金屬切削機床設計

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1、第二章 金屬切削機床設計 第一節(jié) 概 述 一 、 機床設計的基本要求 1 工藝范圍 機床工藝范圍是指機床適應不同生產要求的能力。 大批量生產模式，工序分散，但要求加工效率高，自動 化程度高，應采用專用機床。 單件小批量生產模式，要求機床具有較寬的加工范圍， 對加工效率和自動化程度的要求相對低一些，應采用普通機床 或通用機床。 多品種小批量生產模式，要求機床能適應多品種工件的 加工，具有一定的工藝范圍，較高的加工效率和自動化程度， 應采用專門化機床。 一、機床設計的基本要求 2柔性 機床的柔性是指其適應加工對象變化的能力。機床的柔 性包括空間上的柔性和時間上的柔性。 3與物流系統(tǒng)的可接近性 可接

2、近性是指機床與物流系統(tǒng)之間進行物料 (工件、刀具、 切屑等 )流動的方便程度。 對于普通機床，是由人工進行物料流動的，要求機床的 使用、操作、清理和維護方便和安全。 對于自動化制造系統(tǒng)，是采用工件傳送帶、自動換刀系 統(tǒng)和自動排屑系統(tǒng)等裝置自動進行物料流動的，要求機床的 結構便于物料的自動流動，可靠性好。 一、機床設計的基本要求 4剛度 機床的剛度是指加工過程中，在切削力的作用下，抵 抗刀具相對于工件在影響加工精度方向變形的能力。剛度 包括靜態(tài)剛度、動態(tài)剛度、熱態(tài)剛度。 機床的剛度直接影響機床的加工精度和生產率，因此 機床應有足夠的剛度。 5精度 要保證能加工出一定精度的工件，作為工作母機的機

3、床必須具有更高的精度要求。機床精度分為機床本身的精 度，即空載條件下的精度 (包括幾何精度、運動精度、傳動 精度、定位精度等 )和工作精度 (加工精度 )。 一、機床設計的基本要求 6生產率 機床的生產率通常是指單位時間內機床所能加工的工件 數(shù)量。機床的切削效率越高，輔助時間越短，則它的生產率 越高。 7自動化 機床的自動化程度越高，加工精度的穩(wěn)定性越好，還可 以有效地降低工人的勞動強度，便于一個工人看管多臺機床， 大大地提高勞動生產率。 8成本 成 本是衡量產品市場競爭力的重要指標，應盡可能在保 證機床性能要求的前提下，提高其性能價格比。 一、機床設計的基本要求 9生產周期 生產周期 (包括

4、產品開發(fā)和制造周期 )是衡量產品市場競 爭力的重要指標，為了快速響應市場需求變化，應盡可能縮 短機床的生產周期。 10可靠性 應保證機床在規(guī)定的使用條件下、在規(guī)定的時間內，完 成規(guī)定的加工功能時，無故障運行的概率要高。 11造型與色彩 機床的外觀造型與色彩，要求簡潔明快、美觀大方、宜 人性好。應根據(jù)機床功能、結構、工藝及操作控制等特點， 按照人機工程學的要求進行設計。 二、機床的設計步驟 按新的原理進行加工的 機床應按 創(chuàng)新設計 的步驟進行； 成系列的機床產品應按 系列化設計 的步驟進行； 通用化程度較高的機床 產品，應按 模塊化設計 的步驟 進行。 機床技術設計階段的主 要內容，如圖 3-1

5、所示。 第二節(jié) 金屬切削機床設計的基本理論 一、機床的運動學原理 不同的機床因其加工功能（能夠采用的加工方法、 工件的類型、加工表面形狀等）的不同，實現(xiàn)加工功能所 需要的運動也不同。 機床運動學是研究、分析和實現(xiàn)機床期望的加工功 能所需要的運動功能配置。 即配置什么樣的運動功能，才 能實現(xiàn)機床所需要的加工功能。 一、機床的運動學原理 (一 ) 機床的工作原理 機床的基本工作原理是 ： 通過刀具與工件之間的相對 運動，由刀具切除工件上多余的金屬材料，使工件具有要 求的尺寸和精度的幾何形狀。 工件的加工表面是通過機床上刀具與工件的相對運動 而形成的，因此 要分析機床的運動功能，需要先了解工件 表面

6、的形成方法。 （二） 工件表面形成及形成方法 1. 機械零件表面的基本形狀 2. 工件表面的形成 母線和導線統(tǒng)稱為發(fā)生線 ， 任何表面都可以看作是母線 沿著導線軌跡運動而形成的 。 （ 圖 3-2） 2. 工件表面的形成 有些表面的兩條發(fā)生線完全相同，只因母線的原 始位置不同也可形成不同表面。 (1) 軌跡法 ： 軌跡法形成發(fā)生線需要一個獨立的成形運動 。 (2) 成形法 ：不需要專門的成形運動 。 (3) 相切法 ：相切法形成發(fā)生線需要兩個獨立的成形運動 。 (4) 展成法 ：用展成法形成發(fā)生線需要刀具和工件之間保持 嚴格的傳動比關系 ， 即由 (B21+B22)組合成的展成運動是復合運 動

7、 。 3. 發(fā)生線的形成 發(fā)生線的形成圖示 a)點刃車刀車外圓柱面 b)寬刃車刀車外圓柱面 c)砂輪磨外圓柱面 d)盤銑刀銑外圓柱面 e)滾齒加工 1 f n n 1 . . f n1 n2 1 a) c) b) f n1 n2 f d) e) (三 ) 運動分類 1按運動的功能分類 為了完成工件表面的加工，機床上需要設置各種運動， 可以分為成形運動和非成形運動。 (1) 成形運動 完成一個表面的加工所必須的最基本的運動，稱為表面 成形運動，簡稱成形運動。根據(jù)運動在表面形成中所完成的 功能，成形運動又分為主運動和形狀創(chuàng)成運動。 1) 主運動 。它是切除加工表面上多余的金屬材料的主 要運動，因此

8、運動速度高，消耗機床的大部分動力，故稱為 主運動，也可稱為切削運動。它是形成加工表面必不可少的 成形運動。 2) 形狀創(chuàng)成運動 形狀創(chuàng)成 運動的功能是 用來形成工件 加工表面的發(fā) 生線。同樣的 加工表面，采 用的刀具不同， 發(fā)生線的形成 方法不同，所 需的形狀創(chuàng)成 運動的數(shù)目也 不同。 (2) 非成形運動 除了上述成形運動之外，機床上還需設置一些其它運動， 稱之為非成形運動。如： 切入運動 (刀具切入工件的運動 )； 分度運動 (當工件加工表面由多個表面組成時，由一個表 面過渡到另一個表面所需的運動 )； 輔助運動 (如刀具的接近、退出、返回等 )；控制運動 (如 一些操縱運動 )。 2按運動

9、之間的關系分類 可分為： 簡單運動 ： 如果一個獨立的成形運動 ， 是由單獨的旋轉或直 線運動構成的 ， 稱為簡單運動；如圖中 Bl、 A2 復合運動 ：如果一個獨立的成形運動 ， 是由兩個或兩個以上 的旋轉運動或直線運動 ， 按照某種確定的運動關系組合 而成 ， 稱為復合運動 。 如圖中 (B21+B22)、 (B11+A12)、 (B21+A22) 二、精 度 機床的精度會直接影響到被加工工件的尺寸精度、 形位誤差和表面粗糙度。 機床精度包括 幾何精度、傳動精度、運動精度、定 位和重復定位精度、工作精度和精度保持性等 。 各類機床按精度可分為普通精度級、精密級和超精 密級。在設計階段主要從

10、機床的精度分配、元件及材料 選擇等方面來提高機床精度。 三、剛 度 機床剛度指機床受載時抵抗變形的能力 。 機床整機剛度不能用某零部件的剛度評價，而是指整臺 機床在靜載荷作用下，各構件及結合面抵抗變形的綜合能力。 顯然，刀具和工件間的相對位移影響加工精度，同時靜剛度 對機床抗振性、生產率等均有影響。因此，在機床設計中對 如何提高其剛度是十分重視的。 在設計中既要考慮提高各部件剛度，同時也要考慮結合 部剛度及各部件間的剛度匹配。 四、振 動 機床抗振能力是指機床在交變載荷作用下，抵抗變形的 能力。 它包括： 抵抗受追振動的能力 和 抵抗自激振動的能力 。 前者習慣上稱之為抗振性，后者常稱為切削穩(wěn)

11、定性。 影響機床振動的主要原因有： 1)機床的剛度 。如構件的材料選擇、截面形狀、尺寸、 肋板分布，接觸表面的預緊力、表面粗糙度、加工方法、幾 何尺寸等。 2)機床的阻尼特性 。提高阻尼是減少振動的有效方法。 3)機床系統(tǒng)固有頻率 。若激振頻率遠離固有頻率，將不 出現(xiàn)共振。在設計階段通過分析計算預測所設計機床的各階 固有頻率是很必要的。 五、低速運動平穩(wěn)性 當運動部件低速運動時，主動件勻速運動，從動件往往 出現(xiàn)明顯的速度不均勻的跳躍式運動，即時走時?；蛘邥r快 時慢的現(xiàn)象。這種在低速運動時產生的運動不平穩(wěn)性稱為 爬 行 。 機床運動部件產生爬行， 會影響機床的定位精度、工件 的加工精度和表面粗糙

12、度。在 精密、自動化及大型機床上， 爬行的危害更大，是評價機床 質量的一個重要指標。 第二節(jié) 金屬切削機床總體設計 一、機床系列型譜的制定 二、機床的運動功能設計 三、機床總體結構方案設計 四、機床主要參數(shù)的設計 中型臥式機床的簡略系列型譜表 型式 最大 工件直徑 /mm 萬 能 式 馬 鞍 式 提 高 精 度 無 絲 杠 式 卡 盤 式 球 面 加 工 端 面 車 床 250 320 400 500 630 800 1000 注： 基型， 變型 一、 機床系列型譜的制定 二、 機床運動功能設計 （ 1）選取坐標系 （ 2）寫出機床運動功能式 （ 3）畫出機床運動原理圖 (例：滾齒機） （ 4

13、）繪制機床傳動原理圖 運動原理圖形符號 a) 回轉運動 b) 直線運動 Zf Ba Ya Cp Cf W/Cf Ya Zf Ba Cp/T 機床運動 原理 圖 機床運動 原理 圖 掌握了機床運動原理 圖的原理和方法，可以對 任何復雜原理的機床進行 運動功能分析，它是一種 運動功能設計的有用工具。 機床傳動原理圖 機床的運動原理圖只表示運動的個數(shù)、形式、功能及排 列順序，不表示運動之間的傳動關系。若將動力源與執(zhí)行件、 各執(zhí)行件之間的運動及傳動關系同時表示出來，就是傳動原 理圖。圖 26給出了傳動原理圖的所用的主要圖形符號及傳 動原理圖例子。 1、運動功能分配設計 2、結構布局設計： 立式、臥式、

14、斜置式 3、機床總體結構的概略形狀與尺寸設計 設計的主要依據(jù)是 ：機床總體結構布局形態(tài)圖，驅動與傳動 設計結果，機床動力參數(shù)及加工空間尺寸參數(shù)以及機床整機的剛 度及精度分配。 設計過程 ： P73(P78) 1）確定末端執(zhí)行件的概略形狀與尺寸； 2）確定與末端執(zhí)行件相結合的下一個功能部件結合部分的 概略形狀與尺寸 3）確定下一個功能部件的概略形狀與尺寸 機床總體方案的綜合評價 評價的主要因素有： P73(P78 79) 三、 機床總體結構方案設計 機床的主要技術性能參數(shù)包括： 尺寸參數(shù) 、 運動參數(shù) 、 動力參數(shù) 。 （ 一 ） 尺寸參數(shù) 機床的 尺寸參數(shù) 包括： 決定機床規(guī)格或加工范圍的 主

15、參數(shù) ， 以及確定 機床主要結構尺寸的參數(shù) 。 四、主要參數(shù)的確定 （二） 運動參數(shù) 1 主運動參數(shù) 切削速度 專用機床的切削速度：根據(jù)加工工件的某一特定工序設 計 ， 只須一種最佳的切削速度； 通用機床的切削速度： 考慮機床的工藝內容和范圍 ， 為一個切削速度系列 。 對主運動是回轉運動的機床 ， 主運動參數(shù) 是 主軸的轉速： n = 1000 v / d (r/min) 對主運動是直線運動的機床 ， 主運動參數(shù) 是刀具或工件 每分鐘直線 往復運動的次數(shù) 。 主運動速度可采用 無級變速 或 有級變速 兩種方式 。 （ 1） 最低轉速 (nmin) 、 最高轉速 (nmax) nmin=100

16、0 vmin / dmax nmax=1000 vmax / dmin nmax 和 nmin的比值是變速范圍 Rn = nmax / nmin （二） 運動參數(shù) （二） 運動參數(shù) （ 2） 分級變速時的主軸轉速數(shù)列 、 變速范圍 主軸的轉速數(shù)列一般按等比數(shù)列排列 。 這樣可以使 最大相對轉速損失 Amax為一常數(shù) 。 什么是 最大相對轉速損失 Amax： ？ 如某機床的分級變速系統(tǒng)共有 Z級： n1， n2， n3， nj， nj+1， nz 加工工件所需的最有利轉速為 n， 而 n 處在 nj 與 nj+1 之 間 ， 相對轉速損失： A =（ n- n j） / n 最大相對轉速損失 A

17、max = （ n- n j） / n =（ nj+1-nj） / nj+1 = 1 -（ nj / nj+1 ） = 1- 1/ 級比 = nj +1 / nj lim 1jnn 機床轉速按等比數(shù)列排列 ， 其公比為 ， 各級轉速為： n1 = nmim； n2 = n1 ； n3 = n2 = n1 2 nZ = nz-1 = nz-2 2= n1 Z-1=nmax 變速范圍： Rn = nmax /nmim = n1 Z-1/ n1= Z-1 （二） 運動參數(shù) 例：有一臺鉆床 ， 主軸轉速為： 20， 28， 40， 56， 80， 112， 160， 224， 315， 450， 63

18、0， 900， 共 12級 ， 等比數(shù)列 ， 公比 =1.41， 最 大 相 對 轉 速 損 失 Amax= （ -1 ） / = （ 1.41-1 ） /1.41 29% 若按等差數(shù)列排列，取 公差為 20， 主軸轉速為： 20， 40， 60， 80， 100， 120， 140， 160， 180， 200， 220， 240， 260， 280， 300， 320， ， 900，共 45級， 最大相對轉速損失 Amax： Amax1=（ 40-20） /40 = 0.5 Amax2=（ 900-880） /900 = 0.0222 等比數(shù)列同樣適用于 直線往復運動的往復次數(shù)數(shù)列 、 進

19、 給數(shù)列以及尺寸和功率參數(shù)系列 。 機床的進給運動參數(shù)是以進給量來表示 ， 進給量的變換 可采用無級變速或有級變速兩種方式 。 當進給量的變化要影響生產率時 ， 進給量的數(shù)列也要按 等比數(shù)列 。 對于各種加工螺紋和機床和利用棘輪機構實現(xiàn)進給的機 床 ， 進給量的數(shù)列為等差數(shù)列 。 對于用交換齒輪調整進給量的自動和半自動機床 ， 進給 量沒有一定的規(guī)則 。 2 進給運動參數(shù) 3 標準公比和標準數(shù)列 (表 3-5)標準公比值： 1.06; 1.12; 1.26; 1.41; 1.58; 1.78; 2。 標準公比值能滿足以下要求： 1） 標準公比 ： 1 2； 2） 為 1.06的整數(shù)次方； 3）

20、 為 2的整數(shù)次方根； 4） 為 10的整數(shù)次方根 。 確定公比 的值要考慮相對轉速損失和機床結構兩個方面 的因素 。 公比 與級數(shù) Z有以下關系： 由 Rn = nmax / nmin = Z-1 得： Z = ( lgRn / lg )+1 公比的選用 :當變速范圍一定時 ， 愈小 ， 級數(shù) Z便愈多 ， 使用方便 ， 但使機床的結構復雜 。 愈大 ， 級數(shù) Z便愈少 ， 機床的結構簡單 ， 相對轉速損失 大 。 4 公比的選用 （三） 動力參數(shù) 動力參數(shù)包括： 1） 電機功率； 2） 液壓缸的牽引力 ， 3） 液壓馬達 、 伺服電機 、 步進電機的額定扭矩 。 各傳動件的參數(shù)都是根據(jù)動力

21、參數(shù)設計計算的 。 1 主運動功率的確定 機床主運動功率 P主 =P切 + P附 + P空 = P切 / 機 + P空 P空 = k1 (d平 n + k2 d主 n主 ) 10-6 P切 = T切 * n / 9550 (T切 = 9550 P切 /n ) 電動機的額定功率 : P額定 = P主 /K (kw) 2 進給運動功率的確定 1） 進給運動與主運動共用一個電機 ， 其功率可忽略； P進 = (0.03 0.05)P主 2） 進給運動與空行程 （ 快速運動 ） 共用一個電機時 ， 也不必 單獨考慮進給功率； 3） 進給運動采用單獨電機或采用液壓傳動時 ， 需要確定進給 運動的功率 。

22、 普通電機： 進給功率 P進 = FV進 /60000 數(shù)控機床上的伺服電機按轉矩選擇： T進電 = 9550 P進 /n進電 3. 空行程功率的確定 P空 = P慣 + P摩 快速 （ 空 ） 行程電機往往是滿載起動的 ， 移動件較重 ， 加速 度較大 ， 計算時必須考慮慣性力 。 克服慣性力需要的功率為： P慣 = Te* n / 9550k1 克服質量和摩擦力需要的功率為： 升降運動： P摩 = （ mg + fF ） v / 60000 水平運動： P摩 = fmgv / 60000 2 1 2 1 e )()( 30 j j j i i ie a e a e v mJJ t n J

23、t JT 一 、 傳動系統(tǒng)的作用 1 把一定的功率或力矩從動力機傳遞給執(zhí)行件； 2 保證運動的執(zhí)行件具有要求的運動速度和一定的變 速范圍； 3 根據(jù)需要 ， 能夠方便地進行運動的啟動 、 停止 、 換 向和制動 。 第四節(jié) 機床的主傳動設計 二、傳動系統(tǒng)的分類和傳動方式 分類： 1、 按驅動方式可分為： 交流電動機驅動和直流 電動機驅動 。 2、 按傳動裝置類型可分為： 機械傳動裝置；液 壓傳動裝置；電氣傳動裝置以及它們的組合 。 3、 按變速的連續(xù)性可分為 ：分級變速傳動和無 級變速傳動 。 二、傳動系統(tǒng)的分類和傳動方式 傳動方式： 1.集中傳動方式 全部傳動和變速機 構集中裝在一個主軸 箱

24、中 二、傳動系統(tǒng)的分類和傳動方式 2分離傳動方式 主傳動系中的大部 分的傳動和變速機構裝 在遠離主軸的單獨變速 箱中，然后通過帶傳動 將運動傳到主軸箱的傳 動方式， 三、傳動系統(tǒng)的組成 1定比傳動裝置 絲杠車床傳動系統(tǒng) 2變速裝置 常用的變速裝置有以下幾種： 1）變換齒輪變速機構 絲杠車床傳動系統(tǒng) 2）滑移齒輪變速機構 (CA6140) 3）離合器變速機構 (CA6140) 3起停和換向裝置 起停和換向裝置的典型結構： (CA6140) 1） 齒輪 摩擦離合器換向機構 2） 齒輪換向機構 三、傳動系統(tǒng)的組成 摩擦離合器 齒輪換向機構 4 制動裝置 制動器的設計與安裝應考慮如下問題： 1） 制動

25、器與離合器必需互鎖； 2） 合理確定制動器的安裝位置； 若要求制動扭矩較小 ， 則制動器安裝在轉速較高 的軸上 。 若要求制動時間短 ， 制動靈活 ， 則制動器可直接 安裝在主軸或其他執(zhí)行機構上 。 通常 ， 制動器安裝在轉速較高 、 變速范圍較小的軸上 。 閘帶式制動器的操縱力應作用在制動帶的松邊 。 制動器 . 三、傳動系統(tǒng)的組成 三、傳動系統(tǒng)的組成 5安全保護裝置 如果傳動鏈中有帶、摩擦離合器等摩擦副，則具有過載 保護作用，否則應在傳動鏈中設置安全離合器或安全銷等過 載保護裝置。 安全保護裝置宜放在靠近執(zhí)行機構且轉速較高的傳動構 件上。 常用的安全保護裝置有以下幾種： 1）銷釘安全聯(lián)軸器

26、 （ 見圖 ） 2）鋼珠安全離合器 （ 見圖 ） 3）摩擦安全離合器（ 見圖 ） 絲杠車床 返回 返回 制動器 返回 銷釘安全聯(lián)軸器 返回 摩擦安全離合器 返回 鋼珠安全離合器 返回 四、 分級變速主傳動系統(tǒng)設計 （一）變級變速機構 的轉速圖 轉速圖中： 1）垂直線代表傳動軸線； 2）水平線代表各級轉速； 3）各軸之間連線的傾斜方 式代表傳動副的傳動比；前一 軸上同一點向后一軸聯(lián)出的聯(lián) 線的條數(shù)代表兩軸間的傳動副 數(shù)； 4）沿運動傳遞方向，穿過 各相連線的途徑是傳動路線； 返回 （ 1） 變速規(guī)律 主軸為了得到連續(xù)的等比數(shù)列 ， 需要的傳動組數(shù)和每個傳動組 中的傳動副數(shù)為： Z = Pa *

27、Pb * Pc * Pw （ 2） 轉速圖原理 從轉速圖中可以看出 ， 各變速組中傳動比的關系為： a組： （ 基本組 ） 級比 X j 級比指數(shù) Xj ua1: ua2: ua3:=1/2 : 1/: 1 = 1 : : 2 1 1 b組： （ 第一擴大組 ） ub1 : ub2 = 1/3 : 1 = 1:3 3 3 = Pa c組： （ 第二擴大組 ） uc1: uc2 = 1/4 : 2 = 1:6 6 6= Pa* Pb 第 W變速組： （ 第 W-1擴大組 ） Pa * Pb * Pc * Pw-1 （一） 變級變速機構的轉速圖 r= umax / umin 基本組的變速范圍： r

28、0 = ua3 / ua1 = 2 = X0（ P0-1） 第一擴大組的變速范圍： r1 = ub2 / ub1 =3 =X1 （ P1-1） 第二擴大組的變速范圍： r2 = uc2 / uc1 =6 =X2 （ P2-1） 第 j擴大組的變速范圍： rj =Xj（ Pj-1） 主軸的變速范圍： Rn = nmax / nmin = r0 r1 r2 rw-1 在設計傳動系統(tǒng)時 ， 遵循上述規(guī)律 ， 傳動系統(tǒng) 可得到轉速數(shù)列是連續(xù)的等比數(shù)列 ， 即正常的 傳動系統(tǒng) 。 （ 3）各變速組的變速范圍 (圖 3-13) （ 4）結構式和結構網 結構式： 為了便于分析和比較不同傳動設計方案 ， 常使

29、用結構式 形式 。 如： 12 = 31 23 26 結構網： 只表示傳動比的相對關系，而不表示具體轉速值的線圖 稱為結構網。 （ 結構網 ) （ 3）各變速組的變速范圍 返回 結構式和結構網 返回 結構式和結 構網 a)12=31 23 26 b)12=31 26 23 c)12=32 21 26 d)12=34 21 22 e)12=32 26 21 f)12=34 22 21 返回 （ 1） 變速組及其傳動副數(shù)的確定 為使傳動系統(tǒng)中齒輪總處數(shù)為最少 ， 每個變速組的傳動副 數(shù)最好取 P=2或 3。 （ 12=3 2 2） （ 2） 確定傳動順序 一般應遵循 “ 前多后少 ” 的原則 。

30、（ 3） 確定變速順序 一般應采用基本組在前 ， 擴大組在后 的方案 ， 即 “ 前密后疏 ” 的原則 。 （ 12=31 23 26） （ 4） 確定各變速組的傳動比 1） 各傳動副的傳動比不應超出極限傳動比 ， umin 1/4 umax2； 若用斜齒輪傳動 umax2.5 進給傳動系統(tǒng)： umin 1/5 umax2.8； 2） 盡量提高中間軸的最低轉速 ， 遵循 “ 前緩后急 ” 的 原則 。 （二）轉速圖的擬定 前多后少 前密后疏 返回 前緩后急 返回 Ua2 Ub2 Ua1 Uc2 Ud2 Ub1 Uc1 Ud1 1600 1250 1000 800 630 500 400 315

31、 250 200 160 125 100 80 63 50 40 31.5 25 例： 某機床公比 =1.26，主軸轉速級 數(shù) Z=16， n1=25r min， 試擬定出結構式， 畫出結構網； 若電動機功率 P=4kW，額定轉速 nm=1440r min，確 定齒輪齒數(shù)，畫出轉 速圖。 （ 5）齒輪齒數(shù)的確定 A)齒輪齒數(shù)的確定的原則 在確定齒數(shù)時應注意： 1） 實際轉速 n與標準轉速 n的相對轉速誤差 : n=(n n) / n 。 fdNR dNR 3、若需要在運轉中變速，功率特性圖上需要恒功率線有 小段重合，變速箱 公比 可取 小于 電動機的 恒功率調速范 圍 ，即 ，則變速級數(shù)會多些

32、。 f dNR dNR f （三）數(shù)控機床高速主傳動設計 提高主傳動系中主軸轉速是提高切削速度最直接最有效 的方法。 數(shù)控車床的主軸轉速目前到 5000 7000r/min。 數(shù)控高速磨削的砂輪線速度到 100200m/s。 要求主軸系統(tǒng)的結構必須簡化，減小慣性，主軸旋轉精 度要高，動態(tài)響應要好，振動和噪聲要小。 高速和超高速數(shù)控機床主傳動，一般采用兩種設計方式： 一種是采用聯(lián)軸器將機床主軸和電動機軸串接成一體， 將中間傳動環(huán)節(jié)減少到僅剩聯(lián)軸器； 另一種是將電動機與主軸合為一體，制成內裝式電主軸， 實現(xiàn)無任何中間環(huán)節(jié)的直接驅動，并通過冷卻液循環(huán)冷卻方 式減少發(fā)熱， 電主軸 電主軸的電動機轉子與

33、主軸為一體，置于前后軸承之間， 電動機定子則在套筒內，一般前支承采用二個徑向推力軸承。 由于轉動的零件少，主軸直接支承在前后軸承之間，所以可實 現(xiàn)高速運轉。 電主軸的無級變速方式，廠家提供變頻和矢量控制兩種 選擇。 （四）數(shù)控機床采用部件標準化、模塊化結構設計 整機數(shù)控車床的模塊化設計是在幾個基礎模塊部件（床身、底座 等）基礎上，按加工要求靈活配置若干功能部件（如主軸、刀架、尾 座等）和附加模塊化裝置（各式機械手、檢測裝置等）， （五）并聯(lián)機床原理 前面討論的機床形狀創(chuàng)成運動， 工件和刀具的各個運動 是串聯(lián)關系。 近年來 并聯(lián)運動原理 在機床中得到了應用。 并聯(lián)運動比串聯(lián)運動具有如下優(yōu)點： 精

34、度高 (各分支的運動誤差不疊加 )、 剛度高 (桿的受力狀態(tài)好 )、 運動部件質量小、速度高 等， 這些優(yōu)點對于機床來說是非常重要的。 并聯(lián)運動機構 一、機械進給傳動系統(tǒng)的特點 1)恒轉矩傳動。 當進給量較大時，一般采用較小的背吃刀量；當進給量 較小時，多采用較大的背吃刀量；在各種不同進給量的情況 下，其切削分力大致相同，即都有可能達到最大進給力， 因此，在各種進給速度下，傳動系統(tǒng)最后輸出軸的轉矩 可近似地認為相等。 傳動件的計算轉速（速度）是該傳動件可能出現(xiàn)的 最大 轉速 （速度）。 進給傳動的轉速圖為前疏后密的結構。這樣可以使進給 系統(tǒng)內更多的傳動件至末端輸出軸的傳動比較小，承受的轉 矩也

35、較小 第五節(jié) 進給傳動系統(tǒng)設計 一、機械進給傳動系統(tǒng)的特點 2)進給運動速度低、受力小、消耗功率少。 3)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。 立式鉆床只有一個進給運動， 臥式鏜床則有五個進給運動； 普通車床中，車螺紋傳動是內聯(lián)系傳動鏈，而縱車外圓 則是外聯(lián)系傳動鏈。 4)進給傳動系統(tǒng) （特別是數(shù)控機床）中應 采用各種消除間 隙措施 ，以提高傳動精度。 5)進給傳動系統(tǒng)中常應用快速進給機構 ，以實現(xiàn)執(zhí)行件在 空行程內的快速移動。 進給傳動系統(tǒng)應滿足以下要求： 1) 有較高的靜剛度。 2) 具有良好的快速響應性； 抗振性能好；噪聲低；有良 好的防爬行性能；切削穩(wěn)定性

36、好。 3) 有較高的傳動精度和定位精度。 4) 能滿足工藝需求，有足夠的變速范圍。 5) 結構簡單，制造工藝性好， 調整維修方便，操縱輕便 靈活。 6) 制造成本低，有較好的經濟性。 二、進給傳動的基本要求 沒有特殊需要，盡量采用等比數(shù)列； 對于等差數(shù)列進給傳動，設計時以滿足工藝需求為目的； 隨機數(shù)列進給傳動系統(tǒng)，如車床的非標準螺紋進給傳動 鏈等，采用交換齒輪機構。 等比進給傳動應遵循以下原則： 1進給傳動系統(tǒng)的極限傳動比、極限變速范圍 極限傳動比為 imin1/5 ， imax2.8 ， 極限總變速范圍為 R=2.8 5=14。 2進給傳動擴大順序的原則、最小傳動比原則 轉矩與傳動比成反比，

37、降速傳動，傳動比小于 1，輸出 轉矩增加。 三、分級進給傳動設計的原則 等比進給傳動應遵循以下原則： 由于進給系統(tǒng)是恒 轉矩變速，末端旋轉傳 動件的轉矩一定，一般 情況下擴大順序應采用 前疏后密的原則 ；（為 什么？） 根據(jù)誤差傳遞規(guī)律， 最小傳動比應采用 前緩 后急的原則 ，以提高進 給傳動系統(tǒng)的傳動精度。 四、 電氣伺服進給系統(tǒng) (一 )電氣伺服進給系統(tǒng)的分類 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)，電氣 伺服進給系統(tǒng)按有無檢測和反饋裝置分為開環(huán)、閉環(huán)和半閉 環(huán)系統(tǒng)。 (二 )電氣伺服進給系統(tǒng)驅動部件 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

38、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。 (二 ) 電氣伺服進給系統(tǒng)驅動部件 1對進給驅動部件的基本要求 1)調速范圍要寬，低速運行平穩(wěn)，無爬行。 2)快速響應性好，電動機具有較小的轉動慣量。 3)抗負載振動能力強，切削中受負載沖擊時，系統(tǒng)的速 度仍基本不變。 4)可承受頻繁起動、制動和反轉。 5)振動和噪聲小，可靠性高，壽命長。 6) 調整、維修方便。 2進給驅動部件的類型和特點 進給驅動部件種類很多，用于機床上的有步進電動機、 小慣量直流電動機、大慣量直流電動機、交流調速電動機和 直線電動機等。 (三 )電伺服進給傳動系中的機械傳動部件 1機械傳動部件應滿足的要求

39、 1) 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；絲杠傳動可采用滾珠絲杠螺母傳動； 2) 伺服系統(tǒng)和機械傳動系匹配要合適。如果慣性矩和齒 輪等匹配不當，就達不到快速反應的性能。 3) 選擇最佳降速比來降低慣量，最好采用直接傳動方式。 4) 采用預緊辦法來提高整個系統(tǒng)的剛度。 5) 采用消除傳動間隙的方法，減小反向死區(qū)誤差，提高 運動平穩(wěn)性和定位精度。 為保證伺服系統(tǒng)的工作穩(wěn)定性和定位精度，要求機械傳 動部件無間隙、低摩擦、低慣量、高剛度、高諧振和適宜阻 尼比。 2機械傳動部件設計 機械傳動部件主要指齒輪或同步齒形帶和絲杠螺母傳動副。 電氣伺服進給系統(tǒng)中，運動部件的移動

40、是靠脈沖信號來控制， 要求運動部件動作靈敏、低慣量、定位精度好、適宜的阻尼比 及傳動機構不能有反向間隙。 (1) 最佳降速比的確定 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。 對于開環(huán)系統(tǒng)，傳動副的設計主要是由機床所要求的脈沖 當量與所選用的步進電動機的步距角決定。 降速比為： 式中， 為步進電動機的步距角 ( /脈沖 )； L為滾珠絲杠 的導程 (mm)； Q為脈沖當量 (mm/脈沖 )。 QLu 360 (1) 最佳降速比的確定 對于閉環(huán)系統(tǒng) ， 主要由驅動電動機的最高轉速或轉矩與 機床要求的最大進給速度或負載轉矩決定， 降速比為 式中， ndma

41、x為驅動電動機最大轉速 (r min)； L為滾珠絲 杠導程 (mm)； vmax為工作臺最大移動速度 (mm min)。 設計中、小型數(shù)控車床時，通過選用最佳降速比來降低 慣量，應盡可能使傳動副的傳動比 u=1，這樣可選用驅動電動 機直接與絲杠相聯(lián)接的方式。 m a x m a x vLnu d 伺服電機與滾珠絲杠的聯(lián)接： （ 2）齒輪傳動的間隙消除 直齒圓柱齒輪傳動機 構 1）偏心軸套調整法 這種方法結構簡單， 但側隙調整后不能自動補 償。 2）雙片薄齒輪錯齒調整法 如圖中所示，轉動螺 母 7(螺母 6用于鎖緊 )可改 變彈簧 8的張力大小，調 節(jié)齒輪 l、 2的相對位置， 達到錯齒。這種

42、錯齒調整 法的齒側間隙可自動補償， 但結構復雜 。 斜齒輪傳動機構 1）墊片調整法 與錯齒調整法基本相 同該方法結構簡單，但在 使用時需要反復調節(jié)墊片 的厚度才能達到要求，而 且齒側間隙不能自動補償。 2）軸向壓簧調整法 用彈簧 3的軸向力來 獲得薄片斜齒輪 1、 2之間 的錯位，使其齒側面分別 緊貼寬齒輪 7的齒槽的兩側 面。該方法的特點是齒側 間隙可以自動補償，但軸 向尺寸較大，結構不緊湊。 齒輪齒條傳動機構 當傳動負載大時， 可采用雙齒輪調整法。 如圖所示，通過預載裝 置 4向齒輪 3上預加負載， 使大齒輪 2、 5同時向兩 個相反方向轉動，從而 帶動小齒輪 1、 6轉動， 其齒便分別緊

43、貼在齒條 7上齒槽的左、右側， 消除了齒側間隙。 同步齒形帶傳動機構 同步齒形帶傳動機構利用齒形帶的齒形與帶輪的輪齒依 次相嚙合傳遞運動和動力。它兼有帶傳動、齒輪傳動及鏈傳 動的優(yōu)點，能方便地實現(xiàn)較遠中心距的傳動，傳動過程無相 對滑動，平均傳動比較準確，傳動精度高，且齒形帶的強度 高，厚度小，重量輕，故可用于低速及高速傳動；齒形帶無 需特別張緊，作用在軸和軸承等處的載荷小，傳動效率高， 因此在數(shù)控機床、工業(yè)機器人等伺服傳動中得到廣泛應用。 （ 3）滾珠絲杠及其支承 1） 工作原理與特點 （ 圖 3-46） 2）滾珠絲杠的支承方式 一端裝推力軸承，另一端自由； 一端裝推力軸承，另一端裝向心軸承；

44、 兩端裝推力軸承； 兩端裝雙向推力軸承， 2）滾珠絲杠的支承方式 一端裝圓錐軸承，另一端自由 2）滾珠絲杠的支承方式 一端裝推力軸承，另一端裝向心軸承 2）滾珠絲杠的支承方式 兩端裝角接觸軸承（向心推力軸承） 2）滾珠絲杠的支承方式 (4)絲杠的拉壓剛度計算 絲杠傳動的綜合拉壓剛度 主要由絲 杠的拉壓剛度，支承剛度和螺母剛度三 部分組成。 絲杠的拉壓剛度不是一個定值，它 隨螺母至軸向固定端的距離而變。一端 軸向固定的絲杠 (圖 349a和 b)的拉壓剛 度 K(N/m)為： K=(AE/L1) 10-6 式中， A為螺紋底徑處的截面積 (mm2)； E為彈性模量 (鋼的彈性模量 E=2 101

45、1N m2)； L1為螺母至固定端 的距離 (m)。 兩端固定的絲杠 (圖 349c)，剛度 K(N/m)為： K=(4AE/L) 10-6 (4)絲杠的拉壓剛度計算 可以看出，一端固定，當螺母至固定端的距離 L1等于兩 支承端距離 L時，剛度最低。在 A、 B、 L相同的情況下，兩端 固定絲杠的剛度為一端固定時的四倍。 （ 5） 軸向間隙的調整和預緊 滾珠絲杠副除了對本身單一方向的傳動精度有要求外， 對其軸向間隙也有嚴格要求，以保證其反向傳動精度。通常 采用雙螺母預緊的方法，把彈性變形控制在最小限度內，以 減小或消除軸向間隙，并可以提高滾珠絲杠副的剛度。 目前制造的單螺母式滾珠絲杠副的軸向間

46、隙達 0.05mm， 雙螺母式的經加預緊力調整后基本上能消除軸向間隙。 應用該方法消除軸向間隙時應注意以下兩點： 1)預緊力大小必須合適，過小不能保證無隙傳動，過大將 使驅動力矩增大，效率降低，壽命縮短。預緊力應不超過最 大軸向負載的 1 3。 2)要特別注意減小絲杠安裝部分和驅動部分的間隙，這些 間隙用頂緊的方法是無法消除的，而它對傳動精度有直接影 響。 （ 5） 軸向間隙的調整和預緊 （ 5） 軸向間隙的調整和預緊 (1)墊片調隙式 (圖 3-50a) 調整墊片的厚度使螺母產生微量 的軸向位移，以達到消除軸向間隙和產生預緊力的目的。該 形式結構緊湊，工作可靠，調整方便，應用廣， 但不很準確， 并且當滾道磨損時不能隨意調整，除非更換墊圈。故適用于 一般精度的傳動機構。 (2)螺紋調隙式 (圖 ) 旋轉圓螺母可調整消除間隙并產 生 預緊力，之后再用鎖緊螺母鎖緊。該形式結構緊湊、工作可 靠、調整方便，缺點是不很精確。 (3)齒差調隙式 (圖 50b)該形式的調整精度很高，工作可 靠。但結構復雜，加工和裝配工藝性能較差。 第二章 習題（四） P140： 23-33， 35， 38 （ 第 2版： P2093-33， 35， 38，）