第2章金屬切削機床設計

1、引言引言. 金屬切削機床的設計趨勢金屬切削機床的設計趨勢（一）工藝范圍（一）工藝范圍 （二）柔性（二）柔性（三）與物流系統(tǒng)的可親性（三）與物流系統(tǒng)的可親性 （四）剛度（四）剛度（五）精度（五）精度 （六）噪聲（六）噪聲（七）生產(chǎn)率和自動化（七）生產(chǎn)率和自動化 （八）成本（八）成本（九）生產(chǎn)周期（九）生產(chǎn)周期 （十）可靠性（十）可靠性（十一）造型與色彩（十一）造型與色彩機床設計應滿足的基本要求機床設計應滿足的基本要求1) 工藝范圍（加工能力）工藝范圍（加工能力）p 指機床適應不同生產(chǎn)要求的能力。p 包括：機床可完成的工序種類，所加工零件的類型、材料和尺寸范圍、毛坯種類、加工精度和表面粗燥度。p

2、如果機床的工藝范圍過寬，將使機床的結構復雜，不能充分發(fā)揮機床各部件的性能；p 如果機床的工藝范圍較窄，可使機床結構簡單，易于實現(xiàn)自動化，提高生產(chǎn)率。p 通用機床都具有較寬的工藝范圍；數(shù)控機床的工藝范圍比傳統(tǒng)通用機床更寬，使其具有良好的柔性；專用機床和專門化機床則應合理地縮小工藝范圍。機床設計應滿足的基本要求機床設計應滿足的基本要求2) 柔柔 性性p 機床的柔性，是指其適應加工對象變化的能力，包括空間上的柔性和時間上的柔性。p 所謂空間柔性也就是功能柔性，指在同一時期內(nèi)，機床能夠適應多品種小批量的加工，即機床的運動功能和刀具數(shù)目多，工藝范圍廣。p 所謂時間上的柔性也就是結構柔性，指的是在不同時期

3、，機床各部件重新組合，即通過機床重構，改變其功能，以適應產(chǎn)品更新變化快的要求。機床設計應滿足的基本要求機床設計應滿足的基本要求柔性演示3) 與物流系統(tǒng)的可接近性與物流系統(tǒng)的可接近性p 可接近性是指機床與物流系統(tǒng)之間進行物料（工件、刀具、切屑）交接的方便程度。p 對于單機工作形式的普通機床，是由人進行物料交接的，要求機床的使用、操作、清理、維護方便。p 對于自動化柔性制造系統(tǒng)，機床與物流系統(tǒng)(如輸送線)是自動進行物料交接的，要求機床結構形式開放性好，物料交接方便。機床設計應滿足的基本要求機床設計應滿足的基本要求4) 精度和剛度精度和剛度p 機床的精度分為機床本身的幾何精度和生產(chǎn)中的加工精度。p

4、為了保證機床的加工精度，要求機床具有一定的空載條件下的靜態(tài)精度和動態(tài)精度。p 加工精度是指被加工零件在形狀、尺寸和相互位置方面所能達到的準確程度。p 機床的剛度是指機床系統(tǒng)抵 抗變形的能力。包括：靜態(tài) 剛度、動態(tài)剛度、熱態(tài)剛度。機床設計應滿足的基本要求機床設計應滿足的基本要求5) 可靠性可靠性q機床的可靠性是指其在額定壽命期內(nèi)，在正常工作條件下和規(guī)定時間內(nèi)出現(xiàn)故障的概率。q由于故障會造成加工中的部分廢品，故可靠性也常用廢品率來表示.q廢品率低則說明可靠性好。機床設計應滿足的基本要求機床設計應滿足的基本要求6) 成本和生產(chǎn)周期成本和生產(chǎn)周期p 成本概念貫穿在產(chǎn)品的整個生命周期內(nèi)，包括設計、制造、

5、包裝、運輸、使用維護和報廢處理等的費用，是衡量產(chǎn)品市場競爭力的重要指標，應在盡可能保證機床性能要求的前提下，提高其性能價格比。p 生產(chǎn)周期(包括設計和制造)是衡量產(chǎn)品市場競爭力的重要指標，應盡可能縮短機床的生產(chǎn)周期。這就要求機床設計應盡可能采用現(xiàn)代設計方法，如CAD、模塊化設計等。p 機床的壽命是指機床保持其應有加工精度的使用期限，也稱精度保持性。機床設計應滿足的基本要求機床設計應滿足的基本要求7) 生產(chǎn)率和自動化程度生產(chǎn)率和自動化程度q 機床的生產(chǎn)率是指在單位時間內(nèi)機床加工合格產(chǎn)品的數(shù)量。q 使用高效率機床可以降低生產(chǎn)成本q 提高機床的自動化程度，可以減輕工人的勞動強度、穩(wěn)定加工精度。q 實

6、現(xiàn)機床自動化加工所采用的方法與生產(chǎn)批量有關。數(shù)控機床是實現(xiàn)機床自動化加工的一個重要發(fā)展方向。機床設計應滿足的基本要求機床設計應滿足的基本要求高效率演示8) 環(huán)境保護環(huán)境保護p 噪聲損壞人的聽覺器官和生理功能，是一種環(huán)境污染。p 機床噪聲源自：機械噪聲、液壓噪聲、電磁噪聲、空氣動力噪聲等四個方面。p 機床噪聲影響正常的工作環(huán)境，危害人的身心健康。所以，設計機床時應盡量設法降低其噪聲。p 機床的油霧、粉塵和腐蝕介質等都是對人體有害的，設計時應考慮盡量避免這些有害物質向四周擴散而污染環(huán)境，避免操作者與這些有害物質直接接觸而危害人體。機床設計應滿足的基本要求機床設計應滿足的基本要求機床總體方案的創(chuàng)新設

7、計方法機床總體方案的創(chuàng)新設計方法 （一）機床設計正在向著（一）機床設計正在向著“以系統(tǒng)為主的機床設計以系統(tǒng)為主的機床設計”方方向發(fā)展，即在機床設計時要考慮它如何更好的適應向發(fā)展，即在機床設計時要考慮它如何更好的適應FMSFMS等等先進制造系統(tǒng)的要求，例如要求具有時、空柔性，與物流先進制造系統(tǒng)的要求，例如要求具有時、空柔性，與物流的可接近性等等。的可接近性等等。（二）機床設計方法是根據(jù)其設計類型而定。通用機床采（二）機床設計方法是根據(jù)其設計類型而定。通用機床采用系列化設計方法。系列中基型產(chǎn)品屬用系列化設計方法。系列中基型產(chǎn)品屬創(chuàng)新創(chuàng)新設計類型，其設計類型，其他屬他屬變型變型設計類型。有些類型，如

8、組合機床屬組合設計類設計類型。有些類型，如組合機床屬組合設計類型。型。（三）在創(chuàng)新設計類型中，機床總體方案的產(chǎn)生方法可采（三）在創(chuàng)新設計類型中，機床總體方案的產(chǎn)生方法可采用分析式設計或創(chuàng)成式設計。用分析式設計或創(chuàng)成式設計。機床產(chǎn)品的機床產(chǎn)品的創(chuàng)新設計：創(chuàng)新設計：尋求機床總體方案的原理解。尋求機床總體方案的原理解。根據(jù)原理解的尋求方法，可分為兩類：根據(jù)原理解的尋求方法，可分為兩類：u分析式設計（試錯法、經(jīng)驗設計法）分析式設計（試錯法、經(jīng)驗設計法）u創(chuàng)成式設計（數(shù)學方法結合法）創(chuàng)成式設計（數(shù)學方法結合法）機床產(chǎn)品的機床產(chǎn)品的變型設計、組合設計變型設計、組合設計：模塊化變型設計方法：模塊化變型設計方

9、法n關鍵一：合理劃分模塊n關鍵二：模塊的快速結合技術（快速接合的機構與控制技術）是產(chǎn)品快速重構的關鍵技術金屬切削機床設計的典型步驟金屬切削機床設計的典型步驟 （二）詳細設計：（二）詳細設計：q 結構設計：技術設計q 工藝設計：施工設計工藝設計：施工設計（一）總體設計：（一）總體設計： q 確定結構原理方案：主要技術指標設計q 總體方案設計總體方案設計（四）定型設計（四）定型設計（三）機床整機綜合評價（三）機床整機綜合評價2.1 機床設計步驟金屬切削機床設計典型步驟q確定結構原理方案：主要技術指標設計v 用途(工藝方案擬定) 即機床的工藝范圍，包括加工件的材料類型、形狀、質量和尺寸范圍等；確定加

10、工方法、刀具類型、工件的工藝基準及夾壓方式等。v 生產(chǎn)率 加工件的類型、批量及所要求的生產(chǎn)率；v性能指標 加工件所要求的精度或機床精度、剛度、熱變形、噪聲等v主要參數(shù) 確定機床的加工空間和主要參數(shù)；v 驅動方式 電動機驅動和液壓驅動方式；電動機驅動又有普通電機 驅動、步進電機和伺服電機驅動方式等；v結構原理 主要零部件應滿足的要求和結構原理，有時還需要草圖 設計，確定關鍵零部件自制還是外協(xié)；v 成本及周期 無論是訂貨還是工廠規(guī)劃產(chǎn)品，都應確定成本及生產(chǎn) 周期方面的指標。v 運行模式 單機運行或者用于生產(chǎn)系統(tǒng)；q總體方案設計總體方案設計v總體方案設計的內(nèi)容p運動功能設計 確定機床所需運動的個數(shù)、

11、形式、運動功能圖；p基本參數(shù)設計 包括尺寸參數(shù)、運動參數(shù)和動力參數(shù)設計；p傳動系統(tǒng)設計 傳動方式、傳動原理圖及傳動系統(tǒng)圖設計；p總體結構布局設計 運動功能分配、布局結構及總體結構方案圖；p成本及生產(chǎn)周期 訂貨應確定成本及生產(chǎn)周期的指標；v總體方案綜合評價與選擇 在總體方案設計階段，對各種方案做綜合評價，從中選擇較好方案；v總體方案的設計修改或優(yōu)化 對所選方案進行修改或優(yōu)化，確定最終方案。上述設計內(nèi)容，在設計過程中要交叉進行。金屬切削機床設計典型步驟q 結構設計：技術設計結構設計：技術設計 設計機床的傳動系統(tǒng)，確定各主要結構的原理方案，對主要部件進行分析計算或優(yōu)化，設計液壓原理圖和相應的液壓部件

12、裝配圖，設計電氣控制系統(tǒng)原理圖，設計和完善機床總裝配圖和總聯(lián)系尺寸圖。q 工藝設計：施工設計工藝設計：施工設計 設計機床的自制零件圖，編制標準件、通用件和自制件明細表，撰寫設計說明書、使用說明書，制定機床檢驗方法和標準等技術文檔。（五）機床整機綜合評價（五）機床整機綜合評價對所設計的機床進行整機性能分析和綜合評價，盡量采用虛擬樣機技術（六）定型設計（六）定型設計進行實物樣機的制造、實驗及評價。完成修改及最終產(chǎn)品的定型設計金屬切削機床設計典型步驟2.2 機床的運動學原理（一）機床的工作原理2.2.1 機床運動方案的擬定p 機床的運動分類u運動性質分類n 直線運動與回轉運動u運動功能分類n成形運動

13、 完成工件待加工表面幾何形狀的生成和金屬切除任務的運動n非成形運動 切入運動（刀具切入工件） 分度運動（工件與加工工具按給定的角度或長度間隔的相對運動） 輔助運動（刀具的接近、退刀、返回等） 調(diào)整運動（調(diào)整刀具與工件相對位置或方向） 控制運動（一些操縱運動）u運動關系分類n 獨立運動n 復合運動（運動之間嚴格運動關系，如車螺紋時工件主軸的回轉運動與刀具的縱向直線運動，通過內(nèi)聯(lián)傳動系統(tǒng)或數(shù)控聯(lián)動實現(xiàn)）p 機床的成形運動u按照速度、動力消耗可分為：n 主運動（速度高、動力消耗大）n 進給運動（速度低、消耗動力?。﹗按照其完成的功能分：n 主運動（完成金屬的切除，也叫切削運動） 車削時工件主軸回轉運

14、動；銑削時銑刀主軸回轉運動； 磨削時砂輪主軸回轉運動（工件回轉不是）；滾齒時滾刀主軸回轉運動n 形狀創(chuàng)成運動（實現(xiàn)表面幾何形狀的生成，即母線和導線的生成） 任何一個規(guī)則表面都可視為： 一條曲線/直線（母線）沿著另一條曲線/直線（導線）運動的軌跡； 母線和導線都叫發(fā)生線。2.2.1 機床運動方案的擬定12a) 平面平面12b) 圓錐面圓錐面1母線母線2導線導線2.2.1 機床運動方案的擬定q 工件表面的形成方法及機床運動 軌跡法（描述法）：母線由刀具和工件之間的相對的一個直線運動形成 成形法（仿形法）：母線的形成不需要刀具和工件之間產(chǎn)生相對運動 相切法（旋切法）：導線由刀具和工件之間兩個相對直線

15、運動復合形成 展成法（滾切法）：母線需要刀具和工件之間的兩個旋轉運動服和形成p 機床的運動原理圖u將運動功能式用符合和圖形表達出來。u比運動功能式更為直觀，全面。包含：n 機床的運動軸個數(shù)、形式及排列順序；n 兩個末端執(zhí)行器和各運動軸的空間相對方位。u典型運動原理圖n 車床：Cp主運動，ZfXf進給運動；具有C軸功能的車床，C可與Z或X復合成形，如車螺紋或非圓回轉面；n 銑床： Cp主運動， XfYfZf進給運動n 刨床：往復直線運動Xp為主運動，直線運動Yf為進給；Za為切入運動。2.2.1 機床運動方案的擬定P-PrincipleF-feedA-auxiliaryp 典型運動原理圖（續(xù)）u

16、數(shù)控外圓磨床：Cp為主運動，Cf、Zf和Xf為進給運動；Ba為調(diào)整運動n Xf和Zf復合，可用蝶形砂輪磨削長圓錐面或任意形狀回轉面；n Cf與Zf復合可磨削螺旋面；n 長軸縱向進給磨削時，Xf為Xa，是切入運動；（用進給運動符號表示)u搖臂鉆床：Cp是主運動，Zf進給運動；XaZaCa都是調(diào)整運動u鏜床：Cp是主運動，Zf1和Zf2分別是鏜孔時工件與鏜桿的進給運動； Yf是刀具徑向進給，Ba是分度運動，Xa及Ya是調(diào)整運動（也可進給以銑削平面）2.2.1 機床運動方案的擬定p 運動功能分配設計（進一步明確運動功能）u基礎支承件尚不明確，即“接地”不明確n“/”左側寫工件W，中間寫運動（下標p表

17、主運動，f表進給運動，a表非成形運動），“/”右側寫刀具T。接地用符號“.”表示。n如W/Xf,Zf,Yf,Cp/T的運動分配有： W/Xf,Zf,Yf,Cp/T（龍門銑床、落地鏜銑床） W/Xf Zf,Yf,Cp/T臥式立柱移動式銑床 W/Xf,Zf Yf,Cp/T（立式炮塔銑床） W/Xf,Zf,Yf Cp/T（立式升降臺式銑床）n看刀具和工件的尺寸及質量誰大，誰承擔的運動就相對少；n機床的傳動原理圖：只表示運動的個數(shù)、形式、功能及排列順序，不表示傳動關系。2.2.1 機床運動方案的擬定2.2.2 精 度q 機床可分：普通精度級、精密級、超精密級q 精度分配：v 幾何精度：空載、不運動/低

18、速運動時精確度- 評價機床質量的基本指標。例子：直線運動有6項偏差；- 直接影響被加工工件的精度；- 取決于結構設計、制造和裝配質量。v （幾何）運動精度：空載、工作速度運動時精確度- 評價高速精密機床的重要指標。v 傳動精度：傳動系統(tǒng)各末端執(zhí)行件之間運動的協(xié)調(diào)性和均勻性- 取決于傳動系統(tǒng)的設計、傳動元件的制造和裝配精度；- 數(shù)控機/零傳動，主要是電動機、驅動器和控制。v 定位精度和重復定位精度：定位部件運動到達規(guī)定位置的精度- 直接影響被加工工件的尺寸精度和形位精度；- 取決于機床構建和進給控制系統(tǒng)的精度、剛度和動態(tài)特性等；- 重復定位精度還受傳動機構的反向間隙的影響。v 工作精度：用規(guī)定的

19、試件的加工精度表示v 精度保持性：規(guī)定的工作期間內(nèi)保持機床所要求的精度- 主要影響因素是磨損2.1.3 剛 度q 剛度定義剛度定義：機床受載時抵抗變形的能力K = F/y F：N，作用在機床上的載荷； y：um，機床的變形量。q 剛度按性質分剛度按性質分：v 靜剛度（對應靜載荷），即習慣上說的剛度；v 動剛度（對應動載荷），抗振性的一部分。q 整機剛度的50%取決于結合部剛度，整機阻尼的50%80%來自結合部阻尼。設計需考慮剛度的合理分配或優(yōu)化。2.2.4 振 動q 抗振能力抗振能力：機床在交變載荷作用下抵抗振動的能力。q 抗振能力包括抗振能力包括：v 抗振性：抵抗受迫振動的能力；- 受迫振動

20、的頻率與振源相同共振現(xiàn)象；- 機床的振動是各階主振型的合成；- 一般只考慮對機床性能影響最大的幾個低階振型，如：整機搖擺、一階彎曲、扭轉等振型。v 切削穩(wěn)定性：抵抗自激振動的能力。- 發(fā)生在刀具和工件之間的相對振動；- 頻率與機床系統(tǒng)的固有頻率相接近；- 一旦出現(xiàn)，振幅由小到大增加很快；- 切削力增大、切削用量增大，自激振動就增加。q 振動后果振動后果：降低加工精度、工件表面質量、刀具壽命、生產(chǎn)率，加速機床的破壞，產(chǎn)生噪音，使操作者疲勞。q 改善振動改善振動：提高剛度、提高阻尼、遠離固有頻率。2.2.5 熱 變 形q 溫升溫升：機床的溫度高于環(huán)境溫度。q 機床熱變形機床熱變形：v 各部分不同的

21、溫升、熱膨脹系數(shù)致構件變形v 破壞原始幾何精度、加快運動件的磨損、影響正常運轉；q 減少熱變形措施減少熱變形措施：v 減少熱源發(fā)熱量；v 將熱源放在易散熱的位置、增加散熱面積、強制冷卻；v 采用熱管將溫升高的部位熱量轉移至溫升低的部位；v 采用溫度自動控制、溫度自動補償、隔熱等。2.2.6 噪 音q 噪音來源噪音來源：物體振動。q 噪音度量指標噪音度量指標：v 客觀度量：聲壓（級）、聲功率（級）、聲強（級）等物理度量；v 主觀度量：響度（級）、聲級。q 噪音來源噪音來源：v 機械噪音：傳動元件的振動、摩擦等；v 液壓噪音：液壓沖擊、氣穴等；v 電磁噪音：電動機定子內(nèi)磁致伸縮等；v 空氣動力噪音

22、：風扇、轉子等旋轉對空氣攪動產(chǎn)生。2.2.7 低速運動平穩(wěn)性q 爬行：爬行：低速運動時產(chǎn)生的運動不平穩(wěn)性。v 影響定位精度、工件加工精度、工件表面粗糙度；v 評價機床質量的重要指標之一；v 是因摩擦產(chǎn)生的自激振動現(xiàn)象：原因是摩擦面上摩擦系數(shù)隨速度增大而減小，和傳動系的剛度不足。q 防止措施防止措施：v 減少靜、動摩擦系數(shù)之差；v 提高傳動機構的剛度；v 降低移動件的質量。機床機床系列型譜系列型譜的制定的制定p 以最少的品種規(guī)格，盡可能多地滿足用戶需求- 先確定用途最廣、需求量最大的機床系列作為“基型系列”；- 在基型系列基礎上派生出若干種“變形系列”；- “基型”和“變形”構成了“系列型譜”，

23、它綜合地表明機床產(chǎn)品規(guī)格參數(shù)的系列性與結構相似性的表。2.3.1 金屬切削機床總體設計機床機床運動功能運動功能的設定的設定p 工藝分析：工藝范圍的選擇- 大批量生產(chǎn)時，工序應分散；小批量生產(chǎn)時，工序應集中；- 功能增加，使得制造難度、成本、周期增加；- 對機床本身而言，可能會使生產(chǎn)率下降；對工件制造全過程，減少裝卸次數(shù)、時間，使得總生產(chǎn)率提高；- 根據(jù)生產(chǎn)率、加工精度、機床制造成本、操作維護綜合來進行工藝范圍的選擇。p 設置運動功能：根據(jù)工藝范圍和加工方法- 分析式設計方法- 解析式設計方法（創(chuàng)成式原理）q 寫出運動功能式，畫出運動原理圖2.3.1 金屬切削機床總體設計機床機床總體方案總體方案

24、的設計的設計p 根據(jù)運動功能分配進行機床的結構布局設計，得到結構布局形態(tài)圖。- 結構布局形式：立式、臥式、斜置式等；- 基礎支承件形式：底座式、立柱式、龍門式等；- 基礎支承件結構：一體式、分離式等；- 評價依據(jù)：機床剛度、占地面積、與物流系統(tǒng)的可接近性等。p 總體結構的概略形狀與尺寸設計，得到機床總體結構方案圖- 進行功能（運動或支承）部件的概略形狀和尺寸設計；- 兼顧成本，并盡可能選擇商品化的功能部件，以提高性能、縮短制造周期。- 具體設計過程與評價依據(jù)：見書P78-79。2.3.1 金屬切削機床總體設計2.3.2 機床技術參數(shù)的確定主參數(shù)和尺寸參數(shù)主參數(shù)和尺寸參數(shù)p 機床主參數(shù)是代表機床

25、規(guī)格大小及反映機床最大工作能力的一種參數(shù)。（ GB 金屬切削機床 型號編制方法）p 通用機床的主參數(shù)通常都以機床的最大加工尺寸來表示，專用機床的主參數(shù)一般以與通用機床相對應的主參數(shù)表示。為了更完整地表示機床的工作能力和加工范圍，可在主參數(shù)后面標出第二主參數(shù)，如最大工件長度、最大跨距等。p 機床尺寸參數(shù)是指機床主要結構的尺寸參數(shù)。包括：與工件有關的尺寸參數(shù)；與工、夾、量具有關的尺寸參數(shù)。2.3.2 機床技術參數(shù)的確定標準公比和標準轉速數(shù)列標準公比和標準轉速數(shù)列F多數(shù)機床主軸轉速按等比級數(shù)排列，其公比用表示。- 地板原則：工序要求的轉速n應選用小于或者等于n的轉速，目的是保護刀具 存在轉速損失率：

26、生產(chǎn)率損失。- 可借助于串聯(lián)若干個滑移齒輪來實現(xiàn)。- 公比的選擇應以總生產(chǎn)率損失最小為原則。F轉速數(shù)列是遞增的，規(guī)定標準公比1，并規(guī)定Amax不大于50，故1nj.且電動機恒功率區(qū)小于主軸恒功率區(qū)。l存在機床主軸與電動機在功率特性方面的匹配問題。主傳動系統(tǒng)設計RnN=fZ-1RdN有級變速箱設計RDP時，主軸的功率特性曲線的右邊形成兩個缺口，稱為功率降低區(qū)。在每一檔內(nèi)有部分低轉速只能恒轉矩變速，尤其是尖谷處的功率很小。不符合機床的要求。RDP時，主軸的功率特性曲線缺口完全消除了，如果按照機床要求來擴大變速范圍時，則需增加有級變速箱的傳動副，從而增加機械結構的復雜性。實際設計中經(jīng)常采用簡化機械結

27、構，常在主軸恒功率區(qū)內(nèi)保留一定寬度的“缺口”，并將電動機的額定功率選得稍大于機床實際需要的最大功率。數(shù)控機床主傳動系設計特點主傳動系統(tǒng)設計RnN=fZ-1RdN數(shù)控機床主傳動系設計特點 例題： 某數(shù)控車床，主軸最高轉數(shù) 3000 r/min， 最低轉數(shù) =40 r/min，計算轉速 =160 r/min, 采用直流電動機，電動機功率P電15kw，電 動機的額定轉速為 =1500 r/min，最高轉速為 3500 r/min，試設計分級變速箱的傳動系統(tǒng)， 畫出其轉速圖。maxnminndnjn主傳動系統(tǒng)設計RnN=fZ-1RdN數(shù)控機床主傳動系設計特點 解：方案一：取Z=6， =2，由于 小于

28、， 所以轉速圖上有重復。方案二：取Z=4， =2.88，由于 大于 ， 所以轉速圖上有缺口。 75.18160/3000RndZfnRR133. 21500/3500dRfdRfffdR主傳動系統(tǒng)設計Rn=3000/40 = 75 Rd=數(shù)控機床主傳動系設計特點 解：方案一：取Z=4， =2，由于 小于 ， 所以轉速圖上有重復。方案二：取Z=2， =2.84，由于 大于 ， 所以轉速圖上有缺口。 75.18160/3000RndZfnRR133. 21500/3500dRfdRfffdR主傳動系統(tǒng)設計2.5 進給傳動系設計p 進給傳動系實現(xiàn)機床的進給運動和輔助運動p 組成u動力源、變速、換向、

29、運動分配、過載保險、運動轉換、執(zhí)行件n 動力源可單獨（便于自動化、縮短傳動鏈）、可共用（內(nèi)聯(lián)）n 變速（進給量大小）（交換齒輪、滑移齒輪、齒輪離合、無級、伺服）n 換向：電動機換向（方便但不能頻繁）、齒輪換向n 運動分配：切換傳動路線，主要是離合器n 過載保險：牙嵌離合器、片式安全離合器、脫落蝸桿等n 運動轉換：（回轉變直線），齒輪齒條、滾珠絲杠、螺母、蝸輪蝸桿p 進給傳動系應滿足的基本要求n 足夠的靜剛度和動剛度n 快速響應特性，無低速爬行，平穩(wěn)靈敏n 抗振性好，無抖動和沖擊噪聲小n 足夠寬的調(diào)速范圍n 傳動精度和定位精度高n 結構簡單、工藝性好機械進給傳動系設計的特點 進給運動速度低、受力

30、小、消耗功率少進給運動速度低、受力小、消耗功率少。 恒轉矩傳動。恒轉矩傳動。 當進給量較大時，一般采用較小的背吃刀量，當背吃刀量較大時，常采用較小的進給量，所以，進給傳動系統(tǒng)最后輸出軸的最大轉矩可近似地認為相等。 進給運動數(shù)目多。進給運動數(shù)目多。 不同的機床對進給運動的種類和數(shù)量要求也不相同。進給運動越多，機床結構越復雜。2.5 進給傳動系設計 如上所述，傳動件至末端輸出軸的傳動比越大，傳動件承受的扭矩越大，進給傳動系轉速圖的設計剛巧與主傳動系相反，是前疏后密的. 即采用擴大順序與傳動順序不一致的結構式，如：Z=16=28X24X22X21 。這樣可以使進給系內(nèi)更多的傳動末端輸出軸的傳動比較小

31、，承受的扭矩也較小，從而減小各中間軸和傳動件的尺寸。Ti T末n末/ni= T末ui。 進給傳動系變速組的變速范圍可取比主變速組較大的值，即1/5u 進2.8，變速范圍Rn14。進給系的末端常采用降速很大的傳動機構，如蝸桿蝸輪、絲杠螺母、行星機構等。 對于精密機床、數(shù)控機床的進給傳動系，為保證傳動精度和定位精度，尤其是換向精度，要有傳動間隙消除機構。 快速與工進需在帶負載運行中變換。采用超越離合器、差動機構或電氣伺服進給傳動等。微量進給機構有自動和手動兩類。自動微量進給機構采用各種驅動元件使進給自動地進行；手動微量進給機構主要用于微量調(diào)整精密機床的一些部件.最小進給量大于1um的機構有蝸桿傳動

32、、絲杠螺母、齒輪齒條傳動等，適用于進給行程大、進給量、進給速度變化范圍寬的機床；小于1um的進給機構有彈性力傳動、磁致伸縮傳動 電致伸縮傳動、熱應力傳動等。對微量進給機構的基本要求是靈敏度要高，剛度好，平穩(wěn)性好，低速進給時速度均勻，無爬行，精度高，重復定位精度好，結構簡單，調(diào)整方便，操作方便靈活等。電氣伺服進給系統(tǒng)電氣伺服進給系統(tǒng)電氣伺服系統(tǒng)是數(shù)控裝置和機床之間的聯(lián)系環(huán)節(jié)，是以機械位置或角度作為控制對象的自動控制系統(tǒng).作用是接受來自數(shù)控裝置發(fā)出的進給脈沖，經(jīng)變換和放大后驅動工作臺按規(guī)定的速度和距離移動。電氣伺服進給系統(tǒng)按有無監(jiān)測和反饋裝置分為： 開環(huán)、閉環(huán)和半閉環(huán)系統(tǒng)。2.5 進給傳動系設計開

33、環(huán)系統(tǒng)對工作臺實際位移量沒有檢測和反饋裝置。采用步進電動機。系統(tǒng)的精度取決于步進電動機的步距角精度，定位精度較低，一般在(土0.01土0.02)mm.調(diào)試方便，成本低。適用于精度要求不高的數(shù)控機床中。QNS 電氣伺服系統(tǒng)的分類電氣伺服進給系統(tǒng)電氣伺服進給系統(tǒng)2.5 進給傳動系設計在閉環(huán)系統(tǒng)中，使用位移測量元件測量機床執(zhí)行部件的移(轉)動量，將執(zhí)行部件的實際移(轉)動量和控制量進行比較，比較后的差值用信號反饋給控制系統(tǒng)，對執(zhí)行部件的移(轉)動進行補償，直至差值為零。可消除整個系統(tǒng)的誤差、間隙和失動，系統(tǒng)比較復雜，安裝、調(diào)整和測試比較麻煩，成本高，用于精密型數(shù)控機床上。電氣伺服系統(tǒng)的分類電氣伺服進

34、給系統(tǒng)電氣伺服進給系統(tǒng)2.5 進給傳動系設計檢測元件不是直接安裝在執(zhí)行部件上，而是安裝在進給傳動系中間部位的旋轉部件,稱之為半閉環(huán)系統(tǒng).半閉環(huán)系統(tǒng)的精度比閉環(huán)差。由于慣性較大的工作臺在閉環(huán)之外，系統(tǒng)穩(wěn)定性較好。與閉環(huán)相比，半閉環(huán)系統(tǒng)結構簡單，調(diào)整容易，價格低，所以應用較多。電氣伺服系統(tǒng)的分類電氣伺服進給系統(tǒng)電氣伺服進給系統(tǒng)2.5 進給傳動系設計電氣伺服進給系統(tǒng)由伺服驅動部件和機械傳動部件組成;伺服驅動部件如步進電動機、直流伺服電動機、交流伺服電動機等。機械傳動部件如齒輪、滾珠絲杠螺母等。電氣伺服進給系統(tǒng)驅動部件 調(diào)速范圍寬，低速運行平穩(wěn)，無爬行；調(diào)速范圍寬，低速運行平穩(wěn)，無爬行； 快速響應性好

35、；快速響應性好； 抗負載振動能力強；抗負載振動能力強； 可承受頻繁啟動、制動和反轉；可承受頻繁啟動、制動和反轉； 振動和噪音小，可靠性高，壽命長；振動和噪音小，可靠性高，壽命長； 調(diào)整維修方便。調(diào)整維修方便。v 對進給驅動部件的基本要求：對進給驅動部件的基本要求：電氣伺服進給系統(tǒng)電氣伺服進給系統(tǒng)2.5 進給傳動系設計 步進電動機是一種用電脈沖信號進行控制，并將電脈沖信號轉換成相應的角位移的控制電動機。 它的直線位移量或角位移量與電脈沖數(shù)量成正比，電動機的轉速與脈沖頻率成正比，通過改變脈沖的頻率就可以在很大的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)電動機的轉速，并能快速起動，制動和反轉。 選用時，應綜合考慮步進電動機步矩角、

36、最大靜轉矩、起動頻率、運行頻率以及傳動比，最后選擇步進電動機的規(guī)格和驅動電源。電氣伺服進給系統(tǒng)驅動部件電氣伺服進給系統(tǒng)電氣伺服進給系統(tǒng)2.5 進給傳動系設計 又稱寬調(diào)速直流伺服電動機。根據(jù)定子產(chǎn)生磁場的方式不同，可分為永磁式和電勵磁式。 目前在小型數(shù)控機床上使用較多的是小慣量直流電動機（高速輕載，響應速度快?。?。 直流伺服電動機自身裝有位置檢測元件，用于伺服進給系統(tǒng)時不再附加位移檢測裝置，就可以構成精度較高的半閉環(huán)系統(tǒng)。 特點：機械特性硬、轉子慣量大、過載能力強、可直接驅動負載、功率較大、體積較小、重量較輕、效率高、調(diào)速范圍大，低速時仍能平滑轉動。 常采用可控硅調(diào)速電路和晶體管脈沖調(diào)寬調(diào)速系統(tǒng)

37、(簡稱PWM)驅動。電氣伺服進給系統(tǒng)驅動部件電氣伺服進給系統(tǒng)電氣伺服進給系統(tǒng)2.5 進給傳動系設計 交流伺服電動機按產(chǎn)生磁場的方式可分為：永磁式、電磁式等。在數(shù)控機床進給驅動中大多采用的是永磁同步交流伺服電動機。 交流伺服電動機特性：機械特性軟、轉速范圍較窄、體積小、質量小動態(tài)響應好,與同容量直流電機相比,價格是其一半左右.若參數(shù)選擇和制造工藝不良會產(chǎn)生自轉現(xiàn)象，運行可靠，摩擦力矩小,帶動負載能力弱。 電壓-轉速特性曲線平緩有向水平趨勢的叫軟特性, 陡直的為硬 在選擇伺服電動機時，要根據(jù)直流和交流這兩種伺服電動機各自的特點、使用場合、控制方式、電源頻率和電壓波動等使用的具體情況，權衡利弊，合理

38、選用。電氣伺服進給系統(tǒng)驅動部件電氣伺服進給系統(tǒng)電氣伺服進給系統(tǒng)2.5 進給傳動系設計F直線步進電動機是從旋轉式步進電動機演變而來的。是按電磁鐵的作用原理進行工作的。 不僅節(jié)省了絲杠螺母副、齒輪、軸承及潤滑裝置等，而且提高了伺服系統(tǒng)的傳動精度、傳動剛度及運動速度，并使進給系統(tǒng)結構簡單、維護方便。 用于開環(huán)控制系統(tǒng)時，定位精度約0.03mm，最高速度可達0.4 0.5m/s。 用于閉環(huán)控制系統(tǒng)時，定位精度可達微米級，最高速度達12m/s。電氣伺服進給系統(tǒng)驅動部件電氣伺服進給系統(tǒng)電氣伺服進給系統(tǒng)2.5 進給傳動系設計機械傳動部件 通過柔性聯(lián)軸器聯(lián)接，其特點為成本低，安裝、調(diào)整方便，無間隙傳動；通過齒

39、輪聯(lián)接，主要用于步進電動機、小慣量直流伺服電動機與絲杠的聯(lián)接；通過同步齒形帶聯(lián)接，齒形帶應用場合和齒輪一樣，它成本低、噪聲小，但運行精度低于齒輪傳動。電氣伺服進給系統(tǒng)電氣伺服進給系統(tǒng)2.5 進給傳動系設計機械傳動部件要采用低摩擦傳動。如導軌可以采用靜壓導軌、滾動導軌；可采用滾珠絲杠螺母傳動；齒輪傳動采用磨齒齒輪伺服系統(tǒng)和機械傳動系匹配要合適。輸出軸上帶有負載的伺服電動機的時間常數(shù)與伺服電動機本身所具有的時間常數(shù)不同，如果慣性矩和齒輪等匹配不當，就達不到快速反應的性能。選擇最佳降速比來降低慣量，最好采用直接傳動方式。采用預緊辦法來提高整個系統(tǒng)的剛度。采用消除傳動間隙的方法，減小反向死區(qū)誤差，提高

40、運動平穩(wěn)性和定位精度。機械傳動部件 電氣伺服進給系統(tǒng)電氣伺服進給系統(tǒng)2.5 進給傳動系設計( (二二) )機械傳動部件設計機械傳動部件設計：傳動副的最佳降速比應按最大加速能力和最小慣量的要求確定，以降低機械傳動部件的慣量。QLuo360機械傳動部件 電氣伺服進給系統(tǒng)電氣伺服進給系統(tǒng)2.5 進給傳動系設計剛性調(diào)整法是調(diào)整后的齒側間隙不能自動進行補償，如偏心軸套調(diào)整法、變齒厚調(diào)整法、斜齒輪軸向墊片調(diào)整法等。特點是結構簡單，傳動剛度較高。柔性調(diào)整法是指調(diào)整后的齒側間隙可以自動進行補償，結構比較復雜，傳動剛度低些，會影響傳動的平穩(wěn)性。主要有雙片直齒輪錯齒調(diào)整法，薄片斜齒輪軸向壓簧調(diào)整法，雙齒輪彈簧調(diào)整法等。摩擦損失小，傳動效率可達0.900.96；絲杠螺母經(jīng)預緊后，可以完全消除間隙，提高了傳動剛度；靜、動摩擦因數(shù)差異很小，運動靈敏