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黃河科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(文獻綜述) 第 8 頁 數(shù)控銑床主傳動系統(tǒng)研究 摘要: 簡要介紹了數(shù)控銑床及加工中心的主傳動系統(tǒng)的類型和特點，重點對兩段變速主傳動變速系統(tǒng)的設(shè)計參數(shù)和特性參數(shù)進行推導(dǎo)和計算，通過分析這些參數(shù)的相互關(guān)系及其對結(jié)構(gòu)和性能的影響，得出一些有參考價值的結(jié)論。同時對數(shù)控銑床主傳動系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計相關(guān)的理論也有簡單的論述。 關(guān)鍵詞： 傳動系統(tǒng)，功率缺口，扭矩，減速比 前言 主傳動系統(tǒng)是銑床傳動系統(tǒng)的核心環(huán)節(jié)。傳統(tǒng)的銑床主傳動系統(tǒng)采用有級傳動方式， 其計算和設(shè)計方法早已有詳細(xì)論述。隨著機床技術(shù)的發(fā)展， 數(shù)控銑床和加工中心的主傳動系統(tǒng)已普遍采用無級傳動方式。盡管一些大型的機床設(shè)計手冊對無級傳動方式的分析計算和設(shè)計方法已有論述， 也已形成一些設(shè)計原則， 但機械加工對主軸無級傳動系統(tǒng)的要求多種多樣， 隨著機床技術(shù)的發(fā)展， 隨著機床產(chǎn)品設(shè)計越來越理性化， 在進行主傳動系統(tǒng)設(shè)計時需要對各主要技術(shù)參數(shù)和特性參數(shù)如高、低檔減速比、主軸額定轉(zhuǎn)速、功率損失等進行計算， 對這些參數(shù)的相互關(guān)系和相互影響以及對結(jié)構(gòu)性能的影響進行分析。文中對主傳動系統(tǒng)各主要設(shè)計參數(shù)和特性參數(shù)進行了推導(dǎo)計算和相互關(guān)系分析， 得出了一些較為適用的結(jié)論， 現(xiàn)介紹如下。同時也簡單的設(shè)計了數(shù)控機床主傳動系統(tǒng)的動態(tài)設(shè)計的相關(guān)論。 1 主軸無級傳動系統(tǒng)的特點 主軸無級傳動系統(tǒng)主要由無級調(diào)速電機及驅(qū)動單元和機械傳動機構(gòu)組成。 1.1 無級調(diào)速電機及驅(qū)動主要機械特性 無級調(diào)速電機具有轉(zhuǎn)速拐點， 即額定轉(zhuǎn)速。其特點為: 小于額定轉(zhuǎn)速的為恒扭矩范圍， 大于額定轉(zhuǎn)速的為恒功率范圍， 其特性曲線如圖1 所示。額定轉(zhuǎn)速一般有500r/min、750r/min、1000r/min、1500 r/min、2000r/min等幾種， 按照成本原則， 通常使用較多的為1500r/min。如果直接使用額定轉(zhuǎn)速為1500r/min 以上的電機而不經(jīng)過機械減速， 則輸出的恒功率范圍和低速扭矩較小， 不能滿足很多場合下的正常使用要求。 圖1.無級調(diào)速電機特性曲線 1.2 主軸無級傳動系統(tǒng)中的機械傳動機構(gòu)種類及特點 ( 1) 直接1:1 傳動 可采用電機與主軸組件直聯(lián)方式或通過同步帶傳動方式，結(jié)構(gòu)簡單， 易獲得高轉(zhuǎn)速， 但低速扭矩小， 一般只適用于高速和輕切削場合。 ( 2) 直接減速或升速傳動 常采用同步帶傳動方式， 也可采用齒輪傳動方式， 結(jié)構(gòu)簡單。對于減速傳動， 可擴大恒功率范圍和提高主軸扭矩， 但擴大和提高程度有限， 或最高轉(zhuǎn)速受到限制。對于升速傳動， 可獲得高轉(zhuǎn)速， 但縮小了恒功率范圍， 降低了低速扭矩。 ( 3) 高低檔兩段變速傳動 一般采用齒輪兩檔變速機構(gòu)， 可配合較為經(jīng)濟的額定轉(zhuǎn)速較大的無級調(diào)速電機， 既可獲得較高轉(zhuǎn)速， 又可較大地拓寬恒功率范圍， 提高低速扭矩， 適合于要求達到較高轉(zhuǎn)速且可進行較大切削量加工的場合。 ( 4) 高、中、低檔三段變速傳動 采用齒輪三檔變速機構(gòu)， 配合較為經(jīng)濟的額定轉(zhuǎn)速較大的無級調(diào)速電機， 既可獲得較高轉(zhuǎn)速， 又可大大拓寬恒功率范圍，大大提高低速扭矩， 適合于要求達到較高轉(zhuǎn)速且可進行大切削量加工的場合， 其機械性能幾乎與齒輪有級變速方式相同。但結(jié)構(gòu)復(fù)雜， 且由于采用齒輪多級傳動方式， 最高轉(zhuǎn)速受限更大，目前這種傳動方式很少采用。 從以上介紹可知， 各種傳動方式各有優(yōu)缺點， 關(guān)鍵是根據(jù)不同的使用要求選擇不同的傳動方式[1]-[3]。 1.3 關(guān)于高低檔兩段變速傳動方式 從以上分析可以看出， 采用高低檔兩段變速傳動方式， 既可獲得較高轉(zhuǎn)速， 又可較大的拓寬恒功率范圍， 較大的提高低速扭矩， 且結(jié)構(gòu)要比三段變速簡單， 因此是較為理想的傳動方式。特別是， 出于對電控系統(tǒng)價格的考慮， 我們經(jīng)常采用額定轉(zhuǎn)速為1500 r/min 主軸電機。當(dāng)選用額定轉(zhuǎn)速大于或等于1000r/min 的主軸電機， 且又要求具有較大的輸出恒功率范圍、較大的主軸低速扭矩和較高的主軸轉(zhuǎn)速， 則必須采用高低檔兩段變速傳動方式。同時可以看出， 高低檔兩段變速傳動方式的計算和設(shè)計要比直接傳動方式復(fù)雜得多。不同的參數(shù)選擇可導(dǎo)致機械性能的不同， 并適應(yīng)于不同的使用要求。因此， 導(dǎo)出各設(shè)計參數(shù)的計算公式， 分析各參數(shù)選擇對機械性能的影響， 分析參數(shù)選擇與結(jié)構(gòu)設(shè)計的關(guān)系， 這對于主軸無級調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計， 對于如何通過計算和設(shè)計達到數(shù)控機床的預(yù)定的技術(shù)要求， 實現(xiàn)較好的制造工藝性和性能價格比， 將具有重要的意義。 2 高低檔兩段變速傳動系統(tǒng)的計算和分析 高低檔兩段變速傳動機構(gòu)具有多種形式， 但其分析計算是一樣的。在進行機床產(chǎn)品設(shè)計時， 一般情況下， 是根據(jù)產(chǎn)品定位、用途、技術(shù)要求等因素， 確定主電機功率及其額定轉(zhuǎn)速、主軸最高轉(zhuǎn)速、主軸最大扭矩等主要參數(shù)， 再根據(jù)這些主要參數(shù)和結(jié)構(gòu)要求特點， 計算和確定主傳動高檔和低檔減速比， 及確定其它參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)， 進行結(jié)構(gòu)設(shè)計。由于采用兩檔傳動方式， 可能會產(chǎn)生在一定速度范圍內(nèi)功率損失的現(xiàn)象， 這就是所謂的功率缺口。盡可能降低功率缺口也是確定主傳動高檔和低檔減速比的主要依據(jù)之一。 2.1 高低檔減速比計算 a) 低檔減速比計算： i1= Mm／（μMd0） （1） 其中：i1——— 低檔減速比 Mm———主軸最大扭矩 Md0———主電機額定扭矩 μ——— 傳動機構(gòu)機械效率 b) 高檔減速比計算： i2= n sm／n m （2） 其中： i 2——— 高檔減速比 n sm———電機使用最高轉(zhuǎn)速 n m———主軸最高轉(zhuǎn)速 2.2 主軸額定轉(zhuǎn)速計算 主軸額定轉(zhuǎn)速n om： n om = n od／i 1 （3） 其中： n om——— 主軸額定轉(zhuǎn)速 n od——— 電機額定轉(zhuǎn)速 2.3 功率損失或功率缺口計算 高低檔的分界點轉(zhuǎn)速ng： ng= n sm／i 1 （4） 在高檔轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)， 主軸最大扭矩Mm2： Mm2=μi2Mdo 故對應(yīng)于分界點轉(zhuǎn)速，主軸輸出功率處于最低狀態(tài)， 最低功率P j： （5） 經(jīng)高低檔變速后，主軸機械特性如圖2 所示。 圖2主軸機械特性曲線 功率損失ΔP: ΔP = P0- P j （6） 其中： P0 為主電機功率 功率損失比率λ: λ= ΔP∕P0= (P0- P j)/P0=1- P j/P0=1- 1/α 其中:α= P0∕P j ( 7) 我們稱α 為功率缺口， 顯然α≥1， P j 越小， 則α 越大，即功率缺口越大。 2.4 功率缺口轉(zhuǎn)速范圍計算 參見圖2: n02= n0d/i 2 ( 8) 功率缺口轉(zhuǎn)速范圍n: Δn=n02- ng （9） 將式(4)式(8)代入式( 9) ， 得: Δn = n 0d/i2-nsm/i1 (10) 2.5 參數(shù)選擇綜合分析和確定 以上算式反映了各主要技術(shù)參數(shù)的關(guān)系， 對設(shè)計參數(shù)選擇、技術(shù)特性分析、結(jié)構(gòu)設(shè)計和分析具有重要作用。 ( 1) 低檔減速比對機械特性的影響和減速比選擇 根據(jù)式( 1) ， 低檔減速比由主軸最大扭矩和電機最大扭矩決定。主軸最大扭矩越大， 則低檔減速比越大； 反過來， 低檔減速比越大， 則主軸最大扭矩越大。同時， 根據(jù)式( 3) ， 低檔減速比越大， 則主軸額定轉(zhuǎn)速越小， 即恒功率范圍就越擴大。但根據(jù)式( 5) 、( 6) 、( 7) ， 低檔減速比越大， 則功率損失或功率缺口越大。所以必須綜合考慮和分析， 選擇較大的低檔減速比， 以保證得到較大的主軸最大扭矩和恒功率范圍， 但低檔減速比又不能太大， 否則功率損失太大， 影響機床機械特性的程度大， 達不到正常使用要求。一般選擇低檔減速比為3.5~5 較為合適， 具體選擇要綜合根據(jù)具體技術(shù)要求和使用要求而定。 ( 2) 高檔減速比對機械特性的影響和減速比選擇 以往的技術(shù)文獻對高檔減速比的分析極少，只簡單指出高檔減速比一般為1。根據(jù)式( 5) 、( 6) 、( 7) ， 高檔減速比越大， 則功率損失越小； 同時根據(jù)式( 3) 和式( 10) ， 高檔減速比越大， 則功率缺口轉(zhuǎn)速范圍越小。所以， 高檔減速比大對機械特性是好的。但也是根據(jù)式( 2) ， 在主軸最高轉(zhuǎn)速一定的情況下， 高檔減速比越大， 則電機使用最高轉(zhuǎn)速也越大。我們知道， 在進行設(shè)計選擇時， 不一定選擇到電機真正的最高轉(zhuǎn)速， 至于選擇多大， 要進行綜合分析。從以上分析可知， 電機使用最高轉(zhuǎn)速越大則對機械特性越好，但電機使用最高轉(zhuǎn)速越大， 對機械結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和機械加工精度要求也越高， 成本增加，經(jīng)濟性降低在一定程度上成為矛盾。所以一般選擇高檔減速比為1~1.5而不必限制為1。 ( 3) 功率缺口的分析 根據(jù)式( 5) ， 在電機特性和主軸最高轉(zhuǎn)速確定后， 最低功率與高、低檔減速比有關(guān)。選擇大的高檔減速比和小的低檔減速比， 則最低功率就越大， 即功率損失就越小。但從以上的分析也已知道， 高檔減速比大則對機械結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和機械加工精度要求就高； 低檔減速比小， 則會導(dǎo)致主軸最大扭矩小和恒功率范圍小， 影響機械特性。這是一個矛盾。我們可以加大主電機額定功率來彌補功率損失的影響， 這樣又會加大成本。所以， 在一般情況下， 是允許功率缺口存在的， 允許功率缺口的大小視具體使用要求和技術(shù)要求而定， 一般為不大于1.2~1.5， 特殊情況下可以大些 [4]-[7] 。 3 數(shù)控機床主傳動系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計的發(fā)展 數(shù)控機床的機械結(jié)構(gòu)主要由傳動系統(tǒng)、支承部件、分度臺等部分組成. 傳動系統(tǒng)的作用是把運動和力由動力源傳遞給機床執(zhí)行件， 而且要保證傳遞過程中具有良好的動態(tài)特性. 傳動系統(tǒng)在工作過程中， 經(jīng)常受到激振力和激振力矩的作用， 使傳動系統(tǒng)的軸組件產(chǎn)生彎曲振動和扭轉(zhuǎn)振動， 影響了機床的工作性能. 隨著機床切削速度的提高和自動化方向的發(fā)展， 傳動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成越來越簡單， 但對其機械結(jié)構(gòu)性能的要求卻越來越高，因此， 傳統(tǒng)的靜強度設(shè)計方法遠(yuǎn)遠(yuǎn)達不到要求. 為了保證金屬切削機床高效地加工出高精度的產(chǎn)品零件， 機床的傳動系統(tǒng)就必須具有較高的剛度和抗振性能， 以提高傳動的準(zhǔn)確性和加工的穩(wěn)定性.因此， 本文使用動態(tài)優(yōu)化的方法， 將提高機械結(jié)構(gòu)的剛度作為設(shè)計校核的目標(biāo)， 對機床的傳動系統(tǒng)進行設(shè)計.目前， 動態(tài)設(shè)計的優(yōu)化正處于發(fā)展與完善階段， 其設(shè)計方法可分為3 類: 基于模態(tài)柔度和能量平衡的動態(tài)優(yōu)化設(shè)計、基于變分原理的的動態(tài)優(yōu)化設(shè)計和基于最小值原理的動態(tài)優(yōu)化. 本文基于傳遞矩陣法的思想建立數(shù)控銑床的主傳動系統(tǒng)的集中質(zhì)量模型， 并應(yīng)用模態(tài)柔度和能量平衡原理優(yōu)化了主傳動系統(tǒng)[8]-[9]。 4 結(jié)束語 在進行數(shù)控銑床或加工中心的兩段變速主傳動系統(tǒng)設(shè)計時， 必須對主要設(shè)計參數(shù)、機械特性和使用要求進行綜合考慮和分析， 既要實現(xiàn)好的機械特性和滿足使用要求， 又要滿足制造工藝性和適應(yīng)經(jīng)濟性要求。據(jù)經(jīng)驗一般取高檔減速比為1~1.5； 低高檔減速比為3.5~5； 功率缺口一般為不大于1.2～1.5。 傳動系統(tǒng)在工作中主要是扭轉(zhuǎn)振動， 用傳遞矩陣法建立傳動系統(tǒng)的集中質(zhì)量模型， 是通過將軸上的零件， 轉(zhuǎn)化為慣性元件， 而將軸轉(zhuǎn)化為彈性元件和慣性元件的組合， 并將各軸轉(zhuǎn)化的慣性元件， 平均分配到各個軸的兩端， 最后， 將慣性元件和彈性元件一同轉(zhuǎn)化到輸出軸上， 建立傳動系統(tǒng)扭轉(zhuǎn)傳遞矩陣模型， 來分析其扭轉(zhuǎn)振動. 與有限元模型相比較， 在滿足工程需要的同時， 能夠養(yǎng)活對計算機容量的需求。運有模態(tài)柔度和能量平稀奇原理， 通過對傳動系統(tǒng)模態(tài)柔度和能量分布率的計算結(jié)果的分析， 表明了動態(tài)優(yōu)化設(shè)計的目標(biāo)和變量， 找出需要修改的結(jié)構(gòu)部位和參數(shù)。 通過高速主軸的跨距、懸伸量、內(nèi)外直徑和主軸長度， 改變慣性元件和彈性元件的參數(shù)， 達到對整個傳動系統(tǒng)進行動態(tài)設(shè)計的目標(biāo) [10]-[12]。 參考文獻 [1] 現(xiàn)代實用機床設(shè)計手冊編委會. 現(xiàn)代實用機床設(shè)計手冊[M]. 北京機械工業(yè)出版社，2006. 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