金属切削机床设计

第二章 金属切削机床设计 第一节 概 述 一 、 机床设计的基本要求 1 工艺范围 机床工艺范围是指机床适应不同生产要求的能力。 大批量生产模式，工序分散，但要求加工效率高，自动 化程度高，应采用专用机床。 单件小批量生产模式，要求机床具有较宽的加工范围， 对加工效率和自动化程度的要求相对低一些，应采用普通机床 或通用机床。 多品种小批量生产模式，要求机床能适应多品种工件的 加工，具有一定的工艺范围，较高的加工效率和自动化程度， 应采用专门化机床。 一、机床设计的基本要求 2柔性 机床的柔性是指其适应加工对象变化的能力。机床的柔 性包括空间上的柔性和时间上的柔性。 3与物流系统的可接近性 可接近性是指机床与物流系统之间进行物料 (工件、刀具、 切屑等 )流动的方便程度。 对于普通机床，是由人工进行物料流动的，要求机床的 使用、操作、清理和维护方便和安全。 对于自动化制造系统，是采用工件传送带、自动换刀系 统和自动排屑系统等装置自动进行物料流动的，要求机床的 结构便于物料的自动流动，可靠性好。 一、机床设计的基本要求 4刚度 机床的刚度是指加工过程中，在切削力的作用下，抵 抗刀具相对于工件在影响加工精度方向变形的能力。刚度 包括静态刚度、动态刚度、热态刚度。 机床的刚度直接影响机床的加工精度和生产率，因此 机床应有足够的刚度。 5精度 要保证能加工出一定精度的工件，作为工作母机的机 床必须具有更高的精度要求。机床精度分为机床本身的精 度，即空载条件下的精度 (包括几何精度、运动精度、传动 精度、定位精度等 )和工作精度 (加工精度 )。 一、机床设计的基本要求 6生产率 机床的生产率通常是指单位时间内机床所能加工的工件 数量。机床的切削效率越高，辅助时间越短，则它的生产率 越高。 7自动化 机床的自动化程度越高，加工精度的稳定性越好，还可 以有效地降低工人的劳动强度，便于一个工人看管多台机床， 大大地提高劳动生产率。 8成本 成 本是衡量产品市场竞争力的重要指标，应尽可能在保 证机床性能要求的前提下，提高其性能价格比。 一、机床设计的基本要求 9生产周期 生产周期 (包括产品开发和制造周期 )是衡量产品市场竞 争力的重要指标，为了快速响应市场需求变化，应尽可能缩 短机床的生产周期。 10可靠性 应保证机床在规定的使用条件下、在规定的时间内，完 成规定的加工功能时，无故障运行的概率要高。 11造型与色彩 机床的外观造型与色彩，要求简洁明快、美观大方、宜 人性好。应根据机床功能、结构、工艺及操作控制等特点， 按照人机工程学的要求进行设计。 二、机床的设计步骤 按新的原理进行加工的 机床应按 创新设计 的步骤进行； 成系列的机床产品应按 系列化设计 的步骤进行； 通用化程度较高的机床 产品，应按 模块化设计 的步骤 进行。 机床技术设计阶段的主 要内容，如图 3-1所示。 第二节 金属切削机床设计的基本理论 一、机床的运动学原理 不同的机床因其加工功能（能够采用的加工方法、 工件的类型、加工表面形状等）的不同，实现加工功能所 需要的运动也不同。 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。 即配置什么样的运动功能，才 能实现机床所需要的加工功能。 一、机床的运动学原理 (一 ) 机床的工作原理 机床的基本工作原理是 ： 通过刀具与工件之间的相对 运动，由刀具切除工件上多余的金属材料，使工件具有要 求的尺寸和精度的几何形状。 工件的加工表面是通过机床上刀具与工件的相对运动 而形成的，因此 要分析机床的运动功能，需要先了解工件 表面的形成方法。 （二） 工件表面形成及形成方法 1. 机械零件表面的基本形状 2. 工件表面的形成 母线和导线统称为发生线 ， 任何表面都可以看作是母线 沿着导线轨迹运动而形成的 。 （ 图 3-2） 2. 工件表面的形成 有些表面的两条发生线完全相同，只因母线的原 始位置不同也可形成不同表面。 (1) 轨迹法 ： 轨迹法形成发生线需要一个独立的成形运动 。 (2) 成形法 ：不需要专门的成形运动 。 (3) 相切法 ：相切法形成发生线需要两个独立的成形运动 。 (4) 展成法 ：用展成法形成发生线需要刀具和工件之间保持 严格的传动比关系 ， 即由 (B21+B22)组合成的展成运动是复合运 动 。 3. 发生线的形成 发生线的形成图示 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 1 f n n 1 . . f n1 n2 1 a) c) b) f n1 n2 f d) e) (三 ) 运动分类 1按运动的功能分类 为了完成工件表面的加工，机床上需要设置各种运动， 可以分为成形运动和非成形运动。 (1) 成形运动 完成一个表面的加工所必须的最基本的运动，称为表面 成形运动，简称成形运动。根据运动在表面形成中所完成的 功能，成形运动又分为主运动和形状创成运动。 1) 主运动 。它是切除加工表面上多余的金属材料的主 要运动，因此运动速度高，消耗机床的大部分动力，故称为 主运动，也可称为切削运动。它是形成加工表面必不可少的 成形运动。 2) 形状创成运动 形状创成 运动的功能是 用来形成工件 加工表面的发 生线。同样的 加工表面，采 用的刀具不同， 发生线的形成 方法不同，所 需的形状创成 运动的数目也 不同。 (2) 非成形运动 除了上述成形运动之外，机床上还需设置一些其它运动， 称之为非成形运动。如： 切入运动 (刀具切入工件的运动 )； 分度运动 (当工件加工表面由多个表面组成时，由一个表 面过渡到另一个表面所需的运动 )； 辅助运动 (如刀具的接近、退出、返回等 )；控制运动 (如 一些操纵运动 )。 2按运动之间的关系分类 可分为： 简单运动 ： 如果一个独立的成形运动 ， 是由单独的旋转或直 线运动构成的 ， 称为简单运动；如图中 Bl、 A2 复合运动 ：如果一个独立的成形运动 ， 是由两个或两个以上 的旋转运动或直线运动 ， 按照某种确定的运动关系组合 而成 ， 称为复合运动 。 如图中 (B21+B22)、 (B11+A12)、 (B21+A22) 二、精 度 机床的精度会直接影响到被加工工件的尺寸精度、 形位误差和表面粗糙度。 机床精度包括 几何精度、传动精度、运动精度、定 位和重复定位精度、工作精度和精度保持性等 。 各类机床按精度可分为普通精度级、精密级和超精 密级。在设计阶段主要从机床的精度分配、元件及材料 选择等方面来提高机床精度。 三、刚 度 机床刚度指机床受载时抵抗变形的能力 。 机床整机刚度不能用某零部件的刚度评价，而是指整台 机床在静载荷作用下，各构件及结合面抵抗变形的综合能力。 显然，刀具和工件间的相对位移影响加工精度，同时静刚度 对机床抗振性、生产率等均有影响。因此，在机床设计中对 如何提高其刚度是十分重视的。 在设计中既要考虑提高各部件刚度，同时也要考虑结合 部刚度及各部件间的刚度匹配。 四、振 动 机床抗振能力是指机床在交变载荷作用下，抵抗变形的 能力。 它包括： 抵抗受追振动的能力 和 抵抗自激振动的能力 。 前者习惯上称之为抗振性，后者常称为切削稳定性。 影响机床振动的主要原因有： 1)机床的刚度 。如构件的材料选择、截面形状、尺寸、 肋板分布，接触表面的预紧力、表面粗糙度、加工方法、几 何尺寸等。 2)机床的阻尼特性 。提高阻尼是减少振动的有效方法。 3)机床系统固有频率 。若激振频率远离固有频率，将不 出现共振。在设计阶段通过分析计算预测所设计机床的各阶 固有频率是很必要的。 五、低速运动平稳性 当运动部件低速运动时，主动件匀速运动，从动件往往 出现明显的速度不均匀的跳跃式运动，即时走时停或者时快 时慢的现象。这种在低速运动时产生的运动不平稳性称为 爬 行 。 机床运动部件产生爬行， 会影响机床的定位精度、工件 的加工精度和表面粗糙度。在 精密、自动化及大型机床上， 爬行的危害更大，是评价机床 质量的一个重要指标。 第二节 金属切削机床总体设计 一、机床系列型谱的制定 二、机床的运动功能设计 三、机床总体结构方案设计 四、机床主要参数的设计 中型卧式机床的简略系列型谱表 型式 最大 工件直径 /mm 万 能 式 马 鞍 式 提 高 精 度 无 丝 杠 式 卡 盘 式 球 面 加 工 端 面 车 床 250 320 400 500 630 800 1000 注： 基型， 变型 一、 机床系列型谱的制定 二、 机床运动功能设计 （ 1）选取坐标系 （ 2）写出机床运动功能式 （ 3）画出机床运动原理图 (例：滚齿机） （ 4）绘制机床传动原理图 运动原理图形符号 a) 回转运动 b) 直线运动 Zf Ba Ya Cp Cf W/Cf Ya Zf Ba Cp/T 机床运动 原理 图 机床运动 原理 图 掌握了机床运动原理 图的原理和方法，可以对 任何复杂原理的机床进行 运动功能分析，它是一种 运动功能设计的有用工具。 机床传动原理图 机床的运动原理图只表示运动的个数、形式、功能及排 列顺序，不表示运动之间的传动关系。若将动力源与执行件、 各执行件之间的运动及传动关系同时表示出来，就是传动原 理图。图 26给出了传动原理图的所用的主要图形符号及传 动原理图例子。 1、运动功能分配设计 2、结构布局设计： 立式、卧式、斜置式 3、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。 设计过程 ： P73(P78) 1）确定末端执行件的概略形状与尺寸； 2）确定与末端执行件相结合的下一个功能部件结合部分的 概略形状与尺寸 3）确定下一个功能部件的概略形状与尺寸 机床总体方案的综合评价 评价的主要因素有： P73(P78 79) 三、 机床总体结构方案设计 机床的主要技术性能参数包括： 尺寸参数 、 运动参数 、 动力参数 。 （ 一 ） 尺寸参数 机床的 尺寸参数 包括： 决定机床规格或加工范围的 主参数 ， 以及确定 机床主要结构尺寸的参数 。 四、主要参数的确定 （二） 运动参数 1 主运动参数 切削速度 专用机床的切削速度：根据加工工件的某一特定工序设 计 ， 只须一种最佳的切削速度； 通用机床的切削速度： 考虑机床的工艺内容和范围 ， 为一个切削速度系列 。 对主运动是回转运动的机床 ， 主运动参数 是 主轴的转速： n = 1000 v / d (r/min) 对主运动是直线运动的机床 ， 主运动参数 是刀具或工件 每分钟直线 往复运动的次数 。 主运动速度可采用 无级变速 或 有级变速 两种方式 。 （ 1） 最低转速 (nmin) 、 最高转速 (nmax) nmin=1000 vmin / dmax nmax=1000 vmax / dmin nmax 和 nmin的比值是变速范围 Rn = nmax / nmin （二） 运动参数 （二） 运动参数 （ 2） 分级变速时的主轴转速数列 、 变速范围 主轴的转速数列一般按等比数列排列 。 这样可以使 最大相对转速损失 Amax为一常数 。 什么是 最大相对转速损失 Amax： ？ 如某机床的分级变速系统共有 Z级： n1， n2， n3， nj， nj+1， nz 加工工件所需的最有利转速为 n， 而 n 处在 nj 与 nj+1 之 间 ， 相对转速损失： A =（ n- n j） / n 最大相对转速损失 Amax = （ n- n j） / n =（ nj+1-nj） / nj+1 = 1 -（ nj / nj+1 ） = 1- 1/ 级比 = nj +1 / nj lim 1jnn 机床转速按等比数列排列 ， 其公比为 ， 各级转速为： n1 = nmim； n2 = n1 ； n3 = n2 = n1 2 nZ = nz-1 = nz-2 2= n1 Z-1=nmax 变速范围： Rn = nmax /nmim = n1 Z-1/ n1= Z-1 （二） 运动参数 例：有一台钻床 ， 主轴转速为： 20， 28， 40， 56， 80， 112， 160， 224， 315， 450， 630， 900， 共 12级 ， 等比数列 ， 公比 =1.41， 最 大 相 对 转 速 损 失 Amax= （ -1 ） / = （ 1.41-1 ） /1.41 29% 若按等差数列排列，取 公差为 20， 主轴转速为： 20， 40， 60， 80， 100， 120， 140， 160， 180， 200， 220， 240， 260， 280， 300， 320， ， 900，共 45级， 最大相对转速损失 Amax： Amax1=（ 40-20） /40 = 0.5 Amax2=（ 900-880） /900 = 0.0222 等比数列同样适用于 直线往复运动的往复次数数列 、 进 给数列以及尺寸和功率参数系列 。 机床的进给运动参数是以进给量来表示 ， 进给量的变换 可采用无级变速或有级变速两种方式 。 当进给量的变化要影响生产率时 ， 进给量的数列也要按 等比数列 。 对于各种加工螺纹和机床和利用棘轮机构实现进给的机 床 ， 进给量的数列为等差数列 。 对于用交换齿轮调整进给量的自动和半自动机床 ， 进给 量没有一定的规则 。 2 进给运动参数 3 标准公比和标准数列 (表 3-5)标准公比值： 1.06; 1.12; 1.26; 1.41; 1.58; 1.78; 2。 标准公比值能满足以下要求： 1） 标准公比 ： 1 2； 2） 为 1.06的整数次方； 3） 为 2的整数次方根； 4） 为 10的整数次方根 。 确定公比 的值要考虑相对转速损失和机床结构两个方面 的因素 。 公比 与级数 Z有以下关系： 由 Rn = nmax / nmin = Z-1 得： Z = ( lgRn / lg )+1 公比的选用 :当变速范围一定时 ， 愈小 ， 级数 Z便愈多 ， 使用方便 ， 但使机床的结构复杂 。 愈大 ， 级数 Z便愈少 ， 机床的结构简单 ， 相对转速损失 大 。 4 公比的选用 （三） 动力参数 动力参数包括： 1） 电机功率； 2） 液压缸的牵引力 ， 3） 液压马达 、 伺服电机 、 步进电机的额定扭矩 。 各传动件的参数都是根据动力参数设计计算的 。 1 主运动功率的确定 机床主运动功率 P主 =P切 + P附 + P空 = P切 / 机 + P空 P空 = k1 (d平 n + k2 d主 n主 ) 10-6 P切 = T切 * n / 9550 (T切 = 9550 P切 /n ) 电动机的额定功率 : P额定 = P主 /K (kw) 2 进给运动功率的确定 1） 进给运动与主运动共用一个电机 ， 其功率可忽略； P进 = (0.03 0.05)P主 2） 进给运动与空行程 （ 快速运动 ） 共用一个电机时 ， 也不必 单独考虑进给功率； 3） 进给运动采用单独电机或采用液压传动时 ， 需要确定进给 运动的功率 。 普通电机： 进给功率 P进 = FV进 /60000 数控机床上的伺服电机按转矩选择： T进电 = 9550 P进 /n进电 3. 空行程功率的确定 P空 = P惯 + P摩 快速 （ 空 ） 行程电机往往是满载起动的 ， 移动件较重 ， 加速 度较大 ， 计算时必须考虑惯性力 。 克服惯性力需要的功率为： P惯 = Te* n / 9550k1 克服质量和摩擦力需要的功率为： 升降运动： P摩 = （ mg + fF ） v / 60000 水平运动： P摩 = fmgv / 60000 2 1 2 1 e )()( 30 j j j i i ie a e a e v mJJ t n J t JT 一 、 传动系统的作用 1 把一定的功率或力矩从动力机传递给执行件； 2 保证运动的执行件具有要求的运动速度和一定的变 速范围； 3 根据需要 ， 能够方便地进行运动的启动 、 停止 、 换 向和制动 。 第四节 机床的主传动设计 二、传动系统的分类和传动方式 分类： 1、 按驱动方式可分为： 交流电动机驱动和直流 电动机驱动 。 2、 按传动装置类型可分为： 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、 按变速的连续性可分为 ：分级变速传动和无 级变速传动 。 二、传动系统的分类和传动方式 传动方式： 1.集中传动方式 全部传动和变速机 构集中装在一个主轴 箱中 二、传动系统的分类和传动方式 2分离传动方式 主传动系中的大部 分的传动和变速机构装 在远离主轴的单独变速 箱中，然后通过带传动 将运动传到主轴箱的传 动方式， 三、传动系统的组成 1定比传动装置 丝杠车床传动系统 2变速装置 常用的变速装置有以下几种： 1）变换齿轮变速机构 丝杠车床传动系统 2）滑移齿轮变速机构 (CA6140) 3）离合器变速机构 (CA6140) 3起停和换向装置 起停和换向装置的典型结构： (CA6140) 1） 齿轮 摩擦离合器换向机构 2） 齿轮换向机构 三、传动系统的组成 摩擦离合器 齿轮换向机构 4 制动装置 制动器的设计与安装应考虑如下问题： 1） 制动器与离合器必需互锁； 2） 合理确定制动器的安装位置； 若要求制动扭矩较小 ， 则制动器安装在转速较高 的轴上 。 若要求制动时间短 ， 制动灵活 ， 则制动器可直接 安装在主轴或其他执行机构上 。 通常 ， 制动器安装在转速较高 、 变速范围较小的轴上 。 闸带式制动器的操纵力应作用在制动带的松边 。 制动器 . 三、传动系统的组成 三、传动系统的组成 5安全保护装置 如果传动链中有带、摩擦离合器等摩擦副，则具有过载 保护作用，否则应在传动链中设置安全离合器或安全销等过 载保护装置。 安全保护装置宜放在靠近执行机构且转速较高的传动构 件上。 常用的安全保护装置有以下几种： 1）销钉安全联轴器 （ 见图 ） 2）钢珠安全离合器 （ 见图 ） 3）摩擦安全离合器（ 见图 ） 丝杠车床 返回 返回 制动器 返回 销钉安全联轴器 返回 摩擦安全离合器 返回 钢珠安全离合器 返回 四、 分级变速主传动系统设计 （一）变级变速机构 的转速图 转速图中： 1）垂直线代表传动轴线； 2）水平线代表各级转速； 3）各轴之间连线的倾斜方 式代表传动副的传动比；前一 轴上同一点向后一轴联出的联 线的条数代表两轴间的传动副 数； 4）沿运动传递方向，穿过 各相连线的途径是传动路线； 返回 （ 1） 变速规律 主轴为了得到连续的等比数列 ， 需要的传动组数和每个传动组 中的传动副数为： Z = Pa * Pb * Pc * Pw （ 2） 转速图原理 从转速图中可以看出 ， 各变速组中传动比的关系为： a组： （ 基本组 ） 级比 X j 级比指数 Xj ua1: ua2: ua3:=1/2 : 1/: 1 = 1 : : 2 1 1 b组： （ 第一扩大组 ） ub1 : ub2 = 1/3 : 1 = 1:3 3 3 = Pa c组： （ 第二扩大组 ） uc1: uc2 = 1/4 : 2 = 1:6 6 6= Pa* Pb 第 W变速组： （ 第 W-1扩大组 ） Pa * Pb * Pc * Pw-1 （一） 变级变速机构的转速图 r= umax / umin 基本组的变速范围： r0 = ua3 / ua1 = 2 = X0（ P0-1） 第一扩大组的变速范围： r1 = ub2 / ub1 =3 =X1 （ P1-1） 第二扩大组的变速范围： r2 = uc2 / uc1 =6 =X2 （ P2-1） 第 j扩大组的变速范围： rj =Xj（ Pj-1） 主轴的变速范围： Rn = nmax / nmin = r0 r1 r2 rw-1 在设计传动系统时 ， 遵循上述规律 ， 传动系统 可得到转速数列是连续的等比数列 ， 即正常的 传动系统 。 （ 3）各变速组的变速范围 (图 3-13) （ 4）结构式和结构网 结构式： 为了便于分析和比较不同传动设计方案 ， 常使用结构式 形式 。 如： 12 = 31 23 26 结构网： 只表示传动比的相对关系，而不表示具体转速值的线图 称为结构网。 （ 结构网 ) （ 3）各变速组的变速范围 返回 结构式和结构网 返回 结构式和结 构网 a)12=31 23 26 b)12=31 26 23 c)12=32 21 26 d)12=34 21 22 e)12=32 26 21 f)12=34 22 21 返回 （ 1） 变速组及其传动副数的确定 为使传动系统中齿轮总处数为最少 ， 每个变速组的传动副 数最好取 P=2或 3。 （ 12=3 2 2） （ 2） 确定传动顺序 一般应遵循 “ 前多后少 ” 的原则 。 （ 3） 确定变速顺序 一般应采用基本组在前 ， 扩大组在后 的方案 ， 即 “ 前密后疏 ” 的原则 。 （ 12=31 23 26） （ 4） 确定各变速组的传动比 1） 各传动副的传动比不应超出极限传动比 ， umin 1/4 umax2； 若用斜齿轮传动 umax2.5 进给传动系统： umin 1/5 umax2.8； 2） 尽量提高中间轴的最低转速 ， 遵循 “ 前缓后急 ” 的 原则 。 （二）转速图的拟定 前多后少 前密后疏 返回 前缓后急 返回 Ua2 Ub2 Ua1 Uc2 Ud2 Ub1 Uc1 Ud1 1600 1250 1000 800 630 500 400 315 250 200 160 125 100 80 63 50 40 31.5 25 例： 某机床公比 =1.26，主轴转速级 数 Z=16， n1=25r min， 试拟定出结构式， 画出结构网； 若电动机功率 P=4kW，额定转速 nm=1440r min，确 定齿轮齿数，画出转 速图。 （ 5）齿轮齿数的确定 A)齿轮齿数的确定的原则 在确定齿数时应注意： 1） 实际转速 n与标准转速 n的相对转速误差 : n=(n n) / n 。 fdNR dNR 3、若需要在运转中变速，功率特性图上需要恒功率线有 小段重合，变速箱 公比 可取 小于 电动机的 恒功率调速范 围 ，即 ，则变速级数会多些。 f dNR dNR f （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。 数控车床的主轴转速目前到 5000 7000r/min。 数控高速磨削的砂轮线速度到 100200m/s。 要求主轴系统的结构必须简化，减小惯性，主轴旋转精 度要高，动态响应要好，振动和噪声要小。 高速和超高速数控机床主传动，一般采用两种设计方式： 一种是采用联轴器将机床主轴和电动机轴串接成一体， 将中间传动环节减少到仅剩联轴器； 另一种是将电动机与主轴合为一体，制成内装式电主轴， 实现无任何中间环节的直接驱动，并通过冷却液循环冷却方 式减少发热， 电主轴 电主轴的电动机转子与主轴为一体，置于前后轴承之间， 电动机定子则在套筒内，一般前支承采用二个径向推力轴承。 由于转动的零件少，主轴直接支承在前后轴承之间，所以可实 现高速运转。 电主轴的无级变速方式，厂家提供变频和矢量控制两种 选择。 （四）数控机床采用部件标准化、模块化结构设计 整机数控车床的模块化设计是在几个基础模块部件（床身、底座 等）基础上，按加工要求灵活配置若干功能部件（如主轴、刀架、尾 座等）和附加模块化装置（各式机械手、检测装置等）， （五）并联机床原理 前面讨论的机床形状创成运动， 工件和刀具的各个运动 是串联关系。 近年来 并联运动原理 在机床中得到了应用。 并联运动比串联运动具有如下优点： 精度高 (各分支的运动误差不叠加 )、 刚度高 (杆的受力状态好 )、 运动部件质量小、速度高 等， 这些优点对于机床来说是非常重要的。 并联运动机构 一、机械进给传动系统的特点 1)恒转矩传动。 当进给量较大时，一般采用较小的背吃刀量；当进给量 较小时，多采用较大的背吃刀量；在各种不同进给量的情况 下，其切削分力大致相同，即都有可能达到最大进给力， 因此，在各种进给速度下，传动系统最后输出轴的转矩 可近似地认为相等。 传动件的计算转速（速度）是该传动件可能出现的 最大 转速 （速度）。 进给传动的转速图为前疏后密的结构。这样可以使进给 系统内更多的传动件至末端输出轴的传动比较小，承受的转 矩也较小 第五节 进给传动系统设计 一、机械进给传动系统的特点 2)进给运动速度低、受力小、消耗功率少。 3)进给运动数目多 。 不同的机床对进给运动的种类和数量要求也不相同。 立式钻床只有一个进给运动， 卧式镗床则有五个进给运动； 普通车床中，车螺纹传动是内联系传动链，而纵车外圆 则是外联系传动链。 4)进给传动系统 （特别是数控机床）中应 采用各种消除间 隙措施 ，以提高传动精度。 5)进给传动系统中常应用快速进给机构 ，以实现执行件在 空行程内的快速移动。 进给传动系统应满足以下要求： 1) 有较高的静刚度。 2) 具有良好的快速响应性； 抗振性能好；噪声低；有良 好的防爬行性能；切削稳定性好。 3) 有较高的传动精度和定位精度。 4) 能满足工艺需求，有足够的变速范围。 5) 结构简单，制造工艺性好， 调整维修方便，操纵轻便 灵活。 6) 制造成本低，有较好的经济性。 二、进给传动的基本要求 没有特殊需要，尽量采用等比数列； 对于等差数列进给传动，设计时以满足工艺需求为目的； 随机数列进给传动系统，如车床的非标准螺纹进给传动 链等，采用交换齿轮机构。 等比进给传动应遵循以下原则： 1进给传动系统的极限传动比、极限变速范围 极限传动比为 imin1/5 ， imax2.8 ， 极限总变速范围为 R=2.8 5=14。 2进给传动扩大顺序的原则、最小传动比原则 转矩与传动比成反比，降速传动，传动比小于 1，输出 转矩增加。 三、分级进给传动设计的原则 等比进给传动应遵循以下原则： 由于进给系统是恒 转矩变速，末端旋转传 动件的转矩一定，一般 情况下扩大顺序应采用 前疏后密的原则 ；（为 什么？） 根据误差传递规律， 最小传动比应采用 前缓 后急的原则 ，以提高进 给传动系统的传动精度。 四、 电气伺服进给系统 (一 )电气伺服进给系统的分类 电气伺服系统是数控装置和机床之间的联系环节，电气 伺服进给系统按有无检测和反馈装置分为开环、闭环和半闭 环系统。 (二 )电气伺服进给系统驱动部件 电气伺服进给系统由伺服驱动部件和机械传动部件组 成。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，机械传动部件如齿轮、滚珠丝杠螺母等。 (二 ) 电气伺服进给系统驱动部件 1对进给驱动部件的基本要求 1)调速范围要宽，低速运行平稳，无爬行。 2)快速响应性好，电动机具有较小的转动惯量。 3)抗负载振动能力强，切削中受负载冲击时，系统的速 度仍基本不变。 4)可承受频繁起动、制动和反转。 5)振动和噪声小，可靠性高，寿命长。 6) 调整、维修方便。 2进给驱动部件的类型和特点 进给驱动部件种类很多，用于机床上的有步进电动机、 小惯量直流电动机、大惯量直流电动机、交流调速电动机和 直线电动机等。 (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要求 1) 机械传动部件要采用低摩擦传动 如：导轨可以采用 静压导轨、滚动导轨；丝杠传动可采用滚珠丝杠螺母传动； 2) 伺服系统和机械传动系匹配要合适。如果惯性矩和齿 轮等匹配不当，就达不到快速反应的性能。 3) 选择最佳降速比来降低惯量，最好采用直接传动方式。 4) 采用预紧办法来提高整个系统的刚度。 5) 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。 为保证伺服系统的工作稳定性和定位精度，要求机械传 动部件无间隙、低摩擦、低惯量、高刚度、高谐振和适宜阻 尼比。 2机械传动部件设计 机械传动部件主要指齿轮或同步齿形带和丝杠螺母传动副。 电气伺服进给系统中，运动部件的移动是靠脉冲信号来控制， 要求运动部件动作灵敏、低惯量、定位精度好、适宜的阻尼比 及传动机构不能有反向间隙。 (1) 最佳降速比的确定 传动副的最佳降速比应按最大加 速能力和最小惯量的要求确定，以降低机械传动部件的惯量。 对于开环系统，传动副的设计主要是由机床所要求的脉冲 当量与所选用的步进电动机的步距角决定。 降速比为： 式中， 为步进电动机的步距角 ( /脉冲 )； L为滚珠丝杠 的导程 (mm)； Q为脉冲当量 (mm/脉冲 )。 QLu 360 (1) 最佳降速比的确定 对于闭环系统 ， 主要由驱动电动机的最高转速或转矩与 机床要求的最大进给速度或负载转矩决定， 降速比为 式中， ndmax为驱动电动机最大转速 (r min)； L为滚珠丝 杠导程 (mm)； vmax为工作台最大移动速度 (mm min)。 设计中、小型数控车床时，通过选用最佳降速比来降低 惯量，应尽可能使传动副的传动比 u=1，这样可选用驱动电动 机直接与丝杠相联接的方式。 m a x m a x vLnu d 伺服电机与滚珠丝杠的联接： （ 2）齿轮传动的间隙消除 直齿圆柱齿轮传动机 构 1）偏心轴套调整法 这种方法结构简单， 但侧隙调整后不能自动补 偿。 2）双片薄齿轮错齿调整法 如图中所示，转动螺 母 7(螺母 6用于锁紧 )可改 变弹簧 8的张力大小，调 节齿轮 l、 2的相对位置， 达到错齿。这种错齿调整 法的齿侧间隙可自动补偿， 但结构复杂 。 斜齿轮传动机构 1）垫片调整法 与错齿调整法基本相 同该方法结构简单，但在 使用时需要反复调节垫片 的厚度才能达到要求，而 且齿侧间隙不能自动补偿。 2）轴向压簧调整法 用弹簧 3的轴向力来 获得薄片斜齿轮 1、 2之间 的错位，使其齿侧面分别 紧贴宽齿轮 7的齿槽的两侧 面。该方法的特点是齿侧 间隙可以自动补偿，但轴 向尺寸较大，结构不紧凑。 齿轮齿条传动机构 当传动负载大时， 可采用双齿轮调整法。 如图所示，通过预载装 置 4向齿轮 3上预加负载， 使大齿轮 2、 5同时向两 个相反方向转动，从而 带动小齿轮 1、 6转动， 其齿便分别紧贴在齿条 7上齿槽的左、右侧， 消除了齿侧间隙。 同步齿形带传动机构 同步齿形带传动机构利用齿形带的齿形与带轮的轮齿依 次相啮合传递运动和动力。它兼有带传动、齿轮传动及链传 动的优点，能方便地实现较远中心距的传动，传动过程无相 对滑动，平均传动比较准确，传动精度高，且齿形带的强度 高，厚度小，重量轻，故可用于低速及高速传动；齿形带无 需特别张紧，作用在轴和轴承等处的载荷小，传动效率高， 因此在数控机床、工业机器人等伺服传动中得到广泛应用。 （ 3）滚珠丝杠及其支承 1） 工作原理与特点 （ 图 3-46） 2）滚珠丝杠的支承方式 一端装推力轴承，另一端自由； 一端装推力轴承，另一端装向心轴承； 两端装推力轴承； 两端装双向推力轴承， 2）滚珠丝杠的支承方式 一端装圆锥轴承，另一端自由 2）滚珠丝杠的支承方式 一端装推力轴承，另一端装向心轴承 2）滚珠丝杠的支承方式 两端装角接触轴承（向心推力轴承） 2）滚珠丝杠的支承方式 (4)丝杠的拉压刚度计算 丝杠传动的综合拉压刚度 主要由丝 杠的拉压刚度，支承刚度和螺母刚度三 部分组成。 丝杠的拉压刚度不是一个定值，它 随螺母至轴向固定端的距离而变。一端 轴向固定的丝杠 (图 349a和 b)的拉压刚 度 K(N/m)为： K=(AE/L1) 10-6 式中， A为螺纹底径处的截面积 (mm2)； E为弹性模量 (钢的弹性模量 E=2 1011N m2)； L1为螺母至固定端 的距离 (m)。 两端固定的丝杠 (图 349c)，刚度 K(N/m)为： K=(4AE/L) 10-6 (4)丝杠的拉压刚度计算 可以看出，一端固定，当螺母至固定端的距离 L1等于两 支承端距离 L时，刚度最低。在 A、 B、 L相同的情况下，两端 固定丝杠的刚度为一端固定时的四倍。 （ 5） 轴向间隙的调整和预紧 滚珠丝杠副除了对本身单一方向的传动精度有要求外， 对其轴向间隙也有严格要求，以保证其反向传动精度。通常 采用双螺母预紧的方法，把弹性变形控制在最小限度内，以 减小或消除轴向间隙，并可以提高滚珠丝杠副的刚度。 目前制造的单螺母式滚珠丝杠副的轴向间隙达 0.05mm， 双螺母式的经加预紧力调整后基本上能消除轴向间隙。 应用该方法消除轴向间隙时应注意以下两点： 1)预紧力大小必须合适，过小不能保证无隙传动，过大将 使驱动力矩增大，效率降低，寿命缩短。预紧力应不超过最 大轴向负载的 1 3。 2)要特别注意减小丝杠安装部分和驱动部分的间隙，这些 间隙用顶紧的方法是无法消除的，而它对传动精度有直接影 响。 （ 5） 轴向间隙的调整和预紧 （ 5） 轴向间隙的调整和预紧 (1)垫片调隙式 (图 3-50a) 调整垫片的厚度使螺母产生微量 的轴向位移，以达到消除轴向间隙和产生预紧力的目的。该 形式结构紧凑，工作可靠，调整方便，应用广， 但不很准确， 并且当滚道磨损时不能随意调整，除非更换垫圈。故适用于 一般精度的传动机构。 (2)螺纹调隙式 (图 ) 旋转圆螺母可调整消除间隙并产 生 预紧力，之后再用锁紧螺母锁紧。该形式结构紧凑、工作可 靠、调整方便，缺点是不很精确。 (3)齿差调隙式 (图 50b)该形式的调整精度很高，工作可 靠。但结构复杂，加工和装配工艺性能较差。 第二章 习题（四） P140： 23-33， 35， 38 （ 第 2版： P2093-33， 35， 38，）