数控机床主传动系统相关设计

数控机床主传动系统相关设计3.1主传动系统设计概述主传动系统的设计要求①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。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。

3.1主传动系统设计概述主传动系统的设计要求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。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。3.1主传动系统设计概述3.1.3数控机床主传动系统配置方式（1）带有变速齿轮的主传动:通过少数几对齿轮降速，扩大输出转矩，以满足主轴低速时对输出转矩特性的要求。数控机床在交流或直流电动机无级变速的基础上配以齿轮变速，使之成为分段无级变速。

3.1主传动系统设计概述3.1主传动系统设计概述（2）通过带传动的主传动电动机本身的调速就能够满足要求，不用齿轮变速，可以避免齿轮传动引起的振动与噪声。它适用于高速、低转矩特性要求的主轴。常用的是V带和同步齿形带。

3.1主传动系统设计概述3.1主传动系统设计概述（3）两个电动机分别驱动主轴高速时电动机通过带轮直接驱动主轴旋转，低速时，另一个电动机通过两级齿轮传动驱动主轴旋转，齿轮起到降速和扩大变速范围的作用，这样就使恒功率区增大，扩大了变速范围，克服了低速时转矩不够且电动机功率不能充分利用的缺陷。

3.1主传动系统设计概述（4）内装电动机主轴传动这种主传动方式大大简化了主轴的结构，有效地提高了主轴部件的刚度，但主轴输出转矩小，电动机发热对主轴影响较大。3.1主传动系统设计概述主传动系统的类型

(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分为单速交流电动机驱动、调速交流电动机驱动和交流伺服电动机驱动。调速交流电动机动又有多速交流电动机驱动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。3.1主传动系统设计概述（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3.1主传动系统设计概述

(3)按变速的连续性可以分为分级变速传动和无级变速传动。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。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(如摩擦片式、牙嵌式、齿轮式离合器)变速。

3.1主传动系统设计概述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。无级变速传动可由机械摩擦无级变速器、液压无级变速器和电气无级变速器实现。

3.1主传动系统设计概述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。3.2分级变速主传动系统设计(1)机床主传动运动设计的任务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。

(2)主要设计内容:拟定结构式或结构网;拟定转速图，拟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。3.2分级变速主传动系统设计3.2.1转速图的概念转速图由“三线一点”组成，即传动轴线、转速线、传动线和转速点。3.2分级变速主传动系统设计转速图可以清楚地表示:主轴各级转速的传动路线;主轴得到这些转速所需的变速组数目及每个变速组中的传动副数;各个传动比的数值;传动轴的数目;传动顺序及各轴的转速级数与大小。3.2分级变速主传动系统设计3.2.2变速规律机床主轴多级转速是由数个变速传动组(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。3.2分级变速主传动系统设计3.2.2变速规律一些术语:1)级比:同一变速组内相邻两传动比之比2)级比指数:相邻两传动比相距的格数称为级比指数3)基本(变速)组

:变速组的级比指数为1

4)扩大(变速)组:起变速扩大作用的变速组3.2分级变速主传动系统设计5)变速组的变速范围:该变速组的最大传动比iimax与最小传动比iimin之比:变速组内相邻两传动比之比(级比)xi-----相邻两传动比相距的格数(级比指数)3.2分级变速主传动系统设计主轴的转速范围(或变速范围)Rn:等于各变速组的变速范围ri的乘积:Rn=r0r1….ri…..rj

主轴的转速级数为Z=p0p1p2….(Pi为变速组的传动副数)3.2分级变速主传动系统设计各变速组的级比、级比指数和变速范围的数值见表3-1:主轴的转速范围(或变速范围)Rn，等于各变速组的变速范围的乘积.主轴的转速级数为Z=p0p1p2….3.2分级变速主传动系统设计3.2.3结构网及结构式传动系统设计方案的简洁表达方式:(1)结构网(2)结构网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得值.结构网上代表传动比的射线呈对称分布图3-3对应的结构式为12=31×23×26。

3.2分级变速主传动系统设计拟定转速图的方法拟定转速图的一般步骤为:①确定变速组数及各变速组的传动副数；②安排变速组的传动顺序；拟定结构式(网)；③分配传动副传动比，绘制转速图。3.2分级变速主传动系统设计例[3-1]: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φ=1.41，电动机转速n电=1440r/min，试拟定其主传动系统转速图。3.2分级变速主传动系统设计拟定转速图的步骤:1)主轴的各级转速确定:由Z,φ,n1可知主轴的各级转速应为:31.5,45,63,90,125,180,250，500、710、1000、1400。2)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=4×312=3×412=3×2×212=2×3×212=2×2×33.2分级变速主传动系统设计2)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=4×312=3×412=3×2×212=2×3×212=2×2×3考虑原则:①轴向安装尺寸:②“前多后少”的原则:如传动副较多的变速组放在接近电动机，则可使小尺寸的零件多些，大尺寸的零件就可以少些.

综合结论:取12=3×2×2的方案.3.2分级变速主传动系统设计3)结构网或结构式方案的选择:在12=3×2×2中，又因基本组和扩大组排列顺序不同而有不同的结构式方案。可能的六种方案:(a)12=31×23×26(b)12=31×26×23(c)12=32×21×26(d)12=34×21×22

(e)12=32×26×21

(f)12=34×22×213.2分级变速主传动系统设计选择结构式最佳方案的原则:①齿轮传动时传动副的极限传动比:最小传动比imin≥l/4;最大传动比imax≤2。如用斜齿轮传动，则imax≤2.5所以同时可知,变速组的极限变速范围:

主传动链任一变速组的最大变速范围一般为≤8~10。

3.2分级变速主传动系统设计按照这一原则,可去掉(d)和(f)结构式方案:(d)12=34×21×22

(f)12=34×22×21其中含有变速组34,该组变速范围:x2=4,p2=3，r2=φ4（3-1）=1.418=16≥rmax，是不可行的。3.2分级变速主传动系统设计选择结构式最佳方案的原则:

②基本组和扩大组的排列顺序:应尽量使扩大顺序与传动顺序一致。这样容易保证在可行的多种方案中，选择到中间传动轴的变速范围最小的方案。

而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。由此,在可行的四种方案(a),(b),(c),(e)中，选择方案(a).3.2

分级变速主传动系统设计4)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。①中间轴转速的确定: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。中间轴如果转速过高，将会引起过大振动、发热和噪声。3.2

分级变速主传动系统设计②绘制转速图:A、本例所选定的结构式共有三个变速组，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。3.2

分级变速主传动系统设计B、“前慢后快”的降速分配原则:目的：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)。这样要求使得多数中间轴转速尽量高点，在分配降速路线上各传动副的传动比时，前面的轴降速慢（分配传动比比较小，下降较缓，转速较高），后面的轴分配传动比比较大，降速快。3.2

分级变速主传动系统设计C、逐步形成完整的转速图：STEP1：分配最大降速路线上各传动副的传动比。即STEP2：根据各变速组的级比、级比指数确定其他各传动副的传动比STEP3：检验各传动比，均未超出极限值。STEP4：补全各连线，就可以得到如图3-2(b)所示的转速图。3.2

分级变速主传动系统设计3.2.5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。齿数和S与模数m关系：3.2

分级变速主传动系统设计3.2.5齿轮齿数的确定1）为减小传动副的径向尺寸，应尽量减小齿数和；2）最少齿数的齿轮受根切限制，以及根圆直径要满足装到一定直径传动轴上的强度要求，齿数不能太少，一般要求满足：①根切限制要求：Zmin≥18~20；②齿根圆到轴的键槽槽底应有一定的壁厚以保证传动轴的强度要求，这要求：Zmin≥1.03D/m+5.6D---齿轮花键轴外径;m----齿轮模数3.2

分级变速主传动系统设计3.2.5齿轮齿数的确定③一般取齿数和s≤70~120;④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＞4，以避免滑移过程中的齿顶干涉。3.3无级变速传动链的设计数控机床的主运动广泛采用无级变速。无级变速优势：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。数控机床一般都采用由直流或调速电动机作为驱动源的电气无级调速。3.3无级变速传动链的设计无级变速主传动链的问题：调速电动机的功率与转矩特性难于直接和机床要求的理想的功率和转矩要求完全匹配。解决问题：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。3.3无级变速传动链的设计概念：主传动系统的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决定，即与传递的功率和转速这两个因素有关.主轴能传递全功率的最低转速，称为主轴的计算转速.变速传动件应该根据计算转速进行动力计算.3.3无级变速传动链的设计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。传递全功率的最低转速，就是该零件的计算转速。3.3无级变速传动链的设计主轴所传递的功率或转矩特性特点：通用机床的应用范围广，变速范围大，使用条件也复杂，主轴实际的转速和传递的功率，也就是承受的转矩应根据加工工艺需要而经常变化的。如：通用车床主轴转速范围的低速段，常用来切削螺孔或精车等，消耗的功率较少；在主轴转速的高速段，由于受电动机功率的限制，背吃刀量和进给量不能太大，传动件所受的转矩随转速的增加而减少。

3.3无级变速传动链的设计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。理想的机床的主轴功率转矩特性：主轴从最高转速nmax到计算转速nj间，应能传递运动源的全部功率。在这个区域内，主轴的最大输出转矩应随转速的降低而加大，称之为恒功率区；主轴要求的恒功率变速范围Rnp=一般为几十。从nj以下直到最低转速nmin，这个区域内的各级转速并不需要传递全部功率。主轴的输出转矩不再随转速的降低而加大，而是保持nj时的转矩不变。所能传递的功率，则随转速的降低而降低。称之为恒转矩区。3.3无级变速传动链的设计变速电动机功率或转矩特性特点：

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，在额定转速以上为恒功率变速，通常电动机的恒功率变速范围Rdp=2~3;额定转速以下为恒转矩变速，调整范围很大，变速范围可达30甚至更大。上述功率和转矩特性一般与前述机床主轴理想特性不符，不能满足机床的使用要求。驱动电动机和主轴功率特性的匹配设计在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。由于主轴要求的恒功率变速范围Rnp远大于电动机的恒功率变速范围Rdp，所以在电动机与主轴之间要串联一个分级变速箱，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。驱动电动机和主轴功率特性匹配设计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。驱动电动机和主轴功率特性匹配设计情况①:取变速箱的公比φf等于(=)电动机的恒功率变速范围Rdp。特点：功率特性图是连续的，无缺口和无重合。设计求解步骤：变速箱的变速级数为Z：由主轴的恒功率变速范围可得：【例3-4】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:1）主轴要求的恒功率变速范围：Rnp=4000/150=26.72）电动机的恒功率变速范围Rdp=4500/1500=3驱动电动机和主轴功率特性匹配设计驱动电动机和主轴功率特性匹配设计3）取变速箱的公比φf=Rdp=3，由（3-8）式：取Z=3。即：应设计一包含3级分级变速的传动系统。结合前面3.2节的分级变速传动系统的设计知识，设计的传动系统和转速图见图3-8(a)和((b),图(c)为主轴的功率特性。驱动电动机和主轴功率特性匹配设计驱动电动机和主轴功率特性的匹配设计4）电动机功率的确定：如取总效率η=0.75，则电动机功率：P=5.5/0.75=7.3kW。可选用北京数控设备厂的BESK-8型交流主轴电动机，连续额定输出功率为7.5kW。回顾总结特点：取φf=Rdp时，整个分段变速范围内，恒功率特性区是连续的，无缺口和无重合。驱动电动机和主轴功率特性的匹配设计情况②：取变速箱的公比φf大于(>)电动机的恒功率变速范围Rdp。特点:1)变速所需级数减少,简化变速箱结构。2）变速箱每档变速范围内，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”，

功率输出非全功率。下面举例求解这种情况下的分级传动系统的设计问题。驱动电动机和主轴功率特性匹配设计[例]某加工中心，机床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。主轴最高转速为4000r/min，计算转速为113r/min。交流调速主电动机额定转速为1500r/min，最高转速为4000r/min，现要求有级变速箱的变速级数Z=2。解：1）电动机恒功率变速范围Rdp=4000/1500=2.672）主轴恒功率变速范围Rnp=nmax/nj=4000/113=35.4驱动电动机和主轴功率特性匹配设计3）变速箱的公比φf计算：已知Z=2，φf>Rdp=2.67结合前面3.2节的分级变速传动系统的设计知识，设计的传动系统和转速图见图3-10和3-11,为主轴的功率特性。驱动电动机和主轴功率特性匹配设计驱动电动机和主轴功率特性匹配设计回顾总结特点：1)变速所需级数减少,简化变速箱结构。2）变速箱每档恒功率变速范围内，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”，功率输出非全功率。上图所示“缺口”处的功率最低至：驱动电动机和主轴功率特性匹配设计3)要想实现变速箱恒功率变速范围内全功率输出,不出现功率缺口，需选择提高扩大电机额定功率，结果将在非缺口处留有功率余量。4）结论：

通过提高变速箱的公比，来减少变速所需级数,可以简化变速箱结构，付出代价是在主传动系统功率特性图中出现“缺口”，出现局部变速范围功率不足的情况；或需要选择留用余量的电机，出现大牛拉小车的情况。驱动电动机和主轴功率特性的匹配设计情况③：取变速箱公比φf小于(<)电动机的恒功率变速范围Rdp：这种设计适合于需要维持恒线速切削场合，如数控车床切削阶梯轴或端面。随着工件直径的变化，主轴转速也要随之而自动变化，才能实现恒线速切削。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。驱动电动机和主轴功率特性匹配设计解决办法：可采用增加变速箱的变速级数Z，降低公比φf的方法解决。特点：在主传动系统功率特性图上有小段重合，这时变速箱的变速级数将增多，使结构变得复杂。驱动电动机和主轴功率特性匹配设计【例3-5】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Z=4的分级变速箱的主传动系统。解：1）主轴要求的恒功率变速范围为：2）电动机可达到的恒功率变速范围为：

驱动电动机和主轴功率特性匹配设计3）公比φf的求解：如取齿轮变速级数Z=4，则从式(3-7)有：故：φf=2.03取φf=2分级变速箱的转速图和功率特性图如图3-12所示：驱动电动机和主轴功率特性匹配设计a---b段(4000-1330)：变速比1:1.25—1:1—1:1e---f段(1000-335):变速比1:1.25—1:1—1:4c---d段(2000-667):变速比1:1.25—1:2—1:1驱动电动机和主轴功率特性的匹配设计目前，带调速电动机的分离传动变速箱已形成独立的功能部件。变速箱的输人轴与电动机直接联接或带传动联接，输出轴可通过带传动主轴。变速箱有不同的公比、级数(通常为2级、3级、4级)和功率，形成系列，并包括操纵机构和润滑系统，由专门工厂制造。机床厂可以外购。3.4现代数控机床主传动系统3.4.1高速主传动设计提高主传动系统中主轴转速是提高切削速度最直接、最有效的方法。达到高的主轴转速,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。3.4现代数控机床主传动系统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;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。3.4.1高速主传动设计电主轴图例3.4.2柔性化、复合化设计单机柔性化单元柔性化系统柔性化功能单一化多元化、复合化(工序复合化和功能复合化)机床进一步高速化、高效化和高精度化应用运动并联的原理虚拟轴机床(Vir-tualaixsmachine)设计。3.5主传动系统结构设计1\设计内容:

机床主传动部件的结构设计,是将传动方案“结构化”，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。3.5主传动系统结构设计2\图纸要求:主轴变速箱部件装配图设计内容包括展开图、横向剖视图、外观图及其他必要的局部视图等。绘制部件的主要结构装配草图，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。从主轴变速箱部件装配图分拆、绘制零件工作图及编制零件明细表3.5.1变速机构设计机床的主运动分级变速机构类型：1)交换齿轮变速机构特点：变速机构的变速简单，结构紧凑，主要用于大批量生产的自动或半自动机床、专用机床及组合机床中，不需要经常变速的场合；3.5.1变速机构设计2)滑移齿轮变速机构特点：（1）变速范围大，变速级数较多，变速方便，节省时间；（2）在较大的变速范围内可传递较大功率和转矩；（3）不工作的齿轮不啮合，因而空载功率损失小；（4）变速箱的构造较复杂，不能在运转中变速。（5）多用直齿圆柱齿轮传动，故传动平稳性不如斜齿轮传动3.5.1变速机构设计3)离合器变速传动机构特点：（1）变速机构为斜齿或人字齿圆柱齿轮时，不便于采用滑移齿轮变速，应采用牙嵌式或齿轮式离合器变速；（2）摩擦片式离合器特点是可在运转过程中变速，接合平稳，冲击小，便于实现自动化。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。3.5.1变速机构设计超速现象：内外摩擦片之间的相对转速过高，不仅为离合器正常工作所不允许，而且会使空载功率显著增加，齿轮传动的噪声加大，磨损加剧。3.5.1变速机构设计举例1：离合器都安装在主动轴上。在