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大型數(shù)控龍門銑床主軸柔性傳動(dòng)系統(tǒng)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)

2017-7-26 來(lái)源：成都利君實(shí)業(yè)股份有限公司作者：燕文

摘要：相對(duì)于大型數(shù)控龍門銑床而言，主軸在銑床整體中占據(jù)關(guān)鍵地位，與銑床使用年限、加工精度等存在密切關(guān)聯(lián)。大型數(shù)控龍門銑床內(nèi)的主軸裝置在滑枕處，和傳動(dòng)軸直接連接，而傳動(dòng)軸另側(cè)和減速器連接，減速器相連于驅(qū)動(dòng)電機(jī)，借助傳動(dòng)軸將驅(qū)動(dòng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)傳至主軸。主軸傳動(dòng)系統(tǒng)與傳動(dòng)軸的質(zhì)量性能的高效與否，對(duì)大型數(shù)控機(jī)床龍門銑床的整體性能產(chǎn)生直接作用，其主軸柔性傳動(dòng)系統(tǒng)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)顯得尤為重要。

關(guān)鍵詞：主軸；傳動(dòng)系統(tǒng)；創(chuàng)新設(shè)計(jì)

銑床指的是通過(guò)銑刀對(duì)工件展開銑削加工，可以在銑床中展開平面、溝槽、分齒零件、螺旋形表面和不同曲面的加工工作。與此同時(shí)，銑床還能夠切斷、加工回轉(zhuǎn)體表面與內(nèi)孔。因大型數(shù)控龍門銑床的生產(chǎn)效率與生產(chǎn)質(zhì)量均高，在機(jī)械制造領(lǐng)域的應(yīng)用較為廣泛。

1.銑床及銑床滑枕研究現(xiàn)狀

1.1 銑床研究現(xiàn)狀1.1 銑床研究現(xiàn)狀

在 1884 年間，龍門銑床得以發(fā)明；隨著現(xiàn)代社會(huì)的高速發(fā)展，半自動(dòng)銑床出現(xiàn)并得到應(yīng)用，通過(guò)擋塊工作臺(tái)可實(shí)現(xiàn) “ 進(jìn)給 - 快速 ”，以及 “ 快速 - 進(jìn)給 ” 的自動(dòng)轉(zhuǎn)換。在龍門銑床的應(yīng)用過(guò)程中，其加工精度與使用年限得到飛速提升。隨著數(shù)字化控制的廣泛應(yīng)用，在提高銑床自動(dòng)化方面做出較大貢獻(xiàn)。

早在七十年代，微處理數(shù)字控制系統(tǒng)與自動(dòng)換刀系統(tǒng)在銑床方面得到廣泛應(yīng)用，在豐富其加工功能的同時(shí)，有效提高了效率與質(zhì)量。在機(jī)械事業(yè)的成熟發(fā)展下，大部分機(jī)床操作開始采用數(shù)據(jù)編程，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度。同時(shí)，其適用范圍和布局形式得到多元化發(fā)展，包括升降臺(tái)銑床、龍門銑床、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面、平面中的應(yīng)用較為廣泛，尤其是大批量生產(chǎn)制造。大型龍門銑床的門式框架有立柱、頂梁構(gòu)建而成，橫梁可沿立柱導(dǎo)軌升降，裝有銑頭的滑枕裝配在橫梁上方，能夠沿著橫梁導(dǎo)軌進(jìn)行橫向運(yùn)動(dòng)。此外，部分銑床立柱還可以安裝有水平主軸的銑頭，能沿立柱導(dǎo)軌展開升降。這部分銑頭能夠?qū)Χ鄠€(gè)表面一同加工。每一銑頭都裝有相應(yīng)的變速設(shè)備與驅(qū)動(dòng)電機(jī)、主軸附件等。加工過(guò)程中，工作臺(tái)中的工件可以隨著操縱位置展開運(yùn)動(dòng)。

滑枕為大型數(shù)控龍門銑床的主要構(gòu)件，其性能高效與否對(duì)機(jī)床工作效率產(chǎn)生直接影響。在機(jī)械制造領(lǐng)域一步步走向成熟的過(guò)程中，對(duì)大型零部件的要求逐漸提高。利用該零部件，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)端面、內(nèi)孔與外圓的車削加工，并豐富其平面、溝槽、曲面、斜面、內(nèi)孔及外圓的銑削加工工作?？梢詮幕聿牧吓c主傳結(jié)構(gòu)等方面提升龍門銑床的強(qiáng)度，考慮到球墨鑄鐵的工藝性能，其強(qiáng)度、塑性、動(dòng)負(fù)荷性能；相對(duì)于一般灰鑄鐵而言，其彎曲疲勞限度可超出 1 倍以上。自傳統(tǒng)滑枕的工作過(guò)程中，其傳動(dòng)軸兩側(cè)的軸承支撐容易出現(xiàn)摩擦起熱，阻礙銑床的安全運(yùn)作。為解決這一難題，可以在銑床滑枕傳動(dòng)軸的構(gòu)架中采用有限元分析技術(shù)，進(jìn)一步改善傳動(dòng)軸的性能與結(jié)構(gòu)，利用相關(guān)程序避免計(jì)算流程的復(fù)雜化，有利于提高設(shè)計(jì)質(zhì)量，控制設(shè)計(jì)時(shí)間。

2.銑床滑枕柔性傳動(dòng)軸設(shè)計(jì)

2.1 主軸傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)改良方案

考慮到主軸傳動(dòng)系統(tǒng)的不同影響要素，可以著手于結(jié)構(gòu)進(jìn)行改善，為提高大型數(shù)控龍門銑床的使用年限和加工精度，對(duì)主軸柔性傳動(dòng)系統(tǒng)展開研究。一般來(lái)說(shuō)，傳統(tǒng)主軸系統(tǒng)傳動(dòng)系統(tǒng)為剛性，傳動(dòng)軸兩側(cè)有軸承作為支撐，在加工、安裝過(guò)程中要注意相應(yīng)孔的同軸度；因傳動(dòng)軸的長(zhǎng)度值較高，很難保障相應(yīng)孔的同軸度。此外，經(jīng)改善后的主軸柔性傳動(dòng)系統(tǒng)，去除傳動(dòng)軸兩側(cè)的軸承支撐。通過(guò)柔性傳統(tǒng)系統(tǒng)的自主調(diào)整，使得兩側(cè)位置不對(duì)應(yīng)時(shí)能夠自行調(diào)節(jié)，保證扭矩的可靠性。該傳統(tǒng)系統(tǒng)僅需兩個(gè)待加工的孔，利于傳動(dòng)系統(tǒng)加工精度和工藝性能的提高，合理控制了費(fèi)用支出。

2.2材料選擇

在材料選擇過(guò)程中，需明確零部件的使用標(biāo)準(zhǔn)，考慮到載荷部位的危險(xiǎn)性，要明確材料的重量比值、抗疲勞與抗斷裂性能。大型數(shù)控龍門銑床主軸柔性傳動(dòng)系統(tǒng)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)，突出了扭矩強(qiáng)度與韌度。例如：鈦，外形類似于鋼鐵，材質(zhì)卻堅(jiān)韌輕盈，密度較低；與鉑金熔點(diǎn)相似，在 1675℃之間，在軍工及航天精密零部件中得到廣泛應(yīng)用。因鈦的抗腐蝕特性明顯，能夠完整放置于任一強(qiáng)堿、強(qiáng)酸內(nèi)，具備太空金屬的使用優(yōu)勢(shì)。

現(xiàn)階段，在龍門銑床主軸柔性傳動(dòng)系統(tǒng)所用的材料中，鈦合金的強(qiáng)度最高。鈦合金以鈦為前提，融入相應(yīng)的合金元素，具備良好的工藝性能與韌度。能夠在兩側(cè)不對(duì)心的狀況中傳遞轉(zhuǎn)矩，利于延長(zhǎng)系統(tǒng)的使用年限，合理控制對(duì)心難度與成本支出，及時(shí)消除風(fēng)險(xiǎn)隱患。

2.3 過(guò)渡曲線確定

在計(jì)算機(jī)技術(shù)高速發(fā)展的背景下，有限元方法的應(yīng)用逐漸普遍。通過(guò)對(duì)每一過(guò)渡曲線進(jìn)行有限元分析，核對(duì)分析內(nèi)容，可有效避免傳統(tǒng)軸間過(guò)渡的圓角應(yīng)力集中現(xiàn)象。在分析過(guò)程中，可采用由下至上的建模形式（點(diǎn) - 線 - 面 - 體）；可構(gòu)建二維面積網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)旋轉(zhuǎn)得到相關(guān)三維映射網(wǎng)絡(luò)有限元模型，該構(gòu)建流程較繁瑣，卻有利于提升計(jì)算速率，保障計(jì)算數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)度。大型數(shù)控龍門銑床主軸若星傳動(dòng)系統(tǒng)的過(guò)渡主要采取樣條曲線，利用過(guò)渡端和兩側(cè)軸承的連接，不僅能夠控制應(yīng)力集中，還能延長(zhǎng)其使用年限。

3.傳動(dòng)軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 傳動(dòng)系統(tǒng)模型元件確定

一方面，慣性元件。主要指的是每一軸的旋轉(zhuǎn)質(zhì)量，即皮帶輪、齒輪、卡盤等零部件。在傳動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)作過(guò)程中，這部分零部件的動(dòng)力學(xué)原理，著重體現(xiàn)在轉(zhuǎn)動(dòng)慣量中。通常來(lái)說(shuō)，一根軸中的慣性元件，能將這部分質(zhì)量集中至軸兩側(cè)，出現(xiàn)等效圓盤，扭轉(zhuǎn)變形忽略不計(jì)，則可以作為剛性圓盤使用，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量主要為：

為轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；m 為等效圓盤質(zhì)量；p 為等效圓盤的等效直徑。另一方面，彈性元件，即兩大等效圓盤間的軸段，對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)的作用主要體現(xiàn)在自身的扭轉(zhuǎn)剛度。利用軸段間的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，能夠在剛性圓盤中重疊，來(lái)控制軸扭轉(zhuǎn)剛度的精準(zhǔn)度。

3.2 參數(shù)轉(zhuǎn)換

具體參考主軸傳動(dòng)系統(tǒng)的建模知識(shí)，可以將軸扭轉(zhuǎn)剛度值與轉(zhuǎn)動(dòng)慣量有效轉(zhuǎn)至輸出軸 3，轉(zhuǎn)換之后的慣量為 164.01×103、146.06×103、8.71×103；其扭轉(zhuǎn)剛度則為 45.63×105、4.21×105、1.93×105。

3.3 模態(tài)參數(shù)計(jì)算

以相關(guān)數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ)，模態(tài)參數(shù)的計(jì)算則需要程序編寫，并詳細(xì)解出固有振幅、頻率及模態(tài)柔度、勢(shì)能分布率，繪制相關(guān)程序圖。計(jì)算內(nèi)容主要有元件總數(shù)、頻率方程、掃頻初值、掃頻終值、掃頻步長(zhǎng)、頻率方程、系統(tǒng)模態(tài)柔度、動(dòng)能分布率、勢(shì)能分布率、固有頻率等；此外，要?jiǎng)澐窒鄳?yīng)的性能參數(shù)數(shù)組、狀態(tài)矢量數(shù)組、傳遞矩陣數(shù)組、矩陣數(shù)組等。合理控制模態(tài)柔度與勢(shì)能分布率、扭轉(zhuǎn)固有頻率；參考動(dòng)能分布率，適當(dāng)降低質(zhì)量。

3.4 傳動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)

以模態(tài)參數(shù)計(jì)算為前提，適當(dāng)提升、降低元件剛度和質(zhì)量。參考建模流程，合理分配齒輪與輸出軸慣量。切實(shí)考慮軸自身剛度，軸承剛度、跨距等影響要素；在提高軸剛度的同時(shí)，需要適當(dāng)增加其直徑、剛度，降低跨距。此外，要適當(dāng)降低軸、齒輪質(zhì)量，如縮短軸長(zhǎng)、縮小直徑、改善齒輪構(gòu)架。另一方面，要參考能量平衡理論和模態(tài)柔度設(shè)計(jì)相關(guān)內(nèi)容，科學(xué)分配阻尼。通過(guò)品質(zhì)因素、阻尼比、粘性阻尼系數(shù)與對(duì)數(shù)減縮、損耗因子，呈現(xiàn)振動(dòng)系統(tǒng)的阻尼特征。因阻尼均小，科學(xué)增強(qiáng)相應(yīng)模態(tài)的彈性能分布率中的子結(jié)構(gòu)阻尼。通常為了表征系統(tǒng)阻尼特性，會(huì)涉及到粘性阻尼系數(shù) c、損耗因子 η、對(duì)數(shù)減縮 δ 等，它們間存在一定等效關(guān)系：

4.總結(jié)

本文著重分析了大型數(shù)控龍門銑床主軸柔性傳動(dòng)系統(tǒng)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)，就傳動(dòng)軸結(jié)構(gòu)、參數(shù)等提出進(jìn)一步的改善方法。利用有限元計(jì)算方法，論證設(shè)計(jì)內(nèi)容的可行性；分析傳動(dòng)軸的模態(tài)，不斷尋找設(shè)計(jì)弊端，改善模擬技術(shù)，來(lái)保證計(jì)算數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)性，做到具體問(wèn)題具體分析，控制實(shí)驗(yàn)成本。

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