任务3 认识组合机床的传动部件

2.3.1 组合机床具有单一运动功能的通用动力部件的分析与控制

现代机床发展的两个主要特点是结构组合化和控制数字化。组合机床由各种标准化的通用部件组合而成。在各种通用部件中，最核心的是动力部件。动力部件的性能决定了组合机床的性能。简单的动力部件分为切削头与进给滑台两类。切削头用于生成机床的主运动即切削运动。有各种各样的切削头，如铣削头、镗削头、钻削头、磨削头等。进给滑台用于产生进给运动，如直线滑台、十字滑台、回转台等。动力部件由电机或液压驱动。切削头的传动采用齿轮系。进给滑台的传动采用滚珠螺母丝杆或液压系统。

图2.3.1所示的是一个切削头。上方的电机通过右边的传动系统驱动下面的水平主轴。刀盘装在主轴的左端。切削头只管切削，不管进给。如果要使刀具在切削的同时也实现进给，可以把切削头安装在进给滑台上。

进给滑台可以是液压传动的，也可以是机械传动的。为了获得精密的进给，机械滑台更理想。精密的机械滑台都采用滚珠螺母丝杆副传动。图2.3.2所示的是一个机械滑台。滑台装在水平的矩形断面的导轨上，可以在导轨的约束下做往复直线运动。滚珠丝杆与导轨平行的装在导轨上部的槽中。驱动电机和减速箱装在导轨的右端，将动力传送到丝杆上。进给滑台的运动，可以采用简单的逻辑程序控制，也可以采用精密复杂的数字控制。在闭环控制系统中，如果是简单的逻辑程序控制，可以用行程开关或位置开关进行位移或位置的检测与反馈；如果是复杂精密的数字控制，则必须采用精密的位移传感器进行位移或位置的检测与反馈。

切削头又称动力头。简单的动力头与滑台，都只能做单一的运动。但简单是复杂的基础。复杂可以化为简单，简单可以组成复杂。由于设计的标准化，以上述两类部件为核心，再配以适当的支撑、连接、导向、传动等部件，配以相应的检测、控制部件，就可以得到各种复杂的运动，就可以组成各式各样的机床了。

2.3.2 组合机床具有复合运动功能的通用动力部件的分析与控制

更复杂的通用动力部件，是把切削运动与进给运动结合在一起进行设计。只有切削运动的动力头是简单动力头，既具有切削运动功能、又具有进给运动功能的动力头是复合动力头。两种动力头各有所长，各有所用。箱体移动式机械动力头是复合动力头的典型例子，可以作为分析的案例。

图2.3.3所示的是一个箱体移动式机械动力头的传动系统图。首先要通过分析传动系统图的原理，来弄清楚其工作过程及其对控制的要求，进而掌握系统的分析与调试方法。

简单的动力头，其箱体自身是不能移动的，既没有驱动箱体移动的传动系统，也没有约束箱体运动方向的导轨。而这种复合式的动力头则不一样，其箱体是装在导轨上，可以在导轨的约束下做直线运动。箱体的移动，由安装在箱体下部的滚珠螺母丝杆副T驱动。T有两种工作方式。一种是主电机M2停止，主轴Ⅰ及其所驱动的刀具处于静止状态，快速电机M1上的电磁式制动器MB通电释放，MA1启动，并通过可配置的交换齿轮g/h驱动丝杆以所需的速度旋转，从而使不能逆向转动的螺母（因为与蜗轮Z2相连接）带动箱体快速前进或后退。这时动力头不进行加工，处于空程时间，这个时间越短越好。

滚珠螺母丝杆副的另一种工作方式是加工运行方式。这时，快速电机MA1断电，电磁制动器失电制动，使丝杆T不能旋转。主电机MA2启动，主轴一方面驱动刀盘旋转，同时通过交换齿轮a/b驱动蜗杆轴Ⅱ及蜗轮Z1旋转。蜗轮两侧分别连接着电磁离合器MC1和MC2的主动转盘。MC1与MC2不允许同时通电，否则将在轴Ⅴ上发生传动矛盾。当MC1与MC2均未加电激励时，两者的从动盘均与主动盘分离，蜗轮空转。若MC1或MC2之一被加电激励，则相应的从动盘将与其主动盘结合，轴Ⅲ或轴Ⅳ之一将随蜗轮Z1旋转，并通过交换齿轮c/d或e/f带动蜗杆轴Ⅴ旋转，从而驱动蜗轮Z2及螺母T绕丝杆旋转，使箱体沿导轨做加工进给运动。

分析传动系统，是为了控制传动系统。要把传动问题转化为控制问题，认识需要深化，要从定性的语言描述深化为定量的符号描述。把箱体移动式机械动力头作为一个整体来看待，首先要注意它与外界的接口。这些接口有三类。第一类是电能输入口，包括电动机MA1和MA2。第二类是机械能输出口，包括刀盘的旋转和箱体的移动。第三类是操作与控制信息的入口。操作信息入口包括电动机MA1和MA2的操作按钮，控制信息入口包括电磁制动器MB和电磁离合器MC1和MC2的控制线圈。对动力如何从入口到出口的传输，要给以符号化的描述。动力是沿着三条传动链进行的。这三条传动链的结构式可表述如下。

这三个式子既表达了传动链的结构，又表达了传动链的功能，其表达方法有些特别。掌握这种表达方法，对于更深入的了解和解决传动与控制问题是有帮助的。对于式中每一项的含义，都要理解清楚。只要把前面对各种元件特性的描述都搞清楚了，这是不难做到的。式中的各项，既可以从实数量的角度来理解，也可以从逻辑量的角度来理解。

站在传动的角度，可以把结构式中各项理解为实数量，这时MA1（n1）或MA2（n2）表示电机MA1或MA2以转速n1或n2驱动传动链。a/b、c/d、e/f、g/h都是有理数，表示配换齿轮的传动比。通过改变其数值可以获得所需要的箱体移动速度。1/Z1、1/Z2表示蜗杆蜗轮副的传动比，其值是固定不变的。T表示螺母和丝杆的螺距，即每转一周螺母在轴线方向移动的距离。电磁制动器MB，电磁离合器MC1、MC2都只能取实数值1或0。MB是断电制动，通电释放，所以启动电机时应使MB通电，并记为

MB=1 （2.3.4）

MC1、MC2是断电分离、通电传动，所以应使

MC1=1或 MC2=1 （2.3.5）

传动链在而且只在式（2.3.4）或（2.3.5）三式中的一个而且只一个成立时进行传动。可由式（2.3.1）～式（2.3.3）得出计算箱体移动的相应速度的公式，即

根据这三个公式，便可按照加工工艺要求的各段移动速度v1、v2、v3计算配换齿轮a/b、c/d、e/f、g/h的齿数。