大（dà）型數控龍門銑床主軸柔性傳動係統的創新設計-數控機床市場網

您現在的位置：銑床網> 技（jì）術前沿>大型數控龍門銑（xǐ）床主軸柔性傳動係統的創新設計（jì）

大型（xíng）數控龍門銑床主軸柔性傳動係統的創新設計

2017-7-26 來源：成都利君實業股份有限公司作者：燕文

摘要：相對於大（dà）型數控龍門銑床而言，主軸在銑床整體中占據（jù）關鍵（jiàn）地位，與（yǔ）銑床使用年限、加工精度等存在密切關聯。大型數控（kòng）龍門銑（xǐ）床內的主軸裝置在滑枕處，和傳動軸直接連接（jiē），而傳（chuán）動軸另側（cè）和（hé）減速器連（lián）接，減速（sù）器相（xiàng）連於驅動電機，借助傳動軸將驅動電機旋轉運動傳至主軸。主軸傳動（dòng）係統與傳（chuán）動軸的質量性能的（de）高效與否，對大型數控機床龍門銑床的（de）整體性能產生直接作用，其主軸柔性傳動係（xì）統的創新設計顯得尤為重要。

關鍵詞：主軸；傳動係統；創新設計

銑（xǐ）床（chuáng）指的是通過（guò）銑刀對工件展開銑削加工，可以在銑床中展開平（píng）麵、溝槽（cáo）、分齒（chǐ）零件、螺旋形表麵和不（bú）同曲麵的加工工作。與此同時，銑床還（hái）能夠（gòu）切斷（duàn）、加工回轉體表麵與內孔。因（yīn）大型數控龍門銑床的生產效（xiào）率與生產質量均高（gāo），在機械製造領域的應用較為廣泛。

1.銑床及銑床滑枕研究現狀（zhuàng）

1.1 銑（xǐ）床研究現（xiàn）狀1.1 銑床研究（jiū）現狀（zhuàng）

在 1884 年間，龍門銑（xǐ）床得以發明；隨著現（xiàn）代社會的高速發展，半自動銑（xǐ）床出（chū）現並（bìng）得到應用，通過擋塊工作台可（kě）實現 “ 進給 - 快速 ”，以及 “ 快速 - 進給 ” 的自動轉換。在龍門銑床的應用過程中，其加工精度與使用年限得到飛速提升。隨著數字化控（kòng）製的廣泛應用，在提高銑床自動化方麵做出較大貢獻。

早在七十年代，微處理數字控製係統（tǒng）與自動換刀係統（tǒng）在銑床方麵得到廣泛應用，在豐富其加工功能的同時，有效提高了效率與質量。在機械事（shì）業的成熟發展下，大部分機（jī）床操作（zuò）開始采用數據編程（chéng），降低了勞動強度。同（tóng）時，其適用範圍（wéi）和布局形式得到多元（yuán）化發展，包括升降台銑床、龍門銑（xǐ）床、單柱銑床、單臂銑床等。

1.2滑枕研究現（xiàn）狀

龍門銑床在加工大型工件斜麵、平麵中的應用較為廣泛，尤其是大批量生產（chǎn）製造。大（dà）型龍（lóng）門銑床的門式框（kuàng）架有立柱、頂梁構建而成，橫（héng）梁可沿立柱導軌升降，裝有銑頭的滑枕裝配在橫梁（liáng）上方，能夠沿著橫（héng）梁（liáng）導軌進行橫（héng）向運動。此外，部分銑床立柱還可以安裝有水平主軸的銑頭（tóu），能沿立柱導軌展開升降。這部分銑頭能夠對多個表麵一同加（jiā）工。每一銑頭都裝有（yǒu）相應的變速設備與驅動電機、主軸附件等。加工過程中，工作台中的工件可以隨著操縱位置（zhì）展開運動。

滑（huá）枕為大型數控（kòng）龍門銑床的主要構件，其性能高效與否對（duì）機床工（gōng）作效率產（chǎn）生直接影響。在機械製造領域一步步走向成熟的過程（chéng）中，對大型零部件的要求逐漸提高。利用該零部件，能夠實現對端麵、內孔與外圓的車削加工，並豐富其平麵、溝槽、曲麵、斜麵、內孔及外圓的銑削加工（gōng）工作。可以從滑枕材料與主傳結構等方（fāng）麵提升（shēng）龍門銑床的強度，考慮到球墨鑄（zhù）鐵的工藝性能，其強度、塑性、動負荷性能；相對於一般灰鑄鐵而言，其彎曲（qǔ）疲勞限度可超出（chū） 1 倍以上（shàng）。自傳（chuán）統滑（huá）枕的工（gōng）作過程中（zhōng），其傳動軸兩側的軸承支撐容易出現摩擦起熱，阻礙銑床的安全運（yùn）作。為（wéi）解決這一難題，可以在銑（xǐ）床滑枕傳動軸的構架中采用有限元分析技術，進一步改善傳動軸的性能與結構，利用相關程序（xù）避免計算流程的複雜化，有利於提高設計質量，控製設（shè）計時間。

2.銑（xǐ）床滑枕柔（róu）性傳動軸設計

2.1 主軸傳動係統結構改良方案

考慮到主軸傳（chuán）動（dòng）係統的（de）不同影響要素，可以著手於結構進行（háng）改善，為提高大型（xíng）數控（kòng）龍門銑床的使用年限和加工精度，對主軸柔（róu）性傳動係統展開（kāi）研究。一般來說，傳統主軸（zhóu）係統傳動係統為剛性，傳動軸兩側有軸承作為支撐，在加工、安裝過程中要注意相應孔的同軸（zhóu）度；因傳動軸的長度值較高（gāo），很（hěn）難保障相應（yīng）孔的同軸度。此外，經改（gǎi）善後的主軸柔性傳動係統，去除傳動軸兩側的軸（zhóu）承（chéng）支撐。通過柔（róu）性傳統係統的自主（zhǔ）調整，使得兩側位置不對應時能夠自行調節，保證扭（niǔ）矩的可靠性（xìng）。該傳統係統僅需兩個待加工的孔，利於（yú）傳動係統加工精度和工藝性能的提高，合（hé）理（lǐ）控製了費用支出。

2.2材料選擇

在材料選擇過程（chéng）中（zhōng），需明（míng）確零部件的使用標準（zhǔn），考（kǎo）慮到載荷部位的危險性，要明確材（cái）料的重（chóng）量比值、抗疲勞與抗斷裂性能。大型數控龍門銑床主軸柔性傳動係統的（de）創新設計，突出了扭（niǔ）矩強度與韌度。例如：鈦，外形類似於鋼（gāng）鐵，材質卻（què）堅韌輕（qīng）盈，密度較低（dī）；與鉑金熔點相似，在（zài） 1675℃之間，在軍工及航天精密零部（bù）件中得到廣（guǎng）泛應用。因（yīn）鈦的抗腐蝕特（tè）性明顯，能夠完整放置於任一強堿、強酸內（nèi），具備太空金屬的（de）使（shǐ）用優勢。

現階段，在龍門銑床（chuáng）主軸柔性傳動係統所用的材料中，鈦合（hé）金（jīn）的強（qiáng）度最（zuì）高。鈦合（hé）金以鈦為前提，融入相應的（de）合金元素，具備良好的工藝性能與韌度。能夠在兩側不（bú）對心的狀況中（zhōng）傳遞轉矩，利於延長係統的使用年限，合理控製對心難度（dù）與成本支出，及時消除風險隱患。

2.3 過渡曲線確定

在計算機技術高速發展的背景下，有限元方法的應用逐漸普遍。通過對每一過渡曲線（xiàn）進行有限元分（fèn）析，核對分析內容（róng），可有效避免傳統軸間過渡的圓角應力集中現象。在分析過程中（zhōng），可采（cǎi）用由下至上的建模形式（點 - 線 - 麵（miàn） - 體）；可（kě）構建二維麵積網絡，通過旋轉得到相關三維映射網絡（luò）有限元模型，該構（gòu）建流程較繁瑣，卻有利於提升計算速率，保障（zhàng）計算數據的精準（zhǔn）度。大型數控龍門銑床主軸若星傳動係統（tǒng）的過渡主（zhǔ）要采取樣條曲線，利用過渡端（duān）和兩側軸承的連接（jiē），不僅能夠控製應力集中，還（hái）能延長其使用年限。

3.傳動軸結構（gòu）設計

3.1 傳動係統模型元件確定

一方麵，慣性元件。主要指的是每一軸的旋轉質量，即皮帶輪、齒輪、卡盤等零部件。在傳動係統運作過程中，這部分零部件的動力學原理，著重體現（xiàn）在轉動慣量（liàng）中。通常來說，一根軸中（zhōng）的慣性元（yuán）件，能將這部分質量集中至軸兩側，出現（xiàn）等效圓盤，扭轉（zhuǎn）變形（xíng）忽略不計，則可以（yǐ）作為剛性圓盤使用，轉動慣量主要為：

為轉動慣（guàn）量；m 為等（děng）效（xiào）圓盤質量；p 為等效圓盤的等效直徑。另一方麵，彈性元件，即兩大等效圓盤間的軸段，對傳（chuán）動係統的作用主要（yào）體現在自身的扭轉剛度。利（lì）用（yòng）軸段間的轉動慣量，能夠在剛性圓盤中重疊，來控製軸扭轉剛度的精準（zhǔn）度。

3.2 參數（shù）轉換

具體參考主軸傳動係統的建模知識，可（kě）以將軸扭轉剛（gāng）度值與轉動慣量有效轉至輸出軸 3，轉換之後的慣量為 164.01×103、146.06×103、8.71×103；其扭轉剛（gāng）度則為 45.63×105、4.21×105、1.93×105。

3.3 模態參數（shù）計算

以相關數學模型為基礎（chǔ），模（mó）態參數的（de）計算（suàn）則需要程序編（biān）寫，並詳細解出固有（yǒu）振幅、頻率及模（mó）態（tài）柔度、勢能分布率，繪製相關程序圖。計算內容主要有元件總數、頻率方（fāng）程、掃頻初值、掃（sǎo）頻終值、掃頻步長、頻率方（fāng）程、係統模態柔度、動能分布率、勢能（néng）分布（bù）率、固有頻率等；此外（wài），要劃分相應的性能參數數組、狀態矢量數組、傳遞（dì）矩（jǔ）陣數組、矩陣數組等。合理控製模態柔度與勢能分布率、扭轉固有頻率；參考動能分布率，適當降低質量。

3.4 傳動係統動態設計

以模態參數計算為前提，適當提升、降低元件剛度和質量（liàng）。參考建模（mó）流程，合理分配齒輪與（yǔ）輸出軸慣量。切實（shí）考慮軸自身剛度，軸承剛度、跨距等影響要素；在（zài）提高軸（zhóu）剛度的同時，需要適當增加其直徑、剛度，降低跨距。此外，要適當降低軸、齒輪質量，如縮短（duǎn）軸長、縮小直徑、改善齒輪構架。另一方麵，要參考能量平衡理論和模態柔度（dù）設計相關內容，科學分配阻尼。通（tōng）過品質因素、阻尼比、粘性阻尼係數與對數減縮、損耗（hào）因子，呈現振動係統的阻（zǔ）尼（ní）特征。因阻尼均小，科學增強相應（yīng）模態的彈性能（néng）分布率中的子結構阻尼。通常為了表征係統阻尼特性，會涉及到粘性阻尼係（xì）數 c、損耗因子 η、對數減縮 δ 等，它們（men）間存在一定等效關係：

4.總結

本文著重分析了大型數控龍門銑床主（zhǔ）軸（zhóu）柔性傳動係統的創新設計，就傳（chuán）動（dòng）軸結構、參數等（děng）提出進一步的改善方法。利用有限元計（jì）算方法，論證設計內容的可行（háng）性；分析傳動軸的（de）模態（tài），不斷尋找設計弊端，改善模擬技術，來保證計算數據（jù）的精準性，做到具體問題具體分析，控（kòng）製實驗成（chéng）本。

投稿箱（xiāng）：
如果您有機床行業、企業相（xiàng）關新聞稿件發表，或（huò）進行資訊合作，歡迎聯係本網編輯部，郵箱（xiāng）：skjcsc@vip.sina.com

更多相（xiàng）關信息

名企推薦

業界（jiè）視點

| 更多（duō）

行業數（shù）據

| 更多

博文選萃

| 更多