智能制造裝備設計與故障診斷課件第2章-數控機床設計基礎

智能制造裝備設計與故障診斷第2章數控機床設計基礎CONTENTS章節(jié)目錄2.2數控機床的總體設計數控機床概述2.12.3數控機床主傳動系統(tǒng)設計2.4數控機床伺服進給傳動系統(tǒng)設計導讀基本內容：數控機床作為工業(yè)之母，也作為我國智能制造的重點發(fā)展裝備，其設計理論和方法自然具有舉足輕重的作用。本章重點對數控機床的設計基礎進行了討論。首先對數控機床的基本概念進行了討論，比如數控機床的組成、工作過程、類型等；其次結合數控機床設計的基本要求，介紹了數控機床的總體設計方案；然后對數控機床兩個最主要的系統(tǒng)設計進行了詳細討論，分別是數控機床的主傳動系統(tǒng)設計和數控機床的進給傳動系統(tǒng)設計。學習要點：了解數控機床的工作過程、分類和基本要求；了解數控的基本設計理論，如零件表面的成形方法及機床的運動、機床原理圖等；掌握數控機床的總體方案設計、數控機床的主傳動2.1One數控機床概述2.1.1數控機床的組成2.1.1數控機床的組成1.信息載體信息載體（控制介質）的作用是將被加工零件的加工信息，按照既定的格式和代碼存儲在某一個載體上，然后通過該載體將零件加工信息輸入到數控裝置中進行加工。零件的加工信息通常包括零件的幾何信息、工藝信息、位置信息等等。而常用的信息載體有穿孔卡、穿孔帶、磁盤、磁帶等等。此外，數控裝置上往往帶有操作面板，也可通過該操作面板直接輸入零件的各個加工參數；其次，在計算機上編寫的加工程序也可通過串行口輸入到數控裝置中控制加工。高檔的數控系統(tǒng)可能還包含一套自動編程機或者CAD/CAM系統(tǒng)，由這些設備實現(xiàn)編制程序、輸入程序、輸入數據及顯示、模擬顯示、存儲和打印等功能。2.1.1數控機床的組成2.計算機數控系統(tǒng)計算機數控系統(tǒng)是數控裝置中的一種。數控裝置可分為普通數控系統(tǒng)和計算機數控系統(tǒng)。對于高檔數控機床，一般均采用計算數控系統(tǒng)。計算機數控系統(tǒng)的工作過程是：在其接受到信息載體輸入的加工信息以后，計算機數控系統(tǒng)對這些加工信息進行處理（編譯、運算、邏輯處理等），將處理后的結果形成輸出信號傳送到伺服控制系統(tǒng)，由伺服系統(tǒng)控制執(zhí)行機構進行零件的加工。其中，輸出的信號內容涵蓋了零件加工所需的所有信息，如進給速度、進給方向、位移量、主軸變速、主軸換向、主軸啟停、選刀換刀指令、冷卻液啟停、夾具松開和夾緊、分度臺轉位等各類信息。數控裝置通常由輸入裝置、控制器、運算器和輸出裝置等組成。2.1.1數控機床的組成3.伺服系統(tǒng)伺服系統(tǒng)的主要作用是接收來自計算機數控系統(tǒng)的指令信號（通常為脈沖信號），并通過伺服驅動元件控制執(zhí)行機構執(zhí)行指令信號，以完成零件加工的目的。4.機床本體機床本體即數控機床的機械部件，一方面起到支撐、受力、減振、輔助安裝等作用，另一方面接收伺服系統(tǒng)的控制，完成零件的加工，是零件加工的執(zhí)行者。2.1.1數控機床的組成5.測量反饋裝置測量反饋裝置的主要作用是在零件加工的過程中，實時檢測各執(zhí)行部件的速度、位移等信息，并將檢測的結果反饋到計算機數控系統(tǒng)中，并與理論上輸入的速度和位移等參數進行比較，并實時修正執(zhí)行部件的運動誤差，提高零件加工精度的目的。測量反饋裝置，又稱位置反饋裝置，若數控機床無測量反饋裝置，稱為開環(huán)控制系統(tǒng)；若測量反饋裝置安裝在伺服系統(tǒng)之后，執(zhí)行部件之前，稱為半閉環(huán)控制系統(tǒng)；若測量反饋裝置直接對最終的執(zhí)行部件進行檢測并反饋，稱為閉環(huán)控制系統(tǒng)。顯然閉環(huán)控制系統(tǒng)的檢測精度最高，但結構也最為復雜，成本相對較高。測量反饋裝置中，根據測量對象和測量目的的不同，需采用不同的測量部件，如脈沖編碼器、旋轉變壓器、感應同步器、光柵和磁尺等。2.1.2數控機床的工作過程數控機床的工作過程如圖2-2所示。2.1.3數控機床的類型數控機床的品種齊全、規(guī)格繁多，可按照不同角度進行分類，本書從數控系統(tǒng)的運動方式和控制方式兩個角度進行分類討論。1.按運動方式分類按運動方式分類是指根據數控系統(tǒng)的運動方式的不同來分類，可分為點位控制數控機床、直線控制數控機床和輪廓控制數控機床。（1）點位控制數控機床采用點位控制系統(tǒng)的機床稱為點位控制數控機床。點位控制系統(tǒng)是指數控系統(tǒng)僅能實現(xiàn)刀具相對于工件從一點到另一點的精確定位運動，對軌跡不作控制要求，且運動過程中不進行任何加工。2.1.3數控機床的類型（2）直線控制數控機床采用點位直線控制系統(tǒng)的機床稱為直線控制數控機床。點位直線控制系統(tǒng)是指數控系統(tǒng)不僅精確的控制刀具或工作臺從一個點運動到另外一個點，同時還能保證該運動為直線運動，同時與點位控制系統(tǒng)不同的是，移動部件在移動過程中進行切削。應用這類控制系統(tǒng)的有數控車床、數控鉆床和數控銑床等。圖2-4所示為數控銑床加工示意圖。圖2-4數控銑床加工示意圖刀具在加工2.1.3數控機床的類型（3）輪廓控制數控機床采用輪廓控制系統(tǒng)（也稱連續(xù)控制系統(tǒng)）的數控機床稱為輪廓控制數控機床。輪廓控制系統(tǒng)是指數控系統(tǒng)既能夠精確的控制刀具或工作臺從一個點運動到另一個點，同時還能控制在運動過程中的速度和位移，且運動的軌跡不再僅僅是直線，而是具有一定形狀的輪廓曲線。應用這類控制系統(tǒng)的有數控車床、數控銑床、數控齒輪加工機床和加工中心等等。如圖2-5所示為輪廓控制系統(tǒng)加工示意圖。2.1.3數控機床的類型2.按控制方式分類按控制方式分類是指根據數控機床有無反饋裝置，且按照反饋裝置位置的不同來進行分類，可分為開環(huán)控制數控機床，閉環(huán)控制數控機床和半閉環(huán)控制數控機床。（1）開環(huán)控制數控機床2.1.3數控機床的類型2.按控制方式分類按控制方式分類是指根據數控機床有無反饋裝置，且按照反饋裝置位置的不同來進行分類，可分為開環(huán)控制數控機床，閉環(huán)控制數控機床和半閉環(huán)控制數控機床。（2）半閉環(huán)控制數控機床2.1.3數控機床的類型2.按控制方式分類按控制方式分類是指根據數控機床有無反饋裝置，且按照反饋裝置位置的不同來進行分類，可分為開環(huán)控制數控機床，閉環(huán)控制數控機床和半閉環(huán)控制數控機床。（3）閉環(huán)控制數控機床2.1.4數控機床設計的基本要求在許多場合，普通機床的結構形式、設計計算方法仍適用于數控機床。1.安全可靠2.剛性好3.精度高4.熱變形小5.振動小6.噪音小7.低速平穩(wěn)性2.2One數控機床的總體設計2.2.1機床設計的基本理論1.零件表面的成形方法及機床的運動（1）工作原理機床是依靠刀具與工件之間的相對運動，加工出一定幾何形狀和尺寸精度的工件表面。不同的工件幾何表面，往往需要采用不同類型的刀具，做不同的表面形成運動，而成為不同類型的機床。例如，車床為獲得圓柱面，應有主軸回轉運動(主運動)和刀架溜板的縱向移動(進給運動)，車端面時則刀架做橫向進給運動。因此，要進行機床的幾何運動設計需要先了解工件表面形成的幾何方法。2.2.1機床設計的基本理論（2）工件表面的形成方法1）幾何表面的形成。2.2.1機床設計的基本理論（2）工件表面的形成方法2）發(fā)生線的形成。在切削加工中，由于所使用刀具的切削刃的形狀和采用的加工方法不同，形成生成線的方法也不同。一般可歸納為4種方法，分別是：軌跡法、成形法、相切法和展成法。加工表面的形成方法是母線形成方法和導線形成方法的組合。因此，加工表面形成所需要的刀具與工件之間的相對運動也是形成母線和導線所需相對運動的組合。2.2.1機床設計的基本理論（3）機床的運動不同的工藝方法所要求的機床運動軌跡的類型和數量是不同的。機床的運動可按下面的方法進行分類。1）按功用分?？煞譃楸砻娉尚芜\動和非表面成形運動。表面成形運動又可分為主運動和進給運動。2）按組成分?？煞譃楹唵芜\動和復合運動。所謂簡單運動，是指最容易得到的運動，一般把旋轉運動和直線運動稱為簡單運動。但是，對于復雜的生成線，比如螺旋線的生成，就需要兩個簡單運動的組合，一般是工件的旋轉運動和刀具的縱向進給運動，這樣的運動就稱為復合的表面成形運動，或簡稱復合成形運動。2.2.1機床設計的基本理論2.2.1機床設計的基本理論（3）機床的運動不同的工藝方法所要求的機床運動軌跡的類型和數量是不同的。機床的運動可按下面的方法進行分類。1）按功用分?？煞譃楸砻娉尚芜\動和非表面成形運動。表面成形運動又可分為主運動和進給運動。2）按組成分?？煞譃楹唵芜\動和復合運動。所謂簡單運動，是指最容易得到的運動，一般把旋轉運動和直線運動稱為簡單運動。但是，對于復雜的生成線，比如螺旋線的生成，就需要兩個簡單運動的組合，一般是工件的旋轉運動和刀具的縱向進給運動，這樣的運動就稱為復合的表面成形運動，或簡稱復合成形運動。2.2.1機床設計的基本理論2.機床運動原理圖圖2-11是車床的運動原理圖。回轉運動Cp為主運動，直線運動Zf和Xf為進給運動。對于一般的車床，Cp僅為主運動；對于有螺紋加工功能或有加工非圓回轉面（如橢圓面）功能的數控車床，則Cp一方面為主運動，另一方面Cp可與Zf組成復合運動進行螺紋加工，或Cp可與Xf組成復合運動進行非圓回轉面加工，稱這類數控車床具有軸功能。2.2.1機床設計的基本理論3.機床的傳動原理圖（1）機床的傳動聯(lián)系一般的，機床由運動源、傳動裝置和執(zhí)行件三個部分組成。執(zhí)行件是指執(zhí)行機床運動的部件，如主軸、刀架、工作臺等；運動源是為執(zhí)行件提供運動和動力的裝置，如交流異步電動機、直流電動機、步進電機等；傳動裝置是傳遞運動和動力的裝置，通過它把執(zhí)行件和運動源，或者把一個執(zhí)行件和另一個執(zhí)行件聯(lián)系起來，使執(zhí)行件獲得一定的速度和方向的運動，并使有關執(zhí)行件之間保持某種確定的運動關系。機床的傳動裝置有機械、液壓、電氣、氣壓等多種形式。2.2.1機床設計的基本理論根據傳動聯(lián)系的性質，傳動鏈可以分為外聯(lián)系傳動鏈和內聯(lián)系傳動鏈兩類。1）外聯(lián)系傳動鏈。它是聯(lián)系運動源(如電動機)和機床執(zhí)行件(如主軸、刀架、工作臺等)的傳動鏈，使執(zhí)行件得到運動，而且能改變運動的速度和方向，但不要求運動源和執(zhí)行件之間有嚴格的傳動比關系。2）內聯(lián)系傳動鏈。當表面成型運動為復合的成型運動時，它是由保持嚴格的相對運動關系的幾個單元運動(旋轉或直線運動)所組成的。為完成復合的成型運動，必須由傳動鏈把實現(xiàn)這些單元運動的執(zhí)行件與執(zhí)行件之間聯(lián)系起來，并使其保持確定的運動關系，這種傳動鏈叫做內聯(lián)系傳動鏈。2.2.1機床設計的基本理論（2）傳動原理圖機床的運動原理圖只表示運動的個數、形式、功能及排列順序，不表示運動之間的傳動關系。若將動力源與執(zhí)行件、不同執(zhí)行件之間的運動及傳動關系同時表示出來，就是傳動原理圖。2.2.1機床設計的基本理論2.2.2機床總體結構方案設計1.數控機床總體布局在采用數控機床加工零件時，對于不同表面形狀的工件，往往需采用不同類型的刀具，分配不同的表面成形運動，因此就產生了不同類型的數控機床。數控機床的總體布局對制造和使用都有很大的影響，在該階段的主要作用是得到機床的總體結構布局形態(tài)。2.2.2

機床總體結構方案設計（1）總體布局與工件形狀、尺寸和重量的關系（2）運動分配與部件的布局2.2.2

機床總體結構方案設計（3）總體布局與機床的結構性能2.2.2

機床總體結構方案設計（4）機床的使用要求與總體布局數控機床在裝卸工件和刀具(加工中心可以自動裝卸刀具)、清理切屑、觀察加工情況和調整等輔助工作時，還得由操作者來完成。因此，在考慮數控機床總體布局時，除遵循布局的一般原則外，還應該考慮在使用方面的特定要求，例如：數控機床各操作按鈕的布置位置要便于操作、數控機床的刀具和工件要易于拆裝以及機床的結構布局要便于排屑等等。2.2.2

機床總體結構方案設計2.2.2機床總體結構方案設計2.機床總體結構的概略形狀和尺寸設計其設計過程大致如下：1）首先確定末端執(zhí)行件的概略形狀與尺寸。2）設計末端執(zhí)行件與其相鄰的下一個功能部件的結合部的形式、概略尺寸。若為運動導軌結合部，則執(zhí)行件一側相當于滑臺，相鄰部件一側相當于滑座，考慮導軌結合部的剛度及導向精度，選擇并確定導軌的類型及尺寸。3）根據導軌結合部的設計結果和該運動的行程尺寸，同時考慮部件的剛度要求，確定下一個功能部件（即滑臺側）的概略形狀與尺寸。4）重復上述過程，直到基礎支承件（底座、立柱、床身等）設計完畢。5）若要進行機床結構模塊設計，則可將功能部件細分成子部件，根據制造廠的產品規(guī)劃，進行模塊提取與設置。6）初步進行造型與色彩設計。7）機床總體結構方案的綜合評價。2.2.3機床主要參數的設計機床的主要技術參數包括機床的主參數和基本參數，基本參數可包括尺寸參數、運動參數及動力參數。1.主參數和尺寸參數機床主參數是代表機床規(guī)格大小及反映機床最大工作能力的一種參數，為了更完整地表示機床的工作能力和工作范圍，有些機床還規(guī)定有第二主參數，見GB/T15375—94《金屬切削機床型號編制方法》。通用機床主參數已有標準，根據用戶需要選用相應數值即可，而專用機床的主參數，一般以加工零件或被加工面的尺寸參數來表示。2.2.3機床主要參數的設計2.2.3機床主要參數的設計2.2.3機床主要參數的設計2.2.3機床主要參數的設計3）標準公比和標準數列。2.2.3機床主要參數的設計3）標準公比和標準數列。2.2.3機床主要參數的設計2.2.3機床主要參數的設計2.2.3機床主要參數的設計（2）進給運動參數大部分機床的進給量用工件或刀具每轉的位移量表示，單位為mm/r，如車床、鉆床、鏜床、滾齒機等。直線往復運動的機床，如刨、插床，以每一往復的位移表示。對于銑床和磨床，由于使用的是多刃刀具，進給量常以每分鐘的位移量表示，單位為mm/min。數控機床的進給量通常采用電動機無極變速的方式實現(xiàn)。而普通機床則既有機械無極變速方式，又有機械有級變速方式。在采用有級變速時，對于進給量的變化只影響生產率的機床，為使相對損失為一定值，進給量的數列一般取等比數列。2.2.3機床主要參數的設計3.動力參數機床的動力參數較多，包括電動機的功率、液壓缸的牽引力、液壓馬達或步進電動機的額定轉矩等。機床各傳動件的結構參數（軸或絲杠的直徑、齒輪及蝸輪的模數、傳動帶的類型等）都是根據動力參數設計計算的。動力參數既不能太大也不能調小，由于通用機床的使用情況相當復雜，切削力和進給力的規(guī)律研究不夠等原因，現(xiàn)階段動力參數的確定方法還未完全成熟，由于篇幅有限，本書僅對主傳動電動機的功率、進給驅動電動機的功率和快速運動電動機的功率采用計算的方法加以討論。2.2.3機床主要參數的設計2.2.3機床主要參數的設計（2）進給驅動電動機功率的確定機床進給運動驅動源可分成如下幾種情況：1）進給運動與主運動合用一個電動機。2）進給運動中工作進給與快速進給合用一個電動機時，由于快速進給所需功率遠大于工作進給的功率，且兩者不同時工作，所以不必單獨考慮工作進給所需功率。3）進給運動采用單獨電動機驅動，則需要確定進給運動所需功率(或轉矩)。2.2.3機床主要參數的設計（3）快速運動電動機功率的確定2.3One數控機床主傳動系統(tǒng)設計2.3.1概述主傳動系統(tǒng)的設計要求如下：1）主軸具有一定的轉速和足夠的轉速范圍、轉速級數，能夠實現(xiàn)運動的開停、變速、換向和制動，以滿足機床的運動要求。2）主電動機具有足夠的功率，全部機構和元件具有足夠的強度和剛度，以滿足機床的動力要求。3）主傳動的有關結構，特別是主軸組件要有足夠高的精度、抗振性，熱變形和噪聲要小，傳動效率要高，以滿足機床的工作性能要求。4）操縱靈活可靠，調整維修方便，潤滑密封良好，以滿足機床的使用要求。5）結構簡單緊湊，工藝性好，成本低，以滿足經濟性要求。2.3.2無級變速主傳動系統(tǒng)1.無級變速裝置的分類無級變速是指在一定范圍內，轉速（或速度）能連續(xù)地變換，從而獲取最有利的切削速度。機床主傳動中常采用的無級變速裝置有三大類：變速電動機、機械無級變速裝置和液壓無級變速裝置。（1）變速電動機機床上常用的變速電動機有直流電動機和交流變頻電動機，在額定轉速以上為恒功率變速，通常調速范圍僅為2?3；額定轉速以下為恒轉矩變速，調整范圍很大，可達30甚至更大。上述功率和轉矩特性一般不能滿足機床的使用要求。為了擴大恒功率調速范圍，在變速電動機和主軸之間串聯(lián)一個分級變速箱。廣泛用于數控機床、大型機床中。2.3.2無級變速主傳動系統(tǒng)（2）機械無級變速裝置機械無級變速裝置有柯普(Koop)型、行星錐輪型、分離錐輪鋼環(huán)型和寬帶型等多種結構，它們都是利用摩擦力來傳遞轉矩，通過連續(xù)地改變摩擦傳動副工作半徑來實現(xiàn)無級變速。由于它的變速范圍小，多數是恒轉矩傳動，通常較少單獨使用，而是與分級變速機構串聯(lián)使用，以擴大變速范圍。機械無級變速器應用于要求功率和變速范圍較小的中小型車床、銑床等機床的主傳動中，更多地是用于進給變速傳動中。（3）液壓無級變速裝置液壓無級變速裝置通過改變單位時間內輸入液壓缸或液動機中液體的油量來實現(xiàn)無級變速。它的特點是變速范圍較大、變速方便、傳動平穩(wěn)、運動換向時沖擊小、易于實現(xiàn)直線運動和自動化。常用在主運動為直線運動的機床中，如刨床、拉床等。2.3.2無級變速主傳動系統(tǒng)2.電動機無級調速的配置方式目前主流的數控機床主傳動系統(tǒng)多采用電動機無極調速的方式，為了擴大恒功率調速范圍，在變速電動機和主軸之間串聯(lián)一個分級變速箱，總體上主要有四種配置方式，如圖2-17所示。（1）帶有變速齒輪的主傳動大、中型數控機床采用這種變速方式。如圖2-17a）所示，通過少數幾對齒輪降速，擴大輸出轉矩，以滿足主軸低速時對輸出轉矩特性的要求。數控機床在交流或直流電動機無級變速的基礎上配以齒輪變速，使之成為分段無級變速?；讫X輪的移位大都采用液壓缸加撥叉，或者直接由液壓缸帶動齒輪來實現(xiàn)。2.3.2無級變速主傳動系統(tǒng)（2）通過帶傳動的主傳動如圖2-17b）所示，這種傳動主要應用在轉速較高、變速范圍不大的機床。電動機本身的調速就能夠滿足要求，不用齒輪變速，可以避免齒輪傳動引起的振動與噪聲。它適用于高速、低轉矩特性要求的主軸。常用的是V帶和同步齒形帶。（3）用兩個電動機分別驅動如圖2-17c）所示，這是上述兩種方式的混合傳動，具有上述兩種性能。高速時電動機通過帶輪直接驅動主軸旋轉；低速時，另一個電動機通過兩級齒輪傳動驅動主軸旋轉，齒輪起到降速和擴大變速范圍的作用，這樣就使恒功率區(qū)增大，擴大了變速范圍，克服了低速時轉矩不夠且電動機功率不能充分利用的缺陷。2.3.2無級變速主傳動系統(tǒng)（4）內裝電動機主軸傳動結構如圖2-17d）所示，這種主傳動方式大大簡化了主軸箱體與主軸的結構，有效地提高了主軸部件的剛度，但主軸輸出轉矩小，電動機發(fā)熱對主軸影響較大。2.3.3主傳動系統(tǒng)變速方案設計1.調速電動機的選擇及其功率和轉矩特性數控機床上常用的無級變速機構為直流或交流調速電動機。（1）直流電動機直流電動機從額定轉速nd向上至最高轉速nmax，是用調節(jié)磁場電流(簡稱調磁)的辦法來調速的，屬于恒功率；從額定轉速nd向下至最低轉速nmin，是用調節(jié)電樞電壓(簡稱調壓)的辦法來調速的，屬恒轉矩。一般直流電動機恒轉矩調速范圍較大，達30，甚至更大；而恒功率調速范圍小，一般在2~3之間，滿足不了現(xiàn)代數控機床的要求；在高轉速范圍要進一步提高轉速，就必須加大勵磁電流，將引起電刷產生火花，限制了電動機的最高轉速和調速范圍。因此，直流電動機僅在早期的數控機床上應用較多。2.3.3主傳動系統(tǒng)變速方案設計（2）交流電動機交流調速電動機靠調節(jié)供電頻率的辦法調速。因此常稱為調頻主軸電動機。通常，額定轉速向上至最高轉速nmax為恒功率，調速范圍為3~5；額定轉速nd至最低轉速nmin為恒轉矩，調速范圍為幾十甚至超過一百。直流和交流調速電動機的功率轉矩特性見圖2-18。2.3.3主傳動系統(tǒng)變速方案設計2.電動機和主軸功率特性的匹配設計在設計數控機床主傳動時，必須考慮電動機與機床主軸功率特性匹配問題。由于主軸要求的恒功率變速范圍Rnp遠大于電動機的恒功率變速范圍Rdp，所以在電動機與主軸之間要串聯(lián)一個分級變速箱，以擴大其恒功率調速范圍，滿足低速大功率切削時對電動機的輸出功率的要求。在設計分級變速箱時，考慮機床結構復雜程度、運轉平穩(wěn)性要求等因素，變速箱公比的選取有下列三種情況：2.3.3主傳動系統(tǒng)變速方案設計2.3.3主傳動系統(tǒng)變速方案設計2.3.3主傳動系統(tǒng)變速方案設計2.3.4主軸轉速的自動變換在采用調速電動機的主傳動無級變速系統(tǒng)中，主軸的正、反啟動與停止制動是直接控制電動機來實現(xiàn)的，主軸轉速的變換則由電動機轉速的變換與分擋變速機構的變換相配合來實現(xiàn)。由于主軸轉速的二位S代碼最多只有99種，即使是使用四位S代碼直接指定主軸轉速也只能按一轉遞增，而且分級越多指令信號的個數越多，則越難于實現(xiàn)。因此，實際上將主軸轉速按等比數列分成若干級，根據主軸轉速的S代碼發(fā)出相應的有級級數與電動機的調速信號來實現(xiàn)主軸的主動換速。電動機的驅動信號由電動機的驅動電路根據轉速指令信號來轉換。齒輪有級變速則采用液壓撥叉或電磁離合器實現(xiàn)。2.3.5主傳動系統(tǒng)的結構設計1.變速機構大多數機床的主運動都要進行變速，變速方式分為分級變速和無級變速。分級變速機構有下列幾種。（1）交換齒輪變速機構這種變速機構的變速簡單，結構緊湊，主要用于大批量生產的自動或半自動機床、專用機床及組合機床等。（2）滑移齒輪變速機構這種變速機構廣泛應用于通用機床和一部分專用機床中。2.3.5主傳動系統(tǒng)的結構設計（3）離合器變速傳動在離合器變速機構中應用較多的有牙嵌式離合器、齒輪式離合器和摩擦片式離合器。當變速機構為斜齒或人字齒圓柱齒輪時，不便于采用滑移齒輪變速，則應用牙嵌式或齒輪式離合器變速。摩擦片式離合器可以是機械的、電磁的或液壓的，特點是可在運轉過程中變速，接合平穩(wěn)沖擊小，便于實現(xiàn)自動化。采用摩擦離合器變速時，為減小離合器的尺寸，應盡可能將離合器安排在轉速較高的傳動軸上，而且要防止出現(xiàn)超速現(xiàn)象。2.3.5主傳動系統(tǒng)的結構設計2.齒輪在軸上的布置齒輪的布置方式，直接影響到變速箱的尺寸、變速操縱的方便性以及結構實現(xiàn)的可能性，設計時，要根據具體要求，合理加以布置。在變速傳動組內，盡量以較小的齒輪為滑移齒輪，使得操縱省力。在同一個變速組內，須保證當一對齒輪完全脫開嚙合之后，另一對齒輪才能開始進入嚙合，即兩個固定齒輪的間距，應大于滑移齒輪的寬度。2.3.5主傳動系統(tǒng)的結構設計2.3.6現(xiàn)代數控機床主傳動系統(tǒng)設計1.數控機床高速主傳動設計2.3.6現(xiàn)代數控機床主傳動系統(tǒng)設計2.數控機床的柔性化、復合化設計2.3.6現(xiàn)代數控機床主傳動系統(tǒng)設計3.并聯(lián)（虛擬軸）機床設計2.4One數控機床伺服進給傳動系統(tǒng)設計2.4.1概述1.伺服進給系統(tǒng)的特點數控進給伺服系統(tǒng)按有無位置檢測和反饋進行分類，可分為開環(huán)伺服系統(tǒng)和閉環(huán)伺服系統(tǒng)。開環(huán)系統(tǒng)的精度較差，但結構簡單、易于調整，在精度不太高的場合中仍得到較廣泛的應用，如機床改造等。閉環(huán)系統(tǒng)通過直接測量工作臺等移動部件的位移從而實現(xiàn)精度高的反饋控制。對部分數控機床來說，其檢測反饋信號是從伺服電動機軸或滾珠絲杠上取得的，稱為半閉環(huán)系統(tǒng)。相比于閉環(huán)系統(tǒng)，半閉環(huán)系統(tǒng)中的轉角測量就比較容易實現(xiàn)，但由于后繼傳動鏈傳動誤差的影響，測量補償精度比閉環(huán)系統(tǒng)差。半閉環(huán)系統(tǒng)由于系統(tǒng)簡單而且調整方便，現(xiàn)在已廣泛地應用在數控機床上。2.4.1概述2.伺服進給系統(tǒng)設計的基本要求1）精度要求。2）響應速度。3）調速范圍。4）低速、大轉矩。2.4.2伺服進給系統(tǒng)中的機械傳動部件數控機床的進給運動可分為直線運動和圓周運動兩類。實現(xiàn)直線進給運動主要有絲杠螺母副(通常為滾珠絲杠或靜壓絲杠)、齒輪/齒條副，以便將伺服電動機的旋轉運動變成機床所需要的直線運動；在高速加工機床上，有時還可以采用直線電動機直接驅動。為了提高回轉軸精度，數控機床的圓周進給運動一般都通過傳統(tǒng)的蝸輪/蝸桿副實現(xiàn)，在高速加工機床上，有時還可以采用轉臺直接驅動電動機驅動。2.4.2伺服進給系統(tǒng)中的機械傳動部件（1）滾珠絲杠螺母副滾珠絲杠螺母副具有摩擦損耗低、傳動效率高、動/靜摩擦變化小、不易低速爬行及使用壽命長、精度保持性好等一系列優(yōu)點，并可通過絲杠螺母的預緊消除間隙、提高傳動剛度，因此，在數控機床上得到了極為廣泛應用，它是目前中、小型數控機床最常見的傳動形式。滾珠絲杠螺母副具有運動的可逆性，傳動系統(tǒng)不能自鎖，它一方面能將旋轉運動轉換為直線運動，反過來也可能將直線運動轉換為旋轉運動，因此，當用于受重力作用的垂直進給軸時，進給系統(tǒng)必須安裝制動器和重力平衡裝置。此外，為了防止安裝、使用時的螺母脫離絲杠滾道，機床還必須有超程保護。2.4.2伺服進給系統(tǒng)中的機械傳動部件（2）靜壓絲杠螺母副靜壓絲杠螺母副可通過油壓，在絲杠和螺母的接觸面產生一層一定厚度、且有一定剛度的壓力油膜，使絲杠和螺母由邊界摩擦變?yōu)橐后w摩擦，通過油膜推動螺母移動。靜壓絲杠螺母的摩擦系數僅為滾珠絲杠的1/10，其靈敏更高、間隙更小；同時，由于油膜層還具有吸振性，油液的流動散熱效果，因此，其運動更平穩(wěn)、熱變形更小；此外，介于螺母與絲杠間的油膜層對絲杠的加工誤差有“均化”作用，可以部分補償絲杠本身的制造誤差，提高傳動系統(tǒng)的精度。靜壓絲杠螺母副的成本高，而且還需要配套高清潔度、高可靠性的供油系統(tǒng)，因此，多用于高精度加工的磨削類數控機床。2.4.2伺服進給系統(tǒng)中的機械傳動部件（2）靜壓絲杠螺母副靜壓絲杠螺母副可通過油壓，在絲杠和螺母的接觸面產生一層一定厚度、且有一定剛度的壓力油膜，使絲杠和螺母由邊界摩擦變?yōu)橐后w摩擦，通過油膜推動螺母移動。靜壓絲杠螺母的摩擦系數僅為滾珠絲杠的1/10，其靈敏更高、間隙更??；同時，由于油膜層還具有吸振性，油液的流動散熱效果，因此，其運動更平穩(wěn)、熱變形更小；此外，介于螺母與絲杠間的油膜層對絲杠的加工誤差有“均化”作用，可以部分補償絲杠本身的制造誤差，提高傳動系統(tǒng)的精度。靜壓絲杠螺母副的成本高，而且還需要配套高清潔度、高可靠性的供油系統(tǒng)，因此，多用于高精度加工的磨削類數控機床。2.4.2伺服進給系統(tǒng)中的機械傳動部件（3）靜壓蝸桿蝸條副和齒輪齒條副大型數控機床不宜采用絲杠傳動，因長絲杠的制造困難，且容易彎曲下垂，影響傳動精度；同時其軸向剛度、扭轉剛度也難提高，慣量偏大，因此，需要采用靜壓蝸桿蝸條副、齒輪齒條副等方式傳動。靜壓蝸桿蝸條副的工作原理與靜壓絲杠螺母副基本相同，蝸條實質上是螺母的一部分，蝸桿相當于一根短絲杠，由于蝸條理論上可以無限接長，故可以用于對定位精度、運動速度要求較高的落地式、龍門式等大型數控機床的進給驅動。2.4.