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(yè)的高速發(fā)展以及鋁合金等新材料的應用，對數(shù)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(shù)控立式車床的動力參數(shù)，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(wěn)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(chǎn)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(shù)為主軸轉速。由于主運動的結構和運動參數(shù)尚未確定，而各傳動件的結構參數(shù)都是根據(jù)動力參數(shù)設計的。如果動力參數(shù)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(shù)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(shù)是在調查研究、統(tǒng)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(jīng)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(zhí)行器，通過改變電機的頻率就可以調節(jié)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(fā)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(jīng)濟型數(shù)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(yōu)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(chǎn)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(jù)客戶的需求選擇合適的伺服系統(tǒng)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(shù)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(tǒng)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(jīng)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(shù)，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(yè)專門批量的粗、半精加工大型零件時，因為機床比較經(jīng)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(xiàn)無級調速，這也是數(shù)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(tǒng)，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(xiàn)數(shù)據(jù)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(jù)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(xiàn)選擇參數(shù)如下：根據(jù)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(shù)控立式車床的動力參數(shù)，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.