【正文】 照控制指令自動(dòng)進(jìn)行的，因此變速機(jī)構(gòu)必須適應(yīng)自動(dòng)操作的要求。大多數(shù)數(shù)控機(jī)床采用無級(jí)變速系統(tǒng)，數(shù)控機(jī)床主傳動(dòng)系統(tǒng)主要有以下四種配置方式:(1)主軸電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)。如圖2一1(a)所示，電動(dòng)機(jī)軸與主軸用聯(lián)軸器連接，這種方式大大簡化了主軸箱和主軸結(jié)構(gòu)，有效地提高了主軸部件的剛度，但主軸輸出扭矩小，電動(dòng)機(jī)發(fā)熱對(duì)主軸影響較大。目前，多采用交流伺服電動(dòng)機(jī)，它的功率很大，但輸出功率與實(shí)際消耗的功率保持同步，效率很高。(2)電動(dòng)機(jī)經(jīng)同步齒形帶帶動(dòng)主軸。如圖1一1(b)所示，電動(dòng)機(jī)將其運(yùn)動(dòng)經(jīng)同步齒形帶以定比傳動(dòng)傳遞給主軸。由于輸出扭矩較小，這種傳動(dòng)方式主要用于小型數(shù)控機(jī)床低扭矩特性要求的主軸，可以減小傳動(dòng)中的振動(dòng)和噪聲。(3)電動(dòng)機(jī)經(jīng)齒輪變速傳動(dòng)主軸。如圖1一1(c)所示，主軸電動(dòng)機(jī)經(jīng)二級(jí)齒輪傳動(dòng)變速，使主軸獲得低速和高速兩種轉(zhuǎn)速，從而使之實(shí)現(xiàn)分段無級(jí)變速，這種方式在大、中型數(shù)控機(jī)床中采用較多。經(jīng)過齒輪傳動(dòng)降速后，電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩可以擴(kuò)大，以滿足主軸低速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)輸出扭矩大的特性要求。一部分小型數(shù)控機(jī)床一也采用這種傳動(dòng)方式，以獲得強(qiáng)力切削時(shí)所需要的扭矩。(4)電主軸。如圖1一1(d)所示，將調(diào)速電動(dòng)機(jī)與主軸合成一體(電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子軸即機(jī)床主軸)，其優(yōu)點(diǎn)是主軸部件結(jié)構(gòu)緊湊、剛度高、質(zhì)量輕、慣量小，且可提高調(diào)速電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)、停止的響應(yīng)特性。其缺點(diǎn)是電動(dòng)機(jī)發(fā)熱易引起熱變形。 無級(jí)變速傳動(dòng)鏈可以在一定的變速范圍內(nèi)連續(xù)改變轉(zhuǎn)速，以得到最有利的切削速度。能在運(yùn)轉(zhuǎn)中變速，便于實(shí)現(xiàn)變速自動(dòng)化。能在負(fù)載下變速，便于車削大端面時(shí)保持恒定的切削速度，以提高生產(chǎn)效率和加工質(zhì)量。無級(jí)變速傳動(dòng)可由機(jī)械摩擦無級(jí)變速器、液壓無級(jí)變速器和電氣無級(jí)變速器來實(shí)現(xiàn)。機(jī)械摩擦無級(jí)變速器結(jié)構(gòu)簡單、使用可靠，常用于中、小型車床、銑床等主傳動(dòng)系統(tǒng)中。液壓無級(jí)變速器傳動(dòng)平穩(wěn)、運(yùn)動(dòng)換向沖擊小，易于實(shí)現(xiàn)直線運(yùn)動(dòng)，常用于主運(yùn)動(dòng)為直線運(yùn)動(dòng)的機(jī)床，如磨床、拉床、刨床等機(jī)床的主傳動(dòng)系統(tǒng)中。電氣無級(jí)變速器有由直流電動(dòng)機(jī)或交流調(diào)速電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的兩種，由于它可以大大簡化機(jī)械結(jié)構(gòu)，便于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)變速、連續(xù)變速和負(fù)載下變速，故其應(yīng)用越來越)’一泛，尤其在數(shù)控機(jī)床上目前幾乎全都采用電氣無級(jí)變速器。數(shù)控機(jī)床的主運(yùn)動(dòng)廣泛采用無級(jí)變速傳動(dòng)，這不僅能使其在一定的調(diào)速范圍內(nèi)選擇到合理的切削速度，而且還能在運(yùn)轉(zhuǎn)中自動(dòng)變速。無級(jí)變速系統(tǒng)有機(jī)械、液壓和電氣等多種形式，數(shù)控機(jī)床一般采用由直流或交流調(diào)速電動(dòng)機(jī)作為驅(qū)動(dòng)源的電氣無級(jí)變速。由于數(shù)控機(jī)床主運(yùn)動(dòng)的調(diào)速范圍較寬，一般情況下單靠調(diào)速電動(dòng)機(jī)無法滿足。另一方面調(diào)速電動(dòng)機(jī)的功率和轉(zhuǎn)矩特性一也難以直接與機(jī)床的功率和轉(zhuǎn)矩要求安全匹配。因此，需要在無級(jí)調(diào)速電動(dòng)機(jī)之后串聯(lián)機(jī)械分級(jí)變速傳動(dòng)，以滿足調(diào)速范圍和功率、轉(zhuǎn)矩特性的要求。(1)無級(jí)變速裝置的分類。機(jī)床主傳動(dòng)中常用的無級(jí)變速裝置有三類:變速電動(dòng)機(jī)、機(jī)械無級(jí)變速裝置和液壓無級(jí)變速裝置。1)變速電動(dòng)機(jī)。機(jī)床上常用的變速電動(dòng)機(jī)有直流電動(dòng)機(jī)和交流電動(dòng)機(jī)，它們?cè)陬~定轉(zhuǎn)速以上為恒功率變速，通常變速范圍僅為2 ~3。額定轉(zhuǎn)速以下為恒定轉(zhuǎn)矩變速，調(diào)整范圍很大，變速范圍可達(dá)30甚至更大。上述功率和轉(zhuǎn)矩特性一般不能滿足機(jī)床的使用要求。為了擴(kuò)大恒功率變速范圍，可在變速電動(dòng)機(jī)和主軸之間串連一個(gè)分級(jí)變速箱。變速電動(dòng)機(jī)I’一泛用于數(shù)控機(jī)床和大型機(jī)床中。2)機(jī)械無級(jí)變速裝置。機(jī)械無級(jí)變速裝置有柯普(Koop)型、行星錐輪型、分離錐輪鋼環(huán)型和寬帶型等多種結(jié)構(gòu)，它們都是利用摩擦力來傳遞轉(zhuǎn)矩的，通過連續(xù)地改變摩擦傳動(dòng)副工作半徑來實(shí)現(xiàn)無級(jí)變速。由于它的變速范圍小，多數(shù)是恒轉(zhuǎn)矩傳動(dòng)，通常較少單獨(dú)使用，而是與分級(jí)變速機(jī)構(gòu)串聯(lián)使用，以擴(kuò)大變速范圍。機(jī)械無級(jí)變速器應(yīng)用于要求功率和變速范圍較小的中、小型車型、銑床等機(jī)床的主傳動(dòng)中，更多的是用于進(jìn)給變速傳動(dòng)中。3)液壓無級(jí)變速裝置。液壓無級(jí)變速裝置通過改變單位時(shí)間內(nèi)輸入液壓缸或液動(dòng)機(jī)中液體的油量來實(shí)現(xiàn)無級(jí)變速。它的特點(diǎn)是變速范圍較大，變速方便，傳動(dòng)平穩(wěn)，在運(yùn)動(dòng)換向時(shí)沖擊小。易于實(shí)現(xiàn)直線運(yùn)動(dòng)和自動(dòng)化。液壓無級(jí)變速裝置常用在主運(yùn)動(dòng)為直線運(yùn)動(dòng)的機(jī)床中，如刨床、拉床等。(2)無級(jí)變速裝置與機(jī)械分級(jí)變速機(jī)構(gòu)的串聯(lián)。在無級(jí)變速系統(tǒng)裝置單獨(dú)使用時(shí)，其調(diào)速范圍都較小，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足現(xiàn)代通用機(jī)床變速范圍的要求。因此，常常將無級(jí)變速裝置與機(jī)械分級(jí)變速機(jī)構(gòu)串聯(lián)，以擴(kuò)大其變速范圍。(3)采用直流或交流電動(dòng)機(jī)無級(jí)調(diào)速。機(jī)床上常用的無級(jí)變速機(jī)構(gòu)為直流或交流調(diào)速電動(dòng)機(jī)。直流電動(dòng)機(jī)是采用調(diào)壓和調(diào)磁方式來得到主軸所需轉(zhuǎn)速的。直流電動(dòng)機(jī)從額定轉(zhuǎn)速向上至最高轉(zhuǎn)速是用調(diào)節(jié)磁場(chǎng)電流(簡稱調(diào)磁)的辦法來調(diào)速的，屬于恒功率調(diào)速。從額定轉(zhuǎn)速向下至最低轉(zhuǎn)速是用調(diào)節(jié)電樞電壓(簡稱調(diào)壓)的辦法來調(diào)速的，屬恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速。通常，直流電動(dòng)機(jī)的恒功率變速范圍較小，僅為2~4，而恒轉(zhuǎn)矩變速范圍很大，可達(dá)幾十，甚至超過100。交流調(diào)速電動(dòng)機(jī)靠調(diào)節(jié)供電頻率的方式來調(diào)速，所以其常被稱為調(diào)頻主軸電動(dòng)機(jī)。通常額定轉(zhuǎn)速向上至最高轉(zhuǎn)速氣max為恒定功率，變速范圍為3~5。額定轉(zhuǎn)速至最低轉(zhuǎn)速氣為恒轉(zhuǎn)矩，變速范圍為幾十，甚至超100。直流和交流電動(dòng)機(jī)的功率轉(zhuǎn)矩特性如圖12所示。交流調(diào)速電動(dòng)機(jī)由于體積小、轉(zhuǎn)動(dòng)慣性小、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、沒有電刷且能達(dá)到的最高轉(zhuǎn)速比同功率的直流電動(dòng)機(jī)高，故磨損和故障也少?，F(xiàn)在在中、小功率領(lǐng)域，交流調(diào)速電動(dòng)機(jī)已占優(yōu)勢(shì)，應(yīng)用一也更加廣泛。伺服電動(dòng)機(jī)和脈沖步進(jìn)電動(dòng)機(jī)都是恒轉(zhuǎn)矩的，而且功率不大，所 以只能用于直線進(jìn)給運(yùn)動(dòng)和輔助運(yùn)動(dòng)。基于上述分析可知，如果直流或交流調(diào)速電動(dòng)機(jī)用于拖動(dòng)直線運(yùn)動(dòng)執(zhí)行器，例如龍門刨床工作臺(tái)(主運(yùn)動(dòng))或立式車床刀架(進(jìn)給運(yùn)動(dòng))，可直接利用調(diào)速電動(dòng)機(jī)的恒轉(zhuǎn)矩變速范圍，用電動(dòng)機(jī)直接帶動(dòng)或通過定比減速齒輪拖動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。數(shù)控車床用于加工回轉(zhuǎn)體零件。它集中了臥式車床、轉(zhuǎn)塔車床、多刀車床、仿形車床、自動(dòng)和半自動(dòng)車床的功能，是數(shù)控機(jī)床中應(yīng)用較廣泛的品種之一。下面以一個(gè)典型數(shù)控車床C K3263 B為例說明如何分析數(shù)控機(jī)床主傳動(dòng)系統(tǒng)，圖1一4所示為C K3263 B主傳動(dòng)系統(tǒng)。主電動(dòng)機(jī)經(jīng)帶輪副和四速變速機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)主軸，其傳動(dòng)路線表達(dá)式是擬定轉(zhuǎn)速圖如圖25所示，從圖中可知，主軸共得到四段轉(zhuǎn)速: 車床數(shù)控化改裝主傳動(dòng)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)將06140臥式車床改造成用MCS51系列單片機(jī)控制的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床，采用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)開環(huán)控制，縱向和橫向均具有直線和圓弧插補(bǔ)功能。將原來的主傳動(dòng)系統(tǒng)改裝為主變速系統(tǒng)。一般的臥式車床在改裝為經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床時(shí)，主傳動(dòng)系統(tǒng)和變速操縱機(jī)構(gòu)是不動(dòng)的，可利用暫停指令進(jìn)行手動(dòng)變速換擋，然后再繼續(xù)加工。如果要提高機(jī)床的自動(dòng)化程度或者所加工工件的直徑相差較大，在加工過程中需要自動(dòng)變速時(shí)，可考慮設(shè)置加工過程中的自動(dòng)變速裝置，本任務(wù)即后一種情況。將機(jī)械主傳動(dòng)系統(tǒng)改裝為自動(dòng)變速裝置的幾種方案說明見下文介紹。目前采用多速電動(dòng)機(jī)對(duì)主傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行改裝，一般是將主電動(dòng)機(jī)更換為雙速或四速電動(dòng)機(jī)，由微機(jī)系統(tǒng)信號(hào)自動(dòng)控制切換電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。這樣做的好處是機(jī)床性能良好，主傳動(dòng)鏈改裝量較少，但多速電動(dòng)機(jī)的功率是隨著轉(zhuǎn)速的變化而變化的，所以電動(dòng)機(jī)功率要選的大一些，同時(shí)電動(dòng)機(jī)的尺寸一也大，因此還要增加一套電動(dòng)機(jī)變速系統(tǒng)。對(duì)主軸箱內(nèi)變速系統(tǒng)進(jìn)行改裝，一般是將滑移齒輪變速改為電磁離合變速。這種變速機(jī)構(gòu)仍為有級(jí)變速，一般變速級(jí)數(shù)不超過四級(jí)。改裝后，機(jī)床主軸由直流主軸電動(dòng)機(jī)(或交流主軸電動(dòng)機(jī))通過皮帶直接帶動(dòng)，并通過電氣系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)無級(jí)變速。采用直流主軸電動(dòng)機(jī)或交流主軸電動(dòng)機(jī)改裝，其改裝成本高，但效果好，能獲得滿意的速度，而且由于傳動(dòng)鏈中沒有齒輪，故噪聲很小。另外在改裝中要注意，主軸電動(dòng)機(jī)的選擇要與進(jìn)給系統(tǒng)電動(dòng)機(jī)配套，以利于使用CNC系統(tǒng)。圖15所示為本任務(wù)改裝后的主傳動(dòng)系統(tǒng)示意。拆下原操縱手柄，裝上齒輪2。以一個(gè)180 W的交流小電動(dòng)機(jī)8通過蝸輪副7和齒輪3, 2將運(yùn)動(dòng)傳給手柄軸1，帶動(dòng)主軸箱內(nèi)的撥叉和滑塊進(jìn)行變速。另外將手柄軸接長，在接長軸4上安裝帶單個(gè)壓塊6的圓盤，并在附加的機(jī)殼上固定一個(gè)裝有6個(gè)微動(dòng)開關(guān)的圓盤5, 6個(gè)微動(dòng)開關(guān)的位置與6級(jí)變速擋位對(duì)應(yīng)。當(dāng)手柄軸帶動(dòng)圓盤轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，壓塊6依次壓下6個(gè)微動(dòng)開關(guān)，發(fā)出6個(gè)不同信號(hào)，數(shù)控系統(tǒng)通過對(duì)電路信號(hào)的識(shí)別來控制變速。自動(dòng)變速過程如下:當(dāng)變速電動(dòng)機(jī)接到S指令后，便開始轉(zhuǎn)動(dòng)，通過傳動(dòng)裝置使手柄軸帶動(dòng)撥叉滑塊使變速齒輪移位。與此同時(shí)，在速度繼電器的控制下，主電動(dòng)機(jī)低速點(diǎn)動(dòng)，以便滑移齒輪順利地進(jìn)人嚙合位片。當(dāng)壓塊壓下的觸點(diǎn)信號(hào)與數(shù)控系統(tǒng)S指令信號(hào)相符時(shí)，小電動(dòng)機(jī)制動(dòng)，主運(yùn)動(dòng)變速完成。這種方案保留了原主軸箱的結(jié)構(gòu)，改裝量小，但只適合于06140型車床。 ，草擬轉(zhuǎn)速圖 擬定轉(zhuǎn)速圖的一般步驟如下:(i)確定變速組數(shù)及各變速組的傳動(dòng)副數(shù)。(2)安排變速組的傳動(dòng)順序，擬定結(jié)構(gòu)式(網(wǎng))。(3) 齒輪的齒數(shù)取決于傳動(dòng)比和徑向尺寸要求。在同一變速組中，若模數(shù)相同且不采用變位齒輪，則傳動(dòng)副的齒數(shù)和相同。若模數(shù)不同，則齒數(shù)和S與模數(shù)m,成反比，即:對(duì)于三聯(lián)滑移齒輪，當(dāng)采用標(biāo)準(zhǔn)齒輪且模數(shù)相同時(shí)，最大齒輪與次大齒輪的齒數(shù)差應(yīng)大于4，以避免滑移過程中的齒頂干涉。當(dāng)傳動(dòng)比i采用標(biāo)準(zhǔn)公比的整數(shù)次方時(shí)，齒數(shù)和S及小齒輪齒數(shù)可以從表1一1中查得。 實(shí)訓(xùn)準(zhǔn)備項(xiàng)日任務(wù)單見附錄二。學(xué)完基礎(chǔ)知識(shí)及實(shí)例后，學(xué)生自主分析數(shù)控車床主軸箱實(shí)物，熟悉內(nèi)部組成，然后分組制訂設(shè)計(jì)方案，方案合格后，開始具體設(shè)計(jì)。(1)CAK4085數(shù)控車床6(2)《機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)》若干。(3)扳手、鉗子、直尺。(1)學(xué)生分組，并在現(xiàn)場(chǎng)分析數(shù)控車床主軸箱實(shí)物。(2)學(xué)生分組，制定任務(wù)實(shí)施方案。(3)根據(jù)任務(wù)實(shí)施方案，學(xué)生將任務(wù)實(shí)施過程填入記錄表1一2中。項(xiàng)日的整體評(píng)價(jià)如表13所示。圖1一1數(shù)控機(jī)床主傳動(dòng)的配置方式圖12直流和交流調(diào)速電動(dòng)機(jī)的功率轉(zhuǎn)矩特性圖14 CK3263B主傳動(dòng)系統(tǒng)圖15改裝后主傳動(dòng)系統(tǒng)示意圖表1一1常見傳動(dòng)比的適用齒數(shù)表1一2項(xiàng)目實(shí)施過程記錄表表13項(xiàng)目評(píng)價(jià)表項(xiàng)目二數(shù)控車床導(dǎo)軌副設(shè)計(jì) (1)根據(jù)已知的工作條件，選擇合適的導(dǎo)軌類型，常見導(dǎo)軌形式見表21.(2)選擇導(dǎo)軌截面形狀與組合方式。常見導(dǎo)軌截面形狀見表2一2。1)雙三角形導(dǎo)軌。如圖21所示，雙三角形導(dǎo)軌導(dǎo)向性和精度保持性都很高，磨損后能自動(dòng)下沉補(bǔ)償磨損量。兩條三角形導(dǎo)軌副同時(shí)起支撐和導(dǎo)向作用，由于結(jié)構(gòu)對(duì)稱，兩條導(dǎo)軌磨損均勻，故接觸剛度好。但由于超定位，加工、檢驗(yàn)、維修都較困難，而且當(dāng)量摩擦系數(shù)也高，因此適于精度高的場(chǎng)合。例如絲杠車床、單柱坐標(biāo)鎖床的導(dǎo)軌副等。2)雙矩形導(dǎo)軌。如圖2一2所示，雙矩形導(dǎo)軌的剛度高，當(dāng)量摩擦系數(shù)比雙三角形導(dǎo)軌低，承載能力強(qiáng)，加工、檢驗(yàn)、維修都較方便，因此被廣泛使用，例如數(shù)控機(jī)床的導(dǎo)軌副。雙矩形導(dǎo)軌承載面和導(dǎo)向面是分開的，存在側(cè)向間隙，必須用鑲條調(diào)節(jié)。如圖2一2(a)所示，用兩外側(cè)面做導(dǎo)向面時(shí)，間距大、熱變形大、間隙大，因而導(dǎo)向精度低、承載能力大。如圖22(b)所示，以內(nèi)外側(cè)面做導(dǎo)向面時(shí)，間距小、熱變形小、間隙小，因而導(dǎo)向精度高、易獲得較高的平行度。如圖2一2(c)所示，用兩內(nèi)側(cè)面做導(dǎo)向面時(shí)，由于導(dǎo)軌面對(duì)稱分布在導(dǎo)軌中部，當(dāng)傳動(dòng)件位于對(duì)稱中心線上時(shí)，避免了由于牽引力與導(dǎo)向中心線不合而引起的偏轉(zhuǎn)，不致在改變運(yùn)動(dòng)方向時(shí)引起位置誤差，故導(dǎo)向精度高。3)三角形與矩形組合。如圖23(a)和圖23(b)所示，三角形與矩形組合導(dǎo)軌兼有三角形導(dǎo)軌的良好導(dǎo)向性及矩形導(dǎo)軌的制造方便、剛性好等優(yōu)點(diǎn)，并避免了由于熱變形所引起的配合變化。其缺點(diǎn)是三角形導(dǎo)軌比矩形導(dǎo)軌磨損快，易造成磨損不均勻，磨損后又不能通過調(diào)節(jié)來補(bǔ)償，故對(duì)位置精度有影響。三角形與矩形組合導(dǎo)軌兼有導(dǎo)向性好、制造方便和剛度高等諸多優(yōu)點(diǎn)，因此被廣泛使用，例如車床、磨床、龍門刨床、龍門銑床、滾齒機(jī)、坐標(biāo)鎖床的導(dǎo)軌副等。4)雙燕尾形導(dǎo)軌。如圖2一4(a)所示，它的高度較小，可以承受顛覆力矩，是閉式導(dǎo)軌中接觸面最少的一種結(jié)構(gòu)。間