机床的运动分析

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1、金属切削机床概论山东理工大学 机械工程学院 王士军第一章 机床的运动分析机床的运动分析，就是研究在金属切削机床上的各种运动 及其相互联系。机床运动分析的一般过程是：根据在机床上加工的各种表 面和使用的刀具类型，分析得到这些表面的方法和所需的运动 ，再分析为实现这些运动机床必须具备的传动联系，实现这些 传动联系的机构，以及机床运动的调整方法。这个次序可以总 结为“表面运动传动机构调整”。尽管机床品种繁多，结构各异，但不过是几种基本运动类 型的组合与转化。机床运动分析的目的在于，可以利用非常简 便的方法迅速认识一台陌生的机床、掌握机床的运动规律、分 析或比较各种机床的传动系统，从而能够合理地使用机

2、床和正 确设计机床的传动系统。 第一节 工件加工表面及其形成方法 一. 被加工工件的表面形状 在切削加工过程中，安装在机床上的刀具和件按一定的规律作相对运动，通过刀 具的刀刃对工件毛坯的切削作用，把毛坯上多余的金属切除掉，从而得到所要求的表 面。尽管机器零件千姿百态，但其常用的组成表面却是平面、圆柱面、圆锥面、球面 、圆环面、螺旋面、成形表面等 基本 表面元素，如图 3-2 所示。 图3-2 组成工件轮廓的几种几何表面 1母线 2导线 a) 平面 b) 直线成形表面 c) 圆柱面 d) 圆锥面 e) 球面 f) 圆环面 g) 螺旋面 二、工件表面的形成方法 任何规则表面都可以看作是一条线1（称

3、为母线）沿着另一条线2(称为导线)运动 的轨迹。母线和导线统称为形成表面的发生线，如图3-2所示 。 如果形成表面的两条 发生线母线和导线互换，形成表面的性质不改变，则这种表面称为可逆表面，如 图3-2 a、b、c所示 。如果形成表面的母线和导线不可以互换，则形成不可逆表面， 如图3-2d、e、f、g所示。还要注意，虽然有些表面的两条发生线完全相同，但因母 线的原始位置不同，也可形成不同的表面，如图3-3所示。 图 3-3 母线原始位置变化时形成的表面 1 母线 2 导线 三、形成发生线的方法及所需运动发生线是由刀具的切削刃和工件的相对运动得到的。由于使用的刀具切削刃形 状和采取的加工方法不同

4、，形成发生线的方法可归纳为四种，以形成图3-4中为一段 圆弧(发生线2)为例说明如下 ： 图 3-4 形成发生线的方法 1 切削刃 2 发生线 3 切削刃上某点的运动轨迹 4 切点 a) 成形法 b) 展成法 c) 轨迹法 d) 相切法 （ 1 ）成形法如图3-4a，它是利用成形刀具对工件进行加工的方法。刀刃为切削 线1，它的形状与需要形成的发生线 2 完全吻合，刀具无须任何运动就可以得到所 需的发生线形状，因此形成发生线2不需运动。 （ 2 ） 展成法如图 3-4b，它是利用工件和刀具作展成切削运动而进行加工的方法 。刀刃为切削线1，它的形状与需要形成的发生线2 相切，切削线1 与发生线2

5、彼 此作无滑动的纯滚动，切削线1 在切削过程中连续位置的包络线就是发生线2 曲线 3 是切削刃上某点 A 的运动轨迹。在形成发生线2 的过程 ，或者仅由切削刃1 沿着 由它生成的发生线2 作纯滚动；或者切削刃1 和发生线 2 ( 工件 ) 共同完成复合的 纯滚动，这种运动称为展成运动 。用展成法形成发生线需要一个成形运动（展成 运动)。齿轮加工机床大多采 用展成法形成渐开线。 （ 3 ） 轨迹法如图 3-4c，它是利用刀具作一定规律的轨迹运动对工件进行加工的 方法。刀刃与发生线2 为点接触（切削点l）， 刀刃按一定轨迹运动形成所需的发 生线2。用轨迹法形成发生线需要一个成形运动。 （ 4 ）

6、相切法如图 3-4d，它是利用旋转中心按一定轨迹运动的旋转刀具对工件进 行加工的方法。在垂直于刀具旋转轴线的端面内， 切削刃可看作切削点l，刀具作 旋转运动的同时，其中心按一定规律运动，切削点1的运动轨迹(如图中的曲线3)的 共切线就是发生线2。图中点4 就是刀具上的切削点1 的运动轨迹与工件的各个切 点。因为这种方法的刀具一般是多齿刀具，有多个切削点，所以 发生线2 就是刀 具上所有的切削点在切削过程中共同形成的。用相切法得到发生线，需要二独立的 成形运动 ，即刀具的旋转运动和刀具中心按所需规律进行的运动。第二节 机床的运动一、表面成形运动为了形成工件表面的发生线，机床上的刀具和工件按上述四

7、种方法之一所作的 相对运动称为表面成形运动，简称成形运动。 表面成形运动是机床上最基本的运动 ，为了加工出所需的零件表面，机床必须具备表面成形运动。 图3-5车削外圆柱表面的成形运动图 图3-6用螺纹车刀车螺纹的成形运动 （ 1 ） 成形运动的种类 表面成形运动可能是简单运动，也可能是复合运动。如果表 面成形运动仅仅是执行件的旋转运动或直线运动，则称为简单的表面成形运动，简称 简单运动。 这两种运动最简单，也最容易得到，在机床上，以主轴或刀具的旋转、 刀架或工作台的直线运动的形式出现。 通常用符号 A 表示直线运动 ， 用符号 B 表 示旋转运动。例如 ， 用车刀车削外圆柱面 ( 图 3-5

8、)，工件的旋转运动 B1 产生母线( 圆 ) ， 刀具的纵向直线运动 A2 产生导线( 直线 )。运动 B1 和 A2 就是两个表面成形 运动，角标号表示表面成形运动次序。又如用龙门刨床刨削工件，工作台带着工件作 往复直线运动，刀架带着刀具作间歇的直线进给运动，这两个直线运动都产生发生线 ( 皆直线 )，因而都是成形运动。 成形运动有时是复合运动。图 3 - 6 所示为用螺纹车刀切削螺纹，螺纹车刀是成形 刀具，形成螺纹的牙形（ 母线 ）不需要 运动；形成螺旋线（ 导线 ）需要车刀在不 动的工件上作空间螺旋运动。因此形成螺旋面只需一个运动。在机床上，最容易实现 并保证精度的是旋转运动 ( 如主轴

9、的旋转 ) 和直线运动 ( 如刀架的移动 )，因此，把 这个空间螺旋运动分解成工件的旋转运动 B11 和刀具的直线运动 A12 。 角标号的第 一位数字表示第一个运动 ( 此例只有一个运动 )，后一位数字 表示第一个运动中的第 1 、第 2 两部分。为了得到要求导程的螺旋线，运动的两个部分 B11 和 A12 必须保 持严格的相对运动关系，即工件每均匀转一周，刀具均匀移动工件一个导程的距离。 这种各个部分之间必须保持严格相对运动关系的运动称为复合的表面成形运动，简称 复合运动。图 3-7 为用插齿刀加工齿轮 。 插齿机加工原理为插齿刀和工件模拟一对圆柱齿 轮的啮合过程，产生渐开线（ 母线 ）靠

10、展成法，需要一个展成运动。如上所述 ，这个展成运动也可分解为插齿刀的旋转运动 B11 和工件的旋转运动 B12 。 B11 和 B12 是 一个运动的两个部分，它们必须保持严格的相对运动关系 ， 即插 齿刀每均匀转过一个齿，工件也应均匀转过一个齿。齿轮齿面的导线（直线）用 轨迹法形成，由插齿刀的上下往复运动 A2 实现。在多轴联动的数控机床中，有些复合的表面成形运动可以分解为更多个部分的 简单运动，每个部分就是机床的一个坐标轴。复合运动虽然可以分解成几个部分 ，每个部分是一个旋转或直线运动，与简单运动相象，但这些部分之间必须保持 严格的相对运动关系，是相互依存而不是独立的。所以复合运动是一个运

11、动，而 不是两个或两个以上的简单运动。 （ 2 ） 零件表面成形所需的成形运动母线和导线是形成零件表面的两条发生线 ， 形成表面所需要的成形运动 ， 就是形成其母线及导线所需要的成形运动的综 和 （有时是总和）。 为了加工出所需的零件表面 ， 机床就必须具备这些成形运 动。 例 3-1 用成形车刀车削成形回转表面图 （教材图 1-11 ）。 母线曲线，由成形法形成，不需要成形运动。 导线圆，由轨迹法形成，需要 1 个成形运动 B1 。 因此，形成表面的成形运动总数为 1 个（ B1 ）， 是一个简单运动。 例 3-2 用齿轮滚刀加工直齿圆柱齿轮齿面图 （ 3-9 ） 。 母线渐开线，由展成法形

12、成，需要 1 个复合的表面成形运动，可分解为滚 刀旋转运动 B11 和工件旋转运动 B12 两个部分，B11 和 B12 之间必须保持严格 的相对运动关系。 导线直线，由相切法形成，需要 2 个独立的成形运动，即滚刀旋转运动和 滚刀沿工件轴向移动 A2。其中滚刀的旋转运动与展成运动的一部分 B11 重合，所 以形成表面所需的成形运动的总数只有 2 个，一个是复合运动（ B11 和 B12 ）， 另一个是简单运动（ A2 ） 。 图 3-9 用齿轮滚刀滚切直齿圆柱齿轮 二. 辅助运动 机床上除表面成形运动外，还需要辅助运动，以实现机床的各种辅助动作。辅 助动作的种类很多，主要包括各种空行程运动、

13、切入运动、分度运动和操纵及控制 运动等。机床越复杂、功能越多，辅助运动也越多。 三、主运动和进给运动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，它们可 能是简单的表面成形运动，也可能是复合的表面成形运动。第三节 机床的传动联系和传动原理图 一. 机床的传动联系 为了实现加工过程中所需的各种运动，机床必须具备以下 3 个基本部 分 ： （ 1 ） 执行件执行机床运动的部件，如主轴、刀架、工作台等，其 任务是带动工件或刀具完成一定形式的运动（旋转或直线运动），并 保持其运动的准确 性 。 （ 2 ） 动力源提供运动和动力的装置，是执行件的运动来源，一般 为电机 。 （ 3 ） 传

14、动装置传递运动和动力的装置，把动力源的运动和动力传 给执行件。传动装置通常还需完成变速、换向、改变运动形式等任务 ，使执行件获得所需要的运动速度、运动方向和运动形式。 传动装置把执行件和动力源或者把有关的执行件之间联接起来，构成传 动联系。二、机床的传动链 构成一个传动联系的一系列传动件称为传动链。传动链按功用可分为主运动传动 链和进给运动传动链等，按性质可以分为外联系传动链和内联系传动链。 （ 1 ） 外联系传动链 联系动源和机床执行件，使执行件得到运动，并能改变运动的 速度和方向，但不要求动源和执行件之间有严格的传动比关系。例如，车削螺纹时 ，从电机到车床主轴的传动链就是外联系传动链，它只

15、决定车削螺纹的速度，不影 响螺纹表面的成形。 （ 2 ） 内联系传动链 联系复合运动之内的各个分解部分。内联系传动链所联系的执 行件相互之间的相对速度有严格的传动比要求，用来保证准确的运动关系。例如， 在卧式车床上用螺纹车刀车螺纹时，联系主轴刀架之间的螺纹传动链，就是一 条传动比有严格要求的内联系传动链。再如，用齿轮滚刀加工直齿圆柱齿轮时，为 了得到正确的渐开线齿形，滚刀均匀地转 1/K 转时（ K 是滚刀头数），工件就必须 均匀地转 1/Z 转（ Z 为齿轮齿数）。联系滚刀旋转 B11 和工件旋转 B12 的传动链 （参见图 3-9 ） ，必须保证两者的严格运动关系，否则就不能形成正确的渐开

16、线齿 形，所以这条传动链也是内联系传动链。由此可见：内联系传动链中，各传动副的 传动比必须准确不变，不应有摩擦传动或是瞬时传动比变化的传动件（如链传动） 。 三、传动原理图通常传动链中包括多种传动机构，如带传动、定比齿轮副、丝杠螺母副、蜗杆 蜗轮副、滑移齿轮变速机构、离合器变速机构、交换齿轮或挂轮架、以及各种电的 、液压的、机械的无级变速机构等。在考虑传动路线时，可以先撇开具体机构，把 上述各种机构分成两大类：一类是 固定传动比的传动机构，简称“ 定比传动机构 ”， 另一类是变换传动比的传动机构，简称“ 换置机构 ” 。定比传动机构有定比齿轮幅、 丝杠螺母副、蜗轮蜗杆副等，换置器官有变速箱、挂轮架、数控机床中的数控系统 等。为了便于研究机床的传动联系，常用一些简明的符号把传动原理和传动路线表 示出来，这就是传动原理图。图 3-10 为传动原理图经常使用的一部分符号，其中表 示执行件的符号还没有统一的规定，一般采用较直观的图形表示。 图 3-10 传动原理图常用符号 图