第二章_机床传动设计(3)

1、第二章第二章 机床传动系统设计机床传动系统设计 第五节第五节 进给传动系统设计进给传动系统设计 一、进给传动的载荷特点一、进给传动的载荷特点 进给传动用于进给传动用于实现机床的进给运动和辅助运动，且多为直线实现机床的进给运动和辅助运动，且多为直线运动。运动。 进给传动的载荷特点：进给传动的载荷特点：直线传动的恒转矩载荷，传动件的计直线传动的恒转矩载荷，传动件的计算转速算转速 n计计 就是传动件的最高转速。就是传动件的最高转速。电动机电动机主换向机构主换向机构主变速机构主变速机构进给换进给换向机构向机构进给箱进给箱挂轮架挂轮架外联系传动进给链外联系传动进给链内联系螺纹链内联系螺纹链 二、进给传动

2、的分类和组成二、进给传动的分类和组成 1.1.分类分类: : 机械进给传动、液压进给传动、电伺服进给传动机械进给传动、液压进给传动、电伺服进给传动 2.2.组成组成 进给传动链由动力源、变速机构、换向机构、运动分进给传动链由动力源、变速机构、换向机构、运动分配机构、过载保护机构、运动转换机构和执行件等组成。配机构、过载保护机构、运动转换机构和执行件等组成。 1 1）进给传动可单独采用电动机作为动力源，便于缩短传动进给传动可单独采用电动机作为动力源，便于缩短传动链，实现几个方向的进给运动。链，实现几个方向的进给运动。 2 2）进给传动可与主传动共用一个动力源，便于保证主传动进给传动可与主传动共用

3、一个动力源，便于保证主传动和进给运动之间的严格传动比。适用于具有内联系传动链的机床，和进给运动之间的严格传动比。适用于具有内联系传动链的机床，如车床、齿轮加工机床。如车床、齿轮加工机床。第五节第五节 进给传动系统设计进给传动系统设计 3 3）变速机构）变速机构 用来改变进给量大小。有交换齿轮变速、滑移用来改变进给量大小。有交换齿轮变速、滑移齿轮变速、齿轮离合器变速、机械无级变速和伺服电动机变速。齿轮变速、齿轮离合器变速、机械无级变速和伺服电动机变速。 4 4）换向机构）换向机构 进给电动机换向，换向方便，但换向不能太进给电动机换向，换向方便，但换向不能太频繁。频繁。齿轮换向（圆柱齿轮和圆锥齿轮

4、），换向可靠，广泛用齿轮换向（圆柱齿轮和圆锥齿轮），换向可靠，广泛用于各种机床。于各种机床。 5 5）运动分配机构）运动分配机构 用来转换传动路线，用来转换传动路线，常采用离合器。常采用离合器。 6 6）过载保护机构）过载保护机构 过载时可自动断开运动过载时可自动断开运动，过载排除后自动过载排除后自动接通。接通。常采用牙嵌离合器、片式安全离合器。常采用牙嵌离合器、片式安全离合器。 7 7）运动转换机构）运动转换机构 用来变换运动的类型（回转运动变为直线用来变换运动的类型（回转运动变为直线运动），运动），如齿轮齿条、蜗杆蜗轮、丝杠螺母等。如齿轮齿条、蜗杆蜗轮、丝杠螺母等。第五节第五节 进给传动系

5、统设计进给传动系统设计 外联系进给链外联系进给链 包括变速、换向、运动分配、过载保护、运动包括变速、换向、运动分配、过载保护、运动转换、超越等机构以及齿轮齿条副、丝杠螺母副。转换、超越等机构以及齿轮齿条副、丝杠螺母副。 内联系进给链内联系进给链 包括传动比准确的变速机构。包括传动比准确的变速机构。 普通机床大多是机械分级变速进给链普通机床大多是机械分级变速进给链电动机电动机主换向机构主换向机构主变速机构主变速机构进给换进给换向机构向机构进给箱进给箱挂轮架挂轮架外联系传动进给链外联系传动进给链内联系螺纹链内联系螺纹链第五节第五节 进给传动系统设计进给传动系统设计 数控机床是无级电伺服变速进给链数

6、控机床是无级电伺服变速进给链 机床的进给运动采用一个伺服电动机，直接或通过一定比传动机床的进给运动采用一个伺服电动机，直接或通过一定比传动机构与滚珠丝杠相连接。在丝杠（或伺服电动机）等旋转零件端机构与滚珠丝杠相连接。在丝杠（或伺服电动机）等旋转零件端部安装脉冲发生器，用同步脉冲控制伺服电动机，保证工作台精部安装脉冲发生器，用同步脉冲控制伺服电动机，保证工作台精确的运动速度和定位精度。确的运动速度和定位精度。第五节第五节 进给传动系统设计进给传动系统设计 三、机械分级进给传动系的设计要点三、机械分级进给传动系的设计要点 1.1.进给传动是恒转矩传动进给传动是恒转矩传动 在各种不同进给量的情况下，

7、产生的切削力大致相同，进给力在各种不同进给量的情况下，产生的切削力大致相同，进给力也是大致相同。也是大致相同。故驱动进给运动的传动件是恒转矩传动。故驱动进给运动的传动件是恒转矩传动。 ui 越大，越大，传动件承受的转矩越大。在进给传动系的最大升速链传动件承受的转矩越大。在进给传动系的最大升速链中，各传动件至末端输出轴的传动比最大，承受的转矩也最大。故中，各传动件至末端输出轴的传动比最大，承受的转矩也最大。故各传动件的计算转速是其最高转速。各传动件的计算转速是其最高转速。iiiuTnnTT末末末/第五节第五节 进给传动系统设计进给传动系统设计第五节第五节 进给传动系统设计进给传动系统设计 因为进

8、给系统是恒转因为进给系统是恒转矩变速，末端旋转件的转矩变速，末端旋转件的转矩一定。为减小中间传动矩一定。为减小中间传动轴及其传动件的结构尺寸。轴及其传动件的结构尺寸。扩大顺序采用扩大顺序采用“前疏后密前疏后密”的原则。的原则。 4.4.进给传动扩大顺序原则进给传动扩大顺序原则 如：升降台铣床进给如：升降台铣床进给传动系转速图传动系转速图第五节第五节 进给传动系统设计进给传动系统设计 1.1.普通机床采用液压无级调速普通机床采用液压无级调速 通过改变流量阀阀口过流面积通过改变流量阀阀口过流面积调节液流阻力、液压缸出口流量，实现速度变化。运动平稳性好，调节液流阻力、液压缸出口流量，实现速度变化。运

9、动平稳性好，变速范围大，但调速不准确，变速范围大，但调速不准确，适用于外联系进给传动系统。适用于外联系进给传动系统。 2.2.数控机床采用伺服电机无级调速数控机床采用伺服电机无级调速 按有无检测、反馈装置以按有无检测、反馈装置以及装置的位置分为及装置的位置分为开环、半开环、闭环伺服系统。开环、半开环、闭环伺服系统。 （1）开环伺服系统开环伺服系统 数控装置脉冲数控装置脉冲分配器分配器功率放大器功率放大器步进电机步进电机齿轮齿轮滚珠丝杠螺母副滚珠丝杠螺母副工作台。系统精度工作台。系统精度取决于步进角、齿轮和滚珠丝杠副的传取决于步进角、齿轮和滚珠丝杠副的传动精度，动精度，适用于精度不高的数控机床。

10、适用于精度不高的数控机床。开环伺服系统开环伺服系统第五节第五节 进给传动系统设计进给传动系统设计 （2 2）闭环）闭环伺服系统伺服系统 检测装置安装在工作台上，将工作台的实检测装置安装在工作台上，将工作台的实际位移量反馈给数控装置，与控制量比较，控制伺服电动机或修际位移量反馈给数控装置，与控制量比较，控制伺服电动机或修正补偿指令，以消除工作台等执行件的移动误差。正补偿指令，以消除工作台等执行件的移动误差。适用于伺服电适用于伺服电机和步进电机驱动的精密数控机床上。机和步进电机驱动的精密数控机床上。 （3）半闭环伺服系统半闭环伺服系统 检测装检测装置安装在传动的旋转部件上，不置安装在传动的旋转部件

11、上，不能补偿丝杠螺母副的传动误差，能补偿丝杠螺母副的传动误差，不能检测工作台等执行件的运动不能检测工作台等执行件的运动误差。系统精度高于开环，低于误差。系统精度高于开环，低于闭环系统。闭环系统。多用于数控机床的进多用于数控机床的进给系统。给系统。第五节第五节 进给传动系统设计进给传动系统设计第六节第六节 结构设计结构设计 一、主轴箱的结构及要求一、主轴箱的结构及要求 主轴箱中有主轴、变速机构，操纵机构和润滑系统等。主轴箱中有主轴、变速机构，操纵机构和润滑系统等。 主轴箱应保证运动参数、较高的传动效率；主轴箱应保证运动参数、较高的传动效率； 传动件具有足够的强度或刚度传动件具有足够的强度或刚度,

12、 ,运动噪声低；运动噪声低； 操纵方便，便于检修；操纵方便，便于检修； 良好的工艺性，成本低，外形美观等。良好的工艺性，成本低，外形美观等。 第六节第六节 结构设计结构设计 二、主轴箱内传动轴的空间布置二、主轴箱内传动轴的空间布置 首先满足机床总体布局对主轴箱的形状和尺寸限制；首先满足机床总体布局对主轴箱的形状和尺寸限制； 兼顾变速机构、润滑装置的设计合理性；兼顾变速机构、润滑装置的设计合理性； 考虑各传动轴受力情况、装配调整和操纵维修方便；考虑各传动轴受力情况、装配调整和操纵维修方便； 确保散热性能，减小热变形。确保散热性能，减小热变形。 要求：要求：第六节第六节 结构设计结构设计1.1.主

13、轴箱内各传动轴的布置顺序主轴箱内各传动轴的布置顺序 确定电机轴或运动输入确定电机轴或运动输入轴的位置；轴的位置； 最后确定其它各传动轴最后确定其它各传动轴的位置。的位置。 通常传动轴按三角形布置，通常传动轴按三角形布置，以缩小箱体径向尺寸。以缩小箱体径向尺寸。 首先确定主轴的位置（车床根据其中心高确定）；首先确定主轴的位置（车床根据其中心高确定）； 然后确定传动主轴的轴的位置，以及与主轴有齿轮啮合关然后确定传动主轴的轴的位置，以及与主轴有齿轮啮合关系的轴的位置；系的轴的位置；传动轴传动轴输入轴输入轴其它传动轴其它传动轴第六节第六节 结构设计结构设计变速箱内也可采用变速箱内也可采用传动轴线重合传

14、动轴线重合 轴轴 轴轴卸荷带轮卸荷带轮第六节第六节 结构设计结构设计 卧式铣床的主变速机构，是利用立式床身作为变速箱体。卧式铣床的主变速机构，是利用立式床身作为变速箱体。 立式床身内部空间立式床身内部空间较大，各传动轴可以排较大，各传动轴可以排在一个铅垂平面内，空在一个铅垂平面内，空间布置比较宽松，以便间布置比较宽松，以便于装配、调整和维修。于装配、调整和维修。 由于床身较宽，为由于床身较宽，为了减少传动轴轴承间的了减少传动轴轴承间的跨距，也在中间加一个跨距，也在中间加一个支承墙。支承墙。 主轴主轴传动轴传动轴 一端固定的优点一端固定的优点 轴受热后，可以向一端自由伸长，不会产生轴受热后，可以

15、向一端自由伸长，不会产生热应力，适用于长轴。热应力，适用于长轴。第六节第六节 结构设计结构设计 2.2.主轴箱内传动轴的轴向固定主轴箱内传动轴的轴向固定 传动轴可通过轴承在箱体内固定，采用单列向心球轴承可一端传动轴可通过轴承在箱体内固定，采用单列向心球轴承可一端固定，也可两端固定。采用圆锥滚子轴承必须两端固定。固定，也可两端固定。采用圆锥滚子轴承必须两端固定。 （1 1）传动轴一端固定方式）传动轴一端固定方式衬套固定衬套固定孔台固定孔台固定弹簧挡圈弹簧挡圈用螺钉调整用螺钉调整用调整垫调整用调整垫调整用调整垫调整用调整垫调整第六节第六节 结构设计结构设计 （2 2）传动轴两端固定方式）传动轴两端

16、固定方式第六节第六节 结构设计结构设计 3.3.主轴箱的构造实例主轴箱的构造实例 图示：一立式镗铣加工中图示：一立式镗铣加工中心的主轴箱，交流变频电动机心的主轴箱，交流变频电动机的输出动力，经如下齿轮传动的输出动力，经如下齿轮传动驱动主轴。驱动主轴。 166109109665331 zzzz419941109666432 zzzz 变速机构级比为变速机构级比为4 4。主轴转主轴转速为速为153500r/min。 第六节第六节 结构设计结构设计 1 1）结构特点之一）结构特点之一 轴轴的上端有孔及键槽。的上端有孔及键槽。电机轴插入孔内并靠键传递电机轴插入孔内并靠键传递转矩。不用联轴器，构造较转矩

17、。不用联轴器，构造较简单。简单。 由于轴由于轴直径较大，齿直径较大，齿轮轮z z1 1、z z2 2只能与轴只能与轴制成一制成一体。为减小淬火变形，齿轮体。为减小淬火变形，齿轮需用低合金钢制造。大修时，需用低合金钢制造。大修时，若更换齿轮，轴也需更换。若更换齿轮，轴也需更换。 第六节第六节 结构设计结构设计 齿轮齿轮z z1 1和和z z2 2都与齿轮都与齿轮z z3 3啮啮合，但两轮齿中间段不工作。合，但两轮齿中间段不工作。为减少滚齿的工作量，在为减少滚齿的工作量，在z z1 1和和z z2 2之间车一环槽。之间车一环槽。 2 2）结构特点之二）结构特点之二 轴轴的螺纹孔的螺纹孔A用于拆卸用

18、于拆卸I I轴。为拆卸方便，在轴。为拆卸方便，在A孔下孔下端钻一大孔端钻一大孔B。 轴轴转速较高，其内孔转速较高，其内孔很难保证与外圆的严格同轴，很难保证与外圆的严格同轴，故应考虑动平衡。故应考虑动平衡。第六节第六节 结构设计结构设计 轴轴用两个深沟球轴承用两个深沟球轴承支承在箱体内。支承在箱体内。 3 3）结构特点之三）结构特点之三 下轴承的内圈、外圈的下轴承的内圈、外圈的轴向均被固定，即轴向均被固定，即轴的下轴的下端轴向定位。端轴向定位。 上轴承的内圈通过轴上轴承的内圈通过轴的台阶和弹簧挡圈与轴的台阶和弹簧挡圈与轴定定位。轴承外圈与箱体孔之间位。轴承外圈与箱体孔之间无任何轴向固定装置。无任

19、何轴向固定装置。第六节第六节 结构设计结构设计 齿轮齿轮z z3 3和和z z4 4在轴在轴上滑移。上滑移。轴轴为花键轴。两齿轮都要为花键轴。两齿轮都要磨削，需制成套装的。磨削，需制成套装的。 4 4）结构特点之四）结构特点之四 齿轮齿轮z z4 4 有较长的轮毂，有较长的轮毂，内为花键孔，齿轮内为花键孔，齿轮z z3 3套装在套装在其外，并用键传递转矩。其外，并用键传递转矩。 拨叉拨叉3 依靠液压缸提拉。依靠液压缸提拉。为减少磨损和发热，拨叉和为减少磨损和发热，拨叉和齿轮之间设有特轻型深沟球齿轮之间设有特轻型深沟球轴承。轴承。第六节第六节 结构设计结构设计 5 5）结构特点之五）结构特点之五

20、 轴轴上端轴向定位，下端上端轴向定位，下端轴向自由。上端轴承为轻型，轴向自由。上端轴承为轻型，支承能力较低，采用两个轴支承能力较低，采用两个轴承。承。 主轴主轴的最高转速较高，的最高转速较高，其前轴承为超轻型三联角接其前轴承为超轻型三联角接触球轴承，后轴承为双联角触球轴承，后轴承为双联角接触球轴承。以提高主轴组接触球轴承。以提高主轴组件刚度和支承能力。件刚度和支承能力。第六节第六节 结构设计结构设计 三、传动轴的估算和验算三、传动轴的估算和验算（1 1）按扭转刚度估算轴的直径）按扭转刚度估算轴的直径 传动轴必须保证足够的弯曲刚度和扭转刚度。过大的弯曲变传动轴必须保证足够的弯曲刚度和扭转刚度。过

21、大的弯曲变形，会产生齿轮的不均匀磨损和噪声；轴承内、外圈产生相对倾形，会产生齿轮的不均匀磨损和噪声；轴承内、外圈产生相对倾角。扭转刚度不足，引起传动轴的扭振。角。扭转刚度不足，引起传动轴的扭振。 d 为轴的直径为轴的直径 K 为键槽系数为键槽系数 A 为扭转系数为扭转系数 P 为电机额定功率为电机额定功率jnPKAdh h 设计步骤设计步骤 先按扭转刚度估算轴的直径，定出轴跨距，再按弯先按扭转刚度估算轴的直径，定出轴跨距，再按弯曲刚度验算轴的直径。曲刚度验算轴的直径。第六节第六节 结构设计结构设计 （2 2）按弯曲刚度验算轴的直径）按弯曲刚度验算轴的直径 1 1）对轴进行受力分析）对轴进行受力

22、分析 根据轴上滑移齿轮的不同位置，选出根据轴上滑移齿轮的不同位置，选出受力变形最严重的位置进行验算。受力变形最严重的位置进行验算。 2 2）对轴变形最严重处验算）对轴变形最严重处验算 当齿轮处于轴中部时，应验算在齿轮处轴的挠度；当齿轮处于轴中部时，应验算在齿轮处轴的挠度； 当齿轮处于轴的两端附近时，应验算齿轮的倾角和轴承的倾角。当齿轮处于轴的两端附近时，应验算齿轮的倾角和轴承的倾角。 3 3）对轴的挠度和倾角验算）对轴的挠度和倾角验算 按材料力学公式计算轴的挠度或倾角，按材料力学公式计算轴的挠度或倾角，检查是否超多允许值。检查是否超多允许值。第六节第六节 结构设计结构设计 四、齿轮的轴向布置四

23、、齿轮的轴向布置 当三联滑移齿轮右移，使齿轮当三联滑移齿轮右移，使齿轮 z z1 1 与齿轮与齿轮 z z4 4 啮合时，次大滑啮合时，次大滑移齿轮移齿轮 z z2 2 与固定小齿轮与固定小齿轮 z z6 6 的齿顶圆半径之和应小于中心距，即的齿顶圆半径之和应小于中心距，即2zz22zz6362mmmmm 故三联滑移齿轮顺利啮合的条件：故三联滑移齿轮顺利啮合的条件： z3-z24 1.1.三联滑移齿轮顺利啮合的条件三联滑移齿轮顺利啮合的条件第六节第六节 结构设计结构设计 2.2.齿轮轴向布置原则齿轮轴向布置原则 （1 1）滑移齿轮中，当一对齿轮完全脱离啮合后，另一对齿轮滑移齿轮中，当一对齿轮完

24、全脱离啮合后，另一对齿轮才能进入啮合。固定齿轮间的最小距离才能进入啮合。固定齿轮间的最小距离 L=2b+ （b 为齿轮厚为齿轮厚度，度，b=（6 12）mn，=12 mm，mn 为齿轮的法向模数）。为齿轮的法向模数）。 （3 3）滑移齿轮应采用窄式排列，滑移齿轮应采用窄式排列，以减小轴向长度。以减小轴向长度。 （2 2）滑移齿轮应装在主动轴上，滑移齿轮应装在主动轴上，以减小滑移齿轮的重量，便于操纵。以减小滑移齿轮的重量，便于操纵。第六节第六节 结构设计结构设计 3.3.齿轮的轴向排列齿轮的轴向排列 将滑移齿轮紧靠一起，大齿轮将滑移齿轮紧靠一起，大齿轮居中，固定齿轮分离安装，相隔距居中，固定齿轮

25、分离安装，相隔距离为离为2b+，相邻变速位置的滑移，相邻变速位置的滑移行程也是行程也是2b+，不考虑刀具的越，不考虑刀具的越程槽宽度等尺寸。程槽宽度等尺寸。 （1 1）窄式排列）窄式排列 将固定齿轮紧靠一起，将固定齿轮紧靠一起，大齿轮居中，滑移齿轮分离大齿轮居中，滑移齿轮分离安装。安装。 （2 2）宽式排列）宽式排列第六节第六节 结构设计结构设计 （3 3）亚宽式排列）亚宽式排列 将三联滑移齿轮中的两齿轮紧靠一起，另一齿轮分离，分隔距将三联滑移齿轮中的两齿轮紧靠一起，另一齿轮分离，分隔距离为离为 2b+，轴向总长度为轴向总长度为 B 9b+3，其特点：其特点： 能实现转速从高到低（或由低到高）

26、的顺序变速；能实现转速从高到低（或由低到高）的顺序变速； 能使滑移的小齿轮越过固定的小齿轮，改变顺利啮合条件。能使滑移的小齿轮越过固定的小齿轮，改变顺利啮合条件。 可用于大齿轮与次大齿轮的齿数差可用于大齿轮与次大齿轮的齿数差9b+2，比并行排列，比并行排列 的轴向长度短。的轴向长度短。 （2 2）交错排列）交错排列第六节第六节 结构设计结构设计 五、提高传动件精度措施五、提高传动件精度措施1.1.误差传递规律误差传递规律 传动系各传动件在传递运传动系各传动件在传递运动和转矩时，也将其转角误差动和转矩时，也将其转角误差按传动比的大小放大和缩小，按传动比的大小放大和缩小，依次向后传递到执行件上。依次向后