龙门铣床主传动系统设计

龙门铣床主传动系统设计

铣床是在一般机床的基础上发展起来的，其传动系统的核心环节是主传动系统。铣床的机械结构主要由传动系统、支承部件、分度台等部分组成。传动系统的作用是把运动和力由动力源传递给机床执行件，而且要保证传递过程中具有良好的动态特性。传动系统在工作过程中，经常受到激振力和激振力矩的作用，使传动系统的轴组件产生弯曲振动和扭转振动，影响了机床的工作性能。随着机床切削速度的提高和自动化方向的发展，传动系统的结构组成越来越简单。

三坐标双柱龙门铣床简单的运动结构图为如下：

铣床的主传动系统的布局可分成集中传动和分离传动两种类型。主传动系统的全部变速结构和主轴组件集中装在同一个箱体内，称为集中传动布局；传动件和主轴组件分别装在两个箱体内，中间采用带或链传动，称为分离传动布局。集中传动式布局的机床结构紧凑，便于实现集中操控，且只用一个箱体，但传动结

构运转中的振动和热变形。当采用轮传动时，皮带将高速直接传给主轴，运转平稳，加工质量好，低速时经轮机构传动，转矩大，适应粗加工要求。

1、变速机构

变速方式分为有级变速和无级变速。有级变速机构有下列几种：

·交换齿轮变速机构这种变速机构的变速简单，结构紧凑，主要用于大批量生产的自动或半自动机床，专用机床及组合机床等；

·滑移齿轮变速机构这种变速机构广泛应用于通用机床和一部分专用机床中；·离合器变速运动在离合器变速机构中应用较多的有牙嵌式离合器，齿轮式离合器和摩擦片式离合器。

2、齿轮的布置与排列

·变速度组的滑移齿轮一般布置在主轴上，为了避免同一滑移齿轮变速组内两对齿轮同时啮合，两个固定齿轮的间距应大于滑移齿轮的总宽度，即留有一定的间隙（1-2mm）, 如无特殊情况，应尽量缩小齿轮轴向排列尺寸。滑移齿轮的轴向位置排列通常有窄式和宽式两种，一般窄式排列轴向长度较小；

·为了减小变速箱的尺寸，既需缩短轴向尺寸，又要缩短径向尺寸，它们之间往往是相互联系的，应该根据具体情况考虑全局，恰当地解决齿轮布置问题；·在强度允许的条件下，尽量选取较小的齿数和使齿轮的降速传动比大于1/4。这样，既缩小了本变速组轴间距离，又不妨碍其它变速组的轴间距离。

3、主传动的开停、制动装置

开停装置

开停装置是用来控制主轴的启动与停止的机构，开停方式有直接开、停电动机和离合器开、停两种。当电动机功率较少时，可直接开停电动机，当电动机功率较大时，可以用离合器实现主轴的启动和停止。

制动装置

在装卸工件、测量被加工面尺寸、更换刀具及调整机床时，常希望机床主运动执行件尽量快速停止运动。所以主传动系统必须安装制动装置，一般可采用电机反接制动，闸带制动，闸瓦制动。

机床的运动，是由机械和液压联合传动的。液压传动具有运动平稳，无级调速方便，易自动化及换向可能较平稳等优点，所以在磨床的工作台驱动、横向快退及切入进给等方面应用比较广泛。1432A型机床中，除了工作台的纵向往复运动，砂轮的快速进退和周期自动切入进给，尾架顶尖套筒的缩回是液压传动外，其余的都是由机械运动。

传动系统作为实现铣床生产功能的最主要的部分，它的主传动系统主要由动力源（电机），传动链或者是传动轮，主轴及主轴组件，各级轴和轴承等结构组成。具体传动零件和结构如下图所示：

基于建立传动系统的模型，是将各轴上的齿轮，卡盘及轴等先计算其转动惯量，再平均分配到轴的两端，中间用弹性元件连接，弹性元件的扭转刚度等价于原轴的扭转刚度。

传动系统惯性元件的确定

惯性元件是指各轴及轴上的旋转质量，如齿轮、皮带轮、卡盘及轴上直径较大的凸缘等盘类零件．当传动系统发生扭转振动时，它们对系统的动力学作用主要反映在他们的转动惯量方面，所以称为惯性元件．一根轴上的惯性元件可以这样处理：

将这些质量(包括轴本身的质量)集中到轴的两端，形成两个等效圆盘，忽其扭转变形，将其假设为刚性圆盘．其转动惯量为：

I=mp2

式中，I —转动惯量

m —等效圆盘的质量

p —等效圆盘的等效直径

传动系统弹性元件的确定

弹性元件是指两等效圆盘之间的轴段，它对系统的影响在于本身的扭转刚度。而轴段的转动惯量可以叠加到刚性圆盘上，按式(2)计算轴的扭转刚度：

K=M／?一GJ ／L

式中，M —扭矩

? —扭转角

G 一剪切弹性模量，取G=81GP

J —极惯性矩

L 一轴段长度

传动系统模型的建立

根据传递矩阵法建模的理论，将轴上的齿轮作为只有惯性而无弹性的惯性元件，转换到轴的两端；将各轴段的转动惯量叠加到轴的两惯性元件上(一般可平均分配)，而轴的扭转刚度转换成一个弹性轴的扭转刚度；将各轴上的两弹性轴段和刚性圆盘，转换到同一轴线上，构成单一轴线的当量圆盘系统的扭转动力学模型；各齿轮啮合处的弹性变形很小，啮合处的弹性元件可以忽略，所以相啮合的一对齿轮可以合并成一个惯性元件；最后，根据实际情况，将以上参数转化到输出轴上；不计电机对传动系统的影响，建立动力学模型如图2所示，图中，1，3，5为弹性元件，2，4，6为惯性元件。

传动系统动态设计

由以上布局之后进行参数转换，即根据传动系统传递矩阵建模理论，将轴的转动惯量和扭转刚度转换到输出轴 3 上，在得到系统的动力学模型的各个参数之后，则可以建立传动系统的数学模型。需要修改的是元件 3 的刚度和元件 6 的质量，即提高元件 3 的刚度，减小元件 6 的质量。从建模的过程可知，元件3 是中间轴，元件 6 是一对啮合的齿轮和输出轴的惯量的分配。影响传动轴刚度的的因素主要是轴本身的刚度，轴承的刚度以及轴承之间的跨距，与轴的材料的关系不大。因此，为提高中间轴的刚度，要从增加中间轴的直径、增加轴承的刚度以及减小轴承跨距人手。影响质量的因素是在材料一定时，与体积有关系。减小质量，就要减小轴的质量和齿轮的质量，如将轴的长度缩短，直径减小，改变齿轮轮毂结构等等。

根据以上建立的数学模型，求解固有频率，振幅和势能分布率以及模态柔度，运算得到传动系统的扭转固有频率，势能分布率和模态柔度等。

各阶频率对应的模态柔度处于一个数量级别下，在静态柔度一定的情况下，弹性元件和惯性元件各阶模态柔度处于平衡状态，说明传动系统的质量和刚度得到了合理的匹配。

另外，根据模态柔度和能量平稀奇原理的动态优化设计方法，阻尼的分配也是其中很重要的一个部分。由于组尼一般都很小，因此，对于机械结构在其第r

阶固有频率附近振动时，若各阶模态的耦合不紧密，上式也可用于多自由度的振动系统。从而，阻尼分配的原则是：要增大第r阶模态的对数缩减，最有效的途径是增大第r阶模态的弹性能分布率较大的子结构的阻尼，而不是等同的增大所有子结构的阻尼。在传动系统的动态优化设计中，由于阻尼的复杂性，这里只是指出阻尼分配的原则，而没有对阻尼的分配进行进一步的讨论。

传动系统在工作中主要是扭转振动，用传递矩阵法建立传动系统的集中质量模型，是通过将轴上的零件，转化为惯性元件，而将轴转化为弹性元件和惯性元件的组合，并将各轴转化的惯性元件，平均分配到各个轴的两端，最后，将惯性元件和弹性元件一同转化到输出轴上，建立传动系统扭转传递矩阵模型，来分析其扭转振动。与有限元模型相比较，在满足工程需要的同时，能够养活对计算机容量的需求。运有模态柔度和能量平稀奇原理，通过对传动系统模态柔度和能量分布率的计算结果的分析，表明了动态优化设计的目标和变量，找出需要修改的结构部位和参数。通过高速主轴的跨距，悬伸量，内外直径和主轴长度，改变惯性元件和弹性元件的参数，达到对整个传动系统进行动态设计的目标。