机械制造装备设计ppt.ppt

1、“十一五”国家级规划教材,主 编：李庆余 孟广耀 副主编：张 佳 董 锋,机械制造装备设计,绪论,一、机械制造业在国民经济中的地位 机械制造业是国民经济各部门赖以发展的基础，是国民经济的重要支柱，是生产力的重要组成部分。 机械制造业的生产能力和制造水平，主要取决于机械制造装备的先进程度。机械制造装备的核心是金属切削机床 。而金属切削机床的技术水平直接影响到机械制造业的产品质量和劳动生产率。,绪论,一个国家的机床工业水平在很大程度上代表着这个国家的工业生产能力和科学技术水平。 二、机械制造装备的状况及发展前景 1、五十年代为“规模效益”模式，少品种大批量生产模式；,2、七十年代为“精益生产”模式

2、，以提高质量，降低成本为标志； 3、八十年代，较多的采用数控机床、机器人、柔性制造单元和系统等高技术的集成机械制造装备； 4、九十年代，机械制造装备普遍具有“柔性化”、“自动化”和“精密化”的特点，适应多品种小批量和经常更新产品的需要。,绪论,绪论,三、机械制造装备的组成 机械制造装备包括加工设备、工艺装备、 工件输送装备和辅助装备。 1、加工设备，主要指金属切削机床，特种加工机床。,2、工艺装备，是机械加工中所使用的刀具、模具、机床夹具、量具、工具的总称。 3、工件输送装备，主要指坯料、半成品或成品在车间内工作地点间的转移输送装置，以及机床的上下料装置。 4、辅助装备，包括清洗剂、排屑装置和

3、计量装置等。,绪论,绪论,四、本课程主要研究内容 1、金属切削机床设计 2、刀具设计 3、机床夹具设计,第一章 金属切削机床的总体设计,机床的总体设计是机床设计的关键环节,对机床的技术性能和经济性指标起着决定性作用。 机床的总体设计是根据设计要求，通过调查研究，检索资料，掌握机床设计的依据；然后进行工艺分析，拟定出性能先进，经济性好的工艺方案，必要时画出加工示意图；在此基础上确定机床总布局，画出机床联系尺寸图；确定所设计机床的主要技术参数。,1.1 机床的基本要求,一、机床应具有的性能指标 1、工艺范围 指机床适应不同生产要求的能力。包括可加工的零件类型、形状和尺寸范围，能完成的工序种类等。,

4、第一节 机床的基本要求,2、加工精度 指被加工工件表面的形状位置、尺寸的准确度，表面的粗糙程度。机床的精度分为三级：普通精度机床；精密机床；高精度机床。 3、生产率和自动化 指机床在单位时间内所能加工的工件数量。 4、可靠性 机床在整个使用寿命期间内完成规定功能的能力 。,1.1 机床的基本要求,1.1 机床的基本要求,二、人机关系 机床除具有一定的计术性能指标外，还应有良好的人机关系。即使机床符合人的生理和心理特征，实现人机环境高度协调统一，为操作者创造一个安全、舒适、可靠、高效的工作条件；能减轻操作者精神紧张和身体疲劳。,1.1 机床的基本要求,机床的信号指示系统的显示方式、显示器位置 等

5、都能使人易于无误的接受；机床的操纵应灵活 方便，符合人的动作习惯，使操作者从接收信号 到产生动作不用经过思考，提高正确操作的速度，不 易产生误操作或故障。 机床造型应美观大方，色彩协调，提高作业 舒适度。另外，应降低噪声，减少噪音污染。,1.2 金属切削机床的设计步骤,第二节金属切削机床的设计步骤 机床设计大致包括四个阶段： 第一、总体设计 第二、技术设计 第三、零件设计 第四、样机试制和鉴定,1.2 金属切削机床的设计步骤,一、总体设计 1掌握机床的设计依据，包括技术信息、实验研究 成果、新技术的应用成果 。 2工艺分析，优化加工方案。必要时画出加工示意 图。 3总体布局,确定机床刀具和工件

6、的相对运动，确定 各部件的相互位置。,画出传动原理图，主要部件的结构草图，液压系统原 理图，电气控制电路图，操纵控制系统原理图。画出 机床联系尺寸图机床原始总图。 总体设计阶段应采用可靠性设计原理，进行预防 故障设计。利用概率设计，将所设计零件的失效概率 限制在允许的很小范围内，以满足可靠性定量的要求。 4确定主要的技术参数，主要参数包括尺寸参数、 运动参数和动力参数 。,1.2 金属切削机床的设计步骤,可靠性设计的六条原则： 采用成熟的经验或经分析试验验证了的方案； 结构简单，零部件数量少； 多用标准化、通用化零部件； 重视维修性，便于检修、调整、拆换； 重视关键零件的可靠性和材料选择； 充

7、分运用故障分析成果，及时反馈，尽早改进。,1.2 金属切削机床的设计步骤,1.2 金属切削机床的设计步骤,二、技术设计 画出传动系统图，绘制部件装配图，绘制电气系统 安装接线图，液压系统和控制操作系统装配图，绘制 总装配图及部件装配图 三、零件设计及资料编写 四、样机试制和鉴定 样机试制；空车试运转；随后进行工业性试验，在 额定载荷下进行试工作，并写出工业性试验报告。,1.3 机床的总体布局,一、分配机床的运动 机床运动的分配应掌握三个原则： 1、将运动分配给质量小的零部件。 运动件质量小，惯性小，需要的驱动力就小，传 动机构体积小；制造成本低。 2、 运动分配应有利于提高工件的加工精度。 3

8、、 运动分配应有利于提高运动部件的刚度。 4、运动的分配应视工件形状而定。,1.3 机床的总体布局,二、选择传动形式和支承型式 机床的主传动按驱动电动机类型分为，交流电动 机驱动和直流电动机驱动；交流电动机驱动又分为单 速电动机、双速电动机及变频调速电动机驱动。 机床传动的形式有机械传动，液压传动等。机械 传动靠滑移齿轮变速，变速级数一般少于30级，它传 递功率大，变速范围较广，传动比准确，工作可靠， 广泛用于通用机床中 。,支承型式是指支承件的形状，支承件高度方向尺 寸小于长度方向尺寸时称为卧式支承；支承件高度方 向尺寸大于长度方向尺寸时称为立式支承。 卧式支承的机床，重心低，刚度大，是中小

9、型机 床的首选支承形式。立式支承又称为柱式支承，简称 为立柱。这种支承占地面积小，刚度较卧式差，机床 的操作位置比较灵活。龙门框架支承，是单臂支承的 改进形式,又称为双柱式支承，适用于立式大型机床 。,1.3 机床的总体布局,1.3 机床的总体布局,三、安排操作部位 机床总体设计,在考虑达到技术性能指标的同时， 必须注意机床操作者的生理和心理特征，充分发挥人 和机床的各自特点，达到人机最佳综合功效。,1.3 机床的总体布局,机床各部件相对位置的安排，应保证：操作者 和工件有适当的相对位置，有足够的活动空间，以便 于工件的装卸、刀具的安装调试、加工情况的观察和 工件检验；操作者与操作手柄等控制元

10、件的适当位 置，有足够的操作空间，达到操作准确、省力、方便； 操作件应按GB4141选用，操作件之间有合理的距 离；功能不同的按钮应有不同的颜色，且这些颜色 应和人的视觉习惯一致、符合人的心理生理特征。防 止误操作。,1.3 机床的总体布局,四、提高动刚度的措施 1、抗振性能的提高 机床的抗振性是指机床工作部件在交变载荷下抵 抗变形的能力，包括抵抗受迫振动和自激振动的能力。 习惯上称前者为抗振性，后者为切削稳定性。 自激振动，可通过增大工作部件的阻尼比外、调 整切削用量来避免，使切削稳定。 机床外部的振源，最可靠有效的方法就是隔离振源。,1.3 机床的总体布局,无法隔离的振源，应采用下列措施：

11、 选择合理的传动形式，尽量减短传动链，减少 传动件个数。既减少振动源的数量； 提高传动链各传动轴组件，尤其是主轴组件的 刚度，提高其固有角频率； 大传动件应作动平衡或设置阻尼机构； 箱体外表面涂刷高阻尼涂层，增加阻尼比； 提高各部件结合面的表面精度，增强局部刚度。,1.3 机床的总体布局,2、减小热变形 减少热变形最简单最有效的方法是隔离热源。 不能分离的热源，应采用以下措施：产生热量 较大的热源，进行强制冷却。 热源相对结构对称，热变形后中心位置不变。 改善排屑状态。数控车床将床身倾斜与主轴后 上方，使切屑在自重作用下落入下面小车中或切屑输 送机上，切屑不与床身和导轨副接触，避免了切屑携 带

12、的切削热传给导轨床身，减少了热变形。,1.3 机床的总体布局,3、降低噪声 机床主要的噪声源是齿轮振动，减少齿轮噪音的 措施有：缩短传动链，减少传动件的个数； 采用小模数、硬齿面齿轮，降低传动件的线速度。 提高齿轮的第组精度； 采用增加齿数、减小压力角或圆柱螺旋齿轮，增加 齿轮啮合的重合度，机床齿轮的重合度应不小于1.3； 提高传动件的阻尼比；增加支承组件的刚度。,1.3 机床的总体布局,五、造型设计 机床的造型必须与功能相适应，功能决定造型，造型表现功能。机床的造型设计是在保证人机关系的基础上，应用艺术规律和造型美学法则加以精炼和塑造，得到恰到好处的造型。机床造型总的原则是经济实用，美观大方

13、。尽管人的审美观不尽相同，但还是有规律可循，良好的外观造型应从机床造型设计和色彩两方面去评价。,1.3 机床的总体布局,外观造型应使机床整体统一，均衡稳定，比例协调。部件的形体目前多流行小圆角过渡的棱柱体造型,长、宽（或高）的比率要适当，常用的比值为：黄金分割比率、均方根比率、整数比率等；各部件的形体比率相互协调,做到衔接紧密、转换自然，组合而成的外形轮廓的几何线型要大体一致，达到线型风格的协调统一；整体造型应使人感到稳定而不笨重，轻巧且安定。,1.3 机床的总体布局,色彩可配合造型使机床达到人的审美要求。机床的主色调是绿色。实践证明，绿色有助于提高劳动生产率，蓝色和紫色则降低劳动生产率。国内

14、外各种机床多采用绿色，它给人以贴近自然，适宜、舒畅的感觉，同时也是一种耐油污的隐蔽色。 机床色彩应适应不同的使用环境，热带地区使用的机床宜采用冷色，如乳白色、奶黄色，使人产生清凉、心情平静的感觉；寒冷地区应采用暖色，如桔黄色、桔红色等，以增强人们的温暖感。,1.4 主要技术参数的确定,一、尺寸参数 机床的尺寸参数是指影响机床加工性能的一些尺寸。 主参数代表机床的规格的大小，是最重要的尺寸参数。另外，机床尺寸参数还包括第二主参数和一些重要的尺寸。 机床的主参数已规定在“GB/T153751994金属切削机床型号编制方法”中，每种机床的主参数按等比数列排列。,1.4 主要技术参数的确定,二、运动参

15、数 主运动为旋转运动的机床，主运动的运动参数为主轴转速 。转速与切削速度 的关系为：,工件或刀具直径（mm）。,1.4 主要技术参数的确定,1最低转速和最高转速的确定 按照典型工序的切削速度和刀具（或工件）直径，由主轴转速公式计算出最低转速 、最高转速 、变速范围 ，其中D是机床加工的最大直径（主参数），k是系数 。,1.4 主要技术参数的确定,1.4主轴转速,2主轴转速的合理排列 机床的主轴转速绝大多数是按照等比数列排列的。原因是：设计简单；使用方便，最大相对转速损失率相等。 (1) 设计方便 如果机床的主轴转速数列是等比的，公比为 ，且转速级数Z为非质数。则这个数列可分解成几个等比数列的乘

16、积，使传动设计简化。,1.4主轴转速,1.4主轴转速,(2) 使用方便 最大相对转速损失率相等 等比数列转速的转速通式为,则机床的切削速度与工件（或刀具）直径的关系为,1.4主轴转速,的对数值是 对数值的一次函数，斜率为1，函数图像是与切削速度对数坐标轴成45o的斜线，取j=1Z，可得到Z条平行间距相等的斜线 。,1.4 转速选择图,1.4主轴转速,如果加工某一工件需要的最佳切削速度为 ，相应的转速为 。一般情况下，不可能正好在某一转速线上，而是在两转速线 与 之间,为保证刀具的使用寿命，应选择较低的转速 ，这时转速的损失为 ，相对转速损失率为,1.4主轴转速,最大相对转速损失率为 趋近于 时

17、的A值，即,最大相对转速损失率Amax只与公比 有关，是恒定值；它影响机床的劳动生产率，特别是加工时间长的大型重型机床。因此是机床设计的重要指标之一。,1.4标准公比原则,公比大，最大相对转速损失率就大，对机床劳动生产率影响就大；我们规定： 最大相对转速损失率Amax50%。,3.标准公比原则 1）机床为满足不同工艺需求，需具有一系列等比数列转速,转速从 到 依次递增，即,1.4标准公比原则,2）为方便记忆，要求转速nj经E1级变速后，转速值呈10倍的关系，即,1.4标准公比原则,3）为方便记忆，为适应双速电机驱动的需要，要求转速nj经E2级变速后，转速值呈2倍的关系，即,1.4公比选用原则,

18、4公比选用原则 中型机床，公比一般选取1.26或1.41；大型重型机床，加工时间长，公比应小一些，一般选取1.26、1.12或1.06；非自动化小型机床，加工时间小于辅助时间，转速损失对机床劳动效率影响不大，为使机床结构简单，公比可选大一些，可选择1.58、1.78,甚至2。专用机床原则上不变速，但为适应技术进步，可作适当性能储备，公比可选择1.12、1.26。,1.4 动力参数,三、动力参数 动力参数包括驱动机床的各种电动机功率或扭矩，液压马达和油缸的牵引力等。各传动件的结构参数都是根据动力参数设计的。 1、主电动机功率的确定 机床主运动的功率为,1.4 动力参数,切削功率 与刀具材料、工件

19、材料和所选用的切削用量有关。专用机床的刀具、工件材料与切削用量都是不变的，计算较准确；通用机床，刀具与工件材料和切削用量变化大，可根据机床检验标准中规定的切削条件进行计算。,1.4 动力参数,机床主运动的空转功率损失 ，与传动件的预紧程度及装配质量有关，是传动件摩擦、搅油等因素引起的，其大小随传动件转速的增大而增大。中型机床主传动空转功率损失可用下列经验公式进行计算：,机床主轴转速 ，估算 时，按主轴计算转速确。,1.4 动力参数,主传动链的结构尺寸未确定时，按主运动电动机的功率估算主运动链中除主轴以外的所有传动轴的平均直径,1.4 动力参数,当主轴转速为 时，传动链内除主轴以外各传动轴的相应

20、转速之和为 ；,润滑油粘度影响系数 ,润滑油为N46时， 润滑油为N32时， ；,主轴轴承系数 ，两支承主轴 ；三支承主轴 。,1.4 动力参数,机床切削工件时，齿轮、轴承等零件上的接触压力增大，无用功耗损增大。比 多出的那部分功率，称为附加机械摩擦损失功率 ，切削功率越大，附加机械摩擦损失功率越大。,主传动链机械效率，是主传动链中各传动副的机械效率的乘积。,1.4 进给运动电动机功率的确定,2.进给运动电动机功率的确定 1) 进给运动与主运动合用一台电动机时，可不单独计算进给功率，而是在确定主电动机功率时引入一个系数K，机床主电动机功率为,普通车床 ；自动车床 ；铣床、卧式镗床 ；齿轮机床

21、；,2）进给运动中工作进给与快速移动合用一台电动机时，快速电动机满载起动，且加速度大，所消耗的功率远大于工作进给功率，且工作进给与快速移动不同时进行。所以该电动机功率按快速移动功率选取。数控机床属于这类情况。,1.4 进给运动电动机功率的确定,1.4 进给运动电动机功率的确定,3）进给运动单独使用一台电动机时，进给运动电动机功率 按下式计算,最大进给牵引力 (N）； 最大进给速度 ； 进给传动系统机械效率 。,1.4 进给运动电动机功率的确定,进给牵引力Q等于进给方向上切削分力与摩擦力之和，进给牵引力Q的估算公式见下表:,1.4 快速移动电动机功率的确定,3.快速移动电动机功率的确定 交流异步

22、快速移动电动机功率的确定 快速移动电动机满载起动，起动时间短、移动部件加速度大。在较短的时间内（0.51秒），使重力较大的移动部件达到所需的移动速度，即要克服移动部件和传动系统的惯性力，使其起动并迅速加速；又需克服移动部件因移动而产生的摩擦力。故起动时消耗的功率最大。,1.4 快速移动电动机功率的确定,克服摩擦力所需的功率是变化的，随移动速度的增大而增大，移动部件在起动过程中，是匀加速运动，平均速度是 ，但由于起动时间短，计算电动机起动功率时可按最大移动速度计算。当移动部件达到所需的移动速度后，移动部件变为恒速运动，电动机仅需克服移动部件的摩擦力就能维持其运动，即快速移动时所消耗的功率为克服摩

23、擦力所需的功率 。,1.4 快速移动电动机功率的确定,克服惯性力所需功率 ，快速移动电机的功率应按起动时所需功率选取，即,快速移动传动链的机械效率 ；,电动机起动转矩与额定转矩之比为 ，异步电动机,1.4 快速移动电动机功率的确定,克服惯性力所需电动机轴上的转矩,为电动机转子自身转动惯量； 为 传动件、负载折算到电动机轴上的转动惯量； 为电动机起动时转速加速过程的时间；异步电动机,1.4 快速移动电动机功率的确定,根据动能守恒定律,分别是各旋转件转动惯量（ ）、角速度（ ）；,各移动部件的质量( )、移动速度（ ）；,1.4 快速移动电动机功率的确定,空心圆柱形零件的转动惯量,旋转零件的质量为

24、 （ ），零件的内径、外径、长度分别为 。 钢材密度,1.4 快速移动电动机功率的确定,如果快速移动部件垂直升降运动，则电动机要同时克服部件重力和摩擦力。,如果移动部件是水平运动,移动部件重心与升降丝杠不同轴而引起，产生在导轨上的挤压力 ； 当量摩擦系数为 。,1.4 伺服电动机选择,伺服电动机选择,1）最大切削负载转矩 不得超过伺服电动机的额定转矩,丝杠上的最大轴向载荷（最大轴向进给力与导轨摩擦力之和） ；丝杠导程 。,1.4 伺服电动机选择,2）电动机的转动惯量 负载惯量 匹配,丝杠螺母预加载荷引起的附加摩擦转矩、丝杠轴承的摩擦转矩,1.4 伺服电动机选择,3)起动转矩和加速特性 直流伺服

25、电动机和步进电动机起动时转速加速过程的时间 为机械时间常数的4倍；交流伺服电动机为伺服系统时间常数的一半。 交流伺服电动机也可根据电动机的最大转矩计算工作台的加速时间和加速度,1.4 伺服电动机选择,根据伺服系统的增益 ，计算所需工作台的最大加速度 ，并使 略小于 。伺服系统增益 ，数控钻床取小值，数控车床、镗铣加工中心取大值。伺服系统的时间常数 ，伺服系统要求的最大加速度是在系统常数内，工作台的速度从 变为 ，因此，系统需要的加速度为 。,1.4 伺服电动机选择,系统需要的加速度 为,如果结构尚未确定,不能计算部件质量和转动部件惯性时，可根据现有机床，在统计分析的基础上，类比确定。普通机床的

26、快速移动电动机功率及移动速度参见下表,1.4 主要技术参数的确定,第一章 习题与思考题,1-1 机床应满足那些基本要求？什么是人机关系？ 1-2 机床设计的内容和步骤是什么？ 1-3 机床的总体方案拟定包括什么内容？机床总布局的内容和步骤是什么？ 1-4 机床分配运动的原则是什么？驱动型式如何选择？ 1-5 机床的尺寸参数包括的哪些参数？如何确定？ 1-6 怎样减少机床的振动，减小齿轮的噪声值？,1-7 机床的运动参数如何确定？等比传动有何优点？通用机床公比选用原则是什么？ 1-8 标准公比有哪些，是根据什么确定的？ 数控机床分级传动的公比是否为标准值？ 1-9 机床的动力参数如何选择？数控机

27、床与普通机床的动力参数确定方法有什么不同？,第一章 习题与思考题,第二章 机床的传动设计,机床的主传动系统实现机床的主运动，其末端件直接参与切削加工，形成所需的表面和加工精度。且变速范围宽，传递功率大，是机床中最重要的传动链。设计时应满足下述基本要求：,第二章 机床的传动设计,第二章 机床的传动设计,1）满足机床的使用要求，有足够的变速范围和转速级数；直线运动机床，应有足够的双行程数范围和变速级数；合理地满足机床的自动化和生产率的要求；有良好的人机关系。 2）满足机床传递动力的要求，传动系统应能传递足够的功率和扭矩。 3）满足机床的工作性能要求，传动系统应有足够的刚度、精度、抗振性能和较小的热

28、变形。 4）满足经济性要求。,第二章 机床的传动设计,第一节 分级变速主传动系统设计 一、转速图 1、转速图概念 转速图是表示主轴各转速的传递路线和转速值，各传动轴的转速数列及转速大小，各传动副的传动比的线图。 转速图包括一点三线：转速点，转速线，传动轴线，传动线。,2.1分级变速主传动系统设计,主轴转速线 由于主轴的转速数列是等比数列，所以主轴转速线是间距相等的水平线，相邻转速线间距为 。,转速点 主轴和各传动轴的转速值，用小圆圈或黑点表示，转速图中的转速值是对数值。,传动轴线 距离相等的铅垂线。从左到右按传动的先后顺序排列，轴号写在上面。铅垂线之间距离相等是为了图示清楚，不表示传动轴间距离

29、。,2.1分级变速主传动系统设计,传动线 两转速点之间的连线。传动线的倾斜方式代表传动比的大小，传动比大于1，其对数值为正，传动线向上倾斜。 传动比小于1，其对数值为负，传动线向下倾斜。倾斜程度表示了升降速度的大小。 一个主动转速点引出的传动线的数目，代表该变速组的传动副数；平行的传动线是一条传动线，只是主动转速点不同。,2.1转速图原理,2、转速图原理 通常，我们按照动力传递的顺序（从电动机到执行件的先后顺序）即传动顺序分析机床的转速图。按传动顺序，变速组依次为第一变速组、第二变速组、第三变速组，分别用a、b、c表示。,2.1转速图原理,2.1转速图原理,第一变速组 （轴之间的变速）， ；传

30、动比分 别是:,2.1转速图原理,变速组 的级比指数,2.1转速图原理,变速范围：,级比指数 ：,2.1转速图原理,级比等于公比或级比指数等于1的变速组称为基本组。基本组的传动副数，用 表示，级比指数用 表示，变速范围 表示。,2.1转速图原理,第二变速组 b（轴间的变速组）， Pb=2,传动比分别是 :,2.1转速图原理,经第一扩大组后，机床得到 P0P1级连续而不重复的等比数列转速。,级比指数等于基本组传动副数的变速组称为第一扩大组，其传动副数、级比指数、变速范围分别用 表示 。,2.1转速图原理,第三变速组 （轴之间的变速组）， 传动比分别是,2.1转速图原理,级比指数等于 的变速组称为

31、第二扩大组。第二扩大组的传动副数、级比指数、变速范围分别用 表示 。,2.1转速图原理,经第二扩大组的进一步扩大，使主轴（轴）得到 级连续等比的转速。总变速范围是,2.1分级变速主传动系统规律,总变速范围为：,第 扩大组的级比指数为,第 传动组的变速范围为：,2.1结构式和结构网,3.结构式和结构网 只表示传动比的相对关系，而不表示传动轴（主轴除外）转速值大小的线图称为结构网。由于不表示转速值，结构网画成对称的形式。 各变速组的传动副数的乘积等于主轴转速级数Z，将这一关系按传动顺序写出数学式，级比指数写在该变速组传动副数的右下角，就形成结构式。,2.1结构式和结构网,2.1结构式和结构网,要点

32、：传动线相对于主轴的转速数列是对称的。 定比传动线不画，左边第一传动轴线为轴，轴号写在相应传动轴上方； 、轴；、轴；、轴；轴间为第一、二、三、四变速组。在两轴中间下方位置写上该变速组的组成（传动副数和级比指数），传动副数为阿拉伯数字，级比指数作为传动副数的下角标；电变速组电动机轴为0，变速组组成写在0轴下方。 转速点用圆点标出。,2.1结构式和结构网,2.1结构式和结构网,2.1结构式和结构网,2.1结构式和结构网,2.1结构式和结构网,2.1主传动链转速图的拟定原则,二、主传动链转速图的拟定原则 根据已确定尺寸参数、运动动参数和动力参数后，拟定出机床主传动的转速图。设计步骤是：根据转速图的拟

33、定原则，确定结构式，画出结构网，然后分配各传动组的最小传动比，拟定出转速图。,2.1主传动链转速图的拟定原则,1.极限传动比、极限变速范围原则 最小传动比1/4，最大传动比2，极限变速范围8。,2.传动顺序及传动副数确定： 传动副数为3、2； 前多后少,2.1主传动链转速图的拟定原则,4.最小传动比原则： 前缓后急,3.扩大顺序原则： 前密后疏,2.1主传动链转速图的拟定原则,三、转速图的绘制 根据转速图的拟定原则，确定结构式和结构网后，确定是否需要有定比传动，若需要定比传动，首先确定定比传动比的大小，应尽量保证轴为主轴转速线上的一个转速点。然后分配各传动组的传动比，并确定其它中间轴的转速。这

34、样就可画转速图了。,2.1转速图绘制步骤,在传动轴线上用圆圈标出转速点，计算电动机额 定转速点在传动轴线0上的位置。,画出各变速组最小传动线。,转速图绘制步骤： 画出转速线、传动轴线，标出转速点、标注转速值，在传动轴上方注明传动轴号，电动机轴用0标注；,作扩大组传动线的平行线。,画出基本组其它传动线，三条传动线在轴上相 距一格；画出第一扩大组第二条传动线，两传动线 在轴上相距3格；作第二扩大组第二条传动线， 与第一条传动线相距6格；,2.1转速图绘制步骤,在各传动线上标出传动比或齿数比（直径之比）的大小，如图所示；,2.1转速图绘制实例,例：中型车床。,2.1转速图绘制实例,2.1转速图绘制实

35、例,若该车床与CA6140一样在轴上安装双向摩擦离合器，可采取如下方案,2.1转速图绘制实例,变速组a的齿轮齿数比55/55，65/46，模数2.5，中心距137.5mm。,2.1转速图绘制实例,轴、改为定比：齿轮齿数比46/46，模数2.5，中心距115mm,2.1齿轮齿数的确定,实际转速 与标准转速的相对转速 误差n为：,四、齿轮齿数的确定 1.齿轮齿数的确定原则 齿轮齿数在保证输出转速准确的前提下，尽量减少齿数，使齿轮结构尺寸紧凑。,2.1齿轮齿数的确定,齿轮副的齿数和 120；受啮合重合度的限制， 直齿圆柱齿轮最小齿数 17；采用正变位，保 证不根切的情况下，直齿圆柱齿轮最小齿数 14

36、；若齿轮和轴为键联接，则应保证齿根圆至 键槽顶面的距离大于两个模数：,2.1齿轮齿数的确定,如果齿轮和轴为花键联接，内花键大径为 ， 则最小齿数按下式计算,另外，当变速组内各齿轮副的齿数和不相等时，齿数 和的差不能大于3。,2.1齿轮齿数的确定,2.确定齿轮的齿数 在一个变速组中，主动齿轮的齿数用 表示，被动齿轮的齿数用 表示，,则传动比,2.1齿轮齿数的确定,为互质数,2.1齿轮齿数的确定,如果各传动副的齿数和皆为 ，则 能被 整除， 是 的最小公倍数,2.1齿轮齿数的确定,例2-1：,2.1齿轮齿数的确定,则：,2.1齿轮齿数的确定,2.1齿轮齿数的确定,例2-2 ：由于,取：,2.1齿轮

37、齿数的确定,则,所以：,2.1齿轮齿数的确定,采用正变位齿轮，总变位系数为1。,2.1最后变速组齿轮齿数的确定,3.最后变速组齿轮齿数的确定,2.1最后变速组齿轮齿数的确定,模数为4.5、3.5,是 的最小公倍数。,负变位,正变位,2.2 扩大变速范围的传动系统设计,例如： ， ，第二扩 大组的级比指数为6，变速范围已达到极限值8；增 加第三扩大组后， 比理论值小6，产生6级转 速重复。,一般来说，常规传动的变速范围是不能满足机床的要求，因此，必须扩大传动系统的变速范围，满足机床的工艺需求。,一、增加变速组的传动系统,2.2 扩大变速范围的传动系统设计,总变速范围：,总变速范围扩大八倍；主轴转

38、速级数增加6级。 若再增加第四扩大组，则变速范围将再扩大八 倍，主轴变速级数再增加六级。,2.2 扩大变速范围的传动系统设计,每增加 一个变速范围扩 大八倍，主轴转 速级数增加九级。,二、单回曲机构,2.2 扩大变速范围的传动系统设计,单回曲机构又称为背轮机构，图中轴是输出轴， z1、z4空套于轴上，M是双向离合器，与轴花 键配合。M向右滑移与z4结合，运动和转矩经z1、 z2、z3、z4传动，传动比,M向左滑移与z1结合，轴的运动不经过z1、z2、 z3、z4传动，直接由轴输出， 。,2.2 扩大变速范围的传动系统设计,变速范围为：,常规传动的4倍,变速范围为：,常规传动的16倍,2.2对称

39、双公比传动系统,三、对称双公比传动系统,在机床主轴的转速数列中，使用最频繁、使用时 间最长的是转速数列的中段，转速数列中较高或较 低的几级转速是为特殊工艺设计的，使用几率较少。 如果保持常用的主轴转速数列中段的公比不变，增 大不常用转速的公比，就可在不增加主轴转速级数 的前提下扩大变速范围。,2.2对称双公比传动系统,由等比传动的原理可知：基本组 时，主轴转速 数列 （ 为自然数）是由基本组的 产生的、 是由基本组的 产生的，两转速数列 、 的级比为,2.2对称双公比传动系统,如果将转速 乘以 ，即 乘以 ， 产生的主轴转速数列通式变为 ；,为奇数，没有重复转速；,高速端有一级大公比转速,低速

40、端也出现一级大公比转速,，该转速数列的高低速两端各出现二、三级大公比转速，,如果将转速 除以 ，即 除以 ， 产生的主轴转速数列通式变为 ；,2.2对称双公比传动系统,2.2对称双公比传动系统,2.2对称双公比传动系统设计原则,混合公比传动系统的设计原则是： 1）由于大公比是小公比的平方，考虑到相对转速损失率的影响，公比 。 2）基本组的传动副数为2；级比指数为 。 3）大公比格数必须是偶数，由于变型基本组的变速范围 ，所以， ；若变型基本组是背轮机构，则： ， 。,2.2对称双公比传动系统,2.2对称双公比传动系统,2.2非对称混合公比传动系统,非对称混合公比传动系统,变速组a齿轮 齿数比1

41、7/42；26/32，36/22， 变速组b 22/45，38/30，42/26；,2.2非对称混合公比传动系统,2.2非对称混合公比传动系统,电动机经V带传动至轴 ，带轮直径比90/150； 变速箱动力经V带传动至主轴箱，带轮直径比 178/180；主轴箱为单回曲机构，背轮齿数比 27/63，17/58。,基本组 与 重合， 相距四格；这样 产生的 转速是 的 ，变速组a有三个传动比， 填补两个空转速，形成中间15级连续等比转速。,2.2非对称混合公比传动系统,2.2双速电动机传动系统,四、双速电动机传动系统 YD系列异步电动机，通过改变定子绕组接线方法和改变绕组磁极数，低速时定子绕组接成三

42、角形，高速时定子绕组接成双星形，并改变绕组的通电相序，实现变速。双速电动机是动力源，必须为第一变速组（电变速组）；但级比是2，可为对称双公比传动系统的变型基本组、常规传动系统的第一扩大组。,2.2双速电动机传动系统,时，由于 ，电变速组的传动副 数必须为2，级比指数必须为3，故可为高低速端各有一级大公比的对称双公比系统的变型基本组，也可为第一扩大组，此时要求基本组传动副数为3；,例:,在保证结构式性质不变的情况下，若想缩短传动，可将变型基本组作为第一变速组：,2.2双速电动机传动系统,例:,若想缩短传动链，在输出转速级数不变的前提下，可将结构式改变为：,基本组改为3对传动副，为第二变速组；第一

43、扩大组级比指数改为3，为第一变速组；第二扩大组级比指数为4，重合两级转速；第三扩大组重合4级转速。,2.2双速电动机传动系统,例:,若想缩短传动链，在保持传动特性不变的前提下，可将第一扩大组作为第一变速组：,2.2双速电动机传动系统,该传动系统不能通过变速电动机缩短传动链，这是因为最后扩大组传动副数为三，其变速范围超过极限范围；第一变速组改为第一扩大组，级比指数为2，传动副数为3；第一变速组用三速电动机代替，型号YD160L8/4/2，2.8/7/9kW，720/1440/2910r/min，相邻转速功率差别很大。结构式只能为：,例:,减少一对齿轮；传动轴的长度减少。,2.3 计算转速,一、机

44、床功率转矩特性,由切削原理得知，切削力主要取决于切削面积的大小；切削面积一定，不论切削速度多大，所承受的切削力是相同的。因此，主运动为直线运动的机床，可认为在任何能实现的切削速度中，都能进行最大切削面积的切削，即最大切削力存在于一切可能的切削速度中；驱动直线运动的传动件，不考虑摩擦力等因素时，在所有转速下承受的最大转矩是相等的。这类机床的主传动属于恒转矩传动。,2.3 计算转速,机床主轴（旋转运动）的计算转速是传递全部功率的最低转速。主轴从计算转速到最高转速之间的每级转速都能传递全部功率，而输出的转矩则随转速的增高而降低，故称之为恒功率变速范围； 从计算转速到最低转速之间的每级转速都能传递计算

45、转速时的转矩（由结构强度决定的转矩），输出的功率则随转速线性下降，故称之为恒转矩变速范围。,2.3 计算转速,2.3 计算转速,二、机床变速系统中传动件的计算转速 变速传动中传动件的计算转速，可根据主轴的计算转速和转速图确定。 确定传动轴计算转速时，先确定主轴计算转速，再按传动顺序由后往前依次确定；最后确定各传动件的计算转速。,中型车床，升降台铣床，转塔车床，液压仿型半自 动车床，多刀半自动车床，单轴、多轴自动车床， 立式多轴半自动车床卧式镗铣床（6390）,等比 数列 传动 系统,双公比、无级传动系统,2.3 计算转速,2.3 计算转速,中型立式钻床，摇臂钻床，滚齿机,等比 数列 传动 系统

46、,双公比、无级传动系统,2.3 计算转速,主轴的计算转速,轴计算转速,其它传动轴的计算转速 178；353； 865；1440r/min。,2.3 计算转速,各传动副主动件的计算转速,2.4 无级变速系统的设计,一、无级变速的特点 无级变速能使机床获得最佳切削速度，无相 对转速损失；且能够在加工过程中变速，保持恒 速切削；无级变速器通常是电变速组，恒功率变速 范围为24，恒转矩变速范围大于100，这样，缩短 了传动链长度，简化了结构设计；无级变速系 统容易实现自动化操作。因而是数控机床的主 要变速形式。,2.4 无级变速系统的设计,交流电动机定子电动势与磁通量和定子电流频率 的乘积成正比，忽略

47、定子绕组电阻和漏感抗时，定子 电动势数值等于定子绕组相电压；三相假想转子电动 势为定子电动势与转差率的乘积；在额定相电压、额 定载荷下工作时转差率不变（19%） ，转子电流亦 为恒定值；当频率高于额定频率时，定子电动势不变， 磁通量随定子电流频率的增高而降低，转速随定子电 流频率的增大而线性增大，假想转子的电磁转矩与磁 通量成正比而线性下降，输出功率维持额定条件下的 大小不变，故定子电流频率高于额定频率的调速为恒 功率调速。,普通感应电动机的恒功率变速范围为1.5,电动机在额定条件下工作时，磁场已达到近似饱和 的程度，故频率低于额定频率时，磁通量近似不变， 转子的电磁转矩为恒定值，定子电动势随

48、电流频率的 降低而线性降低，假想转子的输出功率随定子电流频 率的降低而线性降低，故称定子频率低于额定频率的 调速为恒转矩调速。恒转矩变速范围超过二百，最低 转速可达6r/min。,交流变频电动机额定转速为1500r/min或2000r/min， 恒功率变速范围为3、4；,2.4 无级变速系统的设计,二、直线运动无级变速 伺服电动机和步进电动机是恒转矩变速，功率不 大。只能用于直线进给运动和辅助运动。如果调速电 动机驱动载荷特性是恒转矩负载，如龙门刨的工作台 等，可直接利用电动机的恒转矩转速拖动直线运动部 件，使电动机的恒转矩变速范围等于直线运动部件的 恒转矩变速范围，电动机额定转速产生直线运动

49、部件 的最高速度。,2.4 直线运动无级变速,2.4 旋转主运动的无级变速,三、主运动为旋转运动的无级变速,主轴要求的恒功率变速范围 远大于调速电动机 的恒功率变速范围 ，必须串联分级变速系统来扩 大电动机的恒功率变速范围，以满足机床需求。,电动机的额定转速产生主轴的计算转速；电动机的最高转速产生主轴的最高转速。主轴的恒转矩变速范围 则决定了电动机恒转矩变速范围 的大小 ， 。,2.4 旋转主运动的无级变速,分级传动系统，液压缸控制滑移齿轮自动变速。 靠电磁换向阀控制齿轮滑移方向，为使滑移齿轮定 位精确，使液压缸结构及控制程序简单，串联的滑 移齿轮变速组都是双速变速组（所有变速组都具 有两对传

50、动副），即采用双作用液压缸控制双联 滑移齿轮的方案。,2.4 旋转主运动的无级变速,2.4 旋转主运动的无级变速,调速电动机的恒功率变速范围为 ，在保证输出 转速连续前提下，串联一个双速变速组，获得的最 大变速范围为 ，此时:,串联两个双速变速组后，能得到的连续无级转速的最大变速范围是 ，这时:,2.4 旋转主运动的无级变速,调速电动机串联级双速变速组后，能获得的最大变速 范围是：,串联的分级传动系统的公比等于电动机恒功率 变速范围时，输出的无级转速的变速范围最大。 换言之，变速范围一定，当分级传动系统的公 比 时，需串联的变速组数最少。,2.4 旋转主运动的无级变速,为自然数，且采用收尾法圆

51、整，即：,取：,取：,2.4 旋转主运动的无级变速,分级传动系统的公比一般比电动机的恒功率变速范 围小，分级传动系统的实际公比为:,2.4 旋转主运动的无级变速,分级传动的最小传动比应采用前缓后急的原则；扩 大顺序应采用前密后疏的原则 ；串联的分级传动系 统应遵循极限传动比、极限变速范围的原则。,2.4 旋转主运动的无级变速实例,例2-6 某数控机床，主运动由变频电动机驱动，电动 机连续功率7.5kW，额定转速 ，最 高、最低转速 ， 机床主轴最高、最低转速 ： ， ，计算转速： 。 设计所串联的分级传动系统。,2.4旋转主运动的无级变速实例,解：主轴要求的恒功率变速范围,电动机的恒功率变速范

52、围是3，即,该系统至少需要的转速级数、变速组数,2.4旋转主运动的无级变速实例,取 ：,分级传动系统的实际公比为,结构式为,2.4旋转主运动的无级变速实例,分级传动系统的最小传动比,根据前缓后急的原则分配最小传动比：,其它传动副的传动比,2.4 旋转主运动的无级变速实例,调速电动机的最低工作转速,电动机最低工作转速时所传递的功率,2.4 旋转主运动的无级变速实例,2.4 增大恒功率无级变速范围,五、增大恒功率无级变速范围的方法,如果要求每段转速的无级变速范围 ，应增 大电动机的功率，增大的比率为 ，即 将电动机的功率扩大 倍，传递功率 的最低转 速为 ，从而使电动机传递功率为 的转 速范围变为

53、 。,2.4 增大恒功率无级变速范围,从另一角度考虑，电动机传递功率 的最低转速 （额定转速）仍为 ，主轴传递电动机额定功率的 最低转速（计算转速）则为 ，对于增加功 率后的电动机来讲，提高了主轴的计算转速，这样在 某种程度上，简化了无级变速中串联的分级传动系统 的设计。,2.4 增大恒功率无级变速范围,上述机床，若要求主轴每段的恒功率无级转速范围 ，确 ，确定其分级变速系统。,解：主轴要求的恒功率变速范围24； 电动机功率为,电动机传递7.5kW时的最低转速为,2.4 增大恒功率无级变速范围,至少需串联的双速变速组数和传动副数为,分级传动的 实际公比为,结构式为,2.4 增大恒功率无级变速范

54、围,分级传动系统的最小传动比,根据前缓后急的原则，取,其它传动副的传动比,2.4 增大恒功率无级变速范围,调速电动机的最低工作转速,电动机最低工作转速时所传递的功率,主轴传递电动机额定功率（10kW）的最低转速为,2.4 增大恒功率无级变速范围,2.4 增大恒功率无级变速范围,2.4 普通电动机无级变速,六、无级变速拓展 1.普通异步电动机 恒功率变速范围1.5。 最低转速可达6r/min。,2.4 双速电动机无级变速,2.双速电动机 低速工作时，额定转速为n,产生的功率约为P，最高转速1.5n。 高速工作时，额定转速为2n，最高转速为3n，高速时产生的功率约为1.5P，电动机在高速状态下以2

55、n/1.5转速工作时，产生的功率为1.5P/1.5=P。因而，可认为传递功率为P转速范围为3。 双速电动机可得到恒功率变速范围为3。,2.5 进给传动系统设计,一、进给传动的载荷特点 进给传动用来实现机床的进给运动和辅助运动。机 床的进给运动大多数为直线运动。直线进给运动的 载荷是切削力，与切削面积成正比。根据工艺规程， 不同的机床，有其相应的最大切削面积，对应有最大 切削力，最大切削力可能出现于任何进给速度中。因 此，直线运动是恒扭矩载荷，传动件的计算转速（ 速度）是该传动件的最大转速（或速度）。,2.5 进给传动系统设计,二、进给传动的分类及组成 进给运动按运动性质分为外联系进给链和内联

56、系进给链；进给链按控制方式及变速形式分为普 通机床分级变速进给链和数控机床无级变速进 给链。,1、外联系进给传动链，一般包括变速机构、换向机构（如换向惰轮）、运动分配机构、过载保护机构、运动转换（将回转运动变换成直线运动）机构（齿轮齿条副、丝杠螺母副等）。 2、内联系进给传动链只包括传动比准确的变速机构。,2.5 进给传动系统设计,2.5 进给传动系统设计,三、进给传动的基本要求 进给传动系统应满足一下要求： 1.有较高的静刚度。 2.具有良好的快速响应性；抗振性能好；噪声低；有 良好的防爬行性能；切削稳定性好。进给系统有较高 的传动精度和定位精度。,3.能满足工艺需求，有足够的变速范围。 4

57、.结构简单，制造工艺性好，调整维修方便，操纵轻 便灵活。 5.制造成本低，有较好的经济性。,四、分级进给传动设计的原则 对于等差数列进给传动，设计时以满足工艺需求 为目的；,2.5 进给传动系统设计,随机数列进给传动系统，如齿轮加工机床的分齿 运动链、车床的非标准螺纹进给传动链等，采用交 换挂轮机构。,等比进给传动应遵循以下原则： 进给传动系统的极限传动比、极限变速范围,2.5 进给传动系统设计,2.5 进给传动系统设计,进给传动扩大顺序的原则、最小传动比原则 转矩与传动比成反比，降速传动，传动比小于1， 输出转矩增加。由于进给系统是恒转矩变速，末端旋 转传动件的转矩一定，为减小进给传动中间传动轴及 其传动件的结构尺寸，一般情况下扩大顺序应采用前 疏后密的原则；最小传动比应尽量采用前急后缓的 原则，以提高进给传动系统的传动精度。,2.5 进给传动系统设计,五、无级变速进给系统 进给传动系统的无级变速系统，普通机床多采用 液压无级调速；数控机床一般采用伺服电动机无级调 速。 伺服电动机分为直流伺服和交流伺服两类。 直流伺服电动机主要由小惯量直流电动机和大 惯量直流电动机。,伺服电动