《第3章数控机床主传动系统设计》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第3章数控机床主传动系统设计（122页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第三章 数控机床主传动系统设计 3.1 概述 3.2 分级变速主传动系统设计 3.3 无级变速传动链的设计 3.4 现代数控机床主传动系统 3.5 主传动系统结构设计3.1 概述n一 数控机床主传动系统的特点n二 主传动系统的设计要求 n三 数控机床主传动系统配置方式n四 主传动系统的类型一 数控机床主传动系统的特点与普通机床比较，数控机床主传动系统 具有下列特点：n 1 调速范围宽、功率大 n 2 热变形小、精度高n 3 高的刚度和抗振性 n 4 主轴组件的耐磨性高 n 5 尽量短的传动链n 6 快速换刀1 调速范围宽、功率大 满足不同的加工要求就要有不同的加工速度。由于数控机床的加工通常在
2、自动的 情况下进行，尽量减少人的参与，因而要求 能够实现无级变速，并迅速可调，使切削工 作始终在最佳状态下运行。3 高的刚度和抗振性数控机床上一般既要进行粗加工，又要精加 工；加工时可能由于断续切削、加工余量不均匀、 运动部件不平衡以及切削过程中的自激振动等原因 引起的冲击力或交变力的干扰，使主轴产生振动， 影响加工精度和表面粗糙度，严重时甚至破坏刀具 或零件，使加工无法进行。因此在主传动系统中 的各主要零部件不但要具有一定的静刚度，而且要 求具有足够的抑制各种 干扰力引起振动的能力-抗 振 性。抗振性用动刚度或动柔度来衡量。例如主轴组件的动刚度取决于主轴的当量静刚 度、阻尼比及固有频率等参数
3、。如果把主轴 组件视为一个等效的单自由度系统，则动刚 度 与动力参数的关系为：二 主传动系统的设计要求现在数控机床的主传动广泛采用无级变速传动用交流调速电动机或直流调速电动 机驱动，能方便地买现无级变速且传动链 短，传动件少，提商了变速的可靠性但其 制造精度要求很高。n1 主轴具有一定的转速和足够的转速范围 ，并 实现无级调速；n2 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；n3 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，热稳定性和噪声要小，传动 效率要高，以满足机床的工作性能要求；n4 操纵灵活可靠，调整维修方便，润滑密封良好 ，以
4、满足机床的使用要求；n5 结构简单紧凑，工艺性好，成本低，以满足经 济性要求。 三 数控机床主传动系统配置方式普通机床采用机械有级变速， 数 控机床的主传动变速主要有无级变速、 分段无级变速、主轴电动机调速三种方 式。它具有适应加工范围广工艺适应 性强，加工精度和自动化程度高等特 点。目前数控机床的主传动变速系统，有采用直流和交流调速电动机的无级变速，也有采用齿轮分 级变速的。但随着新型直流和交流主抽调速电动机 的日趋完善齿轮分级变速传动在逐渐减少采用 交流或直流调速电动机不仅可以大大简化机械结 构，而且可以很方便地实现范围很宽的无级变速， 还可以按照控制指令连续地进行变速实现恒线速 切削进一
5、步提高机床的工作性能。1 无级变速如图所示电机轴与主轴用联轴器同 轴连接大大简化了主轴箱和主轴结构 有效地提高了主轴部件的刚度，但主 轴输出扭矩不能放大，电动机发热对主 轴精度影响较大：现多采用交流伺服电 动机，功率大输出功率与实际消耗的 功率能保持同步，效率高。2 分段无级变速如图所示，主轴电动机经二级齿轮变速使主轴获得低速和高速两种转速，成为 分段无级变速。通过齿轮传动降速后输出 转矩可以扩大，以满足主轴低速时输出扭矩 特性的要求。这种配置方式在大中型数控机 床中采用较多，小型数控机床也有采用，以 获得强力切削时所需要的扭矩。经齿轮变速 传动经同步齿 形带传动如图所示主轴电动机经同步齿形带
6、以定比传动传递给主轴。由于输出扭 矩较小，主要用于小型数控机床对扭矩 特性有要求的主轴可以减小传动中的 振动和噪音。如图所示，电动机转子轴即为机床主 轴的电动机主轴，简称电主轴，是近年来 新出现的一种结构，其优点是主轴部件结 构更紧凑，刚度强重量轻惯量小，可 提高调速电动机启动、停止的响应特性。 其缺点是电机发热引起热变形问题，造价 较高。四 主传动系统的类型n1 按动力源的类型n2 按传动装置类型 n3 按变速的连续性 n1 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。交流电动机驱动中又可分单速交流 电动机、调速交流电动机和交流伺服电动 机驱动。调速交流电动机驱动又有多速交 流电动
7、机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。n2 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。n3 按变速的连续性n分级变速传动 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20-30级。 n无级变速传动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。 3.2 分级变速主传动系统设计机床主传动运动设计的任务是按照 已确定的运动参
8、数、动力参数和传动 方案，设计出经济合理、性能先进的 传动系统。其主要设计内容为：拟定 结构式或结构网；拟定转速图，确定 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。一、转速图转速图由“三线一点”组成：传动 轴线、转速线、传动线和转速点。是 分析和设计主传动系统的特殊图线。机床主传动系统(a)传动系统图 (b)转速图 上图的传动路线表达式是： （主轴） n 图(b)为该传动系统的转速图：n传动轴线：间距相等的一组竖直线（细线） 表示各传动轴。n转速线：间距相等的一组水平线（细线）表 示转速的对数坐标。n转速点：传动轴格线上的圆点表示该轴所具 有的转速。 n传动
9、线：传动轴格线间的转速点连线（粗线 ）表示相应传动副的传动比，称为传动比连 线。转速线：由于主轴转速是等比数列，则相邻两转速有下列关系：两边取对数，得： 结论：任意相邻两转速的对数之差均为同一数，将转速坐标取为对数坐标时，则任意相邻 两转速都相距一格。为了方便，转速图上不写符号，而是直接标出转速值（即对数真 值）。转速线间距大小，并不代表公比的数值大小。n传动线：传动线有如下几个特点：n传动线的倾斜方向和倾斜程度表示传动比的 大小。n由一个主动转速点引出的传动线数目，表示 该变速组中不同传动比的传动副数。n两个传动轴格线间相互平行的传动线，表示 同一个传动副的传动比。所以转速图可以清楚地表示：
10、传动轴的数目， 主轴及各传动轴的转速级数、转速值及其传动路 线，变速组的数目及传动顺序，各变速组的传动 副数目及传动比数值等。（三线一点）二 变速规律 前面转速图中所示的机床主轴12级转速 是由三个变速传动组（简称变速组或传动 组）串联实现的。这是主传动变速系统的 基本型式，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。v级比规律：v级比：变速组内相邻传动比的比值，用 表示。其指数用 表示。v基本组：是实现主轴转速为等比数列必不可少、最基 本的变速组。其级比指数 为，说明组中相邻传动 线之间
11、相差均为一格。v扩大组：在基本组的基础上起变速扩大作用。本图中 共有两个扩大组，称为第一扩大组和第二扩大组。第 一扩大组的级比指数等于基本组的传动副数。第二扩 大组级比指数等于基本组传动副数和第一扩大组传动 副数的乘积。依此类推，设有第 扩大组，其级比指 数 。 n扩大顺序：变速组按其级比指数由小 到大的排列顺序称为扩大顺序。n传动顺序：由电动机到主轴传动的先 后排列顺序称为传动顺序。n综上所述，若使主轴获得连续而不重 复的等比数列转速，则变速传动系统 各变速组必须遵守级比规律。v2 变速组中的变速范围变速组中最大与最小传动比的比值，称为该变速组的变速范 围。即：主轴的变速范围等于变速传动系统
12、中各变速组变速范围的乘 积。 三 结构网及结构式 结构网或结构式用于分析和比较不同的 传动系统设计方案，它与转速图的主要差 别是：结构网只表示传动比的相对关系， 而不表示传动比和转速的绝对值，而且结 构网上代表传动比的传动线呈对称分布形 式。结构网也可写成结构式，结构式 能够表示变速系统最主要的三个变速参量 （主轴转速级数、各变速组的传动副数、 各变速组的级比指数）。 12级传动系统结构网上图所对应的结构式为：12 3 12表示主轴的变速级数，3，2，2分别表示按 传动顺序排列的各变速组的传动副数，即第一变 速组的传动副数为3，第二变速组的传动副数为2 ，第三变速组的传动副数为2。结构式中的下
13、标1 ，3，6分别表示各变速组中相邻两传动比相距的 格数。结构网或结构式表达的内容相同，与转速图 具有完全一致的变速特性。同一个结构网或结构 式可以有许多不同的转速图，而一个转速图只能 对应一个结构网和结构式。结构网比结构式更直 观，而结构式比结构网更简单。 四 拟定转速图的方法n拟定转速图的一般步骤为： n确定变速组数及各变速组的传动副 数； n安排变速组的传动顺序，拟定结构 式(网)； n分配传动副传动比，绘制转速图。 n需要遵循的原则：n（1）变速组中的极限传动比及变速范 围的限制条件n（2）减小传动件尺寸的原则n（3）改善传动性能的注意事项n（1）变速组中的极限传动比及变速范围的限制条
14、 件n在降速传动中，为避免从动齿轮尺寸过大而增 加变速箱的径向尺寸，限制最小传动比 Umin1/4;n在升速传动中，为了避免扩大传动误差，减小 振动与噪声，限制直齿圆柱齿轮最大传动比 Umax2,斜齿圆柱齿轮由于传动比较平稳，可以 取Umax2.5;n进给传动系统，由于传递的功率小，转速低， 尺寸较小，传动比限制可适当的放宽, Umin1/5, Umax2.8.n主传动各变速组的最大变速范围： rmax= Umax Umin=-n进给传动各变速组最大变速范围： rmax = Umax Umin=14n（2）减小传动件尺寸的原则传动件所传递的转矩为： T=9550P/nc, nc为传动件的计算转
15、速， P为传动件传递的功率。可以看出：当 传递功率一定时，传动件转速高时传 递的转矩较小，可减小传动件的尺寸 ，节省材料，使变速箱结构紧凑。n变速组中的传动副要前多后少；n变速组的传动线要前密后疏；n变速组的降速要前慢后快。同理， 升速要前快后慢。n为了便于设计，传动比值最好取标 准公比的整数幂次。n（3）改善传动性能的注意事项n传动链要短；n转速和要小；n齿轮线速度要小；n空转件要小。n从以上可以得出变速传动系统运动设计要 点：n一个规律；级比规律n两个限制：齿轮极限传动比，齿轮变 速组变速范围n三项原则：前多后少，前密后疏，前 慢后快n四项注意：传动链要短，转速和要小 ，齿轮线速度要小，空
16、转件要少。 XA6132A铣床主传动系统中，已知主轴转 速范围30-1500r/min，转速级数为18级，公 比1.26，电动机转速为1440r/min。某车床主轴转速为40-1800r/min， 公比1.41，电动机的转速1440r/min。 拟定结构式和结构网，绘制转速图。五 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。在 同一变速组中，若模数相同，且不采用变位齿轮时 ，则传动副的齿数和相同，若模数不同，则齿数和 与模数成反比即：若、分别为某传动副的主、被动轮齿数，v确定齿数和时，应尽量小，一般来 讲主要受最小齿轮的限制，而最小 齿轮式在变速组内降速比或升速比 最大的一对齿轮中，因此应先确定 小齿轮齿数。确定齿轮齿数应注意的问题n（）齿轮的齿数和不应过大，以免加大两轴间 的中心距；一般推荐Sz100-120。n（）齿轮的齿数和不应
