扩大数控机床分级变速传动系统变速范围的优化设计

张涛然 周利平 段丹丹

(1.西华大学 机械工程与自动化学院，四川 成都 610039;2.西华大学 机械工程与自动化学院，四川 成都 610039;3.西华大学 外国语学院，四川 成都 610039)

0 引言

世界上最早对数控机床的研究开始于二十世纪四十年代后期，经过不懈的努力，终于在1952年制成第一台数控铣床。经过半个多世纪的发展，特别是机械电子和计算机控制技术在机床上的普及应用，数控机床的机械结构也在不断发生变化。数控机床的机械结构包括：机床的基础件(如床身、立柱)、主传动系统、进给传动系统、导轨、自动换刀装置及其他辅助装。其中主传动系统要传递一定的功率和充足的转矩，以保证数控机床正常工作的需要，但是目前机床主传动的变速范围不能很好的满足实际生产中的要求。针对这一问题，设计了四种扩大分级变速传动系统变速范围的机械结构。

1 结构网或结构式的确定

在确定结构网或结构式时，应该遵守两个原则：1)传动副的极限传动比和传动组的极限变速范围。在降速传动时，一般使最小传动比umin≥1/4，这样可以避免被动齿轮的直径过大，从而使整个传动系统的径向尺寸控制在一定范围内。在升速时，一般使最大传动比umax≤2(直齿圆柱齿轮)，umax≤2(斜齿圆柱齿轮)，这样可以有效地减小振动和噪声，提高系统传递的稳定性和可靠性。因此，主传动链任一传动组的极限变速范围一般为基本组和扩大组的排列顺序。需选择中间传动轴最小的方案，因为如果各方案同号传动轴的最高转速相同时，则变速范围小的最低转速较高，转矩较小，传动件的尺寸也就小些，即所谓“前密后疏”原则。

2 拟定转速图

当计算出结构式之后，对每个传动组的传动比进行合理分组，然后确定出中间轴的转速和定比传动，就可画出转速图。

对传动组的传动比进行合理分组时，为尽量减小传动件的尺寸，应使中间轴的转速较高。通常从电动机到主轴大多为降速传动，为使尺寸小的传动件尽量多一些，按传动顺序，各传动组的最小传动比应采用所谓“前缓后急”原则，即uamin

3 扩大变速范围的方法

由于主传动链中传动组的极限变速范围为这就使最后扩大组的放大倍数受到限制，因此常规传动系统的主轴最大变速范围是有限的。假如两传动副的传动组作为最后一组，主轴转速级数为Z，则它的变速范围为R=，由于极限传动比的限制，R。即当传动链的变速范围，则当时，最大的;则当时，最大的。这样的变速范围显然不能满足实际生产中的要求，因此需要通过以下几种措施加以改进。

4 扩大传动系统的变速范围有以下几种方法

4.1 增加变速组

在原有变速传动系统中再增加一个变速组，是扩大变速范围的最简便方法。但由于受到变速组极限传动比的限制，将导致部分转速出现重复，比如在Z=12的传动系统中，如果增加一个双传动副的传动组，结构式似应为但最后一个扩大组的级比指数最大只能为6，故结构式应为这时重复了6级转速，使得主轴实际的转速为Z=3，则变速范围可达。可见增加变速组扩大了主轴的转速范围，增加了主轴转速级数。

4.2 采用背轮机构

背轮机构，又称单回曲机构。如图1所示。

图1 背轮机构

背轮机构运动原理：运动输入轴I和运动输出轴III同轴线，可合上离合器直接传动，此时传动比为i=。也可如图所示经过、两次降速传动，极限传动比为，则背轮机构的极限变速范围，很容易达到扩大变速范围的目的。同时，从机械结构上看，这种机构只占两排孔的空间，从而缩小了变速箱的整体尺寸，因此这种机构在数控机床上具有很好的应用价值。

4.3 对称公比传动系统

通过改变转动副数为2的基本组，可以得到对称双公比传动系统。在不增加主轴转速级数的前提下扩大变速范围。如图2所示。

图2

4.4 双速电机传动系统

1)如图3所示，两电动机的速度分别为1450r/min和730r/min，他们作为第一变速组和扩大组，但是这两个电动机的传动顺序和扩大顺序有所不同。

2)φ =1.26时 P0=3，φ =1.41时，P0=2.如图3所示。

图3

5 结束语

上述四种方法能够较好地实现扩大主传动系统变速范围的问题，这使数控机床主传动系统的变速范围进一步扩大，并在一定程度上提高了传动路线的传动效率。因此，使得数控机床分级变速传动系统具有更好的实际应用性和创新性。

［1］周利平.数控装备设计.重庆：重庆大学出版社，2011.

［2］戴署.金属切削机床.北京：机械工业出版社，2009.

［3］胡占齐，杨莉.机床数控技术.北京：机械工业出版社，2002.

［4］濮良贵，纪名刚等.机械设计.北京：高等教育出版社，2006.