第二章 金属切削机床设计7

1、1第二章 金属切削机床的设计机械与汽车工程学院22.1 概述概述2.2 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2.3 金属切削机床总体设计金属切削机床总体设计2.4 主传动系设计主传动系设计2.5 进给传动系设计进给传动系设计2.6 机床控制系统设计机床控制系统设计*第二章 金属切削机床设计32.4 主传动系统设计主传动系统设计一、必须满足的设计基本要求一、必须满足的设计基本要求二、主传动系统二、主传动系统分类分类与传动与传动方式方式三、分级变速主传动系统设计三、分级变速主传动系统设计四、无级变速主传动系统设计四、无级变速主传动系统设计五、数控机床主传动系统设计五、数控机床主传动

2、系统设计* *4四、无级变速主传动系统设计四、无级变速主传动系统设计(一一)无级变速装置的分类无级变速装置的分类(二二)无级变速主传动系设计原则无级变速主传动系设计原则 5 无级变速是指在一定范围内，转速(或速度)能连续地变换，从而获取最有利的切削速度。v无级变速的特点：s可以获得可以获得最有利最有利的切削速度的切削速度s能实现能实现不停车不停车变速，便于实现机床自动变速变速，便于实现机床自动变速s换向迅速和平稳，可以大大简化齿轮箱，换向迅速和平稳，可以大大简化齿轮箱，缩短传动缩短传动链链，提高，提高传动的平稳性，成本较高传动的平稳性，成本较高。s应用：应用：数控机床、高精度机床数控机床、高精

3、度机床和和大型机床大型机床等。等。四、无级变速主传动系统设计四、无级变速主传动系统设计6（一）无级变速装置的分类（一）无级变速装置的分类1变速电动机机床上常用的变速电动机有机床上常用的变速电动机有直流复励电动机直流复励电动机和和交流变频交流变频电动机电动机。在在额定转速以上额定转速以上为为恒功率变速恒功率变速，通常调速范围仅，通常调速范围仅23；额定转速额定转速以下以下为为恒扭矩变速恒扭矩变速，调整范围很大，可达，调整范围很大，可达30甚甚至更大。至更大。上述功率和扭矩特性一般不能满足机床的使用要求。为上述功率和扭矩特性一般不能满足机床的使用要求。为了了扩大扩大恒功率调速范围，在变速电动机和主

4、轴之间恒功率调速范围，在变速电动机和主轴之间串联串联一个分级变速箱一个分级变速箱。广泛用于广泛用于数控机床、大型机床数控机床、大型机床中。中。72机械无级变速装置v机械无级变速装置有机械无级变速装置有柯普柯普(Koop)型型、行星锥轮型行星锥轮型、分离分离锥轮钢环型锥轮钢环型、宽带型宽带型等多种结构。等多种结构。v它们都是它们都是利用摩擦力来传递扭矩利用摩擦力来传递扭矩，通过连续地，通过连续地改变摩擦改变摩擦传动副工作半径传动副工作半径来实现无级变速。来实现无级变速。v由于变速范围小，由于变速范围小，多数是恒扭矩传动多数是恒扭矩传动，通常较少单独使，通常较少单独使用，而用，而与分级变速机构串联

5、与分级变速机构串联使用，以扩大变速范围。使用，以扩大变速范围。v应用于要求功率和变速范围较小的应用于要求功率和变速范围较小的中小型车床、铣床中小型车床、铣床等等机床的主传动中，更多地是用于机床的主传动中，更多地是用于进给变速传动进给变速传动中。中。 8v液压无级变速装置通过液压无级变速装置通过改变单位时间内输入液压缸或液改变单位时间内输入液压缸或液动机中液体的油量动机中液体的油量来实现无级变速。来实现无级变速。v特点特点是变速是变速范围较大范围较大、变速、变速方便方便、传动、传动平稳平稳、运动、运动换向换向时冲击小时冲击小、易于实现、易于实现直线运动和自动化直线运动和自动化。v常用在主运动为常

6、用在主运动为直线运动的机床直线运动的机床中，如刨床、拉床等。中，如刨床、拉床等。3液压无级变速装置9(1)尽量选择尽量选择功率和扭矩特性符合功率和扭矩特性符合传动系要求的无级变速装置。传动系要求的无级变速装置。v作直线作直线主运动主运动 恒扭矩恒扭矩传动传动 如龙门刨床的工作台如龙门刨床的工作台 如直流电动机；如直流电动机；v作旋转作旋转主运动主运动 恒功率恒功率传动传动 如如车床或铣床主轴车床或铣床主轴 如机械无级变速如机械无级变速(二二)无级变速主传动系设计原则无级变速主传动系设计原则 (2)无级变速装置无级变速装置与机械分级变速箱串联在一起使用，以扩大与机械分级变速箱串联在一起使用，以扩

7、大恒功率变速范围和整个变速范围。恒功率变速范围和整个变速范围。无级变速系统装置单独使用时，其调速范围较小，满足不了要求，尤其是无级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。往往远小于机床实际需要的恒功率变速范围。10 无级变速无级变速装置作为传动系中的装置作为传动系中的基本组基本组，而，而分级变速分级变速作为作为扩大组扩大组。 由于机械无级变速装置属于摩擦传动，有相对滑动现象，可能由于机械无级变速装置属于摩擦传动，有相对滑动现象，可能得不得不到理论上的转速到理论上的转速。 为了得到连续的无级变速，设计时应该使

8、为了得到连续的无级变速，设计时应该使分级变速箱的公比分级变速箱的公比略略小于小于无级变速装置无级变速装置的变速范围。的变速范围。1/zfndfRRRd:nffRRRz机床主轴的变速范围无极变速装置的变速范围机械分级变速箱的变速范围机械分级变速箱的变速级数机械分级变速箱的公比0.90 0.97fdR(二二)无级变速主传动系设计原则无级变速主传动系设计原则 11由公式： 可知，分级变速箱的级数为：例题：设机床主轴变速范围设机床主轴变速范围Rn=60，无级变速箱的变速范围，无级变速箱的变速范围Rd=8，设计机械分级变速箱，求出其级数，并画出转速图。，设计机械分级变速箱，求出其级数，并画出转速图。解：

9、机械分级变速箱的变速范围为：/60/87.5fndRRR0.90 0.970.94 87.52fdR 1 lg7.5/lg7.522Z 机械分级变速箱的公比为：1ZnR121ZfdnfRRR理论上，可取理论上，可取:实际上，常取实际上，常取:fdRlg1lgffRZ 0.90 0.97fdR132.5 进给传动系设计进给传动系设计一、进给传动的特点一、进给传动的特点二、进给传动系的分类和组成二、进给传动系的分类和组成三、进给传动的基本要求三、进给传动的基本要求四、分级进给传动的设计原则四、分级进给传动的设计原则五、无级变速进给传动系统五、无级变速进给传动系统141、恒转矩传动:在各种不同进给量

10、的情况下，都有在各种不同进给量的情况下，都有可能达到最大进给力。因此，进给传动系统最后输可能达到最大进给力。因此，进给传动系统最后输出轴的出轴的最大转矩最大转矩可近似地认为可近似地认为相等相等。一、进给传动的特点一、进给传动的特点P TTPnminnmaxnj)(9550mNnPTj152、进给传动系中各传动件的计算转速是其、进给传动系中各传动件的计算转速是其最高转速iiiTTn/ nTu末末末进给系统是进给系统是恒扭矩传动恒扭矩传动，在各，在各种进给速度下，末端输出轴上种进给速度下，末端输出轴上扭矩是相同的扭矩是相同的 T末末。进给传动系中各传动件进给传动系中各传动件(包括轴包括轴和齿轮和齿

11、轮)所受的扭矩由下式算出：所受的扭矩由下式算出：在进给传动系的在进给传动系的最大升速链最大升速链中，中，各传动件至末端输出轴的各传动件至末端输出轴的传动传动比比最大，承受的最大，承受的扭矩扭矩也最大。也最大。故各传动件的故各传动件的计算转速计算转速是其最是其最高转速。高转速。16v传动件至末端输出轴的传动比越大，传动件承受的传动件至末端输出轴的传动比越大，传动件承受的扭矩越大，即采用扭矩越大，即采用扩大顺序与传动顺序不一致扩大顺序与传动顺序不一致的结构式，的结构式，如：如：vZ=16=28242221 。v这样可以使进给系内更多的传动这样可以使进给系内更多的传动末端末端输出轴的输出轴的速比速比

12、较小较小，承受的扭矩也较小，从而减小，承受的扭矩也较小，从而减小各中间轴和传动件各中间轴和传动件的尺寸。的尺寸。3、进给传动的转速图为、进给传动的转速图为前疏后密结构结构17进给传动系变速组的进给传动系变速组的Rn可取比主变速组较大的值，即可取比主变速组较大的值，即1/5u进进2.8，变速范围，变速范围Rn14。末端常采用降速很大的传动末端常采用降速很大的传动机构，如机构，如蜗杆蜗轮、丝杠螺母、行星机构蜗杆蜗轮、丝杠螺母、行星机构等。等。4、进给传动的变速范围、进给传动的变速范围对于对于精密机床、数控机床精密机床、数控机床的进给传动系，为保证传动精度的进给传动系，为保证传动精度和定位精度，尤其

13、是换向精度，要有传动和定位精度，尤其是换向精度，要有传动间隙消除机构间隙消除机构。5、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186、快速空程传动的采用、快速空程传动的采用快速快速与与工进工进需在带负载运行中变换。采用超越离合器、需在带负载运行中变换。采用超越离合器、差动机构或电气伺服进给传动等。差动机构或电气伺服进给传动等。7、微量进给机构的采用、微量进给机构的采用微量进给机构有微量进给机构有自动自动和和手动手动两类。自动微量进给机构两类。自动微量进给机构采用各种驱动元件使进给自动地进行；手动微量进给机构采用各种驱动元件使进给自动地进行；手动微量进给机构主要用于微量调整

14、精密机床的一些部件主要用于微量调整精密机床的一些部件.19二、进给传动系的分类和组成二、进给传动系的分类和组成1.进给传动系的分类进给传动系的分类（1）按照传动链的性质分）按照传动链的性质分外联系进给传动链外联系进给传动链内联系进给传动链内联系进给传动链（2）按照控制形式和变速形式分）按照控制形式和变速形式分普通机床普通机床分级分级变速进给链变速进给链数控机床数控机床无级无级变速进给链变速进给链20动力源变速系统快速运动安全机构手动机构运动分配与换向机构横向进给纵向进给垂直进给执行件二、进给传动系的分类和组成二、进给传动系的分类和组成2.进给传动系的组成进给传动系的组成可采用单独电动机作为动力

15、源；可采用单独电动机作为动力源；也可以与主传动共用一个动力源。也可以与主传动共用一个动力源。21进给传动系的变速机构是用来改变进给传动系的变速机构是用来改变进给量进给量大小。大小。常用的有常用的有交换齿轮变速、滑移齿轮变速、齿轮离合器变速、机械无级变速交换齿轮变速、滑移齿轮变速、齿轮离合器变速、机械无级变速和和伺服电动机变速伺服电动机变速等。等。设计时，若几个进给运动设计时，若几个进给运动共用共用一个变速机构，应将变速机构放置在运动分一个变速机构，应将变速机构放置在运动分配机构前面。配机构前面。动力源变速系统快速运动安全机构手动机构运动分配与换向机构横向进给纵向进给垂直进给执行件2.进给传动系

16、的组成进给传动系的组成22运动分配机构用来运动分配机构用来转换转换传动路线，常采用传动路线，常采用离合器离合器。换向机构有两种：换向机构有两种：一种是进给一种是进给电动机换向电动机换向，换向方便，但换向次数不能太频繁。，换向方便，但换向次数不能太频繁。另一种是用另一种是用齿轮换向齿轮换向(圆柱或圆锥齿轮圆柱或圆锥齿轮)，换向可靠，广泛用在各种机床中。，换向可靠，广泛用在各种机床中。动力源变速系统快速运动安全机构手动机构运动分配与换向机构横向进给纵向进给垂直进给执行件2.进给传动系的组成进给传动系的组成23过载保险机构的作用是在过载时自动断开进给运动，过载排除后自动接通。过载保险机构的作用是在过

17、载时自动断开进给运动，过载排除后自动接通。常用的有常用的有牙嵌离合器、片式安全离合器、脱落蜗杆牙嵌离合器、片式安全离合器、脱落蜗杆等。等。动力源变速系统快速运动安全机构手动机构运动分配与换向机构横向进给纵向进给垂直进给执行件2.进给传动系的组成进给传动系的组成24运动转换机构用来变换运动的类型（回转运动变直线运动），运动转换机构用来变换运动的类型（回转运动变直线运动），如如齿轮齿条、蜗杆蜗轮、丝杠螺母齿轮齿条、蜗杆蜗轮、丝杠螺母等。等。动力源变速系统快速运动安全机构手动机构运动分配与换向机构横向进给纵向进给垂直进给执行件2.进给传动系的组成进给传动系的组成251)1)具有足够的具有足够的静刚度

18、静刚度和和动刚度动刚度；2)2)具有良好的具有良好的快速响应性快速响应性，做低速进给运动或微量进给时，做低速进给运动或微量进给时不爬行，运动不爬行，运动平稳，灵敏度高；平稳，灵敏度高；3)3)抗振性好抗振性好，不会因摩擦自振而引起传动件的抖动或齿轮传动的冲击噪，不会因摩擦自振而引起传动件的抖动或齿轮传动的冲击噪声；声；4)4)具有具有足够宽的调速范围足够宽的调速范围，保证实现所要求的进给量（进给范围、数，保证实现所要求的进给量（进给范围、数列），以适应不同的加工材料，满足不同的零件加工要求；列），以适应不同的加工材料，满足不同的零件加工要求；5)5)进给系统的进给系统的传动精度传动精度和和定位

19、精度定位精度要高；要高；6)6)结构简单，结构简单，加工和装配工艺性好。加工和装配工艺性好。三、进给传动的基本要求三、进给传动的基本要求26等差数列进给传动等差数列进给传动四、分级进给传动的设计原则四、分级进给传动的设计原则随机数列进给传动系统随机数列进给传动系统等比数列进给传动27等比数列进给传动应遵循的原则（1）进给传动系统的极限传动比、极限变速范围）进给传动系统的极限传动比、极限变速范围极限变速范围极限变速范围maxmin14uRu（2）进给）进给扩大顺序的原则扩大顺序的原则和和最小传动比原则最小传动比原则扩大顺序的原则：扩大顺序的原则：前疏后密前疏后密与主传动系相反，减小进给传动中间轴

20、及其传动件的结构尺寸与主传动系相反，减小进给传动中间轴及其传动件的结构尺寸极限传动比极限传动比m i n15um a x2 . 8u28五、无级变速进给传动系统五、无级变速进给传动系统 普通机床多采用普通机床多采用液压无级调速液压无级调速。变速范围可达。变速范围可达2000，但不，但不易实现准确的速度。易实现准确的速度。数控机床一般采用数控机床一般采用伺服电动机无级调速。无级调速。伺服电动机无级调速系统分类伺服电动机无级调速系统分类开环伺服系统：开环伺服系统：闭环伺服系统：闭环伺服系统：（全）闭环伺服系统：（全）闭环伺服系统：半闭环伺服系统：半闭环伺服系统：29步进电机每接受一个脉冲，旋转一步

21、进电机每接受一个脉冲，旋转一个固定的角度（步进角）个固定的角度（步进角），带动工作，带动工作台移动一个固定的距离（脉冲当量）台移动一个固定的距离（脉冲当量）QPh滚珠丝杠的导程；滚珠丝杠的导程；i传动比传动比N个进给脉冲，工作台的移动量个进给脉冲，工作台的移动量S：360hQPi360hSQNPiN开环系统对工作台实际位移量开环系统对工作台实际位移量没有没有检测和反馈装置检测和反馈装置。采用步进电动机。采用步进电动机。系统的精度取决于步进电动机的系统的精度取决于步进电动机的步距步距角角精度，定位精度较低，一般在精度，定位精度较低，一般在(土土0.01土土0.02)mm.调试方便，成本低。适用于

22、精调试方便，成本低。适用于精度要求不高的数控机床中。度要求不高的数控机床中。30可消除整个系统的误差、间可消除整个系统的误差、间隙。系统比较复杂，安装、调隙。系统比较复杂，安装、调整和测试比较麻烦，成本高。整和测试比较麻烦，成本高。用于精密数控机床上。用于精密数控机床上。在闭环系统中，使用在闭环系统中，使用位移位移测量元件测量元件测量机床测量机床执行部件执行部件的的移移( (转转) )动量动量，将执行部件，将执行部件的的实际移实际移( (转转) )动量和控制量动量和控制量进行进行比较比较，比较后的，比较后的差值差值用用信号信号反馈给控制系统反馈给控制系统，对执，对执行部件的移行部件的移( (转

23、转) )动进行动进行补偿补偿，直至直至差值为零。31检测元件检测元件不是直接安装在不是直接安装在执行部件上，而是安装在进给执行部件上，而是安装在进给传动系中间部位的旋转部件传动系中间部位的旋转部件, ,称之为半闭环系统称之为半闭环系统. .半闭环系统的精度比闭环半闭环系统的精度比闭环差。由于惯性较大的工作台在差。由于惯性较大的工作台在闭环之外，系统稳定性较好。闭环之外，系统稳定性较好。与闭环相比，半闭环系统结构与闭环相比，半闭环系统结构简单，调整容易，价格低，所简单，调整容易，价格低，所以应用较多。以应用较多。32分级变速主传动系统设计一、转速图的设计1、前多后少2、前密后疏3、最大传动比2

24、最小传动比1/44、前缓后急二、齿轮齿数的确定最小公倍数法最小公倍数法三、计算转速的确定131Zjnn33例题：某车床的主轴转速为n401800 r/min ，公比1.41，电动机的转速n电1440 r/min ，试拟定结构式，转速图；确定齿轮齿数；求出各轴的计算转速 解： 1.计算转速级数Z已知：已知：R=1800/40, 1.41 。根据。根据R= Z -1，得：，得：lglg4511lglg1.41RZ 11.2 112Z 34根据前密后疏原则，粗选扩大顺序为根据前密后疏原则，粗选扩大顺序为 12=312326第二扩大组的第二扩大组的 2. 确定传动组、传动副和扩大顺序根据传动组和传动副

25、拟定原则，可选方案有：根据传动组和传动副拟定原则，可选方案有： 12 = 322， 12 = 232 ， 12= 2 2 3方案方案，, , 中，都有三根传动轴，根据传动副前中，都有三根传动轴，根据传动副前多后少的原则可知：方案多后少的原则可知：方案比较适合。比较适合。22162 121.418xpr最终确定结构式为最终确定结构式为 12=3123261243 1234123221223212223353.设计转速图 主轴各级转速主轴各级转速：40、56、80、112、160、224、315、450、630、900、1250、1800 确定定比传动确定定比传动 取轴取轴的转速为的转速为900r

26、/min，则电机轴与轴，则电机轴与轴的传动比为：的传动比为：0900514408u 确定各变速组最小传动比确定各变速组最小传动比 从转速点从转速点900r/min900r/min到到40r/min40r/min共有共有9 9格，三个变速组的格，三个变速组的最小传动比平均下降三格，按照前缓后急的原则，第二变最小传动比平均下降三格，按照前缓后急的原则，第二变速组最小传动线下降速组最小传动线下降3 3格；第一变速组最小传动线下降格；第一变速组最小传动线下降3-3-1=21=2格；第三变速组最小传动线下降格；第三变速组最小传动线下降3+1=43+1=4格。格。1.002.04.08.01631.563

27、1252505001000 2000 4000 80001.062.124.258.51733.5671322655301060 2120 4250 85001.122.214.59.01835.5711402805601120 2240 4500 90001.182.294.759.51937.5751503006001180 2360 4750 95001.252.55.0102040801603156301250 2500 5000 100001.322.585.310.621.242.5851703356701320 2650 5300 106001.42.85.611.222.445

28、901803557101400 2800 5600 112001.53.06.011.823.647.5951903757501500 3000 6000 118001.63.156.312.525501002004008001600 3150 6300 125001.73.356.713.226.5531062124258501700 3350 6700 132001.83.557.11428561122244509001800 3550 7100 141001.93.757.51530601182364759501900 3750 7500 15000365/8电 （主轴）1800r/mi

29、n1250900630450315224160112805640-2-2-3-32 2-4-41440r/min12=3123264.绘制转速图0 00 0-1-1a b c372212111.411.412au112151.411.417au0311au0111022203333122SabSabSab0jjjabSaj,bj互为质数互为质数5.确定齿轮齿数1）a变速组S0 = 12012ZSkSk380jZjjjSZaS111101011214173ZZaSSkZaakSS 246441 k kZ Za a48247211 a aZ Za aZ ZS SZ Z3055121220222 k

30、 kk ka aS SS SZ ZZ Za a42307222 a aZ Za aZ ZS SZ Z366121230333 k kk ka aS SS SZ ZZ Za a36367233 a aZ Za aZ ZS SZ Z1212 672ZSk则则:5k 取：取：k=6，1）a变速组392）b变速组11121 1211 3142SS 1jjjabSaj,bj互为质数互为质数0132111131bbuuS1 = 42142ZSkSk1jZjjjSZbS222212124211111742ZZbSSkZaakSS2k 取：取：k=2，404242 284ZSk则则:142121 2422bkZ 11844242bZaZSZ 22124211112242ZbSkZbkS2284 2262bZbZSZ 2）b变速组413）c变速组21422114ccuu21222 13145SS 2jjjabSaj,bj互为质数互为质数S2 = 15215ZSkSk422jZjjjSZaS111122221513175ZZaSSkZaakSS 112115210603ZcSkZakS11906030cZcZSZ 22221513185ZcSkZakS 2290 1872cZcZSZ 1515 6