机械制造装备设计之2——金属切削机床-哈工大(威海)黄博.ppt

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1、机械制造装备设计,哈尔滨工业大学（威海）机器人研究所 山东省现代数字化医疗装备高校重点实验室 黄 博,本课程主要讲述内容,机械制造装备及制造业动态 机械制造装备设计方法 金属切削机床设计 典型部件设计 工业机器人设计 机床夹具设计 物流系统设计 机械加工生产线总体设计,1. 机械制造装备及制造业动态装备,机械制造过程： 机械制造装备： 加工装备、工艺装备、仓储传送装备、辅助装备 加工装备（机床，制造机器的机器，工作母机） 金属切削机床（切除余量，达到尺寸、形状、精度、表面质量） 车、铣、刨、磨、钻、镗、拉、螺纹、齿轮等； 通用、专用、专门化；精密程度；自动化程度；数控等分类,设计方法回顾,机械

2、制造装备设计方法 功能要求分析 一般功能（精度、刚度、热稳定性、耐用度等）、精密、柔性、自动、绿色等 设计的类型 创新设计、变型设计、模块化设计 设计的方法 典型设计步骤 产品规划、方案设计、技术设计、工艺设计 系列化设计（促进“三化”，步骤为） 主参数和主要性能确定、参数分析、制定系列型谱 模块化设计 根据需求分析明确任务、建立功能结构与模块划分、确定系列型谱和参数、模块之间的组合、模块的计算机管理系统。 合理化工程 机械制造方法的评价 技术经济评价、可靠性评价、人机工程评价、 结构工艺性评价、产品造型评价、标准化评价,2. 机械制造装备设计方法功能要求,一般功能要求 加工精度（尺寸精度、表

3、面形状精度、位置精度、粗糙度等）；影响因素有：几何精度、传动精度、运动精度、定位精度、运动平稳性等。 强度、刚度及抗振性要求； 加工稳定性要求，（切削热、摩擦热、环境热）；减少发热量、散热和隔热，均热、热补偿、控制环境温度等。 耐用度要求（磨损导致间隙，精度丧失），设计、工艺、材料、热处理、使用等方面考虑减少磨损、均匀磨损、磨损补偿。 技术经济要求，成本分摊！ 柔性化 产品结构柔性化；（装备产品的系列化） 功能柔性化；（少量调整或修改软件，改变功能） 如：备用主轴、位置可调主轴、工夹量具成组化、工作程序软件化、数控化等。 精密化 微米级亚微米级纳米级；装备自身精度已无法凑效，需误差补偿； 热变

4、形、几何误差、传动误差、运动误差、定位误差和工艺性的弹性变形等建模。,2. 机械制造装备设计方法功能要求,自动化 凸轮控制、程序控制、数字控制、适应控制等。 机电一体化 充分考虑机械、液压、启动、电力电子、计算机软硬件特点，进行合理功能搭配，按系统工程和整体优化的方法，有机地组成最佳技术系统。 节材（加法设计） 符合工业工程的要求 开发阶段：充分考虑结构的工艺性，提高标准化、通用化程度，以便采用最佳工艺方案，选择合理制造设备，减少工时与材料消耗； 合理进行装备总体布局，优化操作步骤和方法（对作业程序进行分析，取消不必要操作，合并和简化重复和繁琐的工作，缩短操作路线和事件，合理分配两手负荷等），

5、减少操作过程中工人体力消耗； 对市场和消费者进行调研，保证产品合理的质量标准； 符合绿色工程要求（考虑全生命周期）,3.1 金属切削机床设计的基本理论,机床的运动学原理 机床有两个末端执行器 安装工件的执行器（如：铣床工作台、车床主轴的卡盘）； 安装刀具的执行器（如;铣床的主轴、车床的刀架） 工件的加工原理 通过刀具相对工件的运动来完成。 两个末端执行器之间严格的运动关系要靠内联传动系统或坐标轴联动实现 机床运动轴的数目、运动性质、各运动轴之间的关系、运动行程等。 工件表面的形成方法及机床运动 任何一个规则表面都可视为： 一条曲线（或直线）沿着另一条曲线（或直线）运动的轨迹（发生线） 母线与导

6、线（举例） 刀具切削刃可分为点切削刃、线切削刃、面切削刃,3.1 金属切削机床设计的基本理论,工件加工表面的发生线（刀具切削刃与工件接触并产生相对运动）有4种： 轨迹法 a是直线进给运动 e是轨迹法铣圆柱面 成形法（仿形法） b宽刃车刀 相切法(旋切法） d是相切法铣圆柱面 展成法（滚切法） c是展成法，道具和工件 间复合的相对运动n1和n2 加工表面的形成方法 母线形成方法与导线形成 方法的结合,发生线1 直母线,发生线2 圆导线,发生线1 渐开线母线,发生线2 直导线,3.1 金属切削机床设计的基本理论,机床的运动分类 运动性质分类 直线运动与回转运动 运动功能分类 成形运动 完成工件待加

7、工表面几何形状的生成和金属切除任务的运动 非成形运动 切入运动（刀具切入工件） 分度运动（工件与加工工具按给定的角度或长度间隔的相对运动） 辅助运动（刀具的接近、退刀、返回等） 调整运动（调整刀具与工件相对位置或方向） 控制运动（一些操纵运动） 运动关系分类 独立运动 复合运动（运动之间严格运动关系，如车螺纹时工件主轴的回转运动与刀具的纵向直线运动，通过内联传动系统或数控联动实现）,3.1 金属切削机床设计的基本理论,机床的成形运动 按照速度、动力消耗可分为： 主运动（速度高、动力消耗大） 进给运动（速度低、消耗动力小） 按照其完成的功能分： 主运动（完成金属的切除，也叫切削运动） 车削时工件

8、主轴回转运动；铣削时铣刀主轴回转运动； 磨削时砂轮主轴回转运动（工件回转不是）；滚齿时滚刀主轴回转运动 形状创成运动（实现表面几何形状的生成，即母线和导线的生成） 结合上一个图片讲解 点刃车削外圆，直母线需要f（进给）,圆导线要需要n(主运动）； 宽刃车削短外圆，直母线无需运动，圆导线需要回转n(主运动）； 纵向磨削外圆，直母线需要f（进给），圆导线需要n(主运动）； 相切法铣削，直母线1需要回转运动n（主运动），圆导线需要f1和f2(进给） 轨迹法长铣削，直母线需要回转n（主）和f(进给），圆导线需回转（成形） 滚齿时，渐开线母线需n1和n2展成,直导线需要直线运动f,3.1 金属切削机床设

9、计的基本理论,3.1 金属切削机床设计的基本理论,机床的运动原理图 将运动功能式用符合和图形表达出来。 比运动功能式更为直观，全面。包含： 机床的运动轴个数、形式及排列顺序； 两个末端执行器和各运动轴的空间相对方位。 典型运动原理图 车床：Cp主运动，ZfXf进给运动；具有C轴功能的车床，C可与Z或X复合成形，如车螺纹或非圆回转面； 铣床： Cp主运动， XfYfZf进给运动 刨床：往复直线运动Xp为主运动，直线运动Yf为进给；Za为切入运动。,3.1 金属切削机床设计的基本理论,典型运动原理图（续） 数控外圆磨床：Cp为主运动，Cf、Zf和Xf为进给运动；Ba为调整运动 Xf和Zf复合，可用

10、蝶形砂轮磨削长圆锥面或任意形状回转面； Cf与Zf复合可磨削螺旋面； 长轴纵向进给磨削时，Xf为Xa，是切入运动；（用进给运动符号表示) 摇臂钻床：Cp是主运动，Zf进给运动；XaZaCa都是调整运动 镗床：Cp是主运动，Zf1和Zf2分别是镗孔时工件与镗杆的进给运动； Yf是刀具径向进给，Ba是分度运动，Xa及Ya是调整运动（也可进给以铣削平面）,3.1 金属切削机床设计的基本理论,典型运动原理图（续） 滚齿机床：Cp是主运动，Cf和Zf是进给运动；两个C复合创成渐开线 Cf与Zf复合创成螺旋导线，可加工斜齿轮； Ba为调整运动，调整刀具的安装角，使刀具与工件齿向一致； 直线运动Ya径向切入

11、运动，径向进给法加工涡轮时，Ya为进给； 有的还有Za 滚刀的轴向蹿刀运动，（加工涡轮时，为径向进给运动） 插齿：Zp是主运动；Cf1与Cf2进给，复合创成渐开线；Ya切入运动,3.1 金属切削机床设计的基本理论,典型运动原理图（续） 直齿锥齿轮刨齿机 Zp刨刀主运动，Cf与Cf复合展成，Ca是分度运动，Za趋近退离； Ba调整，使刀具运动方向与工件齿根平行。 弧齿锥齿轮铣齿机 Cp铣刀回转主运动， Cf摇架的摆动； Cf工件回转 两个Cf复合展成； Ca是工件分度运动； Za趋近与退离； Ba是调整运动,关于运动的分配四种铣床,3.1 金属切削机床设计的基本理论,运动功能分配设计（进一步明确

12、运动功能） 基础支承件尚不明确，即“接地”不明确 接地用符号“.”表示，“.”左侧由工件完成；右侧刀具完成。 如W/Xf,Zf,Yf,Cp/T的运动分配有： W/Xf,Zf,Yf,Cp/T（龙门铣床、落地镗铣床） W/Xf Zf,Yf,Cp/T卧式立柱移动式铣床 W/Xf,Zf Yf,Cp/T（立式炮塔铣床） W/Xf,Zf,Yf Cp/T（立式升降台式铣床） 看刀具和工件的尺寸及质量谁大，谁承担的运动就相对少； 机床传动原理图（传动关系，将动力源与执行件，各执行件之间的运动及关系同时表达出来） 看书上的图即可； A表示直线运动；B表示回转运动；uv表示主传动比；uf表示进给传动比；ui表示内

13、联传动比。,3.1 金属切削机床设计基本理论精度,几何精度 空载条件下，不运动或运动速度较低时，机床主要独立部件的： 形状（直线度、平面度） 相互位置（平行度、垂直度、重合度、等距度、角度）； 旋转位移精确程度（径向圆跳动、周期性轴向窜动、端面圆跳动）等 是评价机床质量的基本指标，决定于结构设计、制造装配质量 如(EZZ/EXZ/EYZ) Z坐标运动部件在各方向位置偏差； (ECZ EBZ EAZ)Z坐标运动部件绕ZYX轴的角度偏差； 运动精度 机床空载并以工作速度运动时，执行部件的几何位置精度 传动精度 机床传动系统各末端执行件之间运动的协调性和均匀性。 传统机床受传统系统设计、传动元件的制

14、造装配精度影响； 数控机床受电动机、导轨等元件精度、驱动器及控制器影响,3.1 金属切削机床设计基本理论精度,定位精度 机床的定位部件到达规定位置的精度 受构件与控制系统精度、刚度、动态特性影响。 重复定位精度 机床运动部件在相同条件下，用相同的方法重复定位时，位置的一致程度。 还受到传动机构的反向间隙影响。 工作精度 加工规定的试件，用试件的加工精度表示机床的工作精度。 影响因素有：机床自身精度、刚度、热变形、刀具、夹具、工件的刚度及热变形等。 精度保持性 在规定的工作期间内，保持机床所要求的精度。 影响因素是：磨损。具体：结构设计、工艺、材料、热处理、润滑等,3.1 金属切削机床设计基本理

15、论刚度,刚度指机床受载时抵抗变型的能力，用： K=F/y表示，K为刚度（N/um);F为载荷；y为机床变形量（um） 载荷： 重力、夹紧力、切削力、传动力、摩擦力、冲击振动等。 静载荷（基本不随时间变化）静刚度（一般代表机床刚度） 动载荷（随时间变化）动刚度（抗振性） 机床由众多构件和柔性接合部组成 整机刚度的50%取决于接合部刚度； 整机阻尼的50%-80%来自接合部阻尼 设计要点 提高各部件刚度； 接合部刚度及各部件间刚度的匹配 各部件对整机刚度贡献不同，所以需要刚度的合理分配与优化。,3.1 金属切削机床设计基本理论振动,振动 抵抗受迫振动（来自内部或外部） 受迫振动频率与振源激振力的频

16、率相同，振幅还与机床刚度阻尼有关 机床是多自由度复杂振动系统，具有多个固有频率 某个固有频率下自由振动时，各点振幅的比值称为“主振型” 一阶主振型最低固有频率的主振型 机床的振动是各阶主振型的合成 一般只考虑几个低阶振型，如整机摇摆、一阶弯曲、扭转等。 自激振动 发生在刀具与工件间的一种相对振动，由切削过程与机床结构动态特性之间的相互作用产生，与机床系统的固有频率接近。一般认为加工过程中的扰动因素引起（机理不清晰），切削力越大，振动越剧烈 影响振动的主要因素 机床的刚度：构件的材料选择、截面形状、尺寸、肋板分布等； 机床的阻尼：提高阻尼可减少振动。提高接合部阻尼（其占70-90%) 机床系统固

17、有频率：远离激振频率（预测各阶固有频率及激振频率）,3.1 金属切削机床设计基本理论热噪稳,热变形 热变形引起误差最大可占全部误差70% 逐渐热平衡，较为稳定的温度场，需分析温度场 措施：减少发热，加快散热、热均衡、温度自动补偿及隔热等。 噪声 用分贝度量 机械噪声、液压噪声、电磁噪声、空气动力噪声 低速运动平稳性 低速爬行（主动件低速运动时，从动件时快时慢甚至停止） 原因：摩擦引起自激振动，摩擦系数变化及刚度不足 措施： 减少静、动摩擦系数差 提高机构刚度； 降低移动件的质量,3.2金属切削机床总体设计型谱,根据国家标准GB/T15375-94，按加工性质和所用刀具的不同，机床可分为12大类

18、： C A 6 1 40，C：类别代号（床类）A：结构性代号（A结构）6：组别代号（卧式车床组）1：系别代号（普通车床系）40：主参数代号（最大回转直径400mm） 型谱需要在国标主参数基本系列的基础上，进一步根据需求制定变型系列型谱,3.2金属切削机床总体设计功能设置,工艺分析 大批量与小批量加工的区别 大批量：机床专业化，工序流水化； 小批量，工序集中，机床功能要求多。 根据生产率、加工精度、机床制造成本、操作维护程度等决定机床工艺范围选择。 运动功能设置 分析式法：参考同类型机床运动功能，分析后提出方案，并仿真 解析式设计法：解析法求出所有可能方案，仿真评定 写出机床运动功能式、画出机床

19、运动原理图。,3.2金属切削机床总体设计总体结构方案设计,结构布局设计 结构布局：立式、卧式、斜置式； 基础支承件：底座式、立柱式、龙门式等 支承件结构：一体式、分离式等 评价依据：定性分析机床的刚度、占地面积、 与物流系统的可接近性等因素，得到图示五轴镗铣床结构布局形态图 机床总体结构的概略形状与尺寸设计（图2-10或3-10） 确定末端执行件的概略形状与尺寸； 设计末端执行器与下一功能部件的接合部(形状与概略尺寸） 根据导轨接合部确定下一功能部件的概略形状与尺寸； 重复上述过程，直到基础支承件（底座、立柱、床身）设计完毕 进行机床结构模块设计，进行模块提取与设置 造型与色彩设计 总体结构方

20、案的综合评价,3.2金属切削机床总体设计主要参数,3.2金属切削机床总体设计主要参数,主轴转速算例（参书，解释） 主轴转速的合理排列（分布减速比例） 有级的采用公比，n1=nmin;n2=n1* ;n3=n1* * 相对转速损失率：A=(n-nj)/n 最大的相对转速损失率：Amax=(nj+1-nj)/nj+1 公比分配是为了各级的最大相对转速损失率相同 也可采用两端公比大，中间公比小的混合公比转速数列 标准公比和标准数列 在1与2之间，转速数列呈10倍比关系，2倍比关系。 表2-4给出了1.06、1.12、1.26等负荷要求的标准公比； 表2-5给出了1.06为公比的标准数列(举例设计=1

21、.26的公比） 公比的选择依据 根据切削时间、辅助时间的比例进行选择 如通用机床，一般取1.26或1.41；大批量专用取1.12或1.26；非自动小型化机床，可取1.58、1.78甚至2，以简化机床结构。,3.2金属切削机床总体设计主要参数,变速范围Rn，公比和级数Z之间的关系 Rn=nmax/nmin(变速范围）= Z-1 进给量的确定（第二个方面） 进给量方式：无级变速（数控或普通）、有级变速。 有级变速的方式: 与转速序列一样的等级级数； 与螺纹导程一样的等差级数（如螺纹车、螺纹铣、刨床、插床） 变速形式与驱动方式选择（第三个方面） 零传动 直线电机与传统的“旋转伺服电机+滚珠丝杠”的驱

22、动方式的对比 直线电机：速度300米/分钟 加速度：10g 定位精度可达0.1m 价格及能耗高 滚珠丝杠：速度120米/分钟 加速度：1.5g 定位精度最高2-5m 价格及能耗近半,3.2金属切削机床总体设计主要参数,动力参数（机床驱动的各种电动机功率或转矩) 主电动机功率： P主=P切+P空+P辅 P切=Fz*v/60*1000 P空=Kd平均*（ni+Cn主）/955000( W = P*1000N*m = 2*n/60*M ) P辅= P切/机床- P切（一般=0.7-0.85（回转）；0.6-0.7（直线） P额=P主/K 进给驱动电动机功率 进给运动与主运动何用一个电动机，约占3%-

23、20%； 工作进给与快速进给合用一个电动机 进给运动单独电动机驱动P进=F*v进/60*1000* 进 快速运动电动机功率（克服惯量） P快=P惯+P摩；P惯=M惯*n/9550 ;M惯=J*/t,第3堂课完毕,3.3主传动系设计,主传动系构成 动力源、变速装置、执行件（主轴、刀架、工作台）、开停、转向及制动机构等组成。 主传动系分类 按主电动机类型 交流电动机 单速交流电动机 调速交流电动机（多速交流电动机、无级调速交流电动机） 直流电动机 传动装置类型 机械、液压、电气及组合等。 变速连续性 分级变速传动（滑移齿轮变速、交换齿轮变速和离合器变速） 无级变速传动（机械（传统）、液压（直线运动

24、）、电气（趋势）,3.3主传动系设计传动方式,集中传动方式 全部传动和变速机构集中在一个主轴箱内（紧凑但热、振动影响） 分离传动方式 主轴箱内仅有主轴组件和背轮机构,3.3主传动系设计传动系图与转速图,分级变速主传动系的设计步骤： 据运动参数，拟定结构式、转速图，合理分配各传动副传动比，确定齿轮齿数和带轮直径等，绘制主变速传动系图。,3.3主传动系设计结构式,结构式（详细阐述此图，预计半小时） 表征传动系的设计方案 Z=（Pa）Xa（Pb）Xb （Pc）Xc (Pi)Xi Pi表示传动副数； Xi表示各变速组的级比指数 即（相邻两传动线与 从动轴交点之间相距的格数） 如右图：12=31 23

25、26 基本组（末端输出连续等比指数） 必须有一个变速组的级比指数为1 扩大组 第一扩大组，第二扩大组,3.3主传动系设计变速范围及极限传动比,变速范围 Ri=（umax）i/（umin）I 基本组的变速范围（上图）： R0=ua1/ua3=1/-2 各扩大组的变速范围 Ri= Xi（Pi-1） 每一组的传动比中，可有升速，有降速 降速的最小传动比umin 1/4（避免从动齿轮过大） 升速的最大传动比umax 2(避免扩大传动误差，减少振动噪音） 所以每一组传动比的最大变速范围一般在8-10以内 进给传动链umax可在2.8以内；umin可小至1/5；总体在14以内为宜。 检查变速范围 一般检查

26、最后一级即可；最后扩大组的传动副一般取为2比较合适。 否则因为其级比指数大，传动副若过多，则容易超过变速范围,3.3主传动系设计主变速传动系原则,传动副前多后少的原则 前面高速；后面低速转矩大。12=3*2*2就比较好一点； 传动顺序与扩大顺序相一致的原则 12=31*23*26 12=32*21*26 12=34*21*22等六种方案 如图所示方案中，II轴的最低转速不一样，转速越低，齿轮越大。 变速组降速要前慢后快，中间轴转速不宜超过电动机转速 为使中间轴转速相对较高。U1minu2minu3min 原则灵活把握 如采用离合器 如双速电动机等,3.3主传动系设计主变速传动系原则,转速图中传

27、动比的分配 例子：设计一个12级的车床主传动系统，公比=1.41，主轴最高转速为1440r/min，电动机转速为1440r/min。电动机与主轴箱之间采用带传动，请设计： 因Rn=nmax/nmin= z-1, Z=12 采用结构式：12=3123 26 最低转速nmin=1440/1.4111 速比可按下式分配 各级齿轮速比为：（前慢后快） 一级齿轮降速比为1.412 二级齿轮降速比为1.412 一级齿轮降速比为1.413 一级齿轮降速比为1.414,3.3主传动系设计几种特殊设计,1）多速电动机传动 一般有双速或三速电动机 （750/1500 1500/3000 750/1500/3000

28、)变速范围2-4，级比为2； （1000/1500 750/1000/1500)变速范围为1.5-2，级比为1.33-1.5 当电动机变速范围为2时，变速传动系的公比应是2的整数次方根 如公比为1.26是3次方根，基本组传动副数应为3； 如公比为1.41是2次方根，基本组传动副数应为2. 如图，多刀版自动车床，电动机变速范围是2，转速级数8级，公比1.41 结构式为8=222124 中间为基本级,3.3主传动系设计几种特殊设计,2）具有交换齿轮的变速系 很少需要变速的场合。 交换齿轮、双联滑移齿轮 3）采用公用齿轮的变速系 既是主动，又是后一级的从动 减少齿轮数，简化结构，缩短轴向尺寸； 两个

29、变速组的模数必须相同； 弯曲应力对称循环，所以许用应力较低； 尽量选择较大的齿轮作为公用齿轮 下图画斜线的两个齿轮为公用齿轮。,3.3主传动系设计扩大传动系变速范围,（原因）主变速传动系的最后一个扩大组的变速范围是： Rj=xj（Pj - 1），其中 xj=P0P1P(j-1) 若总变速级数为Z，则 Z= P0P1P(j-1) Pj 通常来说，最后一级扩大组的变速级数Pj=2 所以，最后扩大组的变速范围是： Rj=Z/2 每一级的极限传动比R小于等于8=1.416=1.269 所以，如果=1.41，则总变数级数小于等于12 相应而言，最大可达变速范围Rn=1.4111=45 如果=1.26，则

30、总变数级数小于等于18 相应而言，最大可达变速范围Rn=1.2617=50 对通用性机床的变速范围要求在140-200（不满足）,3.3主传动系设计扩大传动系变速范围,方法1：增加变速组 如上页，原来的末级变速组已达极限变速范围； 如新增的变速组级比指数再扩大，则变速范围太大，无法实现。 24=312326212太大，所以最后一级需要委曲求全，级比指数仍取6 所以，传动系的变速级数为：3*2*（2*2-1）=18级（有一个重复的） 结构式可写为： 18=3123（2626-1） 见黑板画图 方法2：采用背轮机构（扩大传动比） 最大扩16倍，需要脱离哦 方法3：采用双公比传动系统（见图20） 中

31、段公比小，高低段用大公比 基本组的级比指数变为1+2n 方法4：采用分支传动（见图2-15） 增加并联机构，前4级18=2133（2626-1）。五轴-六轴26/58平移；三轴六轴增加一个升速传动副63/50,增加了6级高转速,3.3主传动系设计分支机构及典型,3.3主传动系设计齿轮齿数的确定,确定完传动比后，需进一步确定齿轮齿数 标准表格提供了“标准公比”整数次方对应的“齿数和”“小齿轮齿数” 齿数和的选取很关键： 齿数和与模数合并，决定了中心距； 中心距取决于传递扭矩的大小； 一个变速箱内齿轮模数最好一样，所以越后面变速组，中心距越大。 选择方式： 按传递扭矩要求初选中心距； 设定齿轮模数

32、，算出齿数和； 然后对表查询。 若采用“三联滑移齿轮”，则需要相邻齿轮的齿数差大于等于4. 要验算实际传动比与理论传动比之间误差。 也可选择齿数和不等，但差很小的变位齿轮方法。 如嫌60太小，72又太大；那么三联中的1、3传动副可选66；2传动副选67,3.3主传动系设计计算转速,机床的功率转矩特性（确定用来计算的扭矩与相应转速） 背吃刀量与进给量不变的情况下，切削速度对切削力影响较小 主运动是直线运动的主轴，主传动基本是恒转矩传动； 主运动是回转运动，主轴转矩与工件或铣刀直径成正比，而转速选择则与直径成反比，所以基本是恒功率传动。 计算转速 主轴或各传动件传递全部功率的最低转速 就是计算转速

33、 NmaxNj，T增加；P基本不变。 NjNmin，T不变，P降低。 III轴 185r/min II轴 315-90 315-345（传功） 齿轮的校核 小齿轮的计算转速,3.3主传动系设计变速箱内传动系布置,传动轴的空间布置 机床的总体布局对变速箱形状与尺寸的限制； 各轴受力情况及支撑情况； 装配调整与操作维修 铣床变速箱就是立式床身； 摇臂钻床变速箱在摇臂上移动，所以轴向短，横截面大； 卧式车床则位于床身上面，矩形空间 布置顺序： 先确定主轴位置； 与主轴之间啮合的轴的位置； 电动机轴或输入轴的位置,3.3主传动系设计变速箱内传动系布置,传动轴的轴向固定,小结金属切削机床总体及主运动设计

34、,系列型谱的制定 运动功能设置（写出运动功能式、画出机床运动原理图） 总体结构方案设计（确定参考型式，概略尺寸设计等） 主要运动参数（Nmax，Nmin，Rn，fmax，fmin，P主） 主传动系型式选择（分级、无级、电机类型等） 拟定转速图和结构式 变速范围、极限传动比、布置原则、特殊设计方法、扩大变速范围等 齿轮齿数的确定（齿数和、小齿数） 确定计算转速，明确校核扭矩等 变速箱内传动件的布置 画图,3.3主传动系设计无级变速,CVT(Continuous Variable Transmission),速比变换器的基本组成和原理 (a) 低速（传动比大） (b) 高速（传动比小） 1-主动链

35、轮装置 2-从动链轮装置 3-动力输出 4-动力输入 5-传动链条,在每组锥形轮中有一个锥形轮可以轴向移动 两组锥形轮必须保持协调相同的调整，以保证链条始终处于张紧状态。,3.3主传动系设计无级变速,3.3主传动系设计无级变速链轮及转动块,传动链的转动节采用双转动压块，在传动链转曲过程中， 转动压块之间形成滚动摩擦，动力损失和磨损降低至最小。 传动链的转动节采用不等长链节，可防止共振并降低转动噪音。,3.3主传动系设计无级变速行星齿轮系,3.3主传动系设计数控机床主传动系,要求 转速高、调速范围大、恒转矩调速范围1：1001:1000； 切削加工中可自动变速； 机床结构简单、噪音小、动态特性好

36、 其他问题 主传动采用直流电动机无级调速（早期用） 启动阶段恒转矩调速，调速范围可达30；额定转速最高转速段，恒功率调速，调速范围2-3，且电刷火花，不能很好满足要求。 主传动采用交流电动机无级调速（调频调速） 恒功率调速范围大，可达1:12 电动机与主轴功率特性的匹配设计 1）有级变速箱的公比等于电机的恒功率变速范围RdN，功率图连续 2）有级变速箱的公比大于电机的恒功率变速范围RdN，功率图缺失,3.3主传动系设计功率图缺失举例,主电机： 额定1500，最高4000，恒功率变速4/1.5=2.67 主轴恒功率变速范围：RnN=nmax/nj=4000/254=15.7 变速箱的公比=5.9

37、5，缺口处功率仅为2.67*18.5/5.95=8.3kw,3.3主传动系设计其他趋势,数控机床 主传动速度越来越高电主轴 机床部件标准化、模块化 多个主轴加工中心 并联机床 刚度好，解耦难（运动轨迹计算复杂）,3.3主传动系设计其他趋势-电主轴,用变频电机与机床主轴合二为一的结构形式,即变频电机的空心转子与机床主轴零件直接过盈套装在一起成为一体,带冷却套的定子装配在主轴单元的壳体内直接与机床连接,成为一种集成式电机主轴。 电机的转子 就是机床的主轴； 机床主轴单元的壳体 就是电机座,3.3主传动系设计-电主轴轴承技术,传统钢制球轴承 高速运转时将产生巨大的离心力和陀螺力矩，受到一定限制。 氮

38、化硅陶瓷轴承 转速高、温升低、等优良特性，显著提高电主轴转速、刚度和寿命。 磁浮轴承 是利用可控电磁力作用将转轴悬浮于空间，可达到极高的转速。机械磨损小、噪声小、寿命长、无需润滑、转速高、功率大等特点，但是其结构比较复杂、电磁污染、控制难度高。 气体静压轴承 摩擦系数和摩擦力矩很小，气体轴承可以在最清洁的状态下工作，具有冷态工作的特点，运动精度高。,3.4进给传动系设计,进给传动系实现机床的进给运动和辅助运动 组成 动力源、变速、换向、运动分配、过载保险、运动转换、执行件 动力源可单独（便于自动化、缩短传动链）、可共用（内联） 变速（进给量大小）（交换齿轮、滑移齿轮、齿轮离合、无级、伺服） 换

39、向：电动机换向（方便但不能频繁）、齿轮换向 运动分配：切换传动路线，主要是离合器 过载保险：牙嵌离合器、片式安全离合器、脱落蜗杆等 运动转换：（回转变直线），齿轮齿条、滚珠丝杠、螺母、蜗轮蜗杆 进给传动系应满足的基本要求 足够的静刚度和动刚度 快速响应特性，无低速爬行，平稳灵敏 抗振性好，无抖动和冲击噪声小 足够宽的调速范围 传动精度和定位精度高 结构简单、工艺性好,3.4进给传动系设计,机械进给传动系 恒转矩传动（不同进给量，切削力大致相同，进给力相同) 所以，设计规律与主传动系略有不同 1）扩大顺序与传动顺序不一致； 2）进给传动系的变速范围可接近14； 3）末端常采用降速很大机构，如：涡

40、轮我按、丝杠螺母、行星机构 一般有快速空程传动机构 如超越离合器、差动机构、电气伺服进给机构等。 微量进给机构 1um以上的，蜗杆传动、丝杠螺母、导轨滑块、齿轮齿条等； 1um以下的：弹性力传动、磁致伸缩、电致伸缩、热应力传动等 电气伺服进给系统 步进电机、直流伺服、交流伺服、直线伺服等 齿轮传动间隙消除（图2-45） 丝杠螺母机构（图2-46）,3.5CA6140车床的传动线路剖析,本节目的： 通过主运动与各进给运动的剖析，深入理解传动线路设计,3.5典型车床的运动系剖析主运动,正转： 高 速 段：2*3=6种转速 低 速：2*3*2*2=24种（重复） 实际低速：2*3*（2*2-1）=1

41、8种 总转速段：2*3*（1+（2*2-1）=24 反转： 3*（1+（2*2-1）=12级转速）,3.5典型车床的运动系剖析进给,进给运动链是使刀架实现纵向或横向进给运动的传动链。 进给运动传动链的两执行件为主轴和刀架。 运动由电动机经主运动-主轴-进给箱传至刀架，使得刀架带着车刀实现纵向进给、横向进给、车削螺纹。 从进给箱传出的运动分两条路线： 一条经丝杠传动，此为车螺纹的传动路线；车螺纹时，主轴和刀架之间有严格的运动关系，传动链属于内联系传动链； 一条经光杠传动，此为机动进给路线。车圆柱面和端面时，主轴和刀架之间无严格运动关系，属于外联系传动链。,车螺纹时，必须保证主轴每转一转，刀具准确

42、移动被加工螺纹一个导程（螺距）的距离。 螺纹进给传动链的运动平衡式：,u-从主轴到丝杠之间的总传动比； S-机床丝杠的导程，CA6140型车床的S=12mm； P-被加工螺纹的导程（mm）。 1主轴表示主轴转一圈,3.5典型车床的运动系剖析车螺纹,CA6140的螺纹进给传动链任务： 保证机床可车削公制、英制、模数和径节制四种标准螺纹； 还可以车削大导程（螺距）； 非标准； 较精密的螺纹。 这些螺纹可以是右旋的，也可以是左旋的。,3.5典型车床的运动系剖析进给,3.5典型车床的运动系剖析米制螺纹,3.5典型车床的运动系剖析米制螺纹,XIII,XIV,XIV25/36 X 36/25XV,28/3

43、5 18/45,35/28 15/48,XVI,XVII,XVIIM5XVIII丝杠刀架,U倍,3.5典型车床的运动系剖析米制螺纹,U基,U倍,3.5典型车床的运动系剖析扩大导程,表可以看出，此传动路线能加工的最大螺纹导程是12mm，如果需要车削导程大于12mm的米制螺纹，应采用扩大导程传动路线。,,英制螺纹也广泛使用，我国一些管螺纹也采用英制螺纹。英制螺纹以每英寸长度上的螺纹扣（牙）数 a 表示（扣/英寸）,为了加工出英制螺纹，就必须使机床丝杠满足上述公式，因此需要改变部分传动副的传动比，使其含有因子25.4。,车削英制螺纹,3.5典型车床的运动系剖析英制螺纹,更换挂架,3.5典型车床的剖析

44、模数制螺纹,模数制螺纹主要用于米制蜗杆中。模数制螺纹螺距： 模数制螺纹的导程为： 国家标准中已规定了模数m的标准值，CA6140可加工m=0.5-48mm的各种常用模数制螺纹。,3.5典型车床的剖析径节制螺纹,径节螺纹主要用于同英制蜗轮相配合，用DP表示，其定义为：对于英制蜗轮，将其总齿数折算到每一英寸分度圆直径上所得的齿数值，称为径节。 涡轮齿距为： 只有英制蜗杆的轴向齿距与蜗轮的齿距相等才能正确啮合。故径节制螺纹的导程为：,3.5典型车床的剖析非标准螺纹,在加工非标准螺纹和精密螺纹时，M3、M4、M5全部啮合，运动由主轴经挂轮通过XII轴、XIV轴、XVII轴直接传给丝杠。被加工螺纹的导程

45、通过调整挂轮的传动比来实现。这时，传动路线缩短，传动误差减小，螺纹精度可以得到较大提高。运动平衡式： L=1（主轴）*58/58*33/33* u挂（挂轮组件传动比）*12,3.5典型车床的剖析机动进给,机动进给时： 从主轴VI至进给箱XVII的传动路线与车削螺纹时传动路线相同； 轴XVII上滑移齿轮Z28左位，脱开M5，切断进给箱与丝杠的联系； 运动由齿轮副28/56及联轴节传至光杠XIX，再由光杠通过溜板箱中的传动机构，分别传至齿轮齿条机构或横向进给丝杠XXVII，使刀架作纵向或横向机动进给。,3.5典型车床的剖析机动进给,3.5典型车床的剖析快速进给,刀架快速运动传动链 由于快速移动与机动进给是同时接通的，为了避免两者同时驱动同一轴，造成传动元件破坏，设有单向超越离合器，从而切断了由进给链传来的运动。因此，刀架快速移动时，无须停止光杠的运动。 超越离合器主要用在有快慢速两个动源交替传动的轴上，以实现运动的自动转换。超越离合器的结构型式有单向的超越离合器、带拨爪的单向超越离合器和双向超越离合器等。（如自行车）,