擴大數控機床分級變速傳動系統變速范圍的優化設計

張濤然 周利平 段丹丹

(1.西華大學 機械工程與自動化學院，四川 成都 610039;2.西華大學 機械工程與自動化學院，四川 成都 610039;3.西華大學 外國語學院，四川 成都 610039)

0 引言

世界上最早對數控機床的研究開始于二十世紀四十年代后期，經過不懈的努力，終于在1952年制成第一臺數控銑床。經過半個多世紀的發展，特別是機械電子和計算機控制技術在機床上的普及應用，數控機床的機械結構也在不斷發生變化。數控機床的機械結構包括：機床的基礎件(如床身、立柱)、主傳動系統、進給傳動系統、導軌、自動換刀裝置及其他輔助裝。其中主傳動系統要傳遞一定的功率和充足的轉矩，以保證數控機床正常工作的需要，但是目前機床主傳動的變速范圍不能很好的滿足實際生產中的要求。針對這一問題，設計了四種擴大分級變速傳動系統變速范圍的機械結構。

1 結構網或結構式的確定

在確定結構網或結構式時，應該遵守兩個原則：1)傳動副的極限傳動比和傳動組的極限變速范圍。在降速傳動時，一般使最小傳動比umin≥1/4，這樣可以避免被動齒輪的直徑過大，從而使整個傳動系統的徑向尺寸控制在一定范圍內。在升速時，一般使最大傳動比umax≤2(直齒圓柱齒輪)，umax≤2(斜齒圓柱齒輪)，這樣可以有效地減小振動和噪聲，提高系統傳遞的穩定性和可靠性。因此，主傳動鏈任一傳動組的極限變速范圍一般為基本組和擴大組的排列順序。需選擇中間傳動軸最小的方案，因為如果各方案同號傳動軸的最高轉速相同時，則變速范圍小的最低轉速較高，轉矩較小，傳動件的尺寸也就小些，即所謂“前密后疏”原則。

2 擬定轉速圖

當計算出結構式之后，對每個傳動組的傳動比進行合理分組，然后確定出中間軸的轉速和定比傳動，就可畫出轉速圖。

對傳動組的傳動比進行合理分組時，為盡量減小傳動件的尺寸，應使中間軸的轉速較高。通常從電動機到主軸大多為降速傳動，為使尺寸小的傳動件盡量多一些，按傳動順序，各傳動組的最小傳動比應采用所謂“前緩后急”原則，即uamin

3 擴大變速范圍的方法

由于主傳動鏈中傳動組的極限變速范圍為這就使最后擴大組的放大倍數受到限制，因此常規傳動系統的主軸最大變速范圍是有限的。假如兩傳動副的傳動組作為最后一組，主軸轉速級數為Z，則它的變速范圍為R=，由于極限傳動比的限制，R。即當傳動鏈的變速范圍，則當時，最大的;則當時，最大的。這樣的變速范圍顯然不能滿足實際生產中的要求，因此需要通過以下幾種措施加以改進。

4 擴大傳動系統的變速范圍有以下幾種方法

4.1 增加變速組

在原有變速傳動系統中再增加一個變速組，是擴大變速范圍的最簡便方法。但由于受到變速組極限傳動比的限制，將導致部分轉速出現重復，比如在Z=12的傳動系統中，如果增加一個雙傳動副的傳動組，結構式似應為但最后一個擴大組的級比指數最大只能為6，故結構式應為這時重復了6級轉速，使得主軸實際的轉速為Z=3，則變速范圍可達。可見增加變速組擴大了主軸的轉速范圍，增加了主軸轉速級數。

4.2 采用背輪機構

背輪機構，又稱單回曲機構。如圖1所示。

圖1 背輪機構

背輪機構運動原理：運動輸入軸I和運動輸出軸III同軸線，可合上離合器直接傳動，此時傳動比為i=。也可如圖所示經過、兩次降速傳動，極限傳動比為，則背輪機構的極限變速范圍，很容易達到擴大變速范圍的目的。同時，從機械結構上看，這種機構只占兩排孔的空間，從而縮小了變速箱的整體尺寸，因此這種機構在數控機床上具有很好的應用價值。

4.3 對稱公比傳動系統

通過改變轉動副數為2的基本組，可以得到對稱雙公比傳動系統。在不增加主軸轉速級數的前提下擴大變速范圍。如圖2所示。

圖2

4.4 雙速電機傳動系統

1)如圖3所示，兩電動機的速度分別為1450r/min和730r/min，他們作為第一變速組和擴大組，但是這兩個電動機的傳動順序和擴大順序有所不同。

2)φ =1.26時 P0=3，φ =1.41時，P0=2.如圖3所示。

圖3

5 結束語

上述四種方法能夠較好地實現擴大主傳動系統變速范圍的問題，這使數控機床主傳動系統的變速范圍進一步擴大，并在一定程度上提高了傳動路線的傳動效率。因此，使得數控機床分級變速傳動系統具有更好的實際應用性和創新性。

［1］周利平.數控裝備設計.重慶：重慶大學出版社，2011.

［2］戴署.金屬切削機床.北京：機械工業出版社，2009.

［3］胡占齊，楊莉.機床數控技術.北京：機械工業出版社，2002.

［4］濮良貴，紀名剛等.機械設計.北京：高等教育出版社，2006.