第八章 传动设计

第八章传动设计 1主传动系设计概述 2分级变速传动链设计 3无级变速传动链设计 4主轴箱 5内联系传动链的设计原则 6进给传动系统设计概述 7进给伺服电动机选择 8滚珠丝杠副设计 9伺服进给系统降速传动设计 第八章传动设计 1主传动系设计概述 2分级变速传动链设计 3无级变速传动链设计 4主轴箱 5内联系传动链的设计原则 6进给传动系统设计概述 7进给伺服电动机选择 8滚珠丝杠副设计 9伺服进给系统降速传动设计 一 主传动系设计应满足的基本要求 1 满足机床使用性能要求 2 满足机床传递动力要求 3 满足机床工作性能的要求 4 满足产品设计经济性的要求 5 调整维修方便 结构简单 合理 便于加工和装配 防护性能好 使用寿命长 二 主传动系分类和传动方式 主传动系的组成 主传动系一般由动力源 变速装置及执行件 以及开停 换向和制动机构等部分组成 一 主传动系分类 1 按驱动主传动的电动机类型交流电动机驱动和直流电动机驱动 2 按传动装置类型机械传动装置 液压传动装置 电气传动装置以及它们的组合 3 按变速的连续性分级变速传动和无级变速传动 分级变速传动 分级变速传动级数一般不超过20 30级 分级变速传动方式有滑移齿轮变速 交换齿轮变速和离合器变速 优点 传递功率大 变速范围广 传动比准确 工作可靠 应用广泛 缺点 有速度损失 运转中不能变速 可以在一定的变速范围内连续改变转速 以得到最有利的切削速度 能在运转中变速 便于实现变速自动化 能在负载下变速 便于车削大端面时保持恒定的切削速度 以提高生产效率和加工质量 无级变速传动 二 主传动系的传动方式 主要有 集中传动方式和分离传动方式 集中传动方式主传动系的全部传动和变速机构集中装在同一个主轴箱内 优点 结构紧凑 便于实现集中操纵 箱体数少 在机床上安装 调整方便 缺点 传动件的振动和发热会直接影响主轴的工作精度 降低加工质量 适用于普通精度的中型和大型机床 分离传动方式把主轴组件和主传动的大部分变速机构分离装于两个箱体内 并将这两个部件分别称为主轴箱和变速箱 中间一般采用带传动 优点 可减少主轴的振动和热变形 主轴可直接得到高转速 运转平稳 加工表面质量高 缺点 箱体数多 加工 装配工作量较大 成本较高 带传动在低转速时传递转矩较大 容易打滑 更换传动带不方便等 第八章传动设计 1主传动系设计概述 2分级变速传动链设计 3无级变速传动链设计 4主轴箱 5内联系传动链的设计原则 6进给传动系统设计概述 7进给伺服电动机选择 8滚珠丝杠副设计 9伺服进给系统降速传动设计 一 分级变速机构的转速图和结构网 1 转速图三线一点 转速图表示 主轴各级转速的传动路线在主轴得到连续的等比数列条件下 所需的传动组数和每个传动组中的传动副数传动组的级比指数基本组和扩大组各传动组的变速范围 级比指数 传动副数 2 结构网和结构式 表示传动比的相对关系而不表示转速数值的线图称为结构网 结构网表示 传动链组成及传动顺序各传动组的级比指数扩大顺序 二 主变速传动系设计的一般原则 1 传动副前多后少原则含义 应尽可能将传动副较多的变速组安排在前面 传动副数少的变速组放在后面 目的 使主变速传动系中更多的传动件在高速范围内工作 尺寸小一些 以便节省变速箱的造价 减小变速箱的外形尺寸 12 3 2 2 12 2 3 2 12 2 2 3 2 传动顺序与扩大顺序相一致的原则 前紧后松 前密后疏 含义 此时 在结构网与转速图上 前面变速组的传动线分布得紧密些 后面变速组的传动线分布得疏松些 目的 如果变速组的扩大顺序与传动顺序一致 可提高中间传动轴的转速 反之 若扩大顺序与传动顺序不一致 则中间传动轴的转速就会降低 3 变速组的降速要前慢后快 中间轴的转速不宜超过电动机的转速 目的 使中间传动轴具有较高的转速 以减小传动件的尺寸 但中间轴的转速不应过高 以免产生振动 发热和噪声 三 主运动链转速图的拟定 已知条件 机床类型 主轴转速级数Z 各级转速和电动机转速 设计步骤 确定传动组数 各传动组的传动副数 拟定结构网 式 拟定转速图 例 有一中型机床 Z 12 1 41 主轴转速为31 5 45 63 90 125 180 250 355 500 710 1000 1400 电动机转速1440r min 试拟定其主运动链转速图 1 传动组和传动副数的确定12 3 2 22 结构网或结构式各种方案的选择 传动副极限传动比和传动组的极限变速范围在降速传动时 常限制最小传动比imin 1 4 在升速时 常限制最大传动比imax 2 如用斜齿齿轮传动 imax 2 5 对于进给传动链 1 5 2 8在检查传动组的变速范围时 只需检查最后一扩大组 例 有一中型机床 Z 12 1 41 主轴转速为31 5 45 63 90 125 180 250 355 500 710 1000 1400 电动机转速1440r min 试拟定其主运动链转速图 1 传动组和传动副数的确定12 3 2 22 结构网或结构式各种方案的选择3 拟定转速图 四 扩大变速范围的方法 增加一个传动组采用背轮机构 曲回机构 五 齿轮齿数的确定 当各变速组的传动比确定之后 可确定齿轮齿数 带轮直径 定比传动的齿轮齿数和带轮直径的确定 可依据机械设计手册推荐的计算方法 变速组内齿轮齿数的确定 如传动比是标准公比的整数次方时 变速组内每对齿轮的齿数和Sz及小齿轮的齿数可从P136表8 1中选取 确定齿轮齿数时 选取合理的齿数和是很关键的 齿轮的中心距取决于传递的扭矩 主变速传动系越后面的变速组中心距也越大 变速传动系内各变速组的齿轮模数最好一样 通常不超过2 3种模数 越后面的变速组的齿数和选择较大值 有助于实现上述要求 变速传动组齿数和的确定有时需多次反复 即初选齿数和 确定主 被动齿轮齿数 计算齿轮模数 为减少反复次数 按传递扭矩要求可先初选中心距 设定齿轮模数 再算出齿数和 齿轮模数的设定应参考同类型机床的设计经验 齿轮模数不能过大或过小 齿轮可套装在轴上的条件 原则 齿轮结构尺寸紧凑 主轴转速误差小 具体要求 1 齿数和不应过大 推荐齿数和S 100 120 2 齿数和不应过小 但需从下述限制条件中选取较大值 受传动性能限制的最小齿数 受两轴组件结构限制的最小中心距 齿轮齿数确定的原则和要求 P137表8 1的用法 三联滑移齿轮之间的齿数关系 传动比要求 齿轮齿数确定后 还应验算一下实际传动比 齿轮齿数之比 与理论传动比 转速图上给定传动比 之间的转速误差是否在允许的范围之内 六 计算转速 一 机床的功率转矩特性对于拖动直线运动执行器官的传动件 认为是恒转矩的 旋转运动链 包括旋转主运动和旋转进给运动 的变速机构 输出转矩与转速成反比 基本上是恒功率的 主轴所传递的功率或转矩与转速之间的关系 称为主轴的功率或转矩特性 二 机床主要传动件计算转速确定 主轴的计算转速在主轴调速范围中所居的地位 是因机床种类而异的 主轴的计算转速确定后 就可以从转速图上得出各传动件的计算转速 确定的顺序 通常是先定出主轴的计算转速 再顺次由后往前 定出各传动轴的计算转速 然后再确定齿轮的计算转速 例 确定图8 2所示卧式车床的主轴 各传动轴和齿轮的计算转速 第八章传动设计 1主传动系设计概述 2分级变速传动链设计 3无级变速传动链设计 4主轴箱 5内联系传动链的设计原则 6进给传动系统设计概述 7进给伺服电动机选择 8滚珠丝杠副设计 9伺服进给系统降速传动设计 一 无级变速主传动系设计原则 1 尽量选择功率和转矩特性符合传动系要求的无级变速装置 执行件作直线运动 对变速装置的要求是恒转矩传动 就应该选择恒转矩传动为主的无级变速装置 旋转运动的执行器官 从计算转速至最高转速为恒功率 从最低转速至计算转速为恒转矩 电机应与其相匹配 2 常把无级变速装置与机械分级变速箱串联 以扩大恒功率变速范围和整个变速范围 二 无级变速中分级变速箱的设计 变速箱的公比原则上应等于电动机的恒功率调速范围Rp 如果为了简化变速机构 取大于Rp 则电动机的功率应取得比要求的功率大些 例 有一数控机床 主轴转速最高为4000r min 最低为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 试根据不同应用情形设计分级变速箱的传动系统并选择电动机的功率 第八章传动设计 1主传动系设计概述 2分级变速传动链设计 3无级变速传动链设计 4主轴箱 5内联系传动链的设计原则 6进给传动系统设计概述 7进给伺服电动机选择 8滚珠丝杠副设计 9伺服进给系统降速传动设计 主轴箱中有主轴 变速机构 操纵机构和润滑系统等 如果主轴与变速机构分离 则除主轴箱外还有变速箱 主轴箱除应保证运动参数外 还应具有较高的传动效率 传动件具有足够的强度或刚度 噪声要低 振动要小 操作方便 具有良好的工艺性 便于检修 成本较低 防尘 防漏 外形美观等 一 主轴箱的构造 二 传动轴的安装 传动轴的轴承以深沟球轴承为主 也可用圆锥滚子轴承 前者噪声小 发热小 应用较多 后者装配方便 承载能力较大 还可承受轴向载荷 因而也有采用的 载荷较大的地方还可用圆柱滚子轴承 考虑到工作时 轴的温度将高于箱体 为使轴有热膨胀的余地 装深沟球轴承的传动轴 常一端轴向固定 一端轴向自由 三 齿轮在轴上的布置和排列 四 相啮合齿轮的宽度 一般情况下 一对相啮合的齿轮 宽度应该相同 考虑到操纵机构的定位不可能很精确 拨叉也存在着误差和磨损 使用时往往会发生错位 这时只有部分齿宽参与工作 会使齿轮局部磨损 降低寿命 如果轴向尺寸并不要求很紧凑 可以使小齿轮比相啮合的大齿轮宽1 2mm 带来的缺点是轴向尺寸将有所增加 五 主轴箱的温升 一 热变形的影响 1 改变各执行器官的相对位置 2 改变主轴的几何位置 3 改变轴承的间隙 4 改变润滑条件 二 热平衡和温度场 三 减少热变形的途径 减少发热量散热和隔热均热 第八章传动设计 1主传动系设计概述 2分级变速传动链设计 3无级变速传动链设计 4主轴箱 5内联系传动链的设计原则 6进给传动系统设计概述 7进给伺服电动机选择 8滚珠丝杠副设计 9伺服进给系统降速传动设计 一 传动误差的来源和传递规律 1 误差的来源各传动件的制造和装配误差因受力因温度变化而产生的变形因温度变化而产生的变形 2 误差的传递规律 二 提高传动精度的措施和内联系传动链的设计原则 1 缩短传动链2 采用降速传动3 合理地分配各传动副的传动比4 合理地确定各传动副的精度5 合理选择传动机件6 采用校正装置 第八章传动设计 1主传动系设计概述 2分级变速传动链设计 3无级变速传动链设计 4主轴箱 5内联系传动链的设计原则 6进给传动系统设计概述 7进给伺服电动机选择 8滚珠丝杠副设计 9伺服进给系统降速传动设计 一 进给传动的类型及组成 机床进给传动系统是用来实现机床的进给运动和有关辅助运动 根据机床的类型 传动精度 运动平稳性和生产率等要求 可采用机械 液压和电气等不同传动方式 A机械传动 机械进给传动系统结构复杂 制造工作量大 但具有工作可靠 维修方便等特点 仍然广泛应用于中 小型普通机床中 典型的机械进给传动系统 主要由动力源 变速机构 换向机构 运动分配机构 过载保险机构 运动转换机构 执行机构以及快速传动机构等组成 CA6140 X62W 1 动力源 进给传动可采用一个或多个电动机单独驱动 便于缩短传动链 实现进给运动的自动控制 也可以与主传动共用一个动力源 便于保证主传动和进给运动之间的严格传动比关系 适用于有内联系传动链的机床 2 变速机构 用来改变进给量大小 常用滑移齿轮 交换齿轮 齿轮离合器和机械无级变速器等 设计时 若几个进给运动共用一个变速机构 应将变速机构放置在运动分配机构前面 由于机床进给运动的功率较小 速度较低 有时也采用齿轮折回机构 摆移齿轮 拉键机构和棘轮机构等 摆移齿轮变速机构 拉键变速机构 棘轮机构 3 换向机构 用来改变进给运动的方向 一般有两种方式 一种是进给电动机换向 换向方便 但普通进给电动机的换向次数不能太频繁 另一种是齿轮或离合器换向 换向可靠 应用广泛 4 运动分配机构 实现纵向 横向或垂直方向不同传动路线的转换 常采用各种离合器机构 5 过载保险机构 其作用是在过载时自动断开进给运动 过载排除后自动接通 常采用牙嵌离合器 摩擦片式离合器等 6 运动转换机构 用来转换运动类型 一般是将回转运动转换为直线运动 常采用齿轮齿条 蜗杆齿条 丝杠螺母机构 7 快速传动机构 为了便于调整机床 节省辅助时间和改善工作条件 快速传动可与进给传动共用一个进给电动机 采用离合器等进给传动链转换 大多数采用单独电动机驱动 通过超越离合器 差动轮系机构或差动螺母机构等 将快速运动合成到进给传动中 B液压传动 液压进给传动通过动力液压缸等传递动力和运动 并通过液压控制技术实现无级调速 换向 运动分配 过载保护和快速运动 油缸本身作直线运动 一般不需要运动转换 液压传动工作平稳 动作灵敏 便于实现无级调速和自动控制 而且在同等功率情况下体积小 重量轻 机构紧凑 因此广泛用于磨床 组合机床和自动车床的进给传动中 C电气传动 电气进给传动是采用无级调速电动机 直接地或经过简单的齿轮变速或同步齿形带变速 驱动齿轮条或丝杠螺母机构等传递动力和运动 若采用近年出现的直线电动机可直接实现直线运动驱动 电气传动的机械结构简单 可在工作中无级调速 便于实现自动化控制 因此应用越来越广泛 二 进给传动系统设计要点 传动系统中任一传动件所承受的转矩可用下式计算 A速度低 功耗小 恒转矩传动 B计算转速 确定进给传动系统计算转速的目的是确定所需的功率 一般按下列三种情况确定 1 具有快速运动的进给系统 传动件的计算转速取在最大快速运动时的转速 2 对于中型机床 若进给运动方向的切削分力大于该方向的摩擦力 则传动件的计算转速由该机床在最大切削力工作时所使用的最大进给速度来决定 3 对于大型机床和精密或高精密级机床 若进给运动方向的摩擦力大于该方向的切削分力 则传动件的计算转速由最大进给速度来决定 三 伺服进给传动系统类型 伺服系统直接决定刀具和工件的相对位置 是影响加工精度和生产率的主要因素之一 数控机床的伺服进给系统按有无检测反馈装置可分为开环 闭环和半闭环系统 A开环系统 开环系统是对工作台等的实际位移不进行检测反馈处理的系统 这种系统的精度 速度和功率都受到限制 但系统结构简单 调试方便 成本低廉 主要应用于各种经济型数控机床中 B闭环系统 闭环系统可以消除整个系统的误差 包括机械系统的传动误差等 其控制精度和动态性能都比较理想 但系统结构复杂 安装和调试比较麻烦 成本高 用于精密型数控机床 C半闭环系统 半闭环伺服控制系统将齿轮 丝杠螺母和轴承等机械传动部件排除在反馈控制之外 不能完全补偿它们的传动误差 因此精度比闭环差 但由于排除了机械传动系统的干扰 系统稳定性有所改善 调试方便 而且结构简单 成本较闭环系统低 所以应用较广泛 第八章传动设计 1主传动系设计概述 2分级变速传动链设计 3无级变速传动链设计 4主轴箱 5内联系传动链的设计原则 6进给传动系统设计概述 7进给伺服电动机选择 8滚珠丝杠副设计 9伺服进给系统降速传动设计 一 对进给伺服电动机的要求 数控机床的进给伺服电动机与普通的电动机不同 必须满足调速范围宽 响应速度快 恒转矩输出且过载能力强 能承受频繁启动 停止和换向等要求 随着科学技术的发展 进给伺服电动机的类型越来越多 性能越来越优越 主要有步进电动机 直流伺服电动机 交流伺服电动机和直线伺服电动机等 二 步进电动机 机理 步进电机是利用电磁铁原理 将脉冲信号转换成线位移或角位移的电机 每来一个电脉冲 电机转动一个角度 带动机械移动一小段距离 特点 1 来一个脉冲 转一个步距角 2 控制脉冲频率 可控制电机转速 3 改变脉冲顺序 改变方向 种类 有励磁式和反应式两种 两种的区别在于励磁式步进电机的转子上有励磁线圈 反应式步进电机的转子上没有励磁线圈 应用 步进电机的应用非常广泛 如在数控机床 自动绘图仪等设备中都得到应用 1 步进电机的结构 以反应式为例 步进机主要由两部分构成 定子和转子 它们均由磁性材料构成 其上分别有六个 四个磁极 定子 转子 定子绕组 定子的六个磁极上有控制绕组 两个相对的磁极组成一相 注意 这里的相和三相交流电中的 相 的概念不同 步进机通的是直流电脉冲 这主要是指线图的联接和组数的区别 IA IB IC 2 步进电机的工作方式 步进电机的工作方式可分为 三相单三拍 三相单双六拍 三相双三拍等 例 三相单三拍 1 三相绕组联接方式 Y型 3 工作过程 A相通电使转子1 3齿和AA 对齐 同理 B相通电 转子2 4齿和B相轴线对齐 相对A相通电位置转30 C相通电再转30 这种工作方式 因三相绕组中每次只有一相通电 而且 一个循环周期共包括三个脉冲 所以称三相单三拍 三相单三拍的特点 1 每来一个电脉冲 转子转过30 此角称为步距角 用 S表示 2 转子的旋转方向取决于三相线圈通电的顺序 改变通电顺序即可改变转向 三 直流伺服电动机 直流伺服电动机是最早用于数控机床进给伺服驱动的 一般通过调整电枢电压进行大范围调速 调整电枢电流保证恒转矩输出 主要有小惯量和大惯量直流电动机两大类 四 交流伺服电动机 可分为交流异步电动机和交流同步电动机按产生磁场的方式又可分为永磁式和电磁式 在数控机床的进给驱动中大多采用永磁同步交流伺服电动机 通过改变交流电动机频率实现电动机调速 同直流伺服电动机相比 交流伺服电动机结构简单 体积小 制造成本低 没有电刷和换向器 不需要经常维护 没有直流伺服电动机因换向火花影响运行速度提高这种限制 五 直线伺服电动机 直线伺服电动机是一种能直接将电能转化为直线运动机械能的电力驱动装置 是适应超高速加工技术发展的需要而出现的一种新型电动机 直线伺服电动机可直接驱动工作台进行直线运动 使工作台的加 减速提高到传统机床的10 20倍 速度提高3 4倍 直线伺服电动机有感应式 同步式和直线步进电动机等多种类型 其技术有待进一步完善 制造成本有待进一步降低 第八章传动设计 1主传动系设计概述 2分级变速传动链设计 3无级变速传动链设计 4主轴箱 5内联系传动链的设计原则 6进给传动系统设计概述 7进给伺服电动机选择 8滚珠丝杠副设计 9伺服进给系统降速传动设计 1工作原理与特点 滚珠丝杠副靠滚珠传递和转换运动 滚珠丝杠特点 1 摩擦损失小 传动效率高 2 摩擦阻力小 几乎与运动速度无关 动 静摩擦力之差极小 且磨损小 精度保持性好 寿命长 3 丝杠螺母之间进行消隙或预紧 可以消除反向间隙 使反向无死区 定位精度高 轴向刚度大 4 不能自锁 传动具有可逆性 2轴向间隙调整方法 修磨垫片厚度 使两个螺母间产生轴向位移 分为拉伸预紧 见图a c 和压缩预紧 见图b 两种方式 图 a 方式结构简单 刚度高 可靠性好 应用普遍 1 双螺母垫片式 2 双螺母齿差式 左右螺母的凸缘都加工成外齿轮 齿数相差为1 工作中这两个外齿轮分别与固定在螺母座上的两个内齿圈相啮合 调整时 将两个内齿圈卸下 同时转动齿轮相同齿数 则两螺母产生轴向相对位移 达到消隙和预紧的目的 2 双螺母齿差式 两螺母的轴向相对位移量可用下式计算 这种方法用于需要对消隙或预紧量进行精确调整的场合 若Z1 99 Z2 100 S 10mm 则每转过一个齿的调整量 0 001mm 3 双螺母螺纹式 双螺母用平键与螺母座相联 其中右边螺母外伸部分有螺纹 用两个锁紧螺母可使两个滚珠螺母相对丝杠做轴向移动 此种结构调整方便 可随时调整 但调整量不精确 4 单螺母变导程式 将滚珠螺母中央的圆弧螺纹滚道 根据调整量的大小 L使其导程发生突变 迫使滚珠从中央开始分成两半分别向两边错位 达到消隙和预紧的目的 这种方法可以减小轴向尺寸 用于轴向尺寸受到限制的场合 缺点是磨损后预紧量减小 再调整很困难 3预加载荷确定 理论计算证明预加载荷应是工作载荷的三分之一 准确值为2 83 通常滚珠丝杠出厂时 已由制造厂进行了预先调整 通常取预加负荷为额定动载荷的1 9 1 10 4滚珠丝杠支承 为了提高传动刚度 除了合理确定滚珠丝杠副的参数以外 还必须合理设计螺母座与轴承座的结构 特别是合理选择轴承类型与设计支承型式 A滚动轴承类型 主要有通用滚动轴承和专用滚动轴承两大类 普通向心球轴承和推力球轴承的组合 由于体积大 精度低 主要用于经济型数控机床 普通向心推力球轴承组合 这种轴承既是向心轴承又是推力轴承 可简化支撑结构 但由于这类轴承接触角较小 轴向承载能力有限 主要用于轴向负荷较小的场合 60 接触角的向心推力球轴承 这是一种滚珠丝杠专用轴承 不仅接触角增大到60 而且滚动体直径小 数目多 使得承受轴向负荷的能力显著提高 滚针 推力圆柱滚子轴承组合 这种轴承体积小 轴向刚度大 用于重载 高刚度场合 但与60 接触角向心推力球轴承相比 摩擦力较大 允许转速较低 B丝杠的支承形式 主要可分为下列四种类型 1 一端固定 另一端自由 用于短丝杠和垂直安装的丝杠 将图 a 中的左端轴承除去 便是这种类型 2 一端固定 另一端简支 如图 a 所示 用于轴向刚度较大的长丝杠支承 其优点是当丝杠发生热变形时 可以自由伸缩 不会影响推力轴承的调整间隙 3 两端固定 如图所示 这种支承形式可对丝杠施加预拉伸 因此与一端固定的丝杠相比 其拉压刚度可增加到4倍 是应用较多的支承形式 预拉伸载荷一般取最大工作载荷的三分之一 同时要注意热变形对轴承间隙的影响 将预紧力适当增加 4 两端固定 多轴承支承 如图所示 即在一个支承处安放多个推力轴承或向心轴承 一方面可提高支承刚度 另一方面可把丝杠的热变形转化为推力轴承的轴向预紧力 提高支撑的可靠性 但结构复杂 要注意轴承座的结构刚度和加工及安装精度 5滚珠丝杠补偿热变形的预拉伸 滚珠丝杠在工作时难免要发热 使其温度高于床身温度 此时丝杠的热膨胀会使其导程加大 影响定位精度 对于高精度丝杠 为了补偿热膨胀的影响 可将丝杠预拉伸 并使其预拉伸量略大于丝杠的热膨胀量 丝杠热膨胀的大小可由下式计算 6 滚珠丝杠与伺服电动机的联接 滚珠丝杠可通过齿轮副或同步齿形带与伺服电机相联接 也可通过联轴节与伺服电动机直接联接 为