1、机械制造装备设计,机械工程 学院 机制 教研室 陈 君 宝 电话：13872821175 61175,本课程主要讲述内容,第一章 绪论 第二章 机械制造装备的设计方法 第三章 金属切削机床设计 第四章 机床夹具设计 第五章 金属切削刀具与刀具系统设计 第六章 物流系统及其自动化装置 第七章 工业机器人设计,1. 机械制造装备及制造业动态装备,机械制造过程： 机械制造装备： 加工装备、工艺装备、仓储传送装备、辅助装备 加工装备（机床，制造机器的机器，工作母机） 金属切削机床（切除余量，达到尺寸、形状、精度、表面质量） 车、铣、刨、磨、钻、镗、拉、螺纹、齿轮等； 通用、专用、专门化；精密程度；自动
2、化程度；数控等分类,设计方法回顾,机械制造装备设计方法 功能要求分析 一般功能（精度、刚度、热稳定性、耐用度等）、精密、柔性、自动、绿色等 设计的类型 创新设计、变型设计、模块化设计 设计的方法 典型设计步骤 产品规划、方案设计、技术设计、工艺设计 系列化设计（促进“三化”，步骤为） 主参数和主要性能确定、参数分析、制定系列型谱 模块化设计 根据需求分析明确任务、建立功能结构与模块划分、确定系列型谱和参数、模块之间的组合、模块的计算机管理系统。 合理化工程 机械制造方法的评价 技术经济评价、可靠性评价、人机工程评价、 结构工艺性评价、产品造型评价、标准化评价,2. 机械制造装备设计方法功能要求
3、,一般功能要求 加工精度（尺寸精度、表面形状精度、位置精度、粗糙度等）；影响因素有：几何精度、传动精度、运动精度、定位精度、运动平稳性等。 强度、刚度及抗振性要求； 加工稳定性要求，（切削热、摩擦热、环境热）；减少发热量、散热和隔热，均热、热补偿、控制环境温度等。 耐用度要求（磨损导致间隙，精度丧失），设计、工艺、材料、热处理、使用等方面考虑减少磨损、均匀磨损、磨损补偿。 技术经济要求，成本分摊！ 柔性化 产品结构柔性化；（装备产品的系列化） 功能柔性化；（少量调整或修改软件，改变功能） 如：备用主轴、位置可调主轴、工夹量具成组化、工作程序软件化、数控化等。 精密化 微米级亚微米级纳米级；装备
4、自身精度已无法凑效，需误差补偿； 热变形、几何误差、传动误差、运动误差、定位误差和工艺性的弹性变形等建模。,2. 机械制造装备设计方法功能要求,自动化 凸轮控制、程序控制、数字控制、适应控制等。 机电一体化 充分考虑机械、液压、启动、电力电子、计算机软硬件特点，进行合理功能搭配，按系统工程和整体优化的方法，有机地组成最佳技术系统。 节材（加法设计） 符合工业工程的要求 开发阶段：充分考虑结构的工艺性，提高标准化、通用化程度，以便采用最佳工艺方案，选择合理制造设备，减少工时与材料消耗； 合理进行装备总体布局，优化操作步骤和方法（对作业程序进行分析，取消不必要操作，合并和简化重复和繁琐的工作，缩短
5、操作路线和事件，合理分配两手负荷等），减少操作过程中工人体力消耗； 对市场和消费者进行调研，保证产品合理的质量标准； 符合绿色工程要求（考虑全生命周期）,3.1.2 机床设计方法,一、计算机辅助设计（CAD）和计算机辅助工程（CAE） 二、传统的机床设计 三、模塑试验 四、优化设计 五、数控技术的发展与应用,机床的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。系列中的基型产品属创新设计类型，其它属变型设计类型。在创新设计类型中，机床总体方案（包括运动功能方案和结构布局方案）的产生方法可采用分析式设计（又称试行设计）或创成式设计（又称解析式设计）。前者是用类比分析、推理方法产生方案，
6、是目前创新设计一般采用的方法。后者则用创成解析的方法生成方案，创新能力强，这种方法尚在研究发展之中。,3.1.3 机床设计步骤,1. 确定机床结构原理方案,包括：机床的用途、生产率、性能指标、主要参数、驱动方式、结构原理、成本及生产周期等。这些技术指标设计是后续设计的前提和依据。,3.1.3 机床设计步骤,2. 机床总体设计 1）总体设计的内容 包括：运动功能设计、基本参数设计、传动系统设计、总体结构布局设计、控制系统设计等。 2）总体方案综合评价与选择 在总体方案设计阶段，对各种方案进行综合评价，从中选择较好的方案。 3）总体方案的设计修改或优化 对所选择的方案进行进一步修改或优化，确定最终
7、方案。上述设计内容，在设计过程中要交叉进行。,3.1.3 机床设计步骤,3. 机床结构设计 4. 机床零部件工艺设计 5.机床整机综合评价 6.机床定型设计,3.1 金属切削机床设计的基本理论,机床的运动学原理 机床有两个末端执行器 安装工件的执行器（如：铣床工作台、车床主轴的卡盘）； 安装刀具的执行器（如;铣床的主轴、车床的刀架） 工件的加工原理 通过刀具相对工件的运动来完成。 两个末端执行器之间严格的运动关系要靠内联传动系统或坐标轴联动实现 机床运动轴的数目、运动性质、各运动轴之间的关系、运动行程等。 工件表面的形成方法及机床运动 任何一个规则表面都可视为： 一条曲线（或直线）沿着另一条曲
8、线（或直线）运动的轨迹（发生线） 母线与导线（举例） 刀具切削刃可分为点切削刃、线切削刃、面切削刃,3.1 金属切削机床设计的基本理论,工件加工表面的发生线（刀具切削刃与工件接触并产生相对运动）有4种： 轨迹法 a是直线进给运动 e是轨迹法铣圆柱面 成形法（仿形法） b宽刃车刀 相切法(旋切法） d是相切法铣圆柱面 展成法（滚切法） c是展成法，道具和工件 间复合的相对运动n1和n2 加工表面的形成方法 母线形成方法与导线形成 方法的结合,3.1 金属切削机床设计的基本理论,机床的运动分类 运动性质分类 直线运动与回转运动 运动功能分类 成形运动 完成工件待加工表面几何形状的生成和金属切除任务
9、的运动 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） 运动关系分类 独立运动 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）,3.1 金属切削机床设计的基本理论,机床的成形运动 按照速度、动力消耗可分为： 主运动（速度高、动力消耗大） 进给运动（速度低、消耗动力小） 按照其完成的功能分： 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动；铣削时铣刀主轴回转运
10、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 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） 结合上一个图片讲解 点刃车削外圆，直母线需要f（进给）,圆导线要需要n(主运动）； 宽刃车削短外圆，直母线无需运动，圆导线需要回转n(主运动）； 纵向磨削外圆，直母线需要f（进给），圆导线需要n(主运动）； 相切法铣削，直母线1需要回转运动n（主运动），圆导线需要f1和f2(进给） 轨迹法长铣削，直母线需要回转n（主）和f(进给），圆导线需回转（成形） 滚齿时，渐开线母线需n1和n2展成,直导线需要直线运动f,3.1 金属切削机床设计的基本理论,3.1 金属切削机床
11、设计的基本理论,机床的运动原理图 将运动功能式用符合和图形表达出来。 比运动功能式更为直观，全面。包含： 机床的运动轴个数、形式及排列顺序； 两个末端执行器和各运动轴的空间相对方位。 典型运动原理图 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； 铣床： Cp主运动， XfYfZf进给运动 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。,3.1 金属切削机床设计的基本理论,典型运动原理图（续） 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 Xf和Zf复合，可用蝶形砂轮磨削长圆锥面或任意形状回转
12、面； Cf与Zf复合可磨削螺旋面； 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) 摇臂钻床：Cp是主运动，Zf进给运动；XaZaCa都是调整运动 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）,3.1 金属切削机床设计的基本理论,典型运动原理图（续） 滚齿机床：Cp是主运动，Cf和Zf是进给运动；两个C复合创成渐开线 Cf与Zf复合创成螺旋导线，可加工斜齿轮； Ba为调整运动，调整刀具的安装角，使刀具与工件齿向一致； 直线运动Ya径向切入运动，径向进给法加工涡轮时，Ya为
13、进给； 有的还有Za 滚刀的轴向蹿刀运动，（加工涡轮时，为径向进给运动） 插齿：Zp是主运动；Cf1与Cf2进给，复合创成渐开线；Ya切入运动,3.1 金属切削机床设计的基本理论,典型运动原理图（续） 直齿锥齿轮刨齿机 Zp刨刀主运动，Cf与Cf复合展成，Ca是分度运动，Za趋近退离； Ba调整，使刀具运动方向与工件齿根平行。 弧齿锥齿轮铣齿机 Cp铣刀回转主运动， Cf摇架的摆动； Cf工件回转 两个Cf复合展成； Ca是工件分度运动； Za趋近与退离； Ba是调整运动,关于运动的分配四种铣床,3.1 金属切削机床设计的基本理论,运动功能分配设计（进一步明确运动功能） 基础支承件尚不明确，即
14、“接地”不明确 接地用符号“.”表示，“.”左侧由工件完成；右侧刀具完成。 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） 看刀具和工件的尺寸及质量谁大，谁承担的运动就相对少； 机床传动原理图（传动关系，将动力源与执行件，各执行件之间的运动及关系同时表达出来） 看书上的图即可； A表示直线运动；B表示回转运动；uv表示主传动比；uf表示进给传动比；ui表示内联传动比。,3.1 金属切削机床设
15、计基本理论精度,几何精度 空载条件下，不运动或运动速度较低时，机床主要独立部件的： 形状（直线度、平面度） 相互位置（平行度、垂直度、重合度、等距度、角度）； 旋转位移精确程度（径向圆跳动、周期性轴向窜动、端面圆跳动）等 是评价机床质量的基本指标，决定于结构设计、制造装配质量 如(EZZ/EXZ/EYZ) Z坐标运动部件在各方向位置偏差； (ECZ EBZ EAZ)Z坐标运动部件绕ZYX轴的角度偏差； 运动精度 机床空载并以工作速度运动时，执行部件的几何位置精度 传动精度 机床传动系统各末端执行件之间运动的协调性和均匀性。 传统机床受传统系统设计、传动元件的制造装配精度影响； 数控机床受电动机
16、、导轨等元件精度、驱动器及控制器影响,3.1 金属切削机床设计基本理论精度,定位精度 机床的定位部件到达规定位置的精度 受构件与控制系统精度、刚度、动态特性影响。 重复定位精度 机床运动部件在相同条件下，用相同的方法重复定位时，位置的一致程度。 还受到传动机构的反向间隙影响。 工作精度 加工规定的试件，用试件的加工精度表示机床的工作精度。 影响因素有：机床自身精度、刚度、热变形、刀具、夹具、工件的刚度及热变形等。 精度保持性 在规定的工作期间内，保持机床所要求的精度。 影响因素是：磨损。具体：结构设计、工艺、材料、热处理、润滑等,3.1 金属切削机床设计基本理论刚度,刚度指机床受载时抵抗变型的
17、能力，用： K=F/y表示，K为刚度（N/um);F为载荷；y为机床变形量（um） 载荷： 重力、夹紧力、切削力、传动力、摩擦力、冲击振动等。 静载荷（基本不随时间变化）静刚度（一般代表机床刚度） 动载荷（随时间变化）动刚度（抗振性） 机床由众多构件和柔性接合部组成 整机刚度的50%取决于接合部刚度； 整机阻尼的50%-80%来自接合部阻尼 设计要点 提高各部件刚度； 接合部刚度及各部件间刚度的匹配 各部件对整机刚度贡献不同，所以需要刚度的合理分配与优化。,3.1 金属切削机床设计基本理论振动,振动 抵抗受迫振动（来自内部或外部） 受迫振动频率与振源激振力的频率相同，振幅还与机床刚度阻尼有关
18、机床是多自由度复杂振动系统，具有多个固有频率 某个固有频率下自由振动时，各点振幅的比值称为“主振型” 一阶主振型最低固有频率的主振型 机床的振动是各阶主振型的合成 一般只考虑几个低阶振型，如整机摇摆、一阶弯曲、扭转等。 自激振动 发生在刀具与工件间的一种相对振动，由切削过程与机床结构动态特性之间的相互作用产生，与机床系统的固有频率接近。一般认为加工过程中的扰动因素引起（机理不清晰），切削力越大，振动越剧烈 影响振动的主要因素 机床的刚度：构件的材料选择、截面形状、尺寸、肋板分布等； 机床的阻尼：提高阻尼可减少振动。提高接合部阻尼（其占70-90%) 机床系统固有频率：远离激振频率（预测各阶固有
19、频率及激振频率）,3.1 金属切削机床设计基本理论热噪稳,热变形 热变形引起误差最大可占全部误差70% 逐渐热平衡，较为稳定的温度场，需分析温度场 措施：减少发热，加快散热、热均衡、温度自动补偿及隔热等。 噪声 用分贝度量 机械噪声、液压噪声、电磁噪声、空气动力噪声 低速运动平稳性 低速爬行（主动件低速运动时，从动件时快时慢甚至停止） 原因：摩擦引起自激振动，摩擦系数变化及刚度不足 措施： 减少静、动摩擦系数差 提高机构刚度； 降低移动件的质量,3.2金属切削机床总体设计型谱,根据国家标准GB/T15375-94，按加工性质和所用刀具的不同，机床可分为12大类： C A 6 1 40，C：类别
20、代号（床类）A：结构性代号（A结构）6：组别代号（卧式车床组）1：系别代号（普通车床系）40：主参数代号（最大回转直径400mm） 型谱需要在国标主参数基本系列的基础上，进一步根据需求制定变型系列型谱,3.2金属切削机床总体设计功能设置,工艺分析 大批量与小批量加工的区别 大批量：机床专业化，工序流水化； 小批量，工序集中，机床功能要求多。 根据生产率、加工精度、机床制造成本、操作维护程度等决定机床工艺范围选择。 运动功能设置 分析式法：参考同类型机床运动功能，分析后提出方案，并仿真 解析式设计法：解析法求出所有可能方案，仿真评定 写出机床运动功能式、画出机床运动原理图。,3.2金属切削机床总
21、体设计总体结构方案设计,结构布局设计 结构布局：立式、卧式、斜置式； 基础支承件：底座式、立柱式、龙门式等 支承件结构：一体式、分离式等 评价依据：定性分析机床的刚度、占地面积、 与物流系统的可接近性等因素，得到图示五轴镗铣床结构布局形态图 机床总体结构的概略形状与尺寸设计（图2-10或3-10） 确定末端执行件的概略形状与尺寸； 设计末端执行器与下一功能部件的接合部(形状与概略尺寸） 根据导轨接合部确定下一功能部件的概略形状与尺寸； 重复上述过程，直到基础支承件（底座、立柱、床身）设计完毕 进行机床结构模块设计，进行模块提取与设置 造型与色彩设计 总体结构方案的综合评价,3.2金属切削机床总
22、体设计主要参数,3.2金属切削机床总体设计主要参数,主轴转速算例（参书，解释） 主轴转速的合理排列（分布减速比例） 有级的采用公比，n1=nmin;n2=n1* ;n3=n1* * 相对转速损失率：A=(n-nj)/n 最大的相对转速损失率：Amax=(nj+1-nj)/nj+1 公比分配是为了各级的最大相对转速损失率相同 也可采用两端公比大，中间公比小的混合公比转速数列,当n 趋近于nj+i时，仍选用nj为使用转速，产生的最大相对转速损失率为：,在其它条件(直径、进给、切深)不变的情况下，转速的损失就反映了生产率的损失。对于普通机床，如果认为每级转速的使用机会都相等，那么应使Amax为一定值
23、，即：,或,因此任意两级转速之间的关系应为：,标准公比和标准数列 在1与2之间，转速数列呈10倍比关系，2倍比关系。 表2-4给出了1.06、1.12、1.26等负荷要求的标准公比； 表2-5给出了1.06为公比的标准数列(举例设计=1.26的公比）,标准公比的确定原则：转速均由nmin至nmax必须递增，故公比应大于1；为了限制转速损失的最大值Amax不大于50%，则相应的公比不得大于2。为了使用记忆方便，转速数列中的转速均为十倍比，故公比数应在 式中取数，E1是正整数。如采用多速电动机驱动，故公比应在 式中取数， E2也为正整数。,表中1.06、1.12、1.26同是10和2的正整数次方，
24、其余的只是10或2的正整数次方。 此表不仅可用于转速、双行程数和进给量数列，也可用于机床尺寸和功率参数等数列。对于无级变速系统，机床使用时也可参考上述标准数列，以获得合理的刀具耐用度和生产率。,当采用标准公比后，转速数列可从上表中直接查出。表中给出了以1.06为公比的从110000的数列。,公比的选择依据 根据切削时间、辅助时间的比例进行选择 如通用机床，一般取1.26或1.41；大批量专用取1.12或1.26；非自动小型化机床，可取1.58、1.78甚至2，以简化机床结构。,5）变速范围 Rn，公比和级数 Z的关系,3.2金属切削机床总体设计主要参数,变速范围Rn，公比和级数Z之间的关系 R
25、n=nmax/nmin(变速范围）= Z-1 进给量的确定（第二个方面） 进给量方式：无级变速（数控或普通）、有级变速。 有级变速的方式: 与转速序列一样的等级级数； 与螺纹导程一样的等差级数（如螺纹车、螺纹铣、刨床、插床） 变速形式与驱动方式选择（第三个方面） 零传动 直线电机与传统的“旋转伺服电机+滚珠丝杠”的驱动方式的对比 直线电机：速度300米/分钟 加速度：10g 定位精度可达0.1m 价格及能耗高 滚珠丝杠：速度120米/分钟 加速度：1.5g 定位精度最高2-5m 价格及能耗近半,3.2金属切削机床总体设计主要参数,动力参数（机床驱动的各种电动机功率或转矩) 主电动机功率： P主
26、=P切+P空+P辅 P切=Fz*v/60*1000 P空=Kd平均*（ni+Cn主）/955000( W = P*1000N*m = 2*n/60*M ) P辅= P切/机床- P切（一般=0.7-0.85（回转）；0.6-0.7（直线） P额=P主/K 进给驱动电动机功率 进给运动与主运动何用一个电动机，约占3%-20%； 工作进给与快速进给合用一个电动机 进给运动单独电动机驱动P进=F*v进/60*1000* 进 快速运动电动机功率（克服惯量） P快=P惯+P摩；P惯=M惯*n/9550 ;M惯=J*/t,3.3主传动系设计,主传动系构成 动力源、变速装置、执行件（主轴、刀架、工作台）、开
27、停、转向及制动机构等组成。 主传动系分类 按主电动机类型 交流电动机 单速交流电动机 调速交流电动机（多速交流电动机、无级调速交流电动机） 直流电动机 传动装置类型 机械、液压、电气及组合等。 变速连续性 分级变速传动（滑移齿轮变速、交换齿轮变速和离合器变速） 无级变速传动（机械（传统）、液压（直线运动）、电气（趋势）,3.3主传动系设计传动方式,集中传动方式 全部传动和变速机构集中在一个主轴箱内（紧凑但热、振动影响） 分离传动方式 主轴箱内仅有主轴组件和背轮机构,3.3主传动系设计传动系图与转速图,分级变速主传动系的设计步骤： 据运动参数，拟定结构式、转速图，合理分配各传动副传动比，确定齿轮
28、齿数和带轮直径等，绘制主变速传动系图。,3.3主传动系设计结构式,结构式 表征传动系的设计方案 Z=（Pa）Xa（Pb）Xb （Pc）Xc (Pi)Xi Pi表示传动副数； Xi表示各变速组的级比指数 即（相邻两传动线与 从动轴交点之间相距的格数） 如右图：12=31 23 26 基本组（末端输出连续等比指数） 必须有一个变速组的级比指数为1 扩大组 第一扩大组，第二扩大组,3.3主传动系设计变速范围及极限传动比,变速范围 Ri=（umax）i/（umin）I 基本组的变速范围（上图）： R0=ua1/ua3=1/-2 各扩大组的变速范围 Ri= Xi（Pi-1） 每一组的传动比中，可有升速，
29、有降速 降速的最小传动比umin 1/4（避免从动齿轮过大） 升速的最大传动比umax 2(避免扩大传动误差，减少振动噪音） 所以每一组传动比的最大变速范围一般在8-10以内 进给传动链umax可在2.8以内；umin可小至1/5；总体在14以内为宜。 检查变速范围 一般检查最后一级即可；最后扩大组的传动副一般取为2比较合适。 否则因为其级比指数大，传动副若过多，则容易超过变速范围,3.3主传动系设计主变速传动系原则,传动副前多后少的原则 前面高速；后面低速转矩大。12=3*2*2就比较好一点； 传动顺序与扩大顺序相一致的原则 12=31*23*26 12=32*21*26 12=34*21*
30、22等六种方案 如图所示方案中，II轴的最低转速不一样，转速越低，齿轮越大。 变速组降速要前慢后快，中间轴转速不宜超过电动机转速 为使中间轴转速相对较高。U1minu2minu3min 原则灵活把握 如采用离合器 如双速电动机等,3.3主传动系设计主变速传动系原则,转速图中传动比的分配 例子：设计一个12级的车床主传动系统，公比=1.41，主轴最高转速为1440r/min，电动机转速为1440r/min。电动机与主轴箱之间采用带传动，请设计： 因Rn=nmax/nmin= z-1, Z=12 采用结构式：12=3123 26 最低转速nmin=1440/1.4111 速比可按下式分配 各级齿轮
31、速比为：（前慢后快） 一级齿轮降速比为1.412 二级齿轮降速比为1.412 一级齿轮降速比为1.413 一级齿轮降速比为1.414,3.3主传动系设计几种特殊设计,1）多速电动机传动 一般有双速或三速电动机 （750/1500 1500/3000 750/1500/3000)变速范围2-4，级比为2； （1000/1500 750/1000/1500)变速范围为1.5-2，级比为1.33-1.5 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 如公比为1.26是3次方根，基本组传动副数应为3； 如公比为1.41是2次方根，基本组传动副数应为2. 如图，多刀版自动车床，电动机变速范
32、围是2，转速级数8级，公比1.41 结构式为8=222124 中间为基本级,3.3主传动系设计几种特殊设计,2）具有交换齿轮的变速系 很少需要变速的场合。 交换齿轮、双联滑移齿轮 3）采用公用齿轮的变速系 既是主动，又是后一级的从动 减少齿轮数，简化结构，缩短轴向尺寸； 两个变速组的模数必须相同； 弯曲应力对称循环，所以许用应力较低； 尽量选择较大的齿轮作为公用齿轮 下图画斜线的两个齿轮为公用齿轮。,3.3主传动系设计扩大传动系变速范围,（原因）主变速传动系的最后一个扩大组的变速范围是： Rj=xj（Pj - 1），其中 xj=P0P1P(j-1) 若总变速级数为Z，则 Z= P0P1P(j-
33、1) Pj 通常来说，最后一级扩大组的变速级数Pj=2 所以，最后扩大组的变速范围是： Rj=Z/2 每一级的极限传动比R小于等于8=1.416=1.269 所以，如果=1.41，则总变数级数小于等于12 相应而言，最大可达变速范围Rn=1.4111=45 如果=1.26，则总变数级数小于等于18 相应而言，最大可达变速范围Rn=1.2617=50 对通用性机床的变速范围要求在140-200（不满足）,3.3主传动系设计扩大传动系变速范围,方法1：增加变速组 如上页，原来的末级变速组已达极限变速范围； 如新增的变速组级比指数再扩大，则变速范围太大，无法实现。 24=312326212太大，所以
34、最后一级需要委曲求全，级比指数仍取6 所以，传动系的变速级数为：3*2*（2*2-1）=18级（有一个重复的） 结构式可写为： 18=3123（2626-1） 见黑板画图 方法2：采用背轮机构（扩大传动比） 最大扩16倍，需要脱离哦 方法3：采用双公比传动系统（见图20） 中段公比小，高低段用大公比 基本组的级比指数变为1+2n 方法4：采用分支传动（见图2-15） 增加并联机构，前4级18=2133（2626-1）。五轴-六轴26/58平移；三轴六轴增加一个升速传动副63/50,增加了6级高转速,3.3主传动系设计分支机构及典型,3.3主传动系设计齿轮齿数的确定,确定完传动比后，需进一步确定
35、齿轮齿数 标准表格提供了“标准公比”整数次方对应的“齿数和”“小齿轮齿数” 齿数和的选取很关键： 齿数和与模数合并，决定了中心距； 中心距取决于传递扭矩的大小； 一个变速箱内齿轮模数最好一样，所以越后面变速组，中心距越大。 选择方式： 按传递扭矩要求初选中心距； 设定齿轮模数，算出齿数和； 然后对表查询。 若采用“三联滑移齿轮”，则需要相邻齿轮的齿数差大于等于4. 要验算实际传动比与理论传动比之间误差。 也可选择齿数和不等，但差很小的变位齿轮方法。 如嫌60太小，72又太大；那么三联中的1、3传动副可选66；2传动副选67,3.3主传动系设计计算转速,机床的功率转矩特性（确定用来计算的扭矩与相
36、应转速） 背吃刀量与进给量不变的情况下，切削速度对切削力影响较小 主运动是直线运动的主轴，主传动基本是恒转矩传动； 主运动是回转运动，主轴转矩与工件或铣刀直径成正比，而转速选择则与直径成反比，所以基本是恒功率传动。 计算转速 主轴或各传动件传递全部功率的最低转速 就是计算转速 NmaxNj，T增加；P基本不变。 NjNmin，T不变，P降低。 III轴 185r/min II轴 315-90 315-345（传功） 齿轮的校核 小齿轮的计算转速,3.3主传动系设计变速箱内传动系布置,传动轴的空间布置 机床的总体布局对变速箱形状与尺寸的限制； 各轴受力情况及支撑情况； 装配调整与操作维修 铣床变
37、速箱就是立式床身； 摇臂钻床变速箱在摇臂上移动，所以轴向短，横截面大； 卧式车床则位于床身上面，矩形空间 布置顺序： 先确定主轴位置； 与主轴之间啮合的轴的位置； 电动机轴或输入轴的位置,3.3主传动系设计变速箱内传动系布置,传动轴的轴向固定,3. 齿轮在轴上的布置与排列 1）滑移齿轮的轴向布置 在变速组内，应尽量使较小的齿轮成为滑移齿轮，使滑移省力。有时为了使变速操作方便，将两个变速传动组的滑移齿轮都安放在同一根轴上。,滑移齿轮必须使原处于啮合状态的齿轮完全脱离啮合后，另一个齿轮才开始啮合。即要求两个固定齿轮的间距应大于滑移齿轮的总宽度，即留有一定的间隙（=12mm）。,2. 一个变速组内齿
38、轮轴向位置的排列 如无特殊情况，应尽量缩小齿轮轴向排列尺寸。 滑移齿轮的轴向位置排列通常有窄式和宽式两种，一般窄式排列轴向长度较小。,附图 滑移齿轮采用窄式排列,宽式排列占用轴向尺寸较大，以致在相同的载荷条件下，传动轴轴径需增大，轴上的小齿轮齿数增加，相应使齿数和与径向尺寸加大。因此，一般不宜采用宽式排列。,附图 滑移齿轮采用宽式排列,如前所述，三联滑移齿轮能顺利滑移变速的条件是：三联滑移齿轮的最大和次大齿轮之间齿数差应大于 4。,若相邻齿数差小于4，除了采用增加齿数和（此时径向尺寸增大）或采用变位齿轮的方法解决外，还可采用如图所示排列方案解决。,前述三级变速传动组的排列方式中转速的变换顺序是
39、混杂变换的，如果希望转速的变换能有顺序进行，齿轮排列方式如下图所示。,将三联或四联滑移齿轮拆成两组进行排列，以减少移动距离和缩小轴向长度，且对齿数差也无要求，但需要互锁装置，操纵机构较为复杂。,3. 两个变速组内齿轮轴向位置的排列 如图所示为两个变速组的齿轮并行排列方式，其总长度等于两变速组的轴向长度之和。,如图所示为两个变速组的齿轮交错排列方式，其总的轴向长度较短，但对固定齿轮的齿数差有要求。,若采用公用齿轮，其轴向总长度将更为缩短。如下图所示，采用公用齿轮，不仅减少了齿轮数量，还缩短了轴向尺寸。,4. 缩小径向尺寸与轴间距离 在强度允许的条件下，尽量选用较小的齿数和且使齿轮的降速传动比大于
40、1/4，以避免采用过大的齿轮。 这样，既缩小了本变速组的径向尺寸与轴间距离，又不致妨碍其他变速传动组轴间距离。,另外，采用轴线相互重合，则径向尺寸可大为缩小。,如果采用两对定比齿轮副串联形式， 降速传动比仍为1/4，若三轴在同一平面内布置，则齿轮在该平面的径向尺寸可缩短 0.5d1，但在该平面的垂直方向上可缩短径向尺寸2d1。,如果在上述传动形式基础上，将三根传动轴按三角形布置，则无论在任何方向上，其径向尺寸都可以大为缩短 。,但采用这种传动方式将增加传动件的数目。,如果一对齿轮副采用最小降速传动比 1/4 ，则齿轮的径向尺寸可达 5d1（d2 = 4d1），致使径向尺寸过大。,4.各传动轴的
41、估算和验算 机床各传动轴在工作时必须保证具有足够的弯曲刚度和扭转刚度。 轴在弯矩作用下，如产生过大的弯曲变形，则装在轴上的齿轮会因倾角过大而使齿面的压强分布不均，产生不均匀磨损和加大噪声；也会使滚动轴承内、外圈产生相对倾斜，影响轴承使用寿命。,如果轴的扭转刚度不够，则会引起传动轴的扭振。 所以在设计开始时，要先按扭转刚度估算传动轴的直径，待结构确定之后，定出轴的跨距，再按弯曲刚度进行验算。,（1）按扭转刚度估算轴的直径 式中：K键槽系数（查表38）； A扭转角系数； 从电动机到所计算轴的传动效率。,表38 估算轴径时系数A、K值,一般传动轴的每米长允许扭转角取 ，要求高的轴取 ，要求较低的轴取
42、,（2）按弯曲刚度验算轴的直径 1）进行传动轴的受力分析，根据轴上滑移齿轮不同位置，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哪个位置受力变形最严重，则需要多计算几种位置。 2）如情况严重时，对轴中部的齿轮处应验算其挠度，对轴两端的齿轮处应验算其倾角。还应验算轴承处的倾角。,3）按材力中的公式计算轴的挠度或倾角，并检查是否超出允许值。允许值可从表39查出。,表39 轴的刚度允许值,机床的工作原理,Tricept 1005机器人 机构简图,固定平台 （框架）,万向铰链,伸缩杆,动平台,高速铣头机构简图,框 架,Tricept 1005 机器人及 主轴部件,高速铣头,伸缩杆,伺服
43、 电动机,5.1.4 无级变速传动系设计 1、无级变速装置的分类 无级变速是指在一定范围内，转速（或速度）能连续地变换。 变速电动机 无级变速装置 机械无级变速装置 液压无级变速装置,直流复励电动机 1）变速电动机 交流变频电动机 特点： 额定转速以上为恒功率变速，调速范围23； 额定转速以下为恒扭矩变速，调速范围30甚至更大。 柯普（Koop）型 2）机械无级变速装置 行星锥轮型 分离锥轮钢环型 宽带型 特点： 利用摩擦力来传递扭矩； 连续地改变摩擦传动副工作半径来实现无级变速； 为恒扭矩传动； 变速范围小。,3液压无级变速装置 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
44、量来实现无级变速。它的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。,2、无级变速主传动系设计原则 1）对象：数控机床等数控设备和重型机床的执行件 （1）执行件作旋转运动时，要求恒功率调速； 执行件作直线运动时，要求恒转矩调速； （2）串联有级变速机构，扩大恒功率变速范围。,3.3主传动系设计无级变速,CVT(Continuous Variable Transmission),速比变换器的基本组成和原理 (a) 低速（传动比大） (b) 高速（传动比小） 1-主动链轮装置 2-从动链轮装置 3-动力输出 4-动力输入 5-传动链条,在每组锥形轮中有一个锥形
45、轮可以轴向移动 两组锥形轮必须保持协调相同的调整，以保证链条始终处于张紧状态。,3.3主传动系设计无级变速,3.3主传动系设计无级变速链轮及转动块,传动链的转动节采用双转动压块，在传动链转曲过程中， 转动压块之间形成滚动摩擦，动力损失和磨损降低至最小。 传动链的转动节采用不等长链节，可防止共振并降低转动噪音。,3.3主传动系设计无级变速行星齿轮系,3.3主传动系设计数控机床主传动系,要求 转速高、调速范围大、恒转矩调速范围1：1001:1000； 切削加工中可自动变速； 机床结构简单、噪音小、动态特性好 其他问题 主传动采用直流电动机无级调速（早期用） 启动阶段恒转矩调速，调速范围可达30；额
46、定转速最高转速段，恒功率调速，调速范围2-3，且电刷火花，不能很好满足要求。 主传动采用交流电动机无级调速（调频调速） 恒功率调速范围大，可达1:12 电动机与主轴功率特性的匹配设计 1）有级变速箱的公比等于电机的恒功率变速范围RdN，功率图连续 2）有级变速箱的公比大于电机的恒功率变速范围RdN，功率图缺失 3）有级变速箱的公比小于电机的恒功率变速范围RdN，部分重合,3.3主传动系设计功率图缺失举例,主电机： 额定1500，最高4000，恒功率变速4/1.5=2.67 主轴恒功率变速范围：RnN=nmax/nj=4000/254=15.7 变速箱的公比=5.95，缺口处功率仅为2.67*1
47、8.5/5.95=8.3kw,3.3主传动系设计其他趋势,数控机床 主传动速度越来越高电主轴 机床部件标准化、模块化 多个主轴加工中心 并联机床 刚度好，解耦难（运动轨迹计算复杂）,小结金属切削机床总体及主运动设计,系列型谱的制定 运动功能设置（写出运动功能式、画出机床运动原理图） 总体结构方案设计（确定参考型式，概略尺寸设计等） 主要运动参数（Nmax，Nmin，Rn，fmax，fmin，P主） 主传动系型式选择（分级、无级、电机类型等） 拟定转速图和结构式 变速范围、极限传动比、布置原则、特殊设计方法、扩大变速范围等 齿轮齿数的确定（齿数和、小齿数） 确定计算转速，明确校核扭矩等 变速箱内
48、传动件的布置 画图,3.4进给传动系设计,进给传动系实现机床的进给运动和辅助运动 组成 动力源、变速、换向、运动分配、过载保险、运动转换、执行件 动力源可单独（便于自动化、缩短传动链）、可共用（内联） 变速（进给量大小）（交换齿轮、滑移齿轮、齿轮离合、无级、伺服） 换向：电动机换向（方便但不能频繁）、齿轮换向 运动分配：切换传动路线，主要是离合器 过载保险：牙嵌离合器、片式安全离合器、脱落蜗杆等 运动转换：（回转变直线），齿轮齿条、滚珠丝杠、螺母、蜗轮蜗杆 进给传动系应满足的基本要求 足够的静刚度和动刚度 快速响应特性，无低速爬行，平稳灵敏 抗振性好，无抖动和冲击噪声小 足够宽的调速范围 传动
49、精度和定位精度高 结构简单、工艺性好,3.4进给传动系设计,机械进给传动系 恒转矩传动（不同进给量，切削力大致相同，进给力相同) 所以，设计规律与主传动系略有不同 1）扩大顺序与传动顺序不一致； 2）进给传动系的变速范围可接近14； 3）末端常采用降速很大机构，如：涡轮涡杆、丝杠螺母、行星机构 一般有快速空程传动机构 如超越离合器、差动机构、电气伺服进给机构等。 微量进给机构 1um以上的，蜗杆传动、丝杠螺母、导轨滑块、齿轮齿条等； 1um以下的：弹性力传动、磁致伸缩、电致伸缩、热应力传动等 电气伺服进给系统 步进电机、直流伺服、交流伺服、直线伺服等 齿轮传动间隙消除（图2-45） 丝杠螺母机构（图2-46）,进给传动系统设计,
