關于數控龍門銑床主傳動系統的設計研究

何曉峰（浙江日發精密機械股份有限公司,浙江　新昌　312500）

關于數控龍門銑床主傳動系統的設計研究

何曉峰
（浙江日發精密機械股份有限公司,浙江新昌312500）

摘要：作為銑床工作的關鍵部分，主傳動系統的良好設計對于保證數控龍門銑床的正常工作具有重要作用。本文首先介紹了數控龍門銑床主傳動系統調速方式，然后具體探討了數控龍門銑床主傳動系統的設計，以期為相關技術與研究人員提供參考。

關鍵詞：數控龍門銑床；主傳動系統；設計

在通用銑床內部，主軸箱內的齒輪傳動需長期保持高荷載和高速的運行，其傳動精度會在很大程度上對機床加工精度產生影響。而傳動齒輪在切削時很可能會因高速或重載問題出現過大的噪聲和振動，由此造成主傳動系統部件損壞，進而干擾機床切削精度。如何做好數控銑床主傳動系統的優化設計，已成為機床加工企業面臨的重大課題。因此，加強有關數控龍門銑床主傳動系統的設計研究，對于改善數控龍門銑床加工質量具有重要的現實意義。

1　數控龍門銑床主傳動系統調速方式

數控龍門銑床主傳動系統可采用多種配置方式，應用比較廣泛的是無級變速系統與分級變速系統。為使數控龍門銑床獲得更大的加工轉速范圍，主傳動系統通常選用無級變速方式，以確保在固定的調速范圍內可選用經濟科學的主軸切削速度。主軸無級傳動系統機械傳動機構種類可分為以下幾種：

（1）高低檔兩端變速傳動：通常選用齒輪兩檔變速機構，可與相對經濟的額定轉速較高的無級調速電機相配合，不僅能得到較大的轉速，且能有效拓展恒功率范圍，以改善低速扭矩。此種結構方式在需要較高轉速且能實行較大切削加工的區域比較常用。

（2）直接升速或減速傳動：一般選用同步帶傳動方式，同時還可選用齒輪傳動方式，結構相對簡化。在升速傳動時，可得到較高轉速，但恒功率范圍相對較小，低速扭矩也相對減小；在減速傳動時，恒功率范圍與主軸扭矩均可獲得提升，但擴展程度相對有限，或最高轉速容易受到約束[1]。

（3）高、中、低檔三段變速傳動：選用齒輪三檔變速機構，與經濟性較高的高額定轉速無機調速電機結合使用，不僅能提升轉速，且能較大程度擴展恒功率范圍，提升低速扭矩，在需要高轉速且可實行大切削量加工的區域比較常用，其機械性能與齒輪有級變速方式基本一致。但此種結構相對復雜，且因選用齒輪多級傳動方式，最高轉速容易受到限制。

（4）直接1:1傳動：可選用同步帶傳動方式或電機與主軸組件直聯方法，結構相對簡化，容易大大高轉速，但低速扭矩相對較小，近在高速與輕切削區域適用。

因不同傳動方式有不同的使用范圍及優缺點，在實際應用中應依據加工要求及使用標準選用恰當的傳動方式。

2　數控龍門銑床主傳動系統設計

2.1選定系統模型元件

（1）彈性元件：彈性元件指的是兩個等效圓盤間的軸段，其自身的扭轉剛度會對系統產生不同長度的影響，軸段的轉動慣量可與剛性圓盤進行疊加，依照扭矩及扭轉角公式可得出軸的扭轉剛度。

（2）慣性元件：慣性元件指的是不同軸及軸上的卡盤、齒輪、直徑較大凸緣及皮帶輪等部件。在傳動系統出現扭轉振動過程中，其主要作用在于利用自身的轉動慣量對系統動力進行動作。一根軸上的慣性元件，可將其全部集中在軸的兩端，以構造出兩個等效圓盤，不考慮其扭轉變形，并把它假設為剛性圓盤，形影的轉動慣量可表示為：

其中m表示等效圓盤的質量；I表示轉動慣量；ρ表示等效圓盤的等效直徑。

不同軸段的質量及軸段轉動慣量是影響扭轉振動的主要因素，所以，把各軸段的傳動慣量對半分別布置在兩剛性圓盤上。

2.2傳動方案確定

依據數控龍門銑床加工特點，可選用兩箱分離傳動結構。此種傳動結構是指先分解主軸傳動部分結構，然后利用兩箱結構對主軸箱和減速箱進行定義。在對兩箱結構分離后，可保證主軸不會對由傳動產生的熱量和振動進行傳到，由此可避免因主振動造成的熱變形，由此確保加工精度。此外，可進一步簡化主軸箱齒輪結構，進而降低箱體震動引發的噪音和振動。皮帶傳動條件下，可對機構傳動鏈進行精簡，以改善工作可靠性和穩定性，提高加工效率。低速轉動的主軸則主要利用電控繼電控制的背輪機構實施驅動，其可形成更大的扭矩，以滿足高切削用量的加工標準。

2.3傳動系統軸設計

（1）選定滾動軸承：使用滾動軸承可對載荷與轉速有更強的適應性，可在負間隙或零間隙狀態下卻熬旋轉剛度與精度。主軸軸承選用需同時考慮承載力與轉速。為確保主軸剛度，前端支撐軸承應采用雙列向心短圓柱滾子軸承，后支承應使用雙列短圓柱滾子軸承。

（2）傳動軸設計：在設計傳動軸時應注意保留充足的剛度和強度。為保證數控機床運轉過程的穩定性，在設計時也應考慮相應的精度標準。在軸承與軸上齒輪正常工作時，為避免振動發熱影響軸的磨損，應利用扭轉剛度對軸直徑進行計算。

2.4傳動機構設計

依據銑床齒輪設計標準對齒輪組齒數進行確定，設計時應確保輸出軸轉速誤差盡可能小，同時恰當安排空間機構。依據傳動性能要求，齒輪齒數應控制在18～20個范圍內，高速齒輪齒數應高于25。若在相同變速組內，相同模數，同時齒輪選用非變位齒輪，則齒輪組齒數和應保證相同；若不同模數，且齒輪選用非變位齒輪，則齒輪模數應與齒數成反比。

3　結束語

主傳動系統的設計質量將直接關系數控龍門銑床的運轉精度和可靠性，因此，相關技術與設計人員應加強有關數控龍門銑床的主傳動系統設計，總結系統設計要點及關鍵部位優化措施，以逐步提升銑床主傳動系統設計水平。

參考文獻：

[1]于亮.大型數控龍門銑床主軸柔性傳動系統優化設計方法研究[D].沈陽工業大學,2013.

[2]馬祥英,蘇遠彬.數控銑床主傳動系統的分析計算與設計[J].裝備制造技術,2007,08:41-43.

[3]王泉霖.龍門銑床結構分析及優化設計研究[D].長春工業大學,2012.

作者簡介：何曉峰（1984-），男，浙江紹興人，本科，主要從事：機械設計。