第2章金属切削机床设计

1、引言引言. 金属切削机床的设计趋势金属切削机床的设计趋势（一）工艺范围（一）工艺范围 （二）柔性（二）柔性（三）与物流系统的可亲性（三）与物流系统的可亲性 （四）刚度（四）刚度（五）精度（五）精度 （六）噪声（六）噪声（七）生产率和自动化（七）生产率和自动化 （八）成本（八）成本（九）生产周期（九）生产周期 （十）可靠性（十）可靠性（十一）造型与色彩（十一）造型与色彩机床设计应满足的基本要求机床设计应满足的基本要求1) 工艺范围（加工能力）工艺范围（加工能力）p 指机床适应不同生产要求的能力。p 包括：机床可完成的工序种类，所加工零件的类型、材料和尺寸范围、毛坯种类、加工精度和表面粗燥度。p

2、如果机床的工艺范围过宽，将使机床的结构复杂，不能充分发挥机床各部件的性能；p 如果机床的工艺范围较窄，可使机床结构简单，易于实现自动化，提高生产率。p 通用机床都具有较宽的工艺范围；数控机床的工艺范围比传统通用机床更宽，使其具有良好的柔性；专用机床和专门化机床则应合理地缩小工艺范围。机床设计应满足的基本要求机床设计应满足的基本要求2) 柔柔 性性p 机床的柔性，是指其适应加工对象变化的能力，包括空间上的柔性和时间上的柔性。p 所谓空间柔性也就是功能柔性，指在同一时期内，机床能够适应多品种小批量的加工，即机床的运动功能和刀具数目多，工艺范围广。p 所谓时间上的柔性也就是结构柔性，指的是在不同时期

3、，机床各部件重新组合，即通过机床重构，改变其功能，以适应产品更新变化快的要求。机床设计应满足的基本要求机床设计应满足的基本要求柔性演示3) 与物流系统的可接近性与物流系统的可接近性p 可接近性是指机床与物流系统之间进行物料（工件、刀具、切屑）交接的方便程度。p 对于单机工作形式的普通机床，是由人进行物料交接的，要求机床的使用、操作、清理、维护方便。p 对于自动化柔性制造系统，机床与物流系统(如输送线)是自动进行物料交接的，要求机床结构形式开放性好，物料交接方便。机床设计应满足的基本要求机床设计应满足的基本要求4) 精度和刚度精度和刚度p 机床的精度分为机床本身的几何精度和生产中的加工精度。p

4、为了保证机床的加工精度，要求机床具有一定的空载条件下的静态精度和动态精度。p 加工精度是指被加工零件在形状、尺寸和相互位置方面所能达到的准确程度。p 机床的刚度是指机床系统抵 抗变形的能力。包括：静态 刚度、动态刚度、热态刚度。机床设计应满足的基本要求机床设计应满足的基本要求5) 可靠性可靠性q机床的可靠性是指其在额定寿命期内，在正常工作条件下和规定时间内出现故障的概率。q由于故障会造成加工中的部分废品，故可靠性也常用废品率来表示.q废品率低则说明可靠性好。机床设计应满足的基本要求机床设计应满足的基本要求6) 成本和生产周期成本和生产周期p 成本概念贯穿在产品的整个生命周期内，包括设计、制造、

5、包装、运输、使用维护和报废处理等的费用，是衡量产品市场竞争力的重要指标，应在尽可能保证机床性能要求的前提下，提高其性能价格比。p 生产周期(包括设计和制造)是衡量产品市场竞争力的重要指标，应尽可能缩短机床的生产周期。这就要求机床设计应尽可能采用现代设计方法，如CAD、模块化设计等。p 机床的寿命是指机床保持其应有加工精度的使用期限，也称精度保持性。机床设计应满足的基本要求机床设计应满足的基本要求7) 生产率和自动化程度生产率和自动化程度q 机床的生产率是指在单位时间内机床加工合格产品的数量。q 使用高效率机床可以降低生产成本q 提高机床的自动化程度，可以减轻工人的劳动强度、稳定加工精度。q 实

6、现机床自动化加工所采用的方法与生产批量有关。数控机床是实现机床自动化加工的一个重要发展方向。机床设计应满足的基本要求机床设计应满足的基本要求高效率演示8) 环境保护环境保护p 噪声损坏人的听觉器官和生理功能，是一种环境污染。p 机床噪声源自：机械噪声、液压噪声、电磁噪声、空气动力噪声等四个方面。p 机床噪声影响正常的工作环境，危害人的身心健康。所以，设计机床时应尽量设法降低其噪声。p 机床的油雾、粉尘和腐蚀介质等都是对人体有害的，设计时应考虑尽量避免这些有害物质向四周扩散而污染环境，避免操作者与这些有害物质直接接触而危害人体。机床设计应满足的基本要求机床设计应满足的基本要求机床总体方案的创新设

7、计方法机床总体方案的创新设计方法 （一）机床设计正在向着（一）机床设计正在向着“以系统为主的机床设计以系统为主的机床设计”方方向发展，即在机床设计时要考虑它如何更好的适应向发展，即在机床设计时要考虑它如何更好的适应FMSFMS等等先进制造系统的要求，例如要求具有时、空柔性，与物流先进制造系统的要求，例如要求具有时、空柔性，与物流的可接近性等等。的可接近性等等。（二）机床设计方法是根据其设计类型而定。通用机床采（二）机床设计方法是根据其设计类型而定。通用机床采用系列化设计方法。系列中基型产品属用系列化设计方法。系列中基型产品属创新创新设计类型，其设计类型，其他属他属变型变型设计类型。有些类型，如

8、组合机床属组合设计类设计类型。有些类型，如组合机床属组合设计类型。型。（三）在创新设计类型中，机床总体方案的产生方法可采（三）在创新设计类型中，机床总体方案的产生方法可采用分析式设计或创成式设计。用分析式设计或创成式设计。机床产品的机床产品的创新设计：创新设计：寻求机床总体方案的原理解。寻求机床总体方案的原理解。根据原理解的寻求方法，可分为两类：根据原理解的寻求方法，可分为两类：u分析式设计（试错法、经验设计法）分析式设计（试错法、经验设计法）u创成式设计（数学方法结合法）创成式设计（数学方法结合法）机床产品的机床产品的变型设计、组合设计变型设计、组合设计：模块化变型设计方法：模块化变型设计方

9、法n关键一：合理划分模块n关键二：模块的快速结合技术（快速接合的机构与控制技术）是产品快速重构的关键技术金属切削机床设计的典型步骤金属切削机床设计的典型步骤 （二）详细设计：（二）详细设计：q 结构设计：技术设计q 工艺设计：施工设计工艺设计：施工设计（一）总体设计：（一）总体设计： q 确定结构原理方案：主要技术指标设计q 总体方案设计总体方案设计（四）定型设计（四）定型设计（三）机床整机综合评价（三）机床整机综合评价2.1 机床设计步骤金属切削机床设计典型步骤q确定结构原理方案：主要技术指标设计v 用途(工艺方案拟定) 即机床的工艺范围，包括加工件的材料类型、形状、质量和尺寸范围等；确定加

10、工方法、刀具类型、工件的工艺基准及夹压方式等。v 生产率 加工件的类型、批量及所要求的生产率；v性能指标 加工件所要求的精度或机床精度、刚度、热变形、噪声等v主要参数 确定机床的加工空间和主要参数；v 驱动方式 电动机驱动和液压驱动方式；电动机驱动又有普通电机 驱动、步进电机和伺服电机驱动方式等；v结构原理 主要零部件应满足的要求和结构原理，有时还需要草图 设计，确定关键零部件自制还是外协；v 成本及周期 无论是订货还是工厂规划产品，都应确定成本及生产 周期方面的指标。v 运行模式 单机运行或者用于生产系统；q总体方案设计总体方案设计v总体方案设计的内容p运动功能设计 确定机床所需运动的个数、

11、形式、运动功能图；p基本参数设计 包括尺寸参数、运动参数和动力参数设计；p传动系统设计 传动方式、传动原理图及传动系统图设计；p总体结构布局设计 运动功能分配、布局结构及总体结构方案图；p成本及生产周期 订货应确定成本及生产周期的指标；v总体方案综合评价与选择 在总体方案设计阶段，对各种方案做综合评价，从中选择较好方案；v总体方案的设计修改或优化 对所选方案进行修改或优化，确定最终方案。上述设计内容，在设计过程中要交叉进行。金属切削机床设计典型步骤q 结构设计：技术设计结构设计：技术设计 设计机床的传动系统，确定各主要结构的原理方案，对主要部件进行分析计算或优化，设计液压原理图和相应的液压部件

12、装配图，设计电气控制系统原理图，设计和完善机床总装配图和总联系尺寸图。q 工艺设计：施工设计工艺设计：施工设计 设计机床的自制零件图，编制标准件、通用件和自制件明细表，撰写设计说明书、使用说明书，制定机床检验方法和标准等技术文档。（五）机床整机综合评价（五）机床整机综合评价对所设计的机床进行整机性能分析和综合评价，尽量采用虚拟样机技术（六）定型设计（六）定型设计进行实物样机的制造、实验及评价。完成修改及最终产品的定型设计金属切削机床设计典型步骤2.2 机床的运动学原理（一）机床的工作原理2.2.1 机床运动方案的拟定p 机床的运动分类u运动性质分类n 直线运动与回转运动u运动功能分类n成形运动

13、 完成工件待加工表面几何形状的生成和金属切除任务的运动n非成形运动 切入运动（刀具切入工件） 分度运动（工件与加工工具按给定的角度或长度间隔的相对运动） 辅助运动（刀具的接近、退刀、返回等） 调整运动（调整刀具与工件相对位置或方向） 控制运动（一些操纵运动）u运动关系分类n 独立运动n 复合运动（运动之间严格运动关系，如车螺纹时工件主轴的回转运动与刀具的纵向直线运动，通过内联传动系统或数控联动实现）p 机床的成形运动u按照速度、动力消耗可分为：n 主运动（速度高、动力消耗大）n 进给运动（速度低、消耗动力小）u按照其完成的功能分：n 主运动（完成金属的切除，也叫切削运动） 车削时工件主轴回转运

14、动；铣削时铣刀主轴回转运动； 磨削时砂轮主轴回转运动（工件回转不是）；滚齿时滚刀主轴回转运动n 形状创成运动（实现表面几何形状的生成，即母线和导线的生成） 任何一个规则表面都可视为： 一条曲线/直线（母线）沿着另一条曲线/直线（导线）运动的轨迹； 母线和导线都叫发生线。2.2.1 机床运动方案的拟定12a) 平面平面12b) 圆锥面圆锥面1母线母线2导线导线2.2.1 机床运动方案的拟定q 工件表面的形成方法及机床运动 轨迹法（描述法）：母线由刀具和工件之间的相对的一个直线运动形成 成形法（仿形法）：母线的形成不需要刀具和工件之间产生相对运动 相切法（旋切法）：导线由刀具和工件之间两个相对直线

15、运动复合形成 展成法（滚切法）：母线需要刀具和工件之间的两个旋转运动服和形成p 机床的运动原理图u将运动功能式用符合和图形表达出来。u比运动功能式更为直观，全面。包含：n 机床的运动轴个数、形式及排列顺序；n 两个末端执行器和各运动轴的空间相对方位。u典型运动原理图n 车床：Cp主运动，ZfXf进给运动；具有C轴功能的车床，C可与Z或X复合成形，如车螺纹或非圆回转面；n 铣床： Cp主运动， XfYfZf进给运动n 刨床：往复直线运动Xp为主运动，直线运动Yf为进给；Za为切入运动。2.2.1 机床运动方案的拟定P-PrincipleF-feedA-auxiliaryp 典型运动原理图（续）u

16、数控外圆磨床：Cp为主运动，Cf、Zf和Xf为进给运动；Ba为调整运动n Xf和Zf复合，可用蝶形砂轮磨削长圆锥面或任意形状回转面；n Cf与Zf复合可磨削螺旋面；n 长轴纵向进给磨削时，Xf为Xa，是切入运动；（用进给运动符号表示)u摇臂钻床：Cp是主运动，Zf进给运动；XaZaCa都是调整运动u镗床：Cp是主运动，Zf1和Zf2分别是镗孔时工件与镗杆的进给运动； Yf是刀具径向进给，Ba是分度运动，Xa及Ya是调整运动（也可进给以铣削平面）2.2.1 机床运动方案的拟定p 运动功能分配设计（进一步明确运动功能）u基础支承件尚不明确，即“接地”不明确n“/”左侧写工件W，中间写运动（下标p表

17、主运动，f表进给运动，a表非成形运动），“/”右侧写刀具T。接地用符号“.”表示。n如W/Xf,Zf,Yf,Cp/T的运动分配有： W/Xf,Zf,Yf,Cp/T（龙门铣床、落地镗铣床） W/Xf Zf,Yf,Cp/T卧式立柱移动式铣床 W/Xf,Zf Yf,Cp/T（立式炮塔铣床） W/Xf,Zf,Yf Cp/T（立式升降台式铣床）n看刀具和工件的尺寸及质量谁大，谁承担的运动就相对少；n机床的传动原理图：只表示运动的个数、形式、功能及排列顺序，不表示传动关系。2.2.1 机床运动方案的拟定2.2.2 精 度q 机床可分：普通精度级、精密级、超精密级q 精度分配：v 几何精度：空载、不运动/低

18、速运动时精确度- 评价机床质量的基本指标。例子：直线运动有6项偏差；- 直接影响被加工工件的精度；- 取决于结构设计、制造和装配质量。v （几何）运动精度：空载、工作速度运动时精确度- 评价高速精密机床的重要指标。v 传动精度：传动系统各末端执行件之间运动的协调性和均匀性- 取决于传动系统的设计、传动元件的制造和装配精度；- 数控机/零传动，主要是电动机、驱动器和控制。v 定位精度和重复定位精度：定位部件运动到达规定位置的精度- 直接影响被加工工件的尺寸精度和形位精度；- 取决于机床构建和进给控制系统的精度、刚度和动态特性等；- 重复定位精度还受传动机构的反向间隙的影响。v 工作精度：用规定的

19、试件的加工精度表示v 精度保持性：规定的工作期间内保持机床所要求的精度- 主要影响因素是磨损2.1.3 刚 度q 刚度定义刚度定义：机床受载时抵抗变形的能力K = F/y F：N，作用在机床上的载荷； y：um，机床的变形量。q 刚度按性质分刚度按性质分：v 静刚度（对应静载荷），即习惯上说的刚度；v 动刚度（对应动载荷），抗振性的一部分。q 整机刚度的50%取决于结合部刚度，整机阻尼的50%80%来自结合部阻尼。设计需考虑刚度的合理分配或优化。2.2.4 振 动q 抗振能力抗振能力：机床在交变载荷作用下抵抗振动的能力。q 抗振能力包括抗振能力包括：v 抗振性：抵抗受迫振动的能力；- 受迫振动

20、的频率与振源相同共振现象；- 机床的振动是各阶主振型的合成；- 一般只考虑对机床性能影响最大的几个低阶振型，如：整机摇摆、一阶弯曲、扭转等振型。v 切削稳定性：抵抗自激振动的能力。- 发生在刀具和工件之间的相对振动；- 频率与机床系统的固有频率相接近；- 一旦出现，振幅由小到大增加很快；- 切削力增大、切削用量增大，自激振动就增加。q 振动后果振动后果：降低加工精度、工件表面质量、刀具寿命、生产率，加速机床的破坏，产生噪音，使操作者疲劳。q 改善振动改善振动：提高刚度、提高阻尼、远离固有频率。2.2.5 热 变 形q 温升温升：机床的温度高于环境温度。q 机床热变形机床热变形：v 各部分不同的

21、温升、热膨胀系数致构件变形v 破坏原始几何精度、加快运动件的磨损、影响正常运转；q 减少热变形措施减少热变形措施：v 减少热源发热量；v 将热源放在易散热的位置、增加散热面积、强制冷却；v 采用热管将温升高的部位热量转移至温升低的部位；v 采用温度自动控制、温度自动补偿、隔热等。2.2.6 噪 音q 噪音来源噪音来源：物体振动。q 噪音度量指标噪音度量指标：v 客观度量：声压（级）、声功率（级）、声强（级）等物理度量；v 主观度量：响度（级）、声级。q 噪音来源噪音来源：v 机械噪音：传动元件的振动、摩擦等；v 液压噪音：液压冲击、气穴等；v 电磁噪音：电动机定子内磁致伸缩等；v 空气动力噪音

22、：风扇、转子等旋转对空气搅动产生。2.2.7 低速运动平稳性q 爬行：爬行：低速运动时产生的运动不平稳性。v 影响定位精度、工件加工精度、工件表面粗糙度；v 评价机床质量的重要指标之一；v 是因摩擦产生的自激振动现象：原因是摩擦面上摩擦系数随速度增大而减小，和传动系的刚度不足。q 防止措施防止措施：v 减少静、动摩擦系数之差；v 提高传动机构的刚度；v 降低移动件的质量。机床机床系列型谱系列型谱的制定的制定p 以最少的品种规格，尽可能多地满足用户需求- 先确定用途最广、需求量最大的机床系列作为“基型系列”；- 在基型系列基础上派生出若干种“变形系列”；- “基型”和“变形”构成了“系列型谱”，

23、它综合地表明机床产品规格参数的系列性与结构相似性的表。2.3.1 金属切削机床总体设计机床机床运动功能运动功能的设定的设定p 工艺分析：工艺范围的选择- 大批量生产时，工序应分散；小批量生产时，工序应集中；- 功能增加，使得制造难度、成本、周期增加；- 对机床本身而言，可能会使生产率下降；对工件制造全过程，减少装卸次数、时间，使得总生产率提高；- 根据生产率、加工精度、机床制造成本、操作维护综合来进行工艺范围的选择。p 设置运动功能：根据工艺范围和加工方法- 分析式设计方法- 解析式设计方法（创成式原理）q 写出运动功能式，画出运动原理图2.3.1 金属切削机床总体设计机床机床总体方案总体方案

24、的设计的设计p 根据运动功能分配进行机床的结构布局设计，得到结构布局形态图。- 结构布局形式：立式、卧式、斜置式等；- 基础支承件形式：底座式、立柱式、龙门式等；- 基础支承件结构：一体式、分离式等；- 评价依据：机床刚度、占地面积、与物流系统的可接近性等。p 总体结构的概略形状与尺寸设计，得到机床总体结构方案图- 进行功能（运动或支承）部件的概略形状和尺寸设计；- 兼顾成本，并尽可能选择商品化的功能部件，以提高性能、缩短制造周期。- 具体设计过程与评价依据：见书P78-79。2.3.1 金属切削机床总体设计2.3.2 机床技术参数的确定主参数和尺寸参数主参数和尺寸参数p 机床主参数是代表机床

25、规格大小及反映机床最大工作能力的一种参数。（ GB 金属切削机床 型号编制方法）p 通用机床的主参数通常都以机床的最大加工尺寸来表示，专用机床的主参数一般以与通用机床相对应的主参数表示。为了更完整地表示机床的工作能力和加工范围，可在主参数后面标出第二主参数，如最大工件长度、最大跨距等。p 机床尺寸参数是指机床主要结构的尺寸参数。包括：与工件有关的尺寸参数；与工、夹、量具有关的尺寸参数。2.3.2 机床技术参数的确定标准公比和标准转速数列标准公比和标准转速数列F多数机床主轴转速按等比级数排列，其公比用表示。- 地板原则：工序要求的转速n应选用小于或者等于n的转速，目的是保护刀具 存在转速损失率：

26、生产率损失。- 可借助于串联若干个滑移齿轮来实现。- 公比的选择应以总生产率损失最小为原则。F转速数列是递增的，规定标准公比1，并规定Amax不大于50，故1nj.且电动机恒功率区小于主轴恒功率区。l存在机床主轴与电动机在功率特性方面的匹配问题。主传动系统设计RnN=fZ-1RdN有级变速箱设计RDP时，主轴的功率特性曲线的右边形成两个缺口，称为功率降低区。在每一档内有部分低转速只能恒转矩变速，尤其是尖谷处的功率很小。不符合机床的要求。RDP时，主轴的功率特性曲线缺口完全消除了，如果按照机床要求来扩大变速范围时，则需增加有级变速箱的传动副，从而增加机械结构的复杂性。实际设计中经常采用简化机械结

27、构，常在主轴恒功率区内保留一定宽度的“缺口”，并将电动机的额定功率选得稍大于机床实际需要的最大功率。数控机床主传动系设计特点主传动系统设计RnN=fZ-1RdN数控机床主传动系设计特点 例题： 某数控车床，主轴最高转数 3000 r/min， 最低转数 =40 r/min，计算转速 =160 r/min, 采用直流电动机，电动机功率P电15kw，电 动机的额定转速为 =1500 r/min，最高转速为 3500 r/min，试设计分级变速箱的传动系统， 画出其转速图。maxnminndnjn主传动系统设计RnN=fZ-1RdN数控机床主传动系设计特点 解：方案一：取Z=6， =2，由于 小于

28、， 所以转速图上有重复。方案二：取Z=4， =2.88，由于 大于 ， 所以转速图上有缺口。 75.18160/3000RndZfnRR133. 21500/3500dRfdRfffdR主传动系统设计Rn=3000/40 = 75 Rd=数控机床主传动系设计特点 解：方案一：取Z=4， =2，由于 小于 ， 所以转速图上有重复。方案二：取Z=2， =2.84，由于 大于 ， 所以转速图上有缺口。 75.18160/3000RndZfnRR133. 21500/3500dRfdRfffdR主传动系统设计2.5 进给传动系设计p 进给传动系实现机床的进给运动和辅助运动p 组成u动力源、变速、换向、

29、运动分配、过载保险、运动转换、执行件n 动力源可单独（便于自动化、缩短传动链）、可共用（内联）n 变速（进给量大小）（交换齿轮、滑移齿轮、齿轮离合、无级、伺服）n 换向：电动机换向（方便但不能频繁）、齿轮换向n 运动分配：切换传动路线，主要是离合器n 过载保险：牙嵌离合器、片式安全离合器、脱落蜗杆等n 运动转换：（回转变直线），齿轮齿条、滚珠丝杠、螺母、蜗轮蜗杆p 进给传动系应满足的基本要求n 足够的静刚度和动刚度n 快速响应特性，无低速爬行，平稳灵敏n 抗振性好，无抖动和冲击噪声小n 足够宽的调速范围n 传动精度和定位精度高n 结构简单、工艺性好机械进给传动系设计的特点 进给运动速度低、受力

30、小、消耗功率少进给运动速度低、受力小、消耗功率少。 恒转矩传动。恒转矩传动。 当进给量较大时，一般采用较小的背吃刀量，当背吃刀量较大时，常采用较小的进给量，所以，进给传动系统最后输出轴的最大转矩可近似地认为相等。 进给运动数目多。进给运动数目多。 不同的机床对进给运动的种类和数量要求也不相同。进给运动越多，机床结构越复杂。2.5 进给传动系设计 如上所述，传动件至末端输出轴的传动比越大，传动件承受的扭矩越大，进给传动系转速图的设计刚巧与主传动系相反，是前疏后密的. 即采用扩大顺序与传动顺序不一致的结构式，如：Z=16=28X24X22X21 。这样可以使进给系内更多的传动末端输出轴的传动比较小

31、，承受的扭矩也较小，从而减小各中间轴和传动件的尺寸。Ti T末n末/ni= T末ui。 进给传动系变速组的变速范围可取比主变速组较大的值，即1/5u 进2.8，变速范围Rn14。进给系的末端常采用降速很大的传动机构，如蜗杆蜗轮、丝杠螺母、行星机构等。 对于精密机床、数控机床的进给传动系，为保证传动精度和定位精度，尤其是换向精度，要有传动间隙消除机构。 快速与工进需在带负载运行中变换。采用超越离合器、差动机构或电气伺服进给传动等。微量进给机构有自动和手动两类。自动微量进给机构采用各种驱动元件使进给自动地进行；手动微量进给机构主要用于微量调整精密机床的一些部件.最小进给量大于1um的机构有蜗杆传动

32、、丝杠螺母、齿轮齿条传动等，适用于进给行程大、进给量、进给速度变化范围宽的机床；小于1um的进给机构有弹性力传动、磁致伸缩传动 电致伸缩传动、热应力传动等。对微量进给机构的基本要求是灵敏度要高，刚度好，平稳性好，低速进给时速度均匀，无爬行，精度高，重复定位精度好，结构简单，调整方便，操作方便灵活等。电气伺服进给系统电气伺服进给系统电气伺服系统是数控装置和机床之间的联系环节，是以机械位置或角度作为控制对象的自动控制系统.作用是接受来自数控装置发出的进给脉冲，经变换和放大后驱动工作台按规定的速度和距离移动。电气伺服进给系统按有无监测和反馈装置分为： 开环、闭环和半闭环系统。2.5 进给传动系设计开

33、环系统对工作台实际位移量没有检测和反馈装置。采用步进电动机。系统的精度取决于步进电动机的步距角精度，定位精度较低，一般在(土0.01土0.02)mm.调试方便，成本低。适用于精度要求不高的数控机床中。QNS 电气伺服系统的分类电气伺服进给系统电气伺服进给系统2.5 进给传动系设计在闭环系统中，使用位移测量元件测量机床执行部件的移(转)动量，将执行部件的实际移(转)动量和控制量进行比较，比较后的差值用信号反馈给控制系统，对执行部件的移(转)动进行补偿，直至差值为零。可消除整个系统的误差、间隙和失动，系统比较复杂，安装、调整和测试比较麻烦，成本高，用于精密型数控机床上。电气伺服系统的分类电气伺服进

34、给系统电气伺服进给系统2.5 进给传动系设计检测元件不是直接安装在执行部件上，而是安装在进给传动系中间部位的旋转部件,称之为半闭环系统.半闭环系统的精度比闭环差。由于惯性较大的工作台在闭环之外，系统稳定性较好。与闭环相比，半闭环系统结构简单，调整容易，价格低，所以应用较多。电气伺服系统的分类电气伺服进给系统电气伺服进给系统2.5 进给传动系设计电气伺服进给系统由伺服驱动部件和机械传动部件组成;伺服驱动部件如步进电动机、直流伺服电动机、交流伺服电动机等。机械传动部件如齿轮、滚珠丝杠螺母等。电气伺服进给系统驱动部件 调速范围宽，低速运行平稳，无爬行；调速范围宽，低速运行平稳，无爬行； 快速响应性好

35、；快速响应性好； 抗负载振动能力强；抗负载振动能力强； 可承受频繁启动、制动和反转；可承受频繁启动、制动和反转； 振动和噪音小，可靠性高，寿命长；振动和噪音小，可靠性高，寿命长； 调整维修方便。调整维修方便。v 对进给驱动部件的基本要求：对进给驱动部件的基本要求：电气伺服进给系统电气伺服进给系统2.5 进给传动系设计 步进电动机是一种用电脉冲信号进行控制，并将电脉冲信号转换成相应的角位移的控制电动机。 它的直线位移量或角位移量与电脉冲数量成正比，电动机的转速与脉冲频率成正比，通过改变脉冲的频率就可以在很大的范围内调节电动机的转速，并能快速起动，制动和反转。 选用时，应综合考虑步进电动机步矩角、

36、最大静转矩、起动频率、运行频率以及传动比，最后选择步进电动机的规格和驱动电源。电气伺服进给系统驱动部件电气伺服进给系统电气伺服进给系统2.5 进给传动系设计 又称宽调速直流伺服电动机。根据定子产生磁场的方式不同，可分为永磁式和电励磁式。 目前在小型数控机床上使用较多的是小惯量直流电动机（高速轻载，响应速度快！）。 直流伺服电动机自身装有位置检测元件，用于伺服进给系统时不再附加位移检测装置，就可以构成精度较高的半闭环系统。 特点：机械特性硬、转子惯量大、过载能力强、可直接驱动负载、功率较大、体积较小、重量较轻、效率高、调速范围大，低速时仍能平滑转动。 常采用可控硅调速电路和晶体管脉冲调宽调速系统

37、(简称PWM)驱动。电气伺服进给系统驱动部件电气伺服进给系统电气伺服进给系统2.5 进给传动系设计 交流伺服电动机按产生磁场的方式可分为：永磁式、电磁式等。在数控机床进给驱动中大多采用的是永磁同步交流伺服电动机。 交流伺服电动机特性：机械特性软、转速范围较窄、体积小、质量小动态响应好,与同容量直流电机相比,价格是其一半左右.若参数选择和制造工艺不良会产生自转现象，运行可靠，摩擦力矩小,带动负载能力弱。 电压-转速特性曲线平缓有向水平趋势的叫软特性, 陡直的为硬 在选择伺服电动机时，要根据直流和交流这两种伺服电动机各自的特点、使用场合、控制方式、电源频率和电压波动等使用的具体情况，权衡利弊，合理

38、选用。电气伺服进给系统驱动部件电气伺服进给系统电气伺服进给系统2.5 进给传动系设计F直线步进电动机是从旋转式步进电动机演变而来的。是按电磁铁的作用原理进行工作的。 不仅节省了丝杠螺母副、齿轮、轴承及润滑装置等，而且提高了伺服系统的传动精度、传动刚度及运动速度，并使进给系统结构简单、维护方便。 用于开环控制系统时，定位精度约0.03mm，最高速度可达0.4 0.5m/s。 用于闭环控制系统时，定位精度可达微米级，最高速度达12m/s。电气伺服进给系统驱动部件电气伺服进给系统电气伺服进给系统2.5 进给传动系设计机械传动部件 通过柔性联轴器联接，其特点为成本低，安装、调整方便，无间隙传动；通过齿

39、轮联接，主要用于步进电动机、小惯量直流伺服电动机与丝杠的联接；通过同步齿形带联接，齿形带应用场合和齿轮一样，它成本低、噪声小，但运行精度低于齿轮传动。电气伺服进给系统电气伺服进给系统2.5 进给传动系设计机械传动部件要采用低摩擦传动。如导轨可以采用静压导轨、滚动导轨；可采用滚珠丝杠螺母传动；齿轮传动采用磨齿齿轮伺服系统和机械传动系匹配要合适。输出轴上带有负载的伺服电动机的时间常数与伺服电动机本身所具有的时间常数不同，如果惯性矩和齿轮等匹配不当，就达不到快速反应的性能。选择最佳降速比来降低惯量，最好采用直接传动方式。采用预紧办法来提高整个系统的刚度。采用消除传动间隙的方法，减小反向死区误差，提高

40、运动平稳性和定位精度。机械传动部件 电气伺服进给系统电气伺服进给系统2.5 进给传动系设计( (二二) )机械传动部件设计机械传动部件设计：传动副的最佳降速比应按最大加速能力和最小惯量的要求确定，以降低机械传动部件的惯量。QLuo360机械传动部件 电气伺服进给系统电气伺服进给系统2.5 进给传动系设计刚性调整法是调整后的齿侧间隙不能自动进行补偿，如偏心轴套调整法、变齿厚调整法、斜齿轮轴向垫片调整法等。特点是结构简单，传动刚度较高。柔性调整法是指调整后的齿侧间隙可以自动进行补偿，结构比较复杂，传动刚度低些，会影响传动的平稳性。主要有双片直齿轮错齿调整法，薄片斜齿轮轴向压簧调整法，双齿轮弹簧调整法等。摩擦损失小，传动效率可达0.900.96；丝杠螺母经预紧后，可以完全消除间隙，提高了传动刚度；静、动摩擦因数差异很小，运动灵敏