机电装备设计(2)

第二章机电装备传动系统设计机电装备传动系统按其功用和驱动电动机的不同，分为○主传动系统(CuttingTransmission)；○普通进给传动系统（FeedingTransmission)；○伺服驱动进给传动系统(ServoFeedingTransmission)本节内容为：2.1主传动系统设计2.1.1基本要求2.1.2分类和布局形式2.1.3有级变速主传动系统设计2.1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。1）满足机电装备使用性能要求；运动特性、调速范围、加工精度、传动系统应设计合理、操纵方便、灵活、安全可靠。2）满足机电装备传递动力要求；主电机和各传动件能提供并传递高效率的功率和转矩。3）具有足够的精度和刚度，传动平稳；4）具有足够的抗振性和热稳定性，噪声低；5）满足产品设计经济性的要求；传动链尽可能短，零件数要少，节省材料，降低成本。6）调整维修方便，结构简单、合理，工艺性好，防护性能好。2.1.1基本要求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。普通卧式车床主传动布局图2）分离传动式有些高速、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。主轴背轮机构CM6132型精密卧式车床的传动系统图优点：●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。)(9550mNnPT□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。2.1.3有级变速主传动系统设计◇根据已确定的主传动系统的运动参数，合理地排列转速数列；◇拟定结构式、转速图；◇分配各变速组中传动副的传动比；◇确定齿轮齿数和带轮直径等；◇绘制主传动系统图。设计任务：1、转速数列的设计1）转速的合理排列方式分析所设计机床可能进行的工序，从中选择要求最高、最低转速的典型工序，按照典型工序刀具、工件材料、切削速度和刀具(或工件)的直径，计算出nmax、nmin及变速范围Rn。minmaxmaxminminminmaxmax,1000,1000nnRdvndvnn主轴转速是按等比级数排列的，其公比为φ，各级转速为等比级数排列优点：●使转速范围内的转速相对损失均匀；加工工序所要求的合理转速为n，在机床的Z级转速中没有这级转速n。n落在nj和nj+1之间，即nj＜n＜nj+1。采用nj+1比n转速高，高的切削速度会使刀具耐用度下降。为不降低刀具耐用度，一般选用nj，造成转速损失为n-nj，相对转速损失率为111max11jjjjjjjjnnnnnAnnnnnnA对转速损失率为使用转速，其最大相时，当在直径、进给、切深不变的情况下，转速损失反映了生产率的损失。对普通机床，如果每级转速的使用机会都相等，应使Amax为一定值，即jjjjjnnCnnCnnnA111为任意两级转速之间关系或●简化变速传动系统的设计按等比级数排列的主轴转速，便于用若干滑移齿轮串联来实现。当每一滑移齿轮组的各传动比是等比数列时，各级传动比的乘积，即主轴转速也是等比数列。2）公比φ的标准值和标准转速数列公比φ标准值遵循的原则：☆转速由nmin至nmax递增，1＜φ。为限制最大相对转速损失率不超过50％，故1＜φ＜2。☆为便于采用双速或多速电动机驱动，简化机床的变速机构应满足22E双速电动机的两个转速的比值通常为2，如3000／1500或3000／1500／750等。☆为便于设计和使用机床希望转速数列是十进位的，则应满足下式的关系110E我国机床专业标准规定了七个标准公比，如表2-1，其中1.06、1.12、1.26符合上述三条原则，其余四个标准公比只是10或2的正整数次方。3)公比的选用φ值小则相对转速损失小，但当变速范围一定时变速级数将增多，结构复杂。○通用机床，为使转速损失不大，机床结构又不过于复杂，一般取φ=1.26或1.41；○对于大批生产用的专用机床，专门化机床及自动机，取φ＝1.12或1.26，因其生产率高，转速损失影响较大，且又不经常变速，用交换齿轮变速，不会使结构复杂；○非自动化小型机床，加工中切削时间远小于辅助时间，转速损失大些影响不大，取φ＝1.58、1.78甚至2。4）由等比级数规律可知变速范围Rn、公比φ和级数Z的关系lg)1(lg1minmaxZRnnRnZn写成对数形式为，上式给出了Rn、φ和Z三者的关系，已知任意两个可求第三个，由公式求出的φ和Z，应圆整为标准数和整数。lg)1(lg1minmaxZRnnRnZn写成对数形式为，2、转速图和结构式1）转速图卧式车床传动系统图变速组C1400r/min100071050035525018012590634531.5电ⅠⅡⅢⅣ1440r/min126:25636:3624:4830:4242:4222:6260:3018:72转速图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。1400r/min100071050035525018012590634531.5电ⅠⅡⅢⅣ1440r/min126:25636:3624:4830:4242:4222:6260:3018:72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；●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1400r/min100071050035525018012590634531.5电ⅠⅡⅢⅣ1440r/min126:25636:3624:4830:4242:4222:6260:3018:72◆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。转速图可表示：1400r/min100071050035525018012590634531.5电ⅠⅡⅢⅣ1440r/min126:25636:3624:4830:4242:4222:6260:3018:722）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。ixx2x1x0△上例的(31)即为基本组；△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