數(shù)控機床主傳動系統(tǒng)設(shè)計

《數(shù)控機床主傳動系統(tǒng)設(shè)計》由會員分享，可在線閱讀，更多相關(guān)《數(shù)控機床主傳動系統(tǒng)設(shè)計（92頁珍藏版）》請在裝配圖網(wǎng)上搜索。

1、第 3章 數(shù)控機床主傳動系統(tǒng)設(shè)計 3. 1 主傳動系統(tǒng)設(shè)計概述 3.1.1數(shù)控機床主傳動系統(tǒng)的特點 轉(zhuǎn)速高、功率大。 變速范圍寬。 主軸變速迅速可靠。 主軸組件的耐磨性高，使傳動系統(tǒng)具有 良好的精度保持性。 3. 1 主傳動系統(tǒng)設(shè)計概述 3.1.2主傳動系統(tǒng)的設(shè)計要求 主軸具有一定的轉(zhuǎn)速和足夠的轉(zhuǎn)速范 圍、轉(zhuǎn)速級數(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)運動的開停、 變速、換向和制動，以滿足機床的運動 要求。 主電動機具有足夠的功率，全部機構(gòu) 和元件具有足夠的強度和剛度，以滿足 機床的動力要求。 3. 1 主傳動系統(tǒng)設(shè)計概述 3.1.2主傳動系統(tǒng)的設(shè)計要求 主傳動的有關(guān)結(jié)構(gòu)，特別是主軸組件要 有足夠高的精度、抗振性，熱變形

2、和噪聲 要小，傳動效率要高，以滿足機床的工作 性能要求。 操縱靈活可靠，調(diào)整維修方便，潤滑密 封良好，以滿足機床的使用要求。 結(jié)構(gòu)簡單緊湊，工藝性好，成本低，以 滿足經(jīng)濟性要求。 3. 1 主傳動系統(tǒng)設(shè)計概述 3. 1. 3數(shù)控機床主傳動系統(tǒng)配置方式 （ 1）帶有變速齒輪的主傳動 : 通過少數(shù)幾對齒輪降速，擴大輸出轉(zhuǎn)矩，以滿足主軸低速 時對輸出轉(zhuǎn)矩特性的要求。數(shù)控機床在交流或直流電動機 無級變速的基礎(chǔ)上配以齒輪變速，使之成為分段無級變速。 3. 1 主傳動系統(tǒng)設(shè)計概述 3. 1 主傳動系統(tǒng)設(shè)計概述 （ 2）通過帶傳動的主傳動 電動機本身的調(diào)速就能夠滿足要求，不用齒輪變 速，可以避免齒輪傳動引起

3、的振動與噪聲。它適 用于高速、低轉(zhuǎn)矩特性要求的主軸。常用的是 V 帶和同步齒形帶。 3. 1 主傳動系統(tǒng)設(shè)計概述 3. 1 主傳動系統(tǒng)設(shè)計概述 （ 3）兩個電動機分別驅(qū)動主軸 高速時電動機通過帶輪直接驅(qū)動主軸旋轉(zhuǎn)，低速時， 另一個電動機通過兩級齒輪傳動驅(qū)動主軸旋轉(zhuǎn)，齒 輪起到降速和擴大變速范圍的作用，這樣就使恒功 率區(qū)增大，擴大了變速范圍，克服了低速時轉(zhuǎn)矩不 夠且電動機功率不能充分利用的缺陷。 3. 1 主傳動系統(tǒng)設(shè)計概述 （ 4）內(nèi)裝電動機主軸傳動 這種主傳動方式大大簡化了主軸的結(jié)構(gòu)，有效地 提高了主軸部件的剛度，但主軸輸出轉(zhuǎn)矩小，電 動機發(fā)熱對主軸影響較大。 3. 1 主傳動系統(tǒng)設(shè)計概述

4、3.1.4主傳動系統(tǒng)的類型 (1)按動力源的類型 可分為交流電動機驅(qū)動和直流電動機驅(qū)動。 交流電動機驅(qū)動中又分為單速交流電動機驅(qū)動、 調(diào)速交流電動機驅(qū)動和交流伺服電動機驅(qū)動。 調(diào)速交流電動機動又有多速交流電動機驅(qū)動和 變頻調(diào)速交流電動機驅(qū)動。 驅(qū)動方式的選擇主要根據(jù)變速形式和運動特性 要求來確定。 3. 1 主傳動系統(tǒng)設(shè)計概述 （ 2)按傳動裝置類型 可分為機械傳動裝置 液壓傳動裝置 電氣傳動裝置 以及它們的組合 3. 1 主傳動系統(tǒng)設(shè)計概述 (3)按變速的連續(xù)性 可以分為分級變速傳動和無級變速傳動。 分級變速傳動是在一定的變速范圍內(nèi)均 勻、離散地分布著有限級數(shù)的轉(zhuǎn)速，變 速級數(shù)一般不超過 2

5、030級。 分級變速傳動方式有滑移齒輪變速、交 換齒輪變速和離合器 (如摩擦片式、牙嵌 式、齒輪式離合器 )變速。 3. 1 主傳動系統(tǒng)設(shè)計概述 無級變速傳動可以在一定的變速范圍內(nèi) 連續(xù)改變轉(zhuǎn)速，以便得到最有利的切削 速度； 能在運轉(zhuǎn)中變速，便于實現(xiàn)變速自動化； 能在負載下變速，便于車削大端面時保 持恒定的切削速度，以提高生產(chǎn)效率和 加工質(zhì)量。 無級變速傳動可由機械摩擦無級變速器、 液壓無級變速器和電氣無級變速器實現(xiàn)。 3. 1 主傳動系統(tǒng)設(shè)計概述 數(shù)控機床和大型機床中，有時為了在變 速范圍內(nèi)，滿足一定恒功率和恒轉(zhuǎn)矩的 要求，或為了進一步擴大變速范圍，常 在無級變速器后面串接機械分級變速裝 置

6、。 3. 2 分級變速主傳動系統(tǒng)設(shè)計 (1)機床主傳動運動設(shè)計的任務(wù) 按照已確定的運動參數(shù)、動力參數(shù)和傳動 方案，設(shè)計出經(jīng)濟合理、性能先進的傳動系統(tǒng)。 (2)主要設(shè)計內(nèi)容 : 擬定結(jié)構(gòu)式或結(jié)構(gòu)網(wǎng) ; 擬定轉(zhuǎn)速圖， 擬定各傳動副的傳動比 ; 確定帶輪直徑、齒輪齒數(shù) ; 布置、排列齒輪，繪制傳動系統(tǒng)圖。 3. 2 分級變速主傳動系統(tǒng)設(shè)計 3. 2. 1轉(zhuǎn)速圖的概念 轉(zhuǎn)速圖由 “ 三線一點 ” 組成，即傳動軸線、轉(zhuǎn)速 線、傳動線和轉(zhuǎn)速點。 3. 2 分級變速主傳動系統(tǒng)設(shè)計 轉(zhuǎn)速圖可以清楚地表示 : 主軸各級轉(zhuǎn)速的傳動路線 ; 主軸得到這些轉(zhuǎn)速所需的變速組數(shù)目及 每個變速組中的傳動副數(shù) ; 各個傳動比

7、的數(shù)值 ; 傳動軸的數(shù)目 ; 傳動順序及各軸的轉(zhuǎn)速級數(shù)與大小。 3. 2 分級變速主傳動系統(tǒng)設(shè)計 3. 2. 2變速規(guī)律 機床主軸多級轉(zhuǎn)速是由數(shù)個變速傳動組 (簡稱變速組或傳動組 )串聯(lián)實現(xiàn)的。 這是主傳動變速系統(tǒng)的基本形式，稱為 基型變速系統(tǒng) (或常規(guī)變速系統(tǒng) )，即以單 速電動機驅(qū)動，由若干變速組串聯(lián)，使 主軸得到既不重復(fù)又排列均勻 (指單一公 比 )的等比數(shù)列轉(zhuǎn)速的變速系統(tǒng)。 3. 2 分級變速主傳動系統(tǒng)設(shè)計 3. 2. 2變速規(guī)律 一些術(shù)語 : 1)級比 :同一變速組內(nèi)相鄰兩傳動比之比 2)級比指數(shù) :相鄰兩傳動比相距的格數(shù)稱為級 比指數(shù) 3)基本 (變速 )組 :變速組的級比指數(shù)為

8、1 4)擴大 (變速 )組 :起變速擴大作用的變速組 3. 2 分級變速主傳動系統(tǒng)設(shè)計 5)變速組的變速范圍 :該變速組的最大傳 動比 iimax與最小傳動比 iimin之比 )1( m i n m a x ii px i i i i i r :變速組內(nèi)相鄰兩傳動比之比 (級比 ) ix xi-相鄰兩傳動比相距的格數(shù) (級比指數(shù) ) ix 3. 2 分級變速主傳動系統(tǒng)設(shè)計 主軸的轉(zhuǎn)速范圍 (或變速范圍 )Rn:等于各 變速組的變速范圍 ri的乘積 : Rn=r0r1 .ri .rj 主軸的轉(zhuǎn)速級數(shù)為 Z=p0p1p2 . (Pi為變速 組的傳動副數(shù) ) 3. 2 分級變速主傳動系統(tǒng)設(shè)計 各變速

9、組的級比、級比指數(shù)和變速范圍的 數(shù)值見表 3-1 : 主軸的轉(zhuǎn)速范圍 (或變速范圍 )Rn，等于各變速組的變速范圍的乘積 . 主軸的轉(zhuǎn)速 級數(shù) 為 Z=p0p1p2 . 3. 2 分級變速主傳動系統(tǒng)設(shè)計 3. 2. 3結(jié)構(gòu)網(wǎng)及結(jié)構(gòu)式 傳動系統(tǒng)設(shè)計方案的簡潔表達方式 : (1)結(jié)構(gòu)網(wǎng) (2)結(jié) 構(gòu)網(wǎng) 結(jié)構(gòu)網(wǎng)只表示傳動比的相對關(guān)系，而不表示傳動比和 轉(zhuǎn)速的絕得值 . 結(jié)構(gòu)網(wǎng)上代表傳動比的射線呈對稱分布 圖 3-3對應(yīng)的結(jié)構(gòu)式為 12=31 23 26。 3. 2 分級變速主傳動系統(tǒng)設(shè)計 3.2.4擬定轉(zhuǎn)速圖的方法 擬定轉(zhuǎn)速圖的一般步驟為 : 確定變速組數(shù)及各變速組的傳動副數(shù)； 安排變速組的傳動順序

10、；擬定結(jié)構(gòu)式 (網(wǎng) )； 分配傳動副傳動比，繪制轉(zhuǎn)速圖。 3. 2 分級變速主傳動系統(tǒng)設(shè)計 例 3-1 : 某中型數(shù)控車床主軸最低轉(zhuǎn)速為 n1=31. 5r/min，轉(zhuǎn)速級數(shù) Z=12，公比 =1.41， 電動機轉(zhuǎn)速 n電 =1440r/ min，試擬定其主 傳動系統(tǒng)轉(zhuǎn)速圖。 3. 2 分級變速主傳動系統(tǒng)設(shè)計 擬定轉(zhuǎn)速圖的步驟 : 1)主軸的各級轉(zhuǎn)速 確定 : 由 Z, , n1可知主軸的各級轉(zhuǎn)速應(yīng)為 : 31.5, 45, 63, 90, 125, 180, 250， 500、 710、 1000、 1400。 2)變速組和傳動副數(shù)的確定 : 變速組和傳動副數(shù)可能的方案有 : 12=4 3

11、12=3 4 12=3 2 2 12=2 3 2 12=2 2 3 3. 2 分級變速主傳動系統(tǒng)設(shè)計 2)變速組和傳動副數(shù)的確定 : 變速組和傳動副數(shù)可能的方案有 : 12=4 3 12=3 4 12=3 2 2 12=2 3 2 12=2 2 3 考慮原則 : 軸向安裝尺寸 : “前多后少 ” 的原則 :如傳動副較多的變速組放 在接近電動機，則可使小尺寸的零件多些，大尺 寸的零件就可以少些 . 綜合結(jié)論 :取 12=3 2 2的方案 . 3. 2 分級變速主傳動系統(tǒng)設(shè)計 3)結(jié)構(gòu)網(wǎng)或結(jié)構(gòu)式方案的選擇 : 在 12=3 2 2中，又因基本組和擴大組排 列順序不同而有不同的結(jié)構(gòu)式方案?？赡?的六

12、種方案 : (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 3. 2 分級變速主傳動系統(tǒng)設(shè)計 選擇結(jié)構(gòu)式最佳方案的原則 : 齒輪傳動時傳動副的極限傳動比 : 最小傳動比 iminl/4 ; 最大傳動比 imax2。如用斜齒輪傳動，則 imax 2.5 所以同時可知 ,變速組的極限變速范圍 : 主傳動鏈任一變速組的最大變速范圍一般為 810。 m i n m a x m a x i ir 3. 2 分級變速主傳動系統(tǒng)設(shè) 計 按照這一原則 , 可去掉 (d

13、)和 (f)結(jié)構(gòu)式方案 : (d) 12=34 21 22 (f) 12=34 22 21 其中含有變速組 34, 該組變速范圍 : x2=4, p2=3， r2 =4（ 3-1） =1.418=16rmax， 是不可行的。 3. 2 分級變速主傳動系統(tǒng)設(shè) 計 選擇結(jié)構(gòu)式最佳方案的原則 : 基本組和擴大組的排列順序 :應(yīng)盡量使擴大 順序與傳動順序一致。 這樣容易保證在可行的多種方案中，選 擇到中間傳動軸的變速范圍最小的方案。 而如果各方案同一傳動軸的最高轉(zhuǎn)速相同， 則變速范圍小的，最低轉(zhuǎn)速較高，轉(zhuǎn)矩較小， 傳動件的尺寸也就可以小些。 由此 ,在可行的四種方案 (a), (b), (c), (e

14、) 中，選擇方案 (a) . 3. 2 分級變速主傳動系統(tǒng)設(shè)計 4)分配傳動比，繪制轉(zhuǎn)速圖。 電動機和主軸的轉(zhuǎn)速是已定的，當(dāng)選定了 結(jié)構(gòu)網(wǎng)或結(jié)構(gòu)式后，就可分配各傳動副的 傳動比并確定中間軸的轉(zhuǎn)速，再加上定比 傳動，就可畫出轉(zhuǎn)速圖。 中間軸轉(zhuǎn)速的確定 : 中間軸的轉(zhuǎn)速如果能高一些，傳動件的尺寸也就 可以小一些。 中間軸如果轉(zhuǎn)速過高，將會引起過大振動、發(fā)熱 和噪聲。 3. 2 分級變速主傳動系統(tǒng)設(shè)計 繪制轉(zhuǎn)速圖 : A、 本例所選定的結(jié)構(gòu)式共有三個變速 組，變速機構(gòu)共需 4根軸，加上電動機軸 共 5根軸， (電動機到 I軸為定比帶傳動 )故 轉(zhuǎn)速圖需 5條豎線。主軸共 12級轉(zhuǎn)速，電 動機軸轉(zhuǎn)速與

15、主軸最高轉(zhuǎn)速相近，故需 12條橫線。然后，標(biāo)注主軸的各級轉(zhuǎn)速 及電動機軸的轉(zhuǎn)速。 3. 2 分級變速主傳動系統(tǒng)設(shè)計 B、 “ 前慢后快 ” 的降速分配原則 : 目的：為使傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，尺寸小， 在振動、噪聲滿足要求的前提下，應(yīng)使傳 動件盡量工作在較高轉(zhuǎn)速 (轉(zhuǎn)矩小 )。 這樣要求使得多數(shù)中間軸轉(zhuǎn)速盡量高點， 在分配降速路線上各傳動副的傳動比時， 前面的軸降速慢（分配傳動比比較小，下 降較緩，轉(zhuǎn)速較高），后面的軸分配傳動 比比較大，降速快。 3. 2 分級變速主傳動系統(tǒng)設(shè)計 C、逐步形成完整的轉(zhuǎn)速圖： STEP1：分配最大降速路線上各傳動副的傳 動比。即 STEP2：根據(jù)各變速組的級比、級比

16、指數(shù)確 定其他各傳動副的傳動比 STEP3：檢驗各傳動比，均未超出極限值。 STEP4：補全各連線，就可以得到如圖 3-2 ( b)所示的轉(zhuǎn)速圖。 3. 2 分級變速主傳動系統(tǒng)設(shè)計 3.2.5 齒輪齒數(shù)的確定 齒輪的齒數(shù)取決于傳動比和徑向尺寸要 求。 齒數(shù)和 S與模數(shù) m關(guān)系： 3. 2 分級變速主傳動系統(tǒng)設(shè)計 3.2.5 齒輪齒數(shù)的確定 1）為減小傳動副的徑向尺寸，應(yīng)盡量減小齒數(shù)和 ； 2）最少齒數(shù)的齒輪受根切限制，以及根圓直徑要滿 足裝到一定直徑傳動軸上的強度要求，齒數(shù)不能太 少 ，一般要求滿足： 根切限制要求： Zmin1820； 齒根圓到軸的鍵槽槽底應(yīng)有一定的壁厚以保證傳 動軸的強度要

17、求，這要求： Zmin1.03D/m+5.6 D-齒輪花鍵軸外徑 ; m-齒輪模數(shù) 3. 2 分級變速主傳動系統(tǒng)設(shè)計 3.2.5 齒輪齒數(shù)的確定 一般取齒數(shù)和 s70120 ; 對于三聯(lián)滑移齒輪，當(dāng)采用標(biāo)準(zhǔn)齒輪 且模數(shù)相同時，最大齒輪與次大齒輪的 齒數(shù)差應(yīng) 4，以避免滑移過程中的齒頂 干涉。 3.3無級變速傳動鏈的設(shè)計 數(shù)控機床的主運動廣泛采用無級變速 。 無級變速優(yōu)勢： 在一定范圍內(nèi)，轉(zhuǎn)速 (或速度 )能連續(xù)地變 換，從而獲取最有利的切削速度。 數(shù)控機床一般都采用由直流或調(diào)速電動 機作為驅(qū)動源的電氣無級調(diào)速。 3.3無級變速傳動鏈的設(shè)計 無級變速主傳動鏈的問題： 調(diào)速電動機的功率與轉(zhuǎn)矩特性難

18、于直接 和機床要求的理想的功率和轉(zhuǎn)矩要求完 全匹配。 解決問題： 需要在無級調(diào)速電動機之后串聯(lián)機械分 級變速傳動，以滿足調(diào)速范圍和功率、 轉(zhuǎn)矩特性的要求。 3.3無級變速傳動鏈的設(shè)計 概念：主傳動系統(tǒng)的計算轉(zhuǎn)速 設(shè)計機床主傳動系統(tǒng)時，為了使傳動件工作可 靠、結(jié)構(gòu)緊湊，必須對傳動件進行動力計算。 主軸及其他傳動件 (如傳動軸、齒輪及離合器 等 ) 的結(jié)構(gòu)尺寸主要根據(jù)它所傳遞的轉(zhuǎn)矩大小 決定，即與傳遞的功率和轉(zhuǎn)速這兩個因素有關(guān) . 主軸能傳遞全功率的最低轉(zhuǎn)速，稱為主軸的計 算轉(zhuǎn)速 . 變速傳動件應(yīng)該根據(jù)計算轉(zhuǎn)速進行動力計算 . 3.3無級變速傳動鏈的設(shè)計 傳動鏈中其余傳動件的計算轉(zhuǎn)速，可根據(jù)主軸

19、的計算轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)速圖決定。 傳遞全功率的最低轉(zhuǎn)速，就是該零件的計算轉(zhuǎn) 速。 3.3無級變速傳動鏈的設(shè)計 主軸所傳遞的功率或轉(zhuǎn)矩特性特點： 通用機床的應(yīng)用范圍廣，變速范圍大，使用條 件也復(fù)雜，主軸實際的轉(zhuǎn)速和傳遞的功率，也 就是承受的轉(zhuǎn)矩應(yīng)根據(jù)加工工藝需要而經(jīng)常變 化的。如： 通用車床主軸轉(zhuǎn)速范圍的低速段，常用來切削 螺孔或精車等，消耗的功率較少； 在主軸轉(zhuǎn)速的高速段，由于受電動機功率的限 制，背吃刀量和進給量不能太大，傳動件所受 的轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)速的增加而減少。 3.3無級變速傳動鏈的設(shè)計 主軸所傳遞的功率或轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系，稱為 機床主軸的功率或轉(zhuǎn)矩特性。 理想的機床的主軸功率轉(zhuǎn)矩特性： 主軸從

20、最高轉(zhuǎn)速 nmax到計算轉(zhuǎn)速 nj間，應(yīng)能傳遞運 動源的全部功率。在這個區(qū)域內(nèi)，主軸的最大輸出 轉(zhuǎn)矩應(yīng)隨轉(zhuǎn)速的降低而加大，稱之為恒功率區(qū)；主 軸要求的恒功率變速范圍 Rnp =一般為幾十。 從 nj以下直到最低轉(zhuǎn)速 n min，這個區(qū)域內(nèi)的各級轉(zhuǎn) 速并不需要傳遞全部功率。主軸的輸出轉(zhuǎn)矩不再隨 轉(zhuǎn)速的降低而加大，而是保持 nj時的轉(zhuǎn)矩不變。所 能傳遞的功率，則隨轉(zhuǎn)速的降低而降低。稱之為恒 轉(zhuǎn)矩區(qū)。 3.3無級變速傳動鏈的設(shè)計 變速電動機功率或轉(zhuǎn)矩特性特點： 機床上常用的變速電動機有直流電動機和交流 變頻電動機，在額定轉(zhuǎn)速以上為恒功率變速， 通常電動機的恒功率變速范圍 Rdp =23; 額定轉(zhuǎn)速以

21、下為恒轉(zhuǎn)矩變速，調(diào)整范圍很大， 變速范圍可達 30甚至更大。 上述功率和轉(zhuǎn)矩特性一般與前述機床主軸理想 特性不符，不能滿足機床的使用要求。 3.3.2驅(qū)動電動機和主軸功率特性的匹配設(shè)計 在設(shè)計數(shù)控機床主傳動時，必須要考慮 電動機與機床主軸功率特性匹配問題。 由于主軸要求的恒功率變速范圍 Rnp遠大 于電動機的恒功率變速范圍 Rdp，所以在 電動機與主軸之間要串聯(lián)一個分級變速 箱，以擴大其恒功率變速范圍，滿足低 速大功率切削時對電動機的輸出功率的 要求。 3.3.2驅(qū)動電動機和主軸功率特性匹配設(shè)計 在設(shè)計分級變速箱時，考慮機床結(jié)構(gòu)復(fù) 雜程度，運轉(zhuǎn)平穩(wěn)性要求等因素，變速 箱公比的選取有下列三種情況

22、。 3.3.2驅(qū)動電動機和主軸功率特性匹配設(shè)計 情況 :取變速箱的公比 f等于 (=)電動機的恒 功率變速范圍 Rdp。 特點：功率特性圖是連續(xù)的，無缺口和無重合。 設(shè)計求解步驟： 變速箱的變速級數(shù)為 Z ： 由主軸的恒功率變速范圍 可得： 【 例 3-4】 有一數(shù)控機床，主軸最高轉(zhuǎn)速為 4000r/min，最低轉(zhuǎn)速為 30r/min，計算轉(zhuǎn)速為 150r/min。最大切削功率為 5. 5kW。采用交流 調(diào)頻主軸電動機，額定轉(zhuǎn)速為 1500r/min，最 高轉(zhuǎn)速為 4500r/min。設(shè)計分級變速箱的傳動 系統(tǒng)并選擇電動機的功率。 解 :1）主軸要求的恒功率變速范圍： Rnp=4000/150

23、=26. 7 2）電動機的恒功率變速范圍 Rdp=4500/1500=3 3.3.2驅(qū)動電動機和主軸功率特性匹配設(shè)計 3.3.2驅(qū)動電動機和主軸功率特性匹配設(shè)計 3）取變速箱的公比 f= Rdp =3，由（ 3- 8）式： 取 Z=3。即：應(yīng)設(shè)計一包含 3級分級變速 的傳動系統(tǒng)。 結(jié)合前面 3.2節(jié)的分級變速傳動系統(tǒng)的設(shè) 計知識，設(shè)計的傳動系統(tǒng)和轉(zhuǎn)速圖見圖 3-8 (a)和 (b),圖 (c)為主軸的功率特性。 3.3.2驅(qū)動電動機和主軸功率特性匹配設(shè)計 3.3.2驅(qū)動電動機和主軸功率特性的匹配設(shè)計 4）電動機功率的確定： 如取總效率 =0.75，則電動機功率： P=5. 5/0. 75=7.

24、 3kW。 可選用北京數(shù)控設(shè)備廠的 BESK-8型交流主軸 電動機，連續(xù)額定輸出功率為 7. 5kW。 回顧總結(jié)特點： 取 f= Rdp時 ， 整個分段變速范圍內(nèi)，恒功率 特性區(qū)是連續(xù)的，無缺口和無重合。 3.3.2驅(qū)動電動機和主軸功率特性的匹配設(shè)計 情況：取變速箱的公比 f大于 ()電動 機的恒功率變速范圍 Rdp。 特點 :1)變速所需級數(shù)減少 ,簡化變速箱結(jié)構(gòu)。 2）變速箱每檔變速范圍內(nèi)，有部分低轉(zhuǎn)速只 能恒轉(zhuǎn)矩變速，主傳動系統(tǒng)功率特性圖中出現(xiàn) “ 缺口 ” ， 功率輸出非全功率。 下面舉例求解這種情況下的分級傳動系統(tǒng)的設(shè) 計問題。 3.3.2驅(qū)動電動機和主軸功率特性匹配設(shè)計 例 某加工

25、中心，機床主電動機采用交流調(diào)速電 動機，連續(xù)工作額定功率為 18.5kW, 30min工作 最大輸出功率為 22kW。主軸最高轉(zhuǎn)速為 4000r/ min，計算轉(zhuǎn)速為 113r/ min 。交流調(diào)速主電動機 額定轉(zhuǎn)速為 1500r/ min，最高轉(zhuǎn)速為 4000r/ min， 現(xiàn)要求有級變速箱的變速級數(shù) Z=2。 解： 1）電動機恒功率變速范圍 Rdp =4000/1500=2. 67 2）主軸恒功率變速范圍 Rnp =nmax/nj =4000/113=35. 4 3.3.2驅(qū)動電動機和主軸功率特性匹配設(shè)計 3）變速箱的公比 f計算 ： 已知 Z=2， f Rdp=2.67 結(jié)合前面 3.2

26、節(jié)的分級變速傳動系統(tǒng)的設(shè)計知 識，設(shè)計的傳動系統(tǒng)和轉(zhuǎn)速圖見圖 3-10和 3-11, 為主軸的功率特性。 3.3.2驅(qū)動電動機和主軸功率特性匹配設(shè)計 3.3.2驅(qū)動電動機和主軸功率特性匹配設(shè)計 回顧總結(jié)特點： 1)變速所需級數(shù)減少 ,簡化變速箱結(jié)構(gòu)。 2）變速箱每檔恒功率變速范圍內(nèi)，有部 分低轉(zhuǎn)速只能恒轉(zhuǎn)矩變速，主傳動系統(tǒng) 功率特性圖中出現(xiàn) “ 缺口 ” ， 功率輸出 非全功率。上圖所示 “ 缺口 ” 處的功率 最低至： 3.3.2驅(qū)動電動機和主軸功率特性匹配設(shè)計 3)要想實現(xiàn) 變速箱恒功率變速范圍內(nèi)全功率輸出 , 不出現(xiàn)功率缺口，需選擇提高擴大電機額定功率， 結(jié)果將在非缺口處留有功率余量。

27、4）結(jié)論： 通過提高變速箱的公比，來減少變速所需級數(shù) , 可以簡化變速箱結(jié)構(gòu)，付出代價是在主傳動系統(tǒng) 功率特性圖中出現(xiàn) “ 缺口 ” ， 出現(xiàn)局部變速范圍 功率不足的情況；或需要選擇留用余量的電機， 出現(xiàn)大牛拉小車的情況。 3.3.2驅(qū)動電動機和主軸功率特性的匹配設(shè)計 情況：取變速箱公比 f小于 ()電動機 的恒功率變速范圍 Rdp： 這種設(shè)計適合于需要維持恒線速切削場 合，如數(shù)控車床切削階梯軸或端面。隨 著工件直徑的變化，主軸轉(zhuǎn)速也要隨之 而自動變化，才能實現(xiàn)恒線速切削。這 時不能用變速箱變速，必須用電動機變 速。因為用變速箱變速時必須停車，這 在連續(xù)切削時是不允許的。 3.3.2驅(qū)動電動機

28、和主軸功率特性匹配設(shè)計 解決辦法： 可采用增加變速箱的變速級數(shù) Z，降 低公比 f的方法解決。 特點： 在主傳動系統(tǒng)功率特性圖上有小段 重合，這時變速箱的變速級數(shù)將增多， 使結(jié)構(gòu)變得復(fù)雜。 3.3.2驅(qū)動電動機和主軸功率特性匹配設(shè)計 【 例 3-5】 某數(shù)控機床，主軸最高轉(zhuǎn)速為 4000r/ min， 最低轉(zhuǎn)速為 40r/min，計算轉(zhuǎn)速為 160r/ min。采用 交流調(diào)頻電動機，最高轉(zhuǎn)速為 4500r/min，額定轉(zhuǎn) 速為 1500r/ min，設(shè)計 Z=4的分級變速箱的主傳動 系統(tǒng)。 解： 1）主軸要求的恒功率變速范圍為： 2）電動機可達到的恒功率變速范圍為 ： 3.3.2驅(qū)動電動機和主

29、軸功率特性匹配設(shè)計 3）公比 f的 求解： 如取齒輪變速級數(shù) Z=4，則從式 (3-7)有： 故 ： f= 2.03 取 f=2 分級變速箱的轉(zhuǎn)速圖和功率特性圖 如圖 3-12所示 ： 3.3.2驅(qū)動電動機和主軸功率特性匹配設(shè)計 a-b段 (4000-1330)：變速比 1:1.251:11:1 e-f段 (1000-335): 變速比 1:1.251:11:4 c-d段 (2000-667): 變速比 1:1.251:21:1 3.3.2驅(qū)動電動機和主軸功率特性的匹配設(shè)計 目前，帶調(diào)速電動機的分離傳動變速箱 已形成獨立的功能部件。變速箱的輸人 軸與電動機直接聯(lián)接或帶傳動聯(lián)接，輸 出軸可通過帶

30、傳動主軸。 變速箱有不同的公比、級數(shù) (通常為 2級、 3級、 4級 )和功率，形成系列，并包括操 縱機構(gòu)和潤滑系統(tǒng)，由專門工廠制造。 機床廠可以外購。 3.4 現(xiàn)代數(shù)控機床主傳動系統(tǒng) 3.4.1 高速主傳動設(shè)計 提高主傳動系統(tǒng)中主軸轉(zhuǎn)速是提高切削 速度最直接、最有效的方法。 達到高的主軸轉(zhuǎn)速 ,要求主軸系統(tǒng)的結(jié)構(gòu) 必須簡化，減小慣性，主軸旋轉(zhuǎn)精度要 高，動態(tài)響應(yīng)要好，振動和噪聲要小。 3.4 現(xiàn)代數(shù)控機床主傳動系統(tǒng) 對于高速和超高速數(shù)控機床主傳動，一 般采用兩種設(shè)計方式 : 一種是采用聯(lián)軸器將機床主軸和電動機 軸串接成一體，減少中間傳動環(huán)節(jié) ; 一種是將電動機與主軸合為一體，制成 內(nèi)裝式電主

31、軸，實現(xiàn)無任何中間環(huán)節(jié)的 直接驅(qū)動，并通過循環(huán)水冷卻方式減少 發(fā)熱。 3.4.1 高速主傳動設(shè)計 電主軸圖例 3. 4. 2柔性化、復(fù)合化設(shè)計 單機柔性化 單元柔性化 系統(tǒng) 柔性化 功能單一化 多元化、復(fù)合化 (工序復(fù) 合化和功能復(fù)合化 ) 機床進一步高速化、高效化和高精度化 應(yīng)用運動并聯(lián)的原理 虛擬軸機床 (V ir-tual aixs machine)設(shè)計。 3.5 主傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計 1設(shè)計內(nèi)容 : 機床主傳動部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計 ,是將傳 動方案 “ 結(jié)構(gòu)化 ” ，主要內(nèi)容包括 : 主軸組件設(shè)計，操縱機構(gòu)設(shè)計、傳動 軸組件設(shè)計，其他機構(gòu) (如開停、制動及 換向機構(gòu)等 )設(shè)計，潤滑與密封裝置設(shè)

32、計、 箱體及其他零件設(shè)計等。 3.5 主傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計 2圖紙要求 : 主軸變速箱部件裝配圖設(shè)計內(nèi)容包括展開圖、橫向 剖視圖、外觀圖及其他必要的局部視圖等。 繪制部件的主要結(jié)構(gòu)裝配草圖，需要檢查各元件是 否相碰或干涉，再根據(jù)動力計算的結(jié)果修改結(jié)構(gòu)， 然后細化、完善裝配草圖，并按制圖標(biāo)準(zhǔn)進行加深， 最后進行尺寸、配合及零件標(biāo)注等。 從主軸變速箱部件裝配圖分拆、繪制零件工作圖及 編制零件明細表 3.5.1 變速機構(gòu)設(shè)計 機床的主運動分級變速機構(gòu) 類型： 1)交換齒輪變速機構(gòu) 特點：變速機構(gòu)的變速簡單，結(jié)構(gòu)緊湊， 主要用于大批量生產(chǎn)的自動或半自動機 床、專用機床及組合機床中，不需要經(jīng) 常變速的場合

33、 ； 3.5.1 變速機構(gòu)設(shè)計 2)滑移齒輪變速機構(gòu) 特點： （ 1）變速范圍大，變速級數(shù)較多，變速方便，節(jié)省 時間 ； （ 2）在較大的變速范圍內(nèi)可傳遞較大功率和轉(zhuǎn)矩； （ 3）不工作的齒輪不嚙合，因而空載功率損失小 ； （ 4）變速箱的構(gòu)造較復(fù)雜，不能在運轉(zhuǎn)中變速。 （ 5）多用直齒圓柱齒輪傳動，故傳動平穩(wěn)性不如斜 齒輪傳動 3.5.1 變速機構(gòu)設(shè)計 3)離合器變速傳動機構(gòu) 特點： （ 1）變速機構(gòu)為斜齒或人字齒圓柱齒輪時，不 便于采用滑移齒輪變速，應(yīng)采用牙嵌式或齒輪式 離合器變速 ； （ 2）摩擦片式離合器特點是可在運轉(zhuǎn)過程中變 速，接合平穩(wěn)，沖擊小，便于實現(xiàn)自動化。采用 摩擦離合器變速

34、時，為減小離合器的尺寸，應(yīng)盡 可能將離合器安排在轉(zhuǎn)速較高的傳動軸上，而且 要防止出現(xiàn)超速現(xiàn)象。 3.5.1 變速機構(gòu)設(shè)計 超速現(xiàn)象： 內(nèi)外摩擦片之間的相對轉(zhuǎn)速過高，不僅 為離合器正常工作所不允許，而且會使 空載功率顯著增加，齒輪傳動的噪聲加 大，磨損加劇。 3.5.1 變速機構(gòu)設(shè)計 舉例 1： 離合器都安裝在主動軸上。在 M1接通， M2斷開的情況下，軸 I上的小齒輪 Z24就會出現(xiàn) 超速現(xiàn)象 ：離合器 M2的內(nèi)外摩擦片之間的相對 轉(zhuǎn)速為軸 I的 7倍 。 3.5.1 變速機構(gòu)設(shè)計 舉例 2：把兩個離合 器分別裝在兩個軸上， 若使離合器外片與小 齒輪一起轉(zhuǎn)動 圖 3- 15 (d)，則同樣也

35、會出現(xiàn)超速現(xiàn)象 。 3.5.1 變速機構(gòu)設(shè)計 不出現(xiàn)超速現(xiàn)象的 摩擦離合器 排列 方式： 例 1：離合器都安 裝在從動軸上 ： 3.5.1 變速機構(gòu)設(shè)計 不出現(xiàn)超速現(xiàn)象的摩擦離 合器 排列方式： 例 2：把兩個離合器分別 裝在兩個軸上，若使離合 器外片與大齒輪一起轉(zhuǎn)動 圖 3-15 (c)，則不會出 現(xiàn)超速現(xiàn)象 。 3. 5. 2 齒輪在軸上的布置方式 設(shè)計要點： 1)在變速傳動組內(nèi)，盡量以較小的齒輪 為滑移齒輪，以使得操縱省力。 2)在同一個變速組內(nèi)，與滑移齒輪相嚙 合的固定齒輪的間距，應(yīng)大于滑移齒輪 的寬度。 3. 5. 2 齒輪在軸上的布置方式 3. 5. 2 齒輪在軸上的布置方式 3)

36、縮短軸向尺寸，可采取 下列措施： 把三聯(lián)齒輪一分為二，能使 軸向長度少一個 b，但使操縱 機構(gòu)復(fù)雜了，兩個滑移齒輪 的操縱機構(gòu)之間要互鎖，以 防止兩對齒輪同時嚙合 : 3. 5. 2 齒輪在軸上的布置方式 把兩個相鄰傳動組統(tǒng)一安排 ,減少軸向長度 : 3. 5. 2 齒輪在軸上的布置方式 4)要縮小變速箱的徑向尺寸，可采取下 列措施 : 縮小軸間距離。 在強度允許的條件下，盡量選用較小的 齒數(shù)和，并使齒輪的降速傳動比小于 1/4， 以避免采用過大的齒輪 ; 3. 5. 2 齒輪在軸上的布置方式 采用軸線相互重合方式。 在相鄰變速組的軸間距離相等的情況下，可將其 中兩根軸布置在同一軸線上，則可大

37、大縮小徑 向尺寸，如圖 3-20中，軸 I、 III兩軸線重合 ; 3. 5. 2 齒輪在軸上的布置方式 相鄰各軸在橫剖面圖上布置成三角形， 可以縮小徑向尺寸 ; 在一個傳動組內(nèi)，若取最大傳動比等 于最小傳動比的倒數(shù)，則傳動件所占的 徑向空間將是最小的。 3.5.3 主傳動的開停、制動裝置 l）主傳動的開停裝置 開停裝置是用來控制主軸的啟動與停止的 機構(gòu)。 當(dāng)電動機功率較小時，可直接開停電動機 。 電動機的功率較大時，可以采用離合器實現(xiàn)主 軸的啟動和停止。 片式摩擦離合器可用于高速運轉(zhuǎn)的離合，離合 過程比較平穩(wěn)，并能兼起過載保護作用。 3.5.3 主傳動的開停、制動裝置 2）主傳動的 制動裝置 閘帶式制動器 采用閘帶式制動 裝置，操縱機構(gòu) 通過操縱杠桿作 用于閘帶的松邊， 使操縱力小且制 動平穩(wěn)。 3.5.3 主傳動的開停、制動裝置 片式制動器 片式制動器有單 片式和多片式結(jié) 構(gòu)，可采用機械、 液壓或電磁等加 力方式壓緊摩擦 片。 3.5.4立式加工中心主軸箱的構(gòu)造 3.5.5 數(shù)控車床主軸箱構(gòu)造 3.5.5 數(shù)控車床主軸箱構(gòu)造