数控龙门铣床主传动系统设计分析

陈文松

（杭州兴源环保设备有限公司，杭州 310000）

铣床所指的是针对工件实行铣削加工的地点，铣床中可开展多项加工工作，包括螺旋形表面和分齿零件、沟槽和平面等等。同时，铣床还可对回转体表面以及内孔实行切断与加工。由于数控龙门铣床有较高的生产效率，因此，被广泛应用于机械制造领域。

1 机床概述

图1即FG3 2040 MA数控三坐标龙门铣床，其为移动式固定龙门工作台的总体结构，三轴联动，其中有自动交换附件头的配置，可实行五面加工，以下即几大重要参数：

最大坐标移动速度为15m/min；

主轴最高转速为4000r/min；

工作台尺寸为4000mm×2000mm；

主轴功率为37kW（Sl）/45kW（S6）；

主轴扭矩为1300N·m（S1）/1900N·m（S6）。

2 主传动系统设计

以往主传动系统所采用的为固定龙门滑枕式铣床，由传动轴向主轴传送齿轮箱内动力，从而驱动刀具进行切削运动。一般而言，支撑长传动轴的需几组轴承，为了确保更高主轴转速和一定装配精度，对滑枕内部轴度以及轴承座孔提出了较高要求，而这不仅会增加滑枕加工难度，还难以保障精度。要想让长传动轴传递大切削扭矩，就应确保够大的截面直径，而一旦增大截面直径，就会增加转动关联，从而对主轴动态性能起到较大制约作用。此外，由于难以确保装配的长传动轴精度，再加上长传动轴自身有一定挠度，很难确保传动系动平衡，无法实现主轴高转速[1]。

2.1 更改设计

要想确保高转速和大扭矩以及大功率，在设计主传动系统时，应解决以往设计过程中存在的问题，首先需做的即更改和设计长传动轴。

在设计FG3 2040 MA数控三坐标龙门铣床主传动系统时，应用的是插入式的独立传动箱安装方法，利用空心传动轴向主轴传递动力，可大大缩短传动轴长度。经过系统动平衡试验之后，无须采用滑枕内部的轴承来支撑，在节省成本的同时降低难度。并且作为一种独立部件，传动箱对润滑冷却设计极为有利，便于散热处理以及热防护。主传动系统在高速运作过程中出现的热变形即大扭矩和大功率，在整机误差当中不可获缺，只有减小热变形误差，才可确保机床加工的精度。

某工程综合训练中心工程委托某公司（乙方）对其拟建工程场地进行岩土工程详细勘察。拟建场地位于广东某学校内，场地的南侧和西侧均为校园道路，周边交通较方便。拟建的某工程综合训练中心，建筑层数为6/9/12层（局部2层），地下室为负1层，长约140.00m，宽约75.00m，建筑占地面积约5990.80m2，总用地面积约11000.00m2。拟采用的结构类型均为框架剪力墙结构，总建筑面积为：49522.10m2。（钻孔坐标为某市独立坐标系，高程为1985国家高程基准）。

主动机热源重点分布于局部轴承所在区域和减速器、主轴电动机和减速器下方的传动齿轮，要想控制热变形所带来的影响，可通过三种方式来达到目的：第一，热源隔离；第二，强化散热；第三，减少热源发热量。

由于主传动系统设计安装的是插入式的独立传动箱，因此，需在正面滑枕设计相应安装窗口，而这必然会降低滑枕结构强度，当其高速运转时，大功率的机械主轴会产生热量，从而致使滑枕出现变形和弯曲，难以保障工件加工精度[2]。

为了解决这一问题，在设计主传动系统时，应确保紧凑结构，确保插入的轴向尺寸较小，这样引起的滑枕变形会相应减小。

2.2 材料选择

在选择材料时，需考虑载荷部位危险性，确保材料有一定的抗断裂性能和抗疲劳性能以及重量比值。

2.3 确定过渡曲线

可对过渡曲线实行有限元分析，核对分析内容，防止传统轴间过渡从而出现集中圆角应力情况。在实际分析过程中，可采用点线面体的建模形式，同时可构建二维面积网络，借助旋转所获得的有限元模型即为三维映射网络。虽然这一方法构建流程极其繁琐，却对计算速率的提升极为有利，同时能够确保计算数据精准度。大型数控龙门铣床主轴若星传动系统的过渡可采用样条曲线，通过连接两侧轴承以及过渡段，除了可集中应力，还能延长使用年限。

3 传动轴结构设计

3.1 确定传动系统的模型元件

传动系统模型元件有两方面的内容。第一，惯性元件。所指的是卡盘和齿轮以及皮带轮等零部件每一轴旋转的质量。传动系统在运转时，这一部分零部件动力学的原理重点在转动的惯量中有所体现。一般情况下，轴中惯性元件可向轴两侧集中部分惯量，忽略扭转变形以及等效圆盘情况，可视作刚性圆盘应用，以下为转动惯量公式：

在等效圆盘中，p为等效直径，m为等效圆盘质量，I为转动惯量。

第二，弹性原件。两大等效圆盘间轴段即弹性原件。其作用于传动系统时在自身扭转刚度上有所体现。通过利用轴段之间转动的惯量，可重叠在钢性圆盘中，从而控制轴扭转刚度精准程度。

3.2 转换参数

在实际中，可参考主轴传动系统建模知识，向输出轴当中有效转出转动惯量以及轴扭转的刚度值，转换后，45.63×105、4.21×1.05、1.93×105为扭转刚度，164.01×103、146.06×103为惯量。

3.3 计算模态参数

基于相应数学模型计算模态参数，首先要编写程序，并详细地解出势能分布率和模态柔度、频率和固有振幅，然后绘制相应程序图，涵盖以下计算内容：扫频步长和扫频终值、频率方程和扫频初值、固有频率和势能分布率、动能分布率和系统模态柔度以及原件总数。另外，要划分矩阵数组和矩阵传递数组、状态矢量数组和相应性能的参数组，科学地控制势能分布率以及模态柔度。最后，在参考动能分布率的前提下，适当降低质量。

3.4 设计动态的传动系统

基于模态参数，降低或提升元件质量以及刚度。参考建模流程，科学分配输出轴惯量以及齿轮惯量。综合考虑一些影响因素，包括跨距和轴承刚度以及轴自身刚度等等。提升轴刚度的同时，适当降低轴跨距，增加轴直径。另外，要适当缩小直径、缩短轴长，改善齿轮构架。

另外，要想合理地分配阻尼，就应参考模态柔度设计和能量平衡理论等内容。通过损耗因子和对数减缩、粘性阻尼系数和阻尼比以及品质因素等，呈现振动系统阻尼的特点。一般而言，为了表达系统阻尼特征，要涉及对数缩减δ和损耗因子η以及粘性阻尼系数c，这些系数间有一定等效关系存在。

其中，ζ为阻尼比，Q为品质因素，在系统振动当中，V代表最大弹性能，而D代表振动周期内所消耗的阻尼能。

4 结语

设计的主传动系统质量同数控龙门铣床的可靠性以及运作精度有着极大的关联。所以，作为技术人员应重视涉及铣床内容的主传动设计，总结系统设计的要点，逐步地提升整体的系统设计水平。

[1]陈水胜，徐旭，华中平，等.XK2535数控龙门铣床滑枕动态特性研究[J].湖北工业大学学报，2013，28（2）：95-98.

[2]王江红，肖软生，张政伟，等.数控龙门铣床X轴伺服电机的计算与选型[J].机械制造，2016，54（12）：10-11，23.