大型數控龍門銑床主軸柔性傳動系統的創新設計
2017-7-26 來源： 成都利君實業股份有限公司 作者：燕文
摘要：相對于大型數控龍門銑床而言，主軸在銑床整體中占據關鍵地位，與銑床使用年限、加工精度等存在密切關聯。大型數控龍門銑床內的主軸裝置在滑枕處，和傳動軸直接連接，而傳動軸另側和減速器連接，減速器相連于驅動電機，借助傳動軸將驅動電機旋轉運動傳至主軸。主軸傳動系統與傳動軸的質量性能的高效與否，對大型數控機床龍門銑床的整體性能產生直接作用，其主軸柔性傳動系統的創新設計顯得尤為重要。
關鍵詞：主軸；傳動系統；創新設計
銑床指的是通過銑刀對工件展開銑削加工，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，銑床還能夠切斷、加工回轉體表面與內孔。因大型數控龍門銑床的生產效率與生產質量均高，在機械制造領域的應用較為廣泛。
1.銑床及銑床滑枕研究現狀
1.1 銑床研究現狀1.1 銑床研究現狀
在 1884 年間，龍門銑床得以發明；隨著現代社會的高速發展，半自動銑床出現并得到應用，通過擋塊工作臺可實現 “ 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。隨著數字化控制的廣泛應用，在提高銑床自動化方面做出較大貢獻。
早在七十年代，微處理數字控制系統與自動換刀系統在銑床方面得到廣泛應用，在豐富其加工功能的同時，有效提高了效率與質量。在機械事業的成熟發展下，大部分機床操作開始采用數據編程，降低了勞動強度。同時，其適用范圍和布局形式得到多元化發展，包括升降臺銑床、龍門銑床、單柱銑床、單臂銑床等。
1.2滑枕研究現狀
龍門銑床在加工大型工件斜面、平面中的應用較為廣泛，尤其是大批量生產制造。大型龍門銑床的門式框架有立柱、頂梁構建而成，橫梁可沿立柱導軌升降，裝有銑頭的滑枕裝配在橫梁上方，能夠沿著橫梁導軌進行橫向運動。此外，部分銑床立柱還可以安裝有水平主軸的銑頭，能沿立柱導軌展開升降。這部分銑頭能夠對多個表面一同加工。每一銑頭都裝有相應的變速設備與驅動電機、主軸附件等。加工過程中，工作臺中的工件可以隨著操縱位置展開運動。
滑枕為大型數控龍門銑床的主要構件，其性能高效與否對機床工作效率產生直接影響。在機械制造領域一步步走向成熟的過程中，對大型零部件的要求逐漸提高。利用該零部件，能夠實現對端面、內孔與外圓的車削加工，并豐富其平面、溝槽、曲面、斜面、內孔及外圓的銑削加工工作。可以從滑枕材料與主傳結構等方面提升龍門銑床的強度，考慮到球墨鑄鐵的工藝性能，其強度、塑性、動負荷性能；相對于一般灰鑄鐵而言，其彎曲疲勞限度可超出 1 倍以上。自傳統滑枕的工作過程中，其傳動軸兩側的軸承支撐容易出現摩擦起熱，阻礙銑床的安全運作。為解決這一難題，可以在銑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，利用相關程序避免計算流程的復雜化，有利于提高設計質量，控制設計時間。
2.銑床滑枕柔性傳動軸設計
2.1 主軸傳動系統結構改良方案
考慮到主軸傳動系統的不同影響要素，可以著手于結構進行改善，為提高大型數控龍門銑床的使用年限和加工精度，對主軸柔性傳動系統展開研究。一般來說，傳統主軸系統傳動系統為剛性，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度；因傳動軸的長度值較高，很難保障相應孔的同軸度。此外，經改善后的主軸柔性傳動系統，去除傳動軸兩側的軸承支撐。通過柔性傳統系統的自主調整，使得兩側位置不對應時能夠自行調節，保證扭矩的可靠性。該傳統系統僅需兩個待加工的孔，利于傳動系統加工精度和工藝性能的提高，合理控制了費用支出。
2.2材料選擇
在材料選擇過程中，需明確零部件的使用標準，考慮到載荷部位的危險性，要明確材料的重量比值、抗疲勞與抗斷裂性能。大型數控龍門銑床主軸柔性傳動系統的創新設計，突出了扭矩強度與韌度。例如：鈦，外形類似于鋼鐵，材質卻堅韌輕盈，密度較低；與鉑金熔點相似，在 1675℃之間，在軍工及航天精密零部件中得到廣泛應用。因鈦的抗腐蝕特性明顯，能夠完整放置于任一強堿、強酸內，具備太空金屬的使用優勢。
現階段，在龍門銑床主軸柔性傳動系統所用的材料中，鈦合金的強度最高。鈦合金以鈦為前提，融入相應的合金元素，具備良好的工藝性能與韌度。能夠在兩側不對心的狀況中傳遞轉矩，利于延長系統的使用年限，合理控制對心難度與成本支出，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進行有限元分析，核對分析內容，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，可采用由下至上的建模形式（點 - 線 - 面 - 體）；可構建二維面積網絡，通過旋轉得到相關三維映射網絡有限元模型，該構建流程較繁瑣，卻有利于提升計算速率，保障計算數據的精準度。大型數控龍門銑床主軸若星傳動系統的過渡主要采取樣條曲線，利用過渡端和兩側軸承的連接，不僅能夠控制應力集中，還能延長其使用年限。
3.傳動軸結構設計
3.1 傳動系統模型元件確定
一方面，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。在傳動系統運作過程中，這部分零部件的動力學原理，著重體現在轉動慣量中。通常來說，一根軸中的慣性元件，能將這部分質量集中至軸兩側，出現等效圓盤，扭轉變形忽略不計，則可以作為剛性圓盤使用，轉動慣量主要為：
為轉動慣量；m 為等效圓盤質量；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，對傳動系統的作用主要體現在自身的扭轉剛度。利用軸段間的轉動慣量，能夠在剛性圓盤中重疊，來控制軸扭轉剛度的精準度。
3.2 參數轉換
具體參考主軸傳動系統的建模知識，可以將軸扭轉剛度值與轉動慣量有效轉至輸出軸 3，轉換之后的慣量為 164.01×103、146.06×103、8.71×103；其扭轉剛度則為 45.63×105、4.21×105、1.93×105。
3.3 模態參數計算
以相關數學模型為基礎，模態參數的計算則需要程序編寫，并詳細解出固有振幅、頻率及模態柔度、勢能分布率，繪制相關程序圖。計算內容主要有元件總數、頻率方程、掃頻初值、掃頻終值、掃頻步長、頻率方程、系統模態柔度、動能分布率、勢能分布率、固有頻率等；此外，要劃分相應的性能參數數組、狀態矢量數組、傳遞矩陣數組、矩陣數組等。合理控制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 傳動系統動態設計
以模態參數計算為前提，適當提升、降低元件剛度和質量。參考建模流程，合理分配齒輪與輸出軸慣量。切實考慮軸自身剛度，軸承剛度、跨距等影響要素；在提高軸剛度的同時，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，如縮短軸長、縮小直徑、改善齒輪構架。另一方面，要參考能量平衡理論和模態柔度設計相關內容，科學分配阻尼。通過品質因素、阻尼比、粘性阻尼系數與對數減縮、損耗因子，呈現振動系統的阻尼特征。因阻尼均小，科學增強相應模態的彈性能分布率中的子結構阻尼。通常為了表征系統阻尼特性，會涉及到粘性阻尼系數 c、損耗因子 η、對數減縮 δ 等，它們間存在一定等效關系：
4.總結
本文著重分析了大型數控龍門銑床主軸柔性傳動系統的創新設計，就傳動軸結構、參數等提出進一步的改善方法。利用有限元計算方法，論證設計內容的可行性；分析傳動軸的模態，不斷尋找設計弊端，改善模擬技術，來保證計算數據的精準性，做到具體問題具體分析，控制實驗成本。
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