1、第七章機床總體設計及傳動系統設計第一節機床設計的基本要求第二節機床的總體布局第三節機床主要技術參數的確定第四節主傳動系統設計概述第五節有級變速主傳動系統設計第六節計 算 轉 速第七節無級變速主運動傳動系統設計第八節進給傳動系統設計概述第九節數控機床進給傳動系統及組成元件第一節機床設計的基本要求一、工藝范圍機床的工藝范圍是指機床適應不同生產要求的能力。二、生產率和自動化程度高效率機床是我國機床發展的一個重要方向。三、加工精度和表面粗糙度所謂機床的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。四、可靠性機床的可靠性是指其在額定壽命期內，在特定工作條件下和規定時間內出現故障的概

2、率。五、機床的效率和壽命機床的效率是指消耗于切削的有效功率與電動機輸出功率之比。第一節機床設計的基本要求六、系列化、通用化、標準化程度產品系列化、零部件通用化和標準化簡稱為“三化”，其目的是便于機床設計、使用與維修；對機床產品的品種、規格、質量、數量和生產效率等有著重要的意義，它是一項重要的技術經濟政策。表7-1搖臂鉆床系列型譜(單位：mm)第一節機床設計的基本要求圖7-1搖臂鉆床的型式七、其他第一節機床設計的基本要求人機關系已成為十分重要的問題。第二節機床的總體布局一、表面成形方法工件的表面是通過刀具與工件之間的相對運動而獲得的，這種工件與刀具之間的相對運動稱為“表面成形運動”。圖7-2數控

3、鏜銑床布局第二節機床的總體布局二、機床運動的分配工件表面成形方法和運動相同，而機床運動分配不同，機床布局就不同了。三、工件的尺寸、質量和形狀工件的表面成形運動及機床部件的運動分配基本相同，但是工件的尺寸、質量和形狀不同，也會引起機床布局的變化。圖7-3工件尺寸對車床總布局的影響第二節機床的總體布局四、工件的技術要求工件的技術要求，包括加工表面的尺寸精度、幾何精度和表面粗糙度等。五、生產規模和生產率由于生產規模大小和生產率的要求，必定會對機床布局提出不同要求，如考慮主軸數目、刀架形式、自動化程度、排屑和裝卸等問題，從而導致機床布局變化。圖7-4數控車床熱變形方向與切入方向垂直第二節機床的總體布局

4、圖7-5數控車床的布局六、其他因素第二節機床的總體布局機床的總體布局必須充分考慮到人的因素，處理好人機關系，如注意減輕操作者勞動強度，為操作者提供舒適的工作條件，保障操作者的身心健康，提高工作效率。第三節機床主要技術參數的確定一、主參數和尺寸參數機床的主參數是最為重要的，它必須滿足以下要求。1) 直接反映出機床的加工能力和特性。2) 能決定其他基本參數值的大小。3) 作為機床設計和用戶選用機床的主要依據。二、運動參數運動參數是指機床執行件(如主軸、工作臺、刀架)運動的速度，即主軸的最高轉速、最低轉速、主軸轉速數列、進給量最大值和最小值、進給量數列等。(一)主運動參數1.主運動速度范圍2.有級變

5、速的轉速數列第三節機床主要技術參數的確定1) 對于某一個公比，任意兩個相鄰轉速之間的最大相對速度損失Amax為一個常數，因而轉速分布的疏密程度比較均勻合理。2) 這種轉速數列可以由幾個變速組的不同傳動比搭配相乘得到，能用較少的齒輪實現較多級的轉速，使傳動系統得到簡化。(二) 進給運動參數(三) 標準公比和標準數列表7-2標準公比1) 公比是2的某次方根，其數列每隔若干項增加或縮小2倍，如=，數列為10、12.5、16、20、25、32、40等，每隔3項增大2倍。2) 公比是10的某次方根，其數列每隔若干項增大或縮小10倍。第三節機床主要技術參數的確定三、動力參數動力參數指主運動、進給運動和輔助

6、運動的動力消耗，它主要由機床的切削載荷和驅動的工件質量等決定。(一) 主傳動功率的確定1.近似計算法2.調查統計類比法(二) 進給傳動功率的確定第三節機床主要技術參數的確定表7-3現有某些國產常用機床的主要運動參數和動力參數指刀架縱進給，不包括加大進給和小進給，第三節機床主要技術參數的確定橫進給常為縱進給的1/2。指工作臺縱、橫進給，升降臺豎直進給為縱、橫進給的1/3。指立刀架的水平進給。指砂輪主軸轉速。高速用于砂輪磨損、直徑變小的情況，以保證砂輪外圓線速度約為85m/s。指砂輪架電動機。(三) 快速移動功率的確定第三節機床主要技術參數的確定表7-4機床部件空行程速度和功率第四節主傳動系統設計

7、概述1.表面成形運動傳動系統1) 主運動傳動系統。2) 進給運動傳動系統。3) 切入運動傳動系統。2.輔助運動傳動系統1) 機床的末端執行件(如主軸)應有足夠的轉速范圍和變速級數。2)機床的動力源和傳動機構需要能夠輸出和傳遞足夠的功率和轉矩，并有較高的傳動效率。3)機床的傳動機構，特別是末端執行件必須有足夠的精度、剛度、抗振性能和較小的熱變形。4) 應該合理地滿足機床的自動化程度和生產率的要求。5) 機床的操作和控制要靈活，安全可靠，噪聲要小，維修方便。第五節有級變速主傳動系統設計一、轉速圖的基本規律和擬定方法圖7 6a所示為一個變速箱的傳動系統圖，圖7 6b所示為該變速箱的轉速圖。圖7-66

8、級主傳動系統1) 距離相等的豎直線代表傳動系統的各軸，第五節有級變速主傳動系統設計從左到右依次標注、。2) 距離相等的橫直線與豎直線相交點(用圓圈表示)，代表各級轉速。3) 相鄰兩軸之間相應轉速的連線代表相應傳動副的傳動比，傳動比的大小以連線的傾斜方向和傾斜度表示，從左向上斜是升速傳動，從左向下斜是降速傳動。1.從轉速圖中可見傳動系統的變速基本規律1) 變速系統的變速級數是各變速組傳動副數的乘積。2) 機床的總變速范圍Rn是各變速組變速范圍的乘積。3) 變速組的傳動比之間的關系。2.分析和擬定轉速圖的一般原則(1) 變速組及傳動副的選擇以12級轉速為例，其傳動方案可有第五節有級變速主傳動系統設

9、計(2) 基本組和擴大組的排列順序在一般情況下，應盡量使基本組安排在傳動順序最前面，其次是第一擴大組、第二擴大組使變速組的擴大順序和傳動順序一致。(3) 變速組的極限傳動比一般限制降速的最小傳動比umin1/4，對升速的最大傳動比umax22.5。圖7-7臥式升降臺銑床主傳動系統第五節有級變速主傳動系統設計(4) 各中間軸的轉速盡量高在傳動順序上，各變速組的最小傳動比應采取逐步降速的方法。二、臥式升降臺銑床的主傳動系統(圖7-7)分析從轉速圖中，已知臥式升降臺銑床的主軸轉速范圍為301500r/min，主軸18級轉速，公比=126。1) a變速組為軸之間傳動。2) b變速組為軸之間傳動。3)

10、c變速組為軸之間傳動。第六節計 算 轉 速圖7-8功率和轉矩特性第六節計 算 轉 速表7-5各類機床的主軸計算轉速第七節無級變速主運動傳動系統設計一、概述機床主運動采用無級變速，不僅能在調速范圍內選擇到合理的切削速度，而且換向迅速平穩，能實現不停車自動變速，簡化了變速箱的結構，縮短了傳動鏈，所以這種變速方式在數控機床、高精度機床和大型機床的主運動中得到廣泛的應用。圖7-9直流和交流電動機轉矩、功率與轉速的特性第七節無級變速主運動傳動系統設計二、采用無級調速電動機的主運動變速系統設計(一) 主軸的功率和轉矩特性(二) 主軸與電動機在功率特性上的匹配(三) 有級變速箱設計圖7-10調速電動機變速系

11、統的功率、轉矩特性曲線第七節無級變速主運動傳動系統設計表7-6和Z值(四) 設計舉例1.確定主軸恒功率范圍2.選用電動機及齒輪變速箱的Z和1) 初選直流電動機Z2-51，額定功率PD=5.5kW，額定轉速為1500r/min，高速為2400r/min。2) 改選直流電動機Z2-52，額定功率PD=7.5kW，額定轉速為1500r/min，高速為2400r/min。第七節無級變速主運動傳動系統設計三、電主軸電主軸的電動機轉子與主軸為一體，置于前后軸承之間，電動機定子則在套筒內，一般前支承采用兩個徑向推力軸承。第八節進給傳動系統設計概述一、進給傳動系統的組成圖7 11是兩種典型機床的進給傳動框圖。

12、圖7-11兩種典型機床進給傳動框圖a) CA6140型臥式車床進給系統b) 臥式升降臺銑床進給系統第八節進給傳動系統設計概述1.動力源2.傳動裝置3.執行件二、進給傳動系統的特點1.進給運動速度低、消耗功率少2.進給運動數目多3.恒轉矩傳動第九節數控機床進給傳動系統及組成元件一、數控機床進給傳動系統的組成和特點數控機床的進給傳動系統通常稱為伺服進給系統，它由伺服電路、伺服驅動元件、機械傳動裝置和執行件組成。1.傳動精度高2.響應速度快3.調速范圍寬1) 在124000mm/min范圍內，速度均勻、穩定、低速時無爬行。2) 在1mm/min以下的低速狀態時仍具有一定的響應能力。3) 零速度時，電

13、動機處于伺服鎖定狀態，工作臺停止運動并保持定位精度。第九節數控機床進給傳動系統及組成元件圖7-12數控機床進給傳動框圖第九節數控機床進給傳動系統及組成元件圖7-13數控機床進給傳動系統1驅動元件2定比機構3執行件4轉換機構第九節數控機床進給傳動系統及組成元件圖7-14三坐標軸的伺服進給系統二、伺服驅動元件第九節數控機床進給傳動系統及組成元件伺服進給系統的驅動元件主要用于提供執行件所需的動力和運動，并能實現調速和換向等。1) 調速范圍寬，在整個調速范圍內速度穩定，尤其在很低轉速時，如0.1r/min或更低轉速時，仍有平穩的速度輸出。2) 具有較長時間并且較大的過載能力，以滿足低速大轉矩的要求。3

14、) 為了滿足快速響應的要求，電動機的轉動慣量應該較小并具有較大的堵轉轉矩，以及盡可能小的加速時間常數和起動電壓。4) 能承受頻繁的起停和換向。1.步進電動機第九節數控機床進給傳動系統及組成元件圖7-15反應式步進電動機工作原理圖2.大慣量直流伺服電動機第九節數控機床進給傳動系統及組成元件圖7-16交流伺服電動機工作原理圖第九節數控機床進給傳動系統及組成元件3.交流伺服電動機三、滾珠絲杠螺母副1.工作原理與特點圖7-17滾珠絲杠螺母副結構及原理1絲杠2鋼珠3螺母4返向回珠器5插管式回珠器第九節數控機床進給傳動系統及組成元件1) 摩擦損失小，傳動效率可達0.900.96。2) 絲杠螺母經預緊后，可

15、以完全消除間隙，提高了傳動剛度。3) 靜、動摩擦系數差異很小，運動靈敏度高，不易產生爬行。4) 不能自鎖，運動具有可逆性，絲杠垂直安置時，通常應采取安全制動措施。2.軸向間隙的調整和預緊圖7-18滾珠絲杠軸向間隙調整法1、2螺母3后螺母4前螺母第九節數控機床進給傳動系統及組成元件(1) 螺紋調隙式如圖7-18a所示，通過前螺母4調節，可以使螺母1和螺母2分別有一個向左和右的微小位移，從而消除間隙。(2) 墊片調隙式如圖7-18b所示，通過對墊片修磨來改變其厚度，可以使兩個螺母產生軸向相對位移。(3) 齒差調隙式如圖7-18c所示，兩個螺母凸緣上均有外齒，并分別與緊固在螺母座兩端的內齒圈(或齒塊

16、)相嚙合，兩端的齒數z1和z2的齒數差為1。3.滾珠絲杠的支承及預拉伸1) 圖7-19a所示為一端固定一端自由。2) 圖7-19b所示為一端固定一端簡支。3) 圖7-19c所示為兩端固定。4) 圖7-19d所示為兩端分別固定。第九節數控機床進給傳動系統及組成元件四、位移檢測裝置(一) 位移檢測裝置的要求與工作方式1.位移檢測裝置的要求1) 工作可靠。2) 滿足精度和速度的要求。圖7-19滾珠絲杠的支承形式第九節數控機床進給傳動系統及組成元件3) 使用維修方便，成本低。2.位移檢測裝置的工作方式(1) 數字式和模擬式數字式測量時，被測量以數字形式表示，測量信號一般為電脈沖，數字信號可以直接送到數控裝置進行比較和處理；模擬式測量時，被測量用連續變量來表示，如電壓或相位的變化等，數控機床采用模擬式測量主要用于小量程測量。(2) 增量式測量和絕對式測量增量式測量時，量程范圍內的任一點都可作為測量的起點，測量信號反映的是相對測量起點的位移值，不反映被測件的絕對位置；絕對式