数控铣床主传动系统的分析计算与设计.pdf

装备制造技术 2 0 0 7 年第8 期 数控铣床主传动系统的分析计算与设计 马祥英 苏远彬 桂林机床股份有限公司技术中心 广西桂林5 4 1 0 0 0 摘要 简要介绍了数控铣床厦加工中心的主传动系统的类型和特 最 并重点对两段变速主传动变速系统的设计参教和特性参数进行推 导和计算 通过分析这些参数的相互关系及其对鲒构和性能的影响 得出一些有参考价值的结论 关键词 传动系统 功率缺o 扭矩 减速比 中图分类号 T G 5 4 7文献标识码 A 文章编号 1 6 7 2 5 4 5 X 2 0 0 7 0 8 0 0 4 1 0 3 主传动系统是铣床传动系统的核心环节 传统的铣床主传 动系统采用有级传动方式 其计算和设计方法早已有详细论 述 随着机床技术的发展 数控铣床和加工中心的主传动系统 已普遍采用无级传动方式 尽管一些大型的机床设计手册对无 级传动方式的分析计算和设计方法已有论述 也已形成一些设 计原则 但机械加工对主轴无级传动系统的要求多种多样 随 着机床技术的发展 随着机床产品设计越来越理性化 在进行 主传动系统设计时需要对各主要技术参数和特性参数如高 低 档减速比 主轴额定转速 功率损失等进行计算 对这些参数的 相互关系和相互影响以及对结构性能的影响进行分析 而以往 的技术文献对这方面的介绍 论述较为笼统和简单 有关结论 也显得简单 已不能满足分析和设计要求 因此有必要不断地 深入研究 完善主传动计算与设计方法 笔者多年来主管多项 数控铣床和加工中心产品的设计 对各种主传动系统设计进行 了较深入的分析 积累了较多的分析和设计经验 对主传动系 统各主要设计参数和特性参数进行了推导计算和相互关系分 析 得出了一些较为适用的结论 现介绍如下 1 主轴无级传动系统的特点 主轴无级传动系统主要由无级调速电机及驱动单元和机 械传动机构组成 1 1 无级调速电机及驱动主要机械特性 k W r i m n 转速r r a i n 圈1 无级调速电机特性曲线 无级调速电机具有转速拐点 即额定转速 其特点为 小于 额定转速的为恒扭矩范围 大于额定转速的为恒功率范围 如 图1 所示 额定转速一般有5 0 0 r m i n 7 5 0 r m i n 1 0 0 0 r m i n 1 5 0 0 r r a i n 2 0 0 0 r n f i n 等几种 按照成本原则 通常使用较多的为 1 5 0 0 r m i n 如果直接使用额定转速为1 5 0 0 r m i n 以上的电机而 不经过机械减速 则输出的恒功率范围和低速扭矩较小 不能 满足很多场合下的正常使用要求 1 2 主轴无级传动系统中的机械传动机构种类及特点 1 直接1 1 传动 可采用电机与主轴组件直联方式或通过同步带传动方式 结构简单 易获得高转速 但低速扭矩小 一般只适用于高速和 轻切削场合 2 直接减速或升速传动 常采用同步带传动方式 也可采用齿轮传动方式 结构简 单 对于减速传动 可扩大恒功率范围和提高主轴扭矩 但扩大 和提高程度有限 或最高转速受到限制 对于升速传动 可获得 高转速 但缩小了恒功率范围 降低了低速扭矩 3 高低档两段变速传动 一般采用齿轮两档变速机构 可配合较为经济的额定转速 较大的无级调速电机 既可获得较高转速 又可较大地拓宽恒 功率范围 提高低速扭矩 适合于要求达到较高转速且可进行 较大切削量加工的场合 4 高 中 低档三段变速传动 采用齿轮三档变速机构 配合较为经济的额定转速较大的 无级调速电机 既可获得较高转速 叉可大大拓宽恒功率范围 大大提高低速扭矩 适合于要求达到较高转速且可进行大切削 量加工的场合 其机械性能几乎与齿轮有级变速方式相同 但 结构复杂 且由于采用齿轮多级传动方式 最高转速受限更大 目前这种传动方式很少采用 从以上介绍可知 各种传动方式各有优缺点 关键是根据 不同的使用要求选择不同的传动方式 1 3 关于高低档两段变速传动方式 从以上分析可以看出 采用高低档两段变速传动方式 既 可获得较高转速 叉可较大的拓宽恒功率范围 较大的提高低 速扭矩 且结构要比三段变速简单 因此是较为理想的传动方 式 特别是 出于对电控系统价格的考虑 我们经常采用额定转 证藕日期 2 丽i 面五一一 作者简介 马祥英 1 9 5 8 一 女 从事机床设计开发工作 苏远彬 1 9 6 一 女 从事机床设计开发工作 万方数据 E q u i p m e n tM a n u f a c t r i n gT e c h n o l o g yN O 8 2 0 0 7 速为1 5 0 0r r a i n 主轴电机 当选用额定转速大于或等于 1 0 0 0 r r a i n 的主轴电机 且又要求具有较大的输出恒功率范围 较大的主轴低速扭矩和较高的主轴转速 则必须采用高低档两 段变速传动方式 同时可以看出 高低档两段变速传动方式的计算和设计要 比直接传动方式复杂得多 不同的参数选择可导致机械性能的 不同 并适应于不同的使用要求 因此 导出各设计参数的计算 公式 分析各参数选择对机械性能的影响 分析参数选择与结 构设计的关系 这对于主轴无级词速系统的设计 对于如何通 过计算和设计达到数控机床的预定的技术要求 实现较好的制 造工艺性和性能价格比 将具有重要的意义 2 高低档两段变速传动系统的计算和分析 高低档两段变速传动机构具有多种形式 但其分析计算是 一样的 在进行机床产品设计时 一般情况下 是根据产品定 位 用途 技术要求等因素 确定主电机功率及其额定转速 主 轴最高转速 主轴最大扭矩等主要参数 再根据这些主要参数 和结构要求特点 计算和确定主传动高档和低档减速比 及确 定其它参数和结构参数 进行结构设计 由于采用两档传动方 式 可能会产生在一定速度范围内功率损失的现象 这就是所 谓的功率缺口 尽可能降低功率缺口也是确定主传动高档和低 档减速比的主要依据之一 2 1 高低档减速比计算 a 低档减速比计算 乖 1 灿j I f 其中 j l 低档减速比 M 主轴最大扭矩 m 主电机额定扭矩 p 传动机构机械效率 b 高档减速比计算 i 2 巫 2 m 其中 j 2 高档减速比 n 电机使用最高转速 n 主轴最高转速 2 2 主轴额定转速计算 主轴额定转速n n 粤 3 J 1 其中 n 主轴额定转速 n d 电机额定转速 2 3 功率损失或功率缺口计算 高低档的分界点转速 n 产墨2 4 I l 在高档转速范围内 主轴最大扭矩M 砬 4 2 M p i2 M m 故对应于分界点转速 主轴输出功率处于最低状态 最低 功率P j P j 鲁n 舳 号p n 埘m 监i l 5 经高低档变速后 主轴机械特性如图2 所示 囤2 主轴机械特性曲线 功率损失A P A P P o P 6 其中 P o 为主电机功率 功率损失比率 堂 旦丑 1 一1 1 1 一上 P o P o P o 其中 a 粤 7 J 我们称口为功率缺口 显然d 1 P 越小 则 越大 即功率缺口越大 2 4 功率缺口转速范围计算 参见图2 n0 2 旦n 8 2 功率缺口转速范围n A n 0 2 一n g 9 将式 4 式 8 代人式 9 得 A 1 1 旦M 一旦n r l o i2 i l 2 5 参数选择综合分析和确定 以上算式反映了各主要技术参数的关系 对设计参数选 择 技术特性分析 结构设计和分析具有重要作用 1 低档减速比对机械特性的影响和减速比选择 根据式 1 低档减速比由主轴最大扭矩和电机最大扭矩 决定 主轴最大扭矩越大 则低档减速比越大 反过来 低档减 速比越大 则主轴最大扭矩越大 同时 根据式 3 低档减速比 越大 则主轴额定转速越小 印恒功率范围就越扩大 但根据式 5 6 7 低档减速比越大 则功率损失或功率缺口越大 所以必须综台考虑和分析 选择较大的低档减速比 以保证得 到较大的主轴最大扭矩和恒功率范围 但低档减速比又不能太 大 否则功率损失太大 影响机床机械特性的程度大 达不到正 常使用要求 一般选择低档减速比为3 5 5 较为合适 具体选 择要综合根据具体技术要求和使用要求而定 2 高档减速比对机械特性的影响和减速比选择 以往的技术文献对高档减速比的分析极少 只简单指出高 档减速比一般为1 根据式 5 6 7 高档减速比越大 则功率损失越小 卜厂 一 一睦一 毽 万方数据 装备制造技术 2 0 0 7 年第8 期 同时根据式 3 和式 1 0 高档减速 E 越大 则功率缺口转速范 围越小 所以 高档减速比大对机械特性是好的 但也是根据式 2 在主轴最高转速一定的情况下 高档减速比越大 则电机 使用最高转速也越大 我们知道 在进行设计选择时 不一定选 择到电机真正的最高转速 至于选择多大 要进行综合分析 从 以上分析可知 电机使用最高转速越大 则对机械特性越好 但 电机使用最高转速越大 对机械结构稳定性和机械加工精度要 求也越高 成本增加 经济性降低 在一定程度上成为矛盾 所 以 一般选择高档减速比为l I 5 而不必限制为1 3 功率缺口的分析 根据式 5 在电机特性和主轴最高转速确定后 最低功率 与高 低档减速比有关 选择大的高档减速比和小的低档减速 比 则晟低功率就越大 即功率损失就越小 但从以上的分析也 已知道 高档减速比大则对机械结构稳定性和机械加工精度要 求就高 低档减速比小 则会导致主轴最大扭矩小和恒功率范 围小 影响机械特性 这是一个矛盾 我们可以加大主电机额定 功率来弥补功率损失的影响 这样又会加大成本 所以 在一般 情况下 是允许功率缺口存在的 允许功率缺口的大小视具体 使用要求和技术要求而定 一般为不大于1 2 1 5 特殊情况下 可以大些 3 结束语 在进行数控铣床或加工中心的两段变速主传动系统设计 时 必须对主要设计参数 机械特性和使用要求进行综合考虑 和分析 既要实现好的机械特性和满足使用要求 又要满足制 造工艺性和适应经济性要求 根据笔者经验 一般取高档减速 比为I I 5 低高档减速比为3 5 5 功率缺口一般为不大于 1 2 1 5 参考文献 1 现代实用机床设计手册编委会现代实用机睐设计手N M I 北京 机械工 E 出版社 2 0 0 6 A n a l y s i sC a l c u l a t i o na n dD e s i g no fM a i nT r a n s m i s s i o nS y s t e mo ft h eC N CM i l l i n gM a c h i n e M AX i a u g y i n g S UY u a n b i n T e c h n o l o g yc e n t e r o f G u i l i n m a c h i n e T o o l C o L t d C u i l i n G u a n g x i5 4 1 0 0 0 C h i n a A b s t r a c t T h e t y p e s a n dc h a r a c t e r i s t i c s f 岫m a i n t r a n s m i s s i o no f t h eC N C m i l l i n g m a c h i n e a n d t h e m a c h i n i n gc e n t e r a r eb r i e f l y i n t r o d u c e d T h ed e r i v a t i o na n dc a l c u l a t i o n t o t h e d e s i g n p a r a m e t e r s a n dc h a r a c t e r i s t i c p a r a m e t e r so f t h e t w o m a i n d r i v ev a r i a b l e8 p e e ds y s t e ma r eg i v e n a s w e l la st h em u t u a lr e l a t i o n so ft h e s ep a r a m e t e r sa n di t si n f l u e n c et ot h es t r u c t u r ea n dt h ep e r f o r m a n c ea r ea n a l y z e d t h e ns o 1 l em e m f i n g f u l r e f e r e n c ec o n c l u s i o n sa t ep o i n t e do u t K e yw o r d s t r a n s m i s s i o ns y s t e m p o w e rn D t c h t o r q u e r e d u c t i o nr a t i o 0 o 一 u 上接第3 6 页 大系统的最优对象的最优排序 参考文赫 1 B a a e r j e r AF u yP r e f e r e n e e s dA n o w t y p eP r o N e m s i nE o r i a lc h o i c e 叨 S o c i a lc h o i c e a n d W e l f a r e 1 9 9 4 1 1 1 2 1 1 3 0 2 C a r l s s o n C F u l l e r R F u z z y m u l t i p l ec r i t e r i a d e c i s i o n m a M n g R e m e n t 杠 v e l o p m e n t 棚F u z z yS e t s a n dS y s t e m s 1 9 9 6 7 8 1 3 9 1 5 3 3 3B 衄唧j e r A F u u z yp r e f e r e n c e s 豇1 dA 肿帅ep r o b l e m si n w c i a l c h o i c e S o e L d C h o i c ea n d W e l f a r e 1 9 9 4 1 1 1 2 1 1 3 0 4 李希灿非结构性系统模糊群体决策方法及应用 J J 山东农业大学 学报 2 0 0 2 3 3 3 3 7 2 3 7 6 5 刘万里 关于A H P 中群体决策一致性的模糊判断 J J 宝鸡文理学院 学报 1 9 9 7 1 7 6 3 0 3 4 3 9 6 谭安胜模糊数的模糊多目标群体决策优选模型与方法 j 运筹与 管理 2 0 0 2 1 1 6 4 5 5 1 同魏存平 一种新的模糊群体决策方法U 系统工程理论与实践 2 0 0 1 7 8 1 8 6 8 姜宁模糊多属性群体决策方法加大建理工大学 2 0 0 0 4 0 3 3 6 8 3 7 0 9 陈守煜多日标决策模糊集理论与模型阻系统工程理论与实践 1 9 9 2 1 1 7 1 3 l0 薛伟多目标决策方案优选的模期推理修正权系数方法U 科 学经济社会 1 9 9 2 1 0 4 6 1 6 3 1 1 王晓敏 胡毓达 群体决策的模糊B o r d a 数规则 刀系统工程理论 方法应用 2 0 0 3 2 3 7 1 1 2 1 1 7 F u z z yA l g o r i t h mo fM u l t i o b j e c t i v eG r o u pD e c i s i o n M a k i n g W E IP i n g X UC h e n g 一菇a n x i a nJ i a o t o n gU n i v e r s i t y X i 7 1 0 0 4 9 C h i h a A b s t r a c t C o m b i n i n gt h eg r o u pd e c i s i o n m a k i n g8 1 1 小s i sw i t hf i l z z y s e ta n a l y s i s t h ee v a l u a t i o no fd e c i s i o n m a k i n gp r o g r a mf o rd e c i s i o n m a k e r sw c l e a r l ye x p r e s s e db y i n t n M u e i n g f u z z yr e l a t i v e m e m b e r s h i