第3章数控机床主传动系统设计教学教材

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1、第3章 数控机床主传动系统设计,3. 1 主传动系统设计概述 3.1.1数控机床主传动系统的特点 转速高、功率大。 变速范围宽。 主轴变速迅速可靠。 主轴组件的耐磨性高，使传动系统具有良好的精度保持性。,3. 1 主传动系统设计概述,3.1.2主传动系统的设计要求 主轴具有一定的转速和足够的转速范围、转速级数，能够实现运动的开停、变速、换向和制动，以满足机床的运动要求。 主电动机具有足够的功率，全部机构和元件具有足够的强度和刚度，以满足机床的动力要求。,3. 1 主传动系统设计概述,3.1.2主传动系统的设计要求 主传动的有关结构，特别是主轴组件要有足够高的精度、抗振性，热变形和噪声要小，传动

2、效率要高，以满足机床的工作性能要求。 操纵灵活可靠，调整维修方便，润滑密封良好，以满足机床的使用要求。 结构简单紧凑，工艺性好，成本低，以满足经济性要求。,3. 1 主传动系统设计概述,3. 1. 3数控机床主传动系统配置方式 （1）带有变速齿轮的主传动 : 通过少数几对齿轮降速，扩大输出转矩，以满足主轴低速时对输出转矩特性的要求。数控机床在交流或直流电动机无级变速的基础上配以齿轮变速，使之成为分段无级变速。,3. 1 主传动系统设计概述,（2）通过带传动的主传动 电动机本身的调速就能够满足要求，不用齿轮变速，可以避免齿轮传动引起的振动与噪声。它适用于高速、低转矩特性要求的主轴。常用的是V带和

3、同步齿形带。,3. 1 主传动系统设计概述,3. 1 主传动系统设计概述,（3）两个电动机分别驱动主轴 高速时电动机通过带轮直接驱动主轴旋转，低速时，另一个电动机通过两级齿轮传动驱动主轴旋转，齿轮起到降速和扩大变速范围的作用，这样就使恒功率区增大，扩大了变速范围，克服了低速时转矩不够且电动机功率不能充分利用的缺陷。,3. 1 主传动系统设计概述,（4）内装电动机主轴传动 这种主传动方式大大简化了主轴的结构，有效地提高了主轴部件的刚度，但主轴输出转矩小，电动机发热对主轴影响较大。,3. 1 主传动系统设计概述,3.1.4主传动系统的类型 (1)按动力源的类型 可分为交流电动机驱动和直流电动机驱动

4、。 交流电动机驱动中又分为单速交流电动机驱动、调速交流电动机驱动和交流伺服电动机驱动。 调速交流电动机动又有多速交流电动机驱动和变频调速交流电动机驱动。 驱动方式的选择主要根据变速形式和运动特性要求来确定。,3. 1 主传动系统设计概述,（2)按传动装置类型 可分为机械传动装置 液压传动装置 电气传动装置 以及它们的组合,3. 1 主传动系统设计概述,(3)按变速的连续性 可以分为分级变速传动和无级变速传动。 分级变速传动是在一定的变速范围内均匀、离散地分布着有限级数的转速，变速级数一般不超过2030级。 分级变速传动方式有滑移齿轮变速、交换齿轮变速和离合器(如摩擦片式、牙嵌式、齿轮式离合器)

5、变速。,3. 1 主传动系统设计概述,无级变速传动可以在一定的变速范围内连续改变转速，以便得到最有利的切削速度； 能在运转中变速，便于实现变速自动化；能在负载下变速，便于车削大端面时保持恒定的切削速度，以提高生产效率和加工质量。 无级变速传动可由机械摩擦无级变速器、液压无级变速器和电气无级变速器实现。,3. 1 主传动系统设计概述,数控机床和大型机床中，有时为了在变速范围内，满足一定恒功率和恒转矩的要求，或为了进一步扩大变速范围，常在无级变速器后面串接机械分级变速装置。,3. 2 分级变速主传动系统设计,(1)机床主传动运动设计的任务 按照已确定的运动参数、动力参数和传动方案，设计出经济合理、

6、性能先进的传动系统。 (2)主要设计内容: 拟定结构式或结构网; 拟定转速图， 拟定各传动副的传动比; 确定带轮直径、齿轮齿数; 布置、排列齿轮，绘制传动系统图。,3. 2 分级变速主传动系统设计,3. 2. 1转速图的概念 转速图由“三线一点”组成，即传动轴线、转速线、传动线和转速点。,3. 2 分级变速主传动系统设计,转速图可以清楚地表示: 主轴各级转速的传动路线; 主轴得到这些转速所需的变速组数目及每个变速组中的传动副数; 各个传动比的数值; 传动轴的数目; 传动顺序及各轴的转速级数与大小。,3. 2 分级变速主传动系统设计,3. 2. 2变速规律 机床主轴多级转速是由数个变速传动组(简

7、称变速组或传动组)串联实现的。 这是主传动变速系统的基本形式，称为基型变速系统(或常规变速系统)，即以单速电动机驱动，由若干变速组串联，使主轴得到既不重复又排列均匀(指单一公比)的等比数列转速的变速系统。,3. 2 分级变速主传动系统设计,3. 2. 2变速规律 一些术语: 1)级比 :同一变速组内相邻两传动比之比 2)级比指数 :相邻两传动比相距的格数称为级比指数 3)基本(变速)组 :变速组的级比指数为1 4)扩大(变速)组 :起变速扩大作用的变速组,3. 2 分级变速主传动系统设计,5)变速组的变速范围:该变速组的最大传动比iimax与最小传动比iimin之比,:变速组内相邻两传动比之比

8、(级比),xi-相邻两传动比相距的格数(级比指数),3. 2 分级变速主传动系统设计,主轴的转速范围(或变速范围)Rn:等于各变速组的变速范围ri的乘积 : Rn=r0r1.ri.rj 主轴的转速级数为Z=p0p1p2. (Pi为变速组的传动副数),3. 2 分级变速主传动系统设计,各变速组的级比、级比指数和变速范围的数值见表3-1 :,主轴的转速范围(或变速范围)Rn，等于各变速组的变速范围的乘积.,主轴的转速级数为Z=p0p1p2.,3. 2 分级变速主传动系统设计,3. 2. 3结构网及结构式 传动系统设计方案的简洁表达方式: (1)结构网(2)结构网 结构网只表示传动比的相对关系，而不

9、表示传动比和转速的绝得值. 结构网上代表传动比的射线呈对称分布 图3-3对应的结构式为12=312326。,3. 2 分级变速主传动系统设计,3.2.4拟定转速图的方法 拟定转速图的一般步骤为: 确定变速组数及各变速组的传动副数；安排变速组的传动顺序；拟定结构式(网)； 分配传动副传动比，绘制转速图。,3. 2 分级变速主传动系统设计,例3-1 : 某中型数控车床主轴最低转速为n1=31. 5r/min，转速级数Z=12，公比=1.41，电动机转速n电=1440r/ min，试拟定其主传动系统转速图。,3. 2 分级变速主传动系统设计,拟定转速图的步骤: 1)主轴的各级转速 确定: 由Z, ,

10、 n1可知主轴的各级转速应为: 31.5, 45, 63, 90, 125, 180, 250，500、710、1000、1400。 2)变速组和传动副数的确定 : 变速组和传动副数可能的方案有: 12=43 12=34 12=322 12=232 12=223,3. 2 分级变速主传动系统设计,2)变速组和传动副数的确定 : 变速组和传动副数可能的方案有: 12=43 12=34 12=322 12=232 12=223 考虑原则: 轴向安装尺寸 : “前多后少”的原则 :如传动副较多的变速组放在接近电动机，则可使小尺寸的零件多些，大尺寸的零件就可以少些. 综合结论:取12=322的方案 .

11、,3. 2 分级变速主传动系统设计,3)结构网或结构式方案的选择 : 在12=322中，又因基本组和扩大组排列顺序不同而有不同的结构式方案。可能的六种方案: (a) 12=312326 (b) 12=312623 (c) 12=3221 26 (d) 12=3421 22 (e) 12=32 26 21 (f) 12=342221,3. 2 分级变速主传动系统设计,选择结构式最佳方案的原则: 齿轮传动时传动副的极限传动比: 最小传动比iminl/4 ; 最大传动比imax2。如用斜齿轮传动，则imax 2.5 所以同时可知,变速组的极限变速范围: 主传动链任一变速组的最大变速范围一般为 810

12、。,3. 2 分级变速主传动系统设计,按照这一原则, 可去掉(d)和(f)结构式方案: (d) 12=3421 22 (f) 12=342221 其中含有变速组34, 该组变速范围: x2=4, p2=3，r2 =4（3-1）=1.418=16rmax，是不可行的。,3. 2 分级变速主传动系统设计,选择结构式最佳方案的原则: 基本组和扩大组的排列顺序 :应尽量使扩大顺序与传动顺序一致。 这样容易保证在可行的多种方案中，选择到中间传动轴的变速范围最小的方案。 而如果各方案同一传动轴的最高转速相同，则变速范围小的，最低转速较高，转矩较小，传动件的尺寸也就可以小些。 由此,在可行的四种方案(a),

13、 (b), (c), (e)中，选择方案(a) .,3. 2 分级变速主传动系统设计,4)分配传动比，绘制转速图。 电动机和主轴的转速是已定的，当选定了结构网或结构式后，就可分配各传动副的传动比并确定中间轴的转速，再加上定比传动，就可画出转速图。 中间轴转速的确定: 中间轴的转速如果能高一些，传动件的尺寸也就可以小一些。 中间轴如果转速过高，将会引起过大振动、发热和噪声。,3. 2 分级变速主传动系统设计,绘制转速图: A、 本例所选定的结构式共有三个变速组，变速机构共需4根轴，加上电动机轴共5根轴，(电动机到I轴为定比带传动)故转速图需5条竖线。主轴共12级转速，电动机轴转速与主轴最高转速相

14、近，故需12条横线。然后，标注主轴的各级转速及电动机轴的转速。,3. 2 分级变速主传动系统设计,B、“前慢后快”的降速分配原则: 目的：为使传动系统结构紧凑，尺寸小，在振动、噪声满足要求的前提下，应使传动件尽量工作在较高转速(转矩小)。 这样要求使得多数中间轴转速尽量高点，在分配降速路线上各传动副的传动比时，前面的轴降速慢（分配传动比比较小，下降较缓，转速较高），后面的轴分配传动比比较大，降速快。,3. 2 分级变速主传动系统设计,C、逐步形成完整的转速图： STEP1：分配最大降速路线上各传动副的传动比。即 STEP2：根据各变速组的级比、级比指数确定其他各传动副的传动比 STEP3：检验

15、各传动比，均未超出极限值。 STEP4：补全各连线，就可以得到如图3-2 ( b)所示的转速图。,3. 2 分级变速主传动系统设计,3.2.5 齿轮齿数的确定 齿轮的齿数取决于传动比和径向尺寸要求。 齿数和S与模数m关系：,3. 2 分级变速主传动系统设计,3.2.5 齿轮齿数的确定 1）为减小传动副的径向尺寸，应尽量减小齿数和 ； 2）最少齿数的齿轮受根切限制，以及根圆直径要满足装到一定直径传动轴上的强度要求，齿数不能太少 ，一般要求满足： 根切限制要求：Zmin1820； 齿根圆到轴的键槽槽底应有一定的壁厚以保证传动轴的强度要求，这要求： Zmin1.03D/m+5.6 D-齿轮花键轴外径

16、; m-齿轮模数,3. 2 分级变速主传动系统设计,3.2.5 齿轮齿数的确定 一般取齿数和s70120 ; 对于三联滑移齿轮，当采用标准齿轮且模数相同时，最大齿轮与次大齿轮的齿数差应4，以避免滑移过程中的齿顶干涉。,3.3无级变速传动链的设计,数控机床的主运动广泛采用无级变速 。 无级变速优势： 在一定范围内，转速(或速度)能连续地变换，从而获取最有利的切削速度。 数控机床一般都采用由直流或调速电动机作为驱动源的电气无级调速。,3.3无级变速传动链的设计,无级变速主传动链的问题： 调速电动机的功率与转矩特性难于直接和机床要求的理想的功率和转矩要求完全匹配。 解决问题： 需要在无级调速电动机之后串联机械分级变速传动，以满足调速范围和功率、转矩特性的要求。,3.3无级变速传动链的设计,概念：主传动系统的计算转速 设计机床主传动系统时，为了使传动件工作可靠、结构紧凑，必须对传动件进行动力计算。主轴及其他传动件(如传动轴、齿轮及离合器等) 的结构尺寸主要根据它所传递的转矩大小决定，即与传递的功率和转速这两个因素