第二章-数控机床的运动分析-曼初宏

数控机床第二章数控机床的运动分析第二章数控机床的运动分析第一节零件表面的形成

第二节数控机床的运动

第三节数控机床的传动第一节零件表面的形成一、零件表面的形状

任何一个机器零件的形状都是由它的功用来确定的。实现同样的功用，可以有多种多样的零件表面形状。在实际生产中常选用那些加工最方便、最经济、最准确和最迅速的零件表面形状。这往往是形状比较简单的表面，例如平面、圆柱面、圆锥面、球面、螺旋面等，如图2⁃1所示。图2-1机械零件上常用的各种表面第一节零件表面的形成二、零件表面的形成原理

从几何学的观点看，面是线的运动轨迹。零件上的任何一个表面，都可以视为一条曲线(母线)沿着另一条曲线(导线)运动的轨迹。例如，平面是一条直线沿另一条直线运动的轨迹；圆柱面是一个圆沿直线运动的轨迹，或者是一条直线绕与其平行的轴线作圆周运动的轨迹。形成表面的母线和导线统称为生成线，简称生线。在切削加工过程中，这两根生成线是通过刀具切削刃与工件的相对运动实现，而使零件的表面成形。图2-2几何表面的形成方法

a)平面b)直母线成形面c)圆柱面d)圆锥面

e)球面f)圆环面g)螺旋面第一节零件表面的形成三、生成线的形成方法及所需的运动

由于生成线是由刀具的切削刃和工件的相对运动得到的，所以工件表面成形与刀具切削刃的形状有着极其密切的关系。所谓刀具切削刃的形状是指刀具切削刃与工件成形表面相接触部分的形状，它可以是一个切削点，也可以是一条切削线。刀具切削刃形状和形成表面生成线之间的关系，可以划分为如图2⁃3所示的三种情况：

1)切削刃的形状为一个切削点(见图2-3a)，在切削过程中，切削刃与被形成表面接触的长度实际上很小，可以看成为点接触。

2)切削刃的形状是一段曲线1，其轮廓(切削线)与工件生成线2的形状完全吻合(见图2-3b)。第一节零件表面的形成3)切削刃的形状仍然是一段曲线1，其轮廓(切削线)与需要形成的工件生成线2的形状不相吻合(见图2-3c)，为共轭关系。图2-3切削刃的形状与生成线的关系第一节零件表面的形成图2-4由切削刃包络成形

的渐开线齿形第一节零件表面的形成图2-5形成生成线的方法1)成形法(FormingMethod)。第一节零件表面的形成2)展成法(GeneratingMethod)。

3)轨迹法(TracingMethod)。

4)相切法(TangentMethod)。图2-6生成线原始位置与成形表面的关系第一节零件表面的形成四、零件表面成形所需的成形运动零件表面是两根生成线(母线和导线)运动的轨迹，形成零件表面的成形运动就是形成母线和导线所需运动的总和。为了在机床上加工出所需的各种零件表面，机床必须具有全部所需的表面成形运动。如图2⁃7所示，用成形车刀车削成形回转表面。母线为曲线，由成形法形成，不需要成形运动。导线为圆，由轨迹法形成，需要一个成形运动B1。因此，形成表面的成形运动总数为一个(B1)，是一个简单的成形运动。图2-7车削成形回转表面所需的表面成形运动第一节零件表面的形成图2-9滚齿加工的成形运动第二节数控机床的运动一、表面成形运动图2-10车削外圆柱表面时的成形运动第二节数控机床的运动图2-11车削螺纹时的运动第二节数控机床的运动图2-12车削圆锥螺纹时

的表面成形运动第二节数控机床的运动二、主运动和进给运动

表面成形运动按其在切削加工中所起的作用，又可分为主运动和进给运动两类。

1.主运动(PrimaryMotion)

2.进给运动(FeedMotion)图2-13铣削螺纹时的运动第二节数控机床的运动三、辅助运动

机床上除表面成形运动外，还需要辅助运动(AuxiliaryMotion，非表面成形运动)，以实现机床的各种辅助动作。辅助运动的种类很多，主要包括以下一些运动：

1.各种空行程运动

2.切入运动

3.分度运动

4.操纵及控制运动

第二节数控机床的运动图2-14运动的五要素四、运动的主要要素第二节数控机床的运动(1)运动的轨迹刨刀的运动轨迹为直线。(2)运动的速度刨刀的切削速度为v。

(3)运动的方向刨刀向前运动为切削。

(4)运动的行程刨刀行程大小为L。

(5)运动的位置刨刀运动的起点为a，终点为b。第三节数控机床的传动一、传动联系

在机床上，为了得到所需的运动，需要通过一系列的传动件把执行件和动力源，或者把执行件和执行件连接起来，这种连接称为传动联系。

1.传动联系的组成

(1)执行件执行件是执行机床运动的部件，如主轴、刀架、工作台等，其任务是安装刀具或工件，并直接带动其完成一定形式的运动和保持准确的运动轨迹。

(2)动力源动力源是提供运动和动力的装置，是执行件的运动来源，常用的有三相异步电动机、步进电动机、直流伺服电动机和交流伺服电动机等。第三节数控机床的传动(3)传动装置传动装置是传递运动和动力的装置，通过它把动力源的运动和动力传递给执行件或把一个执行件的运动传递给另一个执行件，并使有关执行件之间保持某种确定的运动关系。

2.传动方式

(1)机械传动应用齿轮、带、离合器、齿条和丝杠螺母等机械元件传递运动和动力。

(2)液压传动应用液压油作为工作介质，通过液压元件来传递运动和动力。

(3)气压传动应用空气作介质，通过气动元件来传递运动和动力。

(4)电气传动容易实现无级变速和自动控制，但电气系统比较复杂，成本较高。第三节数控机床的传动二、传动链

构成一个传动联系的一系列传动件，称为传动链。

1.传动机构

(1)定比传动机构定比传动机构是指传动比和传动方向固定不变的传动机构，如带传动、定比齿轮副、丝杠螺母副、蜗杆副等。

(2)换置机构换置机构是指根据加工要求可以变化传动比和传动方向的传动机构，如滑移齿轮变速机构、交换齿轮变速机构、离合器变速机构、滑移齿轮变向机构和数控系统等。

2.传动链的分类

(1)内联系传动链为了将两个或两个以上的单元运动组成复合成形运动，执行件与执行件之间的传动联系称为内联系。第三节数控机床的传动(2)外联系传动链外联系传动链是联系动力源和机床执行件之间的传动链。

三、传动原理图图2-15传动原理图中常用的一些示意符号

a)电动机b)主轴c)车刀d)滚刀e)合成机构f)传动比可变换的换置机构g)传动比不变的机械联系h)电的联系i)脉冲发生器

j)数控系统第三节数控机床的传动图2-16卧式车床的传动原理图第三节数控机床的传动图2-18数控车床的传动原理图第三节数控机床的传动四、传动系统图为了便于了解和分析机床的运动和传动情况，通常采用简明的机床传动系统图。机床的传动系统图是根据GB4460—1984规定的传动元件标准符号，一般按照运动的传递顺序，各传动轴展开排列而绘制成的平面展开图。绘图时，将机床的传动系统画在一个能反映机床外形和各主要部件相互位置的投影面上，并尽可能绘制在机床外形的轮廓线内。要把一个立体的传动结构展开并绘制在一个平面图中，有时不得不把某一根轴绘制成折断线或弯曲成一定夹角的折线，对于展开后失去运动联系的传动副，要用大括号或虚线连接起来以表示它们的传动联系。传动系统图中需注明各轴的顺序号和有关传动的参数，如齿轮和蜗轮的齿数、带轮的直径、丝杠的导程和头数、电动机的功率和转速、传动轴的编号等。第三节数控机床的传动传动轴的编号，通常是从动力源(电动机)开始，按运动传递顺序，依次用罗马数字Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ…表示。传动系统图只表示传动关系，并不代表各传动件的实际尺寸和空间位置。熟悉传动系统图，对使用和研究机床十分方便；利用传动系统图，可以分析机床的性能、工作原理、适用范围，并可进行各种调整计算。图2-19XK5040A型数控机床传动系统图第三节数控机床的传动1.主运动传动链

(1)传动路线表达式

(2)传动链平衡方程式

(3)转速图转速图是一种在对数坐标上完整地描述变速传动系统运动规律的直观格线图，它能清晰地表示出变速传动过程中各传动轴和传动副的转速情况，以及运动输出轴获得各级转速时的传动路线等情况，所以转速图是认识和分析机床变速传动系统的有效工具。图2-20XK5040A型数控铣床主运动传动链的转速图第三节数控机床的传动1)用间距相等的竖线表示从电动机轴到主轴Ⅵ的各传动轴，按运动传递的先后顺序，从左向右分别在上端标出轴的顺序号(电动机、Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ…)，也可用0号代表电动机轴。

2)用间距相等的横线表示各级转速，在横线右端由低到高依次标出各级转速值。

3)每一根纵线上绘制的小黑圆点为转速点，表示该轴工作过程中实际具有的转速。

4)连接两转速点的粗直线，表示该两轴间的传动副，连线的倾斜程度表示传动副的传动比大小。

5)从电动机轴到运动输出轴，由速比线依次相连的每一条连线，是获得各级输出轴转速的传动路线。

2.进给运动传动链第三节数控机床的传动(1)纵向、横向进给运动由FB-15型直流伺服电动机(功率为1.4kW，最高转速为1500r/min)驱动，再经斜齿圆柱齿轮副传动滚珠丝杠，由滚珠丝杠螺母机构将旋转运动转换成工作台的直线运动。

(2)垂向进给运动由FB-25(功率为2.5kW，最高转速为1000r/min)带制动器的直流伺服电动机驱动，再经锥齿轮副传动滚珠丝杠，由滚珠丝杠螺母机构将旋转运动转换成升降台的垂向进给直线运动。

五、无级变速传动系统

机床实现无级变速的方法很多，有机械的、电气的或液压的。

1.机械无级变速

2.液压无级变速

3.电气无级变速第三节