数控机床主传动系统设计PPT课件

1,.,第三章数控机床主传动系统设计,3.1概述3.2分级变速主传动系统设计3.3无级变速传动链的设计3.4现代数控机床主传动系统3.5主传动系统结构设计,.,2,3,.,3.1概述,一数控机床主传动系统的特点二主传动系统的设计要求三数控机床主传动系统配置方式四主传动系统的类型,4,.,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：1调速范围宽、功率大2热变形小、精度高3高的刚度和抗振性4主轴组件的耐磨性高5尽量短的传动链6快速换刀,5,.,1调速范围宽、功率大,满足不同的加工要求就要有不同的加工速度。由于数控机床的加工通常在自动的情况下进行，尽量减少人的参与，因而要求能够实现无级变速，并迅速可调，使切削工作始终在最佳状态下运行。,6,.,3高的刚度和抗振性,数控机床上一般既要进行粗加工，又要精加工；加工时可能由于断续切削、加工余量不均匀、运动部件不平衡以及切削过程中的自激振动等原因引起的冲击力或交变力的干扰，使主轴产生振动，影响加工精度和表面粗糙度，严重时甚至破坏刀具或零件，使加工无法进行。因此在主传动系统中的各主要零部件不但要具有一定的静刚度，而且要求具有足够的抑制各种干扰力引起振动的能力-抗振性。,7,.,抗振性用动刚度或动柔度来衡量。例如主轴组件的动刚度取决于主轴的当量静刚度、阻尼比及固有频率等参数。如果把主轴组件视为一个等效的单自由度系统，则动刚度与动力参数的关系为：,8,.,二主传动系统的设计要求,现在数控机床的主传动广泛采用无级变速传动用交流调速电动机或直流调速电动机驱动，能方便地买现无级变速且传动链短，传动件少，提商了变速的可靠性但其制造精度要求很高。,9,.,1主轴具有一定的转速和足够的转速范围，并实现无级调速；2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；3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，热稳定性和噪声要小，传动效率要高，以满足机床的工作性能要求；4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；5结构简单紧凑，工艺性好，成本低，以满足经济性要求。,10,.,三数控机床主传动系统配置方式,普通机床采用机械有级变速，数控机床的主传动变速主要有无级变速、分段无级变速、主轴电动机调速三种方式。它具有适应加工范围广工艺适应性强，加工精度和自动化程度高等特点。,11,.,目前数控机床的主传动变速系统，有采用直流和交流调速电动机的无级变速，也有采用齿轮分级变速的。但随着新型直流和交流主抽调速电动机的日趋完善齿轮分级变速传动在逐渐减少采用交流或直流调速电动机不仅可以大大简化机械结构，而且可以很方便地实现范围很宽的无级变速，还可以按照控制指令连续地进行变速实现恒线速切削进一步提高机床的工作性能。,12,.,1无级变速,如图所示电机轴与主轴用联轴器同轴连接大大简化了主轴箱和主轴结构有效地提高了主轴部件的刚度，但主轴输出扭矩不能放大，电动机发热对主轴精度影响较大：现多采用交流伺服电动机，功率大输出功率与实际消耗的功率能保持同步，效率高。,13,.,2分段无级变速,如图所示，主轴电动机经二级齿轮变速使主轴获得低速和高速两种转速，成为分段无级变速。通过齿轮传动降速后输出转矩可以扩大，以满足主轴低速时输出扭矩特性的要求。这种配置方式在大中型数控机床中采用较多，小型数控机床也有采用，以获得强力切削时所需要的扭矩。,14,.,经齿轮变速传动,经同步齿形带传动,15,.,如图所示主轴电动机经同步齿形带以定比传动传递给主轴。由于输出扭矩较小，主要用于小型数控机床对扭矩特性有要求的主轴可以减小传动中的振动和噪音。,16,.,如图所示，电动机转子轴即为机床主轴的电动机主轴，简称电主轴，是近年来新出现的一种结构，其优点是主轴部件结构更紧凑，刚度强重量轻惯量小，可提高调速电动机启动、停止的响应特性。其缺点是电机发热引起热变形问题，造价较高。,17,.,四主传动系统的类型,1按动力源的类型2按传动装置类型3按变速的连续性,18,.,1按动力源的类型可分为交流电动机驱动和直流电动机驱动。交流电动机驱动中又可分单速交流电动机、调速交流电动机和交流伺服电动机驱动。调速交流电动机驱动又有多速交流电动机和变频调速交流电动机驱动。驱动方式的选择主要根据变速形式和运动特性要求来确定。,19,.,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。,20,.,3按变速的连续性分级变速传动分级变速传动是在一定的变速范围内均匀、离散地分布着有限级数的转速，变速级数一般不超过20-30级。,21,.,无级变速传动无级变速传动可以在一定的变速范围内连续改变转速，以便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。,22,.,3.2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。,23,.,一、转速图,转速图由“三线一点”组成：传动轴线、转速线、传动线和转速点。是分析和设计主传动系统的特殊图线。,24,.,机床主传动系统(a)传动系统图(b)转速图,.,25,上图的传动路线表达式是：（主轴）,26,.,图(b)为该传动系统的转速图：传动轴线：间距相等的一组竖直线（细线）表示各传动轴。转速线：间距相等的一组水平线（细线）表示转速的对数坐标。转速点：传动轴格线上的圆点表示该轴所具有的转速。传动线：传动轴格线间的转速点连线（粗线）表示相应传动副的传动比，称为传动比连线。,.,27,转速线：由于主轴转速是等比数列，则相邻两转速有下列关系：两边取对数，得：结论：任意相邻两转速的对数之差均为同一数，将转速坐标取为对数坐标时，则任意相邻两转速都相距一格。为了方便，转速图上不写符号，而是直接标出转速值（即对数真值）。转速线间距大小，并不代表公比的数值大小。,28,.,传动线：传动线有如下几个特点：传动线的倾斜方向和倾斜程度表示传动比的大小。由一个主动转速点引出的传动线数目，表示该变速组中不同传动比的传动副数。两个传动轴格线间相互平行的传动线，表示同一个传动副的传动比。所以转速图可以清楚地表示：传动轴的数目，主轴及各传动轴的转速级数、转速值及其传动路线，变速组的数目及传动顺序，各变速组的传动副数目及传动比数值等。（三线一点）,29,.,二变速规律,前面转速图中所示的机床主轴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型式，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。,.,30,级比规律：级比：变速组内相邻传动比的比值，用表示。其指数用表示。基本组：是实现主轴转速为等比数列必不可少、最基本的变速组。其级比指数为，说明组中相邻传动线之间相差均为一格。扩大组：在基本组的基础上起变速扩大作用。本图中共有两个扩大组，称为第一扩大组和第二扩大组。第一扩大组的级比指数等于基本组的传动副数。第二扩大组级比指数等于基本组传动副数和第一扩大组传动副数的乘积。依此类推，设有第扩大组，其级比指数。,31,.,扩大顺序：变速组按其级比指数由小到大的排列顺序称为扩大顺序。传动顺序：由电动机到主轴传动的先后排列顺序称为传动顺序。综上所述，若使主轴获得连续而不重复的等比数列转速，则变速传动系统各变速组必须遵守级比规律。,.,32,2变速组中的变速范围变速组中最大与最小传动比的比值，称为该变速组的变速范围。即：主轴的变速范围等于变速传动系统中各变速组变速范围的乘积。,33,.,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传动线呈对称分布形式。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）。,34,.,12级传动系统结构网,.,35,上图所对应的结构式为：12312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，即第一变速组的传动副数为3，第二变速组的传动副数为2，第三变速组的传动副数为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。结构网或结构式表达的内容相同，与转速图具有完全一致的变速特性。同一个结构网或结构式可以有许多不同的转速图，而一个转速图只能对应一个结构网和结构式。结构网比结构式更直观，而结构式比结构网更简单。,36,.,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。,37,.,需要遵循的原则：（1）变速组中的极限传动比及变速范围的限制条件（2）减小传动件尺寸的原则（3）改善传动性能的注意事项,38,.,（1）变速组中的极限传动比及变速范围的限制条件在降速传动中，为避免从动齿轮尺寸过大而增加变速箱的径向尺寸，限制最小传动比Umin1/4;在升速传动中，为了避免扩大传动误差，减小振动与噪声，限制直齿圆柱齿轮最大传动比Umax2,斜齿圆柱齿轮由于传动比较平稳，可以取Umax2.5;进给传动系统，由于传递的功率小，转速低，尺寸较小，传动比限制可适当的放宽,Umin1/5,Umax2.8.,39,.,主传动各变速组的最大变速范围：rmax=UmaxUmin=-进给传动各变速组最大变速范围：rmax=UmaxUmin=14,40,.,（2）减小传动件尺寸的原则传动件所传递的转矩为：T=9550P/nc,nc为传动件的计算转速，P为传动件传递的功率。可以看出：当传递功率一定时，传动件转速高时传递的转矩较小，可减小传动件的尺寸，节省材料，使变速箱结构紧凑。,41,.,变速组中的传动副要前多后少；变速组的传动线要前密后疏；变速组的降速要前慢后快。同理，升速要前快后慢。为了便于设计，传动比值最好取标准公比的整数幂次。,42,.,（3）改善传动性能的注意事项传动链要短；转速和要小；齿轮线速度要小；空转件要小。,43,.,从以上可以得出变速传动系统运动设计要点：一个规律；级比规律两个限制：齿轮极限传动比，齿轮变速组变速范围三项原则：前多后少，前密后疏，前慢后快四项注意：传动链要短，转速和要小，齿轮线速度要小，空转件要少。,.,44,.,45,.,46,2.确定传动组,.,47,.,48,49,.,XA6132A铣床主传动系统中，已知主轴转速范围30-1500r/min，转速级数为18级，公比1.26，电动机转速为1450r/min。,.,50,.,51,.,52,.,53,.,54,.,55,.,56,57,.,某车床主轴转速为40-1800r/min，公比1.41，电动机的转速1440r/min。拟定结构式和结构网，绘制转速图。,.,58,五齿轮齿数的确定,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，则齿数和与模数成反比即：若、分别为某传动副的主、被动轮齿数，,.,59,确定齿数和时，应尽量小，一般来讲主要受最小齿轮的限制，而最小齿轮式在变速组内降速比或升速比最大的一对齿轮中，因此应先确定小齿轮齿数。,60,.,确定齿轮齿数应注意的问题,（）齿轮的齿数和不应过大，以免加大两轴间的中心距；一般推荐Sz100-120。（）齿轮的齿数和不应过小。对标准直齿圆柱齿轮，最小齿数Zmin18-20。（）应符合转速图上传动比的要求。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。,61,.,.,62,确定齿轮齿数时，应符合转速图上传动比的要求，实际传动比与理论传动比之间允许有误差。但由于确定齿轮齿数所造成的主轴转速相对误差，一般不允许超过。,.,63,首先需要确定的是各变速组内齿轮副的模数，以便根据结构尺寸判断其最小齿轮齿数或齿数和是否适宜。,.,64,六数控机床分级变速箱设计,1.数控机床主轴转速自动变换过程在数控机床上，特别是在自动换刀的数控机床上应根据刀具与工艺要求进行主轴转速的自动变换。在零件加工程序中用S二位代码指定主轴转速的序号，或用S四位代码指定主轴转速的每分钟转数，并且用M二位代码指定主轴的正、反向启动和停止。,.,65,采用直流或交流调速电动机的主运动无级变速系统中，主轴的正、反启动与停止制动是直接控制电动机来实现的，主轴转速的变换则由电动机转速的变换与齿轮有级变速机构的变换相配合来实现。,.,66,1.交、直流调速电机的功率扭矩特性,数控机床常用的电机有直流电动机和交流调频电机两种。目前，中、小型数控机床，交流调频电机已占优势，有取代直流电机之势。设计时，必须注意机床主轴与电动机在功率特性方面的匹配。,.,67,从额定转速到最高转速之间的区域为恒功率区域，从最低转速到额定转速为恒转矩区域。电机恒转矩变速范围在100以上，而恒功率变速范围为2-4。,68,.,2.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。,69,.,对于专用机床，在特定工艺条件下，各传动件所传递的功率和转速是固定不变的，所传递的转矩也是一定的。对于工艺范围较广的通用机床设备，由于使用条件复杂，变速范围大，传动件所传递的功率和转速则是变量。,70,.,通用机床在最低的一段转速范围内，经常用于切削螺纹、铰孔、切断、精镗等工序，所消耗功率较小，不需要使用电机全部功率。,71,.,此外，在粗加工过程中，由于受到刀具、夹具和工件刚度的限制，无法采用过大的切削用量，此时，也不会使用全部电机功率。,72,.,因此，此类机床只是从某一转速开始，才有可能使用电动机的全部功率。如果按最低转速时传递全部功率来进行计算，将会不必要地增大传动件的尺寸。计算转速：传动件传递全部功率时的最低转速，称为该传动件的计算转速。,73,.,机床的功率扭矩特性主轴所传递的功率或扭矩与转速之间的关系，称为机床主轴的功率或扭矩特性。（见下图）,74,.,主轴从计算转速起至最高转速的所有转速都能传递全部功率，而转矩则随转速增加而减小，此为恒功率工作范围；低于主轴计算转速的各级转速所能传递的转矩与计算转速时的相等，而功率则随转速的降低而减小，此为恒转矩工作范围。,75,.,功率扭矩特性,76,.,传动件计算转速的确定当主轴以计算转速工作时，其他传动件的实际工作转速也传递全部功率，这些实际工作中的最低转速，就是其他传动件的计算转速。在主轴计算转速确定后，可以从转速图上确定其他各传动件的计算转速。顺序通常是由后往前，即先确定位于传动链后端的传动件的计算转速，再顺次由后往前定出各传动件的计算转速。,77,.,3.3无级变速传动链的设计,一无级变速装置的分类二数控机床分级变速箱的设计,78,.,一无级变速装置的分类,1变速电动机2机械无级变速装置3液压无级变速装置,79,.,二数控机床分级变速箱的设计,数控机床的分级变速箱由于位于调速电机与主轴之间，因此，设计时除遵循一般有级变速箱设计原则外，必须处理好公比的选择。在设计数控机床分级变速箱时，公比的选取有以下三种情况：,.,80,在设计分级变速箱时，考虑多方面的因素,变速箱公比的选取有下列三种情况：（1）取变速箱的公比等于电动机的恒功率调速范围，则机床恒功率变速范围为：,.,81,变速箱的级数为：例：一数控车床，主轴最大转速为4000r/min，最低转速为40r/min，计算转速为160r/min。则机床变速范围为100，恒功率变速范围25。如采用交流调频电机，其额定转速为1500r/min，最高转速4500r/min。恒功率调速范围为3，远小于主轴25的要求，需串接分级变速箱。其变速箱级数按上式计算为Z=2.93，因此Z取为3。,.,82,.,83,电动机经1:1.125使一轴获得1330-4000r/min的恒功率区域。经三个传动轴之间的两对齿轮传动，主轴能获得1330-4000r/min的恒功率转速范围。,.,84,当主轴转速下降到1330，电机转速降至1500，则将进入恒转矩区域，输出功率随之下降。,恒功率,输出功率沿bc下降。,.,85,当主轴转速降为1330时，变速箱变速，经1:1和1:3两对齿轮传动主轴，同时电机转速自动回到最高速。当电机从4500降到1500时，主轴从1330降至445，仍为恒功率，为上图中的bd。,.,86,当主轴转速到达445时，变速箱经两对1:3齿轮传动主轴，电机又回到最高速。主轴从445降至150,即df段。,.,87,主轴150已经低于计算转速，以下进入恒转矩区域，依靠电机降速得到。当电机转速405时，主轴经1:1.125和两对1:3齿轮变速为40，即为主轴最低转速。此时电机输出功率为：,.,88,即此时选择的电动机额定功率比主轴所需的大70%，也就是不少机床出现的大马拉小车的现象。,.,89,.,90,（2）若要简化变速箱结构，变速级数应少些，变速箱公比可取大于电动机的恒功率调速范围，即故公比为5,.,91,电动机经定比传动副传动变速箱的轴一，高速时，经1.25:1升速传至主轴。当主轴转速4000-1330时，电机4500-1500，为恒功率。,.,92,由于变速箱公比为5，主轴从1330继续下降时，依然依靠电机变速，进入恒转矩区域。直到速度降为800，变速箱开始变速，即bc段。功率下降。,.,93,变速箱经1:4齿轮传动主轴，800-270为恒功率区域。主轴从270-160为ef段，经历与前面相同。可以看出，从计算转速160到4000最高转速之间，输出功率是变化的，在160-270和800-1330之间出现功率不足。因此，应该按Pd选择电机。,.,94,Bcd段称为缺口，所选变速箱公比越大，缺口也越大。变速箱公比越大，变速箱结构得到了简化，但电机功率则大大增加。,.,95,也就是说：简化变速箱结构是以选择较大功率电动机为代价的。,.,96,数控车床在切削阶梯轴、成形螺旋面或端面时，有时需要进行恒线速切削。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。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，必须用电动机变速。,.,97,如前所示，如果要求主轴转速为800-1600，如采用第一种状况下变速过程，如变速箱传动比为1:3，则最高转速为1330，达不到1600的要求。如传动比为1:1，将进入电动机恒转矩区域，可能出现功率不足的现象。,.,98,1）增加变速箱级数，降低公比。上例中，如取级数为4，则公比为：其转速图如下图所示：,.,99,变速箱有4种传动比，,.,100,传动比为1时，主轴转速4000-1330；传动比为1/2时，主轴转速2000-667；传动比为1/4时，主轴转速1000-335；传动比为1/8时，主轴转速500-168；,.,101,这四段全部为电动机恒功率阶段，互相之间有一部分重合，按前面要求的800-1600，则可在传动比为1/2时，进行不停车变速。,.,102,2）加大电动机功率加大电机功率70%，当主轴转速降为1330/1.7=800时，电动机仍然可以提供主轴所需功率。,.,103,这样，则当传动比为1时，恒功率范围变为4000-800，传动比为1/3时，范围变为1330-266，传动比为1/9时，范围变为445-90。如果要求在800-1600之间进行不停车变速，变速箱传动比为1。,.,104,三.数控机床有级变速自动变换方法,有级变速的自动变换方法一般有液压或电磁离合器两种。,（1）液压变速机构,（2）电磁离合器变速机构,.,105,（1）液压变速机构液压变速机构是通过液压缸、活塞杆带动拨叉推动滑移齿轮移动来实现变速，双联滑移齿轮用一个液压缸，而三联滑移齿必须使用两个液压缸（差动油缸）实现三位移动。,.,106,液压缸,液压缸,活塞杆,拨叉,套筒,.,107,当液压缸1通压力油而5排油卸压时，2带动3使齿轮左移。当5通压力油而1排油卸压时，2和4向右运动，三联齿轮到达右端。,.,108,液压拨叉变速必须在主轴停车后才能进行，但停车时拨动滑移齿轮啮合又可能出现“顶齿”现象。为避免“顶齿”，机床上一般设置点动按钮或增设一台微电机，使主电机瞬时接通或经微电机在拨叉移动滑移齿轮的同时带动各种传动齿轮作低速回转，这样，滑移齿轮便能顺利进入啮合。,.,109,液压拨叉变速是一种有效的方法，工作平稳，易实现自动化。但它增加了数控机床液压系统的复杂性，而且必须将数控装置送来的电信号先转换成电磁阀的机械动作，然后再将压力油分配到相应的液压缸，因而增加了变速的中间环节，带来了更多的不可靠因素。,.,110,（2）电磁离合器变速机构,电磁离合器是应用电磁效应接通或切断运动的元件，由于它便于实现自动操作，并有现成的系列产品可供选用，因而它已成为自动装置中常用的操作元件。电磁离合器用于数控机床的主传动时，能简化变速机构，操作方便，通过若干个安装在各传动轴上的离合器的吸合和分离的不同组合来改变齿轮的传动路线，实现主轴的变速。,.,111,数控车床主轴箱,设计参数：最大加工直径Dmax=400mm，主轴最高转速4000r/min，计算转速约为140rmin，最大切削功率5KW。设计要求：采用交流调频主轴电动机，实现主轴的无级变速。,.,112,数控铣床主轴箱,设计参数：主轴最高转速为4500rmin，最低转速为30rmin，计算转速约为150rmin。最大切削功率为5.5kW。设计要求：采用交流调频主轴电动机，实现主轴的无级变速。,113,.,3.4现代数控机床主传动系统,1、高速主传动设计2、柔性化、复合化设计,114,.,1、高速主传动设计,数控车床的主轴转速目前已从十几年前的10002000rmin提高到50007000rmin。数控高速磨削的砂轮线速度从5060ms提高到100200ms。为达到如此高的主轴转速，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：一种是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；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，并通过循环水冷却方式减少发热。,115,.,116,.,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。,117,.,118,.,3.