《机械装备导论》课件第3章

3.1金属切削机床概述3.2车床3.3其他金属切削机床简介第3章金属切削机床3.1金属切削机床概述机床是对金属或其他材料的坯料或工件进行加工，使之获得所要求的几何形状、尺寸精度和表面质量的机器。机床是机械工业的基本生产设备，它的品种、质量和加工效率直接影响着其他机械产品的生产技术水平和经济效益。因此，机床工业的现代化水平和规模，以及所拥有机床的数量和质量是一个国家工业发达程度的重要标志之一。3.1.1机床的发展简史

公元前2000多年出现的树木车床是机床最早的雏形。15世纪由于制造钟表和武器的需要，出现了钟表匠用的螺纹车床和齿轮加工机床，以及水力驱动的炮筒镗床。1500年左右，意大利人列奥纳多·达芬奇曾绘制过车床、镗床、螺纹加工机床和内圆磨床的构想草图，其中已有曲柄、飞轮、项尖和轴承等新机构。1774年，英国人威尔金森发明了较精密的炮筒镗床。次年，他用这台炮筒镗床镗出的气缸，满足了瓦特蒸汽机的要求。为了镗制更大的气缸，他又于1776年制造了一台水轮驱动的气缸镗床，促进了蒸汽机的发展。从此，机床开始用蒸汽机通过天轴驱动。1797年，英国人莫兹利创制成的车床由丝杠传动刀架，能实现机动进给和车削螺纹，这是机床结构的一次重大变革。莫兹利也因此被称为“英国机床工业之父”。

19世纪，由于纺织、动力、交通运输机械和军火生产的推动，各种类型的机床相继出现。1817年，英国人罗伯茨创制龙门刨床；1818年，美国人惠特尼制成卧式铣床；1876年，美国制成万能外圆磨床；1835年和1897年又先后发明滚齿机和插齿机。随着电动机的发明，机床开始先采用电动机集中驱动，后又广泛使用单独电动机驱动。20世纪初，为了加工精度更高的工件、夹具和螺纹加工工具，相继创制出坐标镗床和螺纹磨床。同时为了适应汽车和轴承等工业大量生产的需要，又研制出各种自动机床、仿形机床、组合机床和自动生产线。随着电子技术的发展，美国于1952年研制成第一台数字控制机床；1958年研制成能自动更换刀具，以进行多工序加工的加工中心。从此，随着电子技术和计算机技术的发展和应用，使机床在驱动方式、控制系统和结构功能等方面都发生显著的变革。3.1.2机床的分类

金属切削机床可按不同的分类方法划分为多种类型。

按加工方式或加工对象可分为车床、钻床、镗床、磨床、齿轮加工机床、螺纹加工机床、花键加工机床、铣床、刨床、插床、拉床、特种加工机床、锯床和刻线机等。每类中又按其结构或加工对象分为若干组，每组中又分为若干型。

按工件大小和机床重量，可分为仪表机床、中小型机床、大型机床、重型机床和超重型机床；按加工精度，可分为普通精度机床、精密机床和高精度机床；按自动化程度，可分为手动操作机床、半自动机床和自动机床；按机床的自动控制方式，可分为仿形机床、程序控制机床、数字控制机床、适应控制机床、加工中心和柔性制造系统；按机床的适用范围，又可分为通用、专门化和专用机床。3.2车床3.2.1概述

1．车床的用途车床是主要用车刀对旋转的工件进行车削加工的机床。在车床上还可用钻头、扩孔钻、铰刀、丝锥、板牙和滚花工具等进行相应的加工。车床主要用于加工轴、盘、套和其他具有回转表面的工件，是机械制造和修配工厂中使用最广泛的一类机床。

2．车床的运动

1)表面成形运动

(1)工件的旋转运动。这是车床的主运动，其转速常以n(r/min)表示。主运动是实现切削最基本的运动，它的运动速度较高，消耗的功率较大。

(2)刀具的移动。这是车床的进给运动，刀具作平行于工件旋转轴线的纵向进给运动(车圆柱表面)或作垂直于工件技转轴线的横向进给运动(车端面)，刀具也可作与工件技转轴线成一定角度方向的斜向运动(车圆锥表面)或作曲线运动(车成形回转表面)。

2)辅助运动

为了将毛坯加工到所需要的尺寸，车床还应具有切入运动。切入运动通常与进给运动方向相垂直，在卧式车床上由工人用手移动刀架来完成。

3．车床的分类

车床按用途和功能区分为多种类型，如普通车床、转塔车床和回转车床、自动车床、多刀半自动车床、仿形车床、立式车床、铲齿车床、专门车床、联合车床等。3.2.2CA6140型普通车床

1．机床的工艺范围

CA6140型卧式车床适用于加工各种轴类、套筒类、轮盘类零件上的回转表面。可车外圆、车端面、切槽和切断、钻中心孔、钻孔、镗孔、铰孔、车各种螺纹、车内外圆锥面、车特型面、滚花和盘绕弹簧等。

2．机床的总体布局

图3-1所示为CA6140型卧式车床的外形图和组成机床的部件。图3-1CA6140型卧式车床外形

3．机床的传动系统

图3-2所示为CA6140型卧式车床的传动系统图，由主运动传动链、车螺纹传动链、纵向和横向进给运动传动链以及快速空程运动传动链组成。

1)主运动传动链

车床的主运动是主轴带动工件的旋转运动。传动链的首端件是主电动机，末端件是主轴。电动机的运动经三角皮带传动使轴Ⅰ获得旋转运动。轴Ⅰ上装有双向多片摩擦离合器M1，用于控制主轴的起动、停止及旋转方向的改变。当M1左边一组摩擦片压紧时，主轴正转；右边一组摩擦片压紧时，主轴反转。轴Ⅰ的运动经M1和双联滑移齿轮变速组传至轴Ⅱ，使轴Ⅱ获得两级正转转速；或经M1和传至轴Ⅱ，使轴Ⅱ获得Ⅰ级反转转速。由上分析可知，反转转速级数为正转转速级数的一半。轴Ⅱ的运动经三联滑移齿轮变速组使轴Ⅲ获得6级正转转速，再经高速和中、低速两条传动路线传至主轴。当主轴上的离合器M2右移时，使内、外齿轮啮合，轴 Ⅲ 的6级转速经双联滑移齿轮变速组传至轴 Ⅳ，再经另一双联滑移齿轮变速组传至轴Ⅴ，最后经斜齿轮传动副传至主轴，使主轴获得中、低挡转速。当主轴上的M2处于图示位置时，轴Ⅲ的运动经齿轮副直接传至主轴，使主轴获得6级高转速。主运动传动链传动路线表达式如下：当将左边一组摩擦片压紧时，利用各滑移齿轮轴向位置的不同组合，可得2×3(2×2+1)=30级正转转速。但在中、低挡转速传动路线中，轴Ⅲ到轴Ⅴ的两个双联滑移齿轮变速组的4个传动比为

其中，u3≈u2。所以，经中、低转速传动路线，主轴获得的实际转速只有2×3(2×2－1)＝18级正转转速。即通过两条传动路线主轴可获得正转转速24级，反转转速12级。主轴的各级转速可按传动链运动平衡式进行计算：(3-1)或(3-2)式中，n主为主轴转速，单位为r/min，uI－Ⅱ、uⅡ－Ⅲ、uⅢ－Ⅳ、uⅣ－V分别为轴Ⅰ-Ⅱ、Ⅱ-Ⅲ、Ⅲ-Ⅳ、Ⅳ-Ⅴ间的可变传动比。将不同的传动比值代入式(3-1)和式(3-2)，并乘以带传动副的滑动系数，可得18级低、中挡转速10、12.5、16、20、25、32、40、50、63、80、100、125、160、200、250、320、400、500 r/min和6级高转速450、560、710、900、1120、1400r/min。

2)车螺纹运动传动链

CA6140型卧式车床可车削公制、英制、模数制和径节制四种标准螺纹，还可以车削大导程螺纹、非标准螺纹和较精密的螺纹。既可以车削各种右螺纹，又可车削各种左螺纹。车螺纹传动链的两端件是主轴和刀架。首、末件之间必须保证主轴转1转，刀架准确移动被加工工件的一个导程这一严格的运动关系。因此，该传动链为内联系传动链。其运动平衡方程式可写为

1主轴u总P总

= L工

(3-3)式中，u总为主轴至丝杠间全部传动副传动比的乘积；P总为机床纵向丝杠螺距，CA6140型车床P总=12 mm；L工为被加工工件螺纹导程，单位为mm。

CA6140型卧式车床纵向丝杠为公制螺纹，因此，加工其他不同种类的螺纹时，应将不同参数换算成相应的螺距值。换算关系式见表3-1。进给箱中有两个变速机构，即轴 ⅩⅢ -ⅪⅤ 间的双轴滑移齿轮变速机构(又称基本螺距机构)和轴 ⅩⅤ-ⅩⅦ  间的两组滑移齿轮变速机构(倍增机构)，用以改变传动比，加工不同螺距的螺纹。基本螺距机构可变换8个不同的传动比，是获得不同螺距值的基本机构(又称基本组)。当两个Z25相背移动时，传动比为上述8个传动比呈近似的等差数列。当两个Z25齿轮相向移动时，运动经轴 Ⅻ→ⅩⅣ →ⅩⅢ  传出，基本螺距机构的传动比为。轴ⅩⅤ-ⅩⅦ  间的倍增机构可获得4个传动比：

它们按倍数关系排列，用于扩大机床车削螺纹的螺距范围，又称为扩大组。由以上分析可知，在CA6140型卧式车床上，为实现各种螺纹的加工，车螺纹传动链由下列机构组成：

①变向机构。用于改变刀架进给方向，实现左、右螺纹的加工。

②变换螺距大小的机构。基本螺距机构和倍增机构，获得呈等差级数排列的各种螺纹的基本数列并加以扩大，扩大机床可加工的螺距范围。

③变更螺纹种类的机构。挂轮机构和移换机构配合，通过不同的挂轮齿数和不同的传动路线以抵消螺纹参数换算出现的特殊因子p、25.4、25.4p，车削不同种类的螺纹。

④扩大螺距机构。在主轴1转时间内提高丝杠的转速，实现大螺距螺纹的加工。

(2)车螺纹传动链的传动路线表达式如下所示：

(3)纵向和横向进给运动传动链。进行普通车削时，刀架可作机动的纵向或横向进给。为避免丝杠磨损太快，便于工人操纵，机动进给由光杠经溜板传动。传动链的两端件是主轴和刀架，但两端件无严格的传动比要求，是外联系传动链。为避免发生事故，纵向机动进给、横向机动进给及车螺纹三条传动链同时只允许接通一条，这一要求由操纵机构和互锁机构保证。利用进给箱中的变速机构和不同的传动路线，可使刀架获得纵向和横向机动进给量各64种。

4．机床的主要部件及结构

1)主轴箱

主轴箱的功用是支承主轴和传动其旋转，并实现其起动、停止、变速、变向等。主轴箱是一个复杂的重要部件，包括箱体、主运动的全部变速机构及操纵机构，主轴部件、实现正、反转及开停车的片式摩擦离合器和制动器、主轴至挂轮机构间的传动机构和变速机构以及有关的润滑装置等。

主轴箱的装配图由一个展开图、各种向视图和剖面图组成。表示出主轴箱内所有零件及其装配关系(图3-3和图3-4)。如图3-3所示，按传动顺序，沿轴线Ⅰ→Ⅱ→Ⅲ(Ⅴ)→Ⅵ取剖面并展开，轴Ⅳ单独取剖切面，则可绘出如图3-4所示的轴Ⅰ～Ⅵ的结构图。但展开以后，使某些原来相互啮合的传动副失去了运动联系，所以，应对照传动系统图来读展开图。图3-3CA6140型车床主轴箱左视图图3-4140型普通车床主轴箱Ⅰ～Ⅵ轴结构研究展开图可按下列步骤进行：

①分析各传动轴、传动件之间的传动关系；

②分析各传动轴、主轴及其有关零件的结构形状，装配时的轴向位置、固定方式，所采用的轴承结构、特点、受力情况；

③分析各典型机构的作用、工作原理、调整方法和装配关系。下面介绍CA6140型卧式车床部分机构的结构、原理等。

(1)卸荷式皮带装置(见图3-4)。主电动机经三角皮带传动皮带轮φ230，使轴Ⅰ旋转。为提高轴Ⅰ的传动平稳性，皮带轮1(φ230)采用了卸荷结构。法兰3用螺钉固定在箱体4上，皮带轮1用螺钉和定位销与花键套筒2连接并支承在法兰3内的两个向心球轴承上，花键套筒与轴Ⅰ的花键部分配合，因此，使皮带的运动可通过花键套筒带动轴Ⅰ旋转，而皮带所产生的拉力则经法兰3直接传给箱体4，使轴Ⅰ不受皮带拉力的作用，减少了弯曲变形，从而提高了传动的平稳性。卸荷皮带装置特别适用于要求传动平稳性高的精密机床的主轴。

(2)制动器。轴Ⅰ上装有双向片式摩擦离合器M1，用于实现主轴的起动、停止及换向。机床在工作过程中，为装、卸工件，测量工件，开车、停车比较频繁。当断开离合器M1使机床停止工作时，为克服主轴箱中各运动部件的惯性，使主轴迅速停止转动，在主轴箱中轴Ⅳ上装有一闸带制动器(见图3-5)。制动器由制动轮7、制动带6、制动杠杆4组成。制动轮7为钢圆盘，与轴Ⅳ花键连接。制动带内侧铆有一层铜丝石棉钢带，上端固定在主轴箱后壁上，下端固定在制动杠杆4上，杠杆4可绕轴3摆动，当下端钢球与齿条轴2上的圆孤低凹处a或c接触时，制动带处于放松状态，制动器不起作用；移动齿条轴2，使杠杆4下端与凸起部分凸b相接触，杠杆绕杠杆支承轴逆时针摆动，使制动带包紧制动轮，产生摩擦力矩，使轴Ⅳ和主轴迅速停止转动。制动带拉紧的程度可用调节螺钉5调节。一般，当n=300r/min时，能在2～3转的时间内制动，制动带的松紧程度合适。图3-5制动器

(3)主轴开、停及制动操纵机构。制动器和离合器M1的工作是相互配合的。用一套操纵机构实现其联动。图3-6为主轴开停、换向和制动的操纵机构。操纵杆8上装有两个相同作用的手柄7(图中只画出一个)，分别位于进给箱和溜板箱的右侧。当向上扳动手柄7时，通过杠杆机构使立轴12和扇形齿轮13顺时针转动，传动齿条轴14及拨叉15右移，拨叉带动滑环4向右压元宝形摆块3绕轴销20顺时针摆动，元宝形摆块下部凸起使推杆16向左移动，从而使左边一组摩擦片压紧工作，主轴正转，此时，制动杠杆4下端正好处于齿条轴左边的低凹处A，制动带为放松状态。同理，当手柄7向下扳动时，右边一组摩擦片被压紧工作，主轴反转，制动杠杆4下端处于齿条轴2右边的低凹处，制动带也为放松状态。而当手柄7位于中间位置时，齿条轴2和元宝形摆块3都处于中间位置，左、右两组摩擦片都松开，主运动传动链与动力源断开，此时，齿条轴2上的凸起部分6正对制动杠杆4的下端，制动带被拉紧，使主轴被制动而迅速停止转动。

(4)六速操纵机构。主轴箱中，通过变换轴Ⅱ上的双联滑移齿轮、轴Ⅲ上的三联滑移齿轮的工作位置，可使轴Ⅲ获得6级转速。图3-7为六速操纵机构示意图。将手柄9转动1转时，通过链条8使轴7上的曲柄5和盘形凸轮6转1转。曲柄5上装有偏心销4，其伸出端上的滚子嵌入拨叉3的长槽中。当曲柄带着偏心销转动时，可带动拨叉3拨动三联滑移齿轮块2沿轴向左右移动，获得左、中、右三个不同的工作位置。盘形凸轮6的端面有一条封闭的曲线槽，它由不同半径的两段圆弧和过渡直线组成，每段圆弧的中心角略大于120°。凸轮曲线槽通过杠杆11和拨叉12可拨动轴Ⅱ上的双联滑移齿轮块1沿轴Ⅱ移动，获得左、右两个工作位置。曲柄5和凸轮槽有6个变速位置(见图3-7)，可顺次转动变速手柄9得到。图3-6CA6140车床主轴开、停及制动操纵机构图3-7六速变速操纵机构

(5)主轴部件结构和轴承的调整(见图3-4)。CA6140型车床主轴是一空心阶梯轴，有一直径为φ48 mm的通孔，用以穿过φ47 mm以下的棒料，主轴前端为莫氏6号锥孔，用来安装顶尖或心轴。主轴轴端为短锥法兰型结构，用于安装卡盘或夹具。主轴为三支承结构。前支承由一个D3182121双列短圆柱滚子轴承61和两个D8120双列推力球轴承58组成，分别用于承受径向力和左、右两个方向的轴向力。后支承为E3182115双列短圆柱滚子轴承，用以承受径向力。前轴承61的间隙由螺母57调整。调整时，松开螺母62，拧松螺母57上的紧定螺钉，然后再拧紧螺母57，使轴承61上的内圈(锥度为l∶12的锥孔)相对于主轴锥形轴颈向右移动(见图3-4)。由于锥面的作用，薄壁的轴承内圈产生少量的径向弹性膨胀，将滚子与内、外圈之间的间隙消除。调整完毕后，应将螺母57的紧定螺钉和螺母62锁紧。后轴承的间隙可用螺母53进行调整，调整原理与前轴承相同。推力球轴承58可通过磨削以减小两内圈调整垫圈的厚度的方法消除间隙，中间支承为E32216单列圆柱滚子轴承，只能承受径向力，其间隙不能调整。

2)进给箱

进给箱的功用是变换加工螺纹的种类和导程，以及获得所需要的各种进给量。CA6140型车床进给箱的操纵手柄全部装在进给箱的前盖板上。进给箱主要由基本螺距机构、倍增机构、改变加工螺纹种类的移换机构、丝杠和光杠的转换机构以及操纵机构等组成(见图3-8)。

(1)基本变速组及其操纵机构(见图3-8)。基本变速组为双轴滑移齿轮变速机构。由轴ⅩⅣ 及轴上的4个滑移齿轮、轴 ⅩⅢ 及其上的8个固定齿轮组成，可获得8个按严格规律排列的传动比。为使所有相互啮合的齿轮中心距相等，各组齿轮采用不同的模数和适当的变位系数。轴ⅩⅣ 上的4个滑移齿轮用一个手轮集中操纵，操纵机构应保证任意一对齿轮啮合时，其余三个滑移齿轮处于中间(空挡)位置，因此，每一滑移齿轮必须具有左、中、右三种位置。图3-9是基本变速组的操纵机构。4个滑移齿轮分别用4个拨块6拨动，每个拨块有各自的销子2通过杠杆5来控制。图3-8双轴滑移齿轮进给箱图3-9基本组操纵机构4个销子2均匀地分布在手轮1背面的环形槽中，环形槽上有两个间隔45°、直径为φ30 mm的孔a及b，孔中分别装有带斜面的压块3和4，压块3的斜面向内，压块4的斜面向外，因而使环形槽与压块斜面组成为一个曲线凸轮槽，形成三个不等径的位置。当销子2处于压块3或4斜面上时，其对应的齿轮处于左或右的啮合位置，同时，其余三个销子均位于环形槽中，对应的滑移齿轮处于各自的中间(空挡)位置。手轮1套在固定于前盖上的轴9上，利用轴9上沿圆周均布的8条轴向V形槽及定位螺钉8、手轮1可获得8个等分的定位位置，对应于8种不同的啮合状态，从而获得8个传动比。操作时，先拉出手轮，使定位螺钉8随之移至轴9端部的环形槽E中，然后才能转动手轮至所需位置，再将其推入，使定位螺钉8嵌在轴9的轴向V形槽中，弹簧钢球10嵌在环形槽F中，从而实现手轮1的周向和轴向定位。

3)溜板箱

溜板箱固定安装在沿床身导轨移动的纵向溜板下面。其主要作用是将光杠和丝杠传来的旋转运动转换为刀架的直线移动，实现刀架的快慢速转换，并控制刀架运动的接通、断开、换向以及实现过载保护、刀架的手动操纵。图3-10为CA6140型车床溜板箱操纵图。1为溜板纵向手轮。2为手拉油泵手柄，控制润滑床身、溜板导轨和溜板箱内各润滑点(新出厂的CA6140型车床取消了手拉泵，改为用床鞍中部的油盒加油润滑)。3为开合螺母手柄。4为纵、横向机动进给操纵手柄，其上装有快速移动按钮，以控制纵、横向正反两个方向的机动进给和快速移动。5为主轴开停制动手柄。溜板箱中的主要机构有超越离合器、安全离合器、开合螺母、互锁机构以及纵、横向机动进给操纵机构等。下面介绍部分机构的结构、工作原理及有关调整等。图3-10溜板箱操纵图

(1)开合螺母机构。图3-11为开合螺母机构结构。开合螺母由上半螺母5、下半螺母4组成。装在溜板箱箱体壁的燕尾槽导轨中，上、下两半螺母背面有圆柱销6，分别嵌入槽盘7的两条曲线槽中。扳动手柄1使槽盘7逆时针转动，曲线槽迫使两个圆柱销6向槽盘中心移动，从而带动两个半螺母合拢，与丝杠啮合，刀架便经丝杠螺母、溜扳箱传动作直线移动。槽盘顺时针转动时，曲线槽通过圆柱销使两个半螺母分离，与丝杠脱开啮合，刀架便停止移动。图3-11开合螺母机构

(2)纵向、横向进给操纵机构。图3-12为纵、横向机动进给操纵机构。手柄2及其顶端的按钮1形象化地集中操纵纵向、横向机动进给的接通、断开、换向及快速移动。手柄的动作方向即为进给运动的方向。向左或向右扳动手柄2时，手柄2绕销子4摆动，其下端的球头销5拨动轴7向右或向左轴向移动，经杠杆11、连杆13及鼓轮15逆时针或顺时针转动一定角度。鼓轮15上的曲线槽迫使销子16带动轴17、拨叉18向前或向后轴向移动，从而拨动双向牙嵌式离合器M8，使其与轴ⅩⅫ 上相应的空套齿轮Z48端面齿啮合，接通向左或向右的纵向进给运动。将手柄2向前或向后扳动时，通过手柄座3使轴6及其固定在它左端的鼓轮27转动，鼓轮27上的曲线槽迫使销子26带动杠杆25摆动，杠杆25另一端的销子23拨动轴22以及固定在其上的拨叉21向前或向后轴向移动，拨动双向牙嵌式离合器M9与轴 ⅩⅩⅤ 上相应的空套齿轮Z48相啮合，从而接通了向前或向后的横向进给运动。将手柄扳至中间直立位置时，离合器M8、M9均处于中间位置，机动进给传动链断开。图3-12纵向和横向机动进给操纵机构立体示意图当手柄处于前、后、左、右任一位置时，按下手柄2顶端的按钮1，则快速电动机起动，刀架便在相应的方向上快速移动；松开按钮1，可恢复相同方向的机动进给运动。纵向和横向机动进给运动用手柄2面扳上的十字槽实现互锁，即在同一时间内，刀架只能得到一个方向的进给运动。

(3)互锁机构。在溜板箱中设置有互锁机构，以保证开合螺母合上时，机动进给不能接通；反之，机动进给接通时，开合螺母不能合上。互锁机构的工作原理见图3-13。互锁机构由转轴6及其上的键槽、轴7及其上的弹簧销9，开合螺母手柄轴30及其上的凸肩28、固定套29及其上的球头销10组成。当纵、横向机动进给操纵手柄2和开合螺母手柄8(见图3-12)处于中间位置时，纵、横向机动进给和丝杠螺母传动副均未接通，互锁机构处于图3-13(a)所示的位置。手柄2所操纵的轴6、轴7，手柄8所操纵的轴30均可自由转动或移动，此时，可任意接通某一运动。若合上开合螺母，则轴30转过一定角度，其上的凸肩28旋入轴6的槽中，如图3-13(b)所示，将轴6卡住，使之不能转动；同时，凸肩上V形槽转开使球头销10下移压缩弹簧销9，使球头销10的一部分进入轴7的孔中，而另一半仍留在固定套29内，使轴7不能移动。因此，当扳动手柄8合上开合螺母后，手柄2被锁住而扳不动，纵、横向机动进给不能接通。当需要接通纵向或横向进给时，必须先将开合螺母打开，使互锁机构恢复图3-13(a)所示位置，才能扳动手柄2。若向左拨动手柄2，接通向左的纵向进给运动，则轴7连同其上的弹簧销9左移，使球头销10被轴的外圆表面顶住不能下移，球头销10的上端卡在凸肩28的V形槽中，因此，开合螺母手柄8不能扳动。若向前扳动手柄2，接通向前的横向机动进给，由于轴6转过一定角度，其半圆槽已随之转开，使凸肩28不能转动，因此，开合螺母手柄也不能扳动，从而实现了机动进给与车螺纹运动的互锁。图3-13互锁机构工作原理(CA6140)3.3其他金属切削机床简介3.3.1齿轮加工机床齿轮加工机床是加工各种圆柱齿轮、锥齿轮和其他带齿零件齿部的机床。齿轮加工机床的品种规格繁多，有加工几毫米直径齿轮的小型机床，加工十几米直径齿轮的大型机床，还有大量生产用的高效机床和加工精密齿轮的高精度机床。齿轮加工机床主要分为圆柱齿轮加工机床和锥齿轮加工机床两大类。圆柱齿轮加工机床主要用于加工各种圆柱齿轮、齿条、蜗轮。常用的有滚齿机、插齿机、铣齿机、剃齿机等。锥齿轮加工机床主要用于加工直齿、斜齿、弧齿和延长外摆线齿等锥齿轮的齿部。下面简单介绍一种典型滚齿机——Y3150E型滚齿机。图3-14是Y3150E型滚齿机的外形图。Y3150E型滚齿机主要用于加工直齿和斜齿圆柱齿轮。此外，使用蜗轮滚刀时，还可用手动径向进给滚切蜗轮或通过切向进给机构切向进给滚切蜗轮，也可用相应的滚刀加工花键轴、链轮及同步带轮。机床的主要技术参数为：加工齿轮最大直径500 mm，最大宽度250 mm，最大模数8 mm，最小齿数为滚刀头数的5倍。图3-14Y3150E型滚齿机立柱2固定在床身1上；刀架滑板3带动滚刀架可沿立柱导轨作垂向进给运动或快速移动。滚刀安装在刀杆4上，由滚刀架的主轴带动作旋转主运动。滚刀架可绕自己的水平轴线转动，以调整滚刀的安装角度。工件安装在工作台9的心轴7上或直接安装在工作台上，随同工作台一起作旋转运动。工作台和后立柱装在同一滑板上，可沿床身的水平导轨移动，以调整工件的径向位置或作手动径向进给运动。后立柱上的支架6可通过轴套或顶尖支承在工件心轴的上端，以提高滚切工作的平稳性。3.3.2磨床

磨床是利用磨具对工件表面进行磨削加工的机床。大多数的磨床是使用高速旋转的砂轮进行磨削加工，少数的是使用油石、砂带等其他磨具和游离磨料进行加工，如珩磨机、超精加工机床、砂带磨床、研磨机和抛光机等。

磨床能加工硬度较高的材料，如淬硬钢、硬质合金等；也能加工脆性材料，如玻璃、花岗石。磨床能作高精度和表面粗糙度很小的磨削，也能进行高效率的磨削，如强力磨削等。磨床是各类金属切削机床中品种最多的一类，主要类型有外圆磨床、内圆磨床、平面磨床、无心磨床、工具磨床等。

图3-15所示为M1432A型磨床外形，主要用于磨削圆柱形或圆锥形的内外圆表面，还可以磨削阶梯轴的轴肩和端平面。该机床的工艺范围较广，但磨削效率不够高，适用于单件小批生产，常用于工具车间和机修车间。图3-15M1432A型万能外圆磨床在床身顶面前部的纵向导轨上装有工作台8，台面上装有工件头架2和尾座5。被加工工件支承在头、尾架顶尖上，或用头架上的卡盘夹持，由头架上的传动装置带动旋转，实现圆周进给运动。尾架在工作台上可左右移动以调整位置，适应装夹不同长度工件的需要。工作台由液压传动驱动，使其沿床身导轨作往复移动，以实现工件的纵向进给运动；也可用手轮操作，作手动进给或调整纵向位置。工作台由上下两层组成，上工作台可相对于下工作台在水平面内偏转一定角度(一般不大于±10°)，以便磨削锥度不大的锥面。砂轮架4由主轴部件和传动装置组成，安装在床身顶面后部的横向导轨上，利用横向进给机构可实现横向进给运动以及调整位移。装在砂轮架上的内磨装置用于磨削内孔，其内圆磨具由单独的电动机驱动。磨削内孔时，应将内磨装置翻下。万能外圆磨床的砂轮架和头架都可绕垂直轴线转动一定角度，以便磨削锥度较大的锥面。此外，在床身内还有液压传动装置，在床身左后侧有冷却液循环装置。砂轮架4由主轴部件和传动装置组成，安装在床身顶面后部的横向导轨上，利用横向进给机构可实现横向进给运动以及调整位移。装在砂轮架上的内磨装置用于磨削内孔，其内圆磨具由单独的电动机驱动。磨削内孔时，应将内磨装置翻下。万能外圆磨床的砂轮架和头架都可绕垂直轴线转动一定角度，以便磨削锥度较大的锥面。此外，在床身内还有液压传动装置，在床身左后侧有冷却液循环装置。

M1432A型万能外圆磨床的主要技术规格：外圆磨削直径为φ8～φ320 mm，最大外圆磨削长度有1000 mm、1500 mm、2000 mm三种规格；内孔磨削直径为φ13～φ100 mm，

最大内孔磨削长度为125 mm；外圆磨削时砂轮转速为1670 r/min；内圆磨削时砂轮转速有1000 r/min和1500 r/min两种。3.3.3铣床

铣床是用铣刀对工件进行铣削加工的机床。铣床除能铣削平面、沟槽、轮齿、螺纹和花键轴外，还能加工比较复杂的型面，效率较刨床高，在机械制造和修理部门得到广泛应用。

铣床种类很多，一般是按布局形式和适用范围加以区分，主要的有升降台铣床、龙门铣床、单柱铣床和单臂铣床、仪表铣床、工具铣床等。另外，按控制方式，铣床又可分为仿形铣床、程序控制铣床和数控铣床等。图3-16所示为X6132型万能卧式升降台铣床。床身2固定在底底上1上，用以安装和支承其他部件。床身内装有主轴部件、主变速传动装置及其变速操纵机构。悬梁3安装在床身顶部，并可沿燕尾导轨调整其前后位置。悬梁上的刀杆支架4用以支承刀杆，以提高其刚性。升降台8安装在床身前侧面垂直导轨上，可作上下移动。升降台内装有进给运动传动装置及其操纵机构。升降台的水平导轨上装有床鞍7，可沿主轴轴线方向(横向)移动。床鞍上装有回转盘9，回转盘上面的燕尾导轨上又装有工作台6。工作台可沿导轨作垂直于主轴轴线方向(纵向)移动；同时，工作台通过回转盘可绕垂直轴线在－45°～45°范围内调整角度，以铣削螺旋表面。图3-16X6132型万能卧式升降台铣床3.3.4数字控制机床

数字控制机床是用数字代码形式的信息(程序指令)，控制刀具按给定的工作程序、运动速度和轨迹进行自动加工的机床，简称数控机床。

数控机床具有广泛的适应性，加工对象改变时只需要改变输入的程序指令；加工性能比一般自动机床高，可以精确加工复杂型面，因而适合于加工中小批量、改型频繁、精度要求高、形状又较复杂的工件，并能获得良好的经济效果。随着数控技术的发展，采用数控系统的机床品种日益增多，有车床、铣床、镗床、钻床、磨床、齿轮加工机床和电火花加工机床等。此外，还有能自动换刀、一次装卡进行多工序加工的加工中心、车削中心等。

数控机床主要由数控装置、伺服机构和机床主体组成。输入数控装置的程序指令记录在信息载体上，由程序读入装置接收，或由数控装置的键盘直接手动输入。

数控装置包括程序读入装置和由电子线路组成的输入部分、运算部分、控制部分和输出部分等。数控装置按所能实现的控制功能分为点位控制、直线控制、连续轨迹控制三类。伺服机构分为开环、半闭环和闭环三种类型。开环伺服机构由步进电机驱动线路和步进电机组成。每一脉冲信号使步进电机转动一定的角度，通过滚珠丝杠推动工作台移动一定的距离。这种伺服机构比较简单、工作稳定，容易掌握使用，但精度和速度的提高受到限制。

随着微电子技术、计算机技术和软件技术的迅速发展，数控机床的控制系统日益趋向于小型化和多功能化，具备完善的自诊断功能，可靠性也大大提高，数控系统本身将普遍实现自动编程。未来数控机床的类型将更加多样化，多工序集中加工的数控机床品种越来越多；激光加工等技术将应用在切削加工机床上，从而扩大多工序集中的工艺范围；数控机床的自动化程度更加提高，并具有多种监控功能，从而形成一个柔性制造单元，更加便于纳入高度自动化的柔性制造系统中。3.3.5加工中心

加工中心是备有刀库，并能自动更换刀具，对工件进行多工序加工的数字控制机床。工件经一次装夹后，数字控制系统能控制机床按不同工序，自动选择和更换刀具，自动改变机床主轴转速、进给量和刀具相对工件的运动轨迹及其他辅助机能，依次完成工件几个面上多工序的加工。

加工中心由于工序的集中和自动换刀，减少了工件的装夹、测量和机床调整等时间，使机床的切削时间达到机床开动时间的80%左右(普通机床仅为15%～20%)；同时也减少了工序之间的工件周转、搬运和存放时间，缩短了生产周期，具有明显的经济效果。加工中心适用于零件形状比较复杂、精度要求较高、产品更换频繁的中小批量生产。第一台加工中心是1958年由美国卡尼—特雷克公司首先研制成功的。它在数控卧式镗铣床的基础上增加了自动换刀装置，从而实现了工件一次装夹后即可进行铣削、钻削、镗削、铰削和攻丝等多种工序的集中加工。

20世纪70年代以来，加工中心得到迅速发展，出现了可换主轴箱加工中心，它备有多个可以自动更换的装有刀具的多轴主轴箱，能对工件同时进行多孔加工。

加工中心按主轴的布置方式分为立式和卧式两类。卧式加工中心一般具有分度转台或数控转台，可加工工件的各个侧面；也可作多个坐标的联合运动，以便加工复杂的空间曲面。立式加工中心一般不带转台，仅作顶面加工。此外，还有带立、卧两个主轴的复合式加工中心，和主轴能调整成卧轴或立轴的立卧可调式加工中心，它们能对工件进行五个面的加工。加工中心的自动换刀装置由存放刀具的刀库和换刀机构组成。刀库种类很多，常见的有盘式和链式两类。链式刀库存放刀具的容量较大。换刀机构在机床主轴与刀库之间交换刀具，常见的为机械手；也有不带机械手而由主轴直接与刀库交换刀具的，称为无臂式换刀装置。图3-17是一种立式加工中心外形图。

XH714立式加工中心是一种中小规格、高效通用自动化机床，设有可容20把刀具的自动换刀系统，并配有FANUC-OMC系统，通过编程，在一次装夹中可自动完成铣、镗、钻、扩、铰、攻螺纹等多种工序的加工，若选用数控回转盘，可扩大为X、Y、Z、A等四轴控制，实现多面加工。图3-17XH714立式加工中心3.3.6自动生产线

自动生产线是由工件传送系统和控制系统，将一组自动机床和辅助设备按照工艺顺序联结起来，自动完成产品全部或部分制造过程的生产系统，简称自动线。

从20世纪20年代开始，随着汽车、滚动轴承、小型电动机和缝纫机等工业发展，机械制造中开始出现自动线，最早出现的是组合机床自动线。在此之前，首先是在汽车工业中出现了流水生产线和半自动生产线，随后发展成为自动线。第二次世界大战后，在工业发达国家的机械制造业中，自动线的数目出现了急剧增加。机械制造业中有铸造、锻造、冲压、热处理、焊接、切削加工和机械装配等自动线，也有包括不同性质的工序，如毛坯制造、加工、装配、检验和包装等的综合自动线。

切削加工自动线在机械制造业中发展最快、应用最广，主要有：用于加工箱体、壳体、杂类等零件的组合机床自动线；用于加工轴类、盘环类等零件的，由通用、专门化或专用自动机床组成的自动线；旋转体加工自动线；用于加工工序简单小型零件的转子自动线等。自动线的工件传送系统一般包括机床上下料装置、传送装置和储料装置。在旋转体加工自动线中，传送装置包括重力输送式或强制输送式的料槽或料道，提升、转位和分配装置等。有时采用机械手完成传送装置的某些功能。在组合机床自动线中当工件有合适的输送基面时，采用直接输送方式，其传送装置有各种步进式输送装置、转位装置和翻转装置等对于外形不规则、无合适的输送基面的工件，通常装在随行夹具上定位和输送，这种情况下要增设随行夹具的返回装置。自动线的发展方向主要是提高生产率和增大多用性、灵活性。为适应多品种生产的需要，将发展能快速调整的可调自动线。

数字控制机床、工业机器人和电子计算机等技术的发展，以及成组技术的应用，将使自动线的灵活性更大，可实现多品种、中小批量生产的自动化。多品种可调自动线，降低了自动线生产的经济批量，因而在机械制造业中的应用越来越广泛，并向更高度自动化的柔性制造系统发展。3.3.7柔性制造系统

柔性制造系统是由统一的信息控制系统、物料储运系统和一组数字控制加工设备组成，能适应加工对象变换的自动化机械制造系统，英文缩写为FMS。

FMS的工艺基础是成组技术，它按照成组的加工对象确定工艺过程，选择相适应的数控加工设备和工件、工具等物料的储运系统，并由计算机进行控制，故能自动调整并实现一定范围内多种工件的成批高效生产(即具有“柔性”)，并能及时地改变产品以满足市场需求。

FMS兼有加工制造和部分生产管理两种功能，因此能综合地提高生产效益。FMS的工艺范围正在不断扩大，可以包括毛坯制造、机械加工、装配和质量检验等。20世纪80年代中期投入使用的FMS，大都用于切削加工，也有用于冲压和焊接的。

1967年，英国莫林斯公司首次根据威廉森提出的FMS基本概念，研制了“系统24”。其主要设备是六台模块化结构的多工序数控机床，目标是在无人看管条件下，实现昼夜24小时连续加工，但最终由于经济和技术上的困难而未全部建成。同年，美国的怀特-森斯特兰公司建成OmnilineⅠ系统，它由八台加工中心和两台多轴钻床组成，工件被装在托盘上的夹具中，按固定顺序以一定节拍在各机床间传送和进行加工。这种柔性自动化设备适用于少品种、大批量生产，在形式上与传统的自动生产线相似，所以也叫柔性自动线。日本、前苏联、德国等也都在20世纪60年代末至70年代初，先后开展了FMS的研制工作。1976年，日本发那科公司展出了由加工中心和工业机器人组成的柔性制造单元(简称FMC)，为发展FMS提供了重要的设备形式。柔性制造单元(FMC)一般由1～2台数控机床与物料传送装置组成，有独立的工件储存站和单元控制系统，能在机床上自动装卸工件，甚至自动检测工件，可实现有限工序的连续生产，适于多品种小批量生产应用。20世纪70年代末期，FMS在技术上和数量上都有较大发展，80年代初期已进入实用阶段，其中以由3～5台设备组成的FMS为最多，但也有规模更庞大的系统投入使用。1982年，日本发那科公司建成自动化电机加工车间，由60个柔性制造单元(包括50个工业机器人)和一个立体仓库组成，另有两台自动引导台车传送毛坯和工件，此外还有一个无人化电机装配车间，它们都能连续24小时运转。这种自动化和无人化车间，是向实现计算机集成的自动化工厂迈出的重要一步。与此同时，还出现了若干仅具有FMS基本特征，但自动化程度不很完善的经济型FMS，使FMS的设计思想和技术成就得到普及应用。典型的柔性制造系统由数字控制加工设备、物料储运系统和信息控制系统组成。加工设备主要采用加工中心和数控车床，前者用于加工箱体类和板类零件，后者则用于加工轴类和盘类零件。中、大批量少品种生产中所用FMS，常采用可更换主轴箱的加工中心，以获得更高的生产效率。储存和搬运系统搬运的物料有毛坯、工件、刀具、夹具、检具和切屑等；储存物料的方法有平面布置的托盘库，也有储存量较大的桁道式立体仓库。毛坯一般先由工人装入托盘上的夹具中，并储存在自动仓库中的特定区域内，然后由自动搬运系统根据物料管理计算机的指令送到指定的工位。固定轨道式台车和传送滚道适用于按工艺顺序排列设备的FMS，自动引导台车搬送物料的顺序则与设备排列位置无关，具有较大灵活性。工业机器人可在有限的范围内为1～4台机床输送和装卸工件，对于较大的工件常利用托盘自动交换装置(简称APC)来传送，也可采用在轨道上行走的机器人，同时完成工件的传送和装卸。3.3.8工业机器人

工业机器人是能模仿人体某些器官的功能(主要是动作功能)、有独立的控制系统、可以改变工作程序和编程的多用途自动操作装置。

工业机器人在工业生产中能代替人做某些单调、频繁和重复的长时间作业，或是危险、恶劣环境下的作业，例如在冲压、压力铸造、热处理、焊接、涂装、塑料制品成形、机械加工和简单装配等工序上，以及在原子能工业等部门中，完成对人体有害物料的搬运或工艺操作。

20世纪50年代末，美国在机械手和操作机的基础上，采用伺服机构和自动控制等技术，研制出有通用性的独立的工业用自动操作装置，并将其称为工业机器人；20世纪60年代初，美国研制成功两种工业机器人，并很快地在工业生产中得到应用；1969年，美国通用汽车公司用21台工业机器人组成了焊接轿车车身的自动生产线。此后，各工业发达国家都很重视研制和应用工业机器人。由于工业机器人具有一定的通用性和适应性，能适应多品种中、小批量的生产，20世纪70年代起，常与数字控制机床结合在一起，成为柔性制造单元或柔性制造系统的组成部分。

工业机器人由主体、驱动系统和控制系统三个基本部分组成。主体即机座和执行机构，包括臂部、腕部和手部，有的机器人还有行走机构。大多数工业机器人有3～6个运动自由度，其中腕部通常有1～3个运动自由度；驱动系统包括动力装置和传动机构，用以使执行机构产生相应的动作；控制系统是按照输入的程序对驱动系统和执行机构发出指令信号，并进行控制。3.3.9并联机床

并联机床(ParallelMachineTools)又称并联结构机床(ParallelStructuredMachineTools)或虚拟轴机床(VirtualAxisMachineTools)，也曾被称为六条腿机床、六足虫(Hexapods)。并联机床是基于空间并联机构Stewart平台原理开发的，是近年才出现的一种新概念机床，它是并联机器人机构与机床结合的产物，是空间机构学、机械制造、数控技术、计算机软硬技术和CAD/CAM技术高度结合的高科技产品。它克服了传统机床串联机构刀具只能沿固定导轨进给、刀具作业自由度偏低、设备加工灵活性和机动性不够等固有缺陷，可实现多坐标联动数控加工、装配和测量多种功能，更能满足复杂特种零件的加工。自其1994年在美国芝加哥机床展上首次面世即被誉为“21世纪的机床”，成为机床家族中最有生命力的新成员。

1．并联机床的特点

整体而言，传统的串联机构机床属于数学简单而机构复杂的机床，而并联机构机床则属于机构简单而数学复杂的机构，其整个平台的运动牵涉到相当庞大的数学运算，因此虚拟轴并联机床是一种知识密集型机构。这种新型机床完全打破了传统机床结构的概念，抛弃了固定导轨的刀具导向方式，采用了多杆并联机构驱动，大大提高了机床的刚度，使加工精度和加工质量都有较大的改进。另外，由于其进给速度的提高，从而使高速、超高速加工更容易实现。由于这种机床具有高刚度、高承载能力、高速度、高精度以及重量轻、机械结构简单、制造成本低、标准化程度高等优点，在许多领域都得到了成功的应用，因此受到学术界的广泛关注。由并联、串联同时组成的混联式数控机床，不但具有并联机床的优点，而且在使用上更具实用价值。这里通过并联运动机床与传统机床的比较来说明并联机床的一些优点及特点。并联运动机床与传统机床的结构如图3-18所示。图3-18并联运动机床与传统机床的比较随着高速切削的不断发展，传统串联式机构构造平台的结构刚性与移动台高速化逐渐成为技术发展的瓶颈，而并联式平台便成为最佳的候选对象。相对于串联式机床来说，并联式工作平台具有如下优点：

(1)结构简单、价格低。机床机械零部件数目较串联构造平台大幅减少，主要由滚珠丝杠、虎克铰、球铰、伺服电机等通用组件组成，这些通用组件可由专门厂家生产，因而机床的制造和库存成本比相同功能的传统机床低得多，容易组装和搬运。

(2)结构刚度高。由于采用了封闭性的结构(closed-loopstructure)，因而使其具有高刚性和高速化的优点，其结构负荷流线短，而负荷分解的拉、压力由六只连杆同时承受，以材料力学的观点来说，在外力一定时，悬臂量的应力与变形都最大，两端插入(build-in)次之，再者是两端简支撑(simply-supported)，其次是受压的二力结构，应力与变形都最小的是受张力的二力结构，故其拥有高刚性。其刚度重量比高于传统的数控机床。

(3)加工速度高，惯性低。如果结构所承受的力会改变方向(介于张力与压力之间)，那么二力结构将会是最节省材料的结构，而它的移动件重量减至最低且同时由六个致动器驱动，因此机器很容易高速化，且拥有低惯性。

(4)加工精度高。由于为多轴并联机构组成，六个可伸缩杆杆长都单独对刀具的位置和姿态起作用，因而不存在传统机床(即串联机床)的几何误差累积和放大的现象，甚至还有

平均化效果(averagingeffect)；其拥有热对称性结构设计，因此热变形较小，具有高精度的优点。

(4)多功能灵活性强。由于该机床机构简单控制方便，较容易根据加工对象而将其设计成专用机床，同时也可以将之开发成通用机床，用以实现铣削、镗削、磨削等加工，还可以配备必要的测量工具把它组成测量机，以实现机床的多功能。这将会带来很大的应用和市场前景，在国防和民用方面都有着十分广阔的应用前景。

(5)使用寿命长。由于受力结构合理，运动部件磨损小，且没有导轨，不存在铁屑或冷却液进入导轨内部而导致其划伤、磨损或锈蚀现象。

(6) Stewart平台适合于模块化生产。对于不同的机器加工范围，只需改变连杆长度和接点位置，维护也容易，无需进行机件的再制和调整，只需将新的机构参数输入。

(7)变换坐标系方便。由于没有实体坐标系，机床坐标系与工件坐标系的转换全部靠软件完成，非常方便。

2．并联运动机床的主要部件