數控機床主傳動系統(tǒng)的設計與應用

數控機床是計算機技術與自動化技術結合下的產物，是在普通機床的基礎上得來的，數控機床需要根據指令完成工作，能夠提高生產效率與生產質量，降低成本。數控機床在機械制造業(yè)中得到了廣泛的應用，能夠減少工作人員的工作量，在生產零件的過程中實現自動化操作，對零件進行批量生產，實現機械制造業(yè)的產量目標，為機械制造業(yè)的發(fā)展帶來機遇。主傳動系統(tǒng)作為數控機床控制系統(tǒng)中的主要組成部分之一，關系到機床運行的好壞，因此，必須對主傳動系統(tǒng)進行科學化設計與合理性優(yōu)化，保證數控機床主傳動系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。

1  數控機床主傳動系統(tǒng)的設計路線

分級變速主傳動系統(tǒng)設計與無級變速主傳動系統(tǒng)設計首先需要進行功能的確定，確定加床加工的能力、主軸極限轉速的能力以及主傳動系統(tǒng)的方式等，其中主軸極限轉速功能的確定非常重要。分級變速傳動設計需要確定主軸轉速公比以及齒輪數量；而無級變速系統(tǒng)設計首先需要先選擇電機，然后再進行確定公比。如圖1所示。

2  數控機床主傳動系統(tǒng)設計方法

2.1  分級變速主傳動系統(tǒng)

在數控機床主傳動系統(tǒng)中，采用等比數列的方式表示轉速數列，公式為：

公比為，n表示轉速。為了方便系統(tǒng)的設計，需要使用雙速電機，在等比數列中數量需要按倍數遞增，公比=1.06,1.26,1.12，如表1所示，確定范圍之后能夠得出公比與級數之間的關系式：

在分級變速系統(tǒng)中，主要的組成就是傳動組，傳動組采用串聯的方式得到不重疊的等比數列，根據結構將每一個傳動組中的傳動系統(tǒng)進行設定，p<4。齒輪傳動的運動方式會受到噪聲的影響，在降速時會受到徑向尺寸的限制，所以在機床中的齒輪傳動比u的范圍為1/4<u<2，r=6。數控機床中分級變速主傳動系統(tǒng)需要遵循一定的原則，傳動鏈盡可能的減少，因為這樣能夠使傳動的軸數與零件數相對減少，提高傳動運動的效率，主電機的轉速要合理，盡量接近主軸轉速；傳動組的變速級數要合理安排，通常情況下在傳動組中變速級數較多的安排在前面，變速級數較少的安排在后面。當在傳動功率時要根據轉速的多少進行傳動，如果扭矩越小說明尺寸越小，結構也比較緊湊；根據傳動的順序盡量縮短變速的范圍，使后面的變速范圍進行量小，傳動組的最小傳動比值要進行增大，通過合理的安排能夠減少傳動組件的尺寸。

2.2  無級變速主傳動系統(tǒng)

無級變速主傳動系統(tǒng)作為數控機床主傳動系統(tǒng)的重要組成，能夠實現無級調速，在負載的情況下進行隨時變速，對切削量也能隨時更改，以免發(fā)生振動；簡化齒輪變速箱能夠降低成本提高傳動系統(tǒng)的穩(wěn)定性。機床主軸的變速范圍R_n中的最低轉速與計算轉速之間存在一定聯系，計算轉速與最高轉速之間變速范圍為：R_n=R_M·R_N

其中，R_M是最低轉速與計算轉速之間的范圍；R_N是計算轉速與最高轉速之間的范圍。

電動機調速范圍包含恒扭矩與恒功率兩部分，公式為：

R_D=R_DM·R_DN

R_D表示電動機的調速范圍；R_DM表示恒扭矩的范圍；R_DN表示恒功率的范圍。

電動機的調速范圍一般在2~3左右，這樣的范圍無法滿足機床設計中對恒功率的需求，需要擴大齒輪變速箱提高恒功率的范圍。公比，說明計算轉速與最高轉速全部為恒功率，如果在缺口的范圍內進行轉速

3  數控機床主傳動系統(tǒng)設計規(guī)范

為了便于機床設計者能夠準確的進行設計，需要對數控機床主傳動系統(tǒng)進行整理，使其在設計的時候能夠更加的規(guī)范與準確。設計的規(guī)范如下：（1）數控機床的極速轉速的范圍要進行確定；從標準公比中選擇合適的公比進行計算，并根據計算的結果調整變速的級數；（2）對于公比而言，在進行選擇時注意，大型機床以及自動化程度較高的數控機床選擇的公比范圍在1.12-1.26之間，如果機床的變速范圍比較大則公比的范圍要在1.41之間，小型機床結構簡單，公比盡量控制在1.6之間。根據機床主傳動的特點確定結構，并繪制出轉速結構圖。（3）無級變速主傳動系統(tǒng)需要根據數控機床的轉速要求進行參數的確定，然后確定傳動比，繪制出扭矩圖。

4  數控機床主傳動系統(tǒng)中主軸跨距優(yōu)化設計

4.1  主軸跨距優(yōu)化設計

在主軸中，對動靜態(tài)特定影響較大的就是支撐跨距，根據合理的跨距需要對主軸的性能進行研究，對主軸跨距進行優(yōu)化，為主軸設計提供設計依據。在圖2中，在一定的理論基礎上建立的車床主軸參數化模型，能夠得出最佳的設計優(yōu)化結果，通過對模型進行優(yōu)化之后能夠對主軸跨距設計有一個清晰的認識。跨距優(yōu)化理論中需要對主軸靜的剛度進行計算，通過有限元建模的方式確定有限元的方法和理論支撐。

4.2  主軸靜剛度

主軸靜剛度在整個主軸部件中非常重要，主軸的靜態(tài)力在主軸結構中是固定的，主軸靜剛度是在不斷的變化的，根據用力的位置與方向確定變化的位置，通常情況下主軸靜剛度主要是在靜扭矩發(fā)生作用力，與主軸在力的方向上發(fā)生變化，公式為：

表示在作用力上的變形量。

力作用的方向是根據主軸線的方向決定的，通過上述公式進行分析，能夠確定主軸剛度的靜扭矩是在P的作用下產生的。作為主軸在扭矩中的轉角，對于數控機床而言，主軸的徑向剛度要比扭轉的剛度重要。因此，主軸的結構需要滿足徑向剛度的需求，如果主軸靜剛度不足的話會影響數控機床的性能與精度，零件會發(fā)生尺寸以及形狀的變化，影響主軸部件中軸承的工作，降低機床的工作性能與使用壽命，通過會影響到機床的抗震性能，在切削的過程中會發(fā)生震顫，影響加工的質量，同時也會限制機床的功率與生產效率。

4.3  球軸承剛度

隨著數控機床的廣泛應用，國內外的專家學者對中球軸承的特性進行了大量的研究，球軸承在運動的過程中較為復雜，特別是在高速角接觸球軸承時會表現出運動的復雜性，再進行特性分析時存在一定的難度，高速球軸承的特性包含的知識很多，有動力學、靜力學以及材料學等。球軸承表面看起來較為簡單，其內部的結構非常的復雜，球軸承的與軸承之間存在一定的聯系，比如軸承的承載能力會影響球軸承接觸角以及使用壽命。在球軸承的幾何結構中，分析球滾動時球體與滾道的接觸點，當發(fā)生接觸之后內圈與外圈的半徑。

節(jié)圓直徑為：

d_m=（d+D）/2

D與d表示的是圓軸承的內徑和外徑。

吻合度指的是橫截面內球的半徑與套圈的半徑比，球軸承的承載能力通常是由球滾動體與套圈滾動的吻合度決定的，因此吻合度為：

當球軸承在沒有載荷能力進行游隙時，軸向會預緊，滾動體與滾道發(fā)生接觸會形成一定的角度，產生的傾斜角度不能等于0，此時的傾斜角就是接觸角，接觸角在初始時主要是由滾動體與內外滾道的接觸點進行運動的，形成的夾角是垂直于軸承旋轉軸線的徑向平面，公式為：

當a=0°時，球軸承為深溝；當a大于0°但是小于45°時，為角接觸球軸承；當a在45°到90°的區(qū)間內時，被成為推力角接觸球軸承；當a是直角時為推力球軸承。

球軸承的承受能力主要是通過球滾動體與內外圈滾道之間的接觸形成的，對球軸承進行接觸形態(tài)的分析非常重要，根據球軸承與套圈滾道之間的狀態(tài)定義球軸承的空間接觸點，沒有施加任何力時與O點發(fā)生接觸，當施加力后與Q發(fā)生接觸，兩部分接觸后會根據點向外擴散形成一個橢圓，當受到載荷的作用時接觸區(qū)域中的應力具有局限性，應力與接觸點O之間的距離會逐漸減小。球軸承的所有變形在材料的范圍之內屬于彈性變形；忽略切應力的影響，與載荷形成直角；接觸面的尺寸會根據受載物體以及接觸面的曲率半徑隨之減小。當滾動體與套圈內外滾道接觸后，會與套圈滾道發(fā)生變形，根據赫茲理論建立方程式：

物體接觸后得到變形量：

4.4  主軸跨距計算方法

主軸作為數控機床重要的部件之一，與主軸相鄰的兩個支承作用點之間的距離為跨距，在加工機床的過程中，質量的好壞直接影響主軸部件的性能，在進行主軸部件設計時選擇會計非常關鍵，如果跨距選擇不合理會在外力的作用下影響機床加工的性能，甚至會造成機床出現振動。為了避免因為跨距選擇不合理引起的進度與光潔度的不合格，確定合理的支撐跨距是設計的關鍵。在實際的加工過程中主軸前端與后端都會承受作用力引起軸端變形，根據實際的情況對主軸受力建立模型，將力進行分解，分別分散在兩個不同水平的平面上，并對兩種情況進行討論。

對主軸支撐跨距進行確定，當兩個支撐主軸跨距受到切削力的作用下，主軸與支承都會發(fā)生不同程度的變形引起主軸位置的變化。當主軸本身出現變形后會與軸承引起的位移相互重疊，主軸前端的位移為：

F為切削力；K表示剛度；y表示剛性支承。

主軸變形與主軸結構參數在主軸懸伸量a與F的作用下，主軸本身會發(fā)生變形，引起軸端的移動，然后隨著y₁與L的增大而不斷增大，從而形成一種線性關系。但是因為支撐變形引起的軸端位移y₂會隨著L的加大不斷減小，從而形成一種雙曲線的關系，主軸端部總位移會根據L的加大發(fā)生變化，先逐漸的減小然后在慢慢增大，主軸直徑與懸伸量的配置確定之后會對主軸的剛度進行計算。當支撐跨距L的函數存在方程式的關系時，需要有一個最佳的支撐跨距，y=y_min，表示主軸端部的位移最小。

5  結語

數控機床主傳動系統(tǒng)作為數控機床中關鍵的核心部件之一，對于數控機床的運行以及節(jié)能方面具有重要意義。根據系統(tǒng)設計的具體要求對主傳動系統(tǒng)進行優(yōu)化設計，保證系統(tǒng)的工作效率以及工作質量，實現數控機床的應用價值。

本文來源：《企業(yè)科技與發(fā)展》：http://m.00559.cn/w/qk/21223.html