第 一 章　概　论

　　考纲新增加第三章，成为考试的重要部分。　　第一节　机器的组成　　机器是一种人为实物组合的具有确定机械运动的装置，它用来完成有用功、转换能量或处理信息，以代替或减轻人类的劳动。 例如我们通常熟知的汽车、拖拉机以及洗衣机、电冰箱、计算机都可认为是机器，它们的共同特点1.人为的实物组合，2.能够进行能量装换，目的是做有用功或处理信息（IT行业中的各种机器），减轻或代替人们的体力劳动和脑力劳动。　　机器是由零件、部件组成的，具有确定的相对运动，可进行能量转换或做有用功的一种实体组合　　机器的共同特征是： 　　1.人为的实物组合。 　　2.各实物之间具有确定的相对运动和力的传递。 　　3.进行机械能和其它能的转换和利用。 　　　　 工作过程：电动机9把电能装换成机械能 ，通过减速器8和一对齿轮5和6把运动和动力传递给工作部分筒体3把矿石磨成细粉。 　　　　 工作过程：电动机1把电能转换成机械能，通过带传动、齿轮传动和导杆机构把运动和动力传递给滑枕，滑枕带动刨刀做往复直线切削组运动，另一套传动系统9、10、6、1把运动和动力传递给工作台，工作台带动工件做切削运动中的进给运动，两个运动和成的结果就可以把工件加工成所需的平面。 　　　　一、按照功能分析机器的组成。 　　　　（一）动力部分：将其它形式的能量转变为机械能。 　　一次动力机：将一次能源直接转化为机械能，例如水轮机、内燃机等。 　　二次动力机：将二次能源如电能、液体压力能等转化为机械能，如电动机、液压马达等。 　　常用的动力机有电动机、内燃机、液压马达、气动马达等。 其中，电动机有直流电动机和交流电动机。交流电动机又分为三相异步电动机和同步电动机。三相交流异步电动机分为鼠笼式和绕线式两类，其中鼠笼式交流异步电动机由于结构简单、容易维护、价格低廉，而得到广泛应用。　　（二）传动部分：介于动力部分和工作部分之间的中间装置，将动力部分提供的机械能以动力和运动的形式，传递给工作部分。例如齿轮、带、连杆机构或其他的传动装置。它的作用是1.传递运动（速度、加速度、位移）和动力（力、力矩）；2.分配能量；3.改变运动参数和运动方式。 　　现代机器的传动装置可以按照以下方法分类： 　　1.按照传动的工作原理分为机械传动、流体传动、电力传动和磁力传动。其中， 　　机械传动分为： 　　摩擦传动：带传动、绳传动、摩擦轮传动等 。 　　啮合传动：齿轮传动、蜗杆传动、链传动、螺旋传动等。 　　其他传动：连杆传动、凸轮传动、组合机构传动等　　强调要注意今年关于其他传动的变化。 　　流体传动分为： 　　液体传动：液压传动。（液力传动是利用机械能和液体的动能之间的相互转换来实现传动要求的）。　　液力传动。 　　气压传动。 　　电气传动分为交流电力传动和直流电力传动。 　　表 1—1

　　续表

　　表1—2 按传动比变化情况分类

　　（三）工作部分 　　直接完成机器的预定功能的部分，是机器设备区分和分类的依据。 　　使加工对象性能、状态、形状、位置发生变化的部分。 　　不同机器，其原动机和传动部分可能相同，而工作部分不同。 　　工作部分是机器设备区分和分类的依据。 　　（四）控制部分：完成被控参数的调节。 　　　　 　　　在工业加热炉中，被控变量是炉温，而操纵变量是送入的煤气量。通过热电偶检查加热炉的温度并将它转换为电信号，送到比较器与预先设定的温度值进行比较，再把差值放大后驱动执行机构，调节煤气阀门的开度，从而实现控制炉温的目的。 　　控制部分由给定值发生器、比较器、驱动部件和执行机构、检测变换元件四个部分组成。 　　　　1.模拟控制与数字控制 　　控制系统中，连接各环节间的信号分为两种。一种是模拟量，即时间上和数值上都连续变化的物理量，例如温度、压力、流量、电压、电流等；另一类是数字量，即在时间上或数值上不连续变化的物理量，例如数字逻辑电路中的开关信号和计算机中的数。 　　在一个系统中，如果各环节间所有的信号都是模拟量，这个系统就称为模拟控制系统或模拟控制器；如果各环节间有一个或多个信号为数字信号，则该系统称为数字控制系统或数字控制器。所有的计算机控制系统都是数字控制系统。 　　2.闭环控制系统和开环控制系统。 　　闭环控制系统 　　在闭环控制系统中，系统通过测量元件对被控对象的被控参数（如温度、压力、流量、转速、位移等）进行测量，再将其反馈到输入端，与输入的给定值进行比较，然后形成误差信号。控制器根据误差信号进行控制调节，使系统趋向减小误差，从而达到使被控参数趋于乃至等于给定值之目的。 　　反馈就是将输出量回送到输入端，并与输入量进行比较的过程。比较的结果成为偏差。自动控制过程就是测量偏差和纠正偏差的过程。这一原理称为反馈控制原理。 　　在闭环控制系统中，操纵变量作用于被控对象的被控变量；而被控变量的变化又通过自动控制去影响操纵变量。从信息的传递关系来看，构成了一个闭合回路，所以，这种系统称之为闭环控制系统。由于被控变量的信息要送回到自动控制装置，所以也称之为反馈控制系统。 　　开环控制系统 　　在开环控制系统中，输出量不影响系统的控制作用，即系统的输出端与输入端之间，没有反馈通道。与闭环控制系统不同，它不需要被控对象的反馈信号，控制器直接根据给定值控制被控对象工作。这种控制系统不能自动消除被控参数与给定值之间的误差。与闭环控制系统相比，其控制功能显然要差一些。　　二、按照结构分析机器的组成 　　（一）零件：机器的制造单元。 　　（二）构件：机器的运动单元。 　　一个构件可以是一个零件，也可以是若干零件的刚性组合。 　　　　（三）机构由若干构件组合而成，各构件之间具有确定的相对运动。 　　（四）机器由若干构件组和而成，各构件之间具有确定的相对运动，能够实现其它能量和机械能的转换。 　　　　（五）机械是机器和机构的总称。　　第二节　机器设备的分类　　一、按照设备用途分类 　　动力机械 　　金属切削机床 　　金属成型机床 　　交通运输机械 　　起重运输机械（运输机等） 　　工程机械（钢筋切割机、工程起重机等） 　　农业机械（拖拉机） 　　通用机械（风机、压气机、制冷设备、泵、阀等） 　　轻工机械（印刷、制药、造纸、纺织、食品等机械） 　　专用机械（冶金、化工、石油、采煤等）　　二、按照使用性质分类（自学） 　　以现行会计制度按照使用性质的区别，将机器设备分为以下六大类 　　1.生产用机器设备 　　2.非生产用机器设备 　　3.租出机器设备 　　4.未使用机器设备 　　5.不需用机器设备 　　6.融资租入机器设备 　　三、按照固定资产的基本属性分类 　　按照 1994 年颁布的国家标准（ GB / T14885 - 94 ）将固定资产，分为 10 个门类。 　　　　　　 　　第三节　机器制造基本过程　　一、机器生产过程和工艺过程： 　　（一）机器的生产过程：使原材料转变为产品的全过程，包括 　　　　生产服务过程 　　技术准备过程 　　毛坯制造过程 　　零件加工过程 　　产品装配过程 　　（二）机器生产的工艺过程：按照一定顺序，改变生产对象的形状、尺寸、相对位置或性质等，使其成为成品或半成品的过程。　　说明两点：1.工艺过程是生产过程的重要部分，包括毛坯制造、零件加工、产品装配　　2.在这过程中要改变生产对象的形状、尺寸、相对位置或性质。　　几个重要的概念： 　　1.工序：工艺过程最基本的组成单位。 　　工序是指一个或一组工人，在一个工作地点，对同一个或同时对几个工件所连续完成的那一部分工艺过程。　　强调三个不变：工人、工件、地点和设备；一个连续：连续完成的那部分工艺过程。 　　2.工艺规程：将合理的生产方案，用表格和文字形式予以确定。作为组织和指导生产，编制生产计划依据的文件，称为加工工艺规程，简称工艺规程。 　　3.工艺过程卡片：以工序为单位，说明一个工件全部加工过程（包括顺序、内容、加工设备以及加工车间等）的卡片，简称工艺卡片。 　　　　强调：工序是工艺过程最基本的 组成单位 ；同时，在生产管理上，工序又是制定定额、计算劳动量、配备工人、核算生产能力、安排生产作业计划、进行质量检验和班组经济核算的 基本单位。　　工序是一个单位，而工艺规程不是一个单位。 　　二、毛坯生产 　　毛坯：供进一步加工用的生产对象。 　　铸造、压力加工和焊接是获得毛坯的主要手段。 　　（一）铸造：将熔化的液体金属浇铸到与零件形状相似的铸型型腔中，冷却凝固后，获得毛坯。 　　1.制备和零件形状相适应的铸型 　　2.制备温度、成分合格的液态金属 　　3.将液态金属浇入铸型 　　4.凝固后清理铸件的表面和内腔 　　常用的铸造合金是铸铁、铸钢和铸造有色金属。 　　（二）压力加工：利用外力使金属材料产生永久变形，制成所需尺寸和形状毛坯或零件的加工方法。 　　两种方法：　　1.锻造：自由锻（坯料放在平砧之间）和模锻（坯料放在锻模模膛内）。 模锻精度高、可以锻造形状比较复杂的零件，加工余量小，生产率高，但需要锻模，只适用于生产大批量中小型零件。 　　钢的始锻温度一般在 1200 ℃、终锻温度为800 ℃。 　　　　2.冲压：对板料（包括带材、管材、型材）加压，使之产生分离或变形。 　　冲压主要应用于加工塑性良好的板材或其它薄壁的型材。 　　冲压可以冲制出形状复杂、尺寸精度较高的零件，一般不经机械加工即可使用。 　　（三）焊接 　　1.熔焊：焊接接头处加热至熔化状态，凝固后连接成一个整体。 　　如气焊、电弧焊、电渣焊、等离子焊。 　　2.压焊：接头处加压，使之紧密接触，连接成一个整体。 　　如电阻焊、摩擦焊。 　　3.钎焊：被焊金属不熔化，利用熔点较低金属作为钎料熔化后将焊件连接起来。 　　　　强调一下电阻焊容易误认为是熔焊。　　三、切削加工：利用刀具或特种加工，切去多余金属层，从而获得几何形状、尺寸精度和表面粗糙度都符合要求的零件的加工方法。 　　（一）钳工：使用手持工具加工。 　　（二）机工：使用机床加工。 　　（三）特种加工：直接利用电能、声能、光能、化学能或与机械能组 　　合等形式将坯料或工件上多余的材料去除的加工方法。 　　四、热处理 　　在机械制造中，所有重要的工具和零件都要进行热处理，而且有的零件在整个工艺过程中要处理二次以上。　　 强调：改变工件性能的主要途径有两种：1合金化，2.热处理，热处理是固体状态不融化，通过不同加热、保温、冷却的过程，改变组织和性能。　　热处理和其他加工工序不同，它不改变零件的形状和尺寸，只改变其内部组织和性能。它是保证零件内在质量的重要工序。 　　根据热处理的目的要求和工艺方法的不同，钢的热处理分类如下： 　　　　看图时要联想到渗碳和渗氮是属于那种热处理这样的选题。　　五、装配：包括安装、调整、检验、试验、油漆及包装等。 　　1.组件装配：两个或更多零件连接组合成为组。 　　2.部件装配：将组件、零件连接组合成为独立部件。 　　3.总装配：将部件、组件、零件连接组合成为整台机器。　　第四节　零件加工质量　　零件加工质量应该包括几何方面以及物理机械性能方面，现讨论几何方面。　　零件加工质量包括加工精度和表面粗糙度两个方面。　　一、加工精度：实际参数与理想参数的符合程度。 　　误差：实际与理想的偏离。 　　公差：允许的误差范围。 　　（一）尺寸精度 　　基本尺寸：根据使用要求，通过强度、刚度计算和结构设计，确定的尺寸。 　　极限尺寸：允许尺寸变化的极限值，较大者称为最大极限尺寸、较小者称为最小极限尺寸。 　　尺寸偏差：最大极限尺寸减去基本尺寸称为上偏差，最小极限尺寸减去基本尺寸称为下偏差。 　　公差带：代表上下偏差的两条直线所限定的区域称为公差带，也是最大极限尺寸和最小极限尺寸所限定的区域。 　　　　尺寸公差带由“公差带大小”和“公差带位置”两个要素确定。 　　上偏差 = 最大极限尺寸 - 基本尺寸 　　下偏差 = 最小极限尺寸 - 基本尺寸 　　尺寸公差 = 上偏差 - 下偏差 　　尺寸公差 = 最大极限尺寸 - 最小极限尺寸 　　偏差可以是正值，可以是负值，也可以是 0 　　公差一定是正值 　　例如： 　　　　试计算轴的最大和最小极限尺寸；轴的公差。 　　轴的最大极限尺寸： 200.045mm 　　轴的最小极限尺寸： 200.015mm 　　轴的公差： 0.030mm 　　国家标准规定：尺寸公差由 IT01 —IT18 共有 20 个等级 　　IT01 精度最高、 IT18 精度最低 　　机械加工一般在 IT6 — IT12 的范围内，一般的落在IT8- IT 10之间， IT 41- IT18不用加工就可以达到，IT 6以上非常难加工，精度越高，加工越困难，成本越高。 　　（三）形状和位置公差 　　　　形位公差 研究的对象是机械零件的几何要素，即构成机械零件几何特 　　征的点、线、面的统称。 　　理想要素：几何意义上的点、线、面，不存在任何误差。 　　实际要素：零件实际存在的要素。 　　标准规定：测量时用测得要素代替实际要素。 　　形位公差是指实际被测要素的允许变动量。 　　形位公差带是限制实际要素变动的区域。 　　形位公差特征项目一共14种。其中， 　　形状公差4种，即直线度、平面度、圆度、圆柱度。 　　位置公差8种，即平行度、垂直度、倾斜度、对称度、同轴度、位置度、圆跳动和全跳动。 　　形状或位置公差 2 种：线轮廓度和面轮廓度。 　　　　强调圆跳动是属于位置公差，没有步圆度、步垂直度、步倾斜度这些说法。　　二、表面粗糙度　　表面粗糙度简单来讲指加工表面上的起伏、凸凹不平 ，在放大的情况下看有的地方是高峰，有的地方是低谷，如果峰不是太高，谷不是太低就说表面光滑，反之就说粗糙，这就是零件加工后的表面粗糙度。　　常用轮廓的算术平均偏差来衡量， 假定在表面上取一条中线，中线的标准是中线上面所有高峰的面积之和，正好与中线下面所有低谷的面积之和相等，这样的线就定义为中线。然后在中线上取一定测量距离L，把中线以上峰谷面积绝对值相加，再把中线以下谷低部分的面积的绝对值相加，然后把这两部分值相加被测量距离L来除，得到的比值就是表面粗糙度，用Ra来表示。 Ra 值越大，被测表面越粗糙，Ra 值越小，被测表面越光滑，单位用mm表示。　　　　　　一般机械加工手段Ra的范围是 0.8 - 1.6 - 3.2 mm。　　表面粗糙度对机器零件的配合性质、耐磨性、工作精度、耐腐蚀性等有较大影响。　　一般来讲，加工精度越高，表面粗糙度值也越小，但也有例外，如车床手把，表面要光滑，而尺寸精度低一些。　　三、配合　　（一）配合的基本概念：一般来讲，相互直接接触的两个零件之间对它们的尺寸，根据使用要求的不同提出不同的要求，以轴和孔的配合为例，基本尺寸相同，互相配合的轴与孔公差带之间的关系称为配合。根据使用要求的不同，配合有三种类型。　　1.间隙配合。　　孔的公差带在轴的公差带之上，任取加工合格的孔和轴配合一定产生间隙，包括最小间隙为零的配合。 　　　　2.过盈配合。　　孔的公差带在轴的公差带之下，任取加工合格的孔和轴配合一定产生过盈，包括最小过盈为零的配合。　　　　3.过渡配合：孔的公差带与轴的公差带交叠，任取加工合格的孔和轴配合，可能产生间隙也可能产生过盈的配合。 　　　　　　试计算轴的最大和最小极限尺寸、孔的最大和最小极限尺寸；轴的公差和孔的公差；配合种类；最大间隙和最小过盈。　　轴的最大极限尺寸：200.045mm　　轴的最小极限尺寸：200.015mm　　孔的最大极限尺寸：200.045mm　　孔的最小极限尺寸：200.00mm　　轴的公差：0.030mm　　孔的公差：0.045mm　　配合种类：过渡配合　　最大间隙：200.045 - 200.015 = 0.030mm　　最大过盈：200.000 - 200.045 = -0.045mm　　注意：不论是间隙还是过盈，一律是用孔的尺寸减去轴的尺寸。差值为正时是间隙，反之是过盈。　　（二）配合的选择　　以轴和孔为例，二者之间的配合要求有三种情况。　　1.轴和孔配合后有相对运动（转动或移动）的要求，应选用间隙配合。　　用作滑动轴承的间隙配合，其间隙的大小与旋转速度、旋转精度、载 　　荷大小、载荷特性、润滑方式、工作温度、材料、轴承结构、支撑距离、尺寸精度、形状位置精度以及表面粗糙度等许多因素有关。　　2.轴和孔靠配合面传递载荷时，应选用过盈配合。过盈的大小取决于需要传递的力矩的大小确定，但还要考虑表面承受的应力应不超过该材料的屈服极限。　　3.轴和孔配合后要求轴和孔很好地对中，即二者的中心线完全吻合，而且经常拆卸的，主要选用过渡配合，但也可以根据情况选用小间隙或小过盈配合。 　　第五节　生产纲领和生产类型　　一、生产纲领　　合格产品的年产量。　　二、生产类型　　根据产量的多少分为以下三种:　　1.单件生产　　加工对象经常更换、一般使用通用机床、需要熟练的技术工人、只需编写简单的工艺卡片。　　2.成批生产　　3.大量生产　　加工对象固定不变、广泛使用专用机床和自动机床。对于操作工的技术要求较低、需要编写详细的工艺卡片和工序卡片。比如汽车和自行车。　　　　　　三、不同生产类型的工艺特征　　　　 　　第六节　机器制造工艺过程的技术经济分析　　技术经济分析有两方面：　　1.零件的生产成本包括单件工艺成本以及年度工艺成本；　　2.不同方案如何比较。　　一、零件生产成本：制造一个零件或一台产品所必需的一切费用的总和，包括工艺成本和非工艺成本。 　　二、工艺成本：与工艺方案有关的费用总和，包括可变费用和不可　　变费用。　　（一）可变费用　　与产量成正比，包括材料费、机床工人工资、机床电费、万能机床折　　旧费、万能夹具维护折旧费、万能刀具维护与折旧费等。　　（二）不变费用　　基本或完全与产品数量无关，包括专用机床维护折旧费、专用夹具维护折旧费用、调整工人工资与调整杂费。　　　　　　　　　　　　注意：表中前面几项是可变费用，后三项是不变费用。　　（三）年度工艺成本 ：　　Cn= D·Q + B 　　　　　　年度工艺成本Cn与年产量Q为直线关系。　　Cn- 年度工艺成本　　D - 工艺成本中单位产品的可变费用（ 元/件）　　Q - 采用该工艺方案生产的产品产量（件/年）　　B - 工艺成本中，全年不变费用（元/年）　　（四）单件工艺成本 　　Cd= D + B/Q　　Cd－单件工艺成本　　单件工艺成本Cd与产品年产量Q成双曲线关系。　　　　当产品产量较小时，产量增加，单件工艺成本显著减小；　　而当产品产量较大时，继续增加产品产量，单件工艺成本的减少　　不显著。　　（五）工艺方案的经济分析　　1.基本投资相近或使用现有设备，那么工艺成本就是衡量工艺方案经济性的依据。　　两种不同工艺方案其年度工艺成本相等时的产量，称为对比工艺方案临界产量Q0（最小经济产量），由下式计算　　　　　　Q0D1+B1= Q0D2+B2　　计算出Q0就可以选择不同的工艺方案。　　2.基本投资相差较大，应考虑两种方案的投资差额的回收期。　　回收期：两种不同投资方案之差，需要几年才能从工艺成本的差价中回收。 　　　　ΔK-基本投资差额　　ΔCn-全年工艺成本节约额　　回收期越短，经济效果越好。　　计算回收期，应考虑下面的原则：　　1.回收期应小于设备的使用年限　　2.回收期应小于市场对产品的需求年限　　3.回收期应小于国家规定的标准回收期

第 二 章　机械传动与液压传动

　　本章内容丰富、直观，也比较重要，综合题很多，务求在理解的基础上掌握好本章内容。　　　　第一节　机械传动　　传动部分的作用表现在以下三方面：　　1.传递动力（力和力矩）和运动（位移、速度和加速度）；综合起来就是传递功率和能量；　　2.改变速度大小和方向；　　3.改变运动形式。　　　　一、功率和效率　　功：力和物体沿作用力方向移动距离的乘积。　　　　　　　　　　　　　图2－1　力对物体做功　　W=FSCOSα　　功率：单位时间所作的功。　　P=FvCOSα　　当速度和作用力方向相同时， P=Fv　　功率的单位是瓦（W）　　1W=1Nm/s　　1Kw=1Kw=1kNm/s　　对于转动的物体，　　　　此公式非常重要, 注意P的单位是千瓦（kW），转速n的单位是转数/分。　　例：电动机的输出转矩 T=30Nm ，转速 n= 1440r/min ，所选的电机功率 P应该不小于多少？　　　　表示电机的功率应大于或等于4.52千瓦，因为电机是系列化产品，看样本或设计手册中，转速要求 n= 1440 r/min ，功率应大于或等于4.52千瓦，或者功率小一点，但在误差范围内也可以。　　效率：输出功率与输入功率之比。 　　　　机械效率恒小于 1 ，即100%。 　　常见机构和轴承的机械效率大致数值范围见教材第51页。　　一对齿轮传动 0.94 ～ 0.99　　平型胶带传动 0.92 ～ 0.98 （包括轴承摩擦损失）　　三角带传动 0.90 ～ 0.94 （包括轴承摩擦损失）　　一对滑动轴承 0.94 ～ 0.98　　一对滚动轴承 0.99　　滑动丝杠 0.30 ～ 0.60　　二、常用传动机构及其传动关系　　（一）螺旋传动：依靠牙齿之间的啮合，将回转运动变为轴线方向的直线运动。　　螺纹由螺旋线缠在圆柱体上得到。　　　　螺纹按照牙型剖面形状可以分为三角形、矩形、梯形和锯齿形。　　导程：同一条螺旋线相邻牙齿在中径线上对应两点的距离，用S表示。　　上图表示了导程与螺旋线的关系。　　螺距：相邻牙齿在中径线上对应两点的距离，用P表示。　　S＝kp　　其中，k 为螺旋线的头数。 　　左旋与右旋： 　　最简单的判断办法，把他它竖直放在面前，同一条螺旋线上，那边高就是那边旋。　　轴线运动的线速度 V与回转运动的转速n 之间的关系是：　　v=ns　　轴线位移L与回转运动的转速n 以及时间t之间的关系是：　　L=nst　　　　例：已知，某螺旋机构中，双线螺纹螺距 p=4mm，螺杆转速为 n= 50r/min ，试计算30秒钟内螺母的轴向位移量。　　L=nst　　=nkpt　　=50×2×4×30/60　　=200mm　　螺旋传动的特点：　　1.机构简单；　　2.降速比大，可以实现减速和微调，可以增力；　　3.在一定条件下实现逆行自锁；　　螺旋传动能够将回转运动变为轴线方向的直线运动，而不能相反，即无论轴线方向的力多大，都不能产生回转运动。这个现象就叫做自锁。　　4.工作平稳、无噪声。　　这种靠相对滑动传递运动和动力效率低，为提高效率把滑动变为滚动。　　滚珠螺旋传动机构主要由丝杠、螺母、滚珠和反向器组成。　　　　滚珠螺旋传动的特点是：　　1.机械效率高；　　2.启动转矩接近于运动转矩，动摩擦和静摩擦基本一样，传动灵敏；　　3.磨损小；　　4.通过预紧，消除滚珠、螺母、丝杆之间的间隙，提高传动精度和轴向刚度；　　5.不能逆向自锁；　　6.制造工艺复杂，成本较高。　　（二）带传动机构　　带传动与螺旋传动本质的区别在于前者依靠摩擦，后者依靠啮合。 　　根据带截面的形状，可以分为平型带、三角带、圆形带和齿形带四种。　　注意在螺旋传动中，根据牙截面分成的四种类型与此类的区别。　　平带传动有开口式、交叉式、半交叉式。　　开口式适应于两轴平行，从动轮与主动轮旋转方向相同。　　交叉式适应于两轴平行，从动轮与主动轮旋转方向相反，中间磨损厉害。　　半交叉式适应于两轴平行，从动轮与主动轮旋转方向相反。　　　　传动比：从动轮转速与主动轮转速之比，等于主动轮直径与从动轮直径之比，乘以滑动系数。　　　　ε≈0.98称为滑动系数。　　　　带传动具有吸收震振动和过载保护能力，使用转动比不恒定。　　（三）齿轮传动 　　　　　　传动比等于主动轮齿数与从动轮齿数之比，转速之反比。　　强调以下两点:　　1.在任意瞬时都能保证准确传动比；　　2.它等于齿数的反比而不等于直径的反比。　　　　齿轮传动的特点主要是：　　1.瞬时传动比恒定；　　2.适用载荷和速度范围大；　　3.机械效率高；　　4.结构紧凑；　　5.寿命长，可在空间任意配置的两轴之间传动；　　6.加工复杂，成本高。　　轮系：一系列齿轮所组成的传动系统。　　根据轮系中各齿轮轴线在空间的位置是否固定，将轮系分为定轴轮系和周转轮系两类　　1.定轴轮系：轮系运转时，所有齿轮的轴线的位置都是固定不变的；　　2.周转轮系：轮系运转时，至少有一个齿轮的轴线是绕另一个齿轮的轴线旋转。　　下面看各种轮系的演示：　　　　　　　具有运动轴线的齿轮称为行星轮。支承行星轮能够围绕其他齿轮转动的就叫为转臂或系杆。在轮系运转中，轴线位置不变的齿轮称为中心轮或太阳轮。　　周转轮系由行星轮、太阳轮和转臂和机架组成。　　周转轮系分为行星轮系和差动轮系两类。前者只有一个主动件，后者有两个主动件。　　　　混合轮系：定轴轮系和周转轮系组合而成的轮系称为混合轮系。　　　　轮系的功用如下：　　（1）可以得到很大的传动比　　（2）可以变速 　　（3）可以连接相距较远的两轴　　（4）能够实现运动的合成和分解　　（四）链传动　　链传动的传动比等于齿数的反比，它的组成有链轮、链条和机架。　　特点：　　（1）与带传动比较，传递功率大，能保证准确的平均传动比　　（2）与齿轮传动比较，中心距较大　　（3）瞬时传动比不恒定,在高速运动带来很大的振动。　　（4）振动和噪声较大、不适用于高速　　（五）蜗杆传动　　传动比等于蜗杆线数与蜗轮齿数之比　　　　　　　　　　图2－14 蜗杆传动　　　　　　　　图2－15 蜗杆传动示意图　　1.蜗杆 2.涡轮　　其中，K为蜗杆的线数，而Z为蜗轮的齿数。　　特点：　　1.传动比大；　　2.蜗轮蜗杆轴在空间可以垂直；　　3.可逆行自锁（即蜗杆主动可以带动蜗轮，反之，蜗轮主动不能带动蜗杆）；　　4.但效率不高。　　（六）平面连杆机构　　平面连杆机构就是使用铰链和滑道将构件相互连接，而且各构件间的相对运动在同一平面或相互平行的平面内。　　1.铰链四杆机构：四根杆件由四个铰链连接而成。　　　　　　在上述四杆机构中，构件AD固定不动，称为静件或机架；杆件AB可绕A作整周转动，称为曲杆；杆件CD可绕轴D 作往复摆动，称为摇杆；曲柄和摇杆统称为连架杆，连接两连架杆的杆件BC称为连杆。　　　　在曲柄摇杆机构中，当曲柄为主动件时，可将曲柄整周连续转动变为摇杆的往复摆动，如图2-18所示牛头刨床的进给运动，即曲柄AB转动时，连杆BC带动带有棘爪的摇杆CD绕D点往复摆动。与此同时，棘爪推动棘轮，使与棘轮连接在一起的丝杠作有规律的间歇运动。　　机架：相对静止的构件。　　连架杆：与机架直接相连的两根杆件。　　连杆：与机架相对、由两根连杆连接的杆件。　　曲柄：能够相对于机架作整周回转的连架杆。　　摇杆：不能作整周回转的连架杆。　　曲柄滑块机构是铰链四杆机构的演化得来的。　　曲柄滑块机构可以将曲柄的连续旋转变为滑块的往复直线运动，或反之。　　曲柄滑块机构的应用见下图：　　对于图2-20所示的曲柄滑块机构，其滑块行程长度S等于曲柄长度r的两倍，即S=2r　　　　　　（七）凸轮机构　　　　　　　　　　　　凸轮机构分盘形机构、移动机构、圆柱机构。　　凸轮机构由凸轮、从动杆及机架组成。　　凸轮：具有曲线轮廓或凹槽的构件。　　作用：是将主动件凸轮的连续转动转变为从动杆的往复移动或往复摆动。　　按照从动杆的形状可以分为：尖顶、滚子和平底。　　特点：正确选择它的轮廓就可以实现预期的复杂规律而机构却比较简单、紧凑，　　所以凸轮机构广泛地应用于各种自动机械中。但由于凸轮与从动件是点或线接触，容易磨损，因此多用于传递动力不大的控制机构和调节机构中。　　（八）间歇运动机构　　主动件连续运转，从动件能够实现动作－停止－动作的运动,我们把这种机构称为间歇运动机构。　　1.棘轮机构：由棘爪、棘轮和机架组成。其作用是将棘爪的往复摆动转变为棘轮的单向间歇运动。为了防止棘轮自动反转，采用止退棘爪。 　　　　2.槽轮机构：由拨盘、槽轮与机架组成。用于将拨盘的连续转动转变为从动件槽轮的间歇转动。　　　　(九)传动链的传动比及效率　　传动链:由多个运动副(如皮带、齿轮、蜗杆、螺杆等)连接而成的传递运动和动力的系统。　　重要内容：传动链的传动比、功率、效率、力和力距的计算。　　图2-29为一传动链示例。运动自轴I输入，转速为n1，经带轮d1、d2传至轴Ⅱ，经圆柱齿轮1、2传到轴Ⅲ，经圆锥齿轮3、4传至轴Ⅳ，经圆柱齿轮5、6传至轴Ⅴ，再经蜗杆K及蜗轮7传至轴Ⅵ，并把运动输出。　　　　　　注意：Z7 Z8应该是K，Z7　　由各种传动副，例如齿轮、带、链、螺旋等连接而成的传递运动和动力的系统，称为传动链。　　由机构串联而得到的传动链的传动比，即传动链末端转速与首端转速之比，等于链中各个运动副传动比的连乘积。 　　　　对于齿轮组成的传动链，其传动比等于主动轮齿数连乘积与从动轮齿数连乘积之比。　　例：图2-30为一简易车床传动系统，数据如图中所示（齿轮的数字表示齿数），ε=0.98，试计算： 　　（1）主轴转速是多少？　　（2）主轴转一转，螺母移动距离是多少？　　　　解：Ⅱ轴上的齿轮为两年双向滑动齿轮，如I轴传到Ⅱ轴可按图示正在啮合的齿轮进行传动；也可将双向滑动齿轮左移，使齿数25的齿轮与齿数为75的齿轮啮合，这时轴Ⅱ得到的是另一种转速。同样由轴Ⅱ传至主轴，可通过另一双向滑动齿轮滑动，使主轴得到不同的转速，因此，主轴共有四种转速。　　　　传动链的总效率等于组成传动链各个传动副效率的乘积。　　　　以上图为例，设P出为该转动系统的输入功率，为输出功率，为总效率，为一对齿轮的效率，为一对轴承的效率，则　　传动系统中常用符号,见表2-1　　　　　　重点：　　（1）各种传动机构的组成、特点、运动参数之间的计算；　　（2）传动链传动比、功率、效率、力和力距的计算。　　第二节　液压传动 　　一、液压传动工作原理　　　　例: 当手动杠杆1向上提时,小活塞2就会向上运动,于是小缸3形成负压，油池10中的油就在大气压力下顶开钢球4沿吸油管道进入小缸3，完成一次吸油动作，接着，压下杠杆1，小活塞下移，小缸3的工作容积减小，便把其中的油液挤出，推开钢球5，油液便经两缸之间的连通管道进入大缸6。根据密闭容器中液体的压强相等，在大油缸处由于面积大而产生较大的力，就把上面的重物提起，通过转动放油阀9就把油放回油池。 　　通过分析油压千斤顶的工作过程，可知液压传动：　　1.是以液体作为工作介质；　　2.根据密封容积的变化完成吸油和排油；　　3.机械能和液体压力能的互相转换；　　4.系统内部的的压力取决于负载的大小。　　注意：以液体作为工作介质，依靠密封容积的变化传递运动，依靠由外界负载引起的液体内部压力来传递动力，系统压力取决于负载，实现机械能和液体压力能的互相转换。　　　　图2-34为一台机床工作台往复运动原理图，上面是磨床的工作台，工件放在台上，随着工作台的移动，上面有砂轮，就把工件磨平了。　　油泵3把油从油池中吸上来然后压出去，滤油器2过滤掉油中的杂质，节流阀8调整送出去的油量，换向阀7外面一个阀体，中间是空堂，阀体里有阀芯，阀芯是直径不同的几段圆柱体组成粗的地方起密封的作用，细的地方就和阀体内表面构成油的通道。 　　二、液压传动系统的组成　　 　　图2-35就是按国家标准绘制的工作台往复运动液压系统原理图。　　　　液压传动系统主要由四个部分组成：　　1.动力部分。　　油泵，作用是把机械能转换成油液压力能。　　2.执行部分。　　把液体的压力能转换成机械能输出的装置，如在压力油推动下作直线运动的液压缸或作回转运动的液压马达。　　3.控制部分。　　对系统中流体压力、流量和流动方向进行控制或调节的装置。如上例中的溢流阀、节流阀、换向阀等。　　4.辅助部分。　　如油箱、过滤器、压力表等。 　　三、液压传动特点　　1.在输出功率相同的条件下，体积小、重量轻；　　2.运动平稳，吸振能力强；　　3.易于实现快速启动、制动、频繁换向以及无级调速；　　4.布局安装比较灵活；液压元件易于实现系列化、标准化、通用化；　　5.对温度敏感；泄漏不可避免，因此不能实现严格的传动比，发生故障不易诊断。　　四、液压传动基本参数　　（一）压力：单位面积上的液体力。　　　　压力的单位是帕和兆帕。　　1pa=1N/m2　　1Mpa=106pa　　　　（二）流量　　单位时间内流过某一截面的液体体积。　　　　单位是m3/s,1m3/s=60000L/min　　　　推力等于面积乘以压力。　　　　由于液体不可压缩，所以，同一时间里左面油缸压出的油必然等于右面油缸流进的油，即推力和面积成正比，运动速度和横截面积成反比。　　Advd＝ADvD　　　　（三）功和功率 在液压传动中，功率等于压力P与流量Q的乘积。 　　W=FS　　　　在液压传动中，功率等于压力P与流量Q的乘积。　　五、泵：将电动机输入的机械能转变为液体的压力能。　　泵必须具有由运动部件和固定部件所构成的密闭容积。　　　　柱塞和泵体组成密闭容积，当柱塞向下时，密闭容积增大，于是吸油把阀2顶开。当柱塞向上时，密闭容积减小，要排油，此时阀2中小钢球落下封住吸油管，油腔a中的压力油只能顶开阀3中的钢球，沿油管4流到工作系统中，此过程为排油。　　密闭容积增大形成负压完成吸油，密闭容积减小则排油，所以称之为容积式泵。　　液压泵的图形符号如图2-39所示。　　　　　　　　　　　　　　图2－39 液压泵的图形符号　　所谓定量泵是指油泵转速不变时，流量不能调节；而变量泵则在转速不变时，通过调节可使泵输出不同的流量。 液压泵的主要性能参数有：　　额定压力：连续运转时允许使用的最大工作压力。不能说成正常运转时允许使用的最大工作压力，强调是连续。　　排量：泵轴旋转一周排出油液的体积。　　流量：单位时间内理论上可以排出的液体体积。　　流量=排量×转速　　效率：　　（1）液压泵在运转时，还会有各种机械和液体摩擦引起的能量机械损失。 　　（2）泵在使用过程中难免会有泄漏，包括内部泄漏和外部泄漏，这部分叫容积效率　　容积效率等于实际流量与理论流量之比。　　泵的总效率等于容积效率与机械效率的乘积。　　（P93 公式2-20）　　　　（公式2-21）η＝ηvηm　　（P93 例6）某液压泵输出口的压力为10.2Mpa，流量为98.2L/min，总效率η为0.8，求输入液压泵的功率。　　解：已知压力P=10.2Mpa，流量Q=98.2L/min，总效率η=0.8.　　根据公式，并代入数据：　　　　故输入液压泵的功率为20.87kW。　　如果已经知道泄露量 、排量、实际流量、机械效率的情况下，应分三步，先求理论流量=排量×转速，然后求容积效率，最后求总效率。 　　（一）齿轮泵：是由装在壳体内的一对齿轮所组成。密封空间由齿轮、壳体和端盖共同形成。当它们转动时，一部分容积不断增大，完成吸油，别一部分容积逐步减小，完成压油。 　　　　当齿轮按图2-40所示的方向旋转时，右侧吸油腔的牙齿逐渐分离，工作空间的容积逐渐增大，形成部分真空，因此油箱中油液在外界大气压力的作用下，经吸油管进入吸油腔，吸入到齿间的油液在密封的工作空间中随齿轮旋转带到左侧压油腔，因左侧的牙齿逐渐啮合，工作空间的容积逐渐减小，所以齿间的油液被除挤出，从压油腔输送到压力管路中去。　　特点：结构简单、重量轻、成本低、工作可靠，但压力不高，属于低压泵。　　（二）叶片泵：密封空间由转子、叶片、壳体和端盖共同形成。　　1.单作用叶片泵　　　　转子每转一周，完成一次吸油和排油，故称之为单作用叶片泵。　　改变转子和定子的偏心距，可以改变泵的流量，是变量泵。　　2.双作用叶片泵　　　　 转子每转一周，完成两次吸油和排油，故称之为双作用叶片泵。　　泵的流量固定，是定量泵。　　叶片泵的特点：结构紧凑、体积小、重量轻、流量均匀、运转平稳、噪声低；　　结构比较复杂、对油液污染比较敏感。　　（三）柱塞泵：有径向柱塞泵和轴向柱塞泵。　　径向柱塞泵由定子、转子（缸体）配油轴、衬套和柱塞组成。　　　　转子每转一周，每个柱塞底部容积完成一次吸油、压油。转子连续运转，即完成泵的吸油、压油工作。　　柱塞泵具有压力高、结构紧凑、效率高、流量能调节等优点。 　　六、液压马达与液压缸　　功能是将液体压力能转变为机械能。　　（一）液压马达：将液体的压力能转变为旋转机械能。　　液压马达和液压泵都是依靠工作腔密封容积的变化来工作的，他们的原理是相同的；但是结构上存在差别，所以不能通用。　　高速液压马达有：齿轮液压马达、叶片液压马达、轴向柱塞马达。　　低速液压马达有：单作用连杆型径向柱塞马达、多作用内曲线径向柱塞马达。 　　（二）液压缸：将液体的压力能转变为直线运动或往复摆动的机械能。　　活塞或柱塞的速度取决于流量和油缸容积，而推力则取决于液体压力　　和受压面积。　　1.双杆活塞缸　　　　（a）为活塞杆固定式：油缸来回运动，活塞杆不动。　　（b）为油缸固定式：活塞杆固定，油缸运动。　　重要特点：当进油压力相同时，活塞所受的推力相等（左右形成推力相等）。如果左右进油流量相等，那么活塞正反形成的速度相等。　　2.单杆活塞缸　　　　液体进入无杆腔时，速度低但推力大；液体进入有杆腔时，速度高但推力小。 　　3.柱塞缸　　只能单向运动，回程需要借助于外力，如重力、弹簧力，　　或成对使用。柱塞缸主要是避免了活塞缸缸孔难于加工的问题，这是它的一大优点。　　　　对于液压缸特别强调：国家规定的标准符号（图2-47）　　 　　　　七、液压控制阀　　（一）方向控制阀　　方向控制阀，用来控制改变液压系统中液流方向的阀类，如单项阀、液控单向阀、换向阀等。　　1.单向阀：单向可靠、油液不能反向流动；正向流动压力损失小； 反向截止密封性好。　　　　图例说明：当压力油从进油口P1流入时，克服弹簧的作用力顶开阀芯，经阀芯上的四个径向孔及内孔从出油口P2流出。当油流反向时，在弹簧和压力油的作用下，阀芯锥面紧压在阀体1的阀座上，使油不能通过。　　2.液控单向阀：闭锁方向可以用压力油予以控制。　　　　图例说明：当控油口K不通压力油时，油液只可以从P1进入顶开单向阀，从P2流出。若油从P2进入时，单向阀3闭，油不能通到P1。当控制口K接通压力油时，则活塞1左部受油压作用，所以活塞向右运动，通过顶杆2将单向阀向右顶开，这时P1和P2两腔相通，油可以在两个方向自由流通。　　3.换向阀：通过手动、机动、电动、液动等方式，使阀芯在阀体孔中运动，使油路接通或切断，从而改变液流的方向。　　　　图例说明：图中P为来自油泵的高压油，A与油缸左腔相通，B与油缸右腔相通，O与油箱相通，于是高压油从P与A或B口相通，而使油缸中活塞带动活塞杆左右移动。图示位置是P与A相通，B与O相通。　　　　　　位：阀芯在阀体孔中可能的位置数目；滑阀符号中方格的个数。 　　通：与阀体连通的主油路数；每一方格上，和外界油路连通的“孔”数，即通路数。　　（二）压力控制阀：根据液体压力与弹簧力平衡的原理来控制和调节　　液体的压力。　　常见的压力控制阀有：溢流阀、减压阀、顺序阀和压力继电器等。 　　1.溢流阀：溢出系统中多余的液压油，使系统油液保持一定压力，防止过载，起安全保护作用。　　　　2.减压阀：减低系统中某一部分的压力，使之低于油泵供油压力。　　　　注意：　　溢流阀和减压阀的不同之处：　　（1）溢流阀保证系统中的压　　力不超压；减压阀保证系统中某一部分的压力低于系统　　压力也不超压。 　　（2）溢流阀在正常的时候进口和出口不连通；　　减压阀在正常的时候出口和进口连通，但超压断开。　　3.压力继电器　　　　图2－53 压力继电器职能符号　　以上都是液体压力与弹簧力平衡的原理进行控制。　　（三）流量控制阀：依靠改变工作开口的大小来调节通过阀口的流量。　　常见的流量控制阀有：节流阀、调速阀等。　　节流口：起节流作用的阀口。　　　　图例说明：L型节流阀的节流口是轴向三角形。油从进油口P1　　流入，经孔道b和阀芯1左端的节流槽进入孔a，再从出油口　　P2流出。调节流量时可以转动捏手3，利用推动2使阀芯1作　　轴向移动。弹簧4的作用是使阀芯1始终向右压紧在推杆2上。　　　　注意：　　1.熟悉主要的各种阀的符号，特别是单向阀、滑阀、溢流阀、　　减压阀和节流阀。　　2.调速阀是流量控制阀，而不是流速控制阀。　　　　八、液压辅件（要注意符号）　　（一）油箱：储存油液、散热、分离气体和沉淀。　　（二）过滤器：表面型、深度型、磁性。　　（三）蓄能器：做辅助动力源、保压补充泄漏、吸收冲击和油泵的压力脉动　　此外，还有热交换器、密封装置、压力装置等 　　　　九、基本回路　　（一）速度控制回路　　要求：　　1.能在规定的调速范围内调节执行元件的速度　　2.在负荷变化时，速度变化尽可能小，系统具有足够的刚性 　　3.具有驱动执行元件所需要的力或力矩　　4.功率损失小、效率高，发热小　　方法：　　1.节流调速：　　采用定量泵供油、依靠流量控制阀调节流量从而改变速度。　　包括进油节流调速、回油节流调速和旁路节流调速回路三种。　　回油节流调速节流阀放在回油路上，可以产生较大的背压，比放在进油路上运动更加平稳。　　旁路节流调速油泵的工作压力随负载的减小而减小，所以，在能量利用上较为合理。　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　图2－58　定量泵节流调速回路　　下面的图可以更好地体会节流阀安置在回油路上的作用。　　　　2.容积调速　　使用变量泵或变量液压马达来实现调速。　　容积调速效率高、发热少，但结构复杂、成本高。　　　　图2－60 限压式变量叶片汞－调速阀调速回路　　1.叶片泵 2.调速阀 3.压力继电器 4.液压泵 5.背压阀　　3.容积节流调速　　依靠变量泵和节流阀联合调速，适用于系统要求效率高，同时具有良好低速稳定性的场合。　　（二）压力控制回路：利用溢流阀和减压阀等压力控制阀来控制整个系统或某一部分压力，达到调压、卸载、减压、增压、平衡、保压的目的。　　要控制液压系统的压力，应使用溢流阀；要减低系统中某一部分的压力，应使用减压阀。　　增压回路：使用串联在一起的两个工作面积不等的油缸，增压的倍数等于大小油缸面积之比。　　　　图2－61 采用增压缸的增压回路　　1.油泵 2.溢流阀 3.换向阀 4.增压油缸 5.油箱 6.单向阀 7.工作油缸　　卸荷回路：即系统中工作部分停止工作时，不停泵，但泵出的油液经过电磁换向阀直接回油缸，形成低压循环，从而节省动力消耗，减少发热。　　　　　　　　图2－62 卸荷回路　　1.油泵 2.电磁阀 3.溢流阀　　（三）方向控制回路：通过控制执行元件液流的通断或变向，实现液压系统执行元件的启动、停止或改变运动方向的回路。　　常用的有：换向回路、锁紧回路、制动回路。　　理解基本回路的工作原理，要掌握常见液压元件的符号和作用。　　　　图中：1－油箱；2－滤油器；3－单相定量液压泵；4－压力表；5－工作台；6－双出杆刚固定液压缸；7－三位四通换向滑阀；8－节流阀；9－溢流阀。　　6的作用是把液体压力能转变为机械能，带动工作台做往复直线运动。　　9的保持系统中压力不超过规定的数值。 　　下面的锁紧回路具有两个功能：三位四通换向滑阀交替在左右两个位置时，使单杆活塞液压缸往复运动；而三位四通换向滑阀在中间位置时，使液压缸锁紧不动。　　　　图2－63 锁紧回路　　图例说明：当换向阀处于左位时，压力油经液控单向阀向Ⅰ进入液压缸左腔，同时压力油也进入液控单向阀Ⅱ的控油口K2，打开阀Ⅱ，使液压缸右腔的回油经阀Ⅱ及换向阀回油箱，活塞向右运动。同样当换向阀处于右位时压力油经液控单向阀Ⅱ进入液压缸右腔，同时压力油也进入液控单向阀Ⅰ的控制油口K1，打开阀Ⅰ，使液压缸左腔的回油经阀Ⅰ及换向阀回油箱，活塞向左运动。当换向阀处 于中位时，液压泵排出的压力油直接流回油箱。由于控制压力油压力卸除，阀Ⅰ及阀Ⅱ即关闭，液压缸因两腔油液被封死，便被锁紧。

第 三 章　电机与电力拖动

　　电机是根据电磁原理实现电能和机械能相互转换或电能特性变换的机械。　　　　电动机的作用是将电能转换为机械能。　　在生产上主要用的是交流电动机，特别是三相异步电动机。仅在需要均匀调速以及在某些电力牵引和起重设备中才采用直流电动机。同步电动机主要应用于功率较大、不需要调速、长期工作的各种生产机械，如压缩机、水泵、通风机等。　　此外，在高精度、高速度的机电一体化产品中还用到各种控制电机，用作执行元件或信号传递、变换元件。　　第一节　变压器　　一、变压器的用途和分类　　变压器是一种能够改变电压的设备。　　变压器的种类很多，分类方法也很多。 　　（一）按容量可以把变压器分为　　1.中小型变压器。机械行业标准JB/T56011-1999《油浸式电力变压器产品质量分等》规定：电压在35kv及以下，容量在5～6300kVA称为中小型变压器。其中5～500kVA称为小型变压器，630～6300kVA称为中型变压器。　　2.大型变压器。电压在110kV及以下，容量为8000～63000kVA的变压器。　　3.特大型变压器。电压在220kVA及以上，容量为3150kVA及以上的变压器。　　（二）按用途可以把变压器分为　　1.电力变压器。包括：　　（1）升压变压器。　　用于将低电压变为高电压，做远距离输送。　　（2）降压变压器。　　用于将高电压变为低电压，以适应电力网的要求。　　（3）配电变压器。　　凡是低压侧电压为440V（单相为230V）的变压器称为配电变压器。如果高压侧电压为35 kV（或66～110 kV）的，则称为直配配电变压器，简称直配变。　　（4）联络变压器。用于联络两变电所系统。　　（5）厂用或所用变压器。　　为发电压或变电所自用变压器，或为厂矿企业专用变压器。　　2.仪用变压器。　　诸如电流互感器、电压互感器，作为测量和保护装置。　　3.电炉变压器。　　特点是二次电压低，以限制短路状态下的工作电流。　　4.试验变压器。　　特点是二次电压很高，而电流很小，用于电气设备和绝缘材料的工频耐压试验。　　5.整流变压器。　　用于需要直流电源的场合，如电解、蓄电池、机车、直流输电等。　　6.调压变压器。　　在一定场合下，电压可以在一定范围内调节。　　7.矿用变压器。　　用于矿井的变压器，套管不暴露在外，用电缆与外界连接，能防尘、防机械损坏。　　8.其他变压器。　　包括船用变压器、中频变压器、电焊变压器电抗器、X光变压器等。　　（三）按相数可以把变压器分为　　1.单相变压器。　　用于单相负载或三相变压器组。　　2.三相变压器。　　用于三相负载。　　二、变压器的工作原理　　与电源相联的绕组称为一次绕组（或称原绕组或初级绕组），匝数为N1；与负载相联的绕组称为二次绕组（或称副绕组或次级绕组），匝数为N2。　　　　当一次绕组与交流电源接通而二次绕组未接负载时，变压器处于空载状态。这时一次绕组在电源电压作用下，有交变电流通过，此电流为空载电流。由空载电流产生的交变磁通绝大部分通过铁芯闭合，此即主磁通Ф。由主磁通在一次绕组中产生感应电动势。在忽略绕组电阻和漏磁感抗的条件下，所产生的感应电动势的有效值与电源电压的有效值近似相等，即E1≈U1　　空载时，一、二次绕组电压有效值之比存在以下关系：　　（3－3）　　式中的K为一、二次绕组的匝数比，亦即电压比。　　当变压器带负载时，一、二次绕组中电流的有效值与匝数存在以下的关系： 　　　（3－4）　　即，带载时变压器一、二次绕组电流之比近似为其匝数比的倒数。　　将变压器输出、输入有功功率（W或kW）之比定义为变压器的效率，即　　　　变压器的输出功率等于输入功率与其损耗功率（铁损和铜损）之差。一般电力变压器的铁损和铜损都很小，变压器和满负荷运行时效率均在95%以上。在电子设备中使用的变压器效率比较低，一般在90%以下。　　显然，变压器空载时的效率为零（因为P =0）　　三、变压器的额定数据　　1.额定容量S。指变压器在铭牌规定的额定电压、额定电流下连续运行时，能够输送的能量。其计算公式为：　　　　式中：　　Se -- 额定容量（视在功率）（kVA）；　　Ue -- 电力变压器二次侧的额定电压（V）；　　Ie -- 电力变压器二次侧的额定电流（A）。　　2.额定电压Ue。指变压器长时间运行所能承受的工作电压（铭牌上的Ue值），以kV表示。　　3.额定电流Ie。指变压器在额定容量下，允许长期通过的电流。其计算公式为：　　　　4.阻抗电压 Ue 。将变压器二次绕组短路，使一次绕组上的电压慢慢升高，二次绕组的短路电流等于额定值时在一次侧所施加的电压 Uk1即为阻抗电压。在变压器铭牌上通常用Uk1对一次额定电压 Ue1比值的百分数表示，即　　　　5.负载损耗Pk（铜损）。将变压器的二次绕组短路，在一次绕组额定分接头位置处通入额定电流，电力变压器所消耗的功率Pk称为负载损耗，它包括两部分：直流电阻损耗和附加损耗。　　铭牌上的数值是测量数据换算至75℃时的数值。　　6.空载电流 I0。变压器在额定电压下且二次侧空载时，一次绕组通过的电流即为空载电流I0。因为空载电流 I0只起励磁作用，所以又称励磁电流。一般以额定电流的百分数表示，即　　　　空载电流与变压器的容量及铁芯硅钢片的性质有关。　　7.空载损耗 P0 。当额定频率的额定电压施加到一个绕组的端子，其他绕组开路时，所吸取的有功功率即为空载损耗P0。它包括变压器铁芯的励磁损耗和涡流损耗，与变压器铁芯硅钢片的性质及制造工艺和施加的电压有关。　　8.温升。变压器绕组或上层油面的温度与变压器周围环境的温度之差称为绕组或上层油面的温升。在每一台变压器的铭牌上都标有温升的限值。国家标准规定，当变压器安装地点的海拔不超过1000m时，绕组温升的限值为65℃；上层油面温升的限值为55℃。　　9.额定工作状态是变压器在额定电压、额定频率、额定负载及规定使用条件下的工作状态，在铭牌上都有标示。变压器在额定工作状态下运行，经济效果好、寿命长；反之，经济效果差、寿命短，甚至会出事故。 　　四、变压器的结构　　中、小型变压器由下列一些部分组成：　　　　　　1.信号式温度计 2.铭牌 3.吸湿器 4.储油柜 5。油面指示器　　6.安全气管 7.气体继电器 8.高压套管 9.低压套管 10.分接开关　　11.油箱 12.铁芯 13.线圈及绝缘 14.放油阀 15.小车 16.接地端子　　铁芯和绕组是变压器的最基本组成部分，此外还有一些辅助部件。　　1.铁芯。铁芯是变压器电磁感应的通路，由硅钢片叠装而成。采用硅钢片叠装可以减少涡流。　　2.绕组。绕组是变压器的电路部分，分高、低压绕组，即一、二次绕组。绕组由绝缘的铜线或铝线绕成的多层线圈构成，并套装在铁芯上。　　3.油箱。它是变压器的外壳，内装铁芯、绕组和变压器油，起一定的散热作用。　　4.储油柜。储油柜的容积一般为油箱的1/10，其上装有油位计。储油柜起着储油和补油的作用，以保证油箱内充满油。储油柜还能减少油与空气的接触面，防止油被过快氧化和受潮。 　　5.吸湿器。储油柜内的油通过吸湿器与空气相通，吸湿器中的干燥剂吸收空气中的水分和杂质，使油保持良好的电气性能。　　6.散热器。它用来降低变压器的温度，可采用风冷、强（迫）油（循环）风冷和强油水冷等措施。　　7.安全气道或压力释放阀（防爆管）。　　8.高、低压绝缘套管（瓷套管）。　　9.分接开关。双绕组变压器的一次绕组、三绕组变压器的一、二次绕组一般都留有3～5个分接头位置，通过分接开头调整电压比。　　10.气体继电器。装在变压器油箱和储油柜的连接管上，是变压器的主要保护装置。变压器内部发生故障时，能使断路器掉闸并发出信号。　　11.附件。包括温度计、净油器、油位计等。　　五、变压器的标准与现状　　我国中小型电力变压器的标准先后进行了三次较大的修改。可分为初期标准、中期标准和近期标准。根据性能水平，初期标准为高损耗标准，中期标准为较高损耗标准，近期标准为低损耗标准，相应的35kV级以下（包括35kV）中小型电力变压器产品可以分为高损耗、较高损耗、较低损耗和低损耗4大类。　　高损耗（“64”标准）SJ系列、　　较高损耗（“73”标准）S系列、　　较低损耗（“86”标准）SL7系列和S7系列　　低损耗S8和SL8系列、老S9系列和新S9系列　　SL7-30～1600/10系列和S7-30～1600/10系列配电变压器已被列入国家淘汰的机电产品，推荐S9-30～1600/10系列配电变压器为更新产品。　　1999年4月，国家电力公司规定：“64”、“73”系列高能耗配电变压器要全部更换，新选用（包括改造更换）的配电变压器，必须是低损耗的。目前主要是采用S9型（包括新S9型）和少量非晶合金配电变压器。新安装的主变压器，必须采用新型节能变压器。 　　　　第二节　交流电动机及其控制　　　　交流电动机有异步电动机和同步电动机两类。异步电动机又分为鼠笼式、绕线式，其中鼠笼式应用最广泛。　　　　一、三相异步电动机的基本结构　　三相异步电动机由定子和转子两个基本部分组成。　　　　（一）定子　　定子是电动机固定部分，其作用是用来产生旋转磁场。它主要由定子铁芯、定子绕组和机座等组成。　　1.定子铁芯。定子铁芯由互相绝缘的硅钢片叠成圆筒形状，内圆周表面有均匀分布的槽，用来安放三相绕组。　　2.定子绕组。定子绕组由许多线圈连接而成。线圈由带有绝缘的铜导线或铝导线绕制而成。三相定子绕组的三个首端和三个末端分别接在电动机出线盒的6个接线柱上。　　3.机座。　　（二）转子　　转子是电动机转动部分，由转子铁芯、转子绕组和转轴等部件组成。其作用是在旋转磁场作用下获得转动力矩。按照构造的不同，转子分为鼠笼式和绕线式两种。　　1.鼠笼式转子。这种转子用铜条安装在转子铁芯槽内，两端用端环焊接，形状像鼠笼。对于中、小功率的电动机（100kW以下）目前大部分采用铸铝方式。　　鼠笼式异步电动机结构简单，工作可靠，使用维护方便，因而得到广泛应用。　　　　2.绕线式转子。绕线式转子的绕组和定子绕组相似，三相绕组连接成星形，三根端线连接到装在转轴上的三个铜滑环上，通过一组电刷与外电路相连接。 　　　　　　　　　　图3－5 绕线式转子　　（a）外形 （b）接线圈　　绕线式电动机的特点是：可以通过滑环和电刷，将附加电阻接入转子电路，从而改善起动性能和调节转速。　　二、三相异步电动机的工作原理　　三相异步电动机的三相定子绕组U -U 、V -V 、W -W 以Y形联接方式与三相电源相接，便有电流流入。　　　　三相绕组通三相电流，这三相电流振幅相同，周期相同，但是相位不同。　　　　　图3－6 绕组联结成Y型和电流波形　　（a）三相对称绕组Y型联结 （b）三相对称电流的波形　　　　　　　　　　　根据右手定则，手心朝北极（N极），大拇指代表相对运动方向，电流方向用四指代表。这是感应电动式和感应电流的方向。左手定则为电动，如果导线里有电流，那么电流的受力方面应该用左手面向N极，四指代表电流方向，大拇指就为力的方向。既然F代表受力的方向，那就是说上面的导线向右的作用力，下面导线向左的作用力，这相两个力的合成就使得鼠笼顺中项转动起来，顺中项的结果就是和处面的磁场方向一致， 　　鼠笼转的会越来越快，但是不能等于旋转磁场的速度，因为如果等于旋转磁场的速度那就没有相对运动，也就不再切割磁力线，也就不能产生感应电动式和感应电流，于是电磁力也就没有。所以只能越转越快，但不能同步于磁场的速度。　　　　图3－7 三相电流产生旋转磁场示意图　　三相定子绕阻，绕阻不动，定子也不动，但是在不动的绕组中通三相交流电后，彼此之间相位相互差120°，结果形成一个空间旋转磁场，这个空间旋转磁场转的还很快。比如说电在一秒中变了50个周期，那么一分钟为3000次，当然这也和磁极对数有关。　　由上述可知，通入定子绕组的三相电流共同产生的合成磁场随着电流的交变而在空间不断地旋转，故称旋转磁场。旋转磁场切割转子铁芯槽中的导体，在闭合的导体中产生电流，转子导体电流与旋转磁场相互作用产生电磁转矩而使转子旋转。　　若要使电动机转子反相转动，只需将接于三相电源的三相绕组中的任意两对调位置，使旋转磁场反向旋转即可。　　旋转磁场的旋转方向与电流的相序一致，旋转磁场的速度正比于电源频率f，而与旋转磁场的磁极对数P成反比。当转速以每分钟计算时，旋转磁场的转速可表示为： 　　（3-6）　　式中：f--电源频率；　　P--磁极对数。　　电动机的转子转速与旋转磁场的转速并不相等。 这是因为转子的转速和旋转磁场的转速相等，则转子导体与旋转磁场间没有相对运动，导体内产生不了电动势和电流，因而也就没有电磁力，所以电动机转速与旋转磁场的差异是保证电动机旋转的必要条件。三相异步电动机转子的转速n小于旋转磁场的转速 ，其相差的程度常用转差率S表示，即　　（3-7）　　通常在额定负载下的转差率约为0.01～0.06。　　例：一台三相异步电动机，已知其磁极对数为2，电源频率为50 Hz,如果其转差率S =4%，该电动机的转速是多少？　　解：电动机旋转磁场的转速为　　　　因为 　　　　所以 n = n1(1 - S) = 1500×（1 - 0.04）= 1440(r/min)　　转差率是分析异步电动机运行情况的一个重要参数。当电动机通电而转子未转动时（如在起动最初瞬间或电动机严重过载而堵转时），n=0，则S=1；当转子空载运行时，其转速非常接近旋转磁场转速，则S≈0。因此，异步电动机的转差率在0～1范围内变化，即0 < S < 1，通常在额定负载下的转差率约为0.01～0.06。　　三、三相异步电动机铭牌上的数据　　　　（一）型号　　三相异步电动机型号主要说明电动机的机型、规格。　　（二）额定值　　在异步电动机铭牌上标注有一系列额定数据。在一般情况下，电动机都按其铭牌上标注的条件和额定数据运行，即所谓的额定运行。　　异步电动机的额定数据主要有：　　1.额定功率Pn。在额定运行情况下，电动机轴上输出的机械功率称为额定功率，单位为kW，即千瓦。　　2.额定电压Un。在额定运行情况下，外加于定子绕组上的线电压称为额定电压，单位为V，即伏或kV，即千伏。　　3.额定电流 IN。电动机在额定电压下，轴端有额定功率输出时，定子绕组线电流，单位为A，即安。　　4.额定频率fN。我国规定标准工业用电的频率为50Hz。　　5.额定转速nN。指电动机在额定运行时电动机的转速，单位为r/min，即转/分。　　（三）连接方法　　电动机出线盒中有六个接线柱，分上下两排用金属连接板可以把三相定子绕组接成星形（Y形）或三角形（?形）。　　星形接法是把三个末端连接在一起，三角形接法是首尾相接。　　　　　　　　图3－9 定子绕组的接线方法　　（a）接线端子 （b）星形接法 （c）三角形接法　　　　图3－22 Y形联接和三角形联接　　星形连接：相电流等于线电流，但相电压不等于线电压。　　三角形连接：相电压等于线电压，但相电流不等于线电流。　　定子绕组接成星形还是三角形，视定子每相绕组的额定电压和电源电压相对关系而定。例如，一般低电压配电线路的线电压为380V，若定子每相绕组的额定电压为220V，则接成星形；若每相绕组的额定电压为380V，则接成三角形。　　（四）绝缘等级和温升　　绝缘等级是指电动机所用绝缘材料的耐热等级，分A、E、B、F等级。常用B级绝缘材料的允许最高温度为120℃左右。　　允许温升是指电动机的温度与周围环境温度相比升高的限度。例如B级绝缘的电动机温升为80℃（环境温度以40℃为标准）。　　（五）工作方式　　表示电动机的运行方式，可分为连续、短时、断续三种。　　四、三相异步电动机的机械特性　　在一定的电源电压和转子电阻下，转速与转矩的关系曲线n=f(T)称为电动机的机械特性曲线。　　　　a.b段为稳定工作段　　a.b段比较平坦，这称为机械特性比较硬，而不是很硬，就是当阻力加大，或者减少，转速变化不是特快，这就是机械特比较硬。 　　（一）额定转矩Tn　　在等速转行时，电动机的转矩T必须与阻转矩Tc相平衡，即　　T=Tc　　阻转矩主要是机械负载转矩Tz。此外，还包括空载损耗转矩（主要是机械损耗转矩）T0。由于T0很小，常可忽略，　　所以　　　　额定转矩是电动机在额定负载时的转矩，它可从电动机铭牌上的额定功率　　通常三相异步电动机都工作在特性曲线的ab段。当负载在空载与额定值之间变化时，电动机的转速变化不大。这种特性即为硬机械特性。三相异步电动机的这种硬特性非常适用于一般金属切削机床。　　（二）最大转矩 　　从机械特性曲线上看，转矩有一个最大值，称为最大转矩或临界转矩Tmax。对应于最大转矩的转差率为Smax。　　当负载转矩超过最大转矩时，电动机将发生所谓“闷车”现象。发生闷车后，电动机的电流立即升高6～7倍，电动机严重过热，以致烧坏。　　电动机的最大过载转矩可以接近最大转矩。只要过载时间较短，电动机不至于立即过热，这是允许的。因此，最大转矩也表示电动机短时允许过载能力。电动机的额定转矩 要比Tmax小，两者之比称为过载系数λ，即　　（3-9）　　一般三相异步电动机的过载系数为1.6～2.5。　　在选用电动机时，必须考虑可能出现的最大负载转矩。然后根据所选电动机的过载系数算出电动机的最大转矩，其值必须大于最大负载转矩。否则就要重选电动机。　　（三）起动转矩TQ　　电动机刚起动（n = 0 ,S = 1）时的转矩称起动转矩。在刚起动时，转子电流比较大，但起动转矩实际上并不大，它与额定转矩之比约为1.0 ～ 2.0。一般机床的主电动机都是空载起动，对起动转矩没有什么要求。但对于诸如起重用的电动机，因为是在带负载的情况下起动，因此应采用起动转矩较大一点的。　　五、三相异步电动机的起动　　（一）直接起动　　电动机开始工作时，转子总是从静止状态开始转动起来，这种从静止到正常运转的加速过程叫做起动。由于起动瞬间电动机转速为0，转差率S=1，也就是说旋转磁场和静止转子间的相对速度很大，因此转子中感应电动势很大，转子电流也就很大，定子电流随着转子电流的增大而增大。起动时的定子电流称为起动电流。电动机在额定电压下起动称为直接起动。直接起动的电流约为额定电流的5～7倍。起动电流大对电动机本身没有太大影响，且随着电动机转速的迅速升高，电流很快减小。　　第一，过大的起动电流将会使供电线路产生较大的电压降，造成电网电压显著下降，从而影响在同一电网上的其他用电设备的正常工作。　　第二，对于正在起动的电动机本身，也会因电压下降过大，起动转矩减少，延长起动时间，甚至不能起动。因此，在供电变压器容量较大，电动机容量较小的前提下，三相异步电动机才可以直接起动。一般地说，额定功率在7.5kW以下的小容量异步电动机可直接起动，否则异步电动机起动时应采用适当的起动方法。　　1.直接起动控制线路所用电器　　（1）组合开关。小容量异步电动机的起动和停止、正反转控制常用组合开关，组合开头也常用作电源引入开关。转动转轴就可以将三个触头（彼此相差一定角度）同时接通或断开。　　　　　三相交流电同时接通或同时断开。没有组合开关，这个要求就很难满足。　　（2）按钮。原来就接通的触头称为常闭触头；原来断开的触头称为常开触头。　　原来就接通的触头称为常闭触头；原来断开的触头称为常开触头。　　　　（3）交流接触器。交流接触器常用来接通或断开电动机或其他设备的主电路。　　接触器主要由电磁铁和触头两部分组成。当线圈通电时，吸引山字形动铁芯（上铁芯）而使常开触头闭合。　　　　（4）中间继电器。　　（5）热继电器。热继电器主要用来保护电动机，使之避免因长时间过载而损坏。热继电器是利用电流的热效应工作的。　　　　（6）熔断器。熔断器是一种简便有效的短路保护电器。熔断器中的熔片或熔丝用电阻率较高的易熔合金制成。线路在正常工作情况下，熔断器不应熔断。一旦发生短路或严重过载，熔断器立即熔断。　　　　　　　　图3－16 熔断器　　（a）臂式熔断器 （b）插式熔断器 （c）螺旋式熔断器　　由于存在热惯性，当发生短路事故时，热继电器不能立即断开，因此它不能用作短路保护。正是由于热继电器的热惯性，才使得它在电动机起动或短时过载时不会动作，从而避免了电动机的不必要的停车。　　在单台电动机的起动电路中，为了防止电动机起动时较大的电流烧断熔丝，熔丝不能按电动机的额定电流来选择，而应按下式计算：　　（3-10）　　如果电动机起动频繁，则为　　（3-11）　　如果几台电动机合用一个熔断器，则熔丝额定电流按下式计算：　　（3-12）　　2.直接起动控制线路　　中、小容量三相异步电动机的直接起动控制线路，其中用了组合开关QC、交流接触器KM、按钮SB、热继电器KR及熔断器FU等几种电器。　　先将组合开关QC闭合，为电动机起动作好准备。当按下起动按钮SB1时，交流接触器KM的线圈通电，动铁芯被吸合，使三个主触头闭合，电动机M起动。当松开SB1时，它本应在弹簧作用下恢复其断开位置，但由于与起动按钮并联的辅助触头和主触头同时闭合，因此接触器线圈的电路仍然接通而使接触器触头保持在闭合位置。这个辅助触头称为自锁触头。如将停止按钮SB2按下，则将线圈的电路切断，动铁芯和触头恢复到断开的位置。　　　　上述控制电路可实现短路保护作用、过载保护作用和零电压保护等多重保护。　　熔断器FU起短路保护作用。一旦发生短路事故，熔丝立即熔断，电动机立即停车。　　热继电器KR起过载保护作用。过载时，它的热元件发热，常闭触头断开，使接触器线圈断电，主触头断开，电动机也就停下来。为了可靠地保护电动机，应至少用两个热元件，分别串接在任意两相中。这样不仅在电动机过载时起保护作用，而且当任意一相的熔丝熔断后作单相运行时，仍有一个或两个热元件中通有电流而使电动机得到保护。　　零电压保护就是当电源暂时停电时，电动机即自动从电源切除。因为这时接触器线圈中的电流消失，动铁芯释放而使主触头断开。当电源电压恢复后，若不重新按起动按钮，则电动机不能自行起动，因为自锁触头已经断开。如果不是采用继电接触器控制，而是直接用刀开关或组合开关进行手动控制，那么停电时未及时拉开开关，当电源电压恢复时，电动机即自行起动而可能造成事故。　　以上的控制电路分为主电路和控制电路两部分。　　主电路是：　　三相电源 - QC - FU - KM（主触头）- KR（热元件）- M　　控制电路是：　　　　必须学会由直接启动的控制线路图绘制相应的原理图。在绘制原理图时需要注意：　　将控制线路和主电路分开。　　各种电器使用统一的符号。　　同一电器的各个部件是分散的，但使用同一文字符号表示。　　所有电器的触头均以起始位置表示。所谓起始位置即在没有通电或没有发生机械动作时的位置，如对于按钮是在未按下时的位置。在起始情况下，如果触头是断开的，则称为常开触头或动合触头（因为一动就合）；如果触头是闭合的，则称为常闭触头或动断触头（因为一动就断）。　　　　　　如果将图3-18中的自锁触头KM去除，那么就可对电动机实现点动。就是按下起动按钮SB1，电动机就转动，一松手就停止。　　（二）鼠笼式异步电动机的降压起动　　当鼠笼式异步电动机容量较大，而电源容量不够大时，为了限制起动电流，避免电网电压显著下降，一般采用降压起动。降压起动是利用起动设备，在起动时降低加在定子绕组上的电压；待起动过程结束，再给定子绕组加上全电压（正常工作的额定电压）。由于电磁转矩正比于定子绕组电压的平方，所以电动机在起动时，起动转矩也大大降低了。因此，降压起动只适合于空载或轻载起动，负载不大的情况。选择起动方法时，要同时校核起动电流和起动转矩是否满足要求。 　　下面讨论降压起动方式中经常采用的两种方式，即星形-三角形（Y-?）起动和自耦变压器降压起动。　　1.星形-三角形（Y-△）起动。如果电动机在工作时其定子绕组是联接成三角形的，那么在起动时可把它联成星形，等到转速接近额定值时再换接成三角形，这就是Y-△起动。　　下图表示定子绕组的两种联接法，Z为起动时每相的等效阻抗。I1Y、I1△分别为星形、三角形接法的相电流。U1为线电压。　　　　当定子绕组接成星形，即降压起动时，相电流与线电流电等，每相绕相电压等于线电压1/，因此，　　当定子绕组联成三角形，即进入正常运转时，线电流等于相电流的 倍，线电压与相电压相等，因此，　　由此可知：　　即Y--△降压起动时，起动时的线电流为正常运转时的线电流的1/3。另外，起动时定子每相绕组上的电压降到正常运转电压的1/。由于转矩与电压的平方成正比，所以起动转矩也减小到正常运转转矩的1/3。可见，这种起动方法只适用于空载或轻载情况下起动。　　在Y-△起动过程中，Y联接需要持续一定时间才能换接成△联接，这就得用时间继电器来控制。　　在交流电路中，常采用的空气式时间继电器，它是利用空气阻尼作用来实现动作延时的。延时时间即为自电磁铁吸引线圈通电时刻起至微动开关动作时为止的这段时间。通过调节螺钉10，调节进气孔的大小就可调节延时时间。　　　　上图所示的时间继电器为通电延时。时间继电器也可以做也断电延时。实际上只要把铁芯倒装就可以把通电延时变成断电延时时间断电器。 　　空气式时间继电器结构简单，但准确度较低。延时范围有0.4～60秒和0.4～180秒两种。　　除空气式时间继电器外，在继电接触器控制电路中也常用晶体管时间继电器。这种继电器的特点是体积小、耗电少、延时范围较宽（可从0.1称到15分）。此外，晶体管时间继电器还可以做成间歇动作，即脉冲型，继电器通电以后触头可按一定的时间规律反复地闭合和断开。　　鼠笼式异步电动机Y-△起动的控制电路中用了通电延时时间继电器KT的两个触头，即延时断开的常闭触头和瞬时闭合的常开触头。KM1、KM2、KM3是三个交流触器。起动时KM3工作（KM2不工作），电动机接成Y形；运行时KM2工作（KM3不工作），电动机接成?形。　　线路的动作次序如下：　　　　　　本线路的特点是在接触器KM1断电的情况下进行Y-△换接，这样就可以避免当KM3的常开触头还未断开时KM2已吸合而造成电源短路；另外，接触器KM3的常开触头在无电情况下断开，这就避免电弧的发生，延长其使用寿命。　　2.自耦变压器降压起动。这种起动方法用于正常运行时定子绕组组接成星形而不能采用星形一三角形起动或容量较大的鼠笼式异步电动机，也适用于需要较大起动转矩的场合。　　　　起动时自耦变压器高压端接电源，低压端接电动机，电动机便在低于额定电压下起动。待电动机转速上升到接近额定转速时，再将自耦变压器脱离电源和电动机，电动机直接与电源相接，进入全压运行。 　　自耦变压器降压器降压起动比星形一三角形起动的价格高得多，但自耦变压器有三个接头，其输出电压分别为80%、60%、40%，可根据需要选用，使用较灵活。　　（三）绕线式三相异步电动机的起动　　1.转子回路串接电阻起动。绕线式三相异步电动机可以在转子回路中串入电阻进行起动，这样就减小了起动电流。一般采用起动变阻器起动，起动时全部电阻串入转子电路中，随着电动机转速逐渐加快，利用控制器逐级切除起动电阻，最后将转子绕组短接。　　　　2.转子回路串接频敏变阻器起动。　　频敏变阻器的电阻随线圈中所通过的电流频率而变。起动时，转差率s=1，转子电流（即频敏电阻线圈通过的是流）频率最高，等于电源频率。因此，频敏变阻器的电阻最大，这就相当于起动时在转子回路中串接一个较大电阻，从而使起动电流减小。随着电动机转速的加快转差率s逐渐减小，转子电流频率逐渐降低，频敏变阻器电阻也逐渐减小，最后把电动机的转子绕组短接，频敏变阻器从转子电路中切除。采用频敏变阻器起动，具有起动平滑、操作简便、运行可靠、成本低廉等优点，因此在绕线式电动机中应用较广。 　　　　六、三相异步电动机的正反转控制　　三相异步电动机的旋转方向与旋转磁场的旋转方向一致，而旋转磁场的旋转方向取决于三相电流的相序。因此，要改变电动机的旋转方向，必须改变三相交流电的相序。实际上，只要将接到电源的任意二根联线对调即可。为此，只要用两个交流接触器就能满足这一要求，当正转接触器KMI工作时，电动机正转；当反转接KM2工作时，由于调换了两根电源线，所以电动机反转。　　如果两个接触器同时工作，那么将有两根电源线通过它们的主触头而使电源短路。所以对正反转控制线路最根本的要求是：必须保证两个接触器不能同时工作。这种在同一时间里两个接触器只允许一个工作的控制作用称为联锁或互锁。　　　　在上图所示的控制电路中，正转接触器KM1的一个常闭辅助触头串接在反转接触器KM2的线圈电路中，而反转接触器的一个常闭辅助触头串接在正转接触器的线圈电路中。这两个常闭触头称为联锁触头。这样一来，当按下正转起动按钮SB1时，正转接触器线圈通电，主触头KM1闭合，电动机正转。与此同时，联锁触头断开了反转接触器KM2的线圈电路。因此，即使误按反转起动按钮SB2，反转接触器也不能动作。　　但是这种控制电路有个缺点，就是在正转过程中要求反转，必须先按停止按钮SB3，让联锁触头KM1闭合后，才能按反转起动按钮使电动机反转。这给操作带来不便。　　为了解决这一问题，在生产中常采用复式按钮和触头联锁的控制电路。当电动机正转时，按下反转起动按钮SB2，它的常闭触头断开，使正转接触器线圈KM1断电，主触头KM1断开。与此同时，串接在反转控制电路中的常闭触头KM1恢复闭合，反转接触器线圈KM2通电并自锁，电动机便反转。同时，串接在正转控制电路中的常闭触头KM2，起着联锁保护作用。　　七、三相异步电动机的调速　　在生产中，有时要求异步电动机在不改变负载的情况下转速能够调节，称为异步电动机的调速。根据转差率公式可得 　　（3-15）　　由上式可知，改变电动机的转速有三种方案，即改变电源频率f、改变绕组的磁极对数P以及改变转差率S。　　1.改变磁极对数调速，实际上是改变定子绕组的连接方法。电动机制造厂专门设计便于改接的定子绕组，制造出多速电动机。　　2.改变转差率S的调速方法，只能在绕线式转子电动机中使用，在其转子电路中串入附加电阻，便可改变转差率。　　3.改变电源频率调速，调速范围宽。　　具本方法有：　　1.变频机组。变频机组作为一种变频电源，由一台直流电动机和一台交流发电机组成，用电动机拖动发电机发电，通过调节直流电动机的转速来改变交流发电机发电的频率，再把此可调频率的电流送给需调速的异步电动机，就可调节该异步电动机的转速。 　　2.交一直一交变频。交直交变频装置也是一种变频电源它先将交流电通过整流电路变为直流电，再把此直流电送入逆变器变为频率可调的交流电，作为异步电动机变频调速的电源。　　　　3.交一交变频。交一交变频，顾名思义，就是直接把50Hz交流电变为频率可调的交流电。　　八、同步电动机　　（一）同步电动机的构造　　同步电动机分定子和转子两个基本部分。定子与三相异步电动机没有什么区别，也是由机座定子铁芯和三相绕组等组成。这部分常称为电枢。同步电动机的转子是磁极，其铁芯上绕有励磁绕组，采用直流励磁。因为转子在空间转动，为了将励磁电流引入励磁绕组，必须还得有电刷和滑环。　　　　由于转子构造的不同，同步电动机分为显极式和隐极式两种类型。　　在一般的同步电动机中，定子作为电枢，其绕组是静止的，不仅绝缘较为可靠，而且无需通过滑环而直接与外电路联接，结构比较简单。　　（二）同步电动机的工作原理　　当同步电动机的电枢绕组与三相交流电源接通时，由于转子和转轴上的生产机械是有惯性的，而旋转磁场转得又快，结果是同步电动机自己不能起动。　　　　必须采用一定的方法来起动同步电动机。通常采用所谓异步起动法。就是在磁极的极掌上装有和鼠笼式绕组相似的起动绕组，让同步电动机象异步电动机那样先起动起来。当电动机的转速接近同步转速时，将开关合在励磁机上，使转子励磁。这时，旋转磁场就能紧紧地牵引着转子一起转动。此后，两者转速保持相等（同步）即　　（3-16）　　这就是同步电动机名称的由来。　　　　　　当电源频率f一定时，同步电动机的转速n是恒定的，不随负载而变化。所以，它的机械特性曲线n = f（T）是一条与横轴平行的直线。　　　　第三节　直流电动机及其控制　　直流电动机是将直流电能转换为机械能的设备。它的优点是具有良好的调速性能和较大的起动转矩，因而广泛地应用于要求调速性能较高和较大起动转矩的生产机械。但直流电动机的制造工艺复杂，生产成本较高，维护较困难，可靠性较差。　　一、直流电动机的工作原理　　直流由定子和转子组成。　　定子的作用是在励磁绕组中通入直流电流励磁而产生磁场；转子的作用是通电后产生电磁转矩。　　直流电源通电导线在磁场中会受到电磁力作用，其方向由左手定则确定。　　　　二、直流电动机的构造　　直流电动机主要由静止的定子和旋转的转子组成。定子的作用是产生磁场，由主磁极、换向极、电刷装置和机座等组成。转子的作用是产生感应电动势和电磁转矩，由转子铁芯、转子绕组、换向器、轴和风扇等组成。 　　　　（一）定子　　直流电动机的定子如图所示。　　　　主磁极。主磁极的作用是产生主磁场。　　机座。机座又称为磁轭，是作为各磁极间磁的通路，同时也作为电机的机械支架。 　　换向极。两个相邻磁极间的小磁极叫做换向极，其作用是用来产生附加磁场，用以减弱换向片与电刷之间的火花，避免烧蚀。　　（二）转子　　1.转子铁芯。转子铁芯有两个作用，一是用来安放转子绕组，二是作为电动机磁路的一部分。　　2. 转子绕组。转子绕组的主要作用是产生感应电动势并通过电流，使电动机实现机、电能量转换。　　3 换向器。在转子轴的一端装有换向器，换向器由许多铜片组成，片与片之间用云母绝缘。　　三、直流电动机的励磁方式　　（一）直流他励电动机　　在这种电动机中，励磁绕组与转子绕组没有电的联系，励磁电流是由另外的直流电源（如蓄电池组）供给的。　　（二）直流并励电动机　　在这种电动机中，励磁绕组与转子绕组并联，并励绕组两端电压就是转子绕组两端电压，其值较高，但励磁绕组用细导线绕成，其匝数绕得很多，因此具有较大的电阻，使通过它的励磁电流较小。 　　（三）直流串励电动机　　在这种电动机中，励磁绕组与转子绕阻串联，为使励磁绕组不引起大的损耗和电压降，励磁绕组的电阻越小越好，所以串励绕组通常用较粗的导线绕成，其匝数也较少。　　（四）直流复励电动机　　在这种电动机中有两个励磁绕组，一个与转子绕组并联，称为并励绕另一个与转子绕组串联，称为串励绕组。电动机中的磁通由这两个绕组内的励磁电流共同产生。　　四、电动机的主要技术数据　　在直流电动机的铭牌上，标明的主要技术数据有下列几项：　　（一） 额定功率PN　　额定功率是提电动机轴上输出的机械功率,它等于电动机额定电压UN与额定电流 IN的乘积,再乘以电动机的额定交率ηN,即PN=UNINηN。单位是或kW。　　（二）额定电压UN额定电压是指在额定运行情况下，加在电动机上的输入电压。单位为V。　　（三）额定电流IN额定电流是指在额定运行情况下，输给电动机的电流，单位是A。　　（四）额定转速nN　　额定转速是指电动机在额定电压、额定电流和额定功率情况下运行时的电载机转速。以r/min为单位。　　（五）额定效率ηN　　额定效率是电动机在额定运行时输出功率与输入功率之比的百分数，即η　　　　（六）额定温升τN　　额定温升指电动机的温度允许高出环境温度的最大允许值（我国规定环境最高温度为40℃）在一般电动机中绕组最易发热，所以铭牌上的温升是指电动绕组的最高温升。　　例：一台直流电动机，其额定功率PN=160Kw,额定电压UN=220伏，额定效率ηN=90%，求该电动机的输入功率及额定电流。　　解：输入功率　　因为，所以额定电流 　　五、并励直流电动机的机械特性　　四种励磁方式的直流电动机中，并励电动机和他励电动机比较常用。这两种电动机只是联接上的不同，两者的特性是一样的。并励直流电动机的机械特性曲线如图3-36所示。电动机的转速将随着负载的增加稍有降低，但降低的幅度不大，可以看成是近于恒速的电动机。亦即并励直流电动机的机械特性比较硬。 　　　　六、励直流电动机的起动、反转及调速　　（一）起动　　起动电动机时，如果将转子绕组直接与电源接通，则会造成起动电流（起动瞬时的电流）比额定电流大10～20倍。这样大的起动电流将会在换向器上产生强列的火花而使换向器烧伤；同时在电动机轴上产生很大的起动转矩，使电动机和它所拖动的生产机械遭受突然的冲击，以致使传动构受损。因此，直接起动直流电动机是绝对不允许的。　　为了限制起动电流，通常在转子绕组电路中串联接入一个起动变阻器RQ，见图3-37。起动时，变阻器的手柄应放在断路触点O上，闭合主电路开关QC后，转动手柄使起动电阻RQ随着电动机转速的加快而逐渐减小，最后将它从电路中切除（短接）。　　　　选择起动电阻RQ，通常以起动电流等于额定电流的1.2～2.5倍为准。　　（二）反转　　要改变电动机的旋转方向，关键在于改变电磁转矩的方向。根据左手定则，改变转子绕组电流的方向或者改变励磁电流的方向（即改变磁场的方向），都可以达到改变电磁转矩方向的目。将转子绕组两端的接头对调或者将励磁绕组两端的接头对调，都能够使电动机的电磁转矩转向，从而使其反转。但必须注意，如果将转子绕组和励磁绕组的接头同时对调，那么电磁转矩的方向将保持不变。这样也就不可能达到改变电动机转动方向的目的。　　　　（三）调速　　并励电动机具有良好的调速性能，因此用于调速性能要求高的生产机械。由于并励电动机能无级调速，且具有较宽的调速范围，因此可以大大简化变速齿轮箱。　　电磁转矩　　其中，励磁磁通Φ和转子回路电流Ia是相互独立的，可以分别进行调节，从而得到良好的静态和动态转矩控制特性。　　并励电动机通常有三种调速方法，即改变磁通 调速、改变外加电压U调速和改变转子绕组回路电阻调速。　　在改变磁通 的调速方法中，通常只是减小磁通将转速往上调。这种调速方法为恒功率调速，适用于转速约成反比而输出功率基本上不变的场合，例如用于切削机床中。　　在改变外加电压的调速方法中，为了保证电动机的绝缘不受损害，通常是通过降低电压交转速往下调。这种高速方法为恒转矩调速，起重设备多采用这种调速方法。　　改变转子绕组顺路电阻的调速方法需在转子绕组电路中串联一个调速用的变阻器。由于有较大的工率，所以这种调速方法的经济性较差，应用范围不广。

第 四 章　金属切削机床

　　第一节　概　论　　一、机床的技术经济指标　　（一）工艺可能性：可以完成的加工工序、零件的材料和尺寸、毛坯、生产规模等；　　　　（二）加工精度和表面粗糙度；　　（三）生产率；　　（四）系列化、通用化、标准化程度：产品品种系列化、部件通用化、零件标准化；　　（五）寿命。　　二、工作运动　　机床加工的共性就是把刀具和工件安装在机床上，由机床使刀具和工件产生确定的相对运动，从而切削出合乎要求的零件。　　（一）主运动：形成机床切削速度和消耗主要动力的工作运动。　　车床：工件旋转　　钻床：钻头旋转　　镗床：刀具旋转　　刨床：牛头刨床：刨刀直线运动　　龙门刨床：工件随工作台的直线运动　　铣床：刀具的旋转　　拉床：刀具的直线运动　　磨床：砂轮和磨具的旋转　　（二）进给运动：使工件多余材料不断被去除的工作运动。　　主运动已如上述，其它工作运动都是进给运动。　　（三）切削过程中，主运动只有一个，而进给运动可以有多于一个。　　主运动和进给运动可以由刀具和工件分别完成，也可以由刀具单独完成。　　除主运动和进给运动外，还有各种辅助运动。　　三、机床的分类　　（一）按加工性质和所用刀具分为11大门类。　　机床分类及代号

　　（二）按机床工作精度分类：普通机床、精密机床、高精度机床　　（三）按机床加工件大小和机床自身重量分类：仪表机床、中小型机　　床、大型机床、重型机床、特重型机床。　　（四）按机床通用性分类：通用机床、专门化机床、专用机床、组合机床。　　四、机床型号的编制　　GB/T15375-94是现行机床型号编制标准 　　　　其中：（1）有“（　）”的代号或数字，当无内容时则不表示，若有内容则不带括号；　　（2）有“○”符号者，为大写的汉语拼音字母；　　（3）有“△”符号者，为阿拉伯数字；　　（4）有“”符号者，为大写的汉语拼音字母，或阿拉伯数字，或两者兼有之。　　在整个型号规定中，最重要的是：类代号、组代号、主参数以及通用特性代号和结构特性代号。　　（一）机床的类代号：见上表　　（二）特性代号：　　1.通用特性代号　　机床通用特性代号

　　2.结构特性代号：对主参数相同，但结构、性能不同的机床，用结构特性代号予以区分，如A、D、E等。　　（三）机床的组系代号：同类机床因用途、性能、结构相近或有派生而分为若干组。　　金属切削机床类、组划分表

　　例如：C6 落地及卧式车床　　　　　C5 立式车床，　　其中，C51 单柱立式车床、C52 双柱立式车床　　（四）机床主参数代号：反映机床加工性能的主要数据。　　表4－4　常见机床主参数及折算系数

　　其中，卧式镗床的主参数是主轴直径；拉床的主参数是额定拉力。　　（五）机床型号举例　　CA6140 C 车床（类代号）　　　　　 A 结构特性代号　　　　　 6 组代号（落地及卧式车床）　　　　　 1 系代号（普通落地及卧式车床）　　主参数（最大加工件回转直径400mm）　　XKA5032A X 铣床（类代号）　　　　　　 K 数控（通用特性代号）　　　　　　 A （结构特性代号） 　　　　　　 50 立式升降台铣床（组系代号）　　　　　　 32 工作台面宽度320mm（主参数）　　　　　　 A 第一次重大改进（重大改进序号）　　MGB1432 M 磨床（类代号）　　　　　　G 高精度（通用特性代号）　　　　　　B 半自动（通用特性代号） 　　　　　　14 万能外圆磨床（组系代号）　　　　　　32 最大磨削外径320mm（主参数）　　C2150×6　　　　　　C 车床（类代号）　　　　　　21 多轴棒料自动车床（组系代号）　　　　　　50 最大棒料直径50mm（主参数）　　　　　　6 轴数为6（第二主参数）　　第二节　车　床　　车床：做进给直线运动的车刀对做旋转主运动的工件进行切削加工的机床。　　　　　　　　车床加工范围较广，主要有；车外圆、车端面、切槽、钻孔、镗孔、车锥面、车螺纹、车成形面、钻中心孔及滚花等。　　一、普通车床　　（一）结构：　　普通车床由三箱（主轴箱、进给箱、溜板箱）、两杠（光杠、丝杠）、两架（刀架、尾架）、一床身组成。　　　　主轴箱：主轴箱是用来带动车床主轴及卡盘转动，并能使主轴得到不同的转速。　　进给箱：将主轴传来的旋转运动传给丝杠或光杠，并使丝杠或光杠得到不同的转速。　　丝杠：用来车螺纹，它能通过溜板箱使车刀做直线运动。　　溜板箱：将丝杠或光杠的转动传给溜板使车刀做纵向或横向运动。　　刀架：用来装夹车刀。　　尾架：装夹细长工件和安装钻头、铰刀等。　　床身：支持和安装车床各部件用。床身导轨供纵溜板和尾架移动用。　　　　表3－5　CA6140型普通车床的主要技术性能

　　 （二）传动路线：　　　　主参数：最大加工工件直径。　　与中心高的关系　　纵向进给：与主轴方向平行；　　横向进给：与主轴方向垂直。　　加工精度：一般车床IT8 - IT10 ；表面粗糙度：Ra 可达1.6μm。　　二、立式车床：　　立式车床主要特点是主轴垂直布置，并有一个很大的圆形工作台，供装卡工件之用，工作台台面在水平面内，工件的安装调整比较方便，而且安全，工作台由导轨支撑，刚性好，因而能长期地保持机床精度。立式车床适用于加工径向尺寸大而轴向尺寸相对较小的大型和重型零件，如各种盘、轮类零件。 　　　　主参数为最大车削直径。　　三、六角车床特点：六角车床与普通车床的主要区别是：　　（1）没有尾架，在普通车床尾架位置上有一个可以同时装夹多种刀具的转塔刀架。　　（2）没有丝杠，一般只能用丝锥和板牙加工螺纹。　　由于转塔刀架上的刀具多，而且该刀架设有多种定程装置，能保证其准确位移和转换，这样能减少装卸刀具、对刀、试切和测量尺寸等辅助时间，所以生产率较高。　　　　　　第三节　钻床、镗床　　一、钻床　　钻床的特点是加工中工件不动，而让刀具移动，将刀具中心对正待加工孔中心，并使刀具转动（主运动）、刀具移动（进给运动）来加工孔。　　　　台式钻床：钻孔直径≤13mm的小型钻床。主轴变速是通过改变三角带在塔形带轮上的位置来实现。　　　　立式钻床　　　　摇臂钻床：可将主轴调整到加工范围内的任意位置，适用于加工大型和多孔工件。　　　　二、镗床　　　　镗刀安装在主轴或平旋盘上；工件固定在工作台上，可以随工作台作纵向或横向运动。　　　　镗床主要完成精度高、孔径大或孔系的加工，此外，还可铣平面、沟槽、钻孔、扩孔、铰孔和车端面、外圆、内外环形槽及车螺纹等。　　镗刀的旋转是主运动，镗刀或工件的移动是进给运动。　　（一）卧式镗床：卧式镗床主要是加工孔，特别是箱体零件上的许多大孔、同心孔、平行孔等。易于保证被加工孔的尺寸精度和位置精度。镗孔的尺寸精度可达IT7，表面粗糙度Ra值为1.6-0.8 m。　　（二）坐标镗床：　　特点：　　（1）结构刚性好，能在实体工件上钻、镗精密孔。　　（2）主轴转速高，进给量小。　　（3）设有纵、横向可移动的工作台，它们的微调整量可达1微米，并有精确坐标测量系统，所以适于加工孔距误差小的孔系。　　（4）在恒温条件下装配和使用。　　1.单柱坐标镗床：工作台三面敞开，操作方便，结构简单，适用于中小型镗床。　　2.双柱坐标镗床：双柱框架式结构，刚性好，适用于大型镗床。 　　3.卧式坐标镗床：主轴水平放置。　　　　（三）金刚镗床：金刚镗床是一种高速镗床，其特点是以很小的进给量和很高的切削速度进行加工，加工出的工件具有较高的尺寸精度（IT6）和较光洁的表面（Ra的0.2微米）。卧式金刚镗床的主参数是工作台面宽度。　　　　第四节　刨床、插床和拉床　　一、刨床：主运动为直线运动，为直线运动机床。　　刨床主要加工平面、沟槽和成型面。　　　　（一）牛头刨床：适于刨削长度不超过1000mm的中小型工件。　　主运动：刀具随滑枕做往复直线运动。　　进给运动：工件随工作台做水平横向间歇运动。　　　　（二）龙门刨床：主要加工大型工件或同时加工多个工件，其主运动是工件随着工作台的直线往复运动，进给运动是刀架带着刨刀作横向或垂直的间歇运动。直流电机拖动，无级调速、运动平稳。由床身、工作台、立柱、顶梁、横梁、垂直刀架、侧刀架组成。　　　　二、插床：由床身、工作台、下滑座、滑枕和立柱组成。　　插床实际上是一个立式刨床，在结构上和牛头刨属于同一类。插床主要是加工工件内部表面如方孔、长方孔、各种多边形孔和键槽等。由于生产率低，只适合单件小批生产。　　主运动：插刀随滑枕垂直方向的往复直线运动。　　　　进给运动：工件在纵向、横向以及圆周方向的间歇运动。　　三、拉床：利用拉刀加工内外成形表面。　　　　　　主运动：拉刀的直线运动，由拉床上的液压装置驱动。　　进给运动：依靠拉刀的结构来实现。　　拉床的主参数是额定拉力。　　　　拉床加工特点：运动平稳无冲击振动，拉削速度可无级调节，拉力通过液压控制。　　拉床结构比较简单，单拉刀比较昂贵，并且只能加工一种尺寸的表面。　　第五节　铣　床　　铣床是利铣刀在工件上加工各种表面的机床。铣床加工范围与刨床相近，但比刨床加工范围广，生产率也较高。常见的铣床有：卧式铣床、立式铣床和龙门铣床。　　铣刀旋转为主运动加工各种表面，工件或铣刀的移动为进给运动。　　铣刀是多齿刀具，每个刀齿间歇工作，冷却条件好，切削速度可以提高。　　　　一、卧式万能铣床：卧式铣床的主轴是水平布置的，卧式铣床可加工平面、成形面、各种沟槽、螺旋槽及齿轮齿形等。由床身、横梁、主轴、升降台、横向溜板、转台（没有转台的是卧式铣床）、工作台组成。　　　　二、立式铣床：主轴是垂直布置的。　　立式铣床适于加工较大平面、加工沟槽，生产率比卧式铣床高。　　　　加工精度IT9 - IT7；Ra6.3-1.6μm；　　三、龙门铣床：龙门铣床与龙门刨床相似，其区别在于它的横梁和立柱上装的不是刨刀架，而是带有主轴箱的铣刀架。龙门铣床主轴箱带动铣刀旋转为主运动，工作台纵向往复运动是进给运动。　　　　龙门铣床生产率较高，适用于成批和单件生产，用以加工中型和大型工件。主参数为工作台面宽度。　　第六节　磨　床　　磨床是用磨具或磨料加工工件各种表面的精密加工机床，使用砂轮的机床称之为磨床，使用油石、研磨料的机床称之为精磨机床。　　通常，磨具旋转为主运动。　　磨床特点：　　（1）切削工具砂轮是由无数细小、尖硬、猁的非金属磨粒粘接而成的多刃工具，并且做高速旋转的主运动。　　（2）万能性强，适应性更广。　　（3）磨床种类多，范围广，能适应磨削各种加工表面、工件形状及生产批量的要求。　　（4）磨削加工余时小，生产率高，容易实现自动化和半自动化，可广泛应用于流水线和自动线中。　　（5）磨削加工精度高，表面质量高。　　常见的普通磨床有：外圆磨床、内圆磨床和平面磨床。　　一、外圆磨床：外圆磨床由床身、工作台、头架、尾架、砂轮架以及液压操纵系统组成。可磨削工件的外圆柱面和外圆锥面。　　　　其中万能外圆磨床构造与普通外圆磨床基本相同，所不同的是它的砂轮架上、头架上和工作台上都装有转盘，并增加了内圆磨具等附件，故万能外圆磨床还能磨削内圆柱面及锥度较大的内外圆锥面。主参数为最大磨削直径。　　二、内圆磨床：由床身、工作台、头架、砂轮架、滑台组成，主要用于磨削内圆柱面、内圆锥面及端面等。主参数为最大磨削孔径。　　　　三、平面磨床：用来磨削工件的平面。主要由床身、工作台、立柱、滑座、砂轮架等部件组成。工作台一般是电磁工作台，工件安放在电磁工作台上，靠电磁吸力吸住工件。 　　工作台有矩形和圆形两种，主参数分别为工作台的宽度和直径。 　　　　　　《小结》　　1.各种机床的加工特点：主运动、主参数、结构组成　　2.钻床：主运动和进给运动，都由刀具完成；钻头的旋转是主运动；钻头的轴向直线运动是进给运动。　　3.坐标镗床：机床本身精度高；具有坐标精密测量装置；在恒温条件下装配和使用。　　4.牛头刨与龙门刨的区别--牛头刨的主运动是刨刀的直线运动；龙门刨的主运动是工件随工作台的直线运动。　　5.龙门刨与龙门铣的区别--龙门刨的主运动是工件随工作台的直线运动；龙门铣的主运动是刀具的旋转运动。　　6.插床实际上是一种立式刨床，插床代号为B50　　7.铣床的铣刀是多齿刀具，几个刀齿同时参加铣削，其它刀齿间歇得到冷却，所以切削速度高，刀具耐用度高，在单件小批和成批大量生产中，都得到广泛的应用　　8.拉床：拉刀的直线运动是主运动，进给运动由拉刀的结构实现　　9.磨床：万能外圆磨床的工作台的运动是液压传动；内孔磨削可以在内圆磨床或万能外圆磨床上进行。　　10.通常，卧式指主轴与工作台面即地面平行；立式指主轴与工作台面即地面垂直。　　11.纵向一般指与主轴方向或床身导轨方向平行。

　　第七节　特种加工机床　　特种加工机床是利用电能、电化学能、光能、声能等特种加工方未能加工工件的机床。主要用于一般切削方法难以加工（如材料性能特殊、形状复杂）的工件。　　一、电火花加工　　（一）原理：工具电极和工件电极在绝缘体中靠近到一定距离时，形成脉冲放电，产生大量热能，使工件局部金属熔化甚至气化，达到蚀除金属的目的。 　　　　　　（二）组成：脉冲电源；间隙自动调节器；机床本体；工作液及其循环过滤系统。 　　（三）类型：电火花成形加工机床；电火花切割加工机床。　　（四）特点：　　（1）可加工任何硬、脆、韧、高熔点、高纯度的导电材料。　　（2）加工时机床和刀具间不存在显著机械力作用。　　（3）加工中不受热的影响。　　（4）同一台机床可进行粗、半精加工、精加工。　　（5）便于实现自动化。　　二、超声波加工　　（一）原理：超声换能器利用磁致伸缩效应，将高频电振荡变为高频机械振动，再借助变幅杆把振幅放大，驱使工具振动，从而锤击工件表面的磨料，通过磨料加工工件的表面。　　　　　　（二）组成：超声电源；超声振动系统（超声换能器和变幅杆）；机床本体。　　（三）特点： 　　（1）超声波加工适于加工各种硬脆材料。　　（2）易于加工出各种复杂形状的型孔、型腔和成形表面。　　（3）由于切削力小，适于加工薄壁等不能承受较大机械应力的零件。　　三、激光加工　　（一）原理：利用激光能量密度高的特点，在工件表面形成高温，使其急剧熔化或气化，从而达到加工的目的。　　　　（二）组成：激光器；电源；光学系统；机械系统。　　（三）特点： 　　（1）不受材料性能限制，几乎所有材料均能加工。　　（2）加工时不需刀具，属于非接触加工。　　（3）加工速度极高，热影响区小，易实现加工过程自动化。 　　（4）可通过透明介质进行加工。　　第八节　组合机床及其自动线　　一、组合机床的组成　　大量通用部件：　　动力部件：动力箱、动力滑台；　　支承部件：床身、立柱、底座；　　输送部件： 移动工作台、回转工作台和回转鼓轮；　　控制部件：液压操纵板、按钮台等；　　辅助部件；冷却、润滑等；　　少量专用部件：主轴箱、夹具、倾斜床身。　　　　　　二、主运动：刀具旋转；进给运动：工件运动或刀具既作旋转主运动，又作进给运动。　　三、特点：在组合机床上，可以完成钻孔、扩孔、铰孔、镗孔、攻丝、车削、铣削、磨削及滚压等工序。组合机床既有专用机床生产率高、结构简单的特点，又具有通用机床易于更新调整，以适应新的加工对象的特点。　　（1）设计制造周期短。　　（2）自动化程度高。　　（3）通用化程度高。　　（4）能稳定地保证加工精度。　　（5）易于联成自动线。　　四、组合机床自动线：由若干台组合机床及辅助设备组成的自动化生产线称为组合机床自动线。　　组合机床自动线是用工件自动传送系统及自动控制系统，把按加工工序合理排列的若干台组合机床或自动机床和其他辅助设备联系起来的自动生产线。　　（一）组成：　　组合机床或自动机床；　　传送机构：移动工件、排除切屑；自动线的操纵机构。 　　　　　　（二）特点：提高生产率；稳定保证产品质量；缩短生产周期，节约辅助运输工具；降低生产成本；减轻工人劳动强度，改善劳动条件。

第 五 章　数控机床及工业机器人

　　第一节　数控机床　　数控技术，即NC（Numerical Control）技术，是指用数字化信息（数字量及字符）发出指令并实现自动控制的技术。　　计算机数控（Computerized Numerical Control,简写为CNC）是指用计算机实现部分或全部基本数控功能。　　一、数控加工原理　　数控加工将加工过程所需的各种操作（如主轴变速、刀具选择、冷却液供给、进给、起停等）以及工件的形状尺寸用程序表示，再由数控装置对输入的信息进行处理和运算，然后由数控装置按照零件加工程序的要求控制机床伺服驱动系统，实现刀具与工件的相对运动，完成零件加工。 　　当被加工工件改变时，除了重新装夹工件和更换刀具外，只需更换程序。　　在进行曲线轮廓加工时，只要知道曲线的种类、起点、终点以及速度等，就可以根据给定的数字函数，如线性函数、圆函数或高次曲线函数，在曲线的起点和终点之间进行数据点的密化，确定一些中间点，从而加工出给定的曲线轮廓，这种方法称为插补。插补算法是数控加工技术中的一个基本问题。　　目前常用的插补算法有两大类：以脉冲形式输出的脉冲增量法，它适合于以步进电动机作为驱动元件的开环伺服驱动系统；以数字时形式输出的数字增量法，它适合于以交、直流伺服电动机作为驱动元件的闭环（或半闭环）伺服驱动系统。 　　要实现数控加工必须：　　1.具有一个既能接受零件图样加工要求信息，又能按照一定的数学模型进行插补运算，实时地向各坐标轴发出速度控制指令的数字计算机，即控制装置；　　2.具有能够快速响应,并具有足够功率的伺服驱动装置；　　3.具有能够满足上述加工方式的机床主机，辅助装置和刀具。　　二、数控机床的组成　　数控机床分成两大部分，即CNC系统和机床主机（包括辅助装置）。　　（一）CNC系统　　CNC系统由程序、输入输出（L/O）设备、CNC装置及主轴、进给驱动装置组成。 　　　　零件加工程序是CNC系统的重要组成部分。　　输入输出设备主要用于零件加工程序的编制、存储、打印、显示等。简单的输入输出设备只包括健盘、米字管和数码管等。一般的输入输出设备除了人机对话编程健盘和阴极射线管（CRT）显示器或液晶显示器（LCD）外，还包括纸带、磁带或磁盘输入机、穿孔机和电传机等。高级的输入输出设备还包括自动编程机乃至CAD/CAM（计算机辅助设计/计算机辅助制造）系统。　　CNC装置是CNC系统的核心部件，它由三部分组成，即计算机（硬件和软件）、可编程序控制器（PLC）和接口电路。　　主轴驱动装置用于控制主轴的旋转运动，实现在宽范围内速度连续可调，并在每种速度下都能提供切削所需要的功率。 　　进给驱动装置用于控制机床各坐标轴的切削进给运动，提供切削过程中所需要的扭矩，并可以任意调节运动速度，再配以位置控制系统，可实现对工作台和刀具位置的精确控制。　　　　（二）主机　　为了满足数控机床高自动化、高效率、高精度、高速度、高可靠性的要求，其机械结构具以下一些特点：　　1.高刚度和高抗振性。提高机床静刚度和固有频率，改进机床结构的阻尼特性是提高机床动刚度和抗振性的有效方法。　　通过机床结构、筋板的合理布局，例如加大主轴的支承轴径，缩短主轴端部的受力悬伸段，床身采用钢板焊接结构等方法来提高刚度。采用新材料，特殊结构也可以提高动刚度和抗振能力。 　　2.减小机床热变形。为了减小热变形，常采取以下措施：采用热对称结构及热平衡措施；对于发热部件（如主轴箱、静压导轨液压油等）采取散热、风冷、液冷等控制温升；对切削部位采取强冷措施；专门采用热位移补偿，即预测热变形规律，建立数学模型，存入计算机，来进行实时补偿。　　3.采用滚动导轨、静压导轨、滚珠丝杠、塑料滑动导轨等高效率、无间隙、低摩擦传动。　　4.简化的机械传动结构。采用高性能、宽调速范围的交直流主轴电动机和伺服电动机，使主轴箱、进给变速箱及其传动系统大为简化，提高传动精度和可靠性。 　　为了保证数控机床正常运行，必须配备必要的辅助装置，包括：液压、气动装置，交换工作台，数控转台，数控分度头，排屑装置，刀具及其监控检测装置等。　　三、数控机床的分类　　（一）按照能够控制刀具与工件间相对运行的轨迹　　1.点位控制（或位置控制）数控机床。只能控制工作台（或刀具）从一个位置（点）精确地移动到另一个位置（点），在移动过程中不进行加工，各个运动轴可以同时移动，也可以依次移动。数控镗床、钻床、冲床。　　　　2.轮廓控制数控机床。能够同时对两个或两个以上的坐标轴进行连续控制，不仅控制轮廓的起点和终点，而且还要控制轨迹上每一点的速度和位置，因而能够加工曲线（或曲面）。 　　数控车床、铣床、磨床、电加工机床和加工中心等。　　（二）按照伺服驱动系统的控制方式　　1.开环控制数控机床。这类数控机床不带位置检测反馈装置。CNC装置输出的指令脉冲经驱动电路的功率放大，驱动步进电动机转动，再经传动机构带动工作台移动。　　　　2.闭环控制数控机床。这类数控机床带有位置检测反馈装置。位置检测装置安装要机床工作台上，用以检测机床工作台的实际运行位置，并与CNC装置的指令位置进行比较，用差值进行控制。　　　　3.半闭环控制数控机床。　　　　总结：　　1.开环控制数控机床。这类数控机床不带位置检测反馈装置。开环控制的数控机床工作比较稳定，反应快，调试方便，维修简单，但控制精度和速度都比较低，这类数控机床多为经济型。　　2.闭环控制数控机床。这类数控机床带有位置检测反馈装置。闭环控制数控机床由于能够减小乃至于消除由于传动部件制造、装配所带来的误差，因而可以获得很高的加工精度。但环内包含的机械传动环节比较多，其中不少参数和特性都是可变的，有一些还是非线性的。如果设计、调整不当，将会造成系统的不稳定。如果不是精度要求很高的数控机床，一般不采用这种控制方式。　　3.半闭环控制数控机床。将检测元件安装在电动机的端头或丝杠的端头，则为半闭环控制数控机床。由于半闭环的环路内不包括丝杠、螺母副及工作台，所以可以获提比较稳定的控制特性。其控制精度虽不如闭环控制数控机床那样高，但调试比较方便，因而广泛采用。　　（三）按照加工方式分类　　1.金属切削类。属于此类的有数控车床、钻床、铣床、镗床、磨床、齿轮加工机床和加工中心等。　　加工中心是有刀库，并且能够自动换刀的数控机床。其中，包括镗铣类加工中心和车削中心。　　镗铣类加工中心主要用于箱体类零件和复杂曲面零件的加工，能进行铣、镗、钻、攻丝等工序，工件一次装夹后，能自动地完成或接近完成工件各面的所有加工工序。　　车削中心以轴类零件为主要加工对象，它一般具有C轴控制（具有位置控制功能的附加主轴驱动控制），除可进行车削、镗削外，还可进行端面和周面上任意部位的钻削、铣削和攻丝加工。有的还可以进行各种曲面的铣削加工。　　　　2.金属成型类。该类包括数控折弯机、弯管机、冲床、回转压力机等。　　3.特种加工类。数控特种加工机床包括数控线切割机床、电火花加工机床及激光切割机等。　　4.其他类。如数控火焰切割机床、三坐标测量机等。 　　（四）按照CNC装置的功能水平分类　　按照CNC装置的功能水平可大致把数控机床分为高、中、低（经济型）三档。大体上可从分辨率、进给速度、伺服系统、同时控制轴数（联动轴数）、通信功能、显示功能、有无PLC及主CPU水平等几方面加以区分。　　表5－1　　　按CNC装置功能水平分类表

　　四、数控机床的特点　　1.能加工复杂型面；　　2.更高的精度和稳定的质量；　　3.很高的生产率；　　4.广泛的适应性；　　5.一机多用；　　6.可以大大减少在制品数量，提高经济效益；　　7.可以改善生产环境，大大减轻操作者的劳动强度；　　8.可实现精确的成本核算和生产进度安排；　　9.是实现柔性自动加工的主要设备，也是发展柔性生产和计算机集机制造的基础。　　第二节　CNC装置　　一、CNC装置所具备的功能　　CNC装置是CNC系统的核心部件，它由三部分组成，即计算机（硬件和软件）、可编程序控制器（PLC）和接口电路。　　　　它的功能是：根据输入的零件加工程序、数据和参数，完成数值计算和逻辑判断，进行输入、输出控制。　　1.控制功能。指能够控制的轴数及同时控制（即联动）的轴数。控制和轴数有2轴、3轴、4轴、5轴，可多达到24轴。同时控制轴数可以是2轴、3轴、直至6轴。　　2.准备功能，也称G功能。包括机床基本移动、平面选择、坐标设定、刀具补偿、程序暂停、基准点返回、固定循环、米-英制转换等。　　3.插补功能。现代CNC装置多通过软件或软、硬件相结合实现插补功能。　　4.进给功能。包括切削进给速度（每分钟进给量）、同步进给速度（主轴每转的进给量）、快递进给及进给率（0%～200%变化，每档10%）。　　5.主轴功能，包括主轴每分钟转数的设定，正、反转及准停等。　　6.辅助功能。包括主轴的起、停，冷却液的通、断，刀具交换的起、停等。　　7.选刀及工作台分度功能。　　8.固定循环功能。用于螺纹加工、钻孔、深孔钻削、镗孔及攻丝等工序。固定循环程序相当于一个指令束，可以大大减少程编工作量。　　9.补偿功能。包括刀具长度补偿和刀具半径补偿。 　　10.字符、图形显示功能。配置CRT或LCD显示器，实现零件程序、参数显示，刀具位置显示，机床状态及报警显示等。有些CNC装置还可以进行刀具轨迹的静态图形及三维图形显示。　　11.诊断功能。随时检查不正确事件的发生，出现故障可显示、查询和定位。　　12.通信功能。备有串行通信接口，DNC接口，有的CNC装置还配有网卡，可方便地接入MAP工业局域网、以太网等。　　13.在线自动编程功能。有些CNC装置具有会话式自动编程功能、蓝图编程功能、参数编程功能或几何工艺语言（CTL）编程功能。有的自动编程系统可以自动选择刀具和切削刀量，使编程变得十分方便。 　　以上所述各功能中、前8个功能属于CNC装置的基本功能配置，而后5个功能属于选择功能，用户可根据需要加以选用。　　二、CNC装置的硬件结构　　（一）单微处理器结构与多微处理器结构CNC装置　　CNC装置是在硬件支持下，执行软件来进行工作的。其控制功能在相当大的程度上取决于硬件结构。早期的CNC装置、经济型CNC装置控制功能不十分复杂，大都采用单微处理器结构。现代CNC装置多采用多微处理器结构，以满足高速化、复合化、智能化、系统化等要求。　　1.单微处理器结构CNC装置。单微处理器CNC装置只有一个微处理器，或虽然有两个以上的微处理器，但其中只有一个微处理器能够控制总线，而其他微处理器不能控制系统总线，不能访问主存储器，各微处理器组成主从结构。　　单微处理器CNC装置中微处理器（CPU）是核心，由运算器和控制器两部分组成。运算器主要完成算术运算和逻辑运算。控制器负责从存储器读取指令，并对指令进行分析，根据指令的要求向CNC装置各部分发出执行操作的控制信号，同时接收执行部件发回来的反馈信息。　　　　微处理器的品质决定了CNC装置的档次。反映微处理器品质的主要指标是主频和字长。主频决定了微处理器的工作速度。字长指的是微处理器同时处理二进制数据的位数。一次处理数字的位数越多，运算速度就越高。目前，CNC装置中常用的有8位、16位、32位微处理器，有的CNC装置运用了64位微处理器。　　总线是CNC装置各部分之间传送信息的公共通道。单微处理器结构的CNC装置几乎都采用以总线为中心的计算机结构。　　总线分为数据总线、地址总线和控制总线。　　数据总线用于传送程序和数据，是双向总线。　　地址总线用于传送微处理器发出的地址信息，是单向线。　　控制总线用于传送保证CNC装置各部分同步并协调工作的各种控制信号、时序信号和状态信号。　　微处理器通过总线与存储器（RAM、EPROM）、可编程序控制器（PLC）、位置控制器及各种接口相连。为使不同的设备能够连接在一起协调地工作，必须对设备的连接进行统一的规定和必要的约束，这种约束就是接口协议。实现接口协议的硬件设备叫接口电路，简称接口。　　CNC装置的接口电路包括与机床侧的信号输入输出接口、与上位计算机的通信接口及与标准输入输出设备的接口。　　机床I/O接口是在CNC装置与机床及操作面板之间进行信号传递不可缺少的环节，其作用和要求是：　　（1）进行必要的电隔离。　　（2）进行电平转换和功率放大。　　现代CNC装置都带有标准串行通信接口，能够方便地与编程机及微型计算机相连，实现零件程序、机床参数的传送。高档CNC装置还具有网络通信功能。　　标准输入输出设备接口包括键盘接口、MDI（手动数据输入）/CRT接口、手摇脉冲发生器接口、纸带阅读计机接口、纸带穿孔机接口、电传机接口及磁盘驱动器、磁带机接口等。　　由于所有数控功能，如数据存储、插补计算、输入/输出控制、显示等，由一个微处理器完成，因此单微处理器结构CNC装置的功能受微处理器的字长、数据宽度、寻址能力和运算速度等因素的限制。　　按印刷电路插接方式的不同，可将其分为两种结构：　　（1）大板结构。CNC装置由主板和辅助功能板（卡）组成。主板为大印刷电路板，CNC装置的主要功能都集在这块板上。板上有微处理器、存储器、定时与中断控制电路、位置控制电路及标准接口等。辅助功能板为小印刷电路板，如PLC板、I/O控制板、CRT显示控制板、附加存储板等。辅助功能板插在主板的插槽内，受主板驱动。　　（2）模块化结构。是将CNC装置的配件按功能划分成模板，每个功能模块都制成尺寸相同的印刷电路板，称为功能模板。常见的功能模板有CNC控制板、位置控制板、PLC板、CRT显示控制板、通信板等。采用标准总线作为母版。将各功能模板插在母板上，由CNC控制板驱动其他各块功能板，支持软件完成CNC的各种功能。　　2.多微处理器结构CNC装置。与单微处理器结构CNC装置相比，运算速度更高，更适合于多轴控制、高进给速度、高精度、高效率的数控要求。多微处理器结构CNC装置多采用模块化结构，每个功能模块分管各自的任务。由于采用模块化结构，采取积木方式组成CNC装置，因此具有良好的适应性和扩展性。发生故障时可及时更换模块。 　　模块化结构的多微处理器结构CNC装置中的基本功能模块一般有以下六种。　　（1）CNC管理模块。管理和组织整个CNC系统的工作，主要包括初始化、中断管理、总线裁决、系统出错识别和处理、系统软硬件诊断等功能。　　（2）CNC插补模块。完成插补前的预处理，如对零件程序的译码、刀具补偿、坐标位移量计算、进给速度处理等；进行插补计算，为各个坐标提供位置给值。　　（3）位置控制模块。进行位置给定值与检测器测得的位置实际值的比较，进行自动加减速、回基准点、伺服系统滞后量的监视和漂移补偿，最后得到速度控制的模拟电压，以便驱动进给电动机。　　（4）存储器模块。程序和数据的主存储器，或为功能模块间进行数据传送的共享存储器。　　（5）PLC模块。对零件程序中的开关功能和机床操作面板、机床侧来的开关信号进行逻辑处理，实现机床电气设备的起、停，刀具交换，主轴转速控制，转台分度，加工零件和机床运转时间的计数，及各功能、操作方式间的联锁等。　　（6）指令、数据的输入输出及显示模块。包括零件程序、参数和数据，各种操作命令的输入输出及显示所需要的各种接口电路。