畢業(yè)設計（論文）數(shù)控機床的進給傳動裝置設計

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1、I 學學 院院畢畢 業(yè)業(yè) 設設 計（論計（論 文）說文）說 明明 書書題 目 數(shù)控機床的進給傳動裝置設計 學 生 系 別 機電系 專 業(yè) 班 級 機械設計制造及其自動化 機 電 033 班 學 號 指 導 教 師 II目目 錄錄中文摘要中文摘要.英文摘要英文摘要.第一章第一章 緒論緒論11.1 引言引言11.2 數(shù)控機床進給傳動系統(tǒng)簡要敘述數(shù)控機床進給傳動系統(tǒng)簡要敘述21.2.1 升降臺傳動系統(tǒng)21.2.2 床鞍傳動系統(tǒng)31.2.3 工作臺傳動系統(tǒng)31.3 FXK5045 機床的用途及性能機床的用途及性能31.4 數(shù)控機床對進給傳動系統(tǒng)的要求數(shù)控機床對進給傳動系統(tǒng)的要求51.5 數(shù)控機床進給系

2、統(tǒng)總體設計方案數(shù)控機床進給系統(tǒng)總體設計方案71.6 本章小結(jié)本章小結(jié)8第二章第二章伺服電動機伺服電動機92.1 伺服系統(tǒng)伺服系統(tǒng)92.1.1 對伺服系統(tǒng)的基本要求92.1.2 伺服系統(tǒng)的分類102.2 伺服電動機的分類伺服電動機的分類112.2.1 直流伺服電機112.2.2 交流伺服電機112.2.3 直線電機122.2.4 步進電機122.3 電動機的選擇與計算電動機的選擇與計算142.3.1 脈沖當量的選擇152.3.2 電機的最高轉(zhuǎn)速152.3.3 等效負載轉(zhuǎn)矩的計算152.3.4 初選步進電動機型號162.3.5 電動機選型驗算172.4 本章小結(jié)本章小結(jié)18第三章第三章 同步齒形皮

3、帶輪傳動同步齒形皮帶輪傳動19III3.1 同步齒形帶的特點應用和優(yōu)缺點同步齒形帶的特點應用和優(yōu)缺點193.1.1 同步齒形帶的特點和應用193.1.2 同步齒形帶傳動的優(yōu)缺點203.2 同步齒形帶的主要參數(shù)和規(guī)格同步齒形帶的主要參數(shù)和規(guī)格203.3 同步齒形帶傳動設計計算同步齒形帶傳動設計計算213.3.1 失效形式和計算準則213.3.2 同步齒形帶傳動注意事項213.3.3 同步齒形帶傳動計算步驟223.4 皮帶輪幾何尺寸的計算皮帶輪幾何尺寸的計算283.5 齒輪傳動間隙的調(diào)整方法齒輪傳動間隙的調(diào)整方法293.6 同步齒形皮帶輪材料的選擇同步齒形皮帶輪材料的選擇303.7 本章小結(jié)本章小

4、結(jié)31第四章第四章 滾珠絲杠的設計計算滾珠絲杠的設計計算324.1 滾珠絲杠傳動滾珠絲杠傳動324.1.1 滾珠絲杠的特點324.1.2 滾珠絲杠的一些主要參數(shù)334.1.3 滾珠絲杠的預拉伸344.2 滾珠絲杠螺母副滾珠絲杠螺母副354.2.1 滾珠絲杠螺母副的循環(huán)方式354.2.2 滾珠絲杠螺母副間隙的調(diào)整364.2.3 滾珠絲杠螺母副的維護374.2.4 滾珠絲杠螺母副的常見故障374.3 滾珠絲杠的設計滾珠絲杠的設計384.3.1 滾珠絲杠的設計計算434.3.2 滾珠絲杠的校核454.4 本章小結(jié)本章小結(jié)47第五章第五章 聯(lián)軸器和導軌聯(lián)軸器和導軌485.1 聯(lián)軸器聯(lián)軸器485.1.1

5、 聯(lián)軸器的總體分類485.1.2 安全聯(lián)軸器的作用505.2 機床導軌機床導軌51IV5.2.1 對導軌的總體要求515.2.2 導軌副的種類以及組合形式525.2.3 導軌的技術要求565.2.4 導軌副的材料選擇575.2.5 導軌副的維護和故障診斷585.3 本章小結(jié)本章小結(jié)59總總 結(jié)結(jié)60參考文獻參考文獻62致致 謝謝63學院畢業(yè)設計（論文）說明書1第一章第一章 緒論緒論1.1 引言數(shù)控技術是用數(shù)字信息對機械運動和工作過程進行控制的技術，數(shù)控裝備是以數(shù)控技術為代表的新技術對傳統(tǒng)制造產(chǎn)業(yè)和新興制造業(yè)的滲透形成的機電一體化產(chǎn)品，即所謂的數(shù)字化裝備，其技術范圍覆蓋很多領域：(1).機械制造

6、技術；(2).信息處理、加工、傳輸技術；(3).自動控制技術；(4).伺服驅(qū)動技術；(5).傳感器技術；(6).軟件技術等。從目前世界上數(shù)控技術及其裝備發(fā)展的趨勢來看，其主要研究熱點有以下幾個方面：(1).高速、高精度加工技術及裝備的新趨勢效率、質(zhì)量是先進制造技術的主體。高速、高精加工技術可極大地提高效率，提高產(chǎn)品的質(zhì)量和檔次，縮短生產(chǎn)周期和提高市場競爭能力。為此日本先端技術研究會將其列為 5 大現(xiàn)代制造技術之一，國際生產(chǎn)工程學會（CIRP）將其確定為 21 世紀的中心研究方向之一。(2).智能化、開放化、網(wǎng)絡化成為當代數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展的主要趨勢21 世紀的數(shù)控裝備將是具有一定智能化的系統(tǒng)，智能化

7、的內(nèi)容包括在數(shù)控系統(tǒng)中的各個方面：為追求加工效率和加工質(zhì)量方面的智能化，如加工過程的自適應控制，工藝參數(shù)自動生成；為提高驅(qū)動性能及使用連接方便的智能化，如前饋控制、電機參數(shù)的自適應運算、自動識別負載自動選定模型、自整定等；簡化編程、簡化操作方面的智能化，如智能化的自動編程、智能化的人機界面等；還有智能診斷、智能監(jiān)控方面的內(nèi)容、方便系統(tǒng)的診斷及維修等。(3).重視新技術標準、規(guī)范的建立.數(shù)控系統(tǒng)設計開發(fā)規(guī)范如前所述，開放式數(shù)控系統(tǒng)有更好的通用性、柔性、適應性、擴展性，美國、歐共體和日本等國紛紛實施戰(zhàn)略發(fā)展計劃，并進行開放式體系結(jié)構(gòu)數(shù)控系統(tǒng)規(guī)范(OMAC、OSACA、OSEC)的研究和制定，世界

8、3 個最大的經(jīng)濟體在短期內(nèi)進行了幾乎相同的科學計劃和規(guī)范的制定，預示了數(shù)控技術的一個新的變革時期的來臨。我國在2000 年也開始進行中國的 ONC 數(shù)控系統(tǒng)的規(guī)范框架的研究和制定。.數(shù)控標準第一章 緒論2數(shù)控標準是制造業(yè)信息化發(fā)展的一種趨勢。數(shù)控技術誕生后的 50 年間的信息交換都是基于 ISO6983 標準，即采用 G，M 代碼描述如何加工，其本質(zhì)特征是面向加工過程，顯然，他已越來越不能滿足現(xiàn)代數(shù)控技術高速發(fā)展的需要。為此，國際上正在研究和制定一種新的 CNC 系統(tǒng)標準 ISO14649（STEPNC)，其目的是提供一種不依賴于具體系統(tǒng)的中性機制，能夠描述產(chǎn)品整個生命周期內(nèi)的統(tǒng)一數(shù)據(jù)模型，從

9、而實現(xiàn)整個制造過程，乃至各個工業(yè)領域產(chǎn)品信息的標準化。(4).對數(shù)控機床無污染提出要求21 世紀的數(shù)控機床必須把環(huán)保和節(jié)能放在重要位置，即要實現(xiàn)切削加工工藝的綠色化。目前這一綠色加工工藝主要集中在不使用切削液上，這主要是因為切削液既污染環(huán)境和危害工人健康，又增加資源和能源的消耗。干切削一般是在大氣氛圍中進行，但也包括在特殊氣體氛圍中(氮氣中、冷風中或采用干式靜電冷卻技術)不使用切削液進行的切削。不過，對于某些加工方式和工件組合，完全不使用切削液的干切削目前尚難與實際應用，故又出現(xiàn)了使用極微量潤滑(MQL)的準干切削。目前在歐洲的大批量機械加工中，已有 1015%的加工使用了干和準干切削。對于面

10、向多種加工方法/工件組合的加工中心之類的機床來說，主要是采用準干切削，通常是讓極微量的切削油與壓縮空氣的混合物經(jīng)由機床主軸與工具內(nèi)的中空通道噴向切削區(qū)。在各類數(shù)控機床中，采用干切削最多的是滾齒機。總之，數(shù)控機床技術的進步和發(fā)展為現(xiàn)代制造業(yè)的發(fā)展提供了良好的條件，促使制造業(yè)向著高效、優(yōu)質(zhì)以及人性化的方向發(fā)展?？梢灶A見，隨著數(shù)控機床技術的發(fā)展和數(shù)控機床的廣泛應用，制造業(yè)將迎來一次足以撼動傳統(tǒng)制造業(yè)模式的深刻革命。1.2 數(shù)控機床進給傳動系統(tǒng)簡要敘述數(shù)控機床進給傳動系統(tǒng)是數(shù)控機床的重要的組成部分，它是將電動機的旋轉(zhuǎn)運動傳遞給工作臺或刀架以實現(xiàn)進給運動的整個機械傳動鏈，包括齒輪傳動副、絲杠螺母副及其支

11、承部件等。數(shù)控機床進給傳動系統(tǒng)主要由升降臺傳動系統(tǒng)、床鞍傳動系統(tǒng)、工作臺傳動系統(tǒng)組成。1.2.1 升降臺傳動系統(tǒng)升降臺傳動系統(tǒng)升降臺可沿 Z 軸運動，由床身導軌導向并由升降立絲杠驅(qū)動,升降臺頂部有矩形導軌與工作臺底座床鞍相連。升降臺內(nèi)裝有：Z、Y 軸進給伺服電機；Z、Y 軸齒形皮帶及皮帶輪；學院畢業(yè)設計（論文）說明書3升降臺運動由伺服電機驅(qū)動，電機置于升降臺內(nèi)，電機通過一對圓弧齒形皮帶輪及皮帶、一對螺旋傘齒輪和滾珠絲杠副以 1：4 降速轉(zhuǎn)動，兩帶輪與電機軸和滾珠絲杠均以漲緊環(huán)實現(xiàn)無間隙連接，滾珠絲杠螺母固定于底座上，絲杠固定于升降臺上。1.2.2 床鞍傳動系統(tǒng)床鞍傳動系統(tǒng)床鞍沿升降臺頂部導軌在

12、 Y 軸上移動，床鞍上表面有供工作臺沿 X 軸橫向移動的燕尾導軌，床鞍上下兩面的導軌互相垂直，從而保證了 X 軸運動和 Y 運動的垂直。在床鞍內(nèi)裝有縱向、橫向絲杠及兩端托架。橫向床鞍運動由伺服電機通過一對圓弧齒形皮帶輪、皮帶、一對消隙齒輪和滾珠絲杠副以 3：4 降速傳動。兩帶輪與電機軸和傳動軸均以漲緊環(huán)實現(xiàn)無間隙連結(jié)，滾珠絲杠固定于床鞍上，絲杠螺母固定于升降臺上。1.2.3 工作臺傳動系統(tǒng)工作臺傳動系統(tǒng)工作臺可沿床鞍縱向?qū)к壴?X 軸方向移動，導軌由來自床身的集中潤滑裝置自動潤滑，X 向滾珠絲杠由手動油槍通過工作臺側(cè)的油杯進行潤滑，工作臺表面有便于安裝工卡夾具、工件及附近的 T 形槽，還有回收

13、冷卻液的回水槽。工作臺運動由伺服電機通過兩個圓弧齒形皮帶輪，和圓弧齒形皮帶以 2：3 降速傳動。兩帶輪與電機軸和滾珠絲杠均以漲緊環(huán)實現(xiàn)無間隙聯(lián)接，滾珠絲杠螺母固定于工作臺底端，兩端托架固定于床鞍上。1.3 FXK5045 機床的用途及性能 圖 1-1 XK5045 型普通銑床的布局圖Fig.1-1 Milling machine layout plans 第一章 緒論41-底座2-強電柜3-變壓器箱4-垂直升降進給伺服電動機5-主軸變速手柄和按鈕板6-床身7-數(shù)控柜8-保護開關9-擋鐵10-操縱臺11-保護開關12-橫向溜板13-縱向進給伺服電動機14-橫向進給伺服電動機15-升降臺16-縱向

14、工作臺在本次設計中，以 FXK5045 數(shù)控立式升降臺銑床為例來說明數(shù)控機床的進給傳動系統(tǒng)。FXK5045 為數(shù)控立式升降臺銑床，與上圖 XK5045 普通銑床相比，在外觀結(jié)構(gòu)上相同，只是多一個數(shù)控裝置，F(xiàn)XK5045 可配備國外或國內(nèi)數(shù)控系統(tǒng)，具有計算機數(shù)字控制（CNC），可進行縱向、橫向、垂向三個坐標的直線、圓弧、拋物線插補運動（由配置的系統(tǒng)功能確定），每個坐標裝有編碼器作為檢測元件。FXK5045 適用于加工形狀復雜的平面和立體零件，如沖模、壓模、鍛模、塑料模等各種模具及樣板，凸輪、飛機零件、內(nèi)燃機的連桿等形狀復雜的零件，對于加工形狀復雜而品種又經(jīng)常變換的生產(chǎn)部門大為適用。FXK5045

15、 數(shù)控立式升降臺銑床的基本參數(shù)如下：工作臺面積（寬長）：5001800 mm 工作臺 T 形槽（槽數(shù)-寬度 間距）： 6-1863 mm 工作臺承載工件最大重量： 1000 Kg 工作臺行程（縱向/橫向/垂向）： 11000/330/600 mm 垂向行程（手動）： 套筒 90 mm 主軸錐孔： 7：24 ISO50 刀柄形式： XT50主軸轉(zhuǎn)速： 18 級 35.5-1800 r/min 主軸電機功率： 15 Kw 立銑頭最大回轉(zhuǎn)角度： 45 主軸端面到工作臺面距離： 110-710 mm 床身導軌至主軸中心線的距離： 450 mm 進給速度范圍（X、Y/Z）： 5-4000/5-1000

16、mm/min 快速進給（X、Y/Z）： 8000/2000 mm/min 定位精度(國際) ： 0.035 mm 重復定位精度(國際) ： 0.020 mm 機床重量(約) ： 5000 Kg 機床外型尺寸(長寬高) ： 253024432560 mm 學院畢業(yè)設計（論文）說明書5本機床具有如下特點：(1).機床具有很高的結(jié)構(gòu)剛性，能承受中負荷切削工作；(2).機床具有足夠的功率和寬廣的變速范圍，能使用硬質(zhì)合金刀進行高速切削，充分發(fā)揮刀具效能；(3).主軸變速有沖動裝置，便于變速，機床能迅速有效的進行制動；(4).機床的重要傳動零件均用合金鋼制成，容易磨損零件均用耐磨材料制成，導軌貼塑，保證了

17、機床有足夠的使用壽命；(5).操縱臺與電柜采用分體式，操縱臺集中操縱，安裝于機床吊掛上，能轉(zhuǎn)動一定角度，操作方便宜人；(6).機床三向運動均有限位裝置，保證機床和操作工人的安全，還可用作多機床管理；(7).機床具有完整的潤滑系統(tǒng)，重要的傳動零件和軸承均有完整的潤滑裝置，同時設有指示器進行經(jīng)常檢查；(8).各重要傳動軸和主軸的安裝在滾動軸承上，提高傳動效率；(9).工作臺三個方向均能進行快速移動，減少輔助時間，提高生產(chǎn)效率。1.4 數(shù)控機床對進給傳動系統(tǒng)的要求(1).減少摩擦阻力為了提高數(shù)控機床進給系統(tǒng)的快速響應性能和運動精度，必須減小運動件的摩擦阻力和動，靜摩擦力之差。為滿足上述要求，在數(shù)控機

18、床進給傳動系統(tǒng)中，普通采用滾珠絲杠螺母副、靜壓絲杠螺母副，滾動導軌、靜壓導軌和塑料導軌。在減小摩擦阻力的同時，還必須考慮傳動部件要有適當?shù)淖枘?，以保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性。(2).減少運動慣量運動部件的慣量對伺服機構(gòu)的啟動和制動特性都有影響，尤其是處于高速運轉(zhuǎn)的零、部件，其慣量的影響更大。因此，在滿足部件強度和剛度的前提下，盡可能減小運動部件的質(zhì)量，減小旋轉(zhuǎn)零件的直徑和質(zhì)量，以減小運動部件的慣量。(3).高的傳動精度與定位精度數(shù)控機床的進給傳動裝置的傳動精度和定位精度對零件的加工精度起著關鍵性的作用，對采用進步電動機驅(qū)動的開環(huán)控制系統(tǒng)尤其如此。因此，傳動精度和定位精度是數(shù)控機床最重要也是最具有該類機床

19、特征的指標，無論對點位，直線控制系統(tǒng)，還是輪廓控制，該項精度都很重要。設計中，通過在進給傳動鏈中加入減速齒輪，以減小脈沖當量（即伺服系統(tǒng)接收一個指令脈沖驅(qū)動工作臺移動的距離），預緊傳動滾珠絲杠，消除齒輪，蝸輪等傳動的間隙等辦法，可達到提高傳動精度的定位精度的目的。第一章 緒論6由此可見，機床本身的精度，尤其是伺服傳動鏈和伺服執(zhí)行機構(gòu)的精度，是影響工作精度的主要因素。(4).寬的進給調(diào)速范圍伺服進給系統(tǒng)在承擔全部工作負載的條件下，應具有很寬的調(diào)速范圍，以適應各種工件材料，尺寸和刀具等變化的需要，工作進給速度范圍可達 36000 mm/min（調(diào)速范圍 1：2000）。為了完成精密定位，伺服系統(tǒng)的

20、低速趨進速度達 0.1mm/min；為了縮短輔助時間，提高加工效率，快速移動速度應高達 15m/min。如此寬的調(diào)速范圍是伺服系統(tǒng)設計的一個難題。在多坐標聯(lián)動的數(shù)控機床上，合成速度維持常數(shù)，是保證表面粗糙度要求的重要條件；為保證較高的輪廓精度，各坐標方面的運動速度也要配合適當，這是對數(shù)控機床和伺服進給系統(tǒng)提出的共同要求。(5).響應速度要快快響應特性是指進給系統(tǒng)對指令輸入信號的響應速度及瞬態(tài)過程結(jié)束的迅速程度，即跟蹤指令信號的響應要快；定位速度和輪廓切削進給速度要滿足要求；工作臺應能在規(guī)定的速度范圍內(nèi)靈敏而精確地跟蹤指令，進行單步或連續(xù)移動，在運行時不出現(xiàn)丟步或多步現(xiàn)象。進給系統(tǒng)響應速度的大小

21、不僅影響機床的加工效率，而且影響加工精度。設計中應使機床工作臺及其傳動機構(gòu)的剛度、間隙、摩擦以及轉(zhuǎn)動慣量盡可能達到最佳值，以提高伺服進給系統(tǒng)的快速響應性。(6).無間隙傳動進給系統(tǒng)的傳動間隙一般指反向間隙，即反向死區(qū)誤差，它存在于整個傳動鏈的各傳動副中，直接影響數(shù)控機床的加工精度。因此，應盡量消除傳動間隙，減小反向死區(qū)誤差。設計中可采用消除間隙的聯(lián)軸節(jié)及有消除間隙措施的傳動副等方法。(7).穩(wěn)定性好、壽命長穩(wěn)定性是伺服進給系統(tǒng)能夠正常工作的最基本的條件，特別是在低速進給情況下不產(chǎn)生爬行，并能適應外加負載的變化而不發(fā)生共振。穩(wěn)定性與系統(tǒng)的慣性、剛性、阻尼及增益等都有關系，適當選擇各項參數(shù)，并能達

22、到最佳的工作性能，是伺服系統(tǒng)設計的目標。所謂進給系統(tǒng)的壽命，主要是指其保持數(shù)控機床傳動精度和定位精度的時間長短，即各傳動部件應選擇合適的材料及合理的加工工藝與熱處理方法，對于滾珠絲杠及傳動齒輪，必須具有一定的耐磨性和適宜的潤滑方式，以延長其壽命。(8).使用維護方便數(shù)控機床屬于精度自動控制機床，主要用于單件、中小批量、高精度及復雜的生產(chǎn)加工，機床的開機效率相應就高，因而進給系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設計應便于維護和保養(yǎng)、最大限度地減小維修工作量，以提高機床的利用率。學院畢業(yè)設計（論文）說明書71.5 數(shù)控機床進給系統(tǒng)總體設計方案圖 1-2 進給系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡圖Fig.1-2 Feed system struct

23、ure diagram 上圖為此次設計 FXK5045 數(shù)控立式銑床進給系統(tǒng)的機械結(jié)構(gòu)簡圖。伺服電機通過同步齒形帶和滾珠絲杠相聯(lián)，編碼器固定在滾珠絲杠的右端將工作臺的實際位移信號傳遞給控制系統(tǒng)，屬于開環(huán)控制。同步帶連接方式隔離了電機的振動和發(fā)熱，使電動機安裝位置更加機動，但機械結(jié)構(gòu)環(huán)節(jié)增加了。方案具體的設計過程如下：圖 1-3 數(shù)控機床進給傳動系統(tǒng)工作原理圖Fig.1-3 CNC machine tool drive system to work diagram(1).指令脈沖驅(qū)動步進電動機；(2).步進電機驅(qū)動電路帶動功率步進電動機運轉(zhuǎn)；(3).功率步進電動機作為動力源，帶動齒形皮帶輪動力的

24、輸送；(4).齒形皮帶輪帶動滾珠絲杠降速轉(zhuǎn)動；(5).滾珠絲杠的轉(zhuǎn)動使數(shù)控機床工作臺橫向移動。第一章 緒論81.6 本章小結(jié)在本章的設計中，讓我明白了數(shù)控機床進給傳動的三大部分：升降臺傳動系統(tǒng)，床鞍傳動系統(tǒng)以及工作臺傳動系統(tǒng)，并對三者各自的基本情況和運動規(guī)律作了一個簡要的敘述。對所設計的數(shù)控銑床 FXK5045 也有了一定的認識，其中包括 FXK5045 的基本性能參數(shù)，還有此機床進給傳動部分所各自具備的用途，以及擅長加工哪些圖形的情況都做了一一的描述。還有數(shù)控機床對進給傳動方面的要求也進行了一定的說明。對進給傳動總體設計方案的構(gòu)想也有了一定的思路，并且進行設計的初步實踐中。學院畢業(yè)設計（論文

25、）說明書9第二章第二章伺服電動機伺服電動機伺服電動機(簡稱伺服電機)為數(shù)控伺服系統(tǒng)的重要組成部分，是速度和軌跡控制的執(zhí)行元件。伺服系統(tǒng)的設計、調(diào)試與選用的電機及其特性有密切關系、直接影響伺服系統(tǒng)的靜、動態(tài)品質(zhì)。2.1 伺服系統(tǒng) 在自動控制系統(tǒng)中，輸出量能夠以一定準確度跟隨輸入量的變化而變化的系統(tǒng)稱為伺服系統(tǒng)。數(shù)控機床的伺服系統(tǒng)是指以機床移動部件的位置和速度作為控制量的自動控制系統(tǒng)。伺服系統(tǒng)由伺服驅(qū)動裝置和驅(qū)動元件（或稱執(zhí)行元件伺服電機）組成，高性能的伺服系統(tǒng)還有檢測裝置，反饋實際的輸出狀態(tài)。 數(shù)控機床伺服系統(tǒng)的作用在于接受來自數(shù)控裝置的指令信號，驅(qū)動機床移動部件跟隨指令脈沖運動，并保證動作的快

26、速和準確，這就要求高質(zhì)量的速度和位置伺服。以上指的主要是進給伺服控制，另外還有對主運動的伺服控制，不過控制要求不如前者高。數(shù)控機床的精度和速度等技術指標往往主要取決于伺服系統(tǒng)。2.1.1 對伺服系統(tǒng)的基本要求對伺服系統(tǒng)的基本要求數(shù)控機床集中了傳統(tǒng)的自動機床、精密機床和萬能機床的優(yōu)點，將高效率、高精度與高柔性集中于一體。而數(shù)控機床技術水平的提高首先依賴于進給驅(qū)動特性的改善及功能的擴大，一般對進給伺服系統(tǒng)有如下要求：(1).正反向運行機床在工作過程中，工作臺根據(jù)加工軌跡的形狀隨時都可能要求正向或反向運行。同時應考慮正反向運行時起動與制動之間存在的電能與機械能的轉(zhuǎn)換，以實現(xiàn)可靠的快速制動。(2).調(diào)

27、速范圍寬為適應不同的加工條件，如加工零件的材料、類型、大小及刀具的種類、冷卻方式等，要求伺服有很寬的調(diào)速范圍和優(yōu)異的調(diào)速特性。(3).高剛性與高的速度穩(wěn)定性伺服在不同的負載情況下或切削條件發(fā)生變化時，應使進給速度保持恒定，要求伺服具有優(yōu)良的靜態(tài)與動態(tài)負載特性。(4).快速響應及無超調(diào)為了保證輪廓切削形狀精度與低的加工面表面粗糙度，要求伺服具有良好的快速響應特性，同時無超調(diào)。(5).高精度第二章 伺服電動機10為了滿足加工精度，要保證機床的定位精度及進給精度，亦即要求伺服具有高的靜態(tài)分辨率，動態(tài)特性至少應是一階無差系統(tǒng)。(6).低速大扭矩機床加工的特點多是低速時進行切削加工，要求在低速時進給驅(qū)動

28、應保證額定扭矩輸出，亦即要求伺服具有恒扭矩輸出。2.1.2 伺服系統(tǒng)的分類伺服系統(tǒng)的分類(1).開環(huán)系統(tǒng)圖 2-1 開環(huán)系統(tǒng)構(gòu)成圖Fig.2-1 Open-loop systems pose a map 圖(2-1)是開環(huán)系統(tǒng)構(gòu)成圖，它主要由驅(qū)動電路，執(zhí)行元件和機床三大部分組成。常用的執(zhí)行元件是步進電機，通常稱以步進電機作為執(zhí)行元件的開環(huán)系統(tǒng)為步進式伺服系統(tǒng)，在這種系統(tǒng)中，如果是大功率驅(qū)動時，用電液脈沖馬達作為執(zhí)行元件。驅(qū)動電路的主要任務是將指令脈沖轉(zhuǎn)化為驅(qū)動執(zhí)行元件所需的信號。 (2).閉環(huán)系統(tǒng)圖 2-2 閉環(huán)系統(tǒng)構(gòu)成圖Fig.2-2 Closed-loop systems pose a m

29、ap 閉環(huán)系統(tǒng)主要由比較環(huán)節(jié)、驅(qū)動電路、執(zhí)行元件、機床和檢測單元五部分組成。其構(gòu)成框圖如圖(2-2)所示。在閉環(huán)系統(tǒng)中，檢測元件將機床移動部件的實際位置檢測出來并轉(zhuǎn)換成電信號反饋給比較環(huán)節(jié)。常見的檢測元件有旋轉(zhuǎn)變壓器、感應同步器、光柵、磁柵和編碼盤等。通常把安裝在絲杠上的檢測元件組成的伺服系統(tǒng)稱為半閉環(huán)系統(tǒng)；把安裝在工作臺上的檢測元件組成的伺服系統(tǒng)稱為閉環(huán)系統(tǒng)。由于絲杠和工作臺之間傳動誤差的存在，半閉環(huán)伺服系統(tǒng)的精度要比閉環(huán)伺服系統(tǒng)的精度低一些。比較環(huán)節(jié)的作用是將指令信號和反饋信號進行比較，兩者的差值作為伺服系統(tǒng)的跟隨誤差，經(jīng)驅(qū)動電路，控制執(zhí)行元件帶動工作臺繼續(xù)移動，直到跟隨誤差為零。根據(jù)進入

30、比較環(huán)節(jié)信號的形式以及反饋檢測方式，閉環(huán)（半閉環(huán)）系統(tǒng)可分為脈沖比較伺服系統(tǒng)、相位比較伺服系統(tǒng)和幅值比較伺服系統(tǒng)三種。 由于比較環(huán)節(jié)輸出的信號比較微弱，不足以驅(qū)動執(zhí)行元件，故需對其進行放大，學院畢業(yè)設計（論文）說明書11驅(qū)動電路正是為此而設置的。執(zhí)行元件的作用是根據(jù)控制信號，即來自比較環(huán)節(jié)的跟隨誤差信號，將表示位移量的電信號轉(zhuǎn)化為機械位移。常用的執(zhí)行元件有直流寬調(diào)速電動機、交流電動機等。執(zhí)行元件是伺服系統(tǒng)中必不可少的一部分，驅(qū)動電路是隨執(zhí)行元件的不同而不同的。2.1.3 伺服系統(tǒng)的發(fā)展方向伺服系統(tǒng)的發(fā)展方向 隨著生產(chǎn)力的不斷發(fā)展，要求伺服系統(tǒng)向高精度、高速度、大功率方向發(fā)展。 (1).充分利用

31、迅速發(fā)展的電子和計算機技術，采用數(shù)字式伺服系統(tǒng)，利用微機實現(xiàn)調(diào)節(jié)控制，增強軟件控制功能，排除模擬電路的非線性誤差和調(diào)整誤差以及溫度漂移等因素的影響，可大大提高伺服系統(tǒng)的性能，并為實現(xiàn)最優(yōu)控制、自適應控制創(chuàng)造條件。 (2).開發(fā)高精度、快速檢測元件。 (3).開發(fā)高性能的伺服電機（執(zhí)行元件）。目前交流伺服電機的變速比已達1：10000，使用日益增多。無刷電機因無電刷和換向片零部件，加速性能要比直流伺服電機高兩倍，維護也較方便，常用于高速數(shù)控機床。2.2 伺服電動機的分類 在數(shù)控機床中常用的伺服電機有:直流伺服電動機、交流伺服電動機、步進電機和直線電機等直流伺服電機具有良好的調(diào)速性能，在 70 年

32、代、80 年代的數(shù)控系統(tǒng)中得到了廣泛的應用；交流伺服電動機由于結(jié)構(gòu)和控制原理的發(fā)展，性能大大提高，從 80年代末開始逐漸取代直流伺服電機，是目前主要使用的電動機；步進電機應用在輕載、負荷變動不大以及經(jīng)濟型數(shù)控系統(tǒng)中。直線電機是一種很有發(fā)展前途的特種電機，主要應用在高速、高精度的進給伺服系統(tǒng)中。2.2.1 直流伺服電機直流伺服電機常用的直流電動機有:永磁式直流電機、混合式直流電機、無刷直流電機和直流力矩電機等。直流進給伺服系統(tǒng)使用永磁式直流電機類型中的有槽電樞永磁直流電動機(普通型)；直流主軸伺服系統(tǒng)使用勵磁式直流電機類型中的他激直流電機。此外，永磁式直流電機還包括無槽電樞永磁直流電機、杯型電樞

33、永磁直流電機和印刷繞組電樞永磁直流電機等。這些均為小慣量電機，適用于要求快速響應和頻繁起動的伺服系統(tǒng)，但其過載能力低，電樞慣量與機械系統(tǒng)匹配較差普通型永磁式直流電機產(chǎn)量大，應用廣泛。2.2.2 交流伺服電機交流伺服電機在交流伺服系統(tǒng)中，電動機的類型有永磁同步交流伺服電機(PMSM)和感應異步交流伺服電機(IM)，其中，永磁同步電機具備十分優(yōu)良的低速性能、可以實現(xiàn)弱磁高速第二章 伺服電動機12控制，調(diào)速范圍寬廣、動態(tài)特性和效率都很高，已經(jīng)成為伺服系統(tǒng)的主流之選。而異步伺服電機雖然結(jié)構(gòu)堅固、制造簡單、價格低廉，但是在特性上和效率上存在差距，只在大功率場合得到重視。2.2.3 直線電機直線電機直線電

34、機可以認為是旋轉(zhuǎn)電機在結(jié)構(gòu)方面的一種變形，它可以看作是一臺旋轉(zhuǎn)電機沿其徑向剖開，然后拉平演變而成。近年來，隨著自動控制技術和微型計算機的高速發(fā)展，對各類自動控制系統(tǒng)的定位精度提出了更高的要求，在這種情況下，傳統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)電機再加上一套變換機構(gòu)組成的直線運動驅(qū)動裝置，已經(jīng)遠不能滿足現(xiàn)代控制系統(tǒng)的要求。為此，近年來世界許多國家都在研究、發(fā)展和應用直線電機，使得直線電機的應用領域越來越廣。 直線電機與旋轉(zhuǎn)電機相比，主要有如下幾個特點：一是結(jié)構(gòu)簡單，由于直線電機不需要把旋轉(zhuǎn)運動變成直線運動的附加裝置，因而使得系統(tǒng)本身的結(jié)構(gòu)大為簡化，重量和體積大大地下降；二是定位精度高，在需要直線運動的地方，直線電機可以實

35、現(xiàn)直接傳動，因而可以消除中間環(huán)節(jié)所帶來的各種定位誤差，故定位精度高，如采用微機控制，則還可以大大地提高整個系統(tǒng)的定位精度；三是反應速度快、靈敏度高，隨動性好。直線電機容易做到其動子用磁懸浮支撐，因而使得動子和定子之間始終保持一定的空氣隙而不接觸，這就消除了定、動子間的接觸摩擦阻力，因而大大地提高了系統(tǒng)的靈敏度、快速性和隨動性；四是工作安全可靠、壽命長。直線電機可以實現(xiàn)無接觸傳遞力，機械摩擦損耗幾乎為零，所以故障少，免維修，因而工作安全可靠、壽命長。 2.2.4 步進電機步進電機步進電機是一種把脈沖信號轉(zhuǎn)換成角位移的電氣機械。電脈沖的數(shù)量代表了轉(zhuǎn)子的角位移量，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速與電脈沖的頻率成正比，旋轉(zhuǎn)

36、的方向取決于脈沖的順序，轉(zhuǎn)矩是由于磁阻作用所產(chǎn)生。步進電機一定要與控制脈沖聯(lián)系起來才能運行，否則無法工作。其運行形式是步進的，故稱為步進電機。對定子繞組所加電源形式既不是正弦波交流也不是恒定直流，而是電脈沖電壓、電流、所以也稱為脈沖電機或脈沖馬達。步進電機用于與控制脈沖組成的開環(huán)系統(tǒng)中。 2.2.4.1 步進電機的分類及結(jié)構(gòu) 步進電機的分類方式很多，按作用原理分，步進電機有磁阻式(反應式)、感應子式和永磁式三大類。按輸出功率和使用場合分類，分為功率步進電機和控制步進電機；按結(jié)構(gòu)分類，分為徑向式(單段式)、軸向式(多段)和印刷繞組式步進電機；按相數(shù)分類，分為三相、四相、五相、六相等。學院畢業(yè)設計

37、（論文）說明書13各種步進電機都是由定子和轉(zhuǎn)子組成，但因類型不同，結(jié)構(gòu)也不完全一樣。磁阻式步進電機(以三相徑向式為例)，定子鐵心上有六個均勻分布 5 個齒，齒槽距相等，齒間夾角為 9。在直徑方向相對的兩個極上的線圈串聯(lián)，構(gòu)成了一相勵磁繞組，共有三相(A，B，C)按徑向排列的勵磁繞組。轉(zhuǎn)子為鐵心(硅鋼)，其上無繞組，只有均布的 40個齒，齒槽等寬，齒間夾角也是 9。三相定子磁極和轉(zhuǎn)子上相應的齒依次錯開了 1/3齒距，即 3。磁阻式步進電機還有一種軸向分相的多段式結(jié)構(gòu)，定子和轉(zhuǎn)子鐵心都分成多段(三、四、五、六段等)，每段為一相，依次錯開排列為 A、B、C、D、E 等相，每相都是獨立的。感應子式步進

38、電機分為勵磁式和永磁式兩種。感應子式步進電機的結(jié)構(gòu)與磁阻式步進電機的結(jié)構(gòu)相似，其定子轉(zhuǎn)子鐵心的磁場和齒槽均一樣，兩者的差別是感應子式步進電機存在軸向恒定磁場。勵磁感應子式步進電機是靠轉(zhuǎn)子上的勵磁繞組產(chǎn)生軸向磁場。永磁感應子式步進電機的轉(zhuǎn)子由一段環(huán)形磁鋼(在轉(zhuǎn)子中部)和二段鐵心(在環(huán)形磁鋼的兩端)，軸向充磁，建立軸向磁場。軸向磁場可以改善步進電機的動態(tài)特性，發(fā)展趨勢將取代磁阻式步進電機。永磁式步進電機的轉(zhuǎn)子為永久磁鐵，定子為軟磁材料。該種電機有多種結(jié)構(gòu)形式，常用形式有爪極式和隱極式。爪極式步進電機結(jié)構(gòu)一般采用二相或者四相繞組，隱極式步進電機結(jié)構(gòu)與磁阻式步進電機一樣有二、三、四、五、相等多種繞組。

39、 2.2.4.2 步進電機的工作原理以磁阻式(反應式)步進電機為例，其工作原理是按電磁吸引的原理工作的。以下圖所示的反應式三相步進電機為例加以說明。當某一相定子繞組加上電脈沖，即通電時，該相磁極產(chǎn)生磁場，并對轉(zhuǎn)子產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，將靠近定子通電繞組磁極的轉(zhuǎn)子上一對齒吸引過來，當轉(zhuǎn)子一對齒的中心線與定子磁極中心線對齊時，磁阻最小，轉(zhuǎn)矩為零，停止轉(zhuǎn)動。如果定子繞組按順序輪流通電，A、B、C 三相的三對磁極就依次產(chǎn)生磁場，使轉(zhuǎn)子一步步按一定方向轉(zhuǎn)動起來。第二章 伺服電動機14圖 2-3步進電機工作原理Fig.2-3 Stepper Motor Principle具體為，假設每個定子磁極有一個齒，轉(zhuǎn)子有四

40、個齒，首先 A 相通電，B、C 二相斷電，轉(zhuǎn)子 1、3 齒按磁阻最小路徑被 A 相磁極產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩吸引過去，當 1、3 齒與 A 相對齊時，轉(zhuǎn)動停止；此時，B 相通電，A、C 二相斷電，磁極 B 又把距它最近的一對齒 2、4 吸引過來，使轉(zhuǎn)子按逆時針方向轉(zhuǎn)過 30。接著 C 相通電，A、B 二相斷電，轉(zhuǎn)子又逆時針旋轉(zhuǎn) 30，依次類推，定子按 ABCA順序通電，轉(zhuǎn)子就一步步地按逆時針方向轉(zhuǎn)動，每步 30。若改變通電順序，按 ACBA使定子繞組通電，步進電機就按順時針方向轉(zhuǎn)動，同樣每步轉(zhuǎn) 30，這種控制方式叫單三拍方式。由于每次只有一相繞組通電，在切換瞬間失去自鎖轉(zhuǎn)矩，容易失步，此外，只有一相繞

41、組通電吸引轉(zhuǎn)子，易在平衡位置附近產(chǎn)生振蕩，故實際上均不采用單三拍方式，而采用雙三拍控制方式。雙三拍通電順序按 ABBCCAAB(逆時針方向)或按ACCBBAAC(順時針方向)進行由于雙三拍控制每次有二相繞組通電，而且切換時總保持一相繞組通電，所以工作穩(wěn)定。如果按AABBBCCCAA順序通電，就是三相六拍工作方式，每切換一次，步進電機每步按逆時針方向轉(zhuǎn)過 15。同樣，若按 AACCCBBBAA順序通電，步進電機每步按順時針方向轉(zhuǎn)過 15。對應一個指令電脈沖，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動一個固定角度，稱為步矩角。實際上，轉(zhuǎn)子有 40 個齒，三相單三拍工作方式，步距角為3。三相六拍控制方式比三相三拍控制方式步矩角小一半

42、，為 1.5。控制步進電機的轉(zhuǎn)動是由加到繞組的電脈沖決定的，即由指令脈沖決定的。指令脈沖數(shù)決定它的轉(zhuǎn)動步數(shù)，即角位移的大?。恢噶蠲}沖頻率決定它的轉(zhuǎn)動速度，只要改變指令脈沖頻率，就可以使步進電機的旋轉(zhuǎn)速度在很寬的范圍內(nèi)連續(xù)調(diào)節(jié)；改變繞組的通電順序，可以改變它的旋轉(zhuǎn)方向。可見，對步進電機控制十分方便，一轉(zhuǎn)中沒有累計誤差，動態(tài)響應快，自起動能力強，角位移變化范圍寬。步進電機的缺點是效率低，帶慣性負載能力差，低頻振蕩、失步，高頻失步，自身噪聲和振動較大。2.3 電動機的選擇與計算進給系統(tǒng)是與控制脈沖組成的是開環(huán)系統(tǒng)，數(shù)控機床的進給傳動系統(tǒng)又需要電機的旋轉(zhuǎn)速度在很寬的范圍內(nèi)連續(xù)調(diào)節(jié)，通過輸入脈沖信號來進

43、行控制的，即電機的總轉(zhuǎn)動角度由輸入脈沖數(shù)決定，而電機的轉(zhuǎn)速由脈沖信號頻率決定?；谶@幾個方面，選用步進電動機作為進給傳動系統(tǒng)的動力源。學院畢業(yè)設計（論文）說明書152.3.1 脈沖當量的選擇脈沖當量的選擇脈沖當量：一個指令脈沖使步進電動機驅(qū)動工作臺的移動距離。脈沖當量是數(shù)控機床精度的一個重要參數(shù)，系統(tǒng)根據(jù)需要選擇=0.01mm/p（輸入一個指令脈沖工作臺移動 0.01 毫米）。初選之相步進電動機的步距角，當三相三拍運行時，步距角= 0.75 /1.5，當三相六拍運行時，步距角= 。1.50.75選步進電動機為三相六拍運行，其每轉(zhuǎn)的脈沖數(shù)為：360480/0.75sp r (2-1)2.3.2

44、電機的最高轉(zhuǎn)速電機的最高轉(zhuǎn)速 按照步進電動機的性能要求，快速行程的步進電機轉(zhuǎn)速應嚴格控制在電機的額定轉(zhuǎn)速之內(nèi) (2-2)3max10nomnVinnP38 1.51015002000()8rpm式中：n快速行程時電機的轉(zhuǎn)速（rpm）；Vmax直線運行速度（m/min）；i系統(tǒng)傳動比；Pn絲杠導程（mm）；nnom電機的額定轉(zhuǎn)速（rpm）2.3.3 等效負載轉(zhuǎn)矩的計算等效負載轉(zhuǎn)矩的計算2.3.3.1 在機床位加任何負載的情況下，空載時的摩擦轉(zhuǎn)矩 TLF0.06 4250 0.0080.27220.8 1.5nLFuwPTN mi (2-3)式中：u摩擦系數(shù)；w工作臺的總重量；Pn絲杠導程；i傳動

45、比（工作臺運動由私服電機通過兩個圓弧齒形皮帶輪，和圓弧齒形皮帶以 2：3 降速傳動）； 滾珠絲桿傳動效率 2.3.3.2 在機床加工過程中所產(chǎn)生的負載轉(zhuǎn)矩 TL為：第二章 伺服電動機16 ()2yxnLFu wFPTi (2-4)75000.06(4250 15000)0.00820.8 1.5 9.183N m式中：Fx最大切削力（N）；FyX 方向產(chǎn)生的切削分力,也就是 Y 方向產(chǎn)生的切削力 2.3.3.3 等效轉(zhuǎn)動慣量計算 (1).滾珠絲桿的轉(zhuǎn)動慣量 Js44332(0.032)1.328 7.85 101.07 103232do lpJsKg m (2-5)式中：do滾珠絲桿節(jié)圓直徑；

46、l滾珠絲桿的工作長度，也就是滾珠絲杠螺紋的長度(2).大齒輪的轉(zhuǎn)動慣量 Jg2（大齒接圓直徑 135 毫米 寬 60 毫米）443322(0.135)0.06 101.96 103232gD bpJkg m (2-6) (3).小齒輪的轉(zhuǎn)動慣量 Jg1（小齒接圓直徑 90 毫米 寬 60 毫米）443421(0.09)0.06 103.86 103232gD bpJkg m (2-7) 換算到電動機軸上總轉(zhuǎn)動慣量 JL由滾珠絲桿的轉(zhuǎn)動慣量，大齒輪的轉(zhuǎn)動慣量，小齒輪的轉(zhuǎn)動慣量三者共同決定。因此，總轉(zhuǎn)動慣量 JL為： 212sgLgJJJJL (2-8) 33421.07 101.96 103.8

47、6 101.328 322.10 10 Kg m2.3.4 初選步進電動機型號初選步進電動機型號根據(jù)銑削時負載轉(zhuǎn)距9.183LTN m和電動機總轉(zhuǎn)動慣量322.10 10LJKg m,初步選定電動型號為 FANUC ac12 步進電動機。該電動機的最大靜扭距，max22.1TN m轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量 JM=1.1 10-3kg.m2為了使步進電動機具有良好的起動能力及較快的響應速度應為：學院畢業(yè)設計（論文）說明書172maxTLT 及4MLJJmax22.12.429.183LTT332.10 101.941.1 10LMJJ2.3.4.1 帶慣性負載的最大起動頻率的計算Lf15008811 1.9

48、1mLLMffHZJJ (2-9)電動機空載起動頻率mf2.3.4.2 帶慣性負載的最大轉(zhuǎn)速 (2-10)600.75881 60110(/)360360Lmfn轉(zhuǎn)分2.3.4.3 帶慣性負載起動力矩 Tm電動機起動矩的情況下，根據(jù)頻率特性曲線可以查得：2.6mTN M2.3.4.4 電機帶慣性負載時的起動時間at (2-11)0.1047LMmamLFJJntTT332.10 101.1 100.10472.60.27=0.0014sFANUC ac12 步進電動機的最小加、減速度時間為 1 秒所以該電機帶慣性負載時能夠起動。2.3.5 電動機選型驗算電動機選型驗算(1).空行程快速移動速度

49、的驗算從電動機的運行矩頻率特性曲線查得 fmax=6000HZ 時，電動機轉(zhuǎn)矩 0.9N.m TLF=0.27N.m（空載時的摩擦轉(zhuǎn)矩）max0.75 6000 84518/min300/min66 1.328nfPvmmmml (2-12)(2).工作行程速度驗算第二章 伺服電動機18當 TL=9.183N.m 時，電動機對應頻率 f=2000Hz0.75 2000 81506/min500/min66 1.328nfPvmmmml (2-13)以上計算，選該型號 FANUC ac12 步進電動機，無論是起動性能，還是空行程快速進給，還是工作行程進給速度都能滿足該機床的設計要求。2.4 本章

50、小結(jié)在本章的設計中，首先是對伺服系統(tǒng)的一個基本了解，其中包括對伺服系統(tǒng)的基本要求和分類。在數(shù)控機床中常用的伺服電機有：直流伺服電動機、交流伺服電動機、步進電機和直線電機等，這幾類是主要的伺服電動機，對它們的基本原理作一個簡要的敘述，比較其特點，并選取步進電機作為本進給傳動系統(tǒng)的動力源。然后從機床性能要求，選取符合本設計銑床的步進電動機，其主要過程為：脈沖當量的選擇確定電機的最高轉(zhuǎn)速等效負載轉(zhuǎn)矩的計算根據(jù)以上三個計算結(jié)果，初步確定選擇合適的步進電動機對所選擇步進點動機進行驗算，看是否滿足性能要求。學院畢業(yè)設計（論文）說明書19第三章第三章 同步齒形皮帶輪傳動同步齒形皮帶輪傳動同步齒形帶傳動是FX

51、K5045數(shù)控機床進給傳動系統(tǒng)的重要部件之一。同步齒形帶傳動是一種特殊的新型帶傳動。帶的工作面做成齒形，帶輪的輪緣表面也做成相應的齒形，帶與帶輪主要靠嚙合進行傳動。同步齒形帶一般采用細鋼絲繩作強力層，外面包覆聚氯脂或氯丁橡膠。強力層中線定為帶的節(jié)線，帶線周長為公稱長度。帶的基本參數(shù)是周節(jié)p和模數(shù)m 。周節(jié)p等于相鄰兩齒對應點間沿節(jié)線量得的尺寸，模數(shù)mp/，中國的同步齒形帶采用模數(shù)制，即：模數(shù) 寬度 齒數(shù)。 靠摩擦傳動的帶傳動在工作前必須有一定的預拉力F0 緊套在兩輪上，使帶與輪面之間產(chǎn)生一定的正壓力。當主動輪開始轉(zhuǎn)動時，帶與輪面之間便產(chǎn)生摩擦力，將動力和運動由主動輪傳到從動輪。這時，帶的一邊拉

52、力增大為 F1，稱為緊邊；另一邊拉力減小為F2，稱為松邊。緊邊與松邊拉力的差(F1-F2)稱為有效拉力Ft，它等于沿帶輪的接觸弧上摩擦力的總和，即所能傳遞的圓周力，表示帶傳動的承載能力。一般來說，增大預拉力可以增大摩擦力，使緊邊和松邊的拉力差增大，提高帶所能傳遞的圓周力。但在一定的預拉力條件下，緊邊和松邊的拉力差有一極限值，超過此值時帶就在輪上打滑，傳動失效。 圖3-1 同步齒形帶Fig.3-1 Synchronous belt3.1 同步齒形帶的特點應用和優(yōu)缺點3.1.1 同步齒形帶的特點和應用同步齒形帶的特點和應用與普通帶傳動相比，同步齒形帶傳動的特點是：(1).鋼絲繩制成的強力層受載后變

53、形極小，齒形帶的周節(jié)基本不變,帶與帶輪間無相對滑動,傳動比恒定、準確；(2).齒形帶薄且輕，可用于速度較高的場合，傳動時線速度可達40米秒，傳動比可達10，傳動效率可達98；第三章 同步齒形皮帶輪傳動20(3).結(jié)構(gòu)緊湊，耐磨性好；(4).由于預拉力小，承載能力也較??；(5).制造和安裝精度要求甚高，要求有嚴格的中心距，故成本較高。這種帶薄而且輕,慣性效應較小，因而可用于高速傳動，其圓周速度 v 可以達到40m/s.由于不是摩擦傳動，因此小帶輪的包角可以適當減小，傳動比也可達 10，傳動效率也高達 98%99%。同步齒形帶傳動主要用于要求傳動比準確的中、小功率的傳動中,如電影放映機、錄音機、醫(yī)

54、療機械、電子計算機、儀器設備等.這種帶傳動的主要缺點是齒形帶制造復雜,安裝要求復雜且成本較高。3.1.2 同步齒形帶傳動的優(yōu)缺點同步齒形帶傳動的優(yōu)缺點 (1).工作時無滑動，有準確的傳動比同步帶傳動是一種嚙合傳動，雖然同步帶是彈性體，但由于其中承受負載的承載繩具有在拉力作用下不伸長的特性，故能保持帶節(jié)距不變，使帶與輪齒槽能正確嚙合，實現(xiàn)無滑差的同步傳動，獲得精確的傳動比。 (2).傳動效率高，節(jié)能效果好 由于同步帶作無滑動的同步傳動，故有較高的傳動效率，一般可達 0.98。它與三角帶傳動相比，有明顯的節(jié)能效果。 (3).傳動比范圍大，結(jié)構(gòu)緊湊 同步帶傳動的傳動比一般可達到 10 左右，而且在大

55、傳動比情況下，其結(jié)構(gòu)比三角帶傳動緊湊。因為同步帶傳動是嚙合傳動，其帶輪直徑比依靠摩擦力來傳遞動力的三角帶帶輪要小得多，此外由于同步帶不需要大的張緊力，使帶輪軸和軸承的尺寸都可減小。所以與三角帶傳動相比，在同樣的傳動比下，同步帶傳動具有較緊湊的結(jié)構(gòu)。 (4).維護保養(yǎng)方便，運轉(zhuǎn)費用低 由于同步帶中承載繩采用伸長率很小的玻璃纖維、鋼絲等材料制成，故在運轉(zhuǎn)過程中帶伸長很小，不需要像三角帶、鏈傳動等需經(jīng)常調(diào)整張緊力。此外，同步帶在運轉(zhuǎn)中也不需要任何潤滑，所以維護保養(yǎng)很方便，運轉(zhuǎn)費用比三角帶、鏈、齒輪要低得多。 (5).惡劣環(huán)境條件下仍能正常工作盡管同步帶傳動與其它傳動相比有以上優(yōu)點，但它對安裝時的中心

56、距要求等方面極其嚴格，同時制造工藝復雜、制造成本高。3.2 同步齒形帶的主要參數(shù)和規(guī)格 (1).齒距 齒距p為相鄰兩齒在節(jié)線上的距離。由于強力層在工作時長度不變，所以強力層的學院畢業(yè)設計（論文）說明書21中心線被規(guī)定為齒形帶的節(jié)線（中性層），并以節(jié)線的周長L作為齒形帶的公稱長度。 (2).模數(shù) m 模數(shù)定義為m=p/,使齒形帶尺寸計算的一個主要依據(jù)，根據(jù)不同的模數(shù)數(shù)值來確定帶的型號及結(jié)構(gòu)參數(shù)。在60年代該種規(guī)格制度曾應用于日、意、蘇等國，后隨國際交流的需要，各國同步帶規(guī)格制度逐漸統(tǒng)一到節(jié)距制。目前僅前蘇聯(lián)及東歐各國仍采用模數(shù)制。 (3).節(jié)距制 同步帶的主要參數(shù)是帶齒節(jié)距，按節(jié)距大小不同，相應

57、帶、輪有不同的結(jié)構(gòu)尺寸。該種規(guī)格制度目前被列為國際標準。 (4).其它參數(shù) 齒形帶的其它參數(shù)和尺寸與漸開線齒條基本相同。齒形帶齒形的計算公式與漸開線齒條不同，因為齒形帶的節(jié)線在強力層上，而不在齒高中部。齒形帶的標注方法是：模數(shù) 寬度 齒數(shù)，即m b z。 3.3 同步齒形帶傳動設計計算3.3.1 失效形式和計算準則失效形式和計算準則 同步帶傳動主要失效形式有：(1).承載繩斷裂 原因是帶型號過小和小帶輪直徑過小等。(2).爬齒和跳齒 原因是同步帶傳遞的圓周力過大、帶與帶輪間的節(jié)距差值過大、帶的初拉力過小等。(3).帶齒的磨損 原因是帶齒與輪齒的嚙合干涉、帶的張緊力過大等。(4).其他失效方式

58、帶和帶輪的制造安裝誤差引起的帶輪棱邊磨損、帶與帶輪的節(jié)距差值太大和嚙合齒數(shù)過少引起的帶齒剪切破壞、同步帶背的龜裂、承載繩抽出和包布層脫落等。在正常的工作條件下，同步帶傳動的設計準則是在不打滑的條件下，保證同步帶的抗拉強度。在灰塵雜質(zhì)較多的條件下，則應保證帶齒的一定耐磨性。3.3.2 同步齒形帶傳動注意事項同步齒形帶傳動注意事項(1).為了減小慣量，同步帶輪材料宜采用密度較小的鋁合金或塑料制造；(2).同步帶輪應直接安裝在電動機及絲杠軸上，以避免中間環(huán)節(jié)給系統(tǒng)帶來附加慣量；第三章 同步齒形皮帶輪傳動22(3).必須對同步帶輪的平行性進行調(diào)節(jié)，以防止不平行產(chǎn)生的傳動帶邊緣張力，引起傳動帶磨損；(4

59、).為了消除間隙，同步帶必須通過張力調(diào)整進行預緊。3.3.3 同步齒形帶傳動計算步驟同步齒形帶傳動計算步驟設計同步帶傳動的已知條件為：(1).需要傳遞的名義功率；(2).n1、n2 主從動輪的轉(zhuǎn)速或傳動比。具體計算步驟為： . 計算功率 Pc； . 計算模數(shù) m； . 小帶輪齒數(shù) Z1，小帶輪節(jié)圓直徑 d1；大帶輪齒數(shù) Z2，大帶輪節(jié)圓直徑 d2； . 帶速 v； . 初定膠帶節(jié)線長度 L0p 及其齒數(shù) Z； . 計算中心距 a(毫米)； . 小齒輪嚙合齒數(shù)； . 單位帶寬的離心拉力 Fc； . 帶寬 b； . 有效圓周力 Ft； 同步帶傳動具體計算步驟: 附表(供設計計算時選用)表 3-1

60、幾何參數(shù)選用表 Table3-1 Use geometric parameters 模數(shù)(m)節(jié)距(p)齒形角(a)齒高 (h)帶總高 (H)節(jié)線到齒根距離()齒頂厚 (Sa)齒根厚 (Sf)圓角半徑（r）1.54.710.91.650.3751.52.160.1526.281.22.200.502.02.870.202.57.851.52.750.6252.53.590.2539.421.83.300.753.04.310.30412.572.44.401.004.05.750.40515.71403.05.501.255.07.180.50學院畢業(yè)設計（論文）說明書23721.994.27

61、.701.757.010.060.701031.426.011.02.5010.014.371.00 表 3-2同步齒形帶的齒數(shù)、長度和寬度Table3-2 Synchronous belt teeth, length and width模數(shù) m1.522.5345710齒數(shù)Z節(jié)線長度 Lp32150.8201.135164.9219.9274.9329.940188.5251.3314.2377.0502.7628.345212.1282.7353.4424.1265.5706.9989.650235.6314.2392.7471.2628.3785.41099.61570.855259.2

62、345.6432.0518.4691.2863.91209.51727.060282.7377.0471.2565.5754.0942.51319.51885.065306.3408.4510.5612.6816.81021.01429.42042.070329.9439.8549.8659.7879.71099.61539.42199.175353.4471.2589.1706.9942.51178.11649.22356.380377.0502.7628.3754.01005.31256.61759.32513.385400.6534.1667.6801.11068.11335.21869

63、.22670.490424.1565.5706.9848.21131.01413.71979.22827.495447.7596.9746.1895.41193.81492.32089.22984.5100471.2628.3785.4942.51256.61570.82199.13141.6110518.4691.2863.91036.71382.31727.92419.03455.8120565.5754.0942.51131.01508.01885.02638.93769.9140659.7879.71099.61319.51759.32199.13078.84398.2160754.0

64、1005.31256.61508.02010.62513.33518.65026.5180848.21131.01413.71696.52261.92827.43958.45654.9200942.51256.61570.81885.02513.33141.64398.26283.2第三章 同步齒形皮帶輪傳動24寬度 b83210501260168020802510040120寬度系列8,10,12,16,20,25,32,40,50,60,80,100,120表 3-3 工作情況系數(shù)Table3-3 Coefficient of work原動機啟動載荷不超過正常載荷的 150%：鼠籠型電動機

65、，直流電動機（并激），內(nèi)燃機（8 缸）啟動載荷是正常載荷的150250% ：鼠籠型電動機，直流電動機（復激），同步電動機，內(nèi)燃機（8 缸）啟動載荷是正常載荷的250%以上：單相交流電動機，直流電動機（串激），內(nèi)燃機（4 缸）一天運轉(zhuǎn)時間（小時）工作機358101624358101624358101624機床1.21.41.61.41.61.81.61.82.0表 3-4 增速比系數(shù)Table3-4 The growth rate coefficient增速比1.001.241.241.741.742.492.493.493.49Ks00.10.20.30.4表 3-5 小帶輪最少齒數(shù)Table

66、3-5 Small pulley at least teeth模數(shù) m（毫米）小帶輪轉(zhuǎn)速n1(轉(zhuǎn)分)1.522.5;34571030001618202224表 3-6 同步齒形帶(強力層為鋼絲繩)的重量和許用應力Table3-6 Synchronous Belt (strong layer of wire) and the weight allowable stress模數(shù) m（毫米）1.522.53457學院畢業(yè)設計（論文）說明書25單位寬度、單位長度的重量 q（公斤毫米米）418 10424 10430 10435 10448 10460 10482 10單位寬度的許用拉力(公斤毫米)0.40.60.81.01.52.53.0表 3-7 同步齒形帶傳動的齒側(cè)間隙和徑向間隙的名義值Table3-7 Synchronous belt drive tooth backlash radial clearance and the name value模數(shù) m(毫米)1.522.5345710齒側(cè)間隙j00.40.50.550.60.81.00徑向間隙C00.550.690.750.821.1