金属切削机床设计

1、4.1 机床总体设计机床总体设计4.2 主传动系统设计主传动系统设计4.3 进给传动系设计进给传动系设计4.4 典型部件设计典型部件设计 4.1.1 4.1.1 机床系列型谱的制定机床系列型谱的制定4.1.2 4.1.2 机床运动功能设计机床运动功能设计4.1.3 4.1.3 机床总体结构方案设计机床总体结构方案设计4.1.4 4.1.4 机床主要参数的设计机床主要参数的设计4概述机床设计应满足的要求机床设计应满足的要求 工艺范围、柔性、与物流系统的可亲性、刚度、精工艺范围、柔性、与物流系统的可亲性、刚度、精度、噪声、生产率和自动化、成本、生产周期、可度、噪声、生产率和自动化、成本、生产周期、

2、可靠性、造型与色彩靠性、造型与色彩机床设计的步骤机床设计的步骤5机床设计步骤机床设计步骤总体设计总体设计主要技术指标设计：用途、生产率、性能指标、主要主要技术指标设计：用途、生产率、性能指标、主要参数驱动方式、成本及生产周期参数驱动方式、成本及生产周期总体方案设计：运动功能设计、基本参数设计、传动总体方案设计：运动功能设计、基本参数设计、传动系统设计、结构布局设计、控制系统设计系统设计、结构布局设计、控制系统设计 总体方案综合评价与选择总体方案综合评价与选择总体方案的设计与优化总体方案的设计与优化2021-12-186详细设计详细设计技术设计：结构原理方案、装配图设计、技术设计：结构原理方案、

3、装配图设计、 分析计算或优化分析计算或优化施工设计：零件图设计、商品化设计、施工设计：零件图设计、商品化设计、 编制技术文档编制技术文档 机床整机综合评价机床整机综合评价2021-12-187金属切削机床设计的基本理论金属切削机床设计的基本理论精度精度刚度刚度抗振性抗振性热变形热变形噪声噪声低速运动平稳性低速运动平稳性8精精 度度几何精度：机床空载条件下，不运动或运动速度较低时几何精度：机床空载条件下，不运动或运动速度较低时 各主要部件的形状、相互位置和相对运动的各主要部件的形状、相互位置和相对运动的 精确程度精确程度运动精度：机床空载并以工作速度运动时，主要零部件运动精度：机床空载并以工作速

4、度运动时，主要零部件 的几何位置精度的几何位置精度传动精度：机床传动系统各末端执行件之间运动的协调传动精度：机床传动系统各末端执行件之间运动的协调 性和均匀性性和均匀性定位精度定位精度工作精度工作精度精度保持性精度保持性:主要影响因素是磨损主要影响因素是磨损9刚刚 度度机床抵抗变形的能力 K:机床刚度（N/m) F：作用在机床上的载荷（N） y：在载荷作用下，机床或零部件的变(m)yFK 2021-12-1810抗抗 振振 性性受迫振动：机床及其零部件都是弹性系统，当受到随时间变化受迫振动：机床及其零部件都是弹性系统，当受到随时间变化 的外力、位移、速度或加速度等激振作用时，产生振动的外力、位

5、移、速度或加速度等激振作用时，产生振动自激振动：在没有周期性外力的作用下，由系统内部激发及反自激振动：在没有周期性外力的作用下，由系统内部激发及反 馈的相互作用而产生的稳定的周期性振动馈的相互作用而产生的稳定的周期性振动振动影响因素：机床的刚度、阻尼特性、固有频率振动影响因素：机床的刚度、阻尼特性、固有频率2021-12-1811机床噪声机床噪声机械噪声：一般速度增加一倍噪声增加机械噪声：一般速度增加一倍噪声增加6db 载荷增加一倍噪声增加载荷增加一倍噪声增加3db液压噪声液压噪声电磁噪声电磁噪声空气动力噪声空气动力噪声2021-12-1812低速运动平稳性低速运动平稳性当运动部件低速运动时，

6、主动件匀速运动，被动件当运动部件低速运动时，主动件匀速运动，被动件速度不均匀地跳跃式运动，即时走时停或时快时慢速度不均匀地跳跃式运动，即时走时停或时快时慢的现象，称为的现象，称为爬行爬行。摩擦自激振动现象。原因：动静摩擦系数的差异及摩擦自激振动现象。原因：动静摩擦系数的差异及传动机构的刚度不足传动机构的刚度不足同一规格的机床，还需要具备各种不同的形式，以满足同一规格的机床，还需要具备各种不同的形式，以满足不同用户的要求。通常是按照该类机床的参数标准，先确定不同用户的要求。通常是按照该类机床的参数标准，先确定一种用途较广，需要较大的机床系列作为一种用途较广，需要较大的机床系列作为“基型系列基型系

7、列”，在，在此系列基础上，根据不同用户的需要派生出若干类变型机床，此系列基础上，根据不同用户的需要派生出若干类变型机床，形成形成“变形系列变形系列”。“基型基型”和和“变型变型”构成了机床的构成了机床的“型型谱谱”。 机床的主参数系列是系列型谱的机床的主参数系列是系列型谱的纵向发展纵向发展，而同规格的，而同规格的各种变型机床则是系列型谱的各种变型机床则是系列型谱的横向发展横向发展。规定机床的系列型。规定机床的系列型谱，对机床工业的发展有很大好处，因为基型机床和变型机谱，对机床工业的发展有很大好处，因为基型机床和变型机床之间大部份零部件是相同的（通用件或通用部件）。床之间大部份零部件是相同的（通

8、用件或通用部件）。中型卧式机床的简略系列型谱表中型卧式机床的简略系列型谱表 型式型式最大最大工件直径工件直径/mm万万 能能式式马马鞍鞍式式提提高高精精度度无无丝丝杠杠式式卡卡盘盘式式球球面面加加工工端端面面车车床床2503204005006308001000注：注： 基型，基型， 变型变型金属切削机床的金属切削机床的基本功能基本功能是提供切削加工所必须的运动和动力。基本工作原理基本工作原理是：是：通过刀具与工件之间的相对运动，由刀具切除工件加工表面多余的金属材料，形成工件加工表面的几何形状、尺寸，并达到其精度要求。 机床的运动功能设置的方法和步骤如下机床的运动功能设置的方法和步骤如下 :1.

9、1.工艺分析工艺分析2.2.机床运动功能设置机床运动功能设置3.3.写出机床的运动功能式，画出机床运动原理图。写出机床的运动功能式，画出机床运动原理图。2021-12-1817机床主要参数的设计机床主要参数的设计机床技术参数：主参数和一般技术参数机床技术参数：主参数和一般技术参数 主参数主参数机床最重要的一个或者两个技术参数，表示机床的机床最重要的一个或者两个技术参数，表示机床的规格和最大工作能力。规格和最大工作能力。通用机床和专门化机床的主参数已有标准规定，并通用机床和专门化机床的主参数已有标准规定，并已形成系列，通常是机床加工最大工件的尺寸。已形成系列，通常是机床加工最大工件的尺寸。第二主

10、参数一般是主轴数、最大跨距或最大加工长第二主参数一般是主轴数、最大跨距或最大加工长度等。度等。2021-12-1818机床主要参数的设计机床主要参数的设计一般技术参数：尺寸参数、运动参数、动力参数一般技术参数：尺寸参数、运动参数、动力参数 1、尺寸参数：尺寸参数：机床的主要结构尺寸。机床的主要结构尺寸。如摇臂钻床：如摇臂钻床：l主参数主参数最大钻孔直径最大钻孔直径l第二主参数第二主参数最大跨距最大跨距 l其他其他主轴端到底座工作台面主轴端到底座工作台面最大最大H，主轴工作行程，主轴工作行程h。l上述主要结构尺寸定后，就限制上述主要结构尺寸定后，就限制了被加工零件的尺寸。了被加工零件的尺寸。20

11、21-12-18192 2、运动参数：运动参数：机床执行件的运动速度机床执行件的运动速度主运动参数主运动参数分为回转运动和直线运动来讨论分为回转运动和直线运动来讨论回转运动时回转运动时 n主轴转速（主轴转速（r/min); v切削速度切削速度(m/min); d工件（或刀具）直径（工件（或刀具）直径（mm）.确定确定nmin和和nmaxmin)/(1000rdvn2021-12-1820 v与刀具及工件材料、与刀具及工件材料、进给量、切深有关。进给量、切深有关。注意：注意：dmax和和dmin为实际为实际使用的情况下采用使用的情况下采用vmin或或vmax时常用的时常用的d值中的极值中的极限值

12、。限值。dvndvnminmaxmaxmaxminmin10001000l分级变速时的主轴转速数列分级变速时的主轴转速数列 某机床主轴有某机床主轴有z级转速：级转速：n1、n2、n3、nj、nj+1 、 、nz 加工时的最有利的切削速度加工时的最有利的切削速度V，相应转速，相应转速n,一般有：一般有： nj nnj+12021-12-1821例：数控立式铣床例：数控立式铣床XK5040，用直径为，用直径为40mm铣刀加工某工件铣刀加工某工件时，最佳切削速度时，最佳切削速度v=140m/min,选用主轴转速时，二种比选用主轴转速时，二种比较接近的情况：较接近的情况： min/157.min/12

13、50min/125.min/100011rvrnmvrnjjjj为避免刀具磨损过快，选择为避免刀具磨损过快，选择nj=1000r/min,产生切削速度损产生切削速度损失：失：v-vj。2021-12-1822生产率损失相对转速损失：转速损失：nnnAnnjjnnnnnnnnAjjjjjjnnj111max1lim1l若若Amax为一定值，对通用机床而言，转速损失或生产率损失则可控为一定值，对通用机床而言，转速损失或生产率损失则可控制在一定范围内。制在一定范围内。 2021-12-1823nnconstnnconstnnAjjjjjj111max11即或写成：l即机床的转速应按等比数列分级，可控

14、制生产率损失。即机床的转速应按等比数列分级，可控制生产率损失。l等比数列同样适用与往复主运动、尺寸、功率参数。等比数列同样适用与往复主运动、尺寸、功率参数。 2021-12-1824表表3-5 标准公比标准公比2021-12-1825进给运动参数进给运动参数数控机床的进给运动均采用无级调速，普通机床进给数控机床的进给运动均采用无级调速，普通机床进给运动既有无级调速，又有有级调速。运动既有无级调速，又有有级调速。采用有级调速时，进给量一般为等比级数排列采用有级调速时，进给量一般为等比级数排列2021-12-1826动力参数：电动机功率、液压缸牵引力、液压马达、伺服电机等动力参数：电动机功率、液压

15、缸牵引力、液压马达、伺服电机等够），此法作参考。摩擦损失难定（研究不情况复杂、载荷难定、计算法常用调查、统计、类比法够），此法作参考。摩擦损失难定（研究不情况复杂、载荷难定、计算法常用调查、统计、类比法l主运动电机功率的确定辅空切主PPPPuP切：消耗于切削的功率，有效功率（KW）uP空：空载功率（KW）uP辅：机械摩擦损耗功率（KW）2021-12-1827动力参数动力参数1. P空空的计算的计算2. P切切的计算的计算3. P辅辅的计算的计算床床为机床总机械效率。主运动为回转运动时，通常，为机床总机械效率。主运动为回转运动时，通常，床床0.7 0.85;主运动为直线运动时，主运动为直线运动

16、时，床床0.60.70。确定主运动参数小结：确定主运动参数小结：确定主轴极限转速确定主轴极限转速最低（nmin）和最高（nmax)初定主轴变速范围初定主轴变速范围Rn=nmax/nmin 选定公比选定公比确定主轴转速级数确定主轴转速级数选定主轴各级转速值选定主轴各级转速值修正主轴变速范围修正主轴变速范围2021-12-1829动力参数动力参数进给运动电动机功率确定进给运动电动机功率确定进给运动与主运动共用电动机进给运动与快速移动共用电动机进给运动采用单独电动机结构布局设计：结构布局设计：立式、卧式、斜置式立式、卧式、斜置式机床总体结构的概略形状与尺寸设计机床总体结构的概略形状与尺寸设计设计中需

17、要注意的要求：设计中需要注意的要求：工件特征的要求、机床性能的要求、生产批量的要求、宜人性要求。评价的主要因素有：评价的主要因素有：1）性能）性能 2）制造成本）制造成本 3）制造周期）制造周期 4）生产率）生产率 5）与物流的可亲性）与物流的可亲性 6）外观造型）外观造型 7）机床总体结构方案设计修改与确定）机床总体结构方案设计修改与确定 2021-12-1831机床结构布局形态图机床结构布局形态图2021-12-1832图图3-10 机床总体结构方案图机床总体结构方案图a)升降台铣床升降台铣床b)立式铣床立式铣床c）立式钻床）立式钻床d)卧式镗铣床卧式镗铣床e）车削中心）车削中心一、主传动

18、系设计应满足的基本要求一、主传动系设计应满足的基本要求 机床主传动系因机床的类型、性能、规格尺寸等因素机床主传动系因机床的类型、性能、规格尺寸等因素的不同，应满足的要求也不一样。设计机床主传动系时最的不同，应满足的要求也不一样。设计机床主传动系时最基本的原则就是以最经济、合理的方式满足既定的要求。基本的原则就是以最经济、合理的方式满足既定的要求。在设计时应结合具体机床进行具体分析。一般应满足下述在设计时应结合具体机床进行具体分析。一般应满足下述基本要求：基本要求：一般应满足下述基本要求：一般应满足下述基本要求：（1 1）满足机床使用性能要求）满足机床使用性能要求 应满足机床的运动特应满足机床的

19、运动特性，如机床的主轴有足够的转速范围和转速级数。传动系性，如机床的主轴有足够的转速范围和转速级数。传动系设计合理，操纵方便灵活、迅速、安全可靠。设计合理，操纵方便灵活、迅速、安全可靠。（2 2）满足机床传递动力要求）满足机床传递动力要求 主电动机和传动机构能主电动机和传动机构能提供和传递足够的功率和扭矩，具有较高的传动效率。提供和传递足够的功率和扭矩，具有较高的传动效率。（3 3）满足机床工作性能的要求）满足机床工作性能的要求 主传动中的零、部主传动中的零、部件要有足够的刚度、精度和抗振性，热变形特性稳定。件要有足够的刚度、精度和抗振性，热变形特性稳定。（4 4）满足产品设计经济性的要求）满

20、足产品设计经济性的要求 传动链尽可能简传动链尽可能简短，零件数目要少，以便节省材料，降低成本。短，零件数目要少，以便节省材料，降低成本。（5 5）调整维修方便，结构简单）调整维修方便，结构简单 便于加工和装配，便于加工和装配，防护性能好，使用寿命长。防护性能好，使用寿命长。 二、主传动系分类和传动方式二、主传动系分类和传动方式主传动系一般由主传动系一般由动力源、变速装置动力源、变速装置及及执行件，执行件，以及以及开开停、换向和制动机构停、换向和制动机构等部分组成。动力源给执行件提供动力，等部分组成。动力源给执行件提供动力，并使其得到一定的运动速度和方向；变速装置传递动力以及并使其得到一定的运动

21、速度和方向；变速装置传递动力以及变换运动速度；执行件执行机床所需的运动，完成旋转或直变换运动速度；执行件执行机床所需的运动，完成旋转或直线运动。线运动。 1. 1. 主传动系分类主传动系分类(1)(1)按驱动主传动的电动机类型按驱动主传动的电动机类型可分为可分为交流电动机驱动交流电动机驱动和和直流电动机驱动直流电动机驱动。交流电动。交流电动机驱动中又可分机驱动中又可分单速交流电动机单速交流电动机或或调速交流电动机驱动调速交流电动机驱动。调。调速交流电动机驱动又有速交流电动机驱动又有多速交流电动机多速交流电动机和和无级调速交流电动无级调速交流电动机驱动机驱动。无级调速交流电动机通常采用。无级调速

22、交流电动机通常采用变频调速变频调速的原理。的原理。(2)(2)按传动装置类型按传动装置类型 可分为可分为机械传动装置、液压传动装置、电气传动装置机械传动装置、液压传动装置、电气传动装置以及以及它们的组合它们的组合。(3)(3)按变速的连续性按变速的连续性 可以分为可以分为分级变速传动分级变速传动和和无级变速传动无级变速传动。 1. 1. 主传动系分类主传动系分类分级变速方式一般为滑移齿轮变速、交换齿轮变速和离分级变速方式一般为滑移齿轮变速、交换齿轮变速和离合器变速等。合器变速等。除了摩擦式离合器外，其他变速方式的特点是传递功率除了摩擦式离合器外，其他变速方式的特点是传递功率大，变速范围广，传动

23、比准确，工作可靠，在通用机床（尤大，变速范围广，传动比准确，工作可靠，在通用机床（尤其中小型）中应用广泛。缺点是有速度损失，不能在运转中其中小型）中应用广泛。缺点是有速度损失，不能在运转中进行变速。进行变速。1. 1. 主传动系分类主传动系分类摩擦式离合器则可在运转过程中变换转速。摩擦式离合器则可在运转过程中变换转速。其操纵方式可以是机械的、电磁的或液压的，便于实其操纵方式可以是机械的、电磁的或液压的，便于实现自动化。现自动化。其缺点是传动比不准确，发热量大。其缺点是传动比不准确，发热量大。2 2）无级变速传动）无级变速传动能在一定的变速范围内实现连续变速，以得到最有利的能在一定的变速范围内实

24、现连续变速，以得到最有利的切削速度；切削速度；能在运转中变速，便于实现变速自动化；能在运转中变速，便于实现变速自动化；能在负载下变速，使切削速度恒定，以提高生产效率和能在负载下变速，使切削速度恒定，以提高生产效率和加工质量。加工质量。无级变速传动可由机械摩擦无级变速器、液压无级变速无级变速传动可由机械摩擦无级变速器、液压无级变速器和无级变速电动机实现。器和无级变速电动机实现。机械摩擦无级变速器机械摩擦无级变速器结构简单、使用可靠，常用在中小结构简单、使用可靠，常用在中小型车床、铣床等的主传动中。型车床、铣床等的主传动中。液压无级变速器液压无级变速器传动平稳、运动换向冲击小，常用于主传动平稳、运

25、动换向冲击小，常用于主运动为直线运动的机床，如磨床、拉床、刨床等。运动为直线运动的机床，如磨床、拉床、刨床等。1. 1. 主传动系分类主传动系分类2 2、主传动系的传动方式、主传动系的传动方式 集中传动方式：集中传动方式： 主传动系的全部传动和变速机构集中装在同一个主主传动系的全部传动和变速机构集中装在同一个主轴箱内。轴箱内。 2 2、主传动系的传动方式、主传动系的传动方式集中传动方式：集中传动方式：优点：优点：结构紧凑，便于实现集中操纵，安装调整方便；结构紧凑，便于实现集中操纵，安装调整方便；缺点：缺点：传动件所产生的振动和热量，将影响主轴的运转传动件所产生的振动和热量，将影响主轴的运转平稳

26、性和回转精度。平稳性和回转精度。集中传动方式适用于普通精度级的大中型通用机床。集中传动方式适用于普通精度级的大中型通用机床。2 2、主传动系的传动方式、主传动系的传动方式 分离传动方式分离传动方式 ： 主传动系中的大部分传动和主传动系中的大部分传动和变速机构装在远离主轴的变速机构装在远离主轴的单独变速箱中。单独变速箱中。2 2、主传动系的传动方式、主传动系的传动方式 分离传动方式分离传动方式 ：优点：优点：变速箱各传动件所产生的振动和热量不能传到主变速箱各传动件所产生的振动和热量不能传到主轴上，有利于提高机床的工作精度。由于高速传动链较轴上，有利于提高机床的工作精度。由于高速传动链较短，使主轴

27、在高速运转时比较平稳，传动效率高，转动短，使主轴在高速运转时比较平稳，传动效率高，转动惯量小，便于启动和制动。惯量小，便于启动和制动。缺点：缺点：多了一个箱体，增加加工成本；低速时皮带负荷多了一个箱体，增加加工成本；低速时皮带负荷大，容易打滑。大，容易打滑。分离传动方式适用于中、小型高速精密机床。分离传动方式适用于中、小型高速精密机床。分级（有级）变速主传动系统设计分级（有级）变速主传动系统设计主要内容及步骤：主要内容及步骤：根据已确定的主变速传动系统的运动参数；根据已确定的主变速传动系统的运动参数；拟定结构式（结构网）、转速图；拟定结构式（结构网）、转速图；合理分配各变速组中各传动副的传动比

28、；合理分配各变速组中各传动副的传动比；确定齿轮齿数和带轮直径等；确定齿轮齿数和带轮直径等；绘制主变速传动系统图。绘制主变速传动系统图。三、分级变速主传动系三、分级变速主传动系1、拟定转速图和结构式、拟定转速图和结构式 （1）转速图）转速图 在转速图中可以表示出传动轴的数目，传动轴之间的传动关系，主轴的各级转速值及其传动路线，各传动轴的转速分级和转速值，各传动副的传动比等。 距离相等的一组水平线代表距离相等的一组水平线代表各级转速。与各竖线的交点代表各各级转速。与各竖线的交点代表各轴的转速。由于分级变速机构的转轴的转速。由于分级变速机构的转速是按等比级数排列的，故竖线采速是按等比级数排列的，故竖

29、线采用了对数坐标。相邻两水平线之间用了对数坐标。相邻两水平线之间的间隔为的间隔为lglg。表示的转速之比是表示的转速之比是等比级数的公比等比级数的公比。转速图中的小转速图中的小圆圈表示该轴具有的转速，称为圆圈表示该轴具有的转速，称为转转速点速点。传动轴传动轴格线间转速点格线间转速点的连线称为传动线，表示的连线称为传动线，表示两轴间一对传动副的传动两轴间一对传动副的传动比比u，用主动齿轮与被动用主动齿轮与被动齿轮的齿数比或主动带轮齿轮的齿数比或主动带轮与被动带轮的轮径比表示。与被动带轮的轮径比表示。传动比传动比u与速比与速比i互为倒数互为倒数关系，即关系，即u1i。若传动线是水平的，若传动线是水

30、平的，表示等速传动，传动比表示等速传动，传动比u1；若传动线向右下方若传动线向右下方倾斜，表示降速传动，传倾斜，表示降速传动，传动比动比u 1。 电机轴与电机轴与I轴之间为皮轴之间为皮带定比传动，传动比为：带定比传动，传动比为： u12625611.412 12 是降速传动，传动线是降速传动，传动线向右下方倾斜两格。向右下方倾斜两格。I轴的轴的转速为：转速为： n11440126256 710rmin 轴轴I-间的变速组间的变速组 a 有三个有三个传动副，传动比分别为：传动副，传动比分别为：ua136361110 ua2364211.411 ua324481212 在转速图上轴在转速图上轴I-

31、之间有三之间有三条传动线。条传动线。 轴轴-轴间的变速组轴间的变速组 b 有有两个传动副，传动比分别为：两个传动副，传动比分别为：ub142421110 ；ub2226212.813 在转速图上，在转速图上，轴的每一转轴的每一转速都有两条传动线与速都有两条传动线与轴相连，轴相连，分别为水平和向右下方降三格。分别为水平和向右下方降三格。 -轴之间的变速组轴之间的变速组c c有两有两个传动副，其传动比分别为：个传动副，其传动比分别为：uc160302121 ；uc218721414 在转速图上，在转速图上，轴上的每一级轴上的每一级转速都有两条传动线与转速都有两条传动线与轴相连，轴相连，分别为向右上

32、方升两格和向右下分别为向右上方升两格和向右下方降四格。方降四格。（2 2） 结构式结构式 设计分级变速主传动系时，常采用结构式的形式加以表设计分级变速主传动系时，常采用结构式的形式加以表示。如：示。如：12312326 。式中的。式中的12表示主轴的转速级数为表示主轴的转速级数为12级，级，3、2、2分别表示按传动顺序排列各变速组的传动副数，分别表示按传动顺序排列各变速组的传动副数，即该变速传动系由即该变速传动系由a、b、c三个变速组组成。三个变速组组成。a 变速组的传动变速组的传动副数为副数为3，b 变速组的传动副数为变速组的传动副数为2，c 变速组的传动副数为变速组的传动副数为2。结构式中

33、的下标结构式中的下标1、3、6，分别表示出各变速组的级比指数。，分别表示出各变速组的级比指数。 变速组的级比是指主动轴上同一点传往被动轴相变速组的级比是指主动轴上同一点传往被动轴相邻两传动线的比值，用邻两传动线的比值，用 表示。级比表示。级比 中的指数中的指数Xi值称为级比指数，它相当于由上述相邻两传动线与被值称为级比指数，它相当于由上述相邻两传动线与被动轴交点之间相距的格数。动轴交点之间相距的格数。设计时要使主轴转速为连续的等比数列，必须有设计时要使主轴转速为连续的等比数列，必须有一个变速组的级比指数一个变速组的级比指数X0为为1，此变速组称为基本组。，此变速组称为基本组。则基本组的级比指数

34、为则基本组的级比指数为X01。 ixix2、各变速组的变速范围及极限传动比、各变速组的变速范围及极限传动比 变速组中最大与最小传动比的比值，称为变速组中最大与最小传动比的比值，称为 该变速该变速组的变速范围。即组的变速范围。即： （i=0，1，2，j) 在设计机床主传动系时， 一般限制降速最小传动比最小传动比 直齿直齿圆柱齿轮的 最大升速比最大升速比 斜齿斜齿圆柱齿轮可取iiiuuR)/()(minmax4/1min主u2max主u5 . 2max主u3、主变速传动系设计的一般原则、主变速传动系设计的一般原则 传动副前多后少的原则传动副前多后少的原则 传动顺序与扩大顺序相一致的原则传动顺序与扩

35、大顺序相一致的原则 变速组的变速要前慢后快，中间轴的转速不变速组的变速要前慢后快，中间轴的转速不宜超过电动机的转速宜超过电动机的转速 4、主变速传动系的几种特殊设计、主变速传动系的几种特殊设计 具有多速电动机的主变速传动系设计采用多速异步电动具有多速电动机的主变速传动系设计采用多速异步电动机和其他方式联合使用，可以简化机床的机械结构，使用方机和其他方式联合使用，可以简化机床的机械结构，使用方便。便。 多刀半自动车床的主变速传动系图和转速图多刀半自动车床的主变速传动系图和转速图2 具有交换齿轮的变速传动系交换齿轮的变速组应设计成具有交换齿轮的变速传动系交换齿轮的变速组应设计成对称分布的。交换齿轮

36、可用较少的齿轮，以得到多级转速，对称分布的。交换齿轮可用较少的齿轮，以得到多级转速，并使变速箱结构大大简化。并使变速箱结构大大简化。 具有交换齿轮的主变速传动系图具有交换齿轮的主变速传动系图3 采用公用齿轮的变速传动系采用公用齿轮可以减少齿轮采用公用齿轮的变速传动系采用公用齿轮可以减少齿轮的数目，简化结构，缩短轴向尺寸。的数目，简化结构，缩短轴向尺寸。 铣床主变速传动系图铣床主变速传动系图4图图2 2 图图3 3 图图4 4 铣床主变铣床主变速传动系统图速传动系统图 5、扩大传动系变速范围的方法、扩大传动系变速范围的方法 增加比变速组增加比变速组 采用背轮机构采用背轮机构 采用双公比的传动系采

37、用双公比的传动系 采用分支传动采用分支传动 6、齿轮齿数的确定、齿轮齿数的确定 对于定比传动的齿轮齿数和带轮直径，可对于定比传动的齿轮齿数和带轮直径，可 依据机械设计手依据机械设计手册推荐的方法确定。册推荐的方法确定。 确定齿轮齿数时，选取合理的齿数和是很关键的。各对传确定齿轮齿数时，选取合理的齿数和是很关键的。各对传动副的齿数和应该是相同的。齿轮的中心距取决于传递的转矩。动副的齿数和应该是相同的。齿轮的中心距取决于传递的转矩。扭矩越大，中心矩越大。扭矩越大，中心矩越大。 在主传动中，一般取最小齿轮齿数在主传动中，一般取最小齿轮齿数 三联滑移齿轮的最大于三联滑移齿轮的最大于此大齿数之间的齿数差

38、应大于或等于此大齿数之间的齿数差应大于或等于4。 齿轮齿数确定后，还应验算转速误差：齿轮齿数确定后，还应验算转速误差： 式中：式中： n-主轴实际转速；主轴实际转速；n-主轴的标准转速；主轴的标准转速； -公比公比 2018minZ)%1(10/ )(nnn 7、计算转速、计算转速 机床的功率扭转特性机床的功率扭转特性 驱动直线运动工作台的这类机床的主运动属恒转矩传恒转矩传动动。如刨床的工作台。 主运动是旋转运动的机床基本上是恒功率传动恒功率传动。如车床、铣床的主轴。 主轴或各传动件传递全部功率的最低转速为它们的计算转速 变速传动系中传动件计算转速的确定变速传动系中传动件计算转速的确定 变速传

39、动系中的传动件包括轴和齿轮，它们的计算转速可根据主轴的计算转速和转速图 确定。确定的顺序是先定出主轴的计算转速，再顺次由后往前，定出各传动主轴的计算转速 ，然后再确定齿轮的计算转速。jn 8、变速箱内传动件的空间布置与计算、变速箱内传动件的空间布置与计算 变速箱内各传动轴的空间布置变速箱内各传动轴的空间布置 各传动轴是空间布置各传动轴是空间布置（卧式车床主轴箱横截面图卧式车床主轴箱横截面图5，展开图展开图6） 各传动轴在一个铅直平面内各传动轴在一个铅直平面内 （卧式铣床变速箱图卧式铣床变速箱图7） 变速箱内各传动轴的轴向固定变速箱内各传动轴的轴向固定 轴向固定的方法有：轴向固定的方法有： 一端

40、固定一端固定 如图图如图图8、 两端固定，如图两端固定，如图9。 各传动轴的估算和验算各传动轴的估算和验算 按扭转刚度估算轴的直径按扭转刚度估算轴的直径 按弯曲刚度验算轴的直径按弯曲刚度验算轴的直径图图5 5 卧式车床主轴箱横截面图卧式车床主轴箱横截面图2222图图6 6 卧式车床主轴箱卧式车床主轴箱展开图展开图图图7 7 卧式铣床变速箱图卧式铣床变速箱图2424图图8 8 一端固定一端固定图图9 9 两端固定两端固定1 1、无级变速装置的分类、无级变速装置的分类机床主传动中常采用的无级变速装置有三大类：机床主传动中常采用的无级变速装置有三大类：变速电动变速电动机、机械无级变速装置、液压无级变

41、速装置机、机械无级变速装置、液压无级变速装置。2 2、无级变速主传动系设计原则、无级变速主传动系设计原则尽量选择功率和转矩特性符合传动系要求的无级变速装置尽量选择功率和转矩特性符合传动系要求的无级变速装置。无极变速系统装置单独使用时，其调速范围较小，满足。无极变速系统装置单独使用时，其调速范围较小，满足不了要求，尤其是恒功率调速范围往往远小于机床实际需不了要求，尤其是恒功率调速范围往往远小于机床实际需要的恒功率变速范围。要的恒功率变速范围。四、无级变速主传动系四、无级变速主传动系一、进给传动系设计应满足的基本要求一、进给传动系设计应满足的基本要求三、电气伺服进给系统三、电气伺服进给系统二、机械

42、进给传动系的设计特点二、机械进给传动系的设计特点一、一、进给传动系设计应满足的基本要求进给传动系设计应满足的基本要求 1、进给传动系的组成、进给传动系的组成 动力源、变速机构、换向机构、运动分配机构、动力源、变速机构、换向机构、运动分配机构、 过载保险机构、运动转换机构和执行件等。过载保险机构、运动转换机构和执行件等。 2、进给传动系设计应满足的基本要求、进给传动系设计应满足的基本要求 具有足够的静刚度和动刚度；具有足够的静刚度和动刚度； 具有良好的快速响应性，不爬性；具有良好的快速响应性，不爬性； 抗振性好；抗振性好； 具有足够宽的调速范围；具有足够宽的调速范围； 进给系统的传动精度和定位精

43、度高；进给系统的传动精度和定位精度高； 结构简单，加工和装配工艺性好。结构简单，加工和装配工艺性好。 进给传动系用来实现机床的进给传动系用来实现机床的进给运动进给运动和和辅助运动辅助运动进给传动是恒扭矩传动；进给传动是恒扭矩传动；进给传动系中各传动件的计算转速是其最高转速进给进给传动系中各传动件的计算转速是其最高转速进给传动的转速图为传动的转速图为前疏后密前疏后密结构；结构；进给传动系采用传动间隙消除机构；进给传动系采用传动间隙消除机构；采用了快速空程传动；采用了快速空程传动；采用了微量进给机构。采用了微量进给机构。 二、机械进给传动系的设计二、机械进给传动系的设计三、电气伺服进给系统三、电气

44、伺服进给系统数控装置数控装置与与机床机床之间的联系环节，是以机械位置或角度作之间的联系环节，是以机械位置或角度作为控制对象的自动控制系统，作用是接受来自数控装置发为控制对象的自动控制系统，作用是接受来自数控装置发出的进给脉冲，经变换和放大后驱动工作台按规定的速度出的进给脉冲，经变换和放大后驱动工作台按规定的速度和距离移动。和距离移动。1、电气伺服系统的分类、电气伺服系统的分类 电气伺服进给系统按有无监测和反馈装置分为：电气伺服进给系统按有无监测和反馈装置分为： 开环、闭环开环、闭环和和半闭环半闭环系统。系统。闭环系统闭环系统检测反馈装置有两类：检测反馈装置有两类：用用旋转变压器旋转变压器作为位

45、置反馈，测速作为位置反馈，测速发电机作为速度反馈；用脉冲编码器兼作位置和速度反馈发电机作为速度反馈；用脉冲编码器兼作位置和速度反馈。后者用的多。后者用的多。 闭环控制的定位精度闭环控制的定位精度取决于取决于检测装置的精度检测装置的精度。其控制精。其控制精度、动态性能都较好，但是较复杂，安装度、动态性能都较好，但是较复杂，安装 调试较麻烦，调试较麻烦，成本高，用于精密型的机床上。成本高，用于精密型的机床上。为提高系统稳定性，闭环系统除检测执行部件的位移量，为提高系统稳定性，闭环系统除检测执行部件的位移量，还检测其速度还检测其速度半闭环系统半闭环系统半闭环的精度比闭环差，但系统稳定性好，且结构比较

46、半闭环的精度比闭环差，但系统稳定性好，且结构比较简单，调整容易，价格低。简单，调整容易，价格低。 综上所述综上所述，对伺服系统的基本要求是：对伺服系统的基本要求是： 稳定性好，精度要高，快速稳定性好，精度要高，快速 响应性好，定位精度高。响应性好，定位精度高。影响机床伺服系统性能的因素：影响机床伺服系统性能的因素：进给传动件的间隙；扭转、挠曲；机床运动部件的振动进给传动件的间隙；扭转、挠曲；机床运动部件的振动、摩擦；机床的刚度和抗振性；系统的质量和惯量；低、摩擦；机床的刚度和抗振性；系统的质量和惯量；低速下的运动平稳性好，有无爬行现象等。速下的运动平稳性好，有无爬行现象等。 2、电气伺服进给系

47、统驱动部件、电气伺服进给系统驱动部件 伺服驱动部件如伺服驱动部件如步进电动机、直流伺服电动机、交流步进电动机、直流伺服电动机、交流伺服电动机伺服电动机等。等。 对进给驱动部件的基本要求：对进给驱动部件的基本要求： 调速范围宽，低速运行平稳，无爬行；调速范围宽，低速运行平稳，无爬行； 快速响应性好；快速响应性好； 抗负载振动能力强；抗负载振动能力强； 可承受频繁启动、制动和反转；可承受频繁启动、制动和反转； 振动和噪声小，可靠性高，寿命长；振动和噪声小，可靠性高，寿命长； 调整维修方便。调整维修方便。 进给驱动部件的类型：进给驱动部件的类型： 步进电动机步进电动机脉冲电动机，每接受一个电脉冲信号

48、，电动机轴就转过一脉冲电动机，每接受一个电脉冲信号，电动机轴就转过一定的角度定的角度优点：没有累积误差，结构简单，使用、维修方便，成本优点：没有累积误差，结构简单，使用、维修方便，成本低，步进电动机带动负载惯量的能力大，适用于中小型机低，步进电动机带动负载惯量的能力大，适用于中小型机床和速度精度要求不高的地方床和速度精度要求不高的地方缺点：效率低，发热大缺点：效率低，发热大 进给驱动部件的类型：进给驱动部件的类型： 直流伺服电动机直流伺服电动机小惯量直流电动机。小惯量直流电动机。转子直径小，轴向尺寸大，长径比约转子直径小，轴向尺寸大，长径比约为为5，转动惯量小，常用于高速轻载的小型数控机床中。

49、，转动惯量小，常用于高速轻载的小型数控机床中。大惯量直流电动机。大惯量直流电动机。宽调速直流电动机。频率高、定位精宽调速直流电动机。频率高、定位精度好，调整简单、工作平稳，缺点：转子温度高，转动惯度好，调整简单、工作平稳，缺点：转子温度高，转动惯量大，时间响应较慢。量大，时间响应较慢。 进给驱动部件的类型：进给驱动部件的类型： 交流伺服电动机交流伺服电动机采用新型的磁场矢量变换控制技术，对交流电动机作磁场采用新型的磁场矢量变换控制技术，对交流电动机作磁场的矢量控制的矢量控制。可靠性好，结构简单、体积小、重量轻、动。可靠性好，结构简单、体积小、重量轻、动态响应好。态响应好。 进给驱动部件的类型：

50、进给驱动部件的类型： 直线伺服电动机直线伺服电动机能直接将电能转化为直线运动机械能的电力驱动装置。适能直接将电能转化为直线运动机械能的电力驱动装置。适应超高速加工技术发展起来的。应超高速加工技术发展起来的。 3、电气伺服进给传动系中的机械传动部件、电气伺服进给传动系中的机械传动部件 机械传动部件应满足的基本要求：机械传动部件应满足的基本要求： 采用低摩擦传动；采用低摩擦传动； 伺服系统和机械传动系匹配要合适；伺服系统和机械传动系匹配要合适； 选择最佳降速比来降低惯量，最好采用直接传动方式；选择最佳降速比来降低惯量，最好采用直接传动方式； 采用预紧办法提高整个系统的刚度；采用预紧办法提高整个系统

51、的刚度； 采用消除传动间隙的方法，减小反向死区误差采用消除传动间隙的方法，减小反向死区误差, 提高运提高运动平稳性和定位精度。动平稳性和定位精度。机械传动部件设计机械传动部件设计 机械传动部件主要是指机械传动部件主要是指齿轮齿轮（或同步齿轮带）和（或同步齿轮带）和丝杠螺丝杠螺母传动副母传动副。 最低降速比的确定：最低降速比的确定：传动副的最佳降速比应按最大加速传动副的最佳降速比应按最大加速度能力和最小惯量的要求确定，以降低机械传动部件的惯量度能力和最小惯量的要求确定，以降低机械传动部件的惯量 齿轮传动间隙的消除：齿轮传动间隙的消除：齿轮传动间隙的消除有刚性调整齿轮传动间隙的消除有刚性调整法和柔

52、性调整法两类。刚性调整法是调整后尺侧间隙不能自法和柔性调整法两类。刚性调整法是调整后尺侧间隙不能自动进行补偿；柔性调整法是指调整后的尺侧间隙可以自动进动进行补偿；柔性调整法是指调整后的尺侧间隙可以自动进行补偿。行补偿。 双片直齿轮错齿间隙消除机构图双片直齿轮错齿间隙消除机构图13 滚珠丝杠及其支承：滚珠丝杠及其支承： 滚珠丝杠是将旋转运动转换成滚珠丝杠是将旋转运动转换成执行件的直线运动的运动转换机构，执行件的直线运动的运动转换机构，图图14，它由螺母、，它由螺母、丝杠、滚珠、回珠器、密封环等组成。滚珠丝杠的摩擦丝杠、滚珠、回珠器、密封环等组成。滚珠丝杠的摩擦系数小，传动效率高。滚珠丝杠常采用系

53、数小，传动效率高。滚珠丝杠常采用角接触球轴承图角接触球轴承图15或双向推力圆柱滚子轴承与滚针轴承的或双向推力圆柱滚子轴承与滚针轴承的组合轴承图组合轴承图16方式。前者一般用在中、小型数控机床，后者则用在轴方式。前者一般用在中、小型数控机床，后者则用在轴向刚度高的场合。滚珠丝杠的向刚度高的场合。滚珠丝杠的三种支承方式图三种支承方式图17：一端：一端固定，另一端自由；一端固定，另一端简支承；两端固固定，另一端自由；一端固定，另一端简支承；两端固定。定。 丝杠的拉压刚度计算丝杠的拉压刚度计算： 丝杠的综合拉压刚度丝杠的综合拉压刚度主要由丝杠的拉压刚度，支承刚度和螺母刚度三主要由丝杠的拉压刚度，支承刚

54、度和螺母刚度三部分组成。部分组成。 滚珠丝杠螺母副间隙消除和预紧滚珠丝杠螺母副间隙消除和预紧： 同齿轮的同齿轮的传动副一样，滚珠丝杠螺母副必须消除间隙，并传动副一样，滚珠丝杠螺母副必须消除间隙，并施加预紧力，以保证丝杠、滚珠和螺母之间没有施加预紧力，以保证丝杠、滚珠和螺母之间没有间隙，提高螺母丝杠副的接触刚度。间隙，提高螺母丝杠副的接触刚度。滚珠丝杠螺母副通常采用双螺母结构图滚珠丝杠螺母副通常采用双螺母结构图18 滚珠丝杠的预拉伸滚珠丝杠的预拉伸： 滚珠丝杠常采用预拉滚珠丝杠常采用预拉伸的方式，以提高其拉压刚度和补偿丝杠的热变伸的方式，以提高其拉压刚度和补偿丝杠的热变性。性。一、主轴部件设计一

55、、主轴部件设计二、支承件二、支承件设计设计三、导轨三、导轨设计设计一、主轴部件应满足的基本要求一、主轴部件应满足的基本要求主轴部件是机床的执行件，由主轴部件是机床的执行件，由主轴主轴及其及其支承轴承支承轴承、传动件、密封件传动件、密封件及及定位元件定位元件等组成等组成。基本要求基本要求： 旋转精度旋转精度指装配后，在无载荷、低速转指装配后，在无载荷、低速转 动条件下，动条件下，在安装工件或刀具的主轴部位的径向和轴向跳动。旋转在安装工件或刀具的主轴部位的径向和轴向跳动。旋转精度取决于主轴、轴承、箱体孔等的制造、装配和调整精度取决于主轴、轴承、箱体孔等的制造、装配和调整精度。精度。 刚度刚度指主轴

56、部件在外加载荷作用下抵抗变形的能力。指主轴部件在外加载荷作用下抵抗变形的能力。主轴部件的刚度是综合刚度，它是主轴、轴承等刚度的综主轴部件的刚度是综合刚度，它是主轴、轴承等刚度的综合反映。合反映。基本要求：基本要求： 抗振性抗振性指抵抗受迫振动和自激振动的能力。指抵抗受迫振动和自激振动的能力。温升和热变形指主轴部件运转时，因各相对处的温升和热变形指主轴部件运转时，因各相对处的摩擦生热，切削区的切削热等使主轴部件的温度摩擦生热，切削区的切削热等使主轴部件的温度升高，形状尺寸和位置发生变化，造成主轴部件升高，形状尺寸和位置发生变化，造成主轴部件的所谓热变形。的所谓热变形。 精度保持性精度保持性指长期

57、地保持其原始制造精度的指长期地保持其原始制造精度的能力。能力。二、主轴部件的传动方式二、主轴部件的传动方式主轴部件的传动方式主轴部件的传动方式主要有主要有齿轮传动、带传动、电齿轮传动、带传动、电动机直接驱动动机直接驱动等。等。 齿轮传动齿轮传动其特点是结构简单、紧凑，能够传递较大其特点是结构简单、紧凑，能够传递较大的转矩，能适应变转速、变载荷工作，应用最广。缺点是的转矩，能适应变转速、变载荷工作，应用最广。缺点是线速度不能过高，通常小于线速度不能过高，通常小于1215m/s，不如带传动平稳。，不如带传动平稳。 带传动带传动其特点是靠摩擦力传动（除同步齿形带外）其特点是靠摩擦力传动（除同步齿形带

58、外）、结构简单、制造容易、成本低，特别适用于中心距较大、结构简单、制造容易、成本低，特别适用于中心距较大的两轴间传动。皮带有弹性可吸振，传动平稳，噪声小，的两轴间传动。皮带有弹性可吸振，传动平稳，噪声小，适宜高速传动，带传动在过载时会打滑，能起到过载保护适宜高速传动，带传动在过载时会打滑，能起到过载保护作用。缺点是有滑动，不能用在速比要求准确的场合。作用。缺点是有滑动，不能用在速比要求准确的场合。 带传动带传动： 同步齿形带图同步齿形带图1 19 9是通过带上的齿形与带轮上的轮齿是通过带上的齿形与带轮上的轮齿相啮合传递运动和动力。同步齿形带的齿形有两种相啮合传递运动和动力。同步齿形带的齿形有两

59、种: :梯形梯形齿和圆弧齿齿和圆弧齿。 电动机直接驱动方式电动机直接驱动方式其特点是主轴单元大大简化其特点是主轴单元大大简化了结构，有效地提高了主轴部件的刚度，降低了噪声和了结构，有效地提高了主轴部件的刚度，降低了噪声和振动；有较宽的调速范围；有较大的驱动功率和转矩；振动；有较宽的调速范围；有较大的驱动功率和转矩；便于组织专业化生产。它广泛应用于精密机床、高速加便于组织专业化生产。它广泛应用于精密机床、高速加工中心和数控车床中。工中心和数控车床中。 高速内圆磨床电主轴图高速内圆磨床电主轴图2 20 0三、主轴部件结构设计三、主轴部件结构设计1、主轴部件的支承数目、主轴部件的支承数目 多数机床的

60、主轴采用多数机床的主轴采用前、后两个支承前、后两个支承。 为提高刚度和抗振性，有的机床采用三个支承。三为提高刚度和抗振性，有的机床采用三个支承。三个支承中可以前、后支承为主要支承，中间支承为辅助个支承中可以前、后支承为主要支承，中间支承为辅助支承；也可以前、中支承为主要支承，后支承为辅助支支承；也可以前、中支承为主要支承，后支承为辅助支承，后者应用较多。承，后者应用较多。 2、推力轴承的位置配置型式、推力轴承的位置配置型式 前端配置前端配置指两个方向的推力轴承都布置在前支承指两个方向的推力轴承都布置在前支承外。这类配置方案在前支承处轴承较多，发热大，温升外。这类配置方案在前支承处轴承较多，发热