浅析数控机床主传动系统设计应用

2019-10-21张治彬

中国电气工程学报 2019年5期

张治彬

内容摘要：先进的数控机床在生产中能提供更高的精度和效率以及节省大量人工成本，降低次品率。数控机床在现代的大型生产活动中已经成为了必然的方向.本论文主要对数控机床的主传动系统进行设计，研究了包括传动带，轴承，齿轮的选材，结构设计等内容，并进行了相关计算。其中设计的主要方法是先根据实际情况以及专业知识初定机械的相关数据，然后在通过这些数据进行校核计算，当所有的参数都确定之后便可以进行相应的加工装配调试工作。

关键词：数控机床，传动系统，机械设计

1.数控机床主传动系统的研究背景

数字控制机床简称数控机床，是以数字化的电脑程序代替人工操作来控制机床加工零件。数控技术是一门新技术，他的前身是电子技术和机械技术的结合体。其中电子技术的延伸——控制系统是数控加工的核心[4]。

在我国数控机床迅速发展的同时，也要注意到技术受制于人，没有自主创新能力等等问题。在数控系统领域我们拥有的自主知识产权非常少。就像目前美国禁止出口中兴芯片这件事一样，缺乏核心技术就很容易受制于人。这些问题严重制约了数控机床以及数控加工产业向高端发展。

在普通机床上进行生产加工时要求操作者按照特定的工艺流程和工序来加工零件，数控机床不需要工人直接对零件进行加工操作，而是机床本身按照存储在控制系统中的信息来对零件进行不同工序的加工。工人的工作是对数控机床进行简单设定，大大减少了繁杂的体力劳动，提高了生产效率。

数控机床主传动系统是用来将主电机的动力传递到切削刀具，为其提供切削零件所需要的切削速度和力矩。数控机床加工零件类型，以及电机的安装位置、类型不同，传动系的组成和布置形式也会随之发生变化。

为了提高精度还需要主轴满足较高的刚度以及尽可能的防止震动。主轴要有较大的功率和扭矩。主轴需要的调速范围较宽，因为生产过程中情况的复杂多变，没有较宽的调速范围就无法选择合适的切削速度和扭矩。

2.数控机床的优缺点及本文主要研究内容

2.1优点：数控机床的加工精度高，加工质量好，并且重复精度高。只要修改零件加工程序就能改变零件的尺寸和形状，这大大提高了工厂改进工艺的效率，适用于新产品研制和改型。小批量的生产情况下生产效率高，可以减少生产的时间。总的来说，采用数控机床加工能极大的提高我国工业生产的效率，创造价值。

2.2缺点：维修人员需要具有比较高的文化技术水平，一般操作数控机床都需要有一定的文化基础，并且机床设备费用昂贵。由于投入较高，所以不适用于普通的小作坊式生产。

2.3本文主要探讨了数控机床主传动系统从需求分析到选择材料，设计计算，验算校核，最后确定具体数据投入生产的过程。

2.4本文采用循序渐进的方法，从最初的需求出发，一步步的做出最后能满足实际生产需要的传动主轴。其中以具体零部件的设计计算为主，通过参考各种文献里面的计算公式和计算方法，设计出理论上符合要求的零部件。

本文中数控机床的主要参数：

主轴转速：25到2500rpm

主轴功率：5.5kw

车床最大回转直径：φ400

本文采用的研究方法：

1明确设计要求和研究中的重点难点

2进入工厂实地考察或者在网上寻找相关视频，收集相关资料。

3确定总体的设计及方案。

3.数控机床主传动系统设计

3.1选择传动方案

数控机床需要能够连续变化的切削速度。采用无级变速可以适应需要的工作速度，提高加工精度和效率。但是在采用无极调速的同时，整个传动系统的故障率相对变高。为了满足无极变速的同时降低故障率就需要将无极调速与有级调速结合起来使用。将无级变速装置与有级调速装置串联起来，就可以满足扭矩特性和较大的调速范围。

3.2选择电机：选择电机额定功率Ped ，因为电机的额定功率要留有一定适应范围，负荷率取0.9～0.8，故电机额定功率取Ped =7.5KW。

3.2.1选择电压：查表可得小功率电机一般选用380V电压

3.2.2选择转速

由于采用一根主轴传动，且传动带长度有限，所以有级变速的变速级数较少，有极变速的变速范围也要相应的变大，才能适应调速需求。

综合考虑选用VFNC系列主轴电机。

4.传动系统零部件设计计算

4.1主轴组件的性能要求

主轴是用来传递动力的部件，其性能好坏可以直接影响整个机床的性能。质量精良的主轴组件需要满足下面的条件：

2.较高的回转精度：回转中心线的位置，在理想的情况下固定不变。但是实际上，由于主轴组件中各种因素的影响，回转中心线的位置会在机械的运转过程中不断的发生变化。回转误差是指理想回转中心线相对于瞬时回转中心线在空间的距离。当同时存在轴向误差和角度误差时构成端面跳动。而同时存在径向误差和角度误差时，就构成径向跳动。我们在设计过程中要尽量减小回转误差和避免径向跳动。

3.较大的刚度：物体受外力作用时抵抗变形的能力叫做的刚度。主轴组件刚度大，主轴受力作用时发生的形变小，主轴的加工精度和设备使用寿命就会相应的提高。主轴有足够的刚度来对抗外力，就能保持正常工作状态。

4.良好的抗振性：主轴组件抗振兴好，机械可以减小不必要的震动，对工人和机械本身都有好处。要想获得良好的抗震性，可以通过提高主轴组件的静刚度，以及使主轴的固有频率远远大于引起震动的外力的频率等手段来处理。

5.温升：主轴工作过程中，温升过高的弊端：温度升高主轴上面的元件会热胀冷缩而改变间隙大小。甚至会发生“抱轴”现象;主轴和箱体上面的组件受热会发生相对位置发生变化，改变原本设计好的位置。为了减小工件的磨损，主轴还需要良好的润滑和耐磨损能力。

4.2对支撑件的设计要求

支撑件主要起支撑作用，良好性能的支撑件可以保证机械个个部件之间的距离，减小震动。所以支撑件的合理设计是机床设计的重要环节。对于支撑件我们提出如下要求：

1.较大的刚度和较小的质量。

2.良好的动态特性，使之不会轻易发生设计之外的移动而降低精度;避免非正常的振动发出噪声。

3.热稳定性要好，

4.注重結构工艺性，方便排屑，运转安全.

5.结论

本文在严格按照实际需求的基础上，同时考虑了经济性原则，零件加工难度，整个机械设计的可行性，实际生产中的寿命等等问题，根据所学的知识来对数控机床的主传动系统进行设计。此次设计中主要的系统包括电机，传动带，与主轴上的齿轮等组件。用两级或三级齿轮来扩大无极调速的范围，结构简单，不容易出现故障。

参考文献：