數控龍門銑床主傳動系統設計分析

陳文松

（杭州興源環保設備有限公司，杭州 310000）

銑床所指的是針對工件實行銑削加工的地點，銑床中可開展多項加工工作，包括螺旋形表面和分齒零件、溝槽和平面等等。同時，銑床還可對回轉體表面以及內孔實行切斷與加工。由于數控龍門銑床有較高的生產效率，因此，被廣泛應用于機械制造領域。

1 機床概述

圖1即FG3 2040 MA數控三坐標龍門銑床，其為移動式固定龍門工作臺的總體結構，三軸聯動，其中有自動交換附件頭的配置，可實行五面加工，以下即幾大重要參數：

最大坐標移動速度為15m/min；

主軸最高轉速為4000r/min；

工作臺尺寸為4000mm×2000mm；

主軸功率為37kW（Sl）/45kW（S6）；

主軸扭矩為1300N·m（S1）/1900N·m（S6）。

2 主傳動系統設計

以往主傳動系統所采用的為固定龍門滑枕式銑床，由傳動軸向主軸傳送齒輪箱內動力，從而驅動刀具進行切削運動。一般而言，支撐長傳動軸的需幾組軸承，為了確保更高主軸轉速和一定裝配精度，對滑枕內部軸度以及軸承座孔提出了較高要求，而這不僅會增加滑枕加工難度，還難以保障精度。要想讓長傳動軸傳遞大切削扭矩，就應確保夠大的截面直徑，而一旦增大截面直徑，就會增加轉動關聯，從而對主軸動態性能起到較大制約作用。此外，由于難以確保裝配的長傳動軸精度，再加上長傳動軸自身有一定撓度，很難確保傳動系動平衡，無法實現主軸高轉速[1]。

2.1 更改設計

要想確保高轉速和大扭矩以及大功率，在設計主傳動系統時，應解決以往設計過程中存在的問題，首先需做的即更改和設計長傳動軸。

在設計FG3 2040 MA數控三坐標龍門銑床主傳動系統時，應用的是插入式的獨立傳動箱安裝方法，利用空心傳動軸向主軸傳遞動力，可大大縮短傳動軸長度。經過系統動平衡試驗之后，無須采用滑枕內部的軸承來支撐，在節省成本的同時降低難度。并且作為一種獨立部件，傳動箱對潤滑冷卻設計極為有利，便于散熱處理以及熱防護。主傳動系統在高速運作過程中出現的熱變形即大扭矩和大功率，在整機誤差當中不可獲缺，只有減小熱變形誤差，才可確保機床加工的精度。

某工程綜合訓練中心工程委托某公司（乙方）對其擬建工程場地進行巖土工程詳細勘察。擬建場地位于廣東某學校內，場地的南側和西側均為校園道路，周邊交通較方便。擬建的某工程綜合訓練中心，建筑層數為6/9/12層（局部2層），地下室為負1層，長約140.00m，寬約75.00m，建筑占地面積約5990.80m2，總用地面積約11000.00m2。擬采用的結構類型均為框架剪力墻結構，總建筑面積為：49522.10m2。（鉆孔坐標為某市獨立坐標系，高程為1985國家高程基準）。

主動機熱源重點分布于局部軸承所在區域和減速器、主軸電動機和減速器下方的傳動齒輪，要想控制熱變形所帶來的影響，可通過三種方式來達到目的：第一，熱源隔離；第二，強化散熱；第三，減少熱源發熱量。

由于主傳動系統設計安裝的是插入式的獨立傳動箱，因此，需在正面滑枕設計相應安裝窗口，而這必然會降低滑枕結構強度，當其高速運轉時，大功率的機械主軸會產生熱量，從而致使滑枕出現變形和彎曲，難以保障工件加工精度[2]。

為了解決這一問題，在設計主傳動系統時，應確保緊湊結構，確保插入的軸向尺寸較小，這樣引起的滑枕變形會相應減小。

2.2 材料選擇

在選擇材料時，需考慮載荷部位危險性，確保材料有一定的抗斷裂性能和抗疲勞性能以及重量比值。

2.3 確定過渡曲線

可對過渡曲線實行有限元分析，核對分析內容，防止傳統軸間過渡從而出現集中圓角應力情況。在實際分析過程中，可采用點線面體的建模形式，同時可構建二維面積網絡，借助旋轉所獲得的有限元模型即為三維映射網絡。雖然這一方法構建流程極其繁瑣，卻對計算速率的提升極為有利，同時能夠確保計算數據精準度。大型數控龍門銑床主軸若星傳動系統的過渡可采用樣條曲線，通過連接兩側軸承以及過渡段，除了可集中應力，還能延長使用年限。

3 傳動軸結構設計

3.1 確定傳動系統的模型元件

傳動系統模型元件有兩方面的內容。第一，慣性元件。所指的是卡盤和齒輪以及皮帶輪等零部件每一軸旋轉的質量。傳動系統在運轉時，這一部分零部件動力學的原理重點在轉動的慣量中有所體現。一般情況下，軸中慣性元件可向軸兩側集中部分慣量，忽略扭轉變形以及等效圓盤情況，可視作剛性圓盤應用，以下為轉動慣量公式：

在等效圓盤中，p為等效直徑，m為等效圓盤質量，I為轉動慣量。

第二，彈性原件。兩大等效圓盤間軸段即彈性原件。其作用于傳動系統時在自身扭轉剛度上有所體現。通過利用軸段之間轉動的慣量，可重疊在鋼性圓盤中，從而控制軸扭轉剛度精準程度。

3.2 轉換參數

在實際中，可參考主軸傳動系統建模知識，向輸出軸當中有效轉出轉動慣量以及軸扭轉的剛度值，轉換后，45.63×105、4.21×1.05、1.93×105為扭轉剛度，164.01×103、146.06×103為慣量。

3.3 計算模態參數

基于相應數學模型計算模態參數，首先要編寫程序，并詳細地解出勢能分布率和模態柔度、頻率和固有振幅，然后繪制相應程序圖，涵蓋以下計算內容：掃頻步長和掃頻終值、頻率方程和掃頻初值、固有頻率和勢能分布率、動能分布率和系統模態柔度以及原件總數。另外，要劃分矩陣數組和矩陣傳遞數組、狀態矢量數組和相應性能的參數組，科學地控制勢能分布率以及模態柔度。最后，在參考動能分布率的前提下，適當降低質量。

3.4 設計動態的傳動系統

基于模態參數，降低或提升元件質量以及剛度。參考建模流程，科學分配輸出軸慣量以及齒輪慣量。綜合考慮一些影響因素，包括跨距和軸承剛度以及軸自身剛度等等。提升軸剛度的同時，適當降低軸跨距，增加軸直徑。另外，要適當縮小直徑、縮短軸長，改善齒輪構架。

另外，要想合理地分配阻尼，就應參考模態柔度設計和能量平衡理論等內容。通過損耗因子和對數減縮、粘性阻尼系數和阻尼比以及品質因素等，呈現振動系統阻尼的特點。一般而言，為了表達系統阻尼特征，要涉及對數縮減δ和損耗因子η以及粘性阻尼系數c，這些系數間有一定等效關系存在。

其中，ζ為阻尼比，Q為品質因素，在系統振動當中，V代表最大彈性能，而D代表振動周期內所消耗的阻尼能。

4 結語

設計的主傳動系統質量同數控龍門銑床的可靠性以及運作精度有著極大的關聯。所以，作為技術人員應重視涉及銑床內容的主傳動設計，總結系統設計的要點，逐步地提升整體的系統設計水平。

[1]陳水勝，徐旭，華中平，等.XK2535數控龍門銑床滑枕動態特性研究[J].湖北工業大學學報，2013，28（2）：95-98.

[2]王江紅，肖軟生，張政偉，等.數控龍門銑床X軸伺服電機的計算與選型[J].機械制造，2016，54（12）：10-11，23.