关于数控龙门铣床主传动系统的设计研究

何晓峰（浙江日发精密机械股份有限公司,浙江　新昌　312500）

关于数控龙门铣床主传动系统的设计研究

何晓峰
（浙江日发精密机械股份有限公司,浙江新昌312500）

摘要：作为铣床工作的关键部分，主传动系统的良好设计对于保证数控龙门铣床的正常工作具有重要作用。本文首先介绍了数控龙门铣床主传动系统调速方式，然后具体探讨了数控龙门铣床主传动系统的设计，以期为相关技术与研究人员提供参考。

关键词：数控龙门铣床；主传动系统；设计

在通用铣床内部，主轴箱内的齿轮传动需长期保持高荷载和高速的运行，其传动精度会在很大程度上对机床加工精度产生影响。而传动齿轮在切削时很可能会因高速或重载问题出现过大的噪声和振动，由此造成主传动系统部件损坏，进而干扰机床切削精度。如何做好数控铣床主传动系统的优化设计，已成为机床加工企业面临的重大课题。因此，加强有关数控龙门铣床主传动系统的设计研究，对于改善数控龙门铣床加工质量具有重要的现实意义。

1　数控龙门铣床主传动系统调速方式

数控龙门铣床主传动系统可采用多种配置方式，应用比较广泛的是无级变速系统与分级变速系统。为使数控龙门铣床获得更大的加工转速范围，主传动系统通常选用无级变速方式，以确保在固定的调速范围内可选用经济科学的主轴切削速度。主轴无级传动系统机械传动机构种类可分为以下几种：

（1）高低档两端变速传动：通常选用齿轮两档变速机构，可与相对经济的额定转速较高的无级调速电机相配合，不仅能得到较大的转速，且能有效拓展恒功率范围，以改善低速扭矩。此种结构方式在需要较高转速且能实行较大切削加工的区域比较常用。

（2）直接升速或减速传动：一般选用同步带传动方式，同时还可选用齿轮传动方式，结构相对简化。在升速传动时，可得到较高转速，但恒功率范围相对较小，低速扭矩也相对减小；在减速传动时，恒功率范围与主轴扭矩均可获得提升，但扩展程度相对有限，或最高转速容易受到约束[1]。

（3）高、中、低档三段变速传动：选用齿轮三档变速机构，与经济性较高的高额定转速无机调速电机结合使用，不仅能提升转速，且能较大程度扩展恒功率范围，提升低速扭矩，在需要高转速且可实行大切削量加工的区域比较常用，其机械性能与齿轮有级变速方式基本一致。但此种结构相对复杂，且因选用齿轮多级传动方式，最高转速容易受到限制。

（4）直接1:1传动：可选用同步带传动方式或电机与主轴组件直联方法，结构相对简化，容易大大高转速，但低速扭矩相对较小，近在高速与轻切削区域适用。

因不同传动方式有不同的使用范围及优缺点，在实际应用中应依据加工要求及使用标准选用恰当的传动方式。

2　数控龙门铣床主传动系统设计

2.1选定系统模型元件

（1）弹性元件：弹性元件指的是两个等效圆盘间的轴段，其自身的扭转刚度会对系统产生不同长度的影响，轴段的转动惯量可与刚性圆盘进行叠加，依照扭矩及扭转角公式可得出轴的扭转刚度。

（2）惯性元件：惯性元件指的是不同轴及轴上的卡盘、齿轮、直径较大凸缘及皮带轮等部件。在传动系统出现扭转振动过程中，其主要作用在于利用自身的转动惯量对系统动力进行动作。一根轴上的惯性元件，可将其全部集中在轴的两端，以构造出两个等效圆盘，不考虑其扭转变形，并把它假设为刚性圆盘，形影的转动惯量可表示为：

其中m表示等效圆盘的质量；I表示转动惯量；ρ表示等效圆盘的等效直径。

不同轴段的质量及轴段转动惯量是影响扭转振动的主要因素，所以，把各轴段的传动惯量对半分别布置在两刚性圆盘上。

2.2传动方案确定

依据数控龙门铣床加工特点，可选用两箱分离传动结构。此种传动结构是指先分解主轴传动部分结构，然后利用两箱结构对主轴箱和减速箱进行定义。在对两箱结构分离后，可保证主轴不会对由传动产生的热量和振动进行传到，由此可避免因主振动造成的热变形，由此确保加工精度。此外，可进一步简化主轴箱齿轮结构，进而降低箱体震动引发的噪音和振动。皮带传动条件下，可对机构传动链进行精简，以改善工作可靠性和稳定性，提高加工效率。低速转动的主轴则主要利用电控继电控制的背轮机构实施驱动，其可形成更大的扭矩，以满足高切削用量的加工标准。

2.3传动系统轴设计

（1）选定滚动轴承：使用滚动轴承可对载荷与转速有更强的适应性，可在负间隙或零间隙状态下却熬旋转刚度与精度。主轴轴承选用需同时考虑承载力与转速。为确保主轴刚度，前端支撑轴承应采用双列向心短圆柱滚子轴承，后支承应使用双列短圆柱滚子轴承。

（2）传动轴设计：在设计传动轴时应注意保留充足的刚度和强度。为保证数控机床运转过程的稳定性，在设计时也应考虑相应的精度标准。在轴承与轴上齿轮正常工作时，为避免振动发热影响轴的磨损，应利用扭转刚度对轴直径进行计算。

2.4传动机构设计

依据铣床齿轮设计标准对齿轮组齿数进行确定，设计时应确保输出轴转速误差尽可能小，同时恰当安排空间机构。依据传动性能要求，齿轮齿数应控制在18～20个范围内，高速齿轮齿数应高于25。若在相同变速组内，相同模数，同时齿轮选用非变位齿轮，则齿轮组齿数和应保证相同；若不同模数，且齿轮选用非变位齿轮，则齿轮模数应与齿数成反比。

3　结束语

主传动系统的设计质量将直接关系数控龙门铣床的运转精度和可靠性，因此，相关技术与设计人员应加强有关数控龙门铣床的主传动系统设计，总结系统设计要点及关键部位优化措施，以逐步提升铣床主传动系统设计水平。

参考文献：

[1]于亮.大型数控龙门铣床主轴柔性传动系统优化设计方法研究[D].沈阳工业大学,2013.

[2]马祥英,苏远彬.数控铣床主传动系统的分析计算与设计[J].装备制造技术,2007,08:41-43.

[3]王泉霖.龙门铣床结构分析及优化设计研究[D].长春工业大学,2012.

作者简介：何晓峰（1984-），男，浙江绍兴人，本科，主要从事：机械设计。