1、第三章第三章第四节 主传动系统设计l主传动系组成主传动系一般由动力源（如电动机）、变速装置及执行件（如主轴、刀架、工作台），以及开停、换向和制动机构等组成。l动力源：给执行件提供动力，并使其得到一定的运动速度和方向；l变速装置：传递动力以及变换运动速度；l执行件：执行机床所需的运动，完成旋转或直线运动。3.4 3.4 主传动系统设计主传动系统设计F3.4.1 必须满足的设计基本要求F3.4.2 主传动系统分类与传动方式F3.4.3 分级变速主传动系统F3.4.4 无级变速主运动传动系统设计F3.4.5 数控机床主传动系统设计3.4.1 3.4.1 须满足的设计基本要求须满足的设计基本要求l1)
2、满足机床使用性能要求。机床的末端执行件(如主轴)应有足够的转速范围和变速级数。l2)机床传递动力要求。机床的动力源和传动机构应能够输出和传递足够的功率和转矩，并有较高的传动效率。l3)机床工作性能要求。机床的传动结构，特别是末端执行件必须有足够的精度、刚度、抗振性能和较小的热变形。l4)产品设计经济性要求。应该合理地满足机床的自动化程度和生产率的要求。l5)机床的操作和控制要灵活，安全可靠，噪声小，维修方便。机床的制造要方便，成本要低。3.4.23.4.2主传动系统分类与传动方式主传动系统分类与传动方式 l(1)按驱动主传动的电动机类型 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
3、可分单速交流电动机或调速交流电动机驱动。调速交流电动机驱动又有多速交流电动机和无级调速交流电动机驱动。l(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。l(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。3.4.23.4.2主传动系统分类与传动方式主传动系统分类与传动方式l分级变速传动在一定的变速范围内只能得到某些转速，变速级数一般不超过2030级。传动方式有滑移齿轮变速、交换齿轮变速和离合器(如摩擦式、牙嵌式、齿轮式离合器)变速。传递功率较大，变速范围广，传动比准确，工作可靠，广泛应用于通用机床。缺点是有速度损失，不能在运转中进行变速。l无级变速
4、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；能在运转负载中变速，便于实现变速自动化。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。3.4.23.4.2主传动系统分类与传动方式主传动系统分类与传动方式 1集中传动方式l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，称为集中传动方式。l通用机床中多数机床的主变速传动系都采用这种方式。适用于普通精度的大中型机床。l特点是结构紧凑，便于实现集中操纵，安装调整方便。l缺点是运转的传动件在运转过程中所产生的振动、热量，会使主轴产生变形，使主轴回转中心线偏离正确位置而直接影响加工精度。3.4.23.4.2
5、主传动系统分类与传动方式主传动系统分类与传动方式2分离传动方式l主传动系中的大部分的传动和变速机构装在远离主轴的单独变速箱中，然后通过带传动将运动传到主轴箱的传动方式，称为分离传动方式。l特点是变速箱各传动件所产生的振动和热量不能直接传给或少传给主轴，从而减少主轴的振动和热变形，有利于提高机床的工作精度。l运动由皮带经齿轮离合器直接传动，主轴传动链短，使主轴在高速运转时比较平稳，空载损失小；当主轴需作低速运转时，运动则由皮带轮经背轮机构的两对降速齿轮传动后，转速显著降低，达到扩大变速范围的目的。3.4.3 3.4.3 分级变速主传动系统分级变速主传动系统分级变速主传动系设计的内容和步骤：根据已
6、确定的主变速传动系的运动参数，拟定结构式、转速图，合理分配各变速组中的传动副的传动比，确定齿轮数和带轮直径等，绘制主变速传动系图。l（一）转速图与结构式l（二）各变速组的变速范围及极限传动比l（三）主传动系统设计的基本原则与方法l（四）主传动系统的几种特殊设计l（五）扩大传动系变速范围的方法l（六）齿轮齿数的确定l（七）计算转速l（八）变速箱内传动件的空间布置与计算1.1.转速图转速图设计和分析主传动系统的工具设计和分析主传动系统的工具转速图的作用：（1）表示出传动轴的数目；（2）传动轴之间的传动关系；（3）主轴的各级转速值及其传动路线；（4）各传动轴的转速分级和转速值；（5）各传动副的传动比
7、。转速图由一组相互平行和垂直的格线组成。l1)距离相等的竖直线代表传动系统的各轴。从左到右依次标注。l2)距离相等的横直线与竖直线相交点，代表各级转速。l3)坐标取对数坐标，在相交点直接写出转速的数值。l4)相邻两轴之间相应转速的连线代表相应传动副的传动比，从左向上斜是升速传动，从左向下斜是降速传动。（一）转速图与结构式（一）转速图与结构式1.1.转速图转速图传动线传动线31.5-1400：12级级公比：公比：41. 15 .314522/141. 1/12/1256126u电电-I轴轴I轴轴-II轴：变速组轴：变速组a223112001/141. 1/12/14824/141. 1/141.
8、 1/1423041. 113636aaauuuII轴轴-III轴：变速组轴：变速组b332001/141. 1/182. 2/1622241. 114242bbuuIII轴轴-IV轴：变速组轴：变速组c442221/141. 1/14/1721841. 123060ccuuIV轴转速：轴转速：12223转速图的基本规律转速图的基本规律l1) 变速系统的变速级数是各变速组传动副数的乘积。l2) 机床的总变速范围Rn是各变速组变速范围的乘积。l3) 变速组的传动比之间关系变速的基本规律是:变速系统是以基本组为基础，再通过扩大组(可以有第一扩大组、第二扩大组)把转速范围(级数)加以扩大。若要求变速
9、系统是一个连续的等比数列，则基本组的级比等于，级比指数X。1；扩大组的级比xj ，级比指数xj应等于该扩大组前面的基本组传动副数和各扩大组传动副数的乘积。2.2.结构式结构式比较和分析不同传动方案比较和分析不同传动方案l结构式简单、直观，能清楚地显示出变速传动系中主轴转速级数Z、各变速组的传动顺序、传动副数（Pi）和各变速组的级比指数Xi，一般表达式为 12级转速，传动方案12312326传动系由a/b/c三个传动组组成；a传动组，传动副为3； b传动组，传动副为2； c传动组，传动副为2；下标表示各变速组的级比指数。级比：主动轴上同一点，传往从动轴相邻两条传动线的比值，用xj 表示，其中xj
10、，称为级比指数，相当于相邻两传动线与从动轴交点之间相距的格数。icbaXiXcXbXaPPPPZ)()()()(2.2.结构式结构式比较和分析不同传动方案比较和分析不同传动方案l以12级转速为例，传动方案有：124 3；123 4；123 2 2；122 3 2；122 2 3l要使主轴转速为连续的等比数列，必须有一个变速组的级比指数为1，此变速组称为基本组。应尽量使变速组的扩大顺序和传动顺序一致。l基本组的级比指数用X0表示，即X0=1，（31）；l后面的变速组因起变速扩大作用，统称为扩大组；l第一扩大组的级比指数为X1一般等于基本组的传动副数P0，即X1=P0；l第二扩大组的作用是将第一扩
11、大组扩大的变速范围第二次扩大，其级比指数X2等于基本组的传动副数与第一扩大组传动副数的乘积，即X2=P0P1。（二）各变速组的变速范围及极限传动比（二）各变速组的变速范围及极限传动比l(1)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:l(2)变速组的极限传动比 一般限制降速的最小传动比min14，对升速的最大传动比max22.5。这样主传动系统各变速组的变速范围限制在r810之间。l为使最后传动组的变速范围不超出允许值，最后扩大组的传动副一般取P=2较合适。)1(minmax)/()(iiPXiiiuuRjnRRRRR210检查变速组的变速范围是否检查变速组的变速范围是否超过极限值
12、，只需要检查最超过极限值，只需要检查最后一个扩大组。后一个扩大组。变速组变速组c841. 1)12(62R63122312421322121641. 1)13(42R确定左图的转速图、结构式及确定左图的转速图、结构式及各级变速范围各级变速范围（三）主传动系统设计的基本原则（三）主传动系统设计的基本原则l主变速传动系从电动机到主轴，通常为降速传动，接近电动机的传动件转速较高，传递的扭矩较小，尺寸小一些；反之，靠近主轴的传动件转速较低，传递的扭矩较大，尺寸就较大。l在拟定主变速传动系时，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，使主变速传动系中更多的传动件在高速范围内工作
13、，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。按此原则，123X2X2，122X3X2，122X2X3第一种传动方案中为好。第一种传动方案中为好。 （三）主传动系统设计的基本原则（三）主传动系统设计的基本原则l在变速级数Z一定时，减少变速组个数势必增加各变速组的传动副数，并且降速过快而导致齿轮的径向尺寸增大，为使变速箱中的齿轮个数最少，每个变速组的传动副数最好取23个。l当机床的传动功率为定值时，转速n越高，转矩就小，零件尺寸就较小。所以应该尽量选择传动副数多的变速组放在传动顺序前面的高速范围，而把变速组传动副数少的放在传动顺序的后面。（三）主传动系统设计的基本原则（三）主传动系统
14、设计的基本原则后种方案因第一扩大组在最前面，轴的转速范围比前种方案大。如两种方案轴的最高转速一样，后种方案轴的最低转速较低，在传递相等功率的情况下，受的扭矩较大，传动件的尺寸也就比前方案大。将图3-14a所示方案与其它多种扩大顺序方案相比，可以得出同样的结论。（三）主传动系统设计的基本原则（三）主传动系统设计的基本原则v从电动机到主轴之间的总趋势是降速传动，在分配各变速组传动比时，为使中间传动轴具有较高的转速，以减小传动件的尺寸，前面的变速组降速要慢些，后面变速组降速要快些，但中间轴的转速不应过高，以免产生振动、发热和噪声。v中间轴的最高转速不超过电动机的转速。v上述原则在设计主变速传动系时一
15、般应该遵循。但有时还须根据具体情况加以灵活运用。maxmaxmaxcbauuuI轴上装有双向摩擦片式离合器，轴向尺寸较长，为使结构紧凑，第一变速组采用了双联齿轮，而不是按照前多后少的原则采用三个传动副。( (四四) )主变速传动系的几种特殊设计主变速传动系的几种特殊设计多刀半自动车床采用双速电动机，电动机变速范围为2，转速级数共8级。公比141，其结构式为电变速组作为第一扩大组，I一轴间的变速组为基本组，传动副数为2，一轴间变速组为第二扩大组，传动副数为2v可简化机床的机械结构，使用方便，并可在运转中变速，适于半自动、自动机床及普通机床。v机床上常用双速或三速电动机，多速电动机总是在变速传动系
16、的最前面，作为电变速组。当电动机变速范围为2时，变速传动系的公比应是2的整数次方根。( (四四) )主变速传动系的几种特殊设计主变速传动系的几种特殊设计缺点就是当电动机在高速时，没有完全发挥其能力。( (四四) )主变速传动系的几种特殊设计主变速传动系的几种特殊设计v为了减少交换齿轮的数量，相啮合的两齿轮可互换位置安装，即互为主、被动齿轮。反映在转速图上，交换齿轮的变速组应设计成对称分布的。v可用少量齿轮，得到多级转速，不需要操纵机构，变速箱结构大大简化。缺点是更换交换齿轮较费时费力；如果装在变速箱外，润滑密封较困难，如装在变速箱内，则更换麻烦。对于成批生产用的机床，加工中一般不需要变速或仅在
17、较小范围内变速；但换一批工件加工，需要变换成别的转速或在一定的转速范围内进行加工。为简化结构，常采用交换齿轮变速方式，或将交换齿轮与其它变速方式(如滑移齿轮、多速电动机等)组合应用。交换齿轮用于每批工件加工前的变速调整，( (四四) )主变速传动系的几种特殊设计主变速传动系的几种特殊设计v在变速传动系中，即是前一变速组被动齿轮，又是后一变速组主动齿轮，称为公用齿轮。v可减少齿轮的数目，简化结构，缩短轴向尺寸。按相邻变速组内公用齿轮的数目，常用的有单公用和双公用齿轮。v采用公用齿轮时，两个变速组的模数必须相同。因为公用齿轮轮齿受的弯曲应力属于对称循环，弯曲疲劳许用应力比非公用齿轮要低，因此应尽可
18、能选择变速组内较大的齿轮作为公用齿轮。( (五五) )扩大传动系变速范围的方法扩大传动系变速范围的方法主变速传动系最后一个扩大组的变速范围为：)1(1210jjPPPPPjR设主变速传动系总变速级数为Z：jjPPPPPZ1210通常最后扩大组的变速级数为2，则最后扩大组的变速范围为：2/ZjR由于极限传动比的限制，总的变速范围有限，不能满足通用机床的要求。( (五五) )扩大传动系变速范围的方法扩大传动系变速范围的方法v是扩大变速范围最简便的方法。v但由于受变速组极限传动比的限制，增加的变速组的级比指数往往不得不小于理论值，并导致部分转速的重复。( (五五) )扩大传动系变速范围的方法扩大传动
19、系变速范围的方法v又称回曲机构.v在机床上应用得较多。设计时应注意当高速直联传动时，应使背轮脱开，以减少空载功率损失，噪声和发热，以及避免超速现象。( (五五) )扩大传动系变速范围的方法扩大传动系变速范围的方法v机床在使用中，每级转速使用的机会不太相同。经常使用的转速一般是在转速范围的中段，转速范围的高、低段使用较少。针对这一情况而设计的。v主轴的转速数列有两个公比，转速范围中经常使用的中段采用小公比，不经常使用的高、低段用大公比。( (五五) )扩大传动系变速范围的方法扩大传动系变速范围的方法双公比变速传动系是在常规变速传动系基础上，通过改变基本组的级比指数演变来的。如要演变成双公比变速传
20、动系，基本组的传动副数常选为2。将基本组的级比指数X1增大到“1+2n”，n是大于1的正整数。( (五五) )扩大传动系变速范围的方法扩大传动系变速范围的方法v分支传动是在串联型式变速传动系的基础上，增加并联分支以扩大变速范围。v本例主变速传动系采用分支传动方式，变速范围扩大到R。140010140。v采用分支传动方式还具有缩短高速传动路线，提高传动效率，减少了噪声的优点。( (六六) )齿轮齿数的确定齿轮齿数的确定v对于定比传动的齿轮齿数和带轮直径，可依据机械设计手册推荐的计算方法确定。v对于变速组内齿轮的齿数，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表
21、3-9中选取。v表中所列值是传动副的被动齿轮齿数；齿数和Sz减去被动齿轮齿数就是主动齿轮齿数。v表中所列的u值全大于1，即全是升速传动。对于降速传动副，可取其倒数查表，查出的齿数则是主动齿轮齿数。( (六六) )齿轮齿数的确定齿轮齿数的确定1.确定齿轮齿数的注意问题v确定齿轮齿数时，选取合理的齿数和Sz是很关键。v齿轮的中心距取决于传递的扭矩。一般来说，主变速传动系是降速传动系，越后面的变速组传递的扭矩越大，因此中心距也越大。一般推荐Sz=18。v受结构限制的最小齿数的各齿轮（尤其是最小齿轮），应能可靠地安装在轴上，或进行套装，齿轮的齿槽到孔壁或键槽的壁厚a=2m（m为模数），以保证有足够的强
22、度，避免出现变形、断裂。mTZmZDmTDii25 . 6)5 . 2(221minminminmin( (六六) )齿轮齿数的确定齿轮齿数的确定1.确定齿轮齿数的注意问题v确定齿轮齿数时，选取合理的齿数和Sz是很关键。v两轴间最小中心距应取得适当，若齿数和Sz过小，将导致两轴的轴承及其它结构之间的距离过近或相碰。v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（齿轮齿数之比）与理论传动比（转速图上要求的传动比）之间允许有误差，但需限制在一定范围内，一般不应超过10(-1)%，即%110）（理实理nnn( (六六) )齿轮齿数的确定齿轮齿数的确定2.变速组内齿轮模数相同时齿轮齿数的确定
23、v首先须确定出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。v同一变速组内的齿轮尽可能取相同的模数，不同模数只在一些特殊情况下使用。为了便于设计和制造，主传动系统中所采用的齿轮模数的种类尽可能少些。v计算法v查表法v传动比是标准公比的整数次方、变速组内齿轮模数相同时使用。( (六六) )齿轮齿数的确定齿轮齿数的确定3.变速组内模数不同时齿轮齿数的确定4.采用三联滑移齿轮时，应检查滑移齿轮之间的齿数关系：三联滑移齿轮的最大和次大齿轮之间的齿数差应大于或等于4。以保证滑移时，齿轮外圆不相碰。v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
24、给定的传动比)之间的是否在允许范围之内。v有时在希望的齿数和范围内，找不到变速组各传动副相同的齿数和，可选择齿数和不等，但差数一般小于13的方案，然后采用齿轮变位的方法使各传动副的中心距相等。( (七七) )计算转速计算转速v计算转速nj:主轴或各传动件传递全部功率的最低转速。v主轴从最高转速到计算转速之间应传递全部功率，而其输出扭矩随转速的降低而增大，称之为恒功率区；v从计算转速到最低转速之间，主轴不必传递全部功率，输出的扭矩不再随转速的降低而增大，保持计算转速时的扭矩不变，传递的功率则随转速的降低而降低，称之为恒扭矩区。v不同类型机床主轴计算转速的选取是不同的。对于大型机床，由于应用范围很
25、广，调速范围很宽，计算转速可取得高些。对于精密机床、滚齿机，由于应用范围较窄，调速范围小，计算转速可取得低一些。v各类机床主轴计算转速的统计公式见表3-10。( (七七) )计算转速计算转速2.变速传动系中传动件计算转速的确定v变速传动系中的传动件包括轴和齿轮，它们的计算转速可根据主轴的计算转速和转速图确定。v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，然而再确定齿轮的计算转速。vP97，例3-1( (八八) )变速箱内传动件的空间布置与计算变速箱内传动件的空间布置与计算 变速箱内各传动轴的空间布置变速箱内各传动轴的空间布置卧式车床主轴箱的横截面图。首先确定主
26、轴的位置，主要根据车床的中心高确定；确定传动主轴的轴，以及与主轴有齿轮啮合关系的轴的位置；确定电动机轴或运动输入轴(轴I)的位置；最后确定其它各传动轴的位置。各传动轴常按三角布置。( (八八) )变速箱内传动件的空间布置与计算变速箱内传动件的空间布置与计算 变速箱内各传动轴的空间布置变速箱内各传动轴的空间布置变速箱内各传动轴的空间布置首先要满足机床总体布局对变速箱的形状和尺寸的限制，还要考虑各轴受力情况，装配调整和操纵维修的方便。其中变速箱的形状和尺寸限制是影响传动轴空间布置最重要的因素。为缩小径向尺寸，还可以使箱内某些传动轴的轴线重合，如图324中的、v两轴。卧式铣床的主变速传动机构，利用铣
27、床立式床身作为变速箱体。床身内部空间较大，所以各传动轴可以排在一个铅直平面内，不必过多考虑空间布置的紧凑性，以方便制造、装配、调整、维修，和便于布置变速操纵机构。床身较长，为减少传动轴轴承间的跨距，可在中间加一个支承墙。( (八八) )变速箱内传动件的空间布置与计算变速箱内传动件的空间布置与计算 变速箱内各传动轴的轴向固定变速箱内各传动轴的轴向固定传动轴通过轴承在箱体内轴向固定的方法有一端固定和两端固定两类。采用单列向心球轴承时，可一端固定，也可两端固定；采用圆锥滚子轴承时，则必须两端固定。一端固定的优点是轴受热后可以向另一端自由伸长，不会产生热应力，因此，宜用于长轴。( (八八) )变速箱内
28、传动件的空间布置与计算变速箱内传动件的空间布置与计算 变速箱内各传动轴的轴向固定变速箱内各传动轴的轴向固定v图a用衬套和端盖将轴承固定，并一起装到箱壁上，它的优点是可在箱壁上镗通孔，便于加工，但构造复杂，对衬套又要加工内外凸肩。v图b虽不用衬套，但在箱体上要加工一个有台阶的孔，因而在成批生产中较少应用。v图c是用弹性挡圈代替台阶，结构简单，工艺性较好v图d是两面都用弹性挡圈的结构，构造简单、安装方便，适用于批量较大的机床；( (八八) )变速箱内传动件的空间布置与计算变速箱内传动件的空间布置与计算 变速箱内各传动轴的轴向固定变速箱内各传动轴的轴向固定v图e的构造是在轴承的外圈上有沟槽，将弹性挡
29、圈卡在箱壁与压盖之间，箱体孔内不用挖槽，构造更加简单，装配更方便，但需轴承厂专门供应这种轴承。v一端固定时，轴的另一端的构造见图f，轴承用弹性挡圈固定在轴端，外环在箱体孔内轴向不定位。( (八八) )变速箱内传动件的空间布置与计算变速箱内传动件的空间布置与计算 变速箱内各传动轴的轴向固定变速箱内各传动轴的轴向固定v图327是两端固定的例子。v图a通过调整螺钉2，压盖1及锁紧螺母3来调整圆锥滚子轴承的间隙，调整比较方便。v图b、c是改变垫圈1的厚度调整轴承的间隙，结构简单。( (八八) )变速箱内传动件的空间布置与计算变速箱内传动件的空间布置与计算 各传动轴的估算和验算各传动轴的估算和验算v(1
30、)按扭转刚度估算轴的直径传动轴的计算转速的效率从电动机到计算轴电动机额定功率系数键槽系数jjnPAKnPKAd4v 轴在弯矩作用下，若产生过大的弯曲变形，则装在轴上的齿轮因倾角过大而使齿面的压强分布不均，产生不均匀的磨损和加大噪声；也会使滚动轴承内、外圈产生相对倾斜，影响轴承使用寿命。v 扭转刚度不够，则会引起传动轴扭振。v 设计开始时，要先按扭转刚度估算传动轴直径，待确定之后，定出轴的跨距，再按弯曲刚度进行验算。( (八八) )变速箱内传动件的空间布置与计算变速箱内传动件的空间布置与计算 各传动轴的估算和验算各传动轴的估算和验算(2)按弯曲刚度验算轴的直径v1)进行轴受力分析，根据轴上滑移齿
31、轮不同位置，选出受力变形最严重的位置进行验算。如较难准确判断滑移齿轮处于那个位置受力变形最严重，则需多算几种位置。v2)如最严重情况时，齿轮处于轴的中部时，应验算在齿轮处的挠度；当齿轮处于轴的两端附近时，应验算齿轮处的倾角。此外还应验算轴承处的倾角。v3)按材料力学中的公式计算轴的挠度或倾角，检查是否超过允许值查出。v为简化计算，也可只验算倾角。当支承处的倾角小于齿轮倾角的允许值时，齿轮的倾角不必计算。3.4.43.4.4无级变速主运动传动系统的设计无级变速主运动传动系统的设计l无级变速是指在一定范围内，(或速度)能连续地变换，从而获取最有利的切削速度。l不仅能在调速范围内选择到合理的切削速度
32、，而且换向迅速平稳、不停车自动变速、简化结构。l在数控机床、高精度机床和大型机床的主运动中得到广泛的应用。l无级调速有机械、液压和电气等多种形式。l机械无级变速器大多是靠摩擦力来传递转矩。l龙门刨床等大型机床广泛采用直流调速电动机来实现无级变速，数控机床一般采用直流或交流调速电动机来实现无级变速。3.4.43.4.4无级变速主运动传动系统的设计无级变速主运动传动系统的设计l机床上常用的变速电动机有直流复励电动机和交流变频电动机。l在额定转速以上为恒功率变速，通常调速范围仅23；额定转速以下为恒扭矩变速，调整范围很大，可达30甚至更大。l上述功率和扭矩特性一般不能满足机床的使用要求。为了扩大恒功
33、率调速范围，在变速电动机和主轴之间串联一个分级变速箱。l广泛用于数控机床、大型机床中。3.4.43.4.4无级变速主运动传动系统的设计无级变速主运动传动系统的设计l机械无级变速装置有柯普(Koop)型、行星锥轮型、分离锥轮钢环型、宽带型等多种结构。l它们都是利用摩擦力来传递扭矩，通过连续地改变摩擦传动副工作半径来实现无级变速。l由于变速范围小，多数是恒扭矩传动，通常较少单独使用，而与分级变速机构串联使用，以扩大变速范围。l机械无级变速器应用于要求功率和变速范围较小的中小型车床、铣床等机床的主传动中，更多地是用于进给变速传动中。 行星锥盘无级变速机行星锥盘无级变速机 V型宽带无级变速器型宽带无级
34、变速器 3.4.43.4.4无级变速主运动传动系统的设计无级变速主运动传动系统的设计l液压无级变速装置通过改变单位时间内输入液压缸或液动机中液体的油量来实现无级变速。l特点是变速范围较大、变速方便、传动平稳、运动换向时冲击小、易于实现直线运动和自动化。l常用在主运动为直线运动的机床中，如刨床、拉床等。3.4.43.4.4无级变速主运动传动系统的设计无级变速主运动传动系统的设计尽量选择功率和扭矩特性符合传动系要求的无级变速装置。执行件作直线主运动的主传动系，对变速装置的要求是恒扭矩传动，例如龙门刨床的工作台，就应该选择恒扭矩传动为主的无级变速装置，如直流电动机；如主传动系要求恒功率传动，例如车床
35、或铣床的主轴，就应选择恒功率无级变速装置，如柯普(Koop)B型和K型机械无级变速装置、变速电动机串联机械分级变速箱等。3.4.43.4.4无级变速主运动传动系统的设计无级变速主运动传动系统的设计无级变速系统装置单独使用时，其调速范围较小，满足不了要求，尤其是恒功率调速范围往往远小于机床实际需要的恒功率变速范围。为此，常把无级变速装置与机械分级变速箱串联在一起使用，以扩大恒功率变速范围和整个变速范围。3.4.43.4.4无级变速主运动传动系统的设计无级变速主运动传动系统的设计Rf=Rn/Rd=fZ-1无级变速装置作为传动系中的基本组，而分级变速作为扩大组。由于机械无级变速装置属于摩擦传动，有相
36、对滑动现象，可能得不到理论上的转速。为了得到连续的无级变速，设计时应该使分级变速箱的公比略小于无级变速装置的变速范围，(0.90-0.97)Rd。3.4.53.4.5数控机床主传动系设计特点数控机床主传动系设计特点v采用调压和调磁方式来得到主轴所需的转速。v能满足低速切削需要。一般直流电动机恒扭矩调速范围较大，达30，甚至更大；而恒功率调速范围较直流、交流调速电动机功率特性图小，仅能达到23，满足不了机床的要求；v在高速范围要进一步提高转速，须加大励磁电流，将引起电刷产生火花，限制了电动机的最高转速和调速范围。v直流电动机仅在早期的数控机床上应用较多。3.4.53.4.5数控机床主传动系设计特
37、点数控机床主传动系设计特点v通常是通过调频进行变速。v交流调速电动机一般为笼式感应电动机结构，体积小，转动惯性小，动态响应快；无电刷，因而最高转速不受火花限制；采用全封闭结构，具有空气强冷，保证高转速和较强的超载能力，具有很宽的调速范围。v对于某些应用场合，使用这些电动机可以取消机械变速箱，能较好地适应现代数控机床主传动的要求，因此，应用越来越广泛。3.4.53.4.5数控机床主传动系设计特点数控机床主传动系设计特点v在电动机与主轴之间串联有级变速箱。l电动机转速要在额定转速nd以上才是恒功率输出。l主轴需要在计算转速nj以上到恒功率区，一般ndnj.且电动机恒功率区小于主轴恒功率区。l存在机
38、床主轴与电动机在功率特性方面的匹配问题。有有级级变变速速箱箱设设计计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。有有级级变变速速箱箱设设计计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。有有级级变变速速箱箱设设计计实际设计中经常采用简化机械结构，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。3.4.53.4.5数控机床主传动系设计特点数控机床主传动系设计特点l一
39、种是采用联轴节将机床主轴和电动机轴串接成一体，将中间传动环节减少到仅剩联轴节；l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.l一种是采用联轴节将机床主轴和电动机轴串接成一体，将中间传动环节减少到仅剩联轴节；l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.电主轴的电动机转子与主轴为一体，置于前后轴承之间，电动机定子则在套筒内，可实现高速运转，主轴部件结构紧凑。电主轴为一个功能部件进行专业化生产。电主轴的无级变速方式，多数厂家只提供变频和矢量控制两种选择。电主轴以主轴套
40、筒外径为主要规格。3.4.53.4.5数控机床主传动系设计特点数控机床主传动系设计特点l中小型数控车床主传动系设计中，广泛采用模块化的变速箱和主轴单元形式。再如，整机数控车床的模块化设计是在几个基础模块部件(床身、底座等)基础上，按加工要求灵活配置若干功能部件(如主轴、刀架、尾座等)和附加模块化装置(各式机械手、检测装置等) 。3.4.53.4.5数控机床主传动系设计特点数控机床主传动系设计特点l数控机床对满足加工对象变换有很强的适应能力(即柔性)，因此发展很快。l数控机床的发展已经模糊了粗、精加工的工序概念，完全打破了传统的机床分类，由机床单一化走向多元化、复合化(工序复合化和功能复合化)。
41、l因此，现代数控机床和加工中心的设计，已不仅仅考虑单台机床本身，还要综合考虑工序集中、制造控制、过程控制以及物料的传输，以缩短产品加工时间和制造周期，最大限度地提高生产率。与传统机床相比，并联机床具有如下优点：与传统机床相比，并联机床具有如下优点： 刚度重量比大刚度重量比大：传动构件理论上为仅受拉压载荷的二力杆，故传动机传动构件理论上为仅受拉压载荷的二力杆，故传动机构的单位重量具有很高的承载能力；构的单位重量具有很高的承载能力； 精度高精度高：并联机床刀具的运动由各独立支链的进给驱动共同提供，不并联机床刀具的运动由各独立支链的进给驱动共同提供，不存在串联的误差积累，理论上比串联机床容易达到较高
42、的精度；存在串联的误差积累，理论上比串联机床容易达到较高的精度； 响应速度快响应速度快：运动部件惯性的大幅度降低，有效的改善了伺服控制器运动部件惯性的大幅度降低，有效的改善了伺服控制器的动态品质，允许动平台获得很高的进给速度和加速度，因而特别适用于各的动态品质，允许动平台获得很高的进给速度和加速度，因而特别适用于各种高速数控作业；种高速数控作业； 功能性强功能性强：并联机床的主轴平台可以具有并联机床的主轴平台可以具有3-6个自由度，能灵活地实现个自由度，能灵活地实现空间姿态，提供较强的加工、装配、测量等能力；空间姿态，提供较强的加工、装配、测量等能力； 结构灵活、成本低结构灵活、成本低：并联机床构型多样、结构简单、部件少、重组性并联机床构型多样、结构简单、部件少、重组性强，便于模块化设计。具有强，便于模块化设计。具有“硬件硬件”简单，简单，“软件软件”复杂的特点，因此制造复杂的特点，因此制造成本较低。成本较低。3.4.53.4.5数控机床主传动系设计特点数控机床主传动系设计特点
