擴(kuò)大數(shù)控機(jī)床分級變速傳動系統(tǒng)變速范圍的優(yōu)化設(shè)計(jì)

張濤然 周利平 段丹丹

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

0 引言

世界上最早對數(shù)控機(jī)床的研究開始于二十世紀(jì)四十年代后期，經(jīng)過不懈的努力，終于在1952年制成第一臺數(shù)控銑床。經(jīng)過半個多世紀(jì)的發(fā)展，特別是機(jī)械電子和計(jì)算機(jī)控制技術(shù)在機(jī)床上的普及應(yīng)用，數(shù)控機(jī)床的機(jī)械結(jié)構(gòu)也在不斷發(fā)生變化。數(shù)控機(jī)床的機(jī)械結(jié)構(gòu)包括：機(jī)床的基礎(chǔ)件(如床身、立柱)、主傳動系統(tǒng)、進(jìn)給傳動系統(tǒng)、導(dǎo)軌、自動換刀裝置及其他輔助裝。其中主傳動系統(tǒng)要傳遞一定的功率和充足的轉(zhuǎn)矩，以保證數(shù)控機(jī)床正常工作的需要，但是目前機(jī)床主傳動的變速范圍不能很好的滿足實(shí)際生產(chǎn)中的要求。針對這一問題，設(shè)計(jì)了四種擴(kuò)大分級變速傳動系統(tǒng)變速范圍的機(jī)械結(jié)構(gòu)。

1 結(jié)構(gòu)網(wǎng)或結(jié)構(gòu)式的確定

在確定結(jié)構(gòu)網(wǎng)或結(jié)構(gòu)式時(shí)，應(yīng)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(shí)，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(tǒng)的徑向尺寸控制在一定范圍內(nèi)。在升速時(shí)，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(tǒng)傳遞的穩(wěn)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(kuò)大組的排列順序。需選擇中間傳動軸最小的方案，因?yàn)槿绻鞣桨竿杺鲃虞S的最高轉(zhuǎn)速相同時(shí)，則變速范圍小的最低轉(zhuǎn)速較高，轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速圖

當(dāng)計(jì)算出結(jié)構(gòu)式之后，對每個傳動組的傳動比進(jìn)行合理分組，然后確定出中間軸的轉(zhuǎn)速和定比傳動，就可畫出轉(zhuǎn)速圖。

對傳動組的傳動比進(jìn)行合理分組時(shí)，為盡量減小傳動件的尺寸，應(yīng)使中間軸的轉(zhuǎn)速較高。通常從電動機(jī)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(yīng)采用所謂“前緩后急”原則，即uamin

3 擴(kuò)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(kuò)大組的放大倍數(shù)受到限制，因此常規(guī)傳動系統(tǒng)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(zhuǎn)速級數(shù)為Z，則它的變速范圍為R=，由于極限傳動比的限制，R。即當(dāng)傳動鏈的變速范圍，則當(dāng)時(shí)，最大的;則當(dāng)時(shí)，最大的。這樣的變速范圍顯然不能滿足實(shí)際生產(chǎn)中的要求，因此需要通過以下幾種措施加以改進(jìn)。

4 擴(kuò)大傳動系統(tǒng)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(tǒng)中再增加一個變速組，是擴(kuò)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(dǎo)致部分轉(zhuǎn)速出現(xiàn)重復(fù)，比如在Z=12的傳動系統(tǒng)中，如果增加一個雙傳動副的傳動組，結(jié)構(gòu)式似應(yīng)為但最后一個擴(kuò)大組的級比指數(shù)最大只能為6，故結(jié)構(gòu)式應(yīng)為這時(shí)重復(fù)了6級轉(zhuǎn)速，使得主軸實(shí)際的轉(zhuǎn)速為Z=3，則變速范圍可達(dá)。可見增加變速組擴(kuò)大了主軸的轉(zhuǎn)速范圍，增加了主軸轉(zhuǎn)速級數(shù)。

4.2 采用背輪機(jī)構(gòu)

背輪機(jī)構(gòu)，又稱單回曲機(jī)構(gòu)。如圖1所示。

圖1 背輪機(jī)構(gòu)

背輪機(jī)構(gòu)運(yùn)動原理：運(yùn)動輸入軸I和運(yùn)動輸出軸III同軸線，可合上離合器直接傳動，此時(shí)傳動比為i=。也可如圖所示經(jīng)過、兩次降速傳動，極限傳動比為，則背輪機(jī)構(gòu)的極限變速范圍，很容易達(dá)到擴(kuò)大變速范圍的目的。同時(shí)，從機(jī)械結(jié)構(gòu)上看，這種機(jī)構(gòu)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(jī)構(gòu)在數(shù)控機(jī)床上具有很好的應(yīng)用價(jià)值。

4.3 對稱公比傳動系統(tǒng)

通過改變轉(zhuǎn)動副數(shù)為2的基本組，可以得到對稱雙公比傳動系統(tǒng)。在不增加主軸轉(zhuǎn)速級數(shù)的前提下擴(kuò)大變速范圍。如圖2所示。

圖2

4.4 雙速電機(jī)傳動系統(tǒng)

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

2)φ =1.26時(shí) P0=3，φ =1.41時(shí)，P0=2.如圖3所示。

圖3

5 結(jié)束語

上述四種方法能夠較好地實(shí)現(xiàn)擴(kuò)大主傳動系統(tǒng)變速范圍的問題，這使數(shù)控機(jī)床主傳動系統(tǒng)的變速范圍進(jìn)一步擴(kuò)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(shù)控機(jī)床分級變速傳動系統(tǒng)具有更好的實(shí)際應(yīng)用性和創(chuàng)新性。

［1］周利平.數(shù)控裝備設(shè)計(jì).重慶：重慶大學(xué)出版社，2011.

［2］戴署.金屬切削機(jī)床.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009.

［3］胡占齊，楊莉.機(jī)床數(shù)控技術(shù).北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2002.

［4］濮良貴，紀(jì)名剛等.機(jī)械設(shè)計(jì).北京：高等教育出版社，2006.