機床結構的總體設計

曲成++王天東

摘 要：隨著汽車、國防、航空、航天等工業的高速發展以及鋁合金等新材料的應用，對數控機床加工的高速化、高精度化要求越來越高。本文通過一系列計算確定了數控立式車床的動力參數，完成其傳動機構的設計。

關鍵詞：機床總體布局；傳動結構

1.確定機床的總體布局

車床主運動為電機通過三級齒輪傳遞扭力帶動卡盤旋轉，切削運動為刀架自身的升降進給和刀架在橫梁上的水平進給。機床底座和主軸可以保證卡盤在水平面受到5個自由度的約束，因此C軸的旋轉運動作為主運動并帶動零件的旋轉。機床的這種運動結構可以保證機床的整體剛度，主軸采用實心階梯圓柱結構，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。同時，機床的進給都是采用精密滾珠絲杠伺服電機帶動，這些都可以保證切削的穩定性，從而提高了機床的抗震性能。采用傾斜的鈑金作為隔離方式，使切屑不直接與機床本體接觸，而直接落入排屑器中，以防止給機床帶來額外的熱變形，內部主軸軸承和齒輪產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。本文所設計的機床采用3級齒輪傳動，減少了傳動鏈的長度；使齒輪精度和重合度有所提高，并減少噪聲。

2.主傳動電動機功率的確定

主運動為旋轉運動的機床，主運動的運動參數為主軸轉速。由于主運動的結構和運動參數尚未確定，而各傳動件的結構參數都是根據動力參數設計的。如果動力參數選取過大，傳動件的結構尺寸就大，機床就笨重，除增加制造成本外，機床工作中空載功率增加，造成電力浪費；如果動力參數選取過小，機床傳動鏈及電動機長期超載工作，影響機床的使用壽命。通常動力參數是在調查研究、統計分析的基礎之上，結合計算分析，類比確定。電動機功率按下式估算：

式中：PE為主傳動電動機功率，kW；Fz為主切削力，N；η為主傳動鏈的總效率；v為切削速度，m/min；

本文設計的機床經計算主傳動電機功率不低于37kW。

3.主傳動電動機功率的選擇

步進電機是一種用脈沖信號進行控制、并將電脈沖信號轉換成相應的角位移的執行器，通過改變電機的頻率就可以調節電機的轉速。但是，步進電機的最大缺點在于其容易失步，特別是在大負載和速度較高的情況下失步更容易發生。此外，步進電機的耗能比較多，速度也相對較低，且隨著功率的增大，移動速度反而越低，故主要用于速度與精度要求不高的經濟型數控機床及舊機床設備的改造。但是，隨著近年來的恒流斬波驅動、PWM驅動、細分驅動及它們的綜合應用，使得步進電機的性能將提高到一個新的水平，并將以極佳的性能得到廣泛的應用。直流電機具有優良的調速性能。因此，其在調速性能要求較高的場合使用較為廣泛。但是由于直流電機的電刷和換向的磨損，有時會產生火花，換向器由多種材料制成，制作工藝復雜，電機的最高速度受到限制，且直流電機結構復雜，成本較高，所以在使用上受到一定的限制。交流伺服電機已逐漸取代直流伺服電機。選擇合適的電動機不僅需要綜合考慮其性價比，還要根據客戶的需求選擇合適的伺服系統并與之相匹配的電機。所選電機的最大轉速為nmax=4500rpm。

4.傳動機構及動力參數的確定

機床的傳動結構反映著機床的傳動效率、機床整體尺寸大小和內部空間結構等。同時機床的傳動結構還應能傳遞足夠的功率和轉矩，要有良好的人機關系。比如傳統的立式車床單獨設計變速箱，變速箱可以整體裝入機床，并且在機床內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運動，而變速箱是通過外掛的電機經V帶傳遞力矩給變速箱。其變速箱內部齒輪傳動結構是通過齒輪的滑移來提供多種變速級數，結構比較復雜。這種機床基本上能滿足一些轉速及精度一般的場合，特別一些中小企業專門批量的粗、半精加工大型零件時，因為機床比較經濟實惠，且能夠滿足要求，而能夠采購。同時，隨著交流變頻調速技術進入實質性應用階段，這種機床若利用正弦脈寬調制技術、矢量控制技術等，可以實現無級調速，這也是數控機床常用的調速方式，加工精度也能得到保證，所以能夠適應市場的需求。設計的機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構，采用西門子伺服系統，所以采用三段式內部齒輪傳動方式。此種方式在很多機床廠都已廣泛應用，精度、轉速都能夠達到預期目標，可以實現數據的通信，其結構也相對緊湊。其傳動結構如圖4.1所示。

圖4.1 機床傳動結構

（1）傳動比的計算

根據加工零件的精度需求和各傳動軸承所能承受的最大轉速，現選擇參數如下：根據卡盤軸承選擇最大承載轉速為nw=430rpm

總傳動比為：i=nMax/nw=4500/430=104

可選主傳動的傳動比為：i1=d1/d2=4.3

減速機構傳動比：i'=i/i1=10.47/4.3=2.435

高速級：

低速級：

各傳動軸的轉速、輸入功率以及輸入扭矩均可通過計算得出。

由于本機床的主運動為旋轉運動，傳動件傳遞的轉矩不僅與切削力有關，而且與工件的半徑有關。按照工藝需求，加工某一工件時，粗加工時采用大背吃刀量、大進給量，即較大的切削力矩，低轉速；精加工時則相反，轉速高，切削力矩小。工件或刀具尺寸小時，同樣的切削面積，切削力矩小，主軸轉速高；工件或刀具尺寸大時，切削力矩相對較大，主軸轉速則低。由于轉矩與角速度的乘積是功率，因而主運動是旋轉運動的機床維持功率近似相等，屬于恒功率傳動。因此，各傳動軸的轉速、輸入功率以及輸入扭矩等都是傳動機構設計計算的必要條件。

結論

本文通過一系列計算確定了數控立式車床的動力參數，完成其傳動機構的設計，本文所采用的方法，同樣適用其他具有相似結構和功能的機床總體結構的設計。

參考文獻

[1]楊國艷，趙曉明，許黎明.高速銑削加工中進給量和進給間隔對表面粗糙度的影響（J）.上海交通大學學報，2005，39（1）：108.1 12.