机械制造装备设计.ppt

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1、欢迎使用本套CAI,机械制造装备设计,多媒体课件使用说明,主页,第一章 绪论,第二章 机械制造装备设计方法,第三章 金属切削机床设计,退出,下一页,第四章 工业机器人设计,主页,第七章 机械加工生产线总体设计,第五章 机床夹具设计,第六章 物流系统设计,退出,下一页,第一章 绪论,第一章 绪论,第一节 机械制造装备及其在国民经济中的重要作用,第二节 机械制造装备应具备的主要功能,第三节 机械制造装备的分类,返回主页,退出,上一页,下一页,第一章 绪论,1.1 机械制造装备及其在国民经济中的重要作用,（一）制造业是一个国家或地区经济发展的重 要支柱。,（二）机械制造业是制造业的核心。,（三）机械

2、制造业的发展状况。,上一页,下一页,退出,返回主页,返回本章,第一章 绪论,1.2 机械制造装备应具备的主要功能,（一）一般的功能要求,（1）加工精度方面的要求,（2）强度、刚度和抗震性方面的要求,（3）加工稳定性方面的要求,（4）耐用性方面的要求,（5）技术经济方面的要求,（二）柔性化,（三）精密化,（四）自动化,（五）机电一体化,（六）节材,（七）符合工业工程要求,（八）符合绿色工程要求,返回主页,退出,上一页,下一页,返回本章,机械制造装备设计,1。3 机械制造装的分类,第一章 绪论,1.3 机械制造装备的分类,（一）加工装备：,机械制造装备包括加工装备、工艺装备、仓储运输装备和辅助装备

3、四大类。,（二）工艺装备：,（三）仓储运送装备：,主要指机床。机床是制造机器的机器，也称工作母机。,各种刀具、模具、夹具、量具等总称为工艺装备。它是保证产品制造质量、贯彻工艺规程、提高生产效率的重要手段。,仓储运输装备包括各级仓储、物料运输、机床上下料、机器人等。,退出,上一页,进入下一章,返回主页,返回本章,第二章 机械制造装备设计方法,第二章 机械制造装备设计方法,第一节 机械制造装备设计的类型,第二节 机械制造装备设计的方法,第三节 机械制造装备设计的评价,返回主页,退出,上一页,下一页,第二章 机械制造装备设计方法,2.1 机械制造装备设计的类型,一、创新设计,二、变形设计,三、组合设

4、计,上一页,下一页,退出,返回主页,返回本章,第二章 机械制造装备设计方法,2.2 机械制造装备设计的方法,一、机械制造装备设计的典型步骤,二、系列化设计,三、模块化设计,上一页,下一页,退出,返回主页,四、合理化工程,返回本章,第二章 机械制造装备设计方法,产品规划阶段,需求分析,调查研究,预测,可行性分析,编制设计任务书,方案设计阶段,对设计任务的抽象,建立功能结构 图1,寻求原理解与解决方法,初步设计方案的形成 图3,初步设计方案的评价与筛选,退出,下一页,返回本节,2.2.1 机械制造装备设计的典型步骤,返回主页,1、,2、,3、,4、,5、,1、,2、,3、,4、,5、,（一）,（二

5、）,第二章 机械制造装备设计方法,技术设计阶段,确定结构原理方案,总体设计,结构设计,施工设计阶段,零件图设计,完善装备图,商品化设计,编制技术文档,退出,返回本节,2.2.1 机械制造装备设计的典型步骤,返回主页,1、,2、,3、,1、,2、,3、,4、,（三）,（四）,下一页,第二章 机械制造装备设计方法,系列化设计的基本概念,退出,返回本节,2.2.2 系列化设计,返回主页,（一）,（二）,系列化设计的优缺点,（三）,系列化设计的步骤,1、,2、,3、,主参数和主要性能指标的确定,参数分级,制定系列型谱,纵系列产品,横系列产品,跨系列产品,a,b,c,下一页,第二章 机械制造装备设计方法

6、,模块化设计的基本概念：,退出,返回本节,2.2.3 模块化设计,返回主页,（一）,（二）,模块化设计的优缺点,（三）,模块化设计的步骤,1、,2、,3、,明确任务,建立功能结构 图4、图6,合理确定产品的系列型谱和参数,下一页,模块是具有一定功能的零件、组件或部件，模块上具有特定的联接表面和联接方法，以保证相互组合的互换性和精确度。,模块化设计是提高产品质量、降低成本、加快设计进度、进行组合设计的重要途径。,1、,2、,第二章 机械制造装备设计方法,退出,返回本节,2.2.4 合理化工程,返回主页,进入下一节,合理化工程是一种管理哲理。,合理化工程的主要目的是采用先进的信息处理技术，进行产品

7、结构的重组、产品设计开发过程的重组和设计/管理系统信息集成，尽可能减少产品零部件的类别数，从而缩短产品的开发周期，提高产品设计质量。,1、,2、,第二章 机械制造装备设计方法,2.3 机械制造装备设计的评价,一、技术经济评价,二、可靠性评价,三、人机工程学评价,上一页,下一页,退出,返回主页,四、结构工艺性评价,五、产品造型评价,六、标准化评价,返回本章,第二章 机械制造装备设计方法,建立目标系统和确定评价标准,退出,返回本节,2.3.1 技术经济评价,返回主页,（一）,（二）,确定重要性系数 图7,（四）,确定各设计方案的评价分数,总权重值ZQj,技术评价Tj,经济评价Ej:,经济评价是理想

8、生产成本CL与实际生产成本Cs之比,即: Ej = CL/Cs,技术经济评价的步骤:,（三）,（五）,（七）,（六）,1、,2、,通常理想成本CL应低于市场同类产品最低价的70%。经济评价Ej越大，代表经济效果越好，Ej=1的方案经济上最理想。如经济评价值小于0.7，说明方案的实际生产成本大于市场同类产品的最低价，一般不予考虑。,技术经济评价TEj:有两种计算方法,1、,当Tj和Ej的值相差不太悬殊时，可用均值法计算Ej值：,2、,TEj = （ Tj+Ej）/2,当Tj和Ej的值相差很悬殊时，建议用双曲线法计算Ej值：,TEj = Tj+Ej,下一页,第二章 机械制造装备设计方法,可靠性特征

9、量,退出,返回本节,2.3.2 可靠性评价,返回主页,（一）,（二）,可靠性预测,下一页,产品可靠性指标,可靠性,维修性,有效性,耐久性,安全性,可靠度,可靠寿命,累积失效概率,失效率,平均寿命,平均修复时间,修复率,维修度,极限有效度,平均有效度,瞬时有效度,可靠性指标的分配,（三）,第二章 机械制造装备设计方法,（一）人因素方面 （二）机器因素方面 （三）环境因素方面 （四）人机系统方面,退出,返回本节,2.3.3 人机工程学评价,返回主页,下一页,第二章 机械制造装备设计方法,加工工艺性,装配工艺性,退出,返回本节,2.3.4 结构工艺性评价,返回主页,（一）,（二）,下一页,（三）,维

10、修工艺性,结构工艺性评价的目的是降低生产成本,缩短生产时间,提高产品质量。结构工艺性应从加工、装配、维修和运输等方面来评价。,第二章 机械制造装备设计方法,产品造型设计,产品色彩,退出,返回本节,2.3.5 产品造型评价,返回主页,（一）,（二）,下一页,机械产品的造型的总原则是经济实用、美观大方。“经济”指的是造型成本低，并有助于提高产品的可靠性、寿命和人机界面。“实用”指的是实用操作方便、舒适、符合人体的生理和心理特征。,1、尺度与比例 2、对称与均衡 3、安定与轻巧 4、对比与调和 5、过度与呼应 6、节奏与韵律 7、重点与一般,1、色调选择 2、配色方法,第二章 机械制造装备设计方法,

11、标准化及其目的,标准分类,退出,返回本节,2.3.6 标准化评价,返回主页,（一）,（二）,进入下一章,（三）,企业标准体系结构 图22,产品设计的标准化,（四）,1、,技术标准,工作标准 图21,管理标准,2、,3、,1、,2、,3、,4、,企业标准的审查,设计文件的标准化审查,工艺文件的标准化审查,工装设计文件的标准化审查,第三章 金属切削机床设计,第三章 金属切削机床设计,第一节 概述,第二节 金属切削机床设计的基本理论,第三节 金属切削机床总体设计,返回主页,退出,上一页,下一页,第四节 主传动系设计,第三章 金属切削机床设计,第三章 金属切削机床设计,第五节 进给传动系设计,第六节

12、主轴部件设计,第七节 支承件设计,返回主页,退出,上一页,下一页,第八节 导轨设计,第三章 金属切削机床设计,第三章 金属切削机床设计,第九节 机床刀架和自动换刀装置设计,第十节 机床控制系统设计,返回主页,退出,上一页,下一页,第三章 金属切削机床设计,3.1 概述,一、机床设计应满足的基本要求,二、机床设计方法,三、机床设计步骤,上一页,下一页,退出,返回主页,返回本章,第三章 金属切削机床设计,（一）工艺范围 （二）柔性 （三）与物流系统的可亲性 （四）刚度 （五）精度 （六）噪声 （七）生产率和自动化 （八）成本 （九）生产周期 （十）可靠性 （十一）造型与色彩,退出,返回本节,3.1

13、.1 机床设计应满足的基本要求,返回主页,下一页,第三章 金属切削机床设计,退出,返回本节,3.1.2 机床设计方法,返回主页,下一页,（一）机床设计正在向着“以系统为主的机床设计”方向发展，即在机床设计时要考虑它如何更好的适应FMS等先进制造系统的要求，例如要求具有时、空柔性，与物流的可亲性等等。,（二）机床设计方法是根据其设计类型而定。通用机床采用系列化设计方法。系列中基型产品属创新设计类型，其他属变形设计类型。有些类型，如组合机床属组合设计类型。,（三）在创新设计类型中，机床总体方案的产生方法可采用分析式设计或创成式设计。,第三章 金属切削机床设计,（二）总体设计,退出,返回本节,3.1

14、.3 机床设计步骤,返回主页,进入下一节,（三） 结构设计,（一）确定结构原理方案,（六） 定型设计,（五）机床整机综合评价,（四）工艺设计,第三章 金属切削机床设计,3.2 金属切削机床设计的基本理论,（一）,上一页,下一页,退出,返回主页,机床的运动学原理,机床运动学是研究、分析和实现机床期望的加工功能所需要的运动功能配置,返回本章,第三章 金属切削机床设计,退出,返回本节,返回主页,下一页,金属切削机床的基本功能是提供切削加工所必须的运动和动力。其基本工作原理是：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。,工件

15、表面的形成方法,机床运动功能方案设计,3.3.2 机床的运动功能设计,几何表面的形成原理图示,1,2,a) 平面,1,2,b) 圆柱面,1,2,c) 平面,1,2,d) 圆锥面,1,母线,2,导线,发生线的形成图示,1,f,n,n,1,. ,f,n1,n2,1,a),c),b),f,n1,n2,f,d),e),a)点刃车刀车外圆柱面 b)宽刃车刀车外圆柱面 c)砂轮磨外圆柱面 d)盘铣刀铣外圆柱面 e)滚齿加工,第三章 金属切削机床设计,退出,返回本节,工件表面的形成方法,返回主页,下一页,几何表面的形成原理图示,发生线的形成图示,发生线的形成：1）轨迹法（描述法） 2）成型法（仿形法） 3）

16、相切法（旋切法） 4）范成法（滚切法）,机床运动功能方案设计,1.工艺分析 2.选取坐标系 3.写出机床运动功能式 4.画出机床运动功能图(例：滚齿机）,5.绘制机床传动原理图,第三章 金属切削机床设计,退出,返回本节,返回主页,下一页,运动功能图形符号,a),回转运动,b),直线运动,Zf,Ba,Ya,Cp,Cf,W/CfYaZfBaCp/T,第三章 金属切削机床设计,3.2 金属切削机床设计的基本理论,（二）,（三）,（四）,上一页,下一页,退出,返回主页,（五）,（六）,3、,1、,6、,5、,2、,4、,精度,运动精度,传动精度,定位精度,工作精度,几何精度,精度保持性,刚度,抗振性,

17、热变形,噪声,返回本章,第三章 金属切削机床设计,3.3 金属切削机床总体设计,一、机床系列型谱的制定,二、机床的运动功能设置,三、机床总体结构方案设计,上一页,下一页,退出,返回主页,四、机床主要参数的设计,返回本章,第三章 金属切削机床设计,退出,返回本节,3.3.1 机床系列型谱的制定,返回主页,下一页,中型卧式车床的简略系列型谱表,注： 基型， 变型,第三章 金属切削机床设计,退出,返回本节,返回主页,下一页,（一）运动功能分配设计,（二）结构布局设计：立式、卧式、斜置式,3.3.3 机床总体结构方案设计,（三）机床总体结构的概略形状与尺寸设计,设计的主要依据是：机床总体结构布局设计阶

18、段评价后所保留的机床总体结构布局形态图，驱动与传动设计结果，机床动力参数及加工空间尺寸参数，以及机床整机的刚度及精度分配。,评价的主要因素有：1）性能 2）制造成本 3）制造周期 4）生产率 5）与物流的可亲性 6）外观造型 7）机床总体结构方案设计修改与确定,第三章 金属切削机床设计,退出,返回本节,返回主页,下一页,（一）主参数和尺寸参数,（二）运动参数,3.3.4 机床主要参数的设计,机床的主要技术参数包括机床的主参数和基本参数，基本参数可包括尺寸参数、运动参数和动力参数。,机床主参数是代表机床规格大小既反映机床最大工作能力的一种参数，有些机床还规定有第二主参数。,运动参数是指机床执行件

19、如主轴、工作安装部件（工作台、刀架）的运动速度。,主运动参数：(1) 最低（nmin）和最高（nmax)转速的确定,（2）主轴转速数列呈等比级数规律分布，转数范围内 的转数相对均匀损失率为：,A= (n-nj)/n,产生的最大转速相对损失为：,A=(nj+1-nj)/ nj+1=1 - nj/nj+1,第三章 金属切削机床设计,退出,返回本节,返回主页,进入下一节,3.3.4 机床主要参数的设计,（三）动力参数 （1）主电动机功率的确定 （2）进给驱动电动机功率的确定 （3）快速运动电动机功率的确定 金属切削机床实例课外资料,第三章 金属切削机床设计,3.4 主传动系设计,一、主传动系设计应满

20、足的基本要求,二、主传动系分类和传动方式,三、分极变速主传动系,上一页,下一页,退出,返回主页,四、无极变速主传动系,返回本章,五、数控机床主传动系 设计特点,第三章 金属切削机床设计,退出,返回本节,返回主页,下一页,3.4.1 主传动系设计应满足的基本要求,（一） 满足机床使用性能要求 （二） 满足机床传递动力要求 （三） 满足机床工作性能的要求 （四） 满足产品设计经济性的要求 （五） 维修调整方便，结构简单、合理， 便于加工和装配。,第三章 金属切削机床设计,退出,返回本节,返回主页,下一页,3.4.2 主传动系分类和传动方式,主传动系一般由动力源（如电动机）、变速装置及执行件（如 主

21、轴、刀架、工作台），以及开停、换向和制 动机构等部分组成。 （一）主传动系分类 （1）按驱动主传动的电机类型： 交流电动机驱动、直流电动机驱动 （2）按传动装置类型： 机械传动装置、液压传动装置、 电气传动装置以及它们的组合 （3）按变速的连续性： 分极变速传动、无极变速传动 （二）主传动系的传动方式 集中传动方式：主传动系的全部传动和变速机构集中 装在同一个主轴箱内。 图11 分离传动方式 ：主传动系中的大部分传动和变速机构 装在远离主轴的单独变速箱中。 图12,第三章 金属切削机床设计,退出,返回本节,返回主页,下一页,3.4.3 分级变速主传动系,（一）拟定转速图和结构式 （1）转速图

22、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。 设一中型卧式车床，其变速传动系 图13 （2）结构式 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 表示。级比 中的指数值 称为级比指数，相当于上述相邻两传动线与被动轴交点之间相距的格数。,第三章 金属切削机床设计,退出,返回本节,返回主页,下一页,3.4.3 分级变速主传动系,（二）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 该变速组的变速范围。即： （i=0，1，2，j) 在设计机床主传动系时， 一般限制降速最小

23、传动比 直齿圆柱齿轮的 最大升速比 斜齿圆柱齿轮可取,第三章 金属切削机床设计,退出,返回本节,返回主页,下一页,3.4.3 分级变速主传动系,（三）主变速传动系设计的一般原则 （1）传动副前多后少的原则 （2）传动顺序与扩大顺序相一致的原则 （3）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,第三章 金属切削机床设计,退出,返回本节,返回主页,下一页,3.4.3 分级变速主传动系,（四）主变速传动系的几种特殊设计 （1）具有多速电动机的主变速传动系设计 采用多速异步电机和其它方式联合使用，可以 简化机床的机械结构，使用方便。 多刀半自动车床的主变速传动系图和转速图/16 （2）

24、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 齿轮可用较少的齿轮，得到多级转速，变速箱 结构大大简化。 液压多刀半自动车床主变速传动系/17 （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的数目，简化结构，缩短轴向尺寸。铣床主变速传动系图/11,第三章 金属切削机床设计,退出,返回本节,返回主页,下一页,3.4.3 分级变速主传动系,（五）扩大传动系变速范围的方法 （1）增加比变速组 （2）采用背轮机构 （3）采用双公比的传动系 （4）采用分支传动,第三章 金属切削机床设计,退出,返回本节,返回主页,下一页,3.4.3 分级变速主传动系,（六）齿轮齿数的确定 对

25、于定比传动的齿轮齿数和带轮直径，可 依据机械设计手册推荐的方法确定。 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扭矩。扭矩越大， 中心矩越大。 一般在主传动中，取最小齿轮齿数 三联滑移齿轮的最大和次大齿数之间的齿 数差应大于或等于4。 齿轮齿数确定后，还应验算转速误差： 式中： n-主轴实际转速 n-主轴的标准转速 -公比,第三章 金属切削机床设计,退出,返回本节,返回主页,下一页,3.4.3 分级变速主传动系,（七）计算转速 （1）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 动属恒扭矩传动。如刨床的工作台。 主运动是旋转

26、运动的机床基本上是恒 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 （2）变速传动系中传动件计算转速的确定 变速传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。,第三章 金属切削机床设计,退出,返回本节,返回主页,下一页,3.4.3 分级变速主传动系,（八）变速箱内传动件的空间布置与计算 （1）变速箱内各传动轴的空间布置 各传动轴是空间布置 （卧式车床主轴箱横截面图/23，展开图/24） 各传动轴在一个铅直平面内

27、（卧式铣床变速箱/25） （2）变速箱内各传动轴的轴向固定 轴向固定的方法有： 一端固定/26、两端固定/27。 （3）各传动轴的估算和验算 按扭转刚度估算轴的直径 按弯曲刚度验算轴的直径,第三章 金属切削机床设计,退出,返回本节,返回主页,下一页,3.4.4 无级变速主传动系,（一）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：变速电动机、机械无级变速 装置、液压无级变速装置 （二）无级变速主传动系设计原则 （1）尽量选择功率和扭矩特性符合传动 系要求的无级变速装置。 （2）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

28、际需要的恒功率变速范围。,第三章 金属切削机床设计,退出,返回本节,返回主页,下一页,3.4.5 数控机床主传动系设计特点,（一）主传动采用直流或交流电动机无级调速 （1）直流电动机无级调速 一般直流电动机恒扭矩调速范围较 大，达30，甚至更大；而恒功率调 速范围较小，仅能达到23。 （2）交流电动机无级调速 一般交流电动机体积小，转动惯性 小，动态响应快；采用全封闭结构， 具有空气强冷，保证高转速和较强 的超载能力，具有很宽的调速范围。,第三章 金属切削机床设计,退出,返回本节,返回主页,未完待续,3.4.5 数控机床主传动系设计特点,（二）数控机床驱动电动机和主轴功率特性的 匹配设计 在设

29、计数控机床主传动时，必须考虑 电动机与机床主轴功率特性匹配问题。由 于主轴要求的恒功率变速范围 远大于 电动机恒功率变速范围 ，所以在电动 机于主轴之间要串联一个分级变速箱，以 扩大其恒功率调速范围，满足低速大功率 切削对电动机的输出功率的要求。 设计分级变速箱时，考虑机床结构的 复杂程度，运转平稳性要求等因素，变速 箱公比的选取有下列三种情况：,第三章 金属切削机床设计,退出,返回本节,返回主页,未完待续,3.4.5 数控机床主传动系设计特点,（二）数控机床驱动电动机和主轴功率特性的 匹配设计 （1）取变速箱的公比 等于电动机的恒 功率调速范围 ，即 = ，功率特 性图是连续的，无缺口和无重

30、合。 （2）若要简化变速箱结构，变速级数应少 些，变速箱公比 可取大于电动机的恒 功率调速范围 ，即 。 图31、32,第三章 金属切削机床设计,退出,返回本节,返回主页,未完待续,3.4.5 数控机床主传动系设计特点,（二）数控机床驱动电动机和主轴功率特性的 匹配设计 （3）如果数控机床为了恒线速切削需在运 转中变速时，取变速公比 小于电动机的 恒功率变速范围，即 ，在主传动 系功率特性图上有小段重合，这时变速箱 的变速级数将增多。图33、34,第三章 金属切削机床设计,退出,返回本节,返回主页,未完待续,3.4.5 数控机床主传动系设计特点,（二）数控机床驱动电动机和主轴功率特性的 匹配设

31、计 例题： 某数控车床，主轴最高转数 3000 r/min， 最低转数 =40 r/min，计算转速 =160 r/min, 采用直流电动机，电动机功率P电15kw，电 动机的额定转速为 =1500 r/min，最高转速为 3500 r/min，试设计分级变速箱的传动系统， 画出其转速图。主轴最大切削功率4kW.,第三章 金属切削机床设计,退出,返回本节,返回主页,未完待续,3.4.5 数控机床主传动系设计特点,（二）数控机床驱动电动机和主轴功率特性的 匹配设计 解： 方案一：取Z=4， =2，由于 小于 ， 所以转速图上有重复。 方案二：取Z=2， =8.05，由于 大于 ， 所以转速图上有

32、缺口。,第三章 金属切削机床设计,退出,返回本节,返回主页,未完待续,3.4.5 数控机床主传动系设计特点,第三章 金属切削机床设计,退出,返回本节,返回主页,下一页,3.4.5 数控机床主传动系设计特点,第三章 金属切削机床设计,退出,返回本节,返回主页,下一页,3.4.5 数控机床主传动系设计特点,（三）数控机床高速主传动设计 提高主传动系中主轴转速是提高切削速度 最直接最有效的方法。对于高速和超高速 数控机床主传动，一般采用两种设计方式： 一种是采用联轴节将机床主轴和电动机轴 串接成一体；另一种是将电动机与主轴联 合为一体，制成内装式电主轴（图35）。 （四）数控机床采用部件标准化、模块

33、化结构 设计 中小型数控车床主传动系设计中，广泛采 用模块化的变速箱和主轴单元形式。 数控车床模块部件构成/36,第三章 金属切削机床设计,退出,返回本节,返回主页,进入下一节,3.4.5 数控机床主传动系设计特点,（五）数控机床的柔性化、复合化 数控机床对满足加工对象变换有很强的 适应能力（即柔性），因此发展很快。 车削中心各控制轴示意图/37 （六）虚拟轴机床设计 虚拟机床采用平台闭环并联结构，具有 刚度高，运动部件质量轻，机械结构简 单，制造成本低等优点。 虚拟轴机床外形图/38 并联机床课外资料,第三章 金属切削机床设计,3.5 进给传动系设计,一、进给传动系设计应满足的基本要求,二、

34、电气伺服进给系统,上一页,下一页,退出,返回主页,返回本章,第三章 金属切削机床设计,退出,返回本节,返回主页,下一页,3.5.1 进给传动系设计应满足的基本要求,（一）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、 过载保险机构、运动转换机构和执行件等,（二）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； 具有良好的快速响应性，不爬行； 抗振性好； 具有足够宽的调速范围； 进给系统的传动精度和定位精度要高； 结构简单，加工和装配工艺好。,第三章 金属切削机床设计,退出,返回本节,返回主页,未完待续,3.5.2 电气伺服进给系统,（一）电气伺服系统的分类 电气伺服

35、进给系统按有无监测和反馈装置分为： 开环、闭环和半闭环系统。,（1）开环系统 典型的开环系统采用步进电动机，其精度取决于步 进电动机的步距角精度，步进电动机只执行部件间 传动系的传动精度。这类系统的定位精度较低，但 结构简单，调试方便，成本低。适用于精度要求不 高的数控机床中。,第三章 金属切削机床设计,退出,返回本节,返回主页,未完待续,3.5.2 电气伺服进给系统,（2）闭环系统 检测反馈装置有两类：用旋转变压器作为位置反 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。后者用的多。 闭环控制的定位精度取决于检测装置的精度。其 控制精度、动态性能都较好，但是较复杂，安装 调试

36、较麻烦，成本高，用于精密型机床上。,（一）电气伺服系统的分类,第三章 金属切削机床设计,退出,返回本节,返回主页,下一页,3.5.2 电气伺服进给系统,（3）半闭环系统 半闭环的精度比闭环差，但系 统稳定性好，且结构比较简 单，调整容易，价格低。 综上所述，对伺服系统的基本要求是 稳定性好，精度要高，快速 响应 性好，定位精度高。,（一）电气伺服系统的分类,第三章 金属切削机床设计,退出,返回本节,返回主页,未完待续,3.5.2 电气伺服进给系统,（二）电气伺服进给系统驱动部件 伺服驱动部件如步进电动机、直流伺服 电动机、交流伺服电动机等。 （1） 对进给驱动部件的基本要求： 调速范围宽，低速

37、运行平稳，无爬行； 快速响应性好； 抗负载振动能力强； 可承受频繁启动、制动和反转； 振动和噪音小，可靠性高，寿命长； 调整维修方便。,第三章 金属切削机床设计,退出,返回本节,返回主页,下一页,3.5.2 电气伺服进给系统,（二）电气伺服进给系统驱动部件 （2）进给驱动部件的类型 步进电动机 直流伺服电动机 交流伺服电动机 直线伺服电动机（旋转变直线/42，形式/43， 传动示意图/44）,第三章 金属切削机床设计,退出,返回本节,返回主页,未完待续,3.5.2 电气伺服进给系统,（三）电伺服进给传动系中的机械传动部件,（1）机械传动部件应满足的基本要求： 机械传动部件要采用低摩擦传动； 伺

38、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； 采用预紧办法来提高整个系统的刚度； 采用消除传动间隙的方法，减小反向死区误差 ，提高运动平稳性和定位精度。,第三章 金属切削机床设计,退出,返回本节,返回主页,未完待续,3.5.2 电气伺服进给系统,（三）电伺服进给传动系中的机械传动部件,（2）机械传动部件设计 机械传动部件主要是指齿轮（或同步齿轮带）和丝杠螺母传动副。 最低降速比的确定 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。 齿轮传动间隙的消除 齿轮传动间隙的消除有刚性调整法和柔性调整法两类。刚性调整法是调整后尺

39、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行补偿。 双片直齿轮错齿间隙消除机构/45,第三章 金属切削机床设计,退出,返回本节,返回主页,未完待续,3.5.2 电气伺服进给系统,（三）电伺服进给传动系中的机械传动部件,（2）机械传动部件设计 滚珠丝杠及其支承 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，图46，由螺母、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。滚珠丝杠常采用角接触球轴承/47或双向推力圆柱滚子轴承与滚针轴承的组合轴承/48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。滚珠丝杠的三种支承方式/49：一

40、端固定，另一端自由方式；一端固定，一端简支承方式；两端固定。,第三章 金属切削机床设计,退出,返回本节,返回主页,进入下一节,3.5.2 电气伺服进给系统,（三）电伺服进给传动系中的机械传动部件,（2）机械传动部件设计 丝杠的拉压刚度计算 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部分组成。 滚珠丝杠螺母副间隙消除和预紧 同齿轮的传动副一样，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/50 滚珠丝杠的预拉伸 滚珠丝杠常采用预拉伸方式，提高其拉压刚度和补偿丝杠的热变性。,第三章 金属

41、切削机床设计,3.6 主轴部件设计,一、主轴部件应满足的基本要求,二、主轴部件的传动方式,三、主轴部件结构设计,上一页,下一页,退出,返回主页,四、主轴滚动轴承,返回本章,五、主轴滑动轴承,第三章 金属切削机床设计,退出,返回本节,返回主页,未完待续,3.6.1 主轴部件应满足的基本要求,主轴部件是机床的执行件，由主轴及其支承轴承、 传动件、密封件及定位元件等组成。 基本要求： （1）旋转精度：是指装配后，在无载荷、低速转 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。旋转精度取决于主轴、轴 承、箱体孔等的制造、装配和调整精度。 （2）刚度：是指主轴部件在外加载荷作用下抵抗 变性的能

42、力。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。,第三章 金属切削机床设计,退出,返回本节,返回主页,下一页,3.6.1 主轴部件应满足的基本要求,基本要求： （3）抗振性：是指抵抗受迫振动和自激振动的能力。 （4）温升和热变性：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 温度升高，形状尺寸和位置发生变化，造成主 轴部件的所谓热变性。 （5）精度保持性：是指长期地保持其原始制造精度 的能力。,第三章 金属切削机床设计,退出,返回本节,返回主页,未完待续,3.6.2 主轴部件的传动方式,主轴部件的传动方式主要有齿轮传动、带传动、 电机直接驱动等。 （1）

43、齿轮传动：特点是结构简单、紧凑，能够传 递较大的扭矩，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1215m/s，不如带传动平稳。 （2）带传动：特点是靠摩擦力传动（除同步齿形 带外）、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，适宜高速 传动。带传动在过载中会打滑，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。,第三章 金属切削机床设计,退出,返回本节,返回主页,下一页,3.6.2 主轴部件的传动方式,（2）带传动： 同步齿形带/52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

44、步齿形 带的齿形有两种:梯形齿和圆弧齿。 （3）电动机直接驱动方式：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，降低了噪声和振动；有较宽的调速 范围；有较大的驱动功率和扭矩；便于组 织专业化生产。广泛应用于精密机床、高 速加工中心和数控车床中。 高速内圆磨床电主轴/53,第三章 金属切削机床设计,退出,返回本节,返回主页,下一页,3.6.3 主轴部件结构设计,（一）主轴部件的支承数目 多数机床的主轴采用前、后两个支承。 为提高刚度和抗振性，有的机床采用三个 支承。三个支承中可以前、后支承为主要 支承，中间支承为辅助支承，图24； 也可以前、中支承为主要支承，后支承为 辅助支承

45、，图30。且后者应用较多。,第三章 金属切削机床设计,退出,返回本节,返回主页,未完待续,3.6.3 主轴部件结构设计,（二）推力轴承的位置配置型式 （1）前端配置：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，温升高；但主轴受热 后向后伸长，不影响轴向精度，精度高， 对提高主轴部件刚度有利。用于轴向精度 和刚度要求较高的高精度机床或数控机床。 （2）后端配置：两个方向的推力轴承都布 置在后支承处。这类配置方案前支承处轴 承较少，发热小，温升低；但主轴受热后 向前伸长，影响轴向精度。用于轴向精度 要求不高的普通精度机床，如立铣、多刀 车床等。,第三章 金属切削

46、机床设计,退出,返回本节,返回主页,下一页,3.6.3 主轴部件结构设计,（二）推力轴承的位置配置型式 （3）两端配置：两个方向的推力轴承分别 布置在前后两个支承处。这类配置方案当 主轴受热伸长后，影响主轴轴承的轴向间 隙。为避免松动，可用弹簧消除间隙和补 偿热膨胀。常用于短主轴，如组合机床主 轴。 （4）中间配置：两个方向的推力轴承在前 支承的后侧。这类配置方案可减少主轴的 悬伸量，并使主轴的热膨胀向后；但前支 承结构较复杂，温升也可能较高。 以上四种推力轴承配置型式/54,第三章 金属切削机床设计,退出,返回本节,返回主页,下一页,3.6.3 主轴部件结构设计,（三）主轴传动件位置的合理布

47、置 （1）传动件在主轴上轴向位置的合理布置 合理布置传动件在主轴上的轴向位置，可 以改善主轴的受力情况，减少主轴变形， 提高主轴的抗振性。主轴上传动件轴向布 置时，应尽量靠近前支承，有多个传动件 时，其中最大传动件应靠近前支承。 传动件轴向布置的几种情况/55 （2）驱动主轴的传动轴位置的合理布置 主轴受到的驱动力相对于切削力的方向取 决于驱动主轴的传动轴位置。,第三章 金属切削机床设计,退出,返回本节,返回主页,下一页,3.6.3 主轴部件结构设计,（四）主轴主要结构参数的确定 主轴的主要结构参数有主轴前、后轴径直 径D1和D2，主轴内孔直径d，主轴前端悬 伸量a和主轴主要支承间的跨距L，这些参 数将直接影响主轴旋转精度和主轴刚度。 （1）主轴前轴径直径D1的选取 （2）主轴内孔直径d的确定 （3）主轴前端悬伸量a的