页数：124页文件大小：2.15 MB来源： 机械制造装备设计ppt课件
本课件可查阅机床设计的基本要求、设计方法与步骤、总体布局的确定与主要技术参数，主传动系统的极限传动比、标准公比、转速图与结构式拟定原则，齿轮齿数与模数的确定，以及进给传动系统设计、电气伺服进给系统的方案选择与性能分析。
第一节机床总体设计
一、机床设计的基本要求
.机床的工艺范围指机床适应不同生产要求的能力。
包括：机床可完成的工序种类，所加工零件的类型、材料和尺寸范围、毛坯种类、加工精度和表面粗糙度。
如果机床的工艺范围过宽，将使机床的结构复杂，不能充分发挥机床各部件的性能；
如果机床的工艺范围较窄，可使机床结构简单，易于实现自动化，提高生产率。
通用机床都具有较宽的工艺范围；
数控机床的工艺范围比传统通用机床更宽，使其具有良好的柔性；
专用机床和专门化机床则应合理地缩小工艺范围。
.精度和刚度机床的精度分为机床本身的精度和加工精度。
为了保证机床的加工精度，要求机床具有一定的空载条件下的静态精度和动态精度。
加工精度是指被加工零件在形状、尺寸和相互位置方面所能达到的准确程度。
机床的刚度是指机床系统抵抗变形的能力。
包括：静态刚度、动态刚度、热态刚度。
.系列化、通用化、标准化程度便于机床的设计、使用与维修。
机床产品系列化是指对每一类型不同组、系的通用机床合理确定其应有那几种尺寸规格，以便以较少的品种机床来满足各类用户的需要。
提高机床零部件通用化和零件标准化程度，可以缩短设计、制造周期，降低生产成本。
.环境保护噪声损坏人的听觉器官和生理功能，是一种环境污染。
机床噪声源自：机械噪声、液压噪声、电磁噪声、空气动力噪声等四个方面。
机床噪声影响正常的工作环境，危害人的身心健康。
所以，设计机床时应尽量设法降低其噪声。
机床的油雾、粉尘和腐蚀介质等都是对人体有害的，设计时应考虑尽量避免这些有害物质向四周扩散而污染环境，避免操作者与这些有害物质直接接触而危害人体。
.其他机床的操纵必须方便、省力、易于掌握，既可提高机床的可靠性，又可减少事故，保证操作者的安全。
此外，机床的外观必须合乎时代要求，美观大方的造型和适宜的色彩，均能使操作者有舒适宜人的感觉，从而提高工作效率。
1.机床的设计方法
传统方法：理论分析、计算和试验研究相结合的设计方法。
计算机辅助设计(CAD)和计算机辅助工程(CAE)等技术，已经应用于机床设计的各个阶段。
改变了传统的设计方法，由定性设计向定量设计、可以提高机床的设计质量和设计效率。
机床的设计方法还应考虑机床的类型，如通用机床应采用系列化设计方法等。
.机床的设计步骤：
市场对机床的需求情况；
国内外同类型机床的先进技术、发展趋势和有关的科技动向等。
2总体方案设计：包括运动功能、基本参数、机床总体布局、传动系统、电气系统、液压系统、主要部件的结构草图、试验结果及技术经济综合分析等。
3技术设计：绘制机床总图、部件装配图、液压与电气装配图，并进行运动计算和动力计算，然后进行零件图设计和编写各种技术文件。
（4）整机综合评价。
三、机床的总体布局和主要技术参数
的确定（一）机床的总体布局定义：按工艺要求决定机床所需的运动，确定机床的组成部件，确定各个部件的相对运动和相对位置关系，同时也要确定操纵和控制机构在机床中的配置。
1.影响机床总体布局的基本因素2.模块化设计
.影响机床总体布局的因素(1)表面成形方法(2)机床运动的分配（图3－1）(3)工件的尺寸、质量和形状（图3－2）(4)工件的技术要求(5)生产规模和生产率(6)其它
.机床运动的分配
.模块化设计模块化设计是对具有同一功能的部件或单元(如刀架)，根据用途或性能不同，设计出多种能够互相换用的模块，让用户能根据生产需要选用，从而组合成各种通用机床、变型机床或专用机床。
（二）机床主要参数的确定
.主参数和尺寸参数机床主参数是代表机床规格大小及反映机床最大工作能力的一种参数。
通用机床的主参数通常都以机床的最大加工尺寸来表示，专用机床的主参数一般以与通用机床相对应的主参数表示。
为了更完整地表示机床的工作能力和加工范围，可在主参数后面标出第二主参数，如最大工件长度、最大跨距等。
机床尺寸参数是指机床主要结构的尺寸参数。
包括：与工件有关的尺寸参数；
与工、夹、量具有关的尺寸参数。
（2）主运动参数主运动为旋转运动时，机床的主运动参数是主轴转速n(单位为r／min)：n=1000v/πd主运动为往复直线运动时，主运动参数是刀具或工件的每分钟往复次数(单位为次／min)。
专用机床可根据特定工序实际使用的切削速度和工件(或刀具)的直径确定主轴转速，且大多数情况只需一种速度。
通用机床，为适应各种不同的加工要求，主轴应有一定的变速范围和变速方式(有级或无级变速)。
minmaxmaxminnnπdπd=1000v=1000v1）最低最低转速的确定(速度范围）minnnR=nmax变速范围2）主轴转速数列某机床的分级变速机构共有Z级，其中n1=nmin,nZ=nmax,Z级转速分别为：n1,n2,……,nj,nj+1,…nz
njnnj+1Amax=constmaxj+1A=n−njnjnnA=1−如果加工某一工件所需的最有利的切削速度为v，相应的转速为n,一般地：相对转速损失为：对于通用机床，认为每个转速的使用机会都相等的话，应使φmaxj+1nA=1−nj=1−1A=n−njn即
minZ−1Zn=nφlgφminnnR=nmax=φZ−1Z=1+lgRnnj+1=njφ任意两级转速之间的关系为机床的转速应该按等比级数分级。
公比是φ，变速范围为
标准公比和标准转速数列转速数列是递增的，规定标准公比φ<1，并规定Amax不大于50％，故1<φ≤2。标准公比见表3—1。用于自动化与半自动化机床，因为要求较高的生产率，相对转速损失要小，故φ要取小些，可取φ＝
标准公比和标准转速数列对中型通用机床，通用性较大，要求转速级数Z要多一些，但结构又不能过于复杂，常取φ＝
当选定标准公比φ之后，转速数列可从表3—2中查出。
表中给出了公比为1.06的从1～15000的数列，其它公比的数列可由此派生得到。
表3—1和表3—2均适用于转速、双行程和进给系列，也可以用于机床尺寸和功率参数等数列。
进给运动参数机床的进给运动多数是直线运动，进给量用工件或刀具每转位移表示，即mm／r；
也可以用每一往复行程的位移表示，即mm／行程。
机床进给量的变换可用无级变速（数控机床）和有级变速方法。
采用有级变速方式时，进给量一般为等比数列。
加工标准螺纹导程和刨插床的进给量是等差数列。
而用交换齿轮改变进给量大小的自动车床，其进给量就不是按一定规则排列的。
动力参数动力参数指主运动、进给运动和辅助运动的动力消耗，它主要由机床的切削载荷和驱动的工件质量决定。
对于专用机床，机床的功率可根据特定工序的切削用量计算或测定；
对于通用机床，目前单纯用计算的方法来确定功率是困难的，故通常用类比、测试和近似计算几种方法互相校核来确定。
下面介绍用近似计算的方法确定机床动力参数。
主传动功率的确定当主传动链的结构方案尚未确定时：主P切γ总P＝空主机＋PP＝P切γ·当主传动链的结构方案确定时：955000iKd平均空主P＝(n+cn）Fzv60000P＝切P主KP＝额定
进给传动功率的确定进给运动与主运动合用一个电动机，进给运动消耗功率远小于主运动。
进给运动中工作进给与快速进给合用一个电机时，由于快速电机所需功率远大于工作进给功率，且二者不同时工作，所以不必考虑工作进给所需功率。
进给传动功率的确定进给运动采用单独电动机驱动时，进给电动机功率：ffsγQν60000P=·数控机床的进给运动，伺服电动机按转矩为：电f电fnT＝9550P
二、进给传动系统设计
第二节传动系统设计
（一）主传动系统分类
与传动方式（二）必须满足的设计基本要求（三）有级变速主传动系统（四）无级变速主运动传动系统设计（五）数控机床主传动系统设计一、主传动系统设计
(一)主传动系分类
主传动系统分类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20～30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。
无级变速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。
主传动系的传动方式：
1.集中传动方式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。
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。
特点是结构紧凑，便于实现集中操纵，安装调整方便。
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。
.分离传动方式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。
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。
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。
（二）须满足的设计基本要求
1)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。
2)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。
3)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。
4)应该合理地满足机床的自动化程度和生产率的要求。
5)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。
（三）分级变速主传动系统
.转速图1)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。
2)距离相等的横直线与竖直线相交点，代表各级转速。
3)坐标取对数坐标，在相交点直接写出转速的数值。
4)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。
.转速图
转速图的基本规律1)变速系统的变速级数是各变速组传动副数的乘积。
2)机床的总变速范围Rn是各变速组变速范围的乘积。
3)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。
若要求变速系统是一个连续的等比数列，则基本组的级比等于φ，级比指数X。
＝1；
扩大组的级比φxj，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。
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、传动副数和各变速组的级比指数，一般表达式为以12级转速为例，传动方案有：12＝4×3；
12＝3×4；
12＝3×2×2；
12＝2×3×2；
12＝2×2×3。
结构式icba×.(Pi)XZ=(Pa)X×(Pb)X×(Pc)X
.各变速组的变速范围及极限传动比(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:(2)变速组的极限传动比一般限制降速的最小传动比μmin≥1／4，对升速的最大传动比μmax≤2～2.5。
这样主传动系统各变速组的变速范围限制在r＝8～10之间。
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。
Xi(Pi−1)Ri=φRn=R0R1R2.Rj
.主传动系统设计的基本原则1）传动副前多后少原则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。
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，尺寸小一些，以便降低变速箱的造价，减小变速箱的外形尺寸。
按此原则，12＝3X2X2，12＝2X3X2，12＝2X2X3，三种不同传动方案中以前者为好。
后面。
49主传动系统设计的基本原则1）传动副前多后少原则在变速级数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2～3个。
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
主传动系统设计的基本原则2）传动顺序与扩大顺序相一致的原则（前密后疏）后种方案因第一扩大组在最前面，Ⅱ轴的转速范围比前种方案大。
主传动系统设计的基本原则3）变速组的降速要前慢后快（前慢后快）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。
中间轴的最高转速不超过电动机的转速。
上述原则在设计主变速传动系时一般应该遵循。
但有时还须根据具体情况加以灵活运用。
例：拟定图示的专用车床的主传动系统的转速图。
（1）选择结构式
确定变速组的数目和各变速组中传动副的数目。
传动方案有：12＝4×3；
12＝3×4；
12＝3×2×2；
12＝2×3×2；
12＝2×2×3。
大多数专机中广泛应用滑移齿轮的变速方式。
为满足结构设计和操纵方便的要求，根据拟定转速图的第一项原则，必须采用双联和三联齿轮。
因此，12级转速就需要3个变速组，Z=3×2×2。
（1）选择结构式确定变速组的排列方案。
根据“前多后少”的原则，选择Z=3×2×2的排列。
确定变速组的扩大顺序。
根据“前密后疏”的原则，结合第4个原则Z=12＝30×21×26的方案。
mza（r456=8，u≤2），选择1min，umax
若每一个变速组的最小降速比均取为,则3个变速(2)确定是否需要增加降速的定比传动副140045该机床的主传动系统的总降速比u=31.51，4446425657降速传动。
但是，为使中间的2个变速组降速缓慢，以利于减少变速箱的径向尺寸，故在电动机轴与I轴间增加一对降速的带传动(126)。
1组的总降速比可达到1×1×1=1，故无需4增加一个
(3)根据拟定转速图第4,5项原则分配各变速组的最小传动比1)在主轴IV上标出12级转速，在电动机轴上用A点代表电动机转速no＝1440r/min;最低转速用E点标出。
因此，A、E两点连线相距11格，即代表总降速传动比。
451=1φ11总u
)决定III与IV轴之间的最小降速传动比。
主轴上的齿轮希望大一些，能起到飞轮的作用，有利于主轴运转的平稳性。
所以，最后一个变速组的最小降速传动比取极限值1/4，现公比1.41,1.414=4,因此从E点向上数4格，在III轴上找到D点，连接DE线即为III与IV轴之间的最小传动比。
(3)根据拟定转速图第4,5项原则分配各变速组的最小传动比3)决定其余变速组的最小传动比。
根据“前缓后急”的原则，轴II与III之间的变速组数2格，在轴I上找到B点，分别连接AB线、BC线、CD线，如图所示。
min60取φ，3即从D点向上数3格，在H轴上找到C=1uminφ，2=1点；
同理，轴I与II之间取u即从C点向上
)画出各变速组的传动比连线（即为射线）。根据已选定的结构式Z=12＝30×21×26,I与II轴之间为基本组，有3对齿轮传动，3条传动线（射线）在转速图上各相距一格，从C点向上每隔一格取C
)画出全部传动比连线。
如图所示为专用车床主传动转速图。
如前所述，转速图两轴之间的平行线代表同一对齿轮传动，所以画II与III轴之间的传动线时，左从C1、C2两点分别画CD、CD1的平行线，使III轴得到6种转速，同理，画III与IV轴之间的传动线时，应画6条与DE平行线和6条与DE1的平行线，使主轴得到12种转速。
结论：
此转速图的设计完全符合拟定转速图的5项原则，属于“正常传动系统”设计，主轴转速数列是按连续、不重复、不空挡的等比级数排列的。
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。
W铣床的主传动系统分析
·主轴转速范围为30～1500r／min，主轴18级转速，公比1.26。
·共三个变速组。
·主传动系统的总降速比为l／48。
·增加一对26／54的降速传动齿轮副，使中间的两个变速组降速得以缓慢一些，齿轮的径向尺寸可小一些。
的主变速1）具有多速电动机传动系设计多刀半自动车床采用双速电动缺机点，就电是动当机电变动速机范在围高速时，没有为完2，全转发速挥级其数能共力8级。。公比1.41，其结构式为电变速组作为第L扩大组，I一Ⅱ轴间的变速组为基本组，传动副数为2，Ⅱ一Ⅲ轴间变速组为第二扩大组，传动副数为2第四章机床总
）具有交换齿轮的变速传动系设计
）采用公用齿轮的传动系设计
扩大传动系变速范围的方法1.增加变速组是扩大变速范围最简便的方法。
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。
.采用背轮机构又称回曲机构.在机床上应用得较多。
设计时应注意当高速直联传动时(图例为离合器M接通)，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。
图示的背轮机构不符合上述要求。
采用小公比，不经常使用的高、低段用大公比。3.采用双公比的传动系机床在使用中，每级转速使用
.采用分支传动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。
本例主变速传动系采用分支传动方式，变速范围扩大到R。
＝1400／10＝140。
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。
.计算转速主轴能传递全部功率的最低转速，称为主轴的计算转速。
主轴的计算转速的确定必须根据不同的工作对象，由经验分析决定。
对于各类金属切削机床主轴的计算转速的确定可参阅有关书籍。
对于中间传动件（轴与传动件）的计算转速的确定也是按照上述原则，取主轴传递全部功率时，各中间传动件相应转速中最低的一级转速作为中间传动件的计算转速，即各个中间传动轴和齿轮副的计算转速，同样应是各自传递全部功率的最低转速。
现以专用车床为例，说明计算转速的求法，其转速图如图所示。
1)主轴的计算转速经分析，可采用通用机床中车床类的主轴的计算转速的公式，即12−1Z−1nj=n1φ3=(31.5×1.413)r/min=90r/min
.齿轮齿数的确定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。
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下表中选取。
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。
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。
例如图中变速组a有三个传动副，其传动比分别是：u1=1，u2=1/
确定合理的齿数和SZ。
如前所述，在具体结构允许的情况下，选用较少的齿数和为宜，本例确定SZ=72。
从上表查出三个传动副的主动齿轮齿数分别是36、30、24，则可算出三个传动副的齿轮齿数为u1=36/36，u2=30/42，u3=24/48。
.齿轮齿数的确定确定齿轮齿数时，选取合理的齿数和是很关键的。
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。
为简化工艺，变速传动系内各变速组的齿轮模数最好一样，通常不超过2～3种模数。
因此越后面的变速组的齿数和选择较大值，有助于实现上述要求。
.齿轮齿数的确定变速传动组齿数和的确定有时需经过多次反复，即初选齿数和，确定主、被动齿轮齿数，计算齿轮模数，如模数过大应增大齿数和，反之则减少齿数和。
为减少反复次数，按传递扭矩要求可先初选中心距，设定齿轮模数，再算出齿数和。
齿轮模数的设定应参考同类型机床的设计经验，如齿轮模数设定得过小，齿轮经不起冲击，易磨损；
如设定得过大，齿数和将较少，使变速组内的最小齿轮齿数小于17，产生根切现象，最小齿轮也有可能无法套装到轴上。
.齿轮齿数的确定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。
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(转速图上给定的传动比)之间的转速误差是否在允许范围之内。
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1～3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。
.变速箱内传动件的空间布置—变速箱内各传动轴的空间布置
•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3—24中的Ⅲ、v两轴。
877.变速箱内传动件的空间布置—变速箱内各传动轴的空间布置
(八)变速箱内传动件的空间布置
—变速箱内各传动轴的轴向固定
(二）无级变速主运动传动系统的设计
广泛用于数控机床、大型机床中。
92（二）无级变速主运动传动系统的设计(一)无级变速装置的分类1.变速电动机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。
在额定转速以上为恒功率变速，通常调速范围仅2～3；
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。
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。
进给变速传动中。
（二）无级变速主运动传动系统的设计2.机械无级变速装置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。
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。
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。
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
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量来实现无级变速。
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I动和自动化。
常用在主运动为直线运动的机床中，如刨床、拉床等。
无级变速主传动系设计原则（1）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。
（2）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。
主传动采用直流或交流电动机无级调速1.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。
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2～3，满足不了机床的要求；
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。
直流电动机仅在早期的数控机床上应用较多。
.交流电动机无级调速通常是通过调频进行变速。
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。
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。
(二）主轴与电动机在功率特性
上的匹配在电动机与主轴之间串联有级变速箱。
·电动机转速要在额定转速nd以上才是恒功率输出。
·主轴需要在计算转速nj以上到恒功率区，一般nd>nj.且电动机恒功率区小于主轴恒功率区。
·存在机床主轴与电动机在功率特性方面的匹配问题。
右边形成两个φ≤缺RD口P时，，称主为轴功的率功降率低特性曲线恒转矩变速要，求尤来其扩是大尖变谷速处范的围功时率，则需增加机械结构的复杂性。
有级变速箱设计φ>RDP时，主轴的功率特实性际曲设线计的中经常采用简化机缺口完全消械除结了构，，如常果在按主照轴机恒床功率区内区。
在每一档内有部保分留低一转定速宽只度能的“缺口”，并将加有级变速电箱动的机传的动额副定，功从率而选增得稍大于很小。
不符合机床的机要床求实。
际需要的最大功率。
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(三转)数，控主轴机部床件高结构速紧主凑传。
电动主设轴计为一个功能部件进行专业化生产。
一种是电采主用轴联的轴无节级将变机速床方主式轴，和多电数动厂机家轴只串提接供成变一频体和，将矢中量间控传制动两环种节选减择少。
到仅剩联轴节；
另一种电是主将轴电以动主机轴与套主筒轴外合径为为一主体要，规制格成。
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.
（一）进给传动系设计的基本要求
（二）机械进给传动系统设计的特点（三）数控机床的进给传动系统（四）伺服进给系统驱动部件（五）滚珠丝杠螺母副（六）位移检测装置（七）伺服进给系统设计要点
进给传动系设计的基本要求进给传动系的组成可采用单独电动机作为动力源；
也可以与主传动共用一个动力源。
进给传动系的变速机构是用来改变进给量大小。
常用的有交换齿轮变速、滑移齿轮变速、齿轮离合器变速、机械无级变速和伺服电动机变速等。
设计时，若几个进给运动共用一个变速机构，应将变速机构放置在运动分配机构前面。
进给传动系设计应满足的基本要求1)具有足够的静刚度和动刚度；
2)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，保证实现所要求的进给量(进给范围、数列)，以适应不同的加工材料，满足不同的零件加工要求；
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。
（二）机械进给传动
系设计的特点1)进给运动速度低、受力小、消耗功率少。
2)恒转矩传动。
在各种不同进给量的情况下，都有可能达到最大进给力。
因此，进给传动系统最后输出轴的最大转矩可近似地认为相等。
3)进给运动数目多。
不同的机床对进给运动的种类和数量要求也不相同。
进给运动越多，机床结构越复杂。
1064）进给传动系采用传动间隙消除机构对于精密机床、数控机床的进给传动系，为保证传动精度和定位精度，尤其是换向精度，要有传动间隙消除机构。
5)快速空程传动的采用快速与工进需在带负载运行中变换。
采用超越离合器、差动机构或电气伺服进给传动等。
.数控机床进给系统的组成和特点数控机床进给传动系统接受数控系统发出进给脉冲，经变换和放大后驱动工作台、刀架、主轴头架等执行件按规定的速度和距离移动。
对进给驱动部件：
线步电动（四）伺服进给系统驱动部件
1102.步进电动机步进电动机是一种用电脉冲信号进行控制，并将电脉冲信号转换成相应的角位移的控制电动机。
它的直线位移量或角位移量与电脉冲数量成正比，电动机的转速与脉冲频率成正比，通过改变脉冲的频率就可以在很大的范围内调节电动机的转速，并能快速起动，制动和反转。
选用时，应综合考虑步进电动机步矩角、最大静转矩、起动频率、运行频率以及传动比，最后选择步进电动机的规格和驱动电源。
1113.大惯量直流伺服电动机又称宽调速直流伺服电动机。
根据定子产生磁场的方式不同，可分为永磁式和他励式。
目前在数控机床上使用较多的是永磁调速直流电动机)。
直流伺服电动机自身装有位置检测元件，用于伺服进给系统时不再附加位移检测装置，就可以构成精度较高的半闭环系统。
特点：机械特性硬、转子惯量大、过载能力强、可直接驱动负载、功率较大、体积较小、重量较轻、效率高、调速范围大，低速时仍能平滑转动。
常采用可控硅调速电路和晶体管脉冲调宽调速系统(简称PWM)驱动。
1124.永磁同步交流伺服电动机交流伺服电动机按产生磁场的方式可分为：永磁式、电磁式等。
在数控机床进给驱动中大多采用的是永磁同步交流伺服电动机。
交流伺服电动机特性：机械特性软、转速范围较窄、受频率及极对数的限制、体积较大、重量较轻、效率低、功率小，若参数选择和制造工艺不良会产生自转现象，运行可靠，摩擦力矩小。
在选择伺服电动机时，要根据直流和交流这两种伺服电动机各自的特点、使用场合、控制方式、电源频率和电压波动等使用的具体情况，权衡利弊，合理选用。
（五）滚珠丝杠螺母副
又称滚动螺旋传动。
①摩擦损失小，传动效率可达0.90～0.96；
②丝杠螺母经预紧后，可以完全消除间隙，提高了传动刚度；
③静、动摩擦因数差异很小，运动灵敏度高，不易产生爬行；
④不能自锁，运动具有可逆性，丝杠垂直安置时，通常应采取安全制动措施。
滚珠丝杠螺母副数控机床上常采用两个螺母的滚珠丝杠螺母副，通过使两个螺母产生轴向相对位移，以消除与丝杠之间的间隙，并产生预紧力。
调整轴向间隙的方法有：螺纹调隙式、垫片调隙式、齿差调隙式。
其中齿差调隙式应用较多。
滚珠丝杠螺母副滚珠丝杠主要承受轴向载荷，因此对丝杠轴承的轴向精度和刚度要求较高，常采用角接触球轴承或双向推力圆柱滚子轴承与滚针轴承的组合轴承方式。
（六）位移检测装置
1)主要作用是检测运动部件的位移量，应满足以下要求：①工作可靠，抗干扰能力强，受温度和湿度等环境因素的影响小；
②在机床执行件移动范围内，能满足精度和速度的要求；
③使用维修方便，成本低。
2)位移检测装置工作方式有：①数字式和模拟式；
②增量式测量和绝对式测量；
③直接式和间接式。
3)光栅传感器有长光栅和圆光栅两类。
长光栅用于长度或直线位移测量，圆光栅用于角度或转角位移测量。
（七）伺服进给系统设计要点
（2）闭环系统在闭环系统中，使用位移测量元件测量机床执行部件的移(转)动量，将执行部件的实际移(转)动量和控制量进行比较，比较后的差值用信号反馈给控制系统，对执行部件的移(转)动进行补偿，直至差值为零。
可消除整个系统的误差、间隙和失动，系统比较复杂，安装、调整和测试比较麻烦，成本高，用于精密型数控机床上。
（3）半闭环系统检测元件不是直接安装在执行部件上，而是安装在进给传动系中间部位的旋转部件,称之为半闭环系统.半闭环系统的精度比闭环差。
由于惯性较大的工作台在闭环之外，系统稳定性较好。
与闭环相比，半闭环系统结构简单，调整容易，价格低，所以应用较多。
承的刚度；
④移动件的摩擦。
2.影响伺服系统性能的因素1)传动间隙的影响：传动间隙主要是由进给传动链中的齿轮副、丝杠螺母副、联轴器等产生。
传动间隙影响系统的动态特性和加工精度。
在设计时应合理选用各种消隙装置。
2)系统的伺服刚度。
执行件实际位置与指令位置有偏差，伺服电动机提供一定的输出转矩纠正这种偏差，这个转矩与偏差之比称为系统的伺服刚度。
伺服刚度对于数控机床动态特性和定位精度影响较大。
3)系统的传动刚度。
系统的传动刚度是整个系统折算到执行件上的当量刚度。
对于大多数数控机床而言，该当量刚度主要取决于系统的最后传动机构，即滚珠丝杠螺母机构的传动刚度：①传动副的刚度；
②丝杠的刚度；
③支
1213.最佳降速比确定：
传动副的最佳降速比应按最大加速能力和最小惯量的要求确定，以降低机械传动部件的惯量。
uαSoδ=
.伺服电动机的选择及负载计算1)惯量匹配。
指电动机的转动惯量应与折算到电动机轴上的全部负载惯量有一合理的比例关系。
根据有关资料推荐，应满足关系式：≤10.25≤MLJJ·2)负载转矩计算。
在伺服进给系统中，空载快速起动的加速度很大，由此产生的快速空载转矩比切削负载转矩大得多，因此，伺服电动机所需转矩通常是用快速空载起动时所需的转矩来计算：122T=Ta+Tf+To
思考题：
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