数控机床传动系统设计.ppt

,第4章 数控机床主传动系统设计,4.1 概述 主传动系统是用来实现机床主运动的传动系统，它应具有一定的转速(速度)和一定的变速范围，以便采用不同材料的刀具，加工不同材料、不同尺寸、不同要求的工件，并能方便地实现运动的开停、变速、换向和制动等。数控机床主传动系统主要包括电动机、传动系统和主轴部件，它与普通机床的主传动系统相比在结构上比较简单，这是因为变速功能全部或大部分由主轴电动机的无级调速采承担，省去了复杂的齿轮变速机构，有些只有二级或三级齿轮变速系统用以扩大电动机无极调速的范围。,第4章 数控机床主传动系统设计,一、数控机床主传动系统的特点,与普通机床比较，数控机床主传动系统具有下列特点：转速高、功率大。变速范围宽，可实现无极调速。具有较高的精度和刚度，传动平稳。具有特有的刀具安装结构。,第4章 数控机床主传动系统设计,二、主传动系统的设计要求,定义：由主轴电机、传动元件和主轴构成的具有运动传动联系的系统称为主传动系统。主轴具有一定的转速和足够的转速范围、转速级数，能够实现运动的开停、变速、换向和制动，以满足机床的运动要求。主电动机具有足够的功率，全部机构和元件具有足够的强度和刚度，以满足机床的动力要求。主传动的有关结构，特别是主轴组件要有足够高的精度、抗振性，热变形和噪声要小，传动效率要高，以满足机床的工作性能要求。操纵灵活可靠，调整维修方便，润滑密封良好，以满足机床的使用要求。结构简单紧凑，工艺性好，成本低，以满足经济性要求。,第4章 数控机床传动设计设计,三、数控机床主传动系统配置方式,数控机床的调速是按照控制指令自动执行的，因此变速机构必须适应自动操作的要求。在主传动系统中，在主传动系统中，目前多采用交流主轴电动机和直流主轴电动机无级调速系统。为扩大调速范围，适应低速大转矩的要求，也经常应用齿轮有级调速和电动机无级调速相结合的调速方式。,第4章 数控机床传动设计设计,三、数控机床主传动系统配置方式,主要应用在小型数控机床上，可克服齿轮传动引起的振动与噪声，但只能适用于低扭矩特性要求的主轴。,是大、中型数控机床采用较多的传动变速方式。,这种主传动方式大大简化了主轴箱体与主轴的结构，有效地提高了主轴部件的刚度，主轴转速高，但主轴输出扭矩较小，电机发热对主轴的精度影响较大。,（带有变速齿轮的主传动）,（通过带传动的主传动）,（由调速电机直接驱动的主传动）,第4章 数控机床主传动系统设计,三、数控机床主传动系统配置方式,变速齿轮传动,第4章 数控机床主传动系统设计,三、数控机床主传动系统配置方式,齿形带,第4章 数控机床传动设计设计,三、数控机床主传动系统配置方式,主轴电机直接驱动,第4章 数控机床主传动系统设计,四、主传动系统的类型,按动力源的类型,交流电动机驱动和直流电动机驱动,按传动装置类型,按变速的连续性,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,分级变速传动和无级变速传动,数控机床和大型机床中，有时为了在变速范围内，满足一定恒功率和恒转矩的要求，或为了进一步扩大变速范围，常在无级变速器后面串接机械分级变速装置。,第4章 数控机床主传动系统设计,4.2 分级变速主传动系统设计 机床主传动运动设计的任务是按照已确定的运动参数、动力参数和传动方案，设计出经济合理、性能先进的传动系统。其主要设计内容为：拟定结构式或结构网；拟定转速图，确定各传动副的传动比；确定带轮直径、齿轮齿数；布置、排列齿轮，绘制传动系统图。,第4章 数控机床主传动系统设计,一、转速图的概念 根据机床主传动系统图，其传动路线表达式为：,第4章 数控机床传动设计设计,转动轴格线,转速格线,转速点,传动线,第4章 数控机床传动设计设计,转速图由“三线一点”组成：(1)传动轴格线：间距相等的一组竖直线表示各传动轴。(2)转速格线：间距相等的一组水平线表示转速的对数坐标。由于分级变速机构的转速一般是等比数列，故转速采用对数坐标，相邻两水平线之间的间隔为lg（为相邻两级转速中高转速与低转速之比，称为公比）。为简单起见，图中省略了对数符号。,第4章 数控机床主传动系统设计,(3)传动线：传动轴格线间的转速点连线，表示相应传动副的传动比，称传动比连线。其倾斜方向和倾斜程度表示传动比的大小。传动线水平：等速传动，传动比u=1；传动线向右下方倾斜：降速传动，传动比u1；传线向右上方倾斜：升速传动，传动比u1。(4)转速点：传动轴格线上的圆圈表示该轴所具有的转速。,第4章 数控机床主传动系统设计,二、变速规律 机床主轴12 级转速是由三个变速传动组(简称变速组或传动组）串联实现的。这是主传动变速系统的基本形式，称为基型变速系统(或常规变速系统)，即以单速电动机驱动，由若干变速组串联，使主轴得到既不重复又排列均匀(指单一公比)的等比数列转速的变速系统。,第4章 数控机床传动设计设计,通常，将变速组内相邻两传动比之比称为级比，用 表示；相邻两传动比相距的格数称为级比指数，用xi表示。设计时要使主轴转速为连续的等比数列，必须有一个变速组的级比指数为1，这个变速组称为基本组。基本组(a 组)的级比指数用x0表示，即x0=l。后面变速组因起变速扩大作用，所以统称为扩大组。第一扩大组(b 组)的级比指数x1，等于基本组的传动副数p0，即x1=p0=3。经扩大后使IV 轴得到322=12 级转速。,第4章 数控机床传动设计设计,表4-1 各变速组的级比、级比指数和变速范围,主轴的转速范围(或变速范围)等于各变速组的变速范围的乘积，即 主轴的转速级数为。,第4章 数控机床主传动系统设计,三、结构网及结构式 结构网或结构式用于分析和比较不同的传动系统设计方案，它与转速图的主要差别是：结构网只表示传动比的相对关系，而不表示传动比和转速的绝对值，而且结构网上代表传动比的射线呈对称分布。结构网也可写成结构式，结构式能够表示变速系统最主要的三个变速参量(主轴转速级数、各变速组的传动副数、各变速组的级比指数)。,第4章 数控机床主传动系统设计,结构式12=312326含义为：12 表示主轴的变速级数，3、2、2 分别表示按传动顺序排列的各变速组的传动副数，即第一变速组a 的传动副数为3，第二变速组b的传动副数为2，第三变速组c的传动副数为2。结构式中的下标1、3、6分别表示各变速组中相邻两传动比相距的格数。,第4章 数控机床主传动系统设计,四 拟定转速图的方法 拟定转速图的一般步骤为:确定变速组数及各变速组的传动副数;安排变速组的传动顺序，拟定结构式(网);分配传动副传动比，绘制转速图。,第4章 数控机床主传动系统设计,【例4-1】某中型数控车床主轴最低转速为n1=31.5r/min，转速级数Z=12，公比=1.41，电动机转速n电=1440r/min，试拟定其主传动系统转速图。,解：由Z、n1 可知主轴的各级转速应为31.5、45、63、90、125、180、250、355、500、710、1000、1400。,第4章 数控机床传动设计设计,(1)变速组和传动副数的确定 变速组和传动副数可能的方案有:12=43 12=3412=322 12=232 12=223 四联滑移齿轮增加轴向尺寸；如果用两个双联滑动齿轮，则操纵机构必须互锁以防止两个滑移齿轮同时啮合。从电动机到主轴，一般为降速传动。传动副较多的变速组靠近电动机，可使小尺寸的零件多些，大尺寸的零件就可以少些，这就是“前多后少”的原则。从这个角度考虑，取12=322 的方案为好。,第4章 数控机床传动设计设计,(2)结构网或结构式各种方案的选择 在12=322 中，又因基本组和扩大组排列顺序的不同而有六种方案:(a)12=312326(b)12=312623(c)12=322126(d)12=342122(e)12=322621(f)12=342221 在这些方案中，可根据下列原则选择最佳方案。传动副的极限传动比和变速组的极限变速范围。若用齿轮传动，在降速时，常限制最小传动比imin1/4；升速时，最大传动比imax 2，如用斜齿轮传动，则 imax 2.5。因此，主传动链任一变速组的最大变速范围一般为 rmax=imax/imin=810。,第4章 数控机床传动设计设计,在检查变速组的变速范围时，只需检查最后一个扩大组，因为其他变速组的变速范围都比它小。方案(a)、(b)、(c)、(e)的第二扩大组 x2=6，p2=2，则。当=1.41时，则，是可行的。方案(d)和(f)，x2=4，p2=3，=，是不可行的。,第4章 数控机床主传动系统设计,基本组和扩大组的排列顺序 在可行的四种方案(a)、(b)、(c)、(e)中，原则是选择中间传动轴(本例如轴、）变速范围最小的方案。因为如果各方案同一传动轴的最高转速相同，则变速范围小的，最低转速较高，转矩较小，传动件的尺寸也就可以小些。比较四种方案的结构网，可以看出方案(a)的中间传动轴变速范围较小，方案(e)的较大，原因是(a)方案的扩大顺序与传动顺序一致。(e)方案不一致。故方案(a)最佳。即如果没有别的要求，则应尽量使扩大顺序与传动顺序一致。,第4章 数控机床传动设计设计,分配传动比，绘制转速图 电动机和主轴的转速是已定的，当选定了结构网或结构式后，就可分配各传动副的传动比并确定中间轴的转速，再加上定比传动，就可画出转速图。中间轴的转速如果能高一些，传动件的尺寸也就可以小一些。但是，中间轴如果转速过高，将会引起过大振动、发热和噪声。通常，希望齿轮的线速度不超过12-15m/s。对于中型车、钻、铣等机床，中间轴的最高转速不宜超过电动机的转速。对于小型机床和精密机床，由于功率较小，传动件不会太大，这时振动、发热和噪声应该是考虑的主要问题，因此，更要注意限制中间轴的转速，不使其过高。,第4章 数控机床主传动系统设计,结构式三个变速组分别拟为a、b、c。变速机构共需4根轴，加上电动机轴共5 根轴。(电动机到I 轴为定比带传动）故转速图需5 条竖线。主轴共12 级转速，电动机轴转速与主轴最高转速相近，故需12 条横线。然后，标注主轴的各级转速及电动机轴的转速.为使传动系统结构紧凑，尺寸小，在振动、噪声满足要求的前提下，应使传动件尽量工作在较高转速(转矩小)。本例从电动机到主轴总的是降速趋势，按“前慢后快”的原则，首先分配最大降速路线上各传动副的传动比。即,第4章 数控机床主传动系统设计,据各变速组的级比、级比指数确定其他各传动副的传动比。检验各传动比，均未超出极限值。最后，补全各连线，就可以得到转速图。,第4章 数控机床主传动系统设计,五、齿轮齿数的确定 齿轮的齿数取决于传动比和径向尺寸要求。在同一变速组中，若模数相同，且不采用变位齿轮时，则传动副的齿数和相同，若模数不同，则齿数和S与模数m 成反比。即,若z1、z2 分别为某传动副的主、被动轮齿数，,第4章 数控机床主传动系统设计,五、齿轮齿数的确定,为减小传动副的径向尺寸，应尽量减小齿数和，但最少齿数的齿轮受根切条件限制，以及强度要求，齿数不能太少，一般取S70120。对于三联滑移齿轮，当采用标准齿轮且模数相同时，最大齿轮与次大齿轮的齿数差应大于4，以避免滑移过程中的齿顶干涉。,第4章 数控机床主传动系统设计,六、齿轮的布置与排列(1)滑移齿轮的轴向布置变速组的滑移齿轮一般布置在主轴上，为了避免同一滑移齿轮变速组内两对齿轮同时啮合，两个固定齿轮的间距应大于滑移齿轮的总宽度，即留有一定的间隙(1-2mm)。,第4章 数控机床主传动系统设计,六、齿轮的布置与排列(2)一个变速组内齿轮轴向位置的排列如无特殊情况，应尽量缩小齿轮轴向排列尺寸。滑移齿轮的轴向位置排列通常有窄式和宽式两种，一般窄式排列轴向长度较小。,第4章 数控机床主传动系统设计,六、齿轮的布置与排列(3)缩小径向尺寸为了减小变速箱的尺寸，既需缩短轴向尺寸，又要缩短径向尺寸，它们之间往往是相互联系的，应该根据具体情况考虑全局，恰当地解决齿轮布置问题。(4)缩小轴间距离在强度允许的条件下，尽量选取较小的齿数和并使齿轮的降速传动比大于1/4。这样，既缩小了本变速组的轴间距离，又不妨碍其它变速组的轴间距离。,第4章 数控机床主传动系统设计,七、主传动系统计算转速 设计机床主传动系统时，为了使传动件工作可靠、结构紧凑，必须对传动件进行动力计算。主轴及其他传动件(如传动轴、齿轮及离合器等）的结构尺寸主要根据它所传递的转矩大小来决定，即与传递的功率和转速这两个因素有关。机床变速传动链内的零件，有的转速是恒定的。问题：变速传动件应该根据哪一个转速进行动力计算？,第4章 数控机床主传动系统设计,1.机床的功率转矩特性 主轴所传递的功率或转矩与转速之间的关系，称为机床主轴的功率或转矩特性。机床主轴在整个转速范围内，以计算转速(传递全功率的最低转速)为界，分为两个区域：计算转速nj及以上，直到nmax，为恒功率区域；计算转速nj以下，直到nmin为恒转矩区域。传动链中其余传动件的计算转速，可根据主轴的计算转速及转速图决定。,第4章 数控机床主传动系统设计,各类机床的主轴计算转速,第4章 数控机床主传动系统设计,2.机床主要传动件计算转速的确定机床主要传动件计算转速是主轴传递全部功率时的最低转速，计算转速在主轴范围中所处的位置因机床种类而异。当主轴的计算转速确定后，就可以从转速图上确定其它各传动件的计算转速。确定的顺序通常是由后往前，即先定出位于传动链后端（靠近主轴）的传动件的计算转速，再顺次由后往前，即先定出位于传动链后端（靠近主轴）的传动件的计算转速。,第4章 数控机床主传动系统设计,【例4-2】试确定车床的主轴、各传动轴和齿轮的计算转速。解：(1)主轴的计算转速。由前表可知，主轴的计算转速是第一个（低速）三分之一变速范围的最高一级转速，即nj=90r/min。,第4章 数控机床主传动系统设计,(2)各传动轴的计算转速。轴共有6级转速125-710r/min。轴若经齿轮副18/72 传动主轴，只有355-710r/min 的3 级转速才能传递全部功率；若经齿轮副60/30传动主轴，则125-710r/min的6转速都能传递全部功率；因此，轴具有6 级转速都能传递全部功率。其中，能够传递全部功率的最低转速为125r/min，即为轴的计算转速。以此类推。,各传动轴计算转速,第4章 数控机床主传动系统设计,(3)齿轮的计算转速。传动组c中，Z=18的齿轮装在III轴上，共有125-710r/min 6 级转速，其中355-710r/min的3级转速能传递全部功率，而125-250r/min的3级转速不能传递全部功率，因此，Z=18 能够传递全部功率的3级转速为355r/min、500r/min、7l 0r/min。其中355r/min为计算转速。Z=72的齿轮装在轴上，共有31.5-180r/min 6级转速，其中只有90-180r/min 这3 级转速才能传递全部功率，最低转速90r/min 为计算转速。以此类推。,各齿轮的计算转速,第4章 数控机床主传动系统设计,4.3 无级变速传动链的设计 数控机床主运动广泛采用无级变速，使其在一定的调速范围内选择到合理的切削速度，还能在运转中自动变速。数控机床一般采用直流或交流调速电动机作为驱动源。由于数控机床主运动的调速范围较宽，单靠调速电动机无法满足；另一方面调速电动机的功率和转矩特性也难于直接与机床的功率和转矩要求完全匹配。因此，需要在无级调速电动机之后串联机械分级变速传动，以满足调速范围和功率、转矩特性的要求。,第4章 数控机床主传动系统设计,4.3.1 无级变速装置的分类 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。(1)变速电动机：机床上常用的变速电动机有直流电动机和交流变频电动机，恒功率变速范围为2-3；恒转矩变速范围可达30甚至更大。上述功率和转矩特性一般不能满足机床的使用要求，需要在变速电动机和主轴之间串联一个分级变速箱。变速电动机广泛用于数控机床、大型机床中。,第4章 数控机床主传动系统设计,(2)机械无级变速装置：齿轮和宽带型等结构的变速范围小，多是恒转矩传动，较少单独使用，而是与分级变速机构串联使用，以扩大变速范围。主要应用于要求功率、变速范围较小的中小型车床、铣床等机床的主传动中，更多的是用于进给变速传动中。(3)液压无极变速装置：通过改变单位时间内输入液压缸或液动机中液体的油量来实现无极变速。变速范围较大、变速方便、传动平稳、运动换向时冲击小、易于实现直线运动和自动化。液压无极变速装置常用在主运动为直线运动的机床中，如刨床、拉床等。,第4章 数控机床主传动系统设计,4.3.2 机械无级变速与分级变速机构的串联(1)实现连续的机械无级变速系统的条件 机械无级变速器的变速范围rs=4-6，需串联分级变速箱，以扩大其变速范围。设f为分级变速机构的公比，rs为机械无级变速器的变速范围，则实现连续的无级变速系统的条件为rs f。,第4章 数控机床主传动系统设计,(2)机床主轴变速范围 设机床主轴的变速范围为Rn，无级变速器的变速范围为rs，串联的分级变速箱的变速范围为rf，则Rn=rsrf。(3)分级变速机构的变速级数 考虑无级变速器相对滑动现象，一般取f=(0.94-0.96)rs，,第4章 数控机床主传动系统设计,【例4-3】设机床主轴的变速范围 Rn=64，无级变速器的变速范围 rs=8，设计机械分级变速箱，求出其级数，并画出结构网。解：机械分级变速箱的变速范围为机械分级变速箱的公比为分级变速箱的级数为,结构网,第4章 数控机床主传动系统设计,4.3.3 采用直流或交流电动机无级调速一、调速电动机的功率和转矩特性 直流电动机：额定转速nd=10002000r/min。恒功率区域：变速范围为2-4，调节磁场电流(简称调磁)；恒转矩区域：变速范围可达几十甚至超过100，调节电枢电压(简称调压)。交流调速电动机：额定转速nd=1500r/min，调节供电频率调速，常称为调频主轴电动机。恒功率变速范围为3-5；恒转矩变速范围为几十甚至超过100。,第4章 数控机床主传动系统设计,直流和交流电动机的功率转矩特性-恒功率区；-恒转矩区,交流调速电动机：体积小，转动惯性小，动态响应快，没有电刷，能达到的最高转速比同功率的直流电动机高，磨损和故障也少。在中、小功率领域，交流调速电动机占优势，应用广泛。伺服电动机和脉冲步进电动机：是恒转矩，功率不大，用于直线进给运动和辅助运动。,第4章 数控机床主传动系统设计,直线运动：如龙门刨床工作台(主运动)或立式车床刀架(进给运动)，可直接利用调速电动机的恒转矩变速范围，用电动机直接带动或通过定比减速齿轮拖动执行机构。旋转运动：如主轴，由于主轴要求的恒功率变速范围远大于电动机所能提供的恒功率范围，常用串联分级变速箱的办法来扩大其恒功率变速范围。,第4章 数控机床主传动系统设计,二、驱动电动机和主轴功率特性的匹配设计 设计数控机床主传动时，必须要考虑电动机与机床主轴功率特性匹配问题。在电动机与主轴之间串联一个分级变速箱，可以扩大其恒功率变速范围，满足低速大功率切削时对电动机的输出功率的要求。在设计分级变速箱时，考虑机床结构复杂程度，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4章 数控机床主传动系统设计,二、驱动电动机和主轴功率特性的匹配设计 取变速箱的公比f等于电动机的恒功率变速范围Rnp（功率特性图是连续的，无缺口和无重合）。若变速箱的变速级数为Z，则主轴的恒功率变速范围Rnp等于,变速箱的变速级数Z,第4章 数控机床主传动系统设计,【例4-4】有一数控机床，主轴最高转速为4000r/min，最低转速为30r/min，计算转速为150r/min，最大切削功率为5.5kW。采用交流调频主轴电动机，额定转速为1500r/min，最高转速为4500r/min，设计分级变速箱的传动系统并选择电动机的功率。解：主轴要求的恒功率变速范围 Rnp=4000/150=26.7 电动机的恒功率变速范围 Rdp=4500/1500=3 主轴要求的恒功率变速范围远大于电动机所能提供的恒功率变速范围，故必须配以分级变速箱。如取变速箱的公比,第4章 数控机床主传动系统设计,无级变速时 故变速箱的变速级数 取Z=3。传动系统和转速图见下图(a)和(b)，图(c)为主轴的功率特性。,第4章 数控机床主传动系统设计,若要简化变速箱结构，变速级数应少些，变速箱公比f可取大于电动机的恒功率变速范围Rdp，即f Rdp。这时，变速箱每档内有部分低转速只能恒转矩变速，主传动系统功率特性图中出现“缺口”，称其为功率降低区。使用“缺口”范围内的转速时，为限制转矩过大，得不到电动机输出的全部功率。为保证缺口处的输出功率，电动机的功率应相应增大。,第4章 数控机床主传动系统设计,加工中心的主电动机采用交流调速电动机，连续工作额定功率为18.5kW，30min工作最大输出功率为22kW。电动机经中间轴3、锥环2 和无键联接驱动齿轮1，经两级滑移齿轮变速传至主轴，滑移齿轮中的大齿轮套在小齿轮上，大齿轮的左侧是齿数、模数与小齿轮相同的内齿轮，两者组成齿轮离合器，将大小齿轮联成一体。,第4章 数控机床主传动系统设计,主传动系统图 转速图和功率特性图,交流调速电动机额定转速为1500r/min，最高转速为4000r/min。电动机恒功率变速范围Rdp=4000/1500=2.67，主轴恒功率变速范围Rdp=nmax/nmin=4000/113=35.4。变速箱的变速级数Z=2，变速箱的公比计算如下:f大于Rdp 值许多，在主轴的功率特性图中将出现较大的缺口。在缺口处的功率仅为,第4章 数控机床主传动系统设计,如果数控机床需要在恒线速切削过程中变速，取变速箱公比小于电动机的恒功率变速范围，即fRdp。主传动系统功率特性图上有小段重合，变速箱级数增多，结构复杂。这种设计适合于恒线速切削时可在运转中变速的场合，如数控车床切削阶梯轴或端面。在恒线速切削时，随着工件直径的变化，主轴转速也要随之而自动变化。这时不能用变速箱变速，必须用电动机变速。因为用变速箱变速时必须停车，这在连续切削时是不允许的。因此，可采用增加变速箱的变速级数Z，降低公比f的方法解决。,第4章 数控机床主传动系统设计,【例4-5】某数控机床，主轴最高转速为4000r/min，最低转速为40r/min，计算转速为160r/min。采用交流调频电动机，最高转速为4500r/min，额定转速为1500r/min，设计分级变速箱的主传动系统。解：主轴要求的恒功率变速范围为 Rnp=4000/160=25 电动机可达到的恒功率变速范围为 Rdp=4500/1500=3 如取Z=4，则=25/3，故f=2.03，取f=2。,第4章 数控机床主传动系统设计,转速图和功率特性图,变速箱4 种传动比：(1/1)(1/1)=(1/1);(1/2)(1/1)=(1/2);(1/1)1/4)=(1/4);(1/2)(1/4)=(1/8)。传动比i=1/1时，主轴转速为4000-1330r/min(ab段);i=1/2 时，主轴转速为2000-667r/min(cd段);i=1/4 时，主轴转速为1000-335r/min(ef 段);i=1/8 时，主轴转速为500-168r/min(gh段)。这四段用的全是电动机的恒功率区，在主轴的功率特性图上出现小段重合。168-40r/min(hj段)为恒转矩区。如果要求主轴转速在800-1600r/min范围内作恒功率的不停车变速，则可用cd段，变速箱传动比为1/2。,第4章 数控机床主传动系统设计,4.4 现代数控机床主传动系统 4.4.1 高速主传动设计 高速切削/磨削需要高的主轴转速，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。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：采用联轴器将机床主轴和电动机轴串接成一体，减少中间传动环节；将电动机与主轴合为为一体，制成内装式电主轴，实现无任何中间环节的直接驱动，并通过循环水冷却方式减少发热。,第4章 数控机床主传动系统设计,高速内置式主轴,第4章 数控机床主传动系统设计,电主轴结构,第4章 数控机床主传动系统设计,4.4.2 柔性化、复合化设计 数控机床对加工对象的变化有很强的适应能力(即柔性)。目前，在提高单机柔性化的同时，正努力向单元柔性化和系统柔性化方向发展。数控车床由单主轴发展成具有两根主轴，又在此基础上增设附加控制轴C轴控制功能，即可控制主轴的回转，成为车削中心；配备后备刀库和其他辅助功能，如刀具检测装置、补偿装置和加工监控，增加自动装卸工件的工业机械手和更换卡盘装置，成为适合于中小批量生产用自动化的车削柔性制造单元。,第4章 数控机床主传动系统设计,4.4.2 柔性化、复合化设计 下图所示的车削中心，有两根主轴，都采用电主轴结构，都具有C轴功能和相同加工能力，第二主轴还可沿Z轴横向移动。如工件长度较大，可用两个主轴同时夹住进行加工，以增强工件的刚性。如是长度较短的盘套类工件，两主轴可交替夹住工件，以便从工件的两端进行加工。,车削中心各控制轴示意,第4章 数控机床主传动系统设计,车铣中心增加B軸,第4章 数控机床主传动系统设计,数控机床的发展已经模糊了粗、精加工的工序概念，车削中心又把车、铣、镗、钻等工序集中到同一机床上来完成，完全打破了传统的机床分类，由机床单一化走向多元化、复合化(工序复合化和功能复合化)。因此，现代数控机床和加工中心的设计，已不仅仅考虑单台机床本身，还要综合考虑工序集中、制造控制、过程控制以及物料的传输，以缩短产品加工时间和制造周期，最大限度地提高生产率。,第4章 数控机床主传动系统设计,STUDER S242车磨复合加工机床硬车削和磨削复合的机床 床身采用Granitan S103人造花岗石。硬车时干切削，不使用冷却液。采用斜床身，排屑路径通畅，切屑不与床身直接接触，保持机床热稳定性。,第4章 数控机床主传动系统设计,铣车复合加工中心,第4章 数控机床主传动系统设计,机床主传动系统的结构设计，是将传动方案“结构化”，向生产部门提供主传动部件装配图、零件工作图及零件明细表等。机床主传动部件即主轴变速箱的结构设计主要内容包括：主轴组件设计 操纵机构设计 传动轴组件设计 其他机构(如开停、制动及换向机构等)设计 润滑与密封装置设计 箱体及其他零件设计等,4.5 主传动系统结构设计,第4章 数控机床主传动系统设计,主轴变速箱部件装配图包括：展开图；横向剖视图；外观图及其他必要的局部视图等。绘制展开图和横向剖视图时，要相互照应，交替进行，不应孤立割裂地设计，以免顾此失彼。绘制出部件的主要结构装配草图之后，需要检查各元件是否相碰或干涉，再根据动力计算的结果修改结构，然后细化、完善装配草图，并按制图标准进行加深，最后进行尺寸、配合及零件标注等。,第4章 数控机床主传动系统设计,4.5.1 变速机构,大多数机床的主运动都要进行变速，变速方式分为分级变速和无级变速。分级变速机构有下列几种。(1)交换齿轮变速机构：变速简单，结构紧凑。(2)滑移齿轮变速机构：多用直齿圆柱齿轮传动，传动平稳性不如斜齿轮传动。(3)离合器变速传动：在离合器变速机构中应用较多的有牙嵌式离合器、齿轮式离合器和摩擦片式离合器。采用摩擦离合器变速时，为减小离合器的尺寸，应尽可能将离合器安排在转速较高的传动轴上，而且要防止出现超速现象。,第4章 数控机床主传动系统设计,4.5.1 齿轮在轴上的布置,齿轮布置方式，直接影响到变速箱尺寸、变速操纵方便性以及结构实现的可能性。要根据具体要求，合理加以布置。尽量以较小的齿轮为滑移齿轮，使操纵省力。在同一个变速组内，必须保证当一对齿轮完全脱开之后，另一对齿轮才能开始进入啮合，即两个固定齿轮的间距，应大于滑移齿轮的宽度，其间隙为1-4mm。双联滑移齿轮传动组的轴向长度为B4b，三联滑移齿轮传动组的轴向长度为B7b。,第4章 数控机床主传动系统设计,双联滑移齿轮 三联滑移齿轮 轴向排列长度 轴向排列长度,第4章 数控机床主传动系统设计,将三联齿轮一分为二的轴向排列,缩短轴向尺寸的措施:把三联齿轮一分为二，就能使轴向长度少一个b。但使操纵机构复杂了，两个滑移齿轮的操纵机构之间要互锁，以防止两对齿轮同时啮合;把两个传动组统一安排。,第4章 数控机床主传动系统设计,(a)是一般的排列方式，总长度B8b；(b)将固定齿轮都放在轴上，从动轮处于两端，主动轮放在中间，使主、从动轮交错排列，这时总长度只需B6b。采用公用齿轮也可缩短轴向长度，如图(c)，公用齿轮(画阴影线)使轴向长度缩短一个b。若再将轴上的主、从动齿轮交错排列，图(d)，可缩到B5b。,三轴四速的几种排列方式,第4章 数控机床主传动系统设计,缩小变速箱径向尺寸的措施:缩小轴间距离。在强度允许条件下，尽量选用较小齿数和，并使齿轮降速传动比大于1/4，避免采用过大的齿轮;采用轴线相互重合方式。在相邻变速组的轴间距离相等的情况下，可将其中两根轴布置在同一轴线上，则可大大缩小径向尺寸，如下图中的轴、两轴线重合;相邻各轴在横剖面图上布置成三角形，可以缩小径向尺寸;在一个传动组内，若取最大传动比等于最小传动比的倒数，则传动件所占的径向空间将是最小的。,轴线重合的布置方式,第4章 数控机床主传动系统设计,4.5.3 主传动的开停、制动装置,(1)主传动的开停装置：控制主轴的启动与停止的机构。当电动机功率较小时，可直接开停电动机；电动机的功率较大时，可以采用离合器实现主轴的启动和停止，目前大多采用多片式摩擦离合器。离合器一般放置在传动链前端转速较高的传动轴上，这样，传递的转矩较小，可使结构紧凑；停车后可使传动链的大部分运动件停止不动，从而减少空载功率损失。,第4章 数控机床主传动系统设计,(2)主传动的制动装置：装卸工件、测量被加工面尺寸、更换刀具及调整机床时，希望机床的主运动执行件(如主轴)尽快停止运动。闸带式制动器：操纵机构通过操纵杠杆作用于闸带的松边，操纵力小且制动平稳。制动器安置在接近执行件且转速较高、变速范围较小的传动件上。,闸带式制动器的工作原理 1-制动轮；2-闸带；3-操纵杠杆；P-操纵力；T-切向应力,第4章 数控机床主传动系统设计,片式制动器：将惯性运转的运动件与静止不动时的固定件相结合。车床床头箱内的单片式制动器动片1与传动轴靠花键相联接，定片2在固定套3 上可沿其槽口轴向移动，停车时断开传动链，接通压力油使活塞4向右移动，使定片压紧动片，靠摩擦力矩使之制动；开车时断开压力油，靠弹簧5使活塞向左移开，放松定片。,单片式制动器 1一动片；2一定片；3一固定套；4一活塞；5一弹簧,第4章 数控机床主传动系统设计,4.5.4 立式加工中心主轴箱的构造,第4章 数控机床主传动系统设计,4.5.5 数控车床主轴箱构造,MJ-50 数控车床传动系统,第4章 数控机床主传动系统设计,4.5.5 数控车床主轴箱构造,主轴功率转矩特性,第4章 数控机床主传动系统设计,4.5.5 数控车床主轴箱构造,MJ-50 数控车床主轴箱结构简图,1、6、8螺母；2 同步带；3、16 同步带轮；4 脉冲编码器；5、12、13、17 螺钉；7 主轴；9 主轴箱体；10 角接触球轴承；11、14 双列圆柱滚子轴承；15 带轮,第4章 数控机床主传动系统设计,作 业,数控机床主传动系统有哪些特点？简述数控机床主传动系统的主要配置方式。根据机床主传动系统图（左图），写出其传动路线表达式，绘制转速图，计算各轴计算转速，确定个齿轮计算转速。某数控车床主轴最低转速为n1=40r/min，转速级数Z=12，公比=1.26，电动机转速n电=1440r/min，试拟定其主传动系统 转速图。绘图说明机床的功率转矩特性。简述数控机床主传动系统常用分级变速机构。,