曲成++王天東

摘 要：隨著汽車、國(guó)防、航空、航天等工業(yè)的高速發(fā)展以及鋁合金等新材料的應(yīng)用，對(duì)數(shù)控機(jī)床加工的高速化、高精度化要求越來越高。本文通過一系列計(jì)算確定了數(shù)控立式車床的動(dòng)力參數(shù)，完成其傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：機(jī)床總體布局；傳動(dòng)結(jié)構(gòu)

1.確定機(jī)床的總體布局

車床主運(yùn)動(dòng)為電機(jī)通過三級(jí)齒輪傳遞扭力帶動(dòng)卡盤旋轉(zhuǎn)，切削運(yùn)動(dòng)為刀架自身的升降進(jìn)給和刀架在橫梁上的水平進(jìn)給。機(jī)床底座和主軸可以保證卡盤在水平面受到5個(gè)自由度的約束，因此C軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)作為主運(yùn)動(dòng)并帶動(dòng)零件的旋轉(zhuǎn)。機(jī)床的這種運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)可以保證機(jī)床的整體剛度，主軸采用實(shí)心階梯圓柱結(jié)構(gòu)，51196軸承和NN3080軸承可以保證卡盤的平面度和同軸度在允許的公差范圍內(nèi)。同時(shí)，機(jī)床的進(jìn)給都是采用精密滾珠絲杠伺服電機(jī)帶動(dòng)，這些都可以保證切削的穩(wěn)定性，從而提高了機(jī)床的抗震性能。采用傾斜的鈑金作為隔離方式，使切屑不直接與機(jī)床本體接觸，而直接落入排屑器中，以防止給機(jī)床帶來額外的熱變形，內(nèi)部主軸軸承和齒輪產(chǎn)生的熱量將采用液壓油噴射冷卻。最有效的減少噪聲方法是減少齒輪的齒距偏差和一齒切向綜合偏差。本文所設(shè)計(jì)的機(jī)床采用3級(jí)齒輪傳動(dòng)，減少了傳動(dòng)鏈的長(zhǎng)度；使齒輪精度和重合度有所提高，并減少噪聲。

2.主傳動(dòng)電動(dòng)機(jī)功率的確定

主運(yùn)動(dòng)為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的機(jī)床，主運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)為主軸轉(zhuǎn)速。由于主運(yùn)動(dòng)的結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)參數(shù)尚未確定，而各傳動(dòng)件的結(jié)構(gòu)參數(shù)都是根據(jù)動(dòng)力參數(shù)設(shè)計(jì)的。如果動(dòng)力參數(shù)選取過大，傳動(dòng)件的結(jié)構(gòu)尺寸就大，機(jī)床就笨重，除增加制造成本外，機(jī)床工作中空載功率增加，造成電力浪費(fèi)；如果動(dòng)力參數(shù)選取過小，機(jī)床傳動(dòng)鏈及電動(dòng)機(jī)長(zhǎng)期超載工作，影響機(jī)床的使用壽命。通常動(dòng)力參數(shù)是在調(diào)查研究、統(tǒng)計(jì)分析的基礎(chǔ)之上，結(jié)合計(jì)算分析，類比確定。電動(dòng)機(jī)功率按下式估算：

式中：PE為主傳動(dòng)電動(dòng)機(jī)功率，kW；Fz為主切削力，N；η為主傳動(dòng)鏈的總效率；v為切削速度，m/min；

本文設(shè)計(jì)的機(jī)床經(jīng)計(jì)算主傳動(dòng)電機(jī)功率不低于37kW。

3.主傳動(dòng)電動(dòng)機(jī)功率的選擇

步進(jìn)電機(jī)是一種用脈沖信號(hào)進(jìn)行控制、并將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的角位移的執(zhí)行器，通過改變電機(jī)的頻率就可以調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。但是，步進(jìn)電機(jī)的最大缺點(diǎn)在于其容易失步，特別是在大負(fù)載和速度較高的情況下失步更容易發(fā)生。此外，步進(jìn)電機(jī)的耗能比較多，速度也相對(duì)較低，且隨著功率的增大，移動(dòng)速度反而越低，故主要用于速度與精度要求不高的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床及舊機(jī)床設(shè)備的改造。但是，隨著近年來的恒流斬波驅(qū)動(dòng)、PWM驅(qū)動(dòng)、細(xì)分驅(qū)動(dòng)及它們的綜合應(yīng)用，使得步進(jìn)電機(jī)的性能將提高到一個(gè)新的水平，并將以極佳的性能得到廣泛的應(yīng)用。直流電機(jī)具有優(yōu)良的調(diào)速性能。因此，其在調(diào)速性能要求較高的場(chǎng)合使用較為廣泛。但是由于直流電機(jī)的電刷和換向的磨損，有時(shí)會(huì)產(chǎn)生火花，換向器由多種材料制成，制作工藝復(fù)雜，電機(jī)的最高速度受到限制，且直流電機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本較高，所以在使用上受到一定的限制。交流伺服電機(jī)已逐漸取代直流伺服電機(jī)。選擇合適的電動(dòng)機(jī)不僅需要綜合考慮其性價(jià)比，還要根據(jù)客戶的需求選擇合適的伺服系統(tǒng)并與之相匹配的電機(jī)。所選電機(jī)的最大轉(zhuǎn)速為nmax=4500rpm。

4.傳動(dòng)機(jī)構(gòu)及動(dòng)力參數(shù)的確定

機(jī)床的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)反映著機(jī)床的傳動(dòng)效率、機(jī)床整體尺寸大小和內(nèi)部空間結(jié)構(gòu)等。同時(shí)機(jī)床的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)還應(yīng)能傳遞足夠的功率和轉(zhuǎn)矩，要有良好的人機(jī)關(guān)系。比如傳統(tǒng)的立式車床單獨(dú)設(shè)計(jì)變速箱，變速箱可以整體裝入機(jī)床，并且在機(jī)床內(nèi)部通過錐蝸齒輪互相配合，通過軸I傳遞力矩使工件做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，而變速箱是通過外掛的電機(jī)經(jīng)V帶傳遞力矩給變速箱。其變速箱內(nèi)部齒輪傳動(dòng)結(jié)構(gòu)是通過齒輪的滑移來提供多種變速級(jí)數(shù)，結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。這種機(jī)床基本上能滿足一些轉(zhuǎn)速及精度一般的場(chǎng)合，特別一些中小企業(yè)專門批量的粗、半精加工大型零件時(shí)，因?yàn)闄C(jī)床比較經(jīng)濟(jì)實(shí)惠，且能夠滿足要求，而能夠采購(gòu)。同時(shí)，隨著交流變頻調(diào)速技術(shù)進(jìn)入實(shí)質(zhì)性應(yīng)用階段，這種機(jī)床若利用正弦脈寬調(diào)制技術(shù)、矢量控制技術(shù)等，可以實(shí)現(xiàn)無級(jí)調(diào)速，這也是數(shù)控機(jī)床常用的調(diào)速方式，加工精度也能得到保證，所以能夠適應(yīng)市場(chǎng)的需求。設(shè)計(jì)的機(jī)床要滿足較大尺寸零件的精加工要求，還要從外觀上考慮減少空間結(jié)構(gòu)，采用西門子伺服系統(tǒng)，所以采用三段式內(nèi)部齒輪傳動(dòng)方式。此種方式在很多機(jī)床廠都已廣泛應(yīng)用，精度、轉(zhuǎn)速都能夠達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的通信，其結(jié)構(gòu)也相對(duì)緊湊。其傳動(dòng)結(jié)構(gòu)如圖4.1所示。

圖4.1 機(jī)床傳動(dòng)結(jié)構(gòu)

（1）傳動(dòng)比的計(jì)算

根據(jù)加工零件的精度需求和各傳動(dòng)軸承所能承受的最大轉(zhuǎn)速，現(xiàn)選擇參數(shù)如下：根據(jù)卡盤軸承選擇最大承載轉(zhuǎn)速為nw=430rpm

總傳動(dòng)比為：i=nMax/nw=4500/430=104

可選主傳動(dòng)的傳動(dòng)比為：i1=d1/d2=4.3

減速機(jī)構(gòu)傳動(dòng)比：i'=i/i1=10.47/4.3=2.435

高速級(jí)：

低速級(jí)：

各傳動(dòng)軸的轉(zhuǎn)速、輸入功率以及輸入扭矩均可通過計(jì)算得出。

由于本機(jī)床的主運(yùn)動(dòng)為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，傳動(dòng)件傳遞的轉(zhuǎn)矩不僅與切削力有關(guān)，而且與工件的半徑有關(guān)。按照工藝需求，加工某一工件時(shí)，粗加工時(shí)采用大背吃刀量、大進(jìn)給量，即較大的切削力矩，低轉(zhuǎn)速；精加工時(shí)則相反，轉(zhuǎn)速高，切削力矩小。工件或刀具尺寸小時(shí)，同樣的切削面積，切削力矩小，主軸轉(zhuǎn)速高；工件或刀具尺寸大時(shí)，切削力矩相對(duì)較大，主軸轉(zhuǎn)速則低。由于轉(zhuǎn)矩與角速度的乘積是功率，因而主運(yùn)動(dòng)是旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的機(jī)床維持功率近似相等，屬于恒功率傳動(dòng)。因此，各傳動(dòng)軸的轉(zhuǎn)速、輸入功率以及輸入扭矩等都是傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算的必要條件。

結(jié)論

本文通過一系列計(jì)算確定了數(shù)控立式車床的動(dòng)力參數(shù)，完成其傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，本文所采用的方法，同樣適用其他具有相似結(jié)構(gòu)和功能的機(jī)床總體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。

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