机电装备设计

12.1主传动系统设计定义：运用转速图的基本原理，拟定满足转速数列的经济、合理的传动系统方案，确定主要传动件的空间布置。内容：★选择变速组及其传动副数；★确定各变速组中的传动比；★计算齿轮齿数和皮带轮直径；★设计主要传动件的空间布置、轴向定位及其结构尺寸。组成：由动力源、变速装置及执行件(如主轴、刀架、工作台)，开停、换向和制动机构等部分组成。动力源给执行件提供动力，变速装置传递动力以及变换运动速度，执行件执行机床所需的运动，完成旋转或直线运动。2.1.2分类和布局形式1、分类1）按动力源的类型，分为交流电动机驱动、直流电动机驱动和液压驱动。○交流电动机驱动：单速交流电动机、调速交流电动机和交流伺服电动机驱动。调速交流电动机驱动：多速交流电动机和变频调速交流电动机驱动。2）按变速的连续性，分为有级变速传动和无级变速传动。○有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，变速级数不超过20～30级。有级变速方式:滑移齿轮变速、交换齿轮变速和离合器变速。优点:除摩擦片式离合器外，传递功率较大，变速范围广，传动比准确，工作可靠，应用于各种普通机床。缺点:有速度损失，不能在运转中变速。摩擦片离合器：可在运转过程中变换转速，操纵方式为机械的、电磁的或液压的，便于实现自动化。但传动比不准确，发热量大。无级变速传动：可在一定的变速范围内连续变速，以得到最有利的速度，能在运转中变速，便于实现变速自动化。构成：由机械摩擦无级变速器、液压无级变速器和无级变速电动机实现。特点：机械摩擦无级变速器结构简单、使用可靠，常用在中小型车床、铣床等的主传动中。液压无级变速器传动平稳、运动换向冲击小，易于实现直线运动，常用于主运动为直线运动的机床，如磨床、拉床、刨床等机床的主传动中。※无级变速电动机：直流电动机或交流变频调速电动机，可大大简化机械结构，便于实现自动变速、连续变速和负载下变速，广泛应用在数控机床上。为了匹配主轴的性能要求，扩大恒功率无级变速范围，常在无级变速电动机与机床主轴之间串联机械有级变速装置。变速形式的选择主要考虑机电装备的自动化程度和成本两个因素。2、布局形式1）集中传动布局传动系统的全部传动件、变速装置和执行件集中装在一个箱体内，称为集中传动式布局。多数通用机床的主传动系统都采用这种布局。优点：结构紧凑，便于实现集中操纵和调整与维修，箱体数目少，降低了成本。缺点：高速运转的传动件所产生的振动和发热会直接影响主轴的工作精度。这种传动布局适用于普通精度的大中型机床。2）分离传动式2有些高速、高精度机电装备，为了避免变速箱的振动和热变形对执行件的影响，常把变速箱与执行件分开，即把传动系统的主要传动件和变速机械与执行构件分别装在两个不同的箱体内，中间用皮带、链条等方式传动，称为分离传动式布局。优点：●变速箱各传动件所产生的振动和热量不会传给或少传给主轴，减少了主轴的振动和热变形，提高了机床的工作精度；●高速运转时，运动由皮带经齿轮离合器直接传动，传动链短，主轴高速转时平稳，传动效率高，转动惯量小，便于启动和制动；●主轴作低速运转时，运动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。缺点：多了一个箱体，增加加工成本；低速时皮带负荷大，容易打滑。这种布局方式适用于中、小型高速精密机床。3、变速机构在传动链中的位置变速机构零件多，传动件的尺寸决定于所传递的转矩。功率一定，转矩与转速成反比。□变速机构应位于传动链的高速部分。□执行件的转速较低，变速机构接近动力源，降速机构在后。由于噪声与传动件(如齿轮)的线速度有关，过高的转速会导致噪声增大，故需限制变速机构的线速度不能过高。转速图是分析和设计分级变速传动系统的重要工具，由一些互相平行和垂直的格线组成。距离相等的一组水平线与竖直线相交，得相应的圆圈交点，代表各轴的转速。将转速图上的竖直线坐标取为对数坐标，代表各级转速的水平线的间距相等，任意相邻两水平线相距一格，即一个lgφ，即相邻转速之比是φ，卧式车床φ＝1.41，在Ⅳ轴上有12个转速点，表示主轴具有12级转速，从31.5～1400r／min。转速图上相邻两轴格线转速点之间的连线，表示一对传动副传动比u，用主动齿轮与被动齿轮的齿数比或主动带轮与被动带轮的轮径比表示。●传动比u与速比i互为倒数关系，即u＝1/i；●在转速图中，传动比的大小以代表该传动副的连线倾斜方向和倾斜程度表示；)(9550mNnPT1400r/min100071050035525018012590634531.5电ⅠⅡⅢⅣ1440r/min126:25636:3624:4830:4242:4222:6260:3018:723●连续向右下方倾斜为降速传动，u1；●向右上方倾斜为升速传动，ul；●水平连线则为等速传动，u=1；在转速图上两轴间相互平行的连线是代表同一传动副。电动机轴与I轴之间为皮带定比传动，其传动比为轴I～II间的变速组a有三个传动副，其传动比分别为轴Ⅱ～Ⅲ轴间的变速组b有两个传动副，其传动比分别为Ⅲ～Ⅳ轴之间的变速组c有两个传动副，其传动比分别为转速图可表示：◆主轴的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。2）结构网及结构式结构网或结构式用于分析和比较不同的传动系统设计方案，与转速图的主要差别是：▲结构网只表示传动比的相对关系，不表示传动比和转速的绝对值；▲结构网上代表传动比的射线呈对称分布；▲结构网也写成结构式来表示；下图结构式12＝31x23x26式中：△12表示主轴的变速级数；△3、2、2分别表示按传动顺序排列各变速组的传动副数；即变速组a的传动副数为3，变速组b的传动副数为2，变速组c的传动副数为2；△结构式中的下标1、3、6表示各变速组中相邻两传动比相距的格数。变速组内相邻两传动比之比称为级比,即Φxi相邻两传动比相距的格数称为级比指数，用xi表示。设计时要使主轴转速为连续的等比数列，必须有一个变速组的级数比指数为1，此变速组称为基本组。基本组的级比指数用x0表示，即x0＝1。△上例的(31)即为基本组；4△后面变速组因起变速扩大作用，统称为扩大组；△第一扩大组的级比指数x1，一般等于基本组的传动副数p0，即x1=p0；△上例中基本组的传动副数p0=3，变速组b为第一扩大组，其级比指数为x1=3。经扩大后，Ⅲ轴得3×2=6的转速；△第二扩大组将第一扩大组扩大的变速范围第二次扩大，级比指数x2等于基本组的传动副数和第一扩大组传动副数的乘积，即x2=p0p1＝3×2＝6，经扩大后使Ⅳ轴得到3×2×2＝12种转速；△如有第j扩大组，则依次类推，其级比指数xj=p0p1…pj-1○变速组按其级比指数xi值，由小到大的排列顺序称为扩大顺序，即基本组、第一、第二…扩大组；○在结构上，由电动机到主轴传动的先后排列顺序称为传动顺序，即变速组a、b、c…；○设计传动系统方案时，传动顺序和扩大顺序可能一致，也可能不一致。图示方案是传动顺序和扩大顺序相一致的情况，若将基本组和各扩大组采取不同的传动顺序，还有许多方案。如，12＝32×21×26，12＝31×23×26,…。总结：结构网或结构式简单、直观，能清楚地表示出变速传动系统中主轴转速级数Z、各变速组的传动顺序、传动副数pi,各变速组的级比指数xi和各变速组的变速范围。数控机床主传动设计特点：1、主传动采用直流或交流电动机无级调速直流电动机无级调速：采用调压和调磁方式来得到主轴所需的转速。◇通过调节电枢电压，保持励磁电流恒定的方法进行调速，为恒转矩调速，起动力矩大，响应快，能满足低速切削需要；◇从额定转速至最高转速，通过改变励磁电流，改变励磁磁通，保持电枢电压恒定的方法进行调速，为恒功率调速。直流电动机恒转矩调速范围达30或更大；恒功率调速范围仅达2～3，满足不了机床的要求。直流电动机在早期的数控机床上应用较多。交流电动机无级调速通过变频进行变速。当转速为1500r/min时，恒功率调速范围达1:4左右。直流、交流调速电动机功率特性图设计数控机床主传动时，须考虑电动机与机床主轴功率特性匹配问题。通常，恒功率区约5占整个主轴变速范围的2/3～3/4，恒转矩区约占1/4～1/3。★直流电机的额定转速为1000～1500r／min。从nd至nmax用调磁调速；从nmin至nd用调节电枢电压法调速。★交流变频电动机额定转速为1500r／min。这两种电动机的恒功率转速范围常为2～4，恒转矩变速范围则可达100以上。★变速电动机的功率特性与机床主轴的要求不配。主轴要求的恒功率变速范围远大于电动机的恒功率变速范围；在电动机与主轴之间要串联一个分级变速箱，以扩大其恒功率调速范围。满足低速大功率切削时对电动机的输出功率的要求。设计分级变速箱时，主要考虑机床结构复杂程度、运转平稳性。变速箱公比φf选取有三种情况：1）取变速箱的公比φf等于电动机的恒功率调速范围RdP，即φf＝RdP特点：功率特性图是连续、无缺口和无重合的。如变速箱的变速级数为Z，则主轴的恒功率变速范围有，2）为简化变速箱结构，变速级数应少些，变速箱公比可取大于电动机的恒功率调速范围RdP,即φf＞RdP。特点：变速箱每档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”，称之功率降低区。为保证缺口处输出功率，电动机的功率应相应增大。主轴的恒功率变速范围有，3）如果数控机床为了恒线速切削需在运转中变速时取，φf＜RdP特点：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为，例;某一数控机床主轴的最高转速为8000r/min，计算转速为125r/min，最大切削功率为5.5kw，采用交流调频主轴电机，额定转速为1500r/min，最高转速6000～8000r/min。试设计分级变速箱的传动系统和选用电机功率。解：主轴的恒功率调速范围恒转矩区恒功率区641258000npR6电动机的恒功率调速范围由于Rnp＞Rdp，必须配以分级变速箱。取变速齿轮的公比φf＝Rdp＝4，电动机本身的无级变速范围与公比相等，作为基本组，变速齿轮应作为扩大组。变速级数Z满足，为简化变速箱，便于自动变速，希望用双速变速箱，双联齿轮作为扩大组的变速范围Rkp为▲由于结构尺寸的限制，齿轮传动时，升速比不应大于2，降速比不应小于1/4。双联齿轮的变速范围不超过8，即使主轴的恒功率调速范围减小了；▲为满足主轴调速范围要求，降低电动机恒功率计算转速，把低于额定转速的部分恒转矩区视为恒功率区进行计算；若扩大后的电动机调速范围为Rdf，即公比φf＝Rdf，则★电动机的恒功率的计算转速为6000/8＝750r/min；★电动机的计算转速比额定转速低；★计算转速到额定转速区间是恒转矩调速，因而使电动机功率图产生缺口。电动机功率增加时，造成功率浪费。主轴或各传动件传递全部功率的最低转速为计算转速nj.2.3进给传动系统设计2、基本要求1）有足够的静刚度和动刚度；34lg64lglglgfnpRZ16464dpnpkpkpdpnpRRRRRR415006000dpR72）具有良好的快速响应性，做低速进给运动或微量进给时不爬行，运动平稳，灵敏度高；3）抗振性好，不会因摩擦自振而引起传动件的抖动或齿轮传动的冲击噪声；4）具有足够宽的调速范围，能实现所要求的进给量，以适应不同加工材料和刀具，满足不同零件加工要求；5）进给系统的传动精度和定位精度要高；6）结构简单，加工和装配工艺性好。调整维修方便，操纵轻便灵活。产生爬行现象的原因原因：与摩擦力特性及传动系统刚度等有关。试验表明，两个物体之间的摩擦因数随着速度的变化而变化。物体静止时的摩擦因数最大，为静摩擦因数fs，物体有相对运动时的摩擦因数，为动摩擦因数fd。○两个物体存在着液体润滑时，摩擦因数将随速度发生变化；○两个物体有相对运动时，由静摩擦因数逐渐下降为动摩擦因数，动摩擦因数随速度增加而逐渐下降；○两物体间由干摩擦转化为半干摩擦，当速度增加到一定值时，完全转化为液