出机床，落入存屑箱。这种装置能排除各种形状的切屑，适应性强，各类机床都能采用。在车床上使用时多与机床切削液箱合为一体，以简化机床结构。

平板链式排屑装置是一种具有独立功能的附件。接通电源之前应先检查减速器润滑油是否低于油面线，如果不足，应加入40号全损耗系统用油至油面线。电动机启动后，应立即检查链轮的旋转方向是否与箭头所指方向相符，如不符，应立即改正。

排屑装置链轮上装有过载熔断离合器，在出厂调试时已做了调整。如电动机启动后，发现摩擦片有打滑现象，应立即停止开动，检查链带是否被异物卡住或其他原因。等原因弄清后，可再次启动电动机，如能正常运转，则说明故障已排除；如不能顺利运转，则可从以下两方面找原因：

（1）摩擦片的压紧力是否足够。先检查碟形弹簧的压缩量是否在规定的数值之内；碟形弹簧自由高度为8.5 mm，压缩量应为2.6～3 mm，若在这些数值范围之内，则说明压紧力已足够；如果压缩量不够，则可均衡地调紧3只M8压紧螺钉。

（2）若压紧后还是继续打滑，则应全面检查卡住的原因。

2.刮板式排屑装置

刮板式排屑装置［图5－1－15（b）］的传动原理与平板链式排屑装置的传动原理基本相同，只是链板不同，它带有刮板链板。这种装置常用于输送各种材料的短小切屑，排屑能力较强。因负载大，故需采用较大功率的驱动电动机。

3.螺旋式排屑装置

螺旋式排屑装置［图5－1－15（c）］是采用电动机经减速装置驱动安装在沟槽中的一根长螺旋杆进行排屑。螺旋杆转动时，沟槽中的切屑即由螺旋杆推动连续向前运动，最终排入存屑箱。螺旋杆有两种形式：一种是用扁形钢条卷成螺旋弹簧状；另一种是在轴上焊上螺旋形钢板。这种装置占据空间小，适于安装在机床与立柱间空隙狭小的位置上。螺旋式排屑装置结构简单，排屑性能良好，但只适于沿水平或小角度倾斜直线方向排运切屑，不能大角度倾斜、提升或转向排屑。

以数控车床为例，找出数控机床中的常见辅助系统

学生参观数控车床，了解其组成和工作原理，并进一步寻找其辅助系统的组成及类型等。具体实施步骤如下：

（1）寻找冷却系统。

（2）寻找液压和气压系统。

（3）寻找润滑系统。

（4）寻找排屑系统。

（5）寻找自动换刀系统。

（6）寻找其他辅助系统。

根据任务完成过程中的表现，填写表5－1－2。

表5－1－2 任务评价

工业机械手

工业机械手是模仿人的手部动作，按给定程序实现自动抓取、搬运和操作的自动装置。

机械手一般由执行机构、驱动机构、控制系统和检测装置等组成，智能机械手还具有感觉系统和智能系统。

一、组成

工业机械手主要由执行机构、驱动机构、控制系统和机座四部分组成。

1.执行机构

执行机构包括以下部分：

（1）手爪：它是直接抓取（夹紧或放松）工件（或工具）的构件。常用的有钳爪式、吸盘式和万能式。

（2）手腕：它是连接手爪和手臂的构件，起支持手爪和扩大手臂动作范围的作用。它可以实现回转与摆动运动。有时，也可采用无手腕动作的机械手。

（3）手臂：它是支承手腕、手爪的构件。一般可实现伸缩、升降及回转摆动等运动。

（4）立柱：它是支承手臂等构件的装置，一般是固定不动的，因工作需要也有做横向移动的，常称可移动立柱。

（5）行走机构：它是机械手能完成远距离操作的装置，由滚轮和导轨或多杆机构组成。

2.驱动机构

驱动机构是驱动手臂、手腕、手爪等构件的动力装置，通常有气动、液压和电动三种形式。

3.控制系统

控制系统是支配机械手按规定程序运动的装置。它必须具备保存或记忆指令信息（如动作顺序、到达位置和时间信息）的功能；能及时测量及处理信息，对机械手的执行机构发出控制指令，必要时还可发出故障报警。

4.机座

机座是安装机械手执行机构、驱动机构等的基础部件。

二、规格

工业机械手的规格参数是说明机械手规格和性能的具体指标，一般包括以下几个方面：

（1）抓重（又称臂力）：额定抓取重力或称额定负荷，单位为N（必要时注明限定运动速度下的抓重）。

（2）自由度数目和坐标形式：机身、臂部和腕部等运动共有几个自由度，并说明坐标形式。

（3）定位方式：固定机械挡块、可调机械挡块、行程开关、电位器及其他各种位置设定和检测装置；各自由度所设定的位置数目或位置信息容量；点位控制或连续轨迹控制。

（4）驱动方式：气动、液动、电动或机械传动。

（5）臂部运动参数：伸缩、升降、横移、回转、俯仰的位移范围和速度。

（6）腕部运动参数：回转、上下摆动、左右摆动、横移的位移范围和速度。

（7）手指夹持范围和握力（即夹紧力或吸力）。

（8）定位精度：位置设定精度及重复定位精度（±mm）。

（9）程序编制方法及程序容量：如插销板、二极管矩阵插销板、一位机可编过程控制、多位机控制以及示教存储等。

（10）接收信号、发送信号及联锁控制信号数目满足使用要求。

（11）控制系统动力：电、气。

（12）驱动源：气动的气压大小；液压的使用压力、油泵规格、电动机功率；电动的电动机类型、规格。

（13）轮廓尺寸：长（mm）×宽（mm）×高（mm）。

（14）质量：整机质量（kg）。

三、特点

工业机械手满足了社会生产的需要，并带来了经济收益。其特点包括：

（1）对环境的适用性强，能代替人从事危险、有害的操作，在长时间工作对人体有害的场所，机械手不受影响。只要根据工件环境进行合理设计，选用适当的材料和结构，机械手就可以在异常高温或低温、异常压力和有害气体、粉尘、放射线作用下工作。

（2）机械手能持久、耐劳，可以把人从繁重单调的劳动中解放出来，并能扩大和延伸人的功能。只要对机械手注意维护、检修，即能胜任长时间的单调重复劳动。

（3）动作准确，可保证和提高产品的质量，同时可避免人为的操作错误。

（4）通用性、灵活性好，特别是通用工业机械手，能适应产品品种迅速变化的要求，满足柔性生产的需要。这是因为机械手动作程序和运动位置（或轨迹）能灵活改变，具有众多的自由度，能迅速改变作业内容，满足生产要求。作为中、小批量生产自动化最能发挥其效用。

（5）采用机械手能明显地提高劳动生产率和降低成本。

四、分类

1.按使用范围分类

1）专用机械手

它是附属于主机，具有固定（有时可调）程序而无独立控制系统的机械装置。专用机械手具有动作少、工作对象单一、结构简单、工作可靠等特点，适用于大批量自动化生产。目前在轻工、电子行业得到广泛应用。

2）通用机械手

它是一种具有独立控制系统、程序可变、动作灵活多样的机械手。通用机械手的工作范围大，定位精度高，通用性强，适用于不断变换生产品种的中、小批量自动化生产，在柔性自动生产线中得到广泛应用。

2.按驱动方式分类

1）机械传动机械手

它是由机械传动机构（凸轮、连杆、齿轮、齿条等）驱动执行机构运动的机械手。它的主要特点是运动准确可靠、动作频率高，但结构尺寸较大，动作程序不可变。一般用作自动机的上料或卸料装置。

2）液压传动机械手

它是以油液的压力来驱动执行机构运动的机械手。抓重能力大，结构小巧轻便，传动平稳，动作灵便，可无级调速，进行连续轨迹控制。但因油的泄漏对工作性能影响较大，故它对密封装置要求严格，且不宜在高温或低温下工作。

3）气压传动机械手

它是利用压缩空气的压力来驱动执行机构运动的机械手。其主要特点是介质来源方便，气压传动动作迅速，结构简单，成本低，能在高温、高速和粉尘大的环境中工作。但由于空气具有可压缩的特性，工作速度的稳定性较差，且因气源压力低，只宜在轻载下工作。

4）电力传动机械手

它是由特殊设计的电动机、直线电动机或步进电动机直接驱动执行机构运动的机械手。因无须中间转换机构，故结构简单，其中直线电动机机械手的运动速度快、行程长、使用和维护方便。目前机械设计正朝“机电一体化”方向发展，采用电力直接驱动机械手的情况将日益增多。

五、应用

工业机械手在工业生产中的应用极为广泛，大致有以下几方面：

（1）实现单机自动化：各类半自动机床的自动上、下料。

（2）组成自动生产线：在单机自动化的基础上，自动装卸和输送工件，可以使一些单机连接成自动生产线。

（3）特殊工作环境：如高温（热处理、锻造、铸造等）、有毒有害、星际探索、海底资源开发等环境需要采用机械手（或自动或遥控）代替人进行作业。