浅谈数控机床主传动系统的设计与优化

浅谈数控机床主传动系统的设计与优化

邓旭成

佛山市金银河智能装备股份有限公司528199

摘要：随着现代科技的发展以及先进生产力水平的提升，数控机床在制造领域得到广泛的应用，本文通过对数控机床主传动系统设计进行深入的探究，分析满足实际应用需求的系统设计方案以及系统优化方案，旨在促进数控机床现代化设计和应用水平的提升。

关键词：数控机床；主传动系统；设计

前言：数控机床实现了与计算机技术和自动化技术的有效结合，是由普遍机床发展而来的。数控机床可以按照相应的操作指令完成零件加工工作，对提高生产效率和生产质量具有十分重要的作用。而且数控机床在机械制造中的有效应用，可以有效减轻从业人员的工作负担，实现零件生产自动化，对批量零件进行生产，从而真正实现机械制造的重要目的，为机械制造业进一步发展创造巨大的动力。数控机床主要由机械、电气、液压、润滑、排屑等部分组成，其中主传动系统是数控机床控制系统的重要组成部分，直接关系着机床能否正常运行。因此，数控机床应用过程中，必须科学设计主传动系统，并对主传动系统进行实时的优化。

1数控机床主传动系统结构

数控机床主传动系统由主轴电动机、传动元件和主轴构成的具有运动传动联系的系统。数控机床主传动系统将主电动机的原动力变成可供主轴上刀具切削加工的切削力矩和切削速度，从而实现机床主运动的。数控机床主传动系统由以下几个重要部件构成，变频器，电动机，联轴器，机械传动系统，主轴，如图1所示。

图1主传动系统主要部件示意图

2主传动系统设计

数控机床是高度自动化机床，其传动系统的特点是：转速高、功率大、转速自动变换迅速可靠、主轴刚度和回转精度高、主轴转速范围广、能进行高效率加工。所以对数控机床的传动精度有一定的要求：①有较大的调速范围并实现无级调速；②功率满足各转速段；③传动平稳，操作灵活，结构简单紧凑，工艺性好，满足经济性要求。主传动系统是用来实现机床主运动的传动系统，它应具有一定的转速（速度）和一定的变速范围，以便采用不同材料的刀具，加工不同材料、不同尺寸、不同要求的工件，并能方便地实现运动的开停、变速、换向和制动等。

在数控机床的主传动系统中，目前多采用交流主轴电动机和直流主轴电动机无级调速系统，可以大大简化机械机构，便于实现自动变速、连续变速和负载下变速。为扩大调速范围，适应低速大扭矩的要求，也经常应用齿轮有级调速和电动机无级调速相结合的调速方式。

2.1数控机床主传动系统的调速方式

数控机床主传动系统配置方式较多，常见的是分级变速系统和无级变速系统。数控机床为了得到广泛的加工转速，一般主传动采用无级变速，能够在一定的调速范围内选择经济合理的主轴切削速度。数控机床的无级变速多采用电气无级调速。采用无级调速，主轴箱结构大大简化，调速方便，传动链缩短。但是，机床调速范围很宽，一般情况下单靠调速电机无法满足，另外调速电机的功率和转矩特性也难以与机床的功率和转矩要求完全匹配，特别是在低速时，输出转矩无法满足机床强力切削的要求。若单纯追求无级调速，势必要增大主轴电动机的功率，从而使主轴电动机与驱动装置的体积、重量及成本增加。因此数控机床常采用Ⅰ～Ⅳ挡齿轮变速与无级调速相结合产方式，即分段无级变速方式。采用齿轮变速虽然低速时的输出转矩增大，但降低了最高主轴转速。因此，通常用数控系统控制齿轮自动变挡，同时满足低速转矩和高主轴转速。一般数控系统均提供Ⅱ～Ⅳ挡变速功能，而数控机床通常使用2挡即可满足要求。

考虑改造的经济性与技术性的统一，特别是推广使用交流变频拖动技术，选用变频电机+手动档调速方式。用一般的异步交流电动机或变频电动机作为主轴驱动电动机，用机械换档和变频无级调速有机结合的方法，系统机床的恒功率自动变速。

2.2交流电机的变频调速

电机调速方式，由电动机原理可知，交流感应电动机的转速为

n=n0（1−s）=60f1（1−s）/p

式中：f1—电源的频率

s—转差率

p—磁场极对数

由上式可知，当转差率s变化不大时，转子转速n正比于f1。改变电源的频率f1，从而改变异步电动机的同步转速n0，转子转速n就随之得到调节，这种调速方法称为变频调速。平滑调节频率，即可实现异步电动机的平滑调速。交流调频调速电机具有体积小，转动惯性小，响应快，没有电刷，应用较为广泛。现该技术已普遍使用。

2.3主传动系统的驱动电机与主轴功率进行设计方案的匹配

驱动电机是保证主传动系统正常运转的关键部件，而电动机与机床的调速特性却存在差异，为促进数控机床的高精度，则必须对调速设备进行充分的应用和调配，保证电动机和机床的调速性能能够更加趋近。通过科学调研发下，数控机床的主传动轴其调速范围大致在十到二十之间，而交流电动机的调速范围则为三到五之间，显然机床的主传动轴调速高于电动机，因而在进行主传动轴的调速设计时，便需要保证电动机的实际调速范围能够尽量满足主传动轴的变速范围，并对机床主传动轴的调速进行一定程度的调整，尽量保证彼此之间转速的合适性，保证恒动率在数控机床的合理运行范围之内，进而能够实现数控机床经济性能和应用性能的共同提升。

3数控机床主传动系统优化

数控机床的加工精度受机床主传动系统精度的影响比较大，为了促使数控机床实现高精度加工的重要目标，在对数控机床主传动系统进行优化的时候，必须以主传动系统出现的误差原因作为切入点，只有这样才能为数控机床主传动系统优化提供充分的保障。而数控机床主传动系统出现的误差原因主要体现在两个方面：第一，指的是由传统链自身制造的误差。主要是因为机床传动系统的传动链越长，传动副就会越多，从而形成非常大的误差。所以，数控机床主传动系统优化的时候，需要尽量促使传动链简单，且降低传动速度，在机床结构空间允许的情况下进行大传动比，只有这样才能有效传动链产生的误差，从而为传动精度提供充分的保障。但需要注意的问题是，必须对影响较大的末端传动副进行大降速比，只有这样才可以有效提高传动精度，从而促使数控机床实现高精度生产的重要目标。第二，需要减少传统系统齿轮和轴承间隙之间的产生误差的可能性。主要是因为在数控机床运作过程中，传统系统齿轮的间隙会对传动精度形成一定程度的影响作用，从而对传动灵敏度和运作稳定性形成影响。只有根据实际情况实现对轴承间隙的合理调整，最大限度提高主轴刚度和回转精度，减少数控机床轴承震动的幅度，减轻噪音影响，对轴承间隙进行合理的控制，提高轴承的精度，减少机床的刚度荷载，只有这样才能真正实现提高机床加工精度的重要目标。除此之外，在对数控机床主传动系统进行优化的时候，还需要考虑轴承钻孔表面粗糙度，轴承钻孔表面粗糙度符合相应的标准，促使数控机床轴承精度与轴颈、轴承座孔精度相适应。主要是因为轴承座孔和轴颈配合的松紧程度会对机床运行形成一定的影响作用，要提高数控机床主轴精度和抗振性，就需要提高轴承座孔和轴颈配合紧度，而如果两者配合过于紧，就会使得机床主轴间隙存在误差，从而影响机床主轴的回转精度，在数控机床运行的时候，出现发热的现象，对数控机床安全运行形成极为不利的影响作用。所以，必须根据实际情况和标准对、数控机床主传动系统优化，只有这样才能为实现数控机床主传动系统优化的目标奠定坚实的基础。

4结语

数控机床主传动系统作为数控机床中的核心部件之一，对于数控机床的运行及节能具有重要意义。根据系统设计的具体要求对主传动系统进行优化设计，可以保证系统的工作效率及质量，实现数控机床的应用价值。因此，当前机械制造业应该重点考虑对数控机床主传动系统的优化。

参考文献：

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