淺析數控機床主傳動系統設計應用

張治彬

內容摘要：先進的數控機床在生產中能提供更高的精度和效率以及節省大量人工成本，降低次品率。數控機床在現代的大型生產活動中已經成為了必然的方向.本論文主要對數控機床的主傳動系統進行設計，研究了包括傳動帶，軸承，齒輪的選材，結構設計等內容，并進行了相關計算。其中設計的主要方法是先根據實際情況以及專業知識初定機械的相關數據，然后在通過這些數據進行校核計算，當所有的參數都確定之后便可以進行相應的加工裝配調試工作。

關鍵詞：數控機床，傳動系統，機械設計

1.數控機床主傳動系統的研究背景

數字控制機床簡稱數控機床，是以數字化的電腦程序代替人工操作來控制機床加工零件。數控技術是一門新技術，他的前身是電子技術和機械技術的結合體。其中電子技術的延伸——控制系統是數控加工的核心[4]。

在我國數控機床迅速發展的同時，也要注意到技術受制于人，沒有自主創新能力等等問題。在數控系統領域我們擁有的自主知識產權非常少。就像目前美國禁止出口中興芯片這件事一樣，缺乏核心技術就很容易受制于人。這些問題嚴重制約了數控機床以及數控加工產業向高端發展。

在普通機床上進行生產加工時要求操作者按照特定的工藝流程和工序來加工零件，數控機床不需要工人直接對零件進行加工操作，而是機床本身按照存儲在控制系統中的信息來對零件進行不同工序的加工。工人的工作是對數控機床進行簡單設定，大大減少了繁雜的體力勞動，提高了生產效率。

數控機床主傳動系統是用來將主電機的動力傳遞到切削刀具，為其提供切削零件所需要的切削速度和力矩。數控機床加工零件類型，以及電機的安裝位置、類型不同，傳動系的組成和布置形式也會隨之發生變化。

為了提高精度還需要主軸滿足較高的剛度以及盡可能的防止震動。主軸要有較大的功率和扭矩。主軸需要的調速范圍較寬，因為生產過程中情況的復雜多變，沒有較寬的調速范圍就無法選擇合適的切削速度和扭矩。

2.數控機床的優缺點及本文主要研究內容

2.1優點：數控機床的加工精度高，加工質量好，并且重復精度高。只要修改零件加工程序就能改變零件的尺寸和形狀，這大大提高了工廠改進工藝的效率，適用于新產品研制和改型。小批量的生產情況下生產效率高，可以減少生產的時間。總的來說，采用數控機床加工能極大的提高我國工業生產的效率，創造價值。

2.2缺點：維修人員需要具有比較高的文化技術水平，一般操作數控機床都需要有一定的文化基礎，并且機床設備費用昂貴。由于投入較高，所以不適用于普通的小作坊式生產。

2.3本文主要探討了數控機床主傳動系統從需求分析到選擇材料，設計計算，驗算校核，最后確定具體數據投入生產的過程。

2.4本文采用循序漸進的方法，從最初的需求出發，一步步的做出最后能滿足實際生產需要的傳動主軸。其中以具體零部件的設計計算為主，通過參考各種文獻里面的計算公式和計算方法，設計出理論上符合要求的零部件。

本文中數控機床的主要參數：

主軸轉速：25到2500rpm

主軸功率：5.5kw

車床最大回轉直徑：φ400

本文采用的研究方法：

1明確設計要求和研究中的重點難點

2進入工廠實地考察或者在網上尋找相關視頻，收集相關資料。

3確定總體的設計及方案。

3.數控機床主傳動系統設計

3.1選擇傳動方案

數控機床需要能夠連續變化的切削速度。采用無級變速可以適應需要的工作速度，提高加工精度和效率。但是在采用無極調速的同時，整個傳動系統的故障率相對變高。為了滿足無極變速的同時降低故障率就需要將無極調速與有級調速結合起來使用。將無級變速裝置與有級調速裝置串聯起來，就可以滿足扭矩特性和較大的調速范圍。

3.2選擇電機：選擇電機額定功率Ped ，因為電機的額定功率要留有一定適應范圍，負荷率取0.9～0.8，故電機額定功率取Ped =7.5KW。

3.2.1選擇電壓：查表可得小功率電機一般選用380V電壓

3.2.2選擇轉速

由于采用一根主軸傳動，且傳動帶長度有限，所以有級變速的變速級數較少，有極變速的變速范圍也要相應的變大，才能適應調速需求。

綜合考慮選用VFNC系列主軸電機。

4.傳動系統零部件設計計算

4.1主軸組件的性能要求

主軸是用來傳遞動力的部件，其性能好壞可以直接影響整個機床的性能。質量精良的主軸組件需要滿足下面的條件：

2.較高的回轉精度：回轉中心線的位置，在理想的情況下固定不變。但是實際上，由于主軸組件中各種因素的影響，回轉中心線的位置會在機械的運轉過程中不斷的發生變化。回轉誤差是指理想回轉中心線相對于瞬時回轉中心線在空間的距離。當同時存在軸向誤差和角度誤差時構成端面跳動。而同時存在徑向誤差和角度誤差時，就構成徑向跳動。我們在設計過程中要盡量減小回轉誤差和避免徑向跳動。

3.較大的剛度：物體受外力作用時抵抗變形的能力叫做的剛度。主軸組件剛度大，主軸受力作用時發生的形變小，主軸的加工精度和設備使用壽命就會相應的提高。主軸有足夠的剛度來對抗外力，就能保持正常工作狀態。

4.良好的抗振性：主軸組件抗振興好，機械可以減小不必要的震動，對工人和機械本身都有好處。要想獲得良好的抗震性，可以通過提高主軸組件的靜剛度，以及使主軸的固有頻率遠遠大于引起震動的外力的頻率等手段來處理。

5.溫升：主軸工作過程中，溫升過高的弊端：溫度升高主軸上面的元件會熱脹冷縮而改變間隙大小。甚至會發生“抱軸”現象;主軸和箱體上面的組件受熱會發生相對位置發生變化，改變原本設計好的位置。為了減小工件的磨損，主軸還需要良好的潤滑和耐磨損能力。

4.2對支撐件的設計要求

支撐件主要起支撐作用，良好性能的支撐件可以保證機械個個部件之間的距離，減小震動。所以支撐件的合理設計是機床設計的重要環節。對于支撐件我們提出如下要求：

1.較大的剛度和較小的質量。

2.良好的動態特性，使之不會輕易發生設計之外的移動而降低精度;避免非正常的振動發出噪聲。

3.熱穩定性要好，

4.注重結構工藝性，方便排屑，運轉安全.

5.結論

本文在嚴格按照實際需求的基礎上，同時考慮了經濟性原則，零件加工難度，整個機械設計的可行性，實際生產中的壽命等等問題，根據所學的知識來對數控機床的主傳動系統進行設計。此次設計中主要的系統包括電機，傳動帶，與主軸上的齒輪等組件。用兩級或三級齒輪來擴大無極調速的范圍，結構簡單，不容易出現故障。

參考文獻：

[1]王毅可.VMC4032加工中心立柱主軸設計[D].河南：河南工業大學， 2012：3-4.

[2]王潤孝.《機床數控原理與系統》[M].陜西省：西北工業大學出版社，2016

[3]文懷興. 《數控機床系統設計》[M].陜西省：化學工業出版社，2017

[4]濮良貴，紀名剛主編.《機械設計（第八版）》[M].北京：高等教育出版社，2016.5

[5]原方.《工程力學》[M].北京市：清華大學出版社，2017

[6]萬士保，力昌英. 《大學物理下》[M].武漢市：武漢理工大學出版社.2015