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黃河科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)(文獻(xiàn)綜述) 第 8 頁(yè)
數(shù)控銑床主傳動(dòng)系統(tǒng)研究
摘要: 簡(jiǎn)要介紹了數(shù)控銑床及加工中心的主傳動(dòng)系統(tǒng)的類型和特點(diǎn)，重點(diǎn)對(duì)兩段變速主傳動(dòng)變速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)參數(shù)和特性參數(shù)進(jìn)行推導(dǎo)和計(jì)算，通過(guò)分析這些參數(shù)的相互關(guān)系及其對(duì)結(jié)構(gòu)和性能的影響，得出一些有參考價(jià)值的結(jié)論。同時(shí)對(duì)數(shù)控銑床主傳動(dòng)系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)相關(guān)的理論也有簡(jiǎn)單的論述。
關(guān)鍵詞： 傳動(dòng)系統(tǒng)，功率缺口，扭矩，減速比
前言
主傳動(dòng)系統(tǒng)是銑床傳動(dòng)系統(tǒng)的核心環(huán)節(jié)。傳統(tǒng)的銑床主傳動(dòng)系統(tǒng)采用有級(jí)傳動(dòng)方式， 其計(jì)算和設(shè)計(jì)方法早已有詳細(xì)論述。隨著機(jī)床技術(shù)的發(fā)展， 數(shù)控銑床和加工中心的主傳動(dòng)系統(tǒng)已普遍采用無(wú)級(jí)傳動(dòng)方式。盡管一些大型的機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)對(duì)無(wú)級(jí)傳動(dòng)方式的分析計(jì)算和設(shè)計(jì)方法已有論述， 也已形成一些設(shè)計(jì)原則， 但機(jī)械加工對(duì)主軸無(wú)級(jí)傳動(dòng)系統(tǒng)的要求多種多樣， 隨著機(jī)床技術(shù)的發(fā)展， 隨著機(jī)床產(chǎn)品設(shè)計(jì)越來(lái)越理性化， 在進(jìn)行主傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)需要對(duì)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(jìn)行計(jì)算， 對(duì)這些參數(shù)的相互關(guān)系和相互影響以及對(duì)結(jié)構(gòu)性能的影響進(jìn)行分析。文中對(duì)主傳動(dòng)系統(tǒng)各主要設(shè)計(jì)參數(shù)和特性參數(shù)進(jìn)行了推導(dǎo)計(jì)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(shí)也簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)了數(shù)控機(jī)床主傳動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)的相關(guān)論。
1 主軸無(wú)級(jí)傳動(dòng)系統(tǒng)的特點(diǎn)
主軸無(wú)級(jí)傳動(dòng)系統(tǒng)主要由無(wú)級(jí)調(diào)速電機(jī)及驅(qū)動(dòng)單元和機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)組成。
1.1 無(wú)級(jí)調(diào)速電機(jī)及驅(qū)動(dòng)主要機(jī)械特性
無(wú)級(jí)調(diào)速電機(jī)具有轉(zhuǎn)速拐點(diǎn)， 即額定轉(zhuǎn)速。其特點(diǎn)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(jī)而不經(jīng)過(guò)機(jī)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(chǎng)合下的正常使用要求。
圖1.無(wú)級(jí)調(diào)速電機(jī)特性曲線
1.2 主軸無(wú)級(jí)傳動(dòng)系統(tǒng)中的機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)種類及特點(diǎn)
( 1) 直接1:1 傳動(dòng)
可采用電機(jī)與主軸組件直聯(lián)方式或通過(guò)同步帶傳動(dòng)方式，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(chǎng)合。
( 2) 直接減速或升速傳動(dòng)
常采用同步帶傳動(dòng)方式， 也可采用齒輪傳動(dòng)方式， 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。對(duì)于減速傳動(dòng)， 可擴(kuò)大恒功率范圍和提高主軸扭矩， 但擴(kuò)大和提高程度有限， 或最高轉(zhuǎn)速受到限制。對(duì)于升速傳動(dòng)， 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(dòng)
一般采用齒輪兩檔變速機(jī)構(gòu)， 可配合較為經(jīng)濟(jì)的額定轉(zhuǎn)速較大的無(wú)級(jí)調(diào)速電機(jī)， 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(dá)到較高轉(zhuǎn)速且可進(jìn)行較大切削量加工的場(chǎng)合。
( 4) 高、中、低檔三段變速傳動(dòng)
采用齒輪三檔變速機(jī)構(gòu)， 配合較為經(jīng)濟(jì)的額定轉(zhuǎn)速較大的無(wú)級(jí)調(diào)速電機(jī)， 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(dá)到較高轉(zhuǎn)速且可進(jìn)行大切削量加工的場(chǎng)合， 其機(jī)械性能幾乎與齒輪有級(jí)變速方式相同。但結(jié)構(gòu)復(fù)雜， 且由于采用齒輪多級(jí)傳動(dòng)方式， 最高轉(zhuǎn)速受限更大，目前這種傳動(dòng)方式很少采用。
從以上介紹可知， 各種傳動(dòng)方式各有優(yōu)缺點(diǎn)， 關(guān)鍵是根據(jù)不同的使用要求選擇不同的傳動(dòng)方式[1]-[3]。
1.3 關(guān)于高低檔兩段變速傳動(dòng)方式
從以上分析可以看出， 采用高低檔兩段變速傳動(dòng)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(jiǎn)單， 因此是較為理想的傳動(dòng)方式。特別是， 出于對(duì)電控系統(tǒng)價(jià)格的考慮， 我們經(jīng)常采用額定轉(zhuǎn)速為1500 r/min 主軸電機(jī)。當(dāng)選用額定轉(zhuǎn)速大于或等于1000r/min 的主軸電機(jī)， 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(dòng)方式。同時(shí)可以看出， 高低檔兩段變速傳動(dòng)方式的計(jì)算和設(shè)計(jì)要比直接傳動(dòng)方式復(fù)雜得多。不同的參數(shù)選擇可導(dǎo)致機(jī)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(jì)參數(shù)的計(jì)算公式， 分析各參數(shù)選擇對(duì)機(jī)械性能的影響， 分析參數(shù)選擇與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)系， 這對(duì)于主軸無(wú)級(jí)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)， 對(duì)于如何通過(guò)計(jì)算和設(shè)計(jì)達(dá)到數(shù)控機(jī)床的預(yù)定的技術(shù)要求， 實(shí)現(xiàn)較好的制造工藝性和性能價(jià)格比， 將具有重要的意義。
2 高低檔兩段變速傳動(dòng)系統(tǒng)的計(jì)算和分析
高低檔兩段變速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)具有多種形式， 但其分析計(jì)算是一樣的。在進(jìn)行機(jī)床產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)， 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(jī)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(diǎn)， 計(jì)算和確定主傳動(dòng)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(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。由于采用兩檔傳動(dòng)方式， 可能會(huì)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(dòng)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(jì)算
a) 低檔減速比計(jì)算：
i1= Mm／（μMd0） （1）
其中：i1——— 低檔減速比
Mm———主軸最大扭矩
Md0———主電機(jī)額定扭矩
μ——— 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)機(jī)械效率
b) 高檔減速比計(jì)算：
i2= n sm／n m （2）
其中： i 2——— 高檔減速比
n sm———電機(jī)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(jì)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(jī)額定轉(zhuǎn)速
2.3 功率損失或功率缺口計(jì)算
高低檔的分界點(diǎn)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(duì)應(yīng)于分界點(diǎn)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(jī)械特性如圖2 所示。
圖2主軸機(jī)械特性曲線
功率損失ΔP:
ΔP = P0- P j （6）
其中： P0 為主電機(jī)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(jì)算
參見(jiàn)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(duì)設(shè)計(jì)參數(shù)選擇、技術(shù)特性分析、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和分析具有重要作用。
( 1) 低檔減速比對(duì)機(jī)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(jī)最大扭矩決定。主軸最大扭矩越大， 則低檔減速比越大； 反過(guò)來(lái)， 低檔減速比越大， 則主軸最大扭矩越大。同時(shí)， 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(kuò)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(jī)床機(jī)械特性的程度大， 達(dá)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(duì)機(jī)械特性的影響和減速比選擇
以往的技術(shù)文獻(xiàn)對(duì)高檔減速比的分析極少，只簡(jiǎn)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??； 同時(shí)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(duì)機(jī)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(jī)使用最高轉(zhuǎn)速也越大。我們知道， 在進(jìn)行設(shè)計(jì)選擇時(shí)， 不一定選擇到電機(jī)真正的最高轉(zhuǎn)速， 至于選擇多大， 要進(jìn)行綜合分析。從以上分析可知， 電機(jī)使用最高轉(zhuǎn)速越大則對(duì)機(jī)械特性越好，但電機(jī)使用最高轉(zhuǎn)速越大， 對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和機(jī)械加工精度要求也越高， 成本增加，經(jīng)濟(jì)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(jī)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(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和機(jī)械加工精度要求就高； 低檔減速比小， 則會(huì)導(dǎo)致主軸最大扭矩小和恒功率范圍小， 影響機(jī)械特性。這是一個(gè)矛盾。我們可以加大主電機(jī)額定功率來(lái)彌補(bǔ)功率損失的影響， 這樣又會(huì)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(jī)床主傳動(dòng)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)的發(fā)展
數(shù)控機(jī)床的機(jī)械結(jié)構(gòu)主要由傳動(dòng)系統(tǒng)、支承部件、分度臺(tái)等部分組成. 傳動(dòng)系統(tǒng)的作用是把運(yùn)動(dòng)和力由動(dòng)力源傳遞給機(jī)床執(zhí)行件， 而且要保證傳遞過(guò)程中具有良好的動(dòng)態(tài)特性. 傳動(dòng)系統(tǒng)在工作過(guò)程中， 經(jīng)常受到激振力和激振力矩的作用， 使傳動(dòng)系統(tǒng)的軸組件產(chǎn)生彎曲振動(dòng)和扭轉(zhuǎn)振動(dòng)， 影響了機(jī)床的工作性能. 隨著機(jī)床切削速度的提高和自動(dòng)化方向的發(fā)展， 傳動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成越來(lái)越簡(jiǎn)單， 但對(duì)其機(jī)械結(jié)構(gòu)性能的要求卻越來(lái)越高，因此， 傳統(tǒng)的靜強(qiáng)度設(shè)計(jì)方法遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到要求. 為了保證金屬切削機(jī)床高效地加工出高精度的產(chǎn)品零件， 機(jī)床的傳動(dòng)系統(tǒng)就必須具有較高的剛度和抗振性能， 以提高傳動(dòng)的準(zhǔn)確性和加工的穩(wěn)定性.因此， 本文使用動(dòng)態(tài)優(yōu)化的方法， 將提高機(jī)械結(jié)構(gòu)的剛度作為設(shè)計(jì)校核的目標(biāo)， 對(duì)機(jī)床的傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì).目前， 動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)的優(yōu)化正處于發(fā)展與完善階段， 其設(shè)計(jì)方法可分為3 類: 基于模態(tài)柔度和能量平衡的動(dòng)態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)、基于變分原理的的動(dòng)態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)和基于最小值原理的動(dòng)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(dòng)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(dòng)系統(tǒng)[8]-[9]。
4 結(jié)束語(yǔ)
在進(jìn)行數(shù)控銑床或加工中心的兩段變速主傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)， 必須對(duì)主要設(shè)計(jì)參數(shù)、機(jī)械特性和使用要求進(jìn)行綜合考慮和分析， 既要實(shí)現(xiàn)好的機(jī)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(jì)性要求。據(jù)經(jīng)驗(yàn)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(dòng)系統(tǒng)在工作中主要是扭轉(zhuǎn)振動(dòng)， 用傳遞矩陣法建立傳動(dòng)系統(tǒng)的集中質(zhì)量模型， 是通過(guò)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(gè)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(dòng)系統(tǒng)扭轉(zhuǎn)傳遞矩陣模型， 來(lái)分析其扭轉(zhuǎn)振動(dòng). 與有限元模型相比較， 在滿足工程需要的同時(shí)， 能夠養(yǎng)活對(duì)計(jì)算機(jī)容量的需求。運(yùn)有模態(tài)柔度和能量平稀奇原理， 通過(guò)對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)模態(tài)柔度和能量分布率的計(jì)算結(jié)果的分析， 表明了動(dòng)態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)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(guò)高速主軸的跨距、懸伸量、內(nèi)外直徑和主軸長(zhǎng)度， 改變慣性元件和彈性元件的參數(shù)， 達(dá)到對(duì)整個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)的目標(biāo) [10]-[12]。
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