“十一五”國家級規(guī)劃教材,主 編：李慶余 孟廣耀 副主編：張 佳 董 鋒,機械制造裝備設(shè)計,緒論,一、機械制造業(yè)在國民經(jīng)濟中的地位 機械制造業(yè)是國民經(jīng)濟各部門賴以發(fā)展的基礎(chǔ)，是國民經(jīng)濟的重要支柱，是生產(chǎn)力的重要組成部分。 機械制造業(yè)的生產(chǎn)能力和制造水平，主要取決于機械制造裝備的先進程度。機械制造裝備的核心是金屬切削機床 。而金屬切削機床的技術(shù)水平直接影響到機械制造業(yè)的產(chǎn)品質(zhì)量和勞動生產(chǎn)率。,緒論,一個國家的機床工業(yè)水平在很大程度上代表著這個國家的工業(yè)生產(chǎn)能力和科學(xué)技術(shù)水平。 二、機械制造裝備的狀況及發(fā)展前景 1、五十年代為“規(guī)模效益”模式，少品種大批量生產(chǎn)模式；,2、七十年代為“精益生產(chǎn)”模式，以提高質(zhì)量，降低成本為標(biāo)志； 3、八十年代，較多的采用數(shù)控機床、機器人、柔性制造單元和系統(tǒng)等高技術(shù)的集成機械制造裝備； 4、九十年代，機械制造裝備普遍具有“柔性化”、“自動化”和“精密化”的特點，適應(yīng)多品種小批量和經(jīng)常更新產(chǎn)品的需要。,緒論,緒論,三、機械制造裝備的組成 機械制造裝備包括加工設(shè)備、工藝裝備、 工件輸送裝備和輔助裝備。 1、加工設(shè)備，主要指金屬切削機床，特種加工機床。,2、工藝裝備，是機械加工中所使用的刀具、模具、機床夾具、量具、工具的總稱。 3、工件輸送裝備，主要指坯料、半成品或成品在車間內(nèi)工作地點間的轉(zhuǎn)移輸送裝置，以及機床的上下料裝置。 4、輔助裝備，包括清洗劑、排屑裝置和計量裝置等。,緒論,緒論,四、本課程主要研究內(nèi)容 1、金屬切削機床設(shè)計 2、刀具設(shè)計 3、機床夾具設(shè)計,第一章 金屬切削機床的總體設(shè)計,機床的總體設(shè)計是機床設(shè)計的關(guān)鍵環(huán)節(jié),對機床的技術(shù)性能和經(jīng)濟性指標(biāo)起著決定性作用。 機床的總體設(shè)計是根據(jù)設(shè)計要求，通過調(diào)查研究，檢索資料，掌握機床設(shè)計的依據(jù)；然后進行工藝分析，擬定出性能先進，經(jīng)濟性好的工藝方案，必要時畫出加工示意圖；在此基礎(chǔ)上確定機床總布局，畫出機床聯(lián)系尺寸圖；確定所設(shè)計機床的主要技術(shù)參數(shù)。,1.1 機床的基本要求,一、機床應(yīng)具有的性能指標(biāo) 1、工藝范圍 指機床適應(yīng)不同生產(chǎn)要求的能力。包括可加工的零件類型、形狀和尺寸范圍，能完成的工序種類等。,第一節(jié) 機床的基本要求,2、加工精度 指被加工工件表面的形狀位置、尺寸的準(zhǔn)確度，表面的粗糙程度。機床的精度分為三級：普通精度機床；精密機床；高精度機床。 3、生產(chǎn)率和自動化 指機床在單位時間內(nèi)所能加工的工件數(shù)量。 4、可靠性 機床在整個使用壽命期間內(nèi)完成規(guī)定功能的能力 。,1.1 機床的基本要求,1.1 機床的基本要求,二、人機關(guān)系 機床除具有一定的計術(shù)性能指標(biāo)外，還應(yīng)有良好的人機關(guān)系。即使機床符合人的生理和心理特征，實現(xiàn)人機環(huán)境高度協(xié)調(diào)統(tǒng)一，為操作者創(chuàng)造一個安全、舒適、可靠、高效的工作條件；能減輕操作者精神緊張和身體疲勞。,1.1 機床的基本要求,機床的信號指示系統(tǒng)的顯示方式、顯示器位置 等都能使人易于無誤的接受；機床的操縱應(yīng)靈活 方便，符合人的動作習(xí)慣，使操作者從接收信號 到產(chǎn)生動作不用經(jīng)過思考，提高正確操作的速度，不 易產(chǎn)生誤操作或故障。 機床造型應(yīng)美觀大方，色彩協(xié)調(diào)，提高作業(yè) 舒適度。另外，應(yīng)降低噪聲，減少噪音污染。,1.2 金屬切削機床的設(shè)計步驟,第二節(jié)金屬切削機床的設(shè)計步驟 機床設(shè)計大致包括四個階段： 第一、總體設(shè)計 第二、技術(shù)設(shè)計 第三、零件設(shè)計 第四、樣機試制和鑒定,1.2 金屬切削機床的設(shè)計步驟,一、總體設(shè)計 1掌握機床的設(shè)計依據(jù)，包括技術(shù)信息、實驗研究 成果、新技術(shù)的應(yīng)用成果 。 2工藝分析，優(yōu)化加工方案。必要時畫出加工示意 圖。 3總體布局,確定機床刀具和工件的相對運動，確定 各部件的相互位置。,畫出傳動原理圖，主要部件的結(jié)構(gòu)草圖，液壓系統(tǒng)原 理圖，電氣控制電路圖，操縱控制系統(tǒng)原理圖。畫出 機床聯(lián)系尺寸圖機床原始總圖。 總體設(shè)計階段應(yīng)采用可靠性設(shè)計原理，進行預(yù)防 故障設(shè)計。利用概率設(shè)計，將所設(shè)計零件的失效概率 限制在允許的很小范圍內(nèi)，以滿足可靠性定量的要求。 4確定主要的技術(shù)參數(shù)，主要參數(shù)包括尺寸參數(shù)、 運動參數(shù)和動力參數(shù) 。,1.2 金屬切削機床的設(shè)計步驟,可靠性設(shè)計的六條原則： 采用成熟的經(jīng)驗或經(jīng)分析試驗驗證了的方案； 結(jié)構(gòu)簡單，零部件數(shù)量少； 多用標(biāo)準(zhǔn)化、通用化零部件； 重視維修性，便于檢修、調(diào)整、拆換； 重視關(guān)鍵零件的可靠性和材料選擇； 充分運用故障分析成果，及時反饋，盡早改進。,1.2 金屬切削機床的設(shè)計步驟,1.2 金屬切削機床的設(shè)計步驟,二、技術(shù)設(shè)計 畫出傳動系統(tǒng)圖，繪制部件裝配圖，繪制電氣系統(tǒng) 安裝接線圖，液壓系統(tǒng)和控制操作系統(tǒng)裝配圖，繪制 總裝配圖及部件裝配圖 三、零件設(shè)計及資料編寫 四、樣機試制和鑒定 樣機試制；空車試運轉(zhuǎn)；隨后進行工業(yè)性試驗，在 額定載荷下進行試工作，并寫出工業(yè)性試驗報告。,1.3 機床的總體布局,一、分配機床的運動 機床運動的分配應(yīng)掌握三個原則： 1、將運動分配給質(zhì)量小的零部件。 運動件質(zhì)量小，慣性小，需要的驅(qū)動力就小，傳 動機構(gòu)體積??；制造成本低。 2、 運動分配應(yīng)有利于提高工件的加工精度。 3、 運動分配應(yīng)有利于提高運動部件的剛度。 4、運動的分配應(yīng)視工件形狀而定。,1.3 機床的總體布局,二、選擇傳動形式和支承型式 機床的主傳動按驅(qū)動電動機類型分為，交流電動 機驅(qū)動和直流電動機驅(qū)動；交流電動機驅(qū)動又分為單 速電動機、雙速電動機及變頻調(diào)速電動機驅(qū)動。 機床傳動的形式有機械傳動，液壓傳動等。機械 傳動靠滑移齒輪變速，變速級數(shù)一般少于30級，它傳 遞功率大，變速范圍較廣，傳動比準(zhǔn)確，工作可靠， 廣泛用于通用機床中 。,支承型式是指支承件的形狀，支承件高度方向尺 寸小于長度方向尺寸時稱為臥式支承；支承件高度方 向尺寸大于長度方向尺寸時稱為立式支承。 臥式支承的機床，重心低，剛度大，是中小型機 床的首選支承形式。立式支承又稱為柱式支承，簡稱 為立柱。這種支承占地面積小，剛度較臥式差，機床 的操作位置比較靈活。龍門框架支承，是單臂支承的 改進形式,又稱為雙柱式支承，適用于立式大型機床 。,1.3 機床的總體布局,1.3 機床的總體布局,三、安排操作部位 機床總體設(shè)計,在考慮達到技術(shù)性能指標(biāo)的同時， 必須注意機床操作者的生理和心理特征，充分發(fā)揮人 和機床的各自特點，達到人機最佳綜合功效。,1.3 機床的總體布局,機床各部件相對位置的安排，應(yīng)保證：操作者 和工件有適當(dāng)?shù)南鄬ξ恢?，有足夠的活動空間，以便 于工件的裝卸、刀具的安裝調(diào)試、加工情況的觀察和 工件檢驗；操作者與操作手柄等控制元件的適當(dāng)位 置，有足夠的操作空間，達到操作準(zhǔn)確、省力、方便； 操作件應(yīng)按GB4141選用，操作件之間有合理的距 離；功能不同的按鈕應(yīng)有不同的顏色，且這些顏色 應(yīng)和人的視覺習(xí)慣一致、符合人的心理生理特征。防 止誤操作。,1.3 機床的總體布局,四、提高動剛度的措施 1、抗振性能的提高 機床的抗振性是指機床工作部件在交變載荷下抵 抗變形的能力，包括抵抗受迫振動和自激振動的能力。 習(xí)慣上稱前者為抗振性，后者為切削穩(wěn)定性。 自激振動，可通過增大工作部件的阻尼比外、調(diào) 整切削用量來避免，使切削穩(wěn)定。 機床外部的振源，最可靠有效的方法就是隔離振源。,1.3 機床的總體布局,無法隔離的振源，應(yīng)采用下列措施： 選擇合理的傳動形式，盡量減短傳動鏈，減少 傳動件個數(shù)。既減少振動源的數(shù)量； 提高傳動鏈各傳動軸組件，尤其是主軸組件的 剛度，提高其固有角頻率； 大傳動件應(yīng)作動平衡或設(shè)置阻尼機構(gòu)； 箱體外表面涂刷高阻尼涂層，增加阻尼比； 提高各部件結(jié)合面的表面精度，增強局部剛度。,1.3 機床的總體布局,2、減小熱變形 減少熱變形最簡單最有效的方法是隔離熱源。 不能分離的熱源，應(yīng)采用以下措施：產(chǎn)生熱量 較大的熱源，進行強制冷卻。 熱源相對結(jié)構(gòu)對稱，熱變形后中心位置不變。 改善排屑狀態(tài)。數(shù)控車床將床身傾斜與主軸后 上方，使切屑在自重作用下落入下面小車中或切屑輸 送機上，切屑不與床身和導(dǎo)軌副接觸，避免了切屑攜 帶的切削熱傳給導(dǎo)軌床身，減少了熱變形。,1.3 機床的總體布局,3、降低噪聲 機床主要的噪聲源是齒輪振動，減少齒輪噪音的 措施有：縮短傳動鏈，減少傳動件的個數(shù)； 采用小模數(shù)、硬齒面齒輪，降低傳動件的線速度。 提高齒輪的第組精度； 采用增加齒數(shù)、減小壓力角或圓柱螺旋齒輪，增加 齒輪嚙合的重合度，機床齒輪的重合度應(yīng)不小于1.3； 提高傳動件的阻尼比；增加支承組件的剛度。,1.3 機床的總體布局,五、造型設(shè)計 機床的造型必須與功能相適應(yīng)，功能決定造型，造型表現(xiàn)功能。機床的造型設(shè)計是在保證人機關(guān)系的基礎(chǔ)上，應(yīng)用藝術(shù)規(guī)律和造型美學(xué)法則加以精煉和塑造，得到恰到好處的造型。機床造型總的原則是經(jīng)濟實用，美觀大方。盡管人的審美觀不盡相同，但還是有規(guī)律可循，良好的外觀造型應(yīng)從機床造型設(shè)計和色彩兩方面去評價。,1.3 機床的總體布局,外觀造型應(yīng)使機床整體統(tǒng)一，均衡穩(wěn)定，比例協(xié)調(diào)。部件的形體目前多流行小圓角過渡的棱柱體造型,長、寬（或高）的比率要適當(dāng)，常用的比值為：黃金分割比率、均方根比率、整數(shù)比率等；各部件的形體比率相互協(xié)調(diào),做到銜接緊密、轉(zhuǎn)換自然，組合而成的外形輪廓的幾何線型要大體一致，達到線型風(fēng)格的協(xié)調(diào)統(tǒng)一；整體造型應(yīng)使人感到穩(wěn)定而不笨重，輕巧且安定。,1.3 機床的總體布局,色彩可配合造型使機床達到人的審美要求。機床的主色調(diào)是綠色。實踐證明，綠色有助于提高勞動生產(chǎn)率，藍(lán)色和紫色則降低勞動生產(chǎn)率。國內(nèi)外各種機床多采用綠色，它給人以貼近自然，適宜、舒暢的感覺，同時也是一種耐油污的隱蔽色。 機床色彩應(yīng)適應(yīng)不同的使用環(huán)境，熱帶地區(qū)使用的機床宜采用冷色，如乳白色、奶黃色，使人產(chǎn)生清涼、心情平靜的感覺；寒冷地區(qū)應(yīng)采用暖色，如桔黃色、桔紅色等，以增強人們的溫暖感。,1.4 主要技術(shù)參數(shù)的確定,一、尺寸參數(shù) 機床的尺寸參數(shù)是指影響機床加工性能的一些尺寸。 主參數(shù)代表機床的規(guī)格的大小，是最重要的尺寸參數(shù)。另外，機床尺寸參數(shù)還包括第二主參數(shù)和一些重要的尺寸。 機床的主參數(shù)已規(guī)定在“GB/T153751994金屬切削機床型號編制方法”中，每種機床的主參數(shù)按等比數(shù)列排列。,1.4 主要技術(shù)參數(shù)的確定,二、運動參數(shù) 主運動為旋轉(zhuǎn)運動的機床，主運動的運動參數(shù)為主軸轉(zhuǎn)速 。轉(zhuǎn)速與切削速度 的關(guān)系為：,工件或刀具直徑（mm）。,1.4 主要技術(shù)參數(shù)的確定,1最低轉(zhuǎn)速和最高轉(zhuǎn)速的確定 按照典型工序的切削速度和刀具（或工件）直徑，由主軸轉(zhuǎn)速公式計算出最低轉(zhuǎn)速 、最高轉(zhuǎn)速 、變速范圍 ，其中D是機床加工的最大直徑（主參數(shù)），k是系數(shù) 。,1.4 主要技術(shù)參數(shù)的確定,1.4主軸轉(zhuǎn)速,2主軸轉(zhuǎn)速的合理排列 機床的主軸轉(zhuǎn)速絕大多數(shù)是按照等比數(shù)列排列的。原因是：設(shè)計簡單；使用方便，最大相對轉(zhuǎn)速損失率相等。 (1) 設(shè)計方便 如果機床的主軸轉(zhuǎn)速數(shù)列是等比的，公比為 ，且轉(zhuǎn)速級數(shù)Z為非質(zhì)數(shù)。則這個數(shù)列可分解成幾個等比數(shù)列的乘積，使傳動設(shè)計簡化。,1.4主軸轉(zhuǎn)速,1.4主軸轉(zhuǎn)速,(2) 使用方便 最大相對轉(zhuǎn)速損失率相等 等比數(shù)列轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)速通式為,則機床的切削速度與工件（或刀具）直徑的關(guān)系為,1.4主軸轉(zhuǎn)速,的對數(shù)值是 對數(shù)值的一次函數(shù)，斜率為1，函數(shù)圖像是與切削速度對數(shù)坐標(biāo)軸成45o的斜線，取j=1Z，可得到Z條平行間距相等的斜線 。,1.4 轉(zhuǎn)速選擇圖,1.4主軸轉(zhuǎn)速,如果加工某一工件需要的最佳切削速度為 ，相應(yīng)的轉(zhuǎn)速為 。一般情況下，不可能正好在某一轉(zhuǎn)速線上，而是在兩轉(zhuǎn)速線 與 之間,為保證刀具的使用壽命，應(yīng)選擇較低的轉(zhuǎn)速 ，這時轉(zhuǎn)速的損失為 ，相對轉(zhuǎn)速損失率為,1.4主軸轉(zhuǎn)速,最大相對轉(zhuǎn)速損失率為 趨近于 時的A值，即,最大相對轉(zhuǎn)速損失率Amax只與公比 有關(guān)，是恒定值；它影響機床的勞動生產(chǎn)率，特別是加工時間長的大型重型機床。因此是機床設(shè)計的重要指標(biāo)之一。,1.4標(biāo)準(zhǔn)公比原則,公比大，最大相對轉(zhuǎn)速損失率就大，對機床勞動生產(chǎn)率影響就大；我們規(guī)定： 最大相對轉(zhuǎn)速損失率Amax50%。,3.標(biāo)準(zhǔn)公比原則 1）機床為滿足不同工藝需求，需具有一系列等比數(shù)列轉(zhuǎn)速,轉(zhuǎn)速從 到 依次遞增，即,1.4標(biāo)準(zhǔn)公比原則,2）為方便記憶，要求轉(zhuǎn)速nj經(jīng)E1級變速后，轉(zhuǎn)速值呈10倍的關(guān)系，即,1.4標(biāo)準(zhǔn)公比原則,3）為方便記憶，為適應(yīng)雙速電機驅(qū)動的需要，要求轉(zhuǎn)速nj經(jīng)E2級變速后，轉(zhuǎn)速值呈2倍的關(guān)系，即,1.4公比選用原則,4公比選用原則 中型機床，公比一般選取1.26或1.41；大型重型機床，加工時間長，公比應(yīng)小一些，一般選取1.26、1.12或1.06；非自動化小型機床，加工時間小于輔助時間，轉(zhuǎn)速損失對機床勞動效率影響不大，為使機床結(jié)構(gòu)簡單，公比可選大一些，可選擇1.58、1.78,甚至2。專用機床原則上不變速，但為適應(yīng)技術(shù)進步，可作適當(dāng)性能儲備，公比可選擇1.12、1.26。,1.4 動力參數(shù),三、動力參數(shù) 動力參數(shù)包括驅(qū)動機床的各種電動機功率或扭矩，液壓馬達和油缸的牽引力等。各傳動件的結(jié)構(gòu)參數(shù)都是根據(jù)動力參數(shù)設(shè)計的。 1、主電動機功率的確定 機床主運動的功率為,1.4 動力參數(shù),切削功率 與刀具材料、工件材料和所選用的切削用量有關(guān)。專用機床的刀具、工件材料與切削用量都是不變的，計算較準(zhǔn)確；通用機床，刀具與工件材料和切削用量變化大，可根據(jù)機床檢驗標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的切削條件進行計算。,1.4 動力參數(shù),機床主運動的空轉(zhuǎn)功率損失 ，與傳動件的預(yù)緊程度及裝配質(zhì)量有關(guān)，是傳動件摩擦、攪油等因素引起的，其大小隨傳動件轉(zhuǎn)速的增大而增大。中型機床主傳動空轉(zhuǎn)功率損失可用下列經(jīng)驗公式進行計算：,機床主軸轉(zhuǎn)速 ，估算 時，按主軸計算轉(zhuǎn)速確。,1.4 動力參數(shù),主傳動鏈的結(jié)構(gòu)尺寸未確定時，按主運動電動機的功率估算主運動鏈中除主軸以外的所有傳動軸的平均直徑,1.4 動力參數(shù),當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速為 時，傳動鏈內(nèi)除主軸以外各傳動軸的相應(yīng)轉(zhuǎn)速之和為 ；,潤滑油粘度影響系數(shù) ,潤滑油為N46時， 潤滑油為N32時， ；,主軸軸承系數(shù) ，兩支承主軸 ；三支承主軸 。,1.4 動力參數(shù),機床切削工件時，齒輪、軸承等零件上的接觸壓力增大，無用功耗損增大。比 多出的那部分功率，稱為附加機械摩擦損失功率 ，切削功率越大，附加機械摩擦損失功率越大。,主傳動鏈機械效率，是主傳動鏈中各傳動副的機械效率的乘積。,1.4 進給運動電動機功率的確定,2.進給運動電動機功率的確定 1) 進給運動與主運動合用一臺電動機時，可不單獨計算進給功率，而是在確定主電動機功率時引入一個系數(shù)K，機床主電動機功率為,普通車床 ；自動車床 ；銑床、臥式鏜床 ；齒輪機床 ；,2）進給運動中工作進給與快速移動合用一臺電動機時，快速電動機滿載起動，且加速度大，所消耗的功率遠(yuǎn)大于工作進給功率，且工作進給與快速移動不同時進行。所以該電動機功率按快速移動功率選取。數(shù)控機床屬于這類情況。,1.4 進給運動電動機功率的確定,1.4 進給運動電動機功率的確定,3）進給運動單獨使用一臺電動機時，進給運動電動機功率 按下式計算,最大進給牽引力 (N）； 最大進給速度 ； 進給傳動系統(tǒng)機械效率 。,1.4 進給運動電動機功率的確定,進給牽引力Q等于進給方向上切削分力與摩擦力之和，進給牽引力Q的估算公式見下表:,1.4 快速移動電動機功率的確定,3.快速移動電動機功率的確定 交流異步快速移動電動機功率的確定 快速移動電動機滿載起動，起動時間短、移動部件加速度大。在較短的時間內(nèi)（0.51秒），使重力較大的移動部件達到所需的移動速度，即要克服移動部件和傳動系統(tǒng)的慣性力，使其起動并迅速加速；又需克服移動部件因移動而產(chǎn)生的摩擦力。故起動時消耗的功率最大。,1.4 快速移動電動機功率的確定,克服摩擦力所需的功率是變化的，隨移動速度的增大而增大，移動部件在起動過程中，是勻加速運動，平均速度是 ，但由于起動時間短，計算電動機起動功率時可按最大移動速度計算。當(dāng)移動部件達到所需的移動速度后，移動部件變?yōu)楹闼龠\動，電動機僅需克服移動部件的摩擦力就能維持其運動，即快速移動時所消耗的功率為克服摩擦力所需的功率 。,1.4 快速移動電動機功率的確定,克服慣性力所需功率 ，快速移動電機的功率應(yīng)按起動時所需功率選取，即,快速移動傳動鏈的機械效率 ；,電動機起動轉(zhuǎn)矩與額定轉(zhuǎn)矩之比為 ，異步電動機,1.4 快速移動電動機功率的確定,克服慣性力所需電動機軸上的轉(zhuǎn)矩,為電動機轉(zhuǎn)子自身轉(zhuǎn)動慣量； 為 傳動件、負(fù)載折算到電動機軸上的轉(zhuǎn)動慣量； 為電動機起動時轉(zhuǎn)速加速過程的時間；異步電動機,1.4 快速移動電動機功率的確定,根據(jù)動能守恒定律,分別是各旋轉(zhuǎn)件轉(zhuǎn)動慣量（ ）、角速度（ ）；,各移動部件的質(zhì)量( )、移動速度（ ）；,1.4 快速移動電動機功率的確定,空心圓柱形零件的轉(zhuǎn)動慣量,旋轉(zhuǎn)零件的質(zhì)量為 （ ），零件的內(nèi)徑、外徑、長度分別為 。 鋼材密度,1.4 快速移動電動機功率的確定,如果快速移動部件垂直升降運動，則電動機要同時克服部件重力和摩擦力。,如果移動部件是水平運動,移動部件重心與升降絲杠不同軸而引起，產(chǎn)生在導(dǎo)軌上的擠壓力 ； 當(dāng)量摩擦系數(shù)為 。,1.4 伺服電動機選擇,伺服電動機選擇,1）最大切削負(fù)載轉(zhuǎn)矩 不得超過伺服電動機的額定轉(zhuǎn)矩,絲杠上的最大軸向載荷（最大軸向進給力與導(dǎo)軌摩擦力之和） ；絲杠導(dǎo)程 。,1.4 伺服電動機選擇,2）電動機的轉(zhuǎn)動慣量 負(fù)載慣量 匹配,絲杠螺母預(yù)加載荷引起的附加摩擦轉(zhuǎn)矩、絲杠軸承的摩擦轉(zhuǎn)矩,1.4 伺服電動機選擇,3)起動轉(zhuǎn)矩和加速特性 直流伺服電動機和步進電動機起動時轉(zhuǎn)速加速過程的時間 為機械時間常數(shù)的4倍；交流伺服電動機為伺服系統(tǒng)時間常數(shù)的一半。 交流伺服電動機也可根據(jù)電動機的最大轉(zhuǎn)矩計算工作臺的加速時間和加速度,1.4 伺服電動機選擇,根據(jù)伺服系統(tǒng)的增益 ，計算所需工作臺的最大加速度 ，并使 略小于 。伺服系統(tǒng)增益 ，數(shù)控鉆床取小值，數(shù)控車床、鏜銑加工中心取大值。伺服系統(tǒng)的時間常數(shù) ，伺服系統(tǒng)要求的最大加速度是在系統(tǒng)常數(shù)內(nèi)，工作臺的速度從 變?yōu)?，因此，系統(tǒng)需要的加速度為 。,1.4 伺服電動機選擇,系統(tǒng)需要的加速度 為,如果結(jié)構(gòu)尚未確定,不能計算部件質(zhì)量和轉(zhuǎn)動部件慣性時，可根據(jù)現(xiàn)有機床，在統(tǒng)計分析的基礎(chǔ)上，類比確定。普通機床的快速移動電動機功率及移動速度參見下表,1.4 主要技術(shù)參數(shù)的確定,第一章 習(xí)題與思考題,1-1 機床應(yīng)滿足那些基本要求？什么是人機關(guān)系？ 1-2 機床設(shè)計的內(nèi)容和步驟是什么？ 1-3 機床的總體方案擬定包括什么內(nèi)容？機床總布局的內(nèi)容和步驟是什么？ 1-4 機床分配運動的原則是什么？驅(qū)動型式如何選擇？ 1-5 機床的尺寸參數(shù)包括的哪些參數(shù)？如何確定？ 1-6 怎樣減少機床的振動，減小齒輪的噪聲值？,1-7 機床的運動參數(shù)如何確定？等比傳動有何優(yōu)點？通用機床公比選用原則是什么？ 1-8 標(biāo)準(zhǔn)公比有哪些，是根據(jù)什么確定的？ 數(shù)控機床分級傳動的公比是否為標(biāo)準(zhǔn)值？ 1-9 機床的動力參數(shù)如何選擇？數(shù)控機床與普通機床的動力參數(shù)確定方法有什么不同？,第一章 習(xí)題與思考題,第二章 機床的傳動設(shè)計,機床的主傳動系統(tǒng)實現(xiàn)機床的主運動，其末端件直接參與切削加工，形成所需的表面和加工精度。且變速范圍寬，傳遞功率大，是機床中最重要的傳動鏈。設(shè)計時應(yīng)滿足下述基本要求：,第二章 機床的傳動設(shè)計,第二章 機床的傳動設(shè)計,1）滿足機床的使用要求，有足夠的變速范圍和轉(zhuǎn)速級數(shù)；直線運動機床，應(yīng)有足夠的雙行程數(shù)范圍和變速級數(shù)；合理地滿足機床的自動化和生產(chǎn)率的要求；有良好的人機關(guān)系。 2）滿足機床傳遞動力的要求，傳動系統(tǒng)應(yīng)能傳遞足夠的功率和扭矩。 3）滿足機床的工作性能要求，傳動系統(tǒng)應(yīng)有足夠的剛度、精度、抗振性能和較小的熱變形。 4）滿足經(jīng)濟性要求。,第二章 機床的傳動設(shè)計,第一節(jié) 分級變速主傳動系統(tǒng)設(shè)計 一、轉(zhuǎn)速圖 1、轉(zhuǎn)速圖概念 轉(zhuǎn)速圖是表示主軸各轉(zhuǎn)速的傳遞路線和轉(zhuǎn)速值，各傳動軸的轉(zhuǎn)速數(shù)列及轉(zhuǎn)速大小，各傳動副的傳動比的線圖。 轉(zhuǎn)速圖包括一點三線：轉(zhuǎn)速點，轉(zhuǎn)速線，傳動軸線，傳動線。,2.1分級變速主傳動系統(tǒng)設(shè)計,主軸轉(zhuǎn)速線 由于主軸的轉(zhuǎn)速數(shù)列是等比數(shù)列，所以主軸轉(zhuǎn)速線是間距相等的水平線，相鄰轉(zhuǎn)速線間距為 。,轉(zhuǎn)速點 主軸和各傳動軸的轉(zhuǎn)速值，用小圓圈或黑點表示，轉(zhuǎn)速圖中的轉(zhuǎn)速值是對數(shù)值。,傳動軸線 距離相等的鉛垂線。從左到右按傳動的先后順序排列，軸號寫在上面。鉛垂線之間距離相等是為了圖示清楚，不表示傳動軸間距離。,2.1分級變速主傳動系統(tǒng)設(shè)計,傳動線 兩轉(zhuǎn)速點之間的連線。傳動線的傾斜方式代表傳動比的大小，傳動比大于1，其對數(shù)值為正，傳動線向上傾斜。 傳動比小于1，其對數(shù)值為負(fù)，傳動線向下傾斜。傾斜程度表示了升降速度的大小。 一個主動轉(zhuǎn)速點引出的傳動線的數(shù)目，代表該變速組的傳動副數(shù)；平行的傳動線是一條傳動線，只是主動轉(zhuǎn)速點不同。,2.1轉(zhuǎn)速圖原理,2、轉(zhuǎn)速圖原理 通常，我們按照動力傳遞的順序（從電動機到執(zhí)行件的先后順序）即傳動順序分析機床的轉(zhuǎn)速圖。按傳動順序，變速組依次為第一變速組、第二變速組、第三變速組，分別用a、b、c表示。,2.1轉(zhuǎn)速圖原理,2.1轉(zhuǎn)速圖原理,第一變速組 （軸之間的變速）， ；傳動比分 別是:,2.1轉(zhuǎn)速圖原理,變速組 的級比指數(shù),2.1轉(zhuǎn)速圖原理,變速范圍：,級比指數(shù) ：,2.1轉(zhuǎn)速圖原理,級比等于公比或級比指數(shù)等于1的變速組稱為基本組。基本組的傳動副數(shù)，用 表示，級比指數(shù)用 表示，變速范圍 表示。,2.1轉(zhuǎn)速圖原理,第二變速組 b（軸間的變速組）， Pb=2,傳動比分別是 :,2.1轉(zhuǎn)速圖原理,經(jīng)第一擴大組后，機床得到 P0P1級連續(xù)而不重復(fù)的等比數(shù)列轉(zhuǎn)速。,級比指數(shù)等于基本組傳動副數(shù)的變速組稱為第一擴大組，其傳動副數(shù)、級比指數(shù)、變速范圍分別用 表示 。,2.1轉(zhuǎn)速圖原理,第三變速組 （軸之間的變速組）， 傳動比分別是,2.1轉(zhuǎn)速圖原理,級比指數(shù)等于 的變速組稱為第二擴大組。第二擴大組的傳動副數(shù)、級比指數(shù)、變速范圍分別用 表示 。,2.1轉(zhuǎn)速圖原理,經(jīng)第二擴大組的進一步擴大，使主軸（軸）得到 級連續(xù)等比的轉(zhuǎn)速?？傋兯俜秶?2.1分級變速主傳動系統(tǒng)規(guī)律,總變速范圍為：,第 擴大組的級比指數(shù)為,第 傳動組的變速范圍為：,2.1結(jié)構(gòu)式和結(jié)構(gòu)網(wǎng),3.結(jié)構(gòu)式和結(jié)構(gòu)網(wǎng) 只表示傳動比的相對關(guān)系，而不表示傳動軸（主軸除外）轉(zhuǎn)速值大小的線圖稱為結(jié)構(gòu)網(wǎng)。由于不表示轉(zhuǎn)速值，結(jié)構(gòu)網(wǎng)畫成對稱的形式。 各變速組的傳動副數(shù)的乘積等于主軸轉(zhuǎn)速級數(shù)Z，將這一關(guān)系按傳動順序?qū)懗鰯?shù)學(xué)式，級比指數(shù)寫在該變速組傳動副數(shù)的右下角，就形成結(jié)構(gòu)式。,2.1結(jié)構(gòu)式和結(jié)構(gòu)網(wǎng),2.1結(jié)構(gòu)式和結(jié)構(gòu)網(wǎng),要點：傳動線相對于主軸的轉(zhuǎn)速數(shù)列是對稱的。 定比傳動線不畫，左邊第一傳動軸線為軸，軸號寫在相應(yīng)傳動軸上方； 、軸；、軸；、軸；軸間為第一、二、三、四變速組。在兩軸中間下方位置寫上該變速組的組成（傳動副數(shù)和級比指數(shù)），傳動副數(shù)為阿拉伯?dāng)?shù)字，級比指數(shù)作為傳動副數(shù)的下角標(biāo)；電變速組電動機軸為0，變速組組成寫在0軸下方。 轉(zhuǎn)速點用圓點標(biāo)出。,2.1結(jié)構(gòu)式和結(jié)構(gòu)網(wǎng),2.1結(jié)構(gòu)式和結(jié)構(gòu)網(wǎng),2.1結(jié)構(gòu)式和結(jié)構(gòu)網(wǎng),2.1結(jié)構(gòu)式和結(jié)構(gòu)網(wǎng),2.1結(jié)構(gòu)式和結(jié)構(gòu)網(wǎng),2.1主傳動鏈轉(zhuǎn)速圖的擬定原則,二、主傳動鏈轉(zhuǎn)速圖的擬定原則 根據(jù)已確定尺寸參數(shù)、運動動參數(shù)和動力參數(shù)后，擬定出機床主傳動的轉(zhuǎn)速圖。設(shè)計步驟是：根據(jù)轉(zhuǎn)速圖的擬定原則，確定結(jié)構(gòu)式，畫出結(jié)構(gòu)網(wǎng)，然后分配各傳動組的最小傳動比，擬定出轉(zhuǎn)速圖。,2.1主傳動鏈轉(zhuǎn)速圖的擬定原則,1.極限傳動比、極限變速范圍原則 最小傳動比1/4，最大傳動比2，極限變速范圍8。,2.傳動順序及傳動副數(shù)確定： 傳動副數(shù)為3、2； 前多后少,2.1主傳動鏈轉(zhuǎn)速圖的擬定原則,4.最小傳動比原則： 前緩后急,3.擴大順序原則： 前密后疏,2.1主傳動鏈轉(zhuǎn)速圖的擬定原則,三、轉(zhuǎn)速圖的繪制 根據(jù)轉(zhuǎn)速圖的擬定原則，確定結(jié)構(gòu)式和結(jié)構(gòu)網(wǎng)后，確定是否需要有定比傳動，若需要定比傳動，首先確定定比傳動比的大小，應(yīng)盡量保證軸為主軸轉(zhuǎn)速線上的一個轉(zhuǎn)速點。然后分配各傳動組的傳動比，并確定其它中間軸的轉(zhuǎn)速。這樣就可畫轉(zhuǎn)速圖了。,2.1轉(zhuǎn)速圖繪制步驟,在傳動軸線上用圓圈標(biāo)出轉(zhuǎn)速點，計算電動機額 定轉(zhuǎn)速點在傳動軸線0上的位置。,畫出各變速組最小傳動線。,轉(zhuǎn)速圖繪制步驟： 畫出轉(zhuǎn)速線、傳動軸線，標(biāo)出轉(zhuǎn)速點、標(biāo)注轉(zhuǎn)速值，在傳動軸上方注明傳動軸號，電動機軸用0標(biāo)注；,作擴大組傳動線的平行線。,畫出基本組其它傳動線，三條傳動線在軸上相 距一格；畫出第一擴大組第二條傳動線，兩傳動線 在軸上相距3格；作第二擴大組第二條傳動線， 與第一條傳動線相距6格；,2.1轉(zhuǎn)速圖繪制步驟,在各傳動線上標(biāo)出傳動比或齒數(shù)比（直徑之比）的大小，如圖所示；,2.1轉(zhuǎn)速圖繪制實例,例：中型車床。,2.1轉(zhuǎn)速圖繪制實例,2.1轉(zhuǎn)速圖繪制實例,若該車床與CA6140一樣在軸上安裝雙向摩擦離合器，可采取如下方案,2.1轉(zhuǎn)速圖繪制實例,變速組a的齒輪齒數(shù)比55/55，65/46，模數(shù)2.5，中心距137.5mm。,2.1轉(zhuǎn)速圖繪制實例,軸、改為定比：齒輪齒數(shù)比46/46，模數(shù)2.5，中心距115mm,2.1齒輪齒數(shù)的確定,實際轉(zhuǎn)速 與標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)速的相對轉(zhuǎn)速 誤差n為：,四、齒輪齒數(shù)的確定 1.齒輪齒數(shù)的確定原則 齒輪齒數(shù)在保證輸出轉(zhuǎn)速準(zhǔn)確的前提下，盡量減少齒數(shù)，使齒輪結(jié)構(gòu)尺寸緊湊。,2.1齒輪齒數(shù)的確定,齒輪副的齒數(shù)和 120；受嚙合重合度的限制， 直齒圓柱齒輪最小齒數(shù) 17；采用正變位，保 證不根切的情況下，直齒圓柱齒輪最小齒數(shù) 14；若齒輪和軸為鍵聯(lián)接，則應(yīng)保證齒根圓至 鍵槽頂面的距離大于兩個模數(shù)：,2.1齒輪齒數(shù)的確定,如果齒輪和軸為花鍵聯(lián)接，內(nèi)花鍵大徑為 ， 則最小齒數(shù)按下式計算,另外，當(dāng)變速組內(nèi)各齒輪副的齒數(shù)和不相等時，齒數(shù) 和的差不能大于3。,2.1齒輪齒數(shù)的確定,2.確定齒輪的齒數(shù) 在一個變速組中，主動齒輪的齒數(shù)用 表示，被動齒輪的齒數(shù)用 表示，,則傳動比,2.1齒輪齒數(shù)的確定,為互質(zhì)數(shù),2.1齒輪齒數(shù)的確定,如果各傳動副的齒數(shù)和皆為 ，則 能被 整除， 是 的最小公倍數(shù),2.1齒輪齒數(shù)的確定,例2-1：,2.1齒輪齒數(shù)的確定,則：,2.1齒輪齒數(shù)的確定,2.1齒輪齒數(shù)的確定,例2-2 ：由于,?。?2.1齒輪齒數(shù)的確定,則,所以：,2.1齒輪齒數(shù)的確定,采用正變位齒輪，總變位系數(shù)為1。,2.1最后變速組齒輪齒數(shù)的確定,3.最后變速組齒輪齒數(shù)的確定,2.1最后變速組齒輪齒數(shù)的確定,模數(shù)為4.5、3.5,是 的最小公倍數(shù)。,負(fù)變位,正變位,2.2 擴大變速范圍的傳動系統(tǒng)設(shè)計,例如： ， ，第二擴 大組的級比指數(shù)為6，變速范圍已達到極限值8；增 加第三擴大組后， 比理論值小6，產(chǎn)生6級轉(zhuǎn) 速重復(fù)。,一般來說，常規(guī)傳動的變速范圍是不能滿足機床的要求，因此，必須擴大傳動系統(tǒng)的變速范圍，滿足機床的工藝需求。,一、增加變速組的傳動系統(tǒng),2.2 擴大變速范圍的傳動系統(tǒng)設(shè)計,總變速范圍：,總變速范圍擴大八倍；主軸轉(zhuǎn)速級數(shù)增加6級。 若再增加第四擴大組，則變速范圍將再擴大八 倍，主軸變速級數(shù)再增加六級。,2.2 擴大變速范圍的傳動系統(tǒng)設(shè)計,每增加 一個變速范圍擴 大八倍，主軸轉(zhuǎn) 速級數(shù)增加九級。,二、單回曲機構(gòu),2.2 擴大變速范圍的傳動系統(tǒng)設(shè)計,單回曲機構(gòu)又稱為背輪機構(gòu)，圖中軸是輸出軸， z1、z4空套于軸上，M是雙向離合器，與軸花 鍵配合。M向右滑移與z4結(jié)合，運動和轉(zhuǎn)矩經(jīng)z1、 z2、z3、z4傳動，傳動比,M向左滑移與z1結(jié)合，軸的運動不經(jīng)過z1、z2、 z3、z4傳動，直接由軸輸出， 。,2.2 擴大變速范圍的傳動系統(tǒng)設(shè)計,變速范圍為：,常規(guī)傳動的4倍,變速范圍為：,常規(guī)傳動的16倍,2.2對稱雙公比傳動系統(tǒng),三、對稱雙公比傳動系統(tǒng),在機床主軸的轉(zhuǎn)速數(shù)列中，使用最頻繁、使用時 間最長的是轉(zhuǎn)速數(shù)列的中段，轉(zhuǎn)速數(shù)列中較高或較 低的幾級轉(zhuǎn)速是為特殊工藝設(shè)計的，使用幾率較少。 如果保持常用的主軸轉(zhuǎn)速數(shù)列中段的公比不變，增 大不常用轉(zhuǎn)速的公比，就可在不增加主軸轉(zhuǎn)速級數(shù) 的前提下擴大變速范圍。,2.2對稱雙公比傳動系統(tǒng),由等比傳動的原理可知：基本組 時，主軸轉(zhuǎn)速 數(shù)列 （ 為自然數(shù)）是由基本組的 產(chǎn)生的、 是由基本組的 產(chǎn)生的，兩轉(zhuǎn)速數(shù)列 、 的級比為,2.2對稱雙公比傳動系統(tǒng),如果將轉(zhuǎn)速 乘以 ，即 乘以 ， 產(chǎn)生的主軸轉(zhuǎn)速數(shù)列通式變?yōu)?；,為奇數(shù)，沒有重復(fù)轉(zhuǎn)速；,高速端有一級大公比轉(zhuǎn)速,低速端也出現(xiàn)一級大公比轉(zhuǎn)速,，該轉(zhuǎn)速數(shù)列的高低速兩端各出現(xiàn)二、三級大公比轉(zhuǎn)速，,如果將轉(zhuǎn)速 除以 ，即 除以 ， 產(chǎn)生的主軸轉(zhuǎn)速數(shù)列通式變?yōu)?；,2.2對稱雙公比傳動系統(tǒng),2.2對稱雙公比傳動系統(tǒng),2.2對稱雙公比傳動系統(tǒng)設(shè)計原則,混合公比傳動系統(tǒng)的設(shè)計原則是： 1）由于大公比是小公比的平方，考慮到相對轉(zhuǎn)速損失率的影響，公比 。 2）基本組的傳動副數(shù)為2；級比指數(shù)為 。 3）大公比格數(shù)必須是偶數(shù)，由于變型基本組的變速范圍 ，所以， ；若變型基本組是背輪機構(gòu)，則： ， 。,2.2對稱雙公比傳動系統(tǒng),2.2對稱雙公比傳動系統(tǒng),2.2非對稱混合公比傳動系統(tǒng),非對稱混合公比傳動系統(tǒng),變速組a齒輪 齒數(shù)比17/42；26/32，36/22， 變速組b 22/45，38/30，42/26；,2.2非對稱混合公比傳動系統(tǒng),2.2非對稱混合公比傳動系統(tǒng),電動機經(jīng)V帶傳動至軸 ，帶輪直徑比90/150； 變速箱動力經(jīng)V帶傳動至主軸箱，帶輪直徑比 178/180；主軸箱為單回曲機構(gòu)，背輪齒數(shù)比 27/63，17/58。,基本組 與 重合， 相距四格；這樣 產(chǎn)生的 轉(zhuǎn)速是 的 ，變速組a有三個傳動比， 填補兩個空轉(zhuǎn)速，形成中間15級連續(xù)等比轉(zhuǎn)速。,2.2非對稱混合公比傳動系統(tǒng),2.2雙速電動機傳動系統(tǒng),四、雙速電動機傳動系統(tǒng) YD系列異步電動機，通過改變定子繞組接線方法和改變繞組磁極數(shù)，低速時定子繞組接成三角形，高速時定子繞組接成雙星形，并改變繞組的通電相序，實現(xiàn)變速。雙速電動機是動力源，必須為第一變速組（電變速組）；但級比是2，可為對稱雙公比傳動系統(tǒng)的變型基本組、常規(guī)傳動系統(tǒng)的第一擴大組。,2.2雙速電動機傳動系統(tǒng),時，由于 ，電變速組的傳動副 數(shù)必須為2，級比指數(shù)必須為3，故可為高低速端各有一級大公比的對稱雙公比系統(tǒng)的變型基本組，也可為第一擴大組，此時要求基本組傳動副數(shù)為3；,例:,在保證結(jié)構(gòu)式性質(zhì)不變的情況下，若想縮短傳動，可將變型基本組作為第一變速組：,2.2雙速電動機傳動系統(tǒng),例:,若想縮短傳動鏈，在輸出轉(zhuǎn)速級數(shù)不變的前提下，可將結(jié)構(gòu)式改變?yōu)椋?基本組改為3對傳動副，為第二變速組；第一擴大組級比指數(shù)改為3，為第一變速組；第二擴大組級比指數(shù)為4，重合兩級轉(zhuǎn)速；第三擴大組重合4級轉(zhuǎn)速。,2.2雙速電動機傳動系統(tǒng),例:,若想縮短傳動鏈，在保持傳動特性不變的前提下，可將第一擴大組作為第一變速組：,2.2雙速電動機傳動系統(tǒng),該傳動系統(tǒng)不能通過變速電動機縮短傳動鏈，這是因為最后擴大組傳動副數(shù)為三，其變速范圍超過極限范圍；第一變速組改為第一擴大組，級比指數(shù)為2，傳動副數(shù)為3；第一變速組用三速電動機代替，型號YD160L8/4/2，2.8/7/9kW，720/1440/2910r/min，相鄰轉(zhuǎn)速功率差別很大。結(jié)構(gòu)式只能為：,例:,減少一對齒輪；傳動軸的長度減少。,2.3 計算轉(zhuǎn)速,一、機床功率轉(zhuǎn)矩特性,由切削原理得知，切削力主要取決于切削面積的大小；切削面積一定，不論切削速度多大，所承受的切削力是相同的。因此，主運動為直線運動的機床，可認(rèn)為在任何能實現(xiàn)的切削速度中，都能進行最大切削面積的切削，即最大切削力存在于一切可能的切削速度中；驅(qū)動直線運動的傳動件，不考慮摩擦力等因素時，在所有轉(zhuǎn)速下承受的最大轉(zhuǎn)矩是相等的。這類機床的主傳動屬于恒轉(zhuǎn)矩傳動。,2.3 計算轉(zhuǎn)速,機床主軸（旋轉(zhuǎn)運動）的計算轉(zhuǎn)速是傳遞全部功率的最低轉(zhuǎn)速。主軸從計算轉(zhuǎn)速到最高轉(zhuǎn)速之間的每級轉(zhuǎn)速都能傳遞全部功率，而輸出的轉(zhuǎn)矩則隨轉(zhuǎn)速的增高而降低，故稱之為恒功率變速范圍； 從計算轉(zhuǎn)速到最低轉(zhuǎn)速之間的每級轉(zhuǎn)速都能傳遞計算轉(zhuǎn)速時的轉(zhuǎn)矩（由結(jié)構(gòu)強度決定的轉(zhuǎn)矩），輸出的功率則隨轉(zhuǎn)速線性下降，故稱之為恒轉(zhuǎn)矩變速范圍。,2.3 計算轉(zhuǎn)速,2.3 計算轉(zhuǎn)速,二、機床變速系統(tǒng)中傳動件的計算轉(zhuǎn)速 變速傳動中傳動件的計算轉(zhuǎn)速，可根據(jù)主軸的計算轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)速圖確定。 確定傳動軸計算轉(zhuǎn)速時，先確定主軸計算轉(zhuǎn)速，再按傳動順序由后往前依次確定；最后確定各傳動件的計算轉(zhuǎn)速。,中型車床，升降臺銑床，轉(zhuǎn)塔車床，液壓仿型半自 動車床，多刀半自動車床，單軸、多軸自動車床， 立式多軸半自動車床臥式鏜銑床（6390）,等比 數(shù)列 傳動 系統(tǒng),雙公比、無級傳動系統(tǒng),2.3 計算轉(zhuǎn)速,2.3 計算轉(zhuǎn)速,中型立式鉆床，搖臂鉆床，滾齒機,等比 數(shù)列 傳動 系統(tǒng),雙公比、無級傳動系統(tǒng),2.3 計算轉(zhuǎn)速,主軸的計算轉(zhuǎn)速,軸計算轉(zhuǎn)速,其它傳動軸的計算轉(zhuǎn)速 178；353； 865；1440r/min。,2.3 計算轉(zhuǎn)速,各傳動副主動件的計算轉(zhuǎn)速,2.4 無級變速系統(tǒng)的設(shè)計,一、無級變速的特點 無級變速能使機床獲得最佳切削速度，無相 對轉(zhuǎn)速損失；且能夠在加工過程中變速，保持恒 速切削；無級變速器通常是電變速組，恒功率變速 范圍為24，恒轉(zhuǎn)矩變速范圍大于100，這樣，縮短 了傳動鏈長度，簡化了結(jié)構(gòu)設(shè)計；無級變速系 統(tǒng)容易實現(xiàn)自動化操作。因而是數(shù)控機床的主 要變速形式。,2.4 無級變速系統(tǒng)的設(shè)計,交流電動機定子電動勢與磁通量和定子電流頻率 的乘積成正比，忽略定子繞組電阻和漏感抗時，定子 電動勢數(shù)值等于定子繞組相電壓；三相假想轉(zhuǎn)子電動 勢為定子電動勢與轉(zhuǎn)差率的乘積；在額定相電壓、額 定載荷下工作時轉(zhuǎn)差率不變（19%） ，轉(zhuǎn)子電流亦 為恒定值；當(dāng)頻率高于額定頻率時，定子電動勢不變， 磁通量隨定子電流頻率的增高而降低，轉(zhuǎn)速隨定子電 流頻率的增大而線性增大，假想轉(zhuǎn)子的電磁轉(zhuǎn)矩與磁 通量成正比而線性下降，輸出功率維持額定條件下的 大小不變，故定子電流頻率高于額定頻率的調(diào)速為恒 功率調(diào)速。,普通感應(yīng)電動機的恒功率變速范圍為1.5,電動機在額定條件下工作時，磁場已達到近似飽和 的程度，故頻率低于額定頻率時，磁通量近似不變， 轉(zhuǎn)子的電磁轉(zhuǎn)矩為恒定值，定子電動勢隨電流頻率的 降低而線性降低，假想轉(zhuǎn)子的輸出功率隨定子電流頻 率的降低而線性降低，故稱定子頻率低于額定頻率的 調(diào)速為恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速。恒轉(zhuǎn)矩變速范圍超過二百，最低 轉(zhuǎn)速可達6r/min。,交流變頻電動機額定轉(zhuǎn)速為1500r/min或2000r/min， 恒功率變速范圍為3、4；,2.4 無級變速系統(tǒng)的設(shè)計,二、直線運動無級變速 伺服電動機和步進電動機是恒轉(zhuǎn)矩變速，功率不 大。只能用于直線進給運動和輔助運動。如果調(diào)速電 動機驅(qū)動載荷特性是恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載，如龍門刨的工作臺 等，可直接利用電動機的恒轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速拖動直線運動部 件，使電動機的恒轉(zhuǎn)矩變速范圍等于直線運動部件的 恒轉(zhuǎn)矩變速范圍，電動機額定轉(zhuǎn)速產(chǎn)生直線運動部件 的最高速度。,2.4 直線運動無級變速,2.4 旋轉(zhuǎn)主運動的無級變速,三、主運動為旋轉(zhuǎn)運動的無級變速,主軸要求的恒功率變速范圍 遠(yuǎn)大于調(diào)速電動機 的恒功率變速范圍 ，必須串聯(lián)分級變速系統(tǒng)來擴 大電動機的恒功率變速范圍，以滿足機床需求。,電動機的額定轉(zhuǎn)速產(chǎn)生主軸的計算轉(zhuǎn)速；電動機的最高轉(zhuǎn)速產(chǎn)生主軸的最高轉(zhuǎn)速。主軸的恒轉(zhuǎn)矩變速范圍 則決定了電動機恒轉(zhuǎn)矩變速范圍 的大小 ， 。,2.4 旋轉(zhuǎn)主運動的無級變速,分級傳動系統(tǒng)，液壓缸控制滑移齒輪自動變速。 靠電磁換向閥控制齒輪滑移方向，為使滑移齒輪定 位精確，使液壓缸結(jié)構(gòu)及控制程序簡單，串聯(lián)的滑 移齒輪變速組都是雙速變速組（所有變速組都具 有兩對傳動副），即采用雙作用液壓缸控制雙聯(lián) 滑移齒輪的方案。,2.4 旋轉(zhuǎn)主運動的無級變速,2.4 旋轉(zhuǎn)主運動的無級變速,調(diào)速電動機的恒功率變速范圍為 ，在保證輸出 轉(zhuǎn)速連續(xù)前提下，串聯(lián)一個雙速變速組，獲得的最 大變速范圍為 ，此時:,串聯(lián)兩個雙速變速組后，能得到的連續(xù)無級轉(zhuǎn)速的最大變速范圍是 ，這時:,2.4 旋轉(zhuǎn)主運動的無級變速,調(diào)速電動機串聯(lián)級雙速變速組后，能獲得的最大變速 范圍是：,串聯(lián)的分級傳動系統(tǒng)的公比等于電動機恒功率 變速范圍時，輸出的無級轉(zhuǎn)速的變速范圍最大。 換言之，變速范圍一定，當(dāng)分級傳動系統(tǒng)的公 比 時，需串聯(lián)的變速組數(shù)最少。,2.4 旋轉(zhuǎn)主運動的無級變速,為自然數(shù)，且采用收尾法圓整，即：,?。??。?2.4 旋轉(zhuǎn)主運動的無級變速,分級傳動系統(tǒng)的公比一般比電動機的恒功率變速范 圍小，分級傳動系統(tǒng)的實際公比為:,2.4 旋轉(zhuǎn)主運動的無級變速,分級傳動的最小傳動比應(yīng)采用前緩后急的原則；擴 大順序應(yīng)采用前密后疏的原則 ；串聯(lián)的分級傳動系 統(tǒng)應(yīng)遵循極限傳動比、極限變速范圍的原則。,2.4 旋轉(zhuǎn)主運動的無級變速實例,例2-6 某數(shù)控機床，主運動由變頻電動機驅(qū)動，電動 機連續(xù)功率7.5kW，額定轉(zhuǎn)速 ，最 高、最低轉(zhuǎn)速 ， 機床主軸最高、最低轉(zhuǎn)速 ： ， ，計算轉(zhuǎn)速： 。 設(shè)計所串聯(lián)的分級傳動系統(tǒng)。,2.4旋轉(zhuǎn)主運動的無級變速實例,解：主軸要求的恒功率變速范圍,電動機的恒功率變速范圍是3，即,該系統(tǒng)至少需要的轉(zhuǎn)速級數(shù)、變速組數(shù),2.4旋轉(zhuǎn)主運動的無級變速實例,取 ：,分級傳動系統(tǒng)的實際公比為,結(jié)構(gòu)式為,2.4旋轉(zhuǎn)主運動的無級變速實例,分級傳動系統(tǒng)的最小傳動比,根據(jù)前緩后急的原則分配最小傳動比：,其它傳動副的傳動比,2.4 旋轉(zhuǎn)主運動的無級變速實例,調(diào)速電動機的最低工作轉(zhuǎn)速,電動機最低工作轉(zhuǎn)速時所傳遞的功率,2.4 旋轉(zhuǎn)主運動的無級變速實例,2.4 增大恒功率無級變速范圍,五、增大恒功率無級變速范圍的方法,如果要求每段轉(zhuǎn)速的無級變速范圍 ，應(yīng)增 大電動機的功率，增大的比率為 ，即 將電動機的功率擴大 倍，傳遞功率 的最低轉(zhuǎn) 速為 ，從而使電動機傳遞功率為 的轉(zhuǎn) 速范圍變?yōu)?。,2.4 增大恒功率無級變速范圍,從另一角度考慮，電動機傳遞功率 的最低轉(zhuǎn)速 （額定轉(zhuǎn)速）仍為 ，主軸傳遞電動機額定功率的 最低轉(zhuǎn)速（計算轉(zhuǎn)速）則為 ，對于增加功 率后的電動機來講，提高了主軸的計算轉(zhuǎn)速，這樣在 某種程度上，簡化了無級變速中串聯(lián)的分級傳動系統(tǒng) 的設(shè)計。,2.4 增大恒功率無級變速范圍,上述機床，若要求主軸每段的恒功率無級轉(zhuǎn)速范圍 ，確 ，確定其分級變速系統(tǒng)。,解：主軸要求的恒功率變速范圍24； 電動機功率為,電動機傳遞7.5kW時的最低轉(zhuǎn)速為,2.4 增大恒功率無級變速范圍,至少需串聯(lián)的雙速變速組數(shù)和傳動副數(shù)為,分級傳動的 實際公比為,結(jié)構(gòu)式為,2.4 增大恒功率無級變速范圍,分級傳動系統(tǒng)的最小傳動比,根據(jù)前緩后急的原則，取,其它傳動副的傳動比,2.4 增大恒功率無級變速范圍,調(diào)速電動機的最低工作轉(zhuǎn)速,電動機最低工作轉(zhuǎn)速時所傳遞的功率,主軸傳遞電動機額定功率（10kW）的最低轉(zhuǎn)速為,2.4 增大恒功率無級變速范圍,2.4 增大恒功率無級變速范圍,2.4 普通電動機無級變速,六、無級變速拓展 1.普通異步電動機 恒功率變速范圍1.5。 最低轉(zhuǎn)速可達6r/min。,2.4 雙速電動機無級變速,2.雙速電動機 低速工作時，額定轉(zhuǎn)速為n,產(chǎn)生的功率約為P，最高轉(zhuǎn)速1.5n。 高速工作時，額定轉(zhuǎn)速為2n，最高轉(zhuǎn)速為3n，高速時產(chǎn)生的功率約為1.5P，電動機在高速狀態(tài)下以2n/1.5轉(zhuǎn)速工作時，產(chǎn)生的功率為1.5P/1.5=P。因而，可認(rèn)為傳遞功率為P轉(zhuǎn)速范圍為3。 雙速電動機可得到恒功率變速范圍為3。,2.5 進給傳動系統(tǒng)設(shè)計,一、進給傳動的載荷特點 進給傳動用來實現(xiàn)機床的進給運動和輔助運動。機 床的進給運動大多數(shù)為直線運動。直線進給運動的 載荷是切削力，與切削面積成正比。根據(jù)工藝規(guī)程， 不同的機床，有其相應(yīng)的最大切削面積，對應(yīng)有最大 切削力，最大切削力可能出現(xiàn)于任何進給速度中。因 此，直線運動是恒扭矩載荷，傳動件的計算轉(zhuǎn)速（ 速度）是該傳動件的最大轉(zhuǎn)速（或速度）。,2.5 進給傳動系統(tǒng)設(shè)計,二、進給傳動的分類及組成 進給運動按運動性質(zhì)分為外聯(lián)系進給鏈和內(nèi)聯(lián) 系進給鏈；進給鏈按控制方式及變速形式分為普 通機床分級變速進給鏈和數(shù)控機床無級變速進 給鏈。,1、外聯(lián)系進給傳動鏈，一般包括變速機構(gòu)、換向機構(gòu)（如換向惰輪）、運動分配機構(gòu)、過載保護機構(gòu)、運動轉(zhuǎn)換（將回轉(zhuǎn)運動變換成直線運動）機構(gòu)（齒輪齒條副、絲杠螺母副等）。 2、內(nèi)聯(lián)系進給傳動鏈只包括傳動比準(zhǔn)確的變速機構(gòu)。,2.5 進給傳動系統(tǒng)設(shè)計,2.5 進給傳動系統(tǒng)設(shè)計,三、進給傳動的基本要求 進給傳動系統(tǒng)應(yīng)滿足一下要求： 1.有較高的靜剛度。 2.具有良好的快速響應(yīng)性；抗振性能好；噪聲低；有 良好的防爬行性能；切削穩(wěn)定性好。進給系統(tǒng)有較高 的傳動精度和定位精度。,3.能滿足工藝需求，有足夠的變速范圍。 4.結(jié)構(gòu)簡單，制造工藝性好，調(diào)整維修方便，操縱輕 便靈活。 5.制造成本低，有較好的經(jīng)濟性。,四、分級進給傳動設(shè)計的原則 對于等差數(shù)列進給傳動，設(shè)計時以滿足工藝需求 為目的；,2.5 進給傳動系統(tǒng)設(shè)計,隨機數(shù)列進給傳動系統(tǒng)，如齒輪加工機床的分齒 運動鏈、車床的非標(biāo)準(zhǔn)螺紋進給傳動鏈等，采用交 換掛輪機構(gòu)。,等比進給傳動應(yīng)遵循以下原則： 進給傳動系統(tǒng)的極限傳動比、極限變速范圍,2.5 進給傳動系統(tǒng)設(shè)計,2.5 進給傳動系統(tǒng)設(shè)計,進給傳動擴大順序的原則、最小傳動比原則 轉(zhuǎn)矩與傳動比成反比，降速傳動，傳動比小于1， 輸出轉(zhuǎn)矩增加。由于進給系統(tǒng)是恒轉(zhuǎn)矩變速，末端旋 轉(zhuǎn)傳動件的轉(zhuǎn)矩一定，為減小進給傳動中間傳動軸及 其傳動件的結(jié)構(gòu)尺寸，一般情況下擴大順序應(yīng)采用前 疏后密的原則；最小傳動比應(yīng)盡量采用前急后緩的 原則，以提高進給傳動系統(tǒng)的傳動精度。,2.5 進給傳動系統(tǒng)設(shè)計,五、無級變速進給系統(tǒng) 進給傳動系統(tǒng)的無級變速系統(tǒng)，普通機床多采用 液壓無級調(diào)速；數(shù)控機床一般采用伺服電動機無級調(diào) 速。 伺服電動機分為直流伺服和交流伺服兩類。 直流伺服電動機主要由小慣量直流電動機和大 慣量直流電動機。,伺服電動機組成的無級調(diào)速系統(tǒng)，按有無 檢測和反饋裝置分為開環(huán)系統(tǒng)、閉環(huán)伺服系統(tǒng)。 按照檢測和反饋裝置的位置不同閉環(huán)伺服系統(tǒng) 分為全閉環(huán)伺服系統(tǒng)（習(xí)慣上仍稱為閉環(huán)伺服 系統(tǒng)）、半閉環(huán)伺服系統(tǒng)。,2.5 進給傳動系統(tǒng)設(shè)計,2.5 進給傳動系統(tǒng)設(shè)計,1、開環(huán)系統(tǒng) 伺服系統(tǒng)沒有反 饋裝置，數(shù)控裝置發(fā) 出的脈沖，經(jīng)環(huán)形分 配器，功率放大器， 驅(qū)動步進電動機旋轉(zhuǎn)， 運動經(jīng)齒輪、滾珠絲杠螺母副，帶動工作臺移動。開 環(huán)系統(tǒng)適用于精度要求不高的數(shù)控機床中。,2.5 進給傳動系統(tǒng)設(shè)計,2、閉環(huán)系統(tǒng) 它是將檢測裝置安裝在工作臺等執(zhí)行件上的伺服系 統(tǒng)。檢測裝置將工作臺等執(zhí)行件的實際位移量反饋給 數(shù)控裝置，與控制量相比較，比較結(jié)果對伺服電動機 進行控制、或?qū)λ欧妱訖C的指令進行修正補償，能 完全消除工作臺等執(zhí)行件的移動誤差。,2.5 進給傳動系統(tǒng)設(shè)計,半閉環(huán)系統(tǒng) 半閉環(huán)系統(tǒng)是檢測裝置不安裝在工作臺等執(zhí)行件上的 伺服系統(tǒng)。檢測裝置安裝在進給傳動中的旋轉(zhuǎn)部件上， 補償環(huán)是伺服系統(tǒng)的一部分，不能檢測工作臺等執(zhí)行 件的運動誤差，所以半閉環(huán)系統(tǒng)的精度比開環(huán)伺服系 統(tǒng)高，低于閉環(huán)伺服系統(tǒng)。,2.5 進給傳動系統(tǒng)設(shè)計,2.5 進給傳動系統(tǒng)設(shè)計,2.5 進給傳動系統(tǒng)設(shè)計,六、直線伺服電動機進給傳動系統(tǒng) 直線電動機是直接將電能轉(zhuǎn)化為直線運動機械能 的電力驅(qū)動裝置，是適應(yīng)高速加工或微量進給精加 工技術(shù)發(fā)展的需要而出現(xiàn)的新型電動機；可直接驅(qū) 動工作臺或刀架直線運動。 直線伺服電動機的工作原理與旋轉(zhuǎn)伺服電動機相 似，可看為旋轉(zhuǎn)伺服電動機沿徑向剖開，向兩邊拉 伸展平后形成的。,旋轉(zhuǎn)電動機的定子演變?yōu)橹本€伺服電動機的初級， 轉(zhuǎn)子演變成次級。旋轉(zhuǎn)磁場變?yōu)橹本€運動磁場。 直線伺服電動機為獲得較大的驅(qū)動力，在寬度方 向上采用雙初級、雙次級的對稱磁路結(jié)構(gòu)；為使直線 伺服電動機初級、次級能相對直線運動，其初級、次 級有不同的長度，相對長的級一般固定不動（定子）， 相對短的級直線移動（動子）。,2.5 進給傳動系統(tǒng)設(shè)計,2.5 進給傳動系統(tǒng)設(shè)計,2.6 結(jié)構(gòu)設(shè)計,一、變速箱結(jié)構(gòu)及傳動軸組件的布置 變速箱的主要功能是保證機床的運動，有較高的 幾何精度，傳動精度和運動精度。有足夠的強度、剛 度。振動小，噪聲低。操作應(yīng)方便靈活。,變速箱內(nèi)傳動軸的布置應(yīng)充分考慮安裝、調(diào)整、 維修、散熱等因素，按空間三角形分布，并根據(jù)運 動的性能、標(biāo)準(zhǔn)零部件尺寸及機床的型式合理確定 各傳動軸位置。,2.6 結(jié)構(gòu)設(shè)計,2.6 結(jié)構(gòu)設(shè)計,2.6 結(jié)構(gòu)設(shè)計,2.6 結(jié)構(gòu)設(shè)計,2.6 結(jié)構(gòu)設(shè)計,二、齒輪的軸向布置 1三聯(lián)滑移齒輪順利嚙合的條件 由圖可看出，當(dāng)三聯(lián)滑移齒輪右移使齒輪z1與z4嚙合時，次大齒輪z2越過了固定的小齒輪z6，為防止次大齒輪z2與固定的小齒輪z6齒頂相碰，應(yīng)使 次大齒輪z2與齒輪z6齒頂圓半徑之和不大于中心距，即,2.6 結(jié)構(gòu)設(shè)計,2.6 結(jié)構(gòu)設(shè)計,由此可得三聯(lián)滑移齒輪順利嚙合的條件為,2齒輪軸向布置原則 滑移齒輪機構(gòu)中,必須當(dāng)一對齒輪副完全脫離嚙合，另一對齒輪才能進入嚙合。固定齒輪間的最小距離應(yīng)為齒輪寬度的兩倍，并留有=12mm間隙，齒輪的齒寬為,2.6 結(jié)構(gòu)設(shè)計,為避免滑移齒輪與固定的小齒輪齒頂相碰，三聯(lián)滑移齒輪的最大、次大齒輪齒數(shù)差應(yīng)不小于4。否則，應(yīng)采用變位齒輪使兩者頂圓直徑之差不小于4個模數(shù)；或讓滑移的小齒輪越過固定的小齒輪，改變嚙合變速條件，使最大和最小齒輪齒數(shù)差不小于4；或采用牙嵌式離合器變速，使齒輪不動。,為減少軸向長度，應(yīng)采用窄式排列。 滑移齒輪應(yīng)裝在主動軸上，以減少滑移齒輪的重量，易于操縱。,2.6 結(jié)構(gòu)設(shè)計,2.6 結(jié)構(gòu)設(shè)計,3.一個變速組中齒輪的軸向布置 窄式排列和寬式排列 窄式排列：滑移的齒輪緊靠在一起，大齒輪居中， 固定的齒輪分離 安裝，相隔距離 為2b+，相鄰 變速位置的滑移 行程也是2b+。,寬式排列 ：固定的齒輪緊靠在一起，大齒輪居中； 滑移的齒輪分離安裝，兩齒輪的內(nèi)側(cè)距離為2b+， 相鄰變速位置的滑移行程仍是2b+。,2.6 結(jié)構(gòu)設(shè)計,2.6 結(jié)構(gòu)設(shè)計,亞寬式排列 三聯(lián)滑移齒輪中的兩齒輪緊靠在一起，另一齒輪 與之分離，分隔距離為2b+，這種排列的軸向總長 度為B9b+3，介于寬式、窄式排列之間，故稱為 亞寬式排列。,2.6 結(jié)構(gòu)設(shè)計,滑移齒輪的分組排列 四個傳動副的 變速組，滑移齒輪 可分為兩組，并 聯(lián)合控制，保證只 有一組齒輪處于嚙 合狀態(tài)，,2.6 結(jié)構(gòu)設(shè)計,4.相鄰兩個變速組齒輪的軸向排列 并行排列： 相鄰兩個變速組的公共傳動軸上，被動齒輪和主動齒輪分別安裝，主動齒輪安裝一端，被動齒輪安裝一端；三條傳動軸上的齒輪排