机床结构的总体设计

曲成++王天东

摘 要：随着汽车、国防、航空、航天等工业的高速发展以及铝合金等新材料的应用，对数控机床加工的高速化、高精度化要求越来越高。本文通过一系列计算确定了数控立式车床的动力参数，完成其传动机构的设计。

关键词：机床总体布局；传动结构

1.确定机床的总体布局

车床主运动为电机通过三级齿轮传递扭力带动卡盘旋转，切削运动为刀架自身的升降进给和刀架在横梁上的水平进给。机床底座和主轴可以保证卡盘在水平面受到5个自由度的约束，因此C轴的旋转运动作为主运动并带动零件的旋转。机床的这种运动结构可以保证机床的整体刚度，主轴采用实心阶梯圆柱结构，51196轴承和NN3080轴承可以保证卡盘的平面度和同轴度在允许的公差范围内。同时，机床的进给都是采用精密滚珠丝杠伺服电机带动，这些都可以保证切削的稳定性，从而提高了机床的抗震性能。采用倾斜的钣金作为隔离方式，使切屑不直接与机床本体接触，而直接落入排屑器中，以防止给机床带来额外的热变形，内部主轴轴承和齿轮产生的热量将采用液压油喷射冷却。最有效的减少噪声方法是减少齿轮的齿距偏差和一齿切向综合偏差。本文所设计的机床采用3级齿轮传动，减少了传动链的长度；使齿轮精度和重合度有所提高，并减少噪声。

2.主传动电动机功率的确定

主运动为旋转运动的机床，主运动的运动参数为主轴转速。由于主运动的结构和运动参数尚未确定，而各传动件的结构参数都是根据动力参数设计的。如果动力参数选取过大，传动件的结构尺寸就大，机床就笨重，除增加制造成本外，机床工作中空载功率增加，造成电力浪费；如果动力参数选取过小，机床传动链及电动机长期超载工作，影响机床的使用寿命。通常动力参数是在调查研究、统计分析的基础之上，结合计算分析，类比确定。电动机功率按下式估算：

式中：PE为主传动电动机功率，kW；Fz为主切削力，N；η为主传动链的总效率；v为切削速度，m/min；

本文设计的机床经计算主传动电机功率不低于37kW。

3.主传动电动机功率的选择

步进电机是一种用脉冲信号进行控制、并将电脉冲信号转换成相应的角位移的执行器，通过改变电机的频率就可以调节电机的转速。但是，步进电机的最大缺点在于其容易失步，特别是在大负载和速度较高的情况下失步更容易发生。此外，步进电机的耗能比较多，速度也相对较低，且随着功率的增大，移动速度反而越低，故主要用于速度与精度要求不高的经济型数控机床及旧机床设备的改造。但是，随着近年来的恒流斩波驱动、PWM驱动、细分驱动及它们的综合应用，使得步进电机的性能将提高到一个新的水平，并将以极佳的性能得到广泛的应用。直流电机具有优良的调速性能。因此，其在调速性能要求较高的场合使用较为广泛。但是由于直流电机的电刷和换向的磨损，有时会产生火花，换向器由多种材料制成，制作工艺复杂，电机的最高速度受到限制，且直流电机结构复杂，成本较高，所以在使用上受到一定的限制。交流伺服电机已逐渐取代直流伺服电机。选择合适的电动机不仅需要综合考虑其性价比，还要根据客户的需求选择合适的伺服系统并与之相匹配的电机。所选电机的最大转速为nmax=4500rpm。

4.传动机构及动力参数的确定

机床的传动结构反映着机床的传动效率、机床整体尺寸大小和内部空间结构等。同时机床的传动结构还应能传递足够的功率和转矩，要有良好的人机关系。比如传统的立式车床单独设计变速箱，变速箱可以整体装入机床，并且在机床内部通过锥蜗齿轮互相配合，通过轴I传递力矩使工件做旋转运动，而变速箱是通过外挂的电机经V带传递力矩给变速箱。其变速箱内部齿轮传动结构是通过齿轮的滑移来提供多种变速级数，结构比较复杂。这种机床基本上能满足一些转速及精度一般的场合，特别一些中小企业专门批量的粗、半精加工大型零件时，因为机床比较经济实惠，且能够满足要求，而能够采购。同时，随着交流变频调速技术进入实质性应用阶段，这种机床若利用正弦脉宽调制技术、矢量控制技术等，可以实现无级调速，这也是数控机床常用的调速方式，加工精度也能得到保证，所以能够适应市场的需求。设计的机床要满足较大尺寸零件的精加工要求，还要从外观上考虑减少空间结构，采用西门子伺服系统，所以采用三段式内部齿轮传动方式。此种方式在很多机床厂都已广泛应用，精度、转速都能够达到预期目标，可以实现数据的通信，其结构也相对紧凑。其传动结构如图4.1所示。

图4.1 机床传动结构

（1）傳动比的计算

根据加工零件的精度需求和各传动轴承所能承受的最大转速，现选择参数如下：根据卡盘轴承选择最大承载转速为nw=430rpm

总传动比为：i=nMax/nw=4500/430=104

可选主传动的传动比为：i1=d1/d2=4.3

减速机构传动比：i'=i/i1=10.47/4.3=2.435

高速级：

低速级：

各传动轴的转速、输入功率以及输入扭矩均可通过计算得出。

由于本机床的主运动为旋转运动，传动件传递的转矩不仅与切削力有关，而且与工件的半径有关。按照工艺需求，加工某一工件时，粗加工时采用大背吃刀量、大进给量，即较大的切削力矩，低转速；精加工时则相反，转速高，切削力矩小。工件或刀具尺寸小时，同样的切削面积，切削力矩小，主轴转速高；工件或刀具尺寸大时，切削力矩相对较大，主轴转速则低。由于转矩与角速度的乘积是功率，因而主运动是旋转运动的机床维持功率近似相等，属于恒功率传动。因此，各传动轴的转速、输入功率以及输入扭矩等都是传动机构设计计算的必要条件。

结论

本文通过一系列计算确定了数控立式车床的动力参数，完成其传动机构的设计，本文所采用的方法，同样适用其他具有相似结构和功能的机床总体结构的设计。

参考文献

[1]杨国艳，赵晓明，许黎明.高速铣削加工中进给量和进给间隔对表面粗糙度的影响（J）.上海交通大学学报，2005，39（1）：108.1 12.