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机床的基础知识 本章内容 卧式镗床外形 牛头刨床(Horizontal Shaper) 插齿(Gear Shaping)机 如，最大磨削直径为320mm，第一次重大设计改进的高精度万能外圆磨床，其型号为： 机床的机械传动 常用的传动副及传动特点 1.皮带传动 常用的传动副及传动特点 2.齿轮传动 常用的传动副及传动特点 3.蜗轮蜗杆传动 常用的传动副及传动特点 4.齿轮齿条传动 常用的传动副及传动特点 5.丝杠螺母传动 机床传动链及其传动比 传动链——将基本传动方法中某些传动副按传动轴依次组合 起来，就构成一个传动系统，即传动链。 机床上常见的传动机构 1.变速机构 变速机构用来改变从动件的旋转速度或移动速度。主要通过改变传动比大小使从动轴得到各种不同的转速。机床上常用的变速机构有： （1）塔轮变速机构 （2）滑移齿轮变速机构 （3）离合器变速机构 （4）摆动齿轮变速机构 变速机构 （1）塔轮变速机构 塔轮 变速机构 （2）滑移齿轮变速机构 变速机构 （3）离合器变速机构 变速机构 （4）摆动齿轮变速机构 机床上常见的传动机构 2.换向机构 换向机构用来改变机床运动部件的运动方向，机床上普遍采用由圆柱齿轮和圆锥齿轮组成的换向机构。机床上常用的换向机构有： （1）三星齿轮换向机构 （2）中间齿轮换向机构 （3）锥齿轮换向机构 换向机构 换向机构 （2）中间齿轮换向机构 换向机构 （3）锥齿轮换向机构 普通车床的基本结构及运动 C6132车床传动框图 C6132车床主运动传动 2.3.1 C6132车床主运动传动 1.传动路线 主运动传动链的传动路线表达式如下： 2.传动计算 根据传动路线表达式主轴可得到12种转速。主轴工作转速计算式为： 即 式中 n电——电动机转速，r/min； i 变——变速箱总传动比； i 带——皮带传动比； i 主——主轴箱输入轴至主轴的传动比； 图2-3所示齿轮的啮合位置，主轴的工作转速为： 可见，当改变变速箱中滑移齿轮的位置和主轴箱中离合器M1的位置时，可得到其余11种转速。其中： 2.3.2 C6132车床进给运动传动 1.进给运动传动路线： 增倍齿轮 增倍齿轮由三轴滑移齿轮机构组成。可变换四种传动比： 它们之间依次相差2倍，其作用是将基本组的传动比成倍地增加或缩小，从而可以加工出不同螺距的螺纹。 C6132车床进给运动传动 2.螺纹加工传动： 从进给运动的传动路线图上可知，进给箱的变速级数达5×5=20种，还有7组不同传动比的挂轮可根据需要任意配换，所以可以车出各种不同螺距的螺纹。 在C6132车床上可以车出公制、英制和模数螺纹。 车公制螺纹时，要求工件每转一转，刀具应均匀地移动一个导程P的距离。当车削各种螺纹时，按工件导程P从车床铭牌上即可查出各手柄位置及配换挂轮齿数。 对于铭牌上没有的螺纹或非标准螺纹的加工，则需要计算配换的挂轮。 图上所示的啮合位置，其传动路线为： 则工件导程P： 若P已知，就可求出挂轮a、b、c、d的齿数。 可操纵溜板箱中的变向机构实现丝杠的转向，车出右旋螺纹或左旋螺纹。 若a=60、b=65、c=65、d=45，当离合器M左及M右分别接合时，纵向和横向进给量分别为： 机床的液压传动 液压传动是应用液体作为工作介质，通过液压元件来传递运动和动力。 平面磨床工作台往复运动液压传动系统 液压传动系统的组成 2、液压传动系统的组成 一般液压传动系统主要由以下五部分组成： （1）动力元件（油泵）——作用是将机械能转换成油液液压能，给液压系统提供压力油； （2）执行元件（液压缸或液压马达） ——作用是将液压能转换成机械能并分别输出直线运动或旋转运动； （3）控制元件（如溢流阀、节流阀和换向阀等） ——作用是分别控制液压系统油液的压力、流量和流向，以满足执行元件对力、速度和运动方向的要求； （4）辅助元件（如油箱、油管、滤油器、密封件等） ——起辅助作用，以保证液压系统正常工作； （5）工作介质（矿物油） ——传递能量的介质。 液压传动的特点及其在机床中的应用 1.液压传动突出的优点: （1）从结构上看 液压传动的控制、调节比较简单，操作方便，布局灵活。当与电气或气压传动相配合使用时，易于实现远距离操纵和自动控制； （2）从工作性能上看 液压装置能在大范围内实现无级调速，也可以在运行中很方便地调速，动作快速、稳定。因为工作介质是液体，所以运动传递平稳、均匀。 （3）从维护使用上看 液压元件能自行润滑，因此使用寿命长，且能实现系统的过载保护。元件易实现系列化、标准化。 缺点：由于不可避免存在泄露，所以液压系统不能实现严格的定传动比传动，传动效率较低。 液压传动在机床中的应用 2.液压传动在机床中的应用: （1）进给运动传动装置 此项在机床上应用最广，如磨床的砂轮架，车床、六角车床、自动车床的刀架或转塔刀架，磨床、铣床、刨床、组合机床的工作台进给运动。这些进给运动一般要求有较大的调速范围，且在工作中能无级变速，因此，采用液压传动是最合适的。 （2）往复主体运动的传动装置 龙门刨床的工作台，牛头刨床或插床的滑枕等。这些部件一般需要作高速往复运动，并要求换向冲击小，换向时间短，因此，可采用液压传动来实现。 液压传动在机床中的应用 （3）仿形装置 车床、铣床、刨床上的仿形加工，如仿形车床的仿形刀架。由于工作时要求灵敏度高，靠模接触力小，寿命长，因此，也可采用液压传动来实现。 （4）辅助装置 机床上的夹紧装置、变速操纵装置、工件和刀具装卸装置、工件输送装置、静压支承等，均可采用液压传动来实现，这样有利于简化机床结构，提高机床自动化的程度。 当然，液压传动在数控机床上应用更多。 数控机床简介 数控机床的定义 数字控制NC——Numerical Control，用数字化信息发出指令并实现自动控制的技术； 计算机数控CNC——Computerized Numerical Control，指用计算机实现部分或全部数控功能，是现代化工业生产中的一门新型高新技术。 数字控制机床（数控机床）——是一种用数字化的代码作为指令，由数字控制系统进行处理、实现自动控制的机床。 数控机床是综合应用计算机技术、自动控制、精密测量和机械设计等领域的先进技术成就而发展起来的一种新型自动化机床。它有效地解决了多品种、小批量生产精密、复杂零件的自动化问题。 数控机床的工作原理和组成 1.数控机床的工作原理 数控机床通过控制刀具相对于工件的运动实现对零件的加工。数控装置按加工程序规定的运动轨迹要求，将刀具对工件的运动分割成最小的位移量，通过不断地向各坐标轴方向输出脉冲形式的指令，使刀具沿各坐标移动若干个脉冲当量δ，实现对工件的相对运动，完成对零件的加工。 数控机床的工作原理(续) 用数控机床加工零件时，首先应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，驱动伺服电动机带动各轴运动，并进行反馈控制，使刀具与工件及其他辅助装置严格地按照加工程序规定的顺序、轨迹和参数有条不紊地工作，从而加工出零件的全部轮廓。 数控机床的工作原理和组成 2.数控机床的控制原理 数控加工中数据转换的过程: 刀补处理 刀具补偿处理： 编程时，通常都将车刀刀尖作为一点来考虑，但实际上刀尖处存在圆角，如下左图所示。当用按理论刀尖点编出的程序进行端面、外径、内径等与轴线平行或垂直的表面加工时，是不会产生误差的。但在进行倒角、锥面及圆弧切削时，则会产生少切或过切现象，如下右图所示。具有刀尖圆弧自动补偿功能的数控系统能根据刀尖圆弧半径计算出补偿量，避免少切或过切现象的产生。 插补处理 插补处理： 数控装置在控制刀具进行轮廓加工时，需要在规定的加工轮廓起点和终点之间进行数值的“密化”，计算出多个中间点的坐标值，以控制机床各坐标轴的运动，这种计算中间值的过程称为插补运算。 如，加工曲线L，可将L分成△L0， △L1， △L2，…等线段，设切削△Li 的时间为 △ti ，刀具在各坐标方向的 位移量为△ Xi 和△ Yi 时， 则 直线插补： 在数控机床上加工任意曲线的零件时，用直线去逼近曲线，逼近误差δ应满足零件公差T的要求，即 δmax ＜ T 数控机床的组成 3.数控机床的组成 数控机床一般由输入装置、数控系统、伺服系统、检测环节和机床本体(组成机床本体的各机械部件)等部分组成。 数控机床组成示意图 数控机床的组成 （1）程序编制 数控机床的程序编制是建立在对加工零件进行充分的工艺基础上的。一般地，程序编制的过程包括： （2）输入装置 操作面板：是操作人员与数控装置进行信息交流的工具，组成：按钮站/状态灯/按键阵列/显示器。下图为西门子的一款数控系统的操作面板： 数控机床的组成 （3） 计算机数控（CNC）装置 数控装置是数控机床的中枢，它如同机床的“大脑”，指挥着机床按预定程序动作。 组成：计算机(硬件和软件)系统、可编程控制器(PLC)和接口电路 作用：根据输入的零件加工程序进行相应的处理（如运动轨迹处理、机床输入输出处理等），然后输出控制命令到相应的执行部件(伺服单元、驱动装置和PLC等)，所有这些工作是由CNC装置内硬件和软件协调配合，合理组织，使整个系统有条不紊地进行工作的。 （4） 进给伺服驱动系统 伺服驱动的作用，是把来自数控装置的位置控制移动指令(包括速度和位移信号）转变成机床工作部件的运动，使工作台按规定轨迹移动或精确定位，加工出符合图样要求的工件。常用的伺服电动机有步进电动机、直流伺服电动机和交流伺服电动机。 数控机床的组成 （5） 位置检测装置 位置检测装置是高性能数控机床的重要组成部分，安装在工作台或丝杠上，其作用是将机床移动的实际位置、速度参数检测出来，转换成电信号，并反馈到CNC装置中，使CNC能随时判断机床的实际位置、速度是否与指令一致，并发出相应指令，纠正所产生的误差。 数控机床的组成 （6）数控机床的机械部件——机床本体 数控机床的机械部件包括：主运动部件（如主轴组件、变速箱等），进给运动执行部件，如工作台、拖板及其传动部件，床身、立柱等支承部件；此外，还有冷却、润滑、转位和夹紧等辅助装置。对于加工中心类的数控机床，还有存放刀具的刀库，交换刀具的机械手等部件。 数控机床是高精度和高生产率的自动化加工机床，与普通机床相比，应具有更好的抗振性和刚度，要求进给传动部分之间的间隙要小。所以其设计要求比通用机床更严格，加工、制造精度更高。 名目繁多的数控机床 名目繁多的数控机床 名目繁多的数控机床 名目繁多的数控机床 数控加工中心 数控机床的分类 目前数控机床的品种很多，通常按下面四种方法进行分类。 1、按运动方式分类 （1）点位控制数控机床 是指数控系统只控制机床的运动部件（刀具或工作台）从一点准确地移动到另一点，而点与点之间运动的轨迹不需要严格控制。为了减少移动部件的运动与定位时间，一般先以快速移动到终点附近位置，然后以低速准确移动到终点定位位置，以保证良好的定位精度。 移动过程中刀具不进行切削。 数控机床的分类 （2）直线控制数控机床 是指数控系统不仅控制刀具或工作台从一个点准确地移动到下一个点，而且保证在两点之间的运动轨迹是一条直线。刀具移动过程可以进行切削。这类机床有数控车床、数控钻床和数控铣床等。 数控机床的分类 （3）轮廓控制数控机床 也称连续切削数控机床 ，是指数控系统能够对两个或两个以上的坐标轴同时进行严格连续控制。它不仅能控制移动部件从一个点准确地移动到另一个点，而且还能控制整个加工过程每一点的速度与位移量，将零件加工成一定的轮廓形状。这类机床有数控铣床、数控车床、数控线切割机床和加工中心等。 数控机床的分类 2、按伺服系统控制方式分类 （1）开环控制数控机床 开环控制系统的特征是系统中没有位置和速度检测反馈装置，指令信息单方向传送，不再反馈回来。 受步进电动机的步距精度和工作频率以及传动机构的传动精度影响，开环系统的速度和精度都较低。但由于开环控制结构简单，调试方便，容易维修，成本较低，仍被广泛应用于经济型数控机床上。 数控机床的分类 （2） 半闭环控制数控机床 半闭环控制数控机床不是直接检测工作台的位移量，而是采用转角位移检测元件，测出伺服电动机或丝杠的转角，推算出工作台的实际位移量，反馈到计算机中进行位置比较，用比较的差值进行控制。由于反馈环内没有包含工作台，故称半闭环控制。 半闭环控制精度较闭环控制差，但稳定性好，成本较低，调试维修也较容易，因此应用比较普遍。 数控机床的分类 （3） 闭环控制数控机床 闭环控制数控机床是利用安装在工作台上的直线位移检测元件（光栅尺）将工作台实际位移量反馈到计算机中，与所要求的位置指令进行比较，用比较的差值进行控制，直到差值消除为止。可见，闭环控制系统可以消除机械传动部件的各种误差和工件加工过程中产生的干扰的影响，从而使加工精度大大提高。 这类机床特点是加工精度高，移动速度快，但调试和维修比较复杂，成本高，目前主要用于精度要求很高的数控坐标镗床、数控精密磨床等。 数控机床的分类 3、按联动轴数分类（对于轮廓控制数控机床） （1） 二轴联动 主要用于数控车床加工旋转曲面或数控铣床加工曲线柱面。 （2） 二轴半联动 主要用于三轴以上机床 的控制，其中两根轴可以联 动，而另外一根轴可以作周 期性进给。 数控机床的分类 （3） 三轴联动 一般分为两类： 第一类 ：X、Y、Z三个直线坐标轴联动，比较多见于数控铣床、加工中心等，下图为用球头铣刀铣削三维空间曲面。 第二类 ：除了同时控制X、Y、Z其中两个直线坐标轴外，还同时控制某一旋转坐标轴，如数控车床。 数控机床的分类 （4） 四轴联动 同时控制X、Y、Z三个直线坐标轴外，还同时控制某一旋转坐标轴。 数控机床的分类 （5） 五轴联动 同时控制X、Y、Z三个直线坐标轴外，还同时控制某两个旋转坐标轴。刀具可以被定在空间的任何方位。 数控机床的分类 4、按加工工艺及机床用途分类 按工艺用途分类，数控机床可分为 （1）金属切削类 主要包括数控钻床、车床、铣床、镗床、磨床和齿轮加工机床等，及加工中心。 （2）金属成形类 主要包括数控压床、冲床、弯管机等。 （3）特种加工类 主要包括数控电火花切割机、数控火焰切割机、数控激光加工机等。 另外，我国也有按数控系统的功能水平分类的，分为高、中、低三档。 数控机床的特点和应用 1.数控机床的特点 （1）加工精度高 按预定程序自动加工，消除操作者的人为误差，零件的一致性好，可以获得比机床本身精度还高的加工精度和重复精度。 （2）对加工对象的适应性强 当加工对象改变时，无需调整机床或制造专用夹具，只需更换加工程序，便可加工出新的零件，具有很高的“柔性”。 （3）加工形状复杂的工件比较方便 数控机床能自动控制多个坐标联动，可以加工复杂表面。 （4）加工生产率高 缩短加工准备时间、节省测量和检验时间、节约装夹时间，提高生产率。 （5）便于实现计算机辅助设计与制造一体化 易于实现设计、制造一体化系统，实现快速重组、远程制造。 但数控机床使用、维修技术高求高，价格贵。 数控机床的应用 2.数控机床的应用范围 （1） 批量小、品种多的零件； （2）几何形状复杂的零件； （3）贵重零件加工； （4）需要全部检验的零件； （5）急需件、试制件。 数控机床具有一般机床所不具有的优点，其使用范围在不断扩大，但它并不能完全代替普通机床，也不能解决机械加工中的所有问题。 通用机床、专用机床和数控机床的适用性不尽相同，主要受零件复杂程度和生产批量的影响。 通用机床、专用机床和数控机床的适用性对比 数控机床的发展趋势 1.高可靠性 可靠性是数控机床质量的关键性指标，制约着数控机床的发展。其量化指标为数控系统MTBF值（平均无故障工作时间）， 从上世纪70年代的3000小时，发展到90年代的30000小时，目前达到125个月。 2.高柔性化 数控机床的出现，开创了柔性自动化加工的新纪元。目前正向单元柔性化和系统柔性化方向发展。 3.高精度化 高精度化是数控技术追求的目标之一，包括机床制造的几何精度和机床使用的加工精度。目前已达微米级，以后会更小。 4.高速度化 高速度化也是数控技术追求的目标之一，主要是提高切削速度，减少辅助时间。目前主轴转速可高达20000r/min（即333r/s）。 5.制造系统自动化、智能化 以数控机床为主体的加工自动化从“点”、“线”、“面”向“体”发展。 柔性制造系统
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