第二章-數(shù)控機床的運動分析-曼初宏

數(shù)控機床第二章數(shù)控機床的運動分析第二章數(shù)控機床的運動分析第一節(jié)零件表面的形成

第二節(jié)數(shù)控機床的運動

第三節(jié)數(shù)控機床的傳動第一節(jié)零件表面的形成一、零件表面的形狀

任何一個機器零件的形狀都是由它的功用來確定的。實現(xiàn)同樣的功用，可以有多種多樣的零件表面形狀。在實際生產(chǎn)中常選用那些加工最方便、最經(jīng)濟、最準確和最迅速的零件表面形狀。這往往是形狀比較簡單的表面，例如平面、圓柱面、圓錐面、球面、螺旋面等，如圖2?1所示。圖2-1機械零件上常用的各種表面第一節(jié)零件表面的形成二、零件表面的形成原理

從幾何學的觀點看，面是線的運動軌跡。零件上的任何一個表面，都可以視為一條曲線(母線)沿著另一條曲線(導線)運動的軌跡。例如，平面是一條直線沿另一條直線運動的軌跡；圓柱面是一個圓沿直線運動的軌跡，或者是一條直線繞與其平行的軸線作圓周運動的軌跡。形成表面的母線和導線統(tǒng)稱為生成線，簡稱生線。在切削加工過程中，這兩根生成線是通過刀具切削刃與工件的相對運動實現(xiàn)，而使零件的表面成形。圖2-2幾何表面的形成方法

a)平面b)直母線成形面c)圓柱面d)圓錐面

e)球面f)圓環(huán)面g)螺旋面第一節(jié)零件表面的形成三、生成線的形成方法及所需的運動

由于生成線是由刀具的切削刃和工件的相對運動得到的，所以工件表面成形與刀具切削刃的形狀有著極其密切的關系。所謂刀具切削刃的形狀是指刀具切削刃與工件成形表面相接觸部分的形狀，它可以是一個切削點，也可以是一條切削線。刀具切削刃形狀和形成表面生成線之間的關系，可以劃分為如圖2?3所示的三種情況：

1)切削刃的形狀為一個切削點(見圖2-3a)，在切削過程中，切削刃與被形成表面接觸的長度實際上很小，可以看成為點接觸。

2)切削刃的形狀是一段曲線1，其輪廓(切削線)與工件生成線2的形狀完全吻合(見圖2-3b)。第一節(jié)零件表面的形成3)切削刃的形狀仍然是一段曲線1，其輪廓(切削線)與需要形成的工件生成線2的形狀不相吻合(見圖2-3c)，為共軛關系。圖2-3切削刃的形狀與生成線的關系第一節(jié)零件表面的形成圖2-4由切削刃包絡成形

的漸開線齒形第一節(jié)零件表面的形成圖2-5形成生成線的方法1)成形法(FormingMethod)。第一節(jié)零件表面的形成2)展成法(GeneratingMethod)。

3)軌跡法(TracingMethod)。

4)相切法(TangentMethod)。圖2-6生成線原始位置與成形表面的關系第一節(jié)零件表面的形成四、零件表面成形所需的成形運動零件表面是兩根生成線(母線和導線)運動的軌跡，形成零件表面的成形運動就是形成母線和導線所需運動的總和。為了在機床上加工出所需的各種零件表面，機床必須具有全部所需的表面成形運動。如圖2?7所示，用成形車刀車削成形回轉(zhuǎn)表面。母線為曲線，由成形法形成，不需要成形運動。導線為圓，由軌跡法形成，需要一個成形運動B1。因此，形成表面的成形運動總數(shù)為一個(B1)，是一個簡單的成形運動。圖2-7車削成形回轉(zhuǎn)表面所需的表面成形運動第一節(jié)零件表面的形成圖2-9滾齒加工的成形運動第二節(jié)數(shù)控機床的運動一、表面成形運動圖2-10車削外圓柱表面時的成形運動第二節(jié)數(shù)控機床的運動圖2-11車削螺紋時的運動第二節(jié)數(shù)控機床的運動圖2-12車削圓錐螺紋時

的表面成形運動第二節(jié)數(shù)控機床的運動二、主運動和進給運動

表面成形運動按其在切削加工中所起的作用，又可分為主運動和進給運動兩類。

1.主運動(PrimaryMotion)

2.進給運動(FeedMotion)圖2-13銑削螺紋時的運動第二節(jié)數(shù)控機床的運動三、輔助運動

機床上除表面成形運動外，還需要輔助運動(AuxiliaryMotion，非表面成形運動)，以實現(xiàn)機床的各種輔助動作。輔助運動的種類很多，主要包括以下一些運動：

1.各種空行程運動

2.切入運動

3.分度運動

4.操縱及控制運動

第二節(jié)數(shù)控機床的運動圖2-14運動的五要素四、運動的主要要素第二節(jié)數(shù)控機床的運動(1)運動的軌跡刨刀的運動軌跡為直線。(2)運動的速度刨刀的切削速度為v。

(3)運動的方向刨刀向前運動為切削。

(4)運動的行程刨刀行程大小為L。

(5)運動的位置刨刀運動的起點為a，終點為b。第三節(jié)數(shù)控機床的傳動一、傳動聯(lián)系

在機床上，為了得到所需的運動，需要通過一系列的傳動件把執(zhí)行件和動力源，或者把執(zhí)行件和執(zhí)行件連接起來，這種連接稱為傳動聯(lián)系。

1.傳動聯(lián)系的組成

(1)執(zhí)行件執(zhí)行件是執(zhí)行機床運動的部件，如主軸、刀架、工作臺等，其任務是安裝刀具或工件，并直接帶動其完成一定形式的運動和保持準確的運動軌跡。

(2)動力源動力源是提供運動和動力的裝置，是執(zhí)行件的運動來源，常用的有三相異步電動機、步進電動機、直流伺服電動機和交流伺服電動機等。第三節(jié)數(shù)控機床的傳動(3)傳動裝置傳動裝置是傳遞運動和動力的裝置，通過它把動力源的運動和動力傳遞給執(zhí)行件或把一個執(zhí)行件的運動傳遞給另一個執(zhí)行件，并使有關執(zhí)行件之間保持某種確定的運動關系。

2.傳動方式

(1)機械傳動應用齒輪、帶、離合器、齒條和絲杠螺母等機械元件傳遞運動和動力。

(2)液壓傳動應用液壓油作為工作介質(zhì)，通過液壓元件來傳遞運動和動力。

(3)氣壓傳動應用空氣作介質(zhì)，通過氣動元件來傳遞運動和動力。

(4)電氣傳動容易實現(xiàn)無級變速和自動控制，但電氣系統(tǒng)比較復雜，成本較高。第三節(jié)數(shù)控機床的傳動二、傳動鏈

構成一個傳動聯(lián)系的一系列傳動件，稱為傳動鏈。

1.傳動機構

(1)定比傳動機構定比傳動機構是指傳動比和傳動方向固定不變的傳動機構，如帶傳動、定比齒輪副、絲杠螺母副、蝸桿副等。

(2)換置機構換置機構是指根據(jù)加工要求可以變化傳動比和傳動方向的傳動機構，如滑移齒輪變速機構、交換齒輪變速機構、離合器變速機構、滑移齒輪變向機構和數(shù)控系統(tǒng)等。

2.傳動鏈的分類

(1)內(nèi)聯(lián)系傳動鏈為了將兩個或兩個以上的單元運動組成復合成形運動，執(zhí)行件與執(zhí)行件之間的傳動聯(lián)系稱為內(nèi)聯(lián)系。第三節(jié)數(shù)控機床的傳動(2)外聯(lián)系傳動鏈外聯(lián)系傳動鏈是聯(lián)系動力源和機床執(zhí)行件之間的傳動鏈。

三、傳動原理圖圖2-15傳動原理圖中常用的一些示意符號

a)電動機b)主軸c)車刀d)滾刀e)合成機構f)傳動比可變換的換置機構g)傳動比不變的機械聯(lián)系h)電的聯(lián)系i)脈沖發(fā)生器

j)數(shù)控系統(tǒng)第三節(jié)數(shù)控機床的傳動圖2-16臥式車床的傳動原理圖第三節(jié)數(shù)控機床的傳動圖2-18數(shù)控車床的傳動原理圖第三節(jié)數(shù)控機床的傳動四、傳動系統(tǒng)圖為了便于了解和分析機床的運動和傳動情況，通常采用簡明的機床傳動系統(tǒng)圖。機床的傳動系統(tǒng)圖是根據(jù)GB4460—1984規(guī)定的傳動元件標準符號，一般按照運動的傳遞順序，各傳動軸展開排列而繪制成的平面展開圖。繪圖時，將機床的傳動系統(tǒng)畫在一個能反映機床外形和各主要部件相互位置的投影面上，并盡可能繪制在機床外形的輪廓線內(nèi)。要把一個立體的傳動結構展開并繪制在一個平面圖中，有時不得不把某一根軸繪制成折斷線或彎曲成一定夾角的折線，對于展開后失去運動聯(lián)系的傳動副，要用大括號或虛線連接起來以表示它們的傳動聯(lián)系。傳動系統(tǒng)圖中需注明各軸的順序號和有關傳動的參數(shù)，如齒輪和蝸輪的齒數(shù)、帶輪的直徑、絲杠的導程和頭數(shù)、電動機的功率和轉(zhuǎn)速、傳動軸的編號等。第三節(jié)數(shù)控機床的傳動傳動軸的編號，通常是從動力源(電動機)開始，按運動傳遞順序，依次用羅馬數(shù)字Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ…表示。傳動系統(tǒng)圖只表示傳動關系，并不代表各傳動件的實際尺寸和空間位置。熟悉傳動系統(tǒng)圖，對使用和研究機床十分方便；利用傳動系統(tǒng)圖，可以分析機床的性能、工作原理、適用范圍，并可進行各種調(diào)整計算。圖2-19XK5040A型數(shù)控機床傳動系統(tǒng)圖第三節(jié)數(shù)控機床的傳動1.主運動傳動鏈

(1)傳動路線表達式

(2)傳動鏈平衡方程式

(3)轉(zhuǎn)速圖轉(zhuǎn)速圖是一種在對數(shù)坐標上完整地描述變速傳動系統(tǒng)運動規(guī)律的直觀格線圖，它能清晰地表示出變速傳動過程中各傳動軸和傳動副的轉(zhuǎn)速情況，以及運動輸出軸獲得各級轉(zhuǎn)速時的傳動路線等情況，所以轉(zhuǎn)速圖是認識和分析機床變速傳動系統(tǒng)的有效工具。圖2-20XK5040A型數(shù)控銑床主運動傳動鏈的轉(zhuǎn)速圖第三節(jié)數(shù)控機床的傳動1)用間距相等的豎線表示從電動機軸到主軸Ⅵ的各傳動軸，按運動傳遞的先后順序，從左向右分別在上端標出軸的順序號(電動機、Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ…)，也可用0號代表電動機軸。

2)用間距相等的橫線表示各級轉(zhuǎn)速，在橫線右端由低到高依次標出各級轉(zhuǎn)速值。

3)每一根縱線上繪制的小黑圓點為轉(zhuǎn)速點，表示該軸工作過程中實際具有的轉(zhuǎn)速。

4)連接兩轉(zhuǎn)速點的粗直線，表示該兩軸間的傳動副，連線的傾斜程度表示傳動副的傳動比大小。

5)從電動機軸到運動輸出軸，由速比線依次相連的每一條連線，是獲得各級輸出軸轉(zhuǎn)速的傳動路線。

2.進給運動傳動鏈第三節(jié)數(shù)控機床的傳動(1)縱向、橫向進給運動由FB-15型直流伺服電動機(功率為1.4kW，最高轉(zhuǎn)速為1500r/min)驅(qū)動，再經(jīng)斜齒圓柱齒輪副傳動滾珠絲杠，由滾珠絲杠螺母機構將旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換成工作臺的直線運動。

(2)垂向進給運動由FB-25(功率為2.5kW，最高轉(zhuǎn)速為1000r/min)帶制動器的直流伺服電動機驅(qū)動，再經(jīng)錐齒輪副傳動滾珠絲杠，由滾珠絲杠螺母機構將旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換成升降臺的垂向進給直線運動。

五、無級變速傳動系統(tǒng)

機床實現(xiàn)無級變速的方法很多，有機械的、電氣的或液壓的。

1.機械無級變速

2.液壓無級變速

3.電氣無級變速第三節(jié)