1885_XKA5750型數(shù)控銑床主傳動系統(tǒng)設計,_xka5750,數(shù)控,銑床,傳動系統(tǒng),設計 畢業(yè)設計文獻綜述院 （ 系 ） 名 稱 工 學 院 機 械 系專 業(yè) 名 稱 機 械 設 計 制 造 及 其 自 動 化學 生 姓 名 韓 利 國指 導 教 師 閆 存 富2012 年 03 月 10 日黃 河 科 技 學 院 畢 業(yè) 設 計 (文 獻 綜 述 ) 第 1 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)的設計參數(shù)和特性參數(shù)進行推導和計算，通過分析這些參數(shù)的相互關系及其對結(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)化設計相關的理論也有簡單的論述。關鍵詞： 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， 其計算和設計方法早已有詳細論述。隨著機床技術的發(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計手冊對無級傳動方式的分析計算和設計方法已有論述， 也已形成一些設計原則， 但機械加工對主軸無級傳動系統(tǒng)的要求多種多樣， 隨著機床技術的發(fā)展， 隨著機床產(chǎn)品設計越來越理性化， 在進行主傳動系統(tǒng)設計時需要對各主要技術參數(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)各主要設計參數(shù)和特性參數(shù)進行了推導計算和相互關系分析， 得出了一些較為適用的結(jié)論， 現(xiàn)介紹如下。同時也簡單的設計了數(shù)控機床主傳動系統(tǒng)的動態(tài)設計的相關論。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黃 河 科 技 學 院 畢 業(yè) 設 計 (文 獻 綜 述 ) 第 2 頁 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，目前這種傳動方式黃 河 科 技 學 院 畢 業(yè) 設 計 (文 獻 綜 述 ) 第 3 頁 很少采用。從以上介紹可知， 各種傳動方式各有優(yōu)缺點， 關鍵是根據(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計要比直接傳動方式復雜得多。不同的參數(shù)選擇可導致機械性能的不同， 并適應于不同的使用要求。因此， 導出各設計參數(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)設計的關系， 這對于主軸無級調(diào)速系統(tǒng)的設計， 對于如何通過計算和設計達到數(shù)控機床的預定的技術要求， 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)品設計時， 一般情況下， 是根據(jù)產(chǎn)品定位、用途、技術要求等因素， 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／（μM d0） （1）其中：i 1——— 低檔減速比黃 河 科 技 學 院 畢 業(yè) 設 計 (文 獻 綜 述 ) 第 4 頁 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n g：ng= n sm／i 1 （4）在高檔轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)， 主軸最大扭矩M m2：Mm2=μi2Mdo故對應于分界點轉(zhuǎn)速，主軸輸出功率處于最低狀態(tài)， 最低功率P j：（5）1202)(360innPdmmgj ???經(jīng)高低檔變速后，主軸機械特性如圖2 所示。黃 河 科 技 學 院 畢 業(yè) 設 計 (文 獻 綜 述 ) 第 5 頁 圖2主軸機械特性曲線功率損失ΔP:ΔP = P0- P j （6）其中： P 0 為主電機功率功率損失比率λ:λ= ΔP∕P 0= (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: n 02= 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參數(shù)的關系， 對設計參數(shù)選擇、技術特性分析、結(jié)構(gòu)設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。黃 河 科 技 學 院 畢 業(yè) 設 計 (文 獻 綜 述 ) 第 6 頁 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。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)性能黃 河 科 技 學 院 畢 業(yè) 設 計 (文 獻 綜 述 ) 第 7 頁 的要求卻越來越高，因此， 傳統(tǒng)的靜強度設計方法遠遠達不到要求. 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)的剛度作為設計校核的目標， 對機床的傳動系統(tǒng)進行設計.目前， 動態(tài)設計的優(yōu)化正處于發(fā)展與完善階段， 其設計方法可分為 3 類: 基于模態(tài)柔度和能量平衡的動態(tài)優(yōu)化設計、基于變分原理的的動態(tài)優(yōu)化設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)設計時， 必須對主要設計參數(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)化設計的目標和變量， 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)設計的目標 [10]-[12]。黃 河 科 技 學 院 畢 業(yè) 設 計 (文 獻 綜 述 ) 第 8 頁 參考文獻[1] 現(xiàn)代實用機床設計手冊編委會. 現(xiàn)代實用機床設計手冊[M]. 北京機械工業(yè)出版社，2006.[2]汪木蘭.數(shù)控系統(tǒng)與原理[M].北京：機械工業(yè)出版設，2004.[3]秦曾煌.電工學 [M].北京：高等教育出版社， 2004[4]文懷興，夏田.數(shù)控機床系統(tǒng)設計[M]. 北京: 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