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1、第七章机床总体设计及传动系统设计第一节机床设计的基本要求第二节机床的总体布局第三节机床主要技术参数的确定第四节主传动系统设计概述第五节有级变速主传动系统设计第六节计 算 转 速第七节无级变速主运动传动系统设计第八节进给传动系统设计概述第九节数控机床进给传动系统及组成元件第一节机床设计的基本要求一、工艺范围机床的工艺范围是指机床适应不同生产要求的能力。二、生产率和自动化程度高效率机床是我国机床发展的一个重要方向。三、加工精度和表面粗糙度所谓机床的加工精度是指被加工零件在形状、尺寸和相互位置方面所能达到的准确程度。四、可靠性机床的可靠性是指其在额定寿命期内，在特定工作条件下和规定时间内出现故障的概
2、率。五、机床的效率和寿命机床的效率是指消耗于切削的有效功率与电动机输出功率之比。第一节机床设计的基本要求六、系列化、通用化、标准化程度产品系列化、零部件通用化和标准化简称为“三化”，其目的是便于机床设计、使用与维修；对机床产品的品种、规格、质量、数量和生产效率等有着重要的意义，它是一项重要的技术经济政策。表7-1摇臂钻床系列型谱(单位：mm)第一节机床设计的基本要求图7-1摇臂钻床的型式七、其他第一节机床设计的基本要求人机关系已成为十分重要的问题。第二节机床的总体布局一、表面成形方法工件的表面是通过刀具与工件之间的相对运动而获得的，这种工件与刀具之间的相对运动称为“表面成形运动”。图7-2数控
3、镗铣床布局第二节机床的总体布局二、机床运动的分配工件表面成形方法和运动相同，而机床运动分配不同，机床布局就不同了。三、工件的尺寸、质量和形状工件的表面成形运动及机床部件的运动分配基本相同，但是工件的尺寸、质量和形状不同，也会引起机床布局的变化。图7-3工件尺寸对车床总布局的影响第二节机床的总体布局四、工件的技术要求工件的技术要求，包括加工表面的尺寸精度、几何精度和表面粗糙度等。五、生产规模和生产率由于生产规模大小和生产率的要求，必定会对机床布局提出不同要求，如考虑主轴数目、刀架形式、自动化程度、排屑和装卸等问题，从而导致机床布局变化。图7-4数控车床热变形方向与切入方向垂直第二节机床的总体布局
4、图7-5数控车床的布局六、其他因素第二节机床的总体布局机床的总体布局必须充分考虑到人的因素，处理好人机关系，如注意减轻操作者劳动强度，为操作者提供舒适的工作条件，保障操作者的身心健康，提高工作效率。第三节机床主要技术参数的确定一、主参数和尺寸参数机床的主参数是最为重要的，它必须满足以下要求。1) 直接反映出机床的加工能力和特性。2) 能决定其他基本参数值的大小。3) 作为机床设计和用户选用机床的主要依据。二、运动参数运动参数是指机床执行件(如主轴、工作台、刀架)运动的速度，即主轴的最高转速、最低转速、主轴转速数列、进给量最大值和最小值、进给量数列等。(一)主运动参数1.主运动速度范围2.有级变
5、速的转速数列第三节机床主要技术参数的确定1) 对于某一个公比，任意两个相邻转速之间的最大相对速度损失Amax为一个常数，因而转速分布的疏密程度比较均匀合理。2) 这种转速数列可以由几个变速组的不同传动比搭配相乘得到，能用较少的齿轮实现较多级的转速，使传动系统得到简化。(二) 进给运动参数(三) 标准公比和标准数列表7-2标准公比1) 公比是2的某次方根，其数列每隔若干项增加或缩小2倍，如=，数列为10、12.5、16、20、25、32、40等，每隔3项增大2倍。2) 公比是10的某次方根，其数列每隔若干项增大或缩小10倍。第三节机床主要技术参数的确定三、动力参数动力参数指主运动、进给运动和辅助
6、运动的动力消耗，它主要由机床的切削载荷和驱动的工件质量等决定。(一) 主传动功率的确定1.近似计算法2.调查统计类比法(二) 进给传动功率的确定第三节机床主要技术参数的确定表7-3现有某些国产常用机床的主要运动参数和动力参数指刀架纵进给，不包括加大进给和小进给，第三节机床主要技术参数的确定横进给常为纵进给的1/2。指工作台纵、横进给，升降台竖直进给为纵、横进给的1/3。指立刀架的水平进给。指砂轮主轴转速。高速用于砂轮磨损、直径变小的情况，以保证砂轮外圆线速度约为85m/s。指砂轮架电动机。(三) 快速移动功率的确定第三节机床主要技术参数的确定表7-4机床部件空行程速度和功率第四节主传动系统设计
7、概述1.表面成形运动传动系统1) 主运动传动系统。2) 进给运动传动系统。3) 切入运动传动系统。2.辅助运动传动系统1) 机床的末端执行件(如主轴)应有足够的转速范围和变速级数。2)机床的动力源和传动机构需要能够输出和传递足够的功率和转矩，并有较高的传动效率。3)机床的传动机构，特别是末端执行件必须有足够的精度、刚度、抗振性能和较小的热变形。4) 应该合理地满足机床的自动化程度和生产率的要求。5) 机床的操作和控制要灵活，安全可靠，噪声要小，维修方便。第五节有级变速主传动系统设计一、转速图的基本规律和拟定方法图76a所示为一个变速箱的传动系统图，图76b所示为该变速箱的转速图。图7-66级主
8、传动系统1) 距离相等的竖直线代表传动系统的各轴，第五节有级变速主传动系统设计从左到右依次标注、。2) 距离相等的横直线与竖直线相交点(用圆圈表示)，代表各级转速。3) 相邻两轴之间相应转速的连线代表相应传动副的传动比，传动比的大小以连线的倾斜方向和倾斜度表示，从左向上斜是升速传动，从左向下斜是降速传动。1.从转速图中可见传动系统的变速基本规律1) 变速系统的变速级数是各变速组传动副数的乘积。2) 机床的总变速范围Rn是各变速组变速范围的乘积。3) 变速组的传动比之间的关系。2.分析和拟定转速图的一般原则(1) 变速组及传动副的选择以12级转速为例，其传动方案可有第五节有级变速主传动系统设计(
9、2) 基本组和扩大组的排列顺序在一般情况下，应尽量使基本组安排在传动顺序最前面，其次是第一扩大组、第二扩大组使变速组的扩大顺序和传动顺序一致。(3) 变速组的极限传动比一般限制降速的最小传动比umin1/4，对升速的最大传动比umax22.5。图7-7卧式升降台铣床主传动系统第五节有级变速主传动系统设计(4) 各中间轴的转速尽量高在传动顺序上，各变速组的最小传动比应采取逐步降速的方法。二、卧式升降台铣床的主传动系统(图7-7)分析从转速图中，已知卧式升降台铣床的主轴转速范围为301500r/min，主轴18级转速，公比=126。1) a变速组为轴之间传动。2) b变速组为轴之间传动。3) c变
10、速组为轴之间传动。第六节计 算 转 速图7-8功率和转矩特性第六节计 算 转 速表7-5各类机床的主轴计算转速第七节无级变速主运动传动系统设计一、概述机床主运动采用无级变速，不仅能在调速范围内选择到合理的切削速度，而且换向迅速平稳，能实现不停车自动变速，简化了变速箱的结构，缩短了传动链，所以这种变速方式在数控机床、高精度机床和大型机床的主运动中得到广泛的应用。图7-9直流和交流电动机转矩、功率与转速的特性第七节无级变速主运动传动系统设计二、采用无级调速电动机的主运动变速系统设计(一) 主轴的功率和转矩特性(二) 主轴与电动机在功率特性上的匹配(三) 有级变速箱设计图7-10调速电动机变速系统的
11、功率、转矩特性曲线第七节无级变速主运动传动系统设计表7-6和Z值(四) 设计举例1.确定主轴恒功率范围2.选用电动机及齿轮变速箱的Z和1) 初选直流电动机Z2-51，额定功率PD=5.5kW，额定转速为1500r/min，高速为2400r/min。2) 改选直流电动机Z2-52，额定功率PD=7.5kW，额定转速为1500r/min，高速为2400r/min。第七节无级变速主运动传动系统设计三、电主轴电主轴的电动机转子与主轴为一体，置于前后轴承之间，电动机定子则在套筒内，一般前支承采用两个径向推力轴承。第八节进给传动系统设计概述一、进给传动系统的组成图711是两种典型机床的进给传动框图。图7-
12、11两种典型机床进给传动框图a) CA6140型卧式车床进给系统b) 卧式升降台铣床进给系统第八节进给传动系统设计概述1.动力源2.传动装置3.执行件二、进给传动系统的特点1.进给运动速度低、消耗功率少2.进给运动数目多3.恒转矩传动第九节数控机床进给传动系统及组成元件一、数控机床进给传动系统的组成和特点数控机床的进给传动系统通常称为伺服进给系统，它由伺服电路、伺服驱动元件、机械传动装置和执行件组成。1.传动精度高2.响应速度快3.调速范围宽1) 在124000mm/min范围内，速度均匀、稳定、低速时无爬行。2) 在1mm/min以下的低速状态时仍具有一定的响应能力。3) 零速度时，电动机处
13、于伺服锁定状态，工作台停止运动并保持定位精度。第九节数控机床进给传动系统及组成元件图7-12数控机床进给传动框图第九节数控机床进给传动系统及组成元件图7-13数控机床进给传动系统1驱动元件2定比机构3执行件4转换机构第九节数控机床进给传动系统及组成元件图7-14三坐标轴的伺服进给系统二、伺服驱动元件第九节数控机床进给传动系统及组成元件伺服进给系统的驱动元件主要用于提供执行件所需的动力和运动，并能实现调速和换向等。1) 调速范围宽，在整个调速范围内速度稳定，尤其在很低转速时，如0.1r/min或更低转速时，仍有平稳的速度输出。2) 具有较长时间并且较大的过载能力，以满足低速大转矩的要求。3) 为
14、了满足快速响应的要求，电动机的转动惯量应该较小并具有较大的堵转转矩，以及尽可能小的加速时间常数和起动电压。4) 能承受频繁的起停和换向。1.步进电动机第九节数控机床进给传动系统及组成元件图7-15反应式步进电动机工作原理图2.大惯量直流伺服电动机第九节数控机床进给传动系统及组成元件图7-16交流伺服电动机工作原理图第九节数控机床进给传动系统及组成元件3.交流伺服电动机三、滚珠丝杠螺母副1.工作原理与特点图7-17滚珠丝杠螺母副结构及原理1丝杠2钢珠3螺母4返向回珠器5插管式回珠器第九节数控机床进给传动系统及组成元件1) 摩擦损失小，传动效率可达0.900.96。2) 丝杠螺母经预紧后，可以完全
15、消除间隙，提高了传动刚度。3) 静、动摩擦系数差异很小，运动灵敏度高，不易产生爬行。4) 不能自锁，运动具有可逆性，丝杠垂直安置时，通常应采取安全制动措施。2.轴向间隙的调整和预紧图7-18滚珠丝杠轴向间隙调整法1、2螺母3后螺母4前螺母第九节数控机床进给传动系统及组成元件(1) 螺纹调隙式如图7-18a所示，通过前螺母4调节，可以使螺母1和螺母2分别有一个向左和右的微小位移，从而消除间隙。(2) 垫片调隙式如图7-18b所示，通过对垫片修磨来改变其厚度，可以使两个螺母产生轴向相对位移。(3) 齿差调隙式如图7-18c所示，两个螺母凸缘上均有外齿，并分别与紧固在螺母座两端的内齿圈(或齿块)相啮
16、合，两端的齿数z1和z2的齿数差为1。3.滚珠丝杠的支承及预拉伸1) 图7-19a所示为一端固定一端自由。2) 图7-19b所示为一端固定一端简支。3) 图7-19c所示为两端固定。4) 图7-19d所示为两端分别固定。第九节数控机床进给传动系统及组成元件四、位移检测装置(一) 位移检测装置的要求与工作方式1.位移检测装置的要求1) 工作可靠。2) 满足精度和速度的要求。图7-19滚珠丝杠的支承形式第九节数控机床进给传动系统及组成元件3) 使用维修方便，成本低。2.位移检测装置的工作方式(1) 数字式和模拟式数字式测量时，被测量以数字形式表示，测量信号一般为电脉冲，数字信号可以直接送到数控装置
17、进行比较和处理；模拟式测量时，被测量用连续变量来表示，如电压或相位的变化等，数控机床采用模拟式测量主要用于小量程测量。(2) 增量式测量和绝对式测量增量式测量时，量程范围内的任一点都可作为测量的起点，测量信号反映的是相对测量起点的位移值，不反映被测件的绝对位置；绝对式测量时，有一个固定的零点作为测量基准，因此，每一个被测点都有一个相对应的测量值。第九节数控机床进给传动系统及组成元件(3) 直接式和间接式直接式测量是将检测装置安装在执行件上，测量信号直接反映执行件的位移；间接式测量是将检测装置安装在丝杠轴或伺服电动机轴上，测量信号间接地反映执行件的位移。图7-20感应同步器工作原理图1正弦绕组2定尺3滑尺4余弦绕组第九节数控机床进给传动系统及组成元件(二) 位移检测装置的类型1.感应同步器2.光栅传感器图7-21光栅及光栅测量原理图1光源2聚光透镜3标尺光栅4指示光栅5光电元件
