典型机械的创新与进化

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7.2 动力机
凡是将自然界中的能量转换为机械能的机械装置称为动力机械或设 备，汽轮机、燃气轮机、内燃机、水轮机、风力机等都是典型的动力机 械。动力机械在社会发展中的地位是显著的。18世纪60年代出现了第一 代动力机械—蒸汽机，引起了产业革命，促进了社会的大发展，人类社 会开始进入工业化时代。
高精度机床除本身具有高精度以外，主要还附加了一些特殊的校正 、测量与定位装置。
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7.1 机床
例如在坐标镗床上最常见的坐标定位装置是带校正尺的精密丝杠定
位装置，以及精密刻度尺加光屏读数器的定位装置。
图7-11所示为带校正尺的精密丝杠定位装置。工作台的移动由固定 在床身上的精密丝杠9带动固定在工作台上的螺母4来实现。工作台的移
更换刀具方面，有立式的和卧式的。在自适应数控机床方面，又分为限
定式(只控制某些预定的参数，如切削速度、进给量等)以及最佳式(可
连续地改变一些参数，如功率、转矩等)。
数控机床的产生与发展给制造业带来了巨大的变革。后来相继出现 了柔性制造系统(FlexibleManufacturing System, FMS)和集成制造系
设备以及软件开发环境等。
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7.1 机床
总之，CIMS的基本思想是按系统工程的观点将整个工厂组成一个系 统，用计算机对产品的初始构思、设计、加工、装配、检验等全过程进 行管理和控制。也就是说，人们只需要向计算机输入所需产品的有关市 场与设计信息，就能够输出所需要的合格产品。它是一种以计算机为基 础，将企业全部生产活动各个环节的自动化系统有机地联系起来，以此 获取最佳经济效果的设计、生产、管理和经营系统。
动量可直接从刻度盘7与游标盘8上读出。因为丝杠9的精度影响，不能
直接利用它来获取准确的定位，所以就利用校正尺来消除螺距的累积误
差。校正尺3固定在工作台侧面，其表面的曲线形状是根据实测的螺距
误差按比例放大150倍后制作的。当移动工作台时，压在校正尺工作表
面上的杠杆1就绕传动杆2做微小的摆动，通过传动杆2和杆5使游标盘8
为了适应生产大量各类机器的需要，各类机床也陆续被创造出来。
1751年为了加工水泵发明了刨床。1770年前后，瓦特发明的蒸汽机需要
精确的气缸，保证活暴与气缸的间隙要求，这时就发明了刨床(图7-6)
，保证了使直径650 mm的气缸的加工精度达到1 mm左右。
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7.1 机床
到了19世纪初发明了铣床，19世纪中期发展成基本上具有现代结构 的万能铣床。19世纪末，为了加工经过热处理后硬度高的工件又发明了 各种磨床。为了适应军火、自行车、缝纫机等专用产品的需要，又发明 了各种专用机床、自动机床。为了适应各种大型设备(如汽轮机、轧钢 机等)零部件加工制造的需要，又发明了各种大型机床。到了20世纪初 ，为了进一步提高零部件加工质量与精度，又发明了坐标镗床等高精度 机床。
1.机床的产生 在原始时期，人类从劳动实践中逐步认识到，如果要钻一个孔，就 要使刀具旋转的同时向深度推进。如果要制造一个圆柱体，就需要使工 件旋转的同时再拿着刀具沿工件做纵向移动。在这样一种理念的基础上 ，就造出了最古老的机床。
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7.1 机床
图7-2所示为中国古代发明的舞钻，它利用了飞轮的惯性使钻杆旋 转。图7-3所示为在古埃及国王墓碑上发现的最古老的车床图案，其中 一人使工件旋转，另一人拿刀具进行切削。图7-4为中国古代车床的示 意图，其中图7-4(a)是弓弦车床；图7-4(b)是足踏车床。
CIMS是在柔性制造技术、计算机技术、信息技术和系统科学的基础
上，将制造工厂经营活动所需要的各种自动化系统有机集成起来，使其
能适应市场需求的变化，以及多品种、小批量生产要求的高效率、高柔
性的智能生产系统。CIMS的关键技术是系统的结构分析与设计，即面向
目标的系统设计方法、数据库技术、局域网络技术、自动化制造技术与
7.1 机床
(1) 组合机床
人们运用组合方法发明了各种多功能组合机床，从而使机床系统中 各子系统的资源得到充分的利用，使加工工序缩短，提高了加工效率。 组合机床一般采用多轴、多刀、多工序、多面、多工位同时加工。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 等工序。组合机床中系列化的通用部件和标准件占70%～80%，当加工对 象变更时，可以充分变换和利用这些通用部件。而专用部件如夹具、特 种需要的床身、导向板等只占20%～30%。图7-8所示为卧式及立式组合 机床的示意图。
第7章 典型机械的创新与进化
7.1 机床 7.2 动力机 7.3 机器人 7.4 自行车
7.1 机床
机床是制造机器的机器，被称为工作母机或工具机。图7-1为各种 常用普通机床的图片。
机床的种类虽然很多，很复杂，但组成机器的最基本成分是各种零 件，而这些零件大部分是由机床加工制造出来的。机床在一般生产中约 占制造机器总工作量的40%～60%。可以看出，机床在社会发展过程中的 地位与作用是很重要的。从另一方面分析，社会的发展与进步对机床又 不断提出了高效率、高精度、高自动化程度等更高的要求。机床的产生 、发展及展望就是在这样一种不断被社会拉动，又不断推动社会前进的 情况下进行的。
图7-13是电火花加工的原理图，其基本原理是利用火花放电时能烧 毁金属表面的电蚀现象进行金属加工的。加工时将工具电极(阴极)和工 件(阳极)浸入液体介质(如煤油)中，两极间接通脉冲电压，当两极间隙 为几微米至几十微米时，两极间击穿，使金属熔化或汽化，被工件液循 环系统带走。使工具电极不断地向工件进给运动，就能将工具的形状准 确地复制在工件上，完成加工过程。线切割机就是电火花加工机床的一 个重要品种。
统(Computer Integrated Manufacturing System, CIMS)的概念。
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7.1 机床
FMS是一种用计算机网络控制的机械加工自动线。所谓柔性，就是 没有固定加工顺序，在不停机的情况下完成各种调整与加工任务。它由 自动加工系统、刀具系统、物流系统和控制管理系统4部分组成。FMS的 发展趋势是功能模块化，即将FMS的4个组成部分都划分为若干模块。不 同系统都是由一系列模块组成，并且各种系统都要考虑从低级向高级扩 展的问题，以及相互集成的可能性。其次是加工过程监控自动化，包括 对刀具的监控(对刀具磨损、寿命的监控)、对工件的监控(对工件的装 夹位置及质量检验等)和对故障的诊断(系统故障排除等)。最后是集成 化问题，其关键是如何建立一个多极计算机控制网路。
2. 实用性蒸汽机
18世纪初，英国的纽科门为了解决矿并积水的问题研制了实用性蒸 汽机，用来抽水。该蒸汽机除了具备气缸与活塞外，在气缸中还设有阀 门，并配有一个锅炉。阀门打开，锅炉中的蒸汽进入活塞下的气缸空间 ，推动活塞由下向上运行。当活塞移动到顶部时，关闭蒸汽阀门，另一 个阀门打开，同时向气缸外壁喷冷水。冷水使蒸汽冷凝，并使气缸内形 成真空，致使活塞上端受大气压力而被向下推动。
机床传动系统的发展也是逐步进行的，由齿轮变速箱代替了皮带塔 轮传动。图7-7表示了20世纪初机床传动系统的演化过程。
从机床的发展过程可以明显地看出创新受社会发展的拉动作用，以 及创新对社会发展的推动与影响。
3.现代机床与展望
现代机床从功能、规模、效率、精度、切削方式等方面都有了很大 的发展。
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(2)大型机床
体积与质量大是大型机床的主要特征，但因此也就容易导致运动导 轨接触面的压力增大，影响了运动的灵敏性，增大了摩擦力，从而引起 较大的动力消耗。为了解决这一问题，就发明了大型机床专用的卸载装 置，以及静压导轨。
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7.1 机床
图7-9所示为机械式导轨卸载装置。适当拧动调节螺钉，利用压缩 碟形弹簧的弹力，并通过支承辊抵消工作台压在床身导轨面上的部分作 用力，同时采用滑动摩擦代替滚动摩擦。
摆动一个尾度，刻度盘7就随之校准一个角度，使工作台获得一个附加
的移动量，从而矫正了丝杠螺距的误差。弹簧6的作用是消除杠杆系统
中的间隙。
图7-12是滚齿机上利用凸轮(凸轮未画出)消除传动误差的校正机构 。工作台在涡轮带动下转动时，矫正凸轮将推动滚子3绕4轴摆动，并通
过杠杆5，使推杆6和齿条7移动，从而使齿轮8转动。
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7.1 机床
经过齿轮9至齿轮15，以及差动轮系，使轴13产生了附加的转动。 再经由挂轮架及蜗杆2传至工作台蜗轮，使工件产生附加转动，以达到 消除传动误差的目的。
(4) 特种加工机床
随着工件形状的日益复杂，以及材料的特殊性能(高硬度材料及高 脆性材料)，引入了电加工、超声波加工的方法，为机床开辟了新的领 域。
图7-10所示为一种静压导轨机构示意图。从油泵中打出压力油，经 过节流阀注入到导轨的油腔中。由于油压的作用，使导轨接触面间的油 膜压力足以达到平衡工作台的质量，从而保证了完全的液体滑动，摩擦 力减小，运动灵活，并且抗震性能良好。
(3)高精度机床
随着科技的发展，对机械产品的精度要求越来越高。例如宇宙飞行 用陀螺仪中的30 mm球形转子，要求其不圆度不大于0.12μm；导弹控制 系统的齿轮传动允许误差只有几秒。这些高精度的零件当然需要高精度 机床来加工。
2. 机床的发展
随着社会的发展，需要越来越多的新机器，为了制造这些机器，就 要求加工出更精确的零件。例如制造钟表就需要螺纹，但是如果用手拿 着刀具切削螺纹是很困难的。为了解决这些问题人们开始考虑制作一个 支撑台，使刀具固定，从此就发明了刀架。这种刀架代替人手夹持刀具 ，使刀具沿着机床床身轨道做平行于加工表面的移动，解决了刀具系统 不适应的矛盾。图7-5为18世纪带刀架的车床。
数控机床是在电子计算机发明之后，运用数字控制原理，将加工程 序、更换刀具的操作采用数码和文字码作为信息进行存储，并按指令控 制机床，使其完成加工的新式机床。
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7.1 机床
数控机床的提出是从寻求加工异型零件问题开始的。1949年，美国
的帕斯森在研制检查飞机螺旋桨叶剖面轮廓的板叶加工机床时提出，并 在麻省理工学院的协助下取得了成功。1951年，第一台电子管数控机床 样机正式应用，成功地解决了复杂形状零件的自动化加工问题。后来的
19世纪90年代出现了内燃机、蒸汽轮机和发电机，而蒸汽机因笨重 和热效率低下逐步被淘汰。内燃机迅速在运输动力、军事装备和移动式 动力中占优势。蒸汽轮机电站的出现又使电能在生产领域和生活领域普 遍应用，机械化、电气化迅速普及，人类真正进入到大工业化时代。
本节着重就蒸汽机、内燃机的发生、发展以及展望进行讨论。从中 可以看出创新对社会与人类发展的积极作用。
发展，一方面对机床类型进行扩大应用，从铣床扩展到钻床、车床等；
另一方面随着电子产品的进化发展，又从电子管进化到晶体管，又进化
到集成电路。到了20世纪70年代数控机床的型号已达到800多种。在数
控加工方面，可按控制刀具的轨迹分类为电位控制、直线控制、连续控
制；也可按对控制量的反馈与检测划分为闭环控制和开环控制。在自动
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7.1 机床
图7-14所示是利用电解原理进行磨削加工的示意图。电解加工原理 是利用阳极溶解现象对金属进行加工的。加工时，工件接阳极，工具接 阴极，当工具以一定的速度进给时，工件就被腐蚀，再用电解液冲刷掉 腐蚀物，也就完成了对工件加工。图7-14的电解磨削机床在加工时，由 于几乎没有磨削力和磨削热，也就避免了裂纹、烧伤、变形等缺陷。
7.2.1蒸汽机 1. 原始蒸汽机 17世纪末，法国技师巴本制成了世界第一台蒸汽机。
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7.2 动力机
其工作原理是，通过向气缸里注水并加热，水蒸气将活塞推动上去 ，当活塞被推到气缸顶部时再撤热，然后使缸内蒸汽冷却，大气压力便 将活塞推下来。该蒸汽机虽然很原始，但就其具备气缸与活塞来说是具 有划时代意义的。
图7-15是超声波加工示意图。其加工原理是，高频发生器将高频电 能不断地输送给能量变换器，并将其转换成同一频率或成倍频率的机械 振动，再由扩大器传给工具，使工具产生高能量的高频震荡，发生超声 波。同时，在工具与工件间不断加入液体磨料，使其在超声震荡作用下 ，产生高速的力量冲击，完成加工。
(5)数控机床