数控车床主轴箱的传动设计

刘晟杰

Abstract： In order to improve the comprehensive performance of the lathe， this article is based on the characteristics of the design of the headstock combination of the lathe， by setting the maximum rotation value of the headstock workpiece， the maximum forward rotation speed and other known conditions， using centralized transmission， the main transmission scheme and transmission system Design. According to the "Practical Machine Tool Design Manual"， the relevant parameter values are obtained by looking up the table， and the main transmission system diagram of the spindle box is drawn to ensure the accuracy of the lathe spindle， thereby completing the transmission design of the spindle box.

关键词：数控车床;主轴箱;传动设计;主传动系统图

Key words： CNC lathe;headstock;transmission design;main transmission system diagram

中图分类号：TG519.1                                   文献标识码：A                                  文章编号：1674-957X（2022）04-0121-03

0  引言

车床是一切机械工业的基础装备，被称之为“工作母机”[1]。随着高新制造行业的飞速发展以及智能制造设备的更新换代，制造业已逐渐走向高效率、高精度、高科技、智能化发展。车床作为传统工业制造加工中最为基础的装备，在制造产业链中一直处于不可或缺的核心地位，针对车床的各种结构设计与功能优化的工作也在不断跟进。对于已经日益成熟机床设计制造，利用例如AutoCAD、SolidWorks、CATIA等二維及三维软件建立机床的参数化模型，能够大幅缩减制造过程的时间消耗，提高生产过程中的工作效率，最终实现车床主轴箱的仿真制造与优化设计。我国对车床的研究设计始于1949年，经过七十多年来的努力，已取得较大成果[2]。在国家对机床行业大力扶持下，我国机床行业蓬勃发展，逐渐成为世界机床第一消费大国和第一进口大国。目前由我国自主研发的六轴五联动式叶片加工车床的最大可加直径为十二米的风力发电机叶片，而且对于复杂曲面的制造也能保持较高的加工精度。与此同时，由我国中传重机自主研制的七轴六联动式机床也是目前全球范围内加工零件最大型、最复杂的机床。目前我国具备了对精尖端机床技术的掌控与大批量生产高质量加工机床的能力，这意味着我国的机床企业在国际市场上也已具备了充足的竞争实力。制造业的发展对机床需求不断增加，机床制造行业的竞争也逐渐产生[3]。数控车床就是运用数字化技术将计算机语言与传统的工用车床相结合，用以实现车床加工的智能化。其机械结构主要分为：主传动系统、进给传动系统、基础支撑件、辅助系统和其他系统[4]。但在车床产业总体上来看，我国长期以来存在车床产业规模大而技术含量低的问题。高端产品无法自主设计生产，必须依赖于进口，即便本国能生产出来一台车床，仍无法避开使用国外的核心技术。

如今国外车床企业发展的主旋律是高效率、高精度以及更具人性化的操作环境[5]。针对车床不断研发的新技术使得车床的控制更加可靠与平稳，性能更加完善，同时车床的速度与精度也得到不断地提升。如FANUC公司最新的MODELB数控系统，是当今结合人工智能达到的最为精密的数控系统，此数控系统能兼容在各种车削平台如加工中心、车床、铣削车床等各种高精度机床，对于需要极大计算量的七轴联动机床也能完美适配。高精密程度的数控加工系统将极大的促进零件加工的表面精度、满足零件加工要求并且减轻工人的劳动强度。而数控车床中最关键的组成部分就是主轴箱，关于主轴箱的设计主要分为以下三步：确认电动机的型号、确定传动轴的尺寸以及估算齿轮模数。我国作为少数几个拥有完整产业链的国家之一，必须在持续推进的产业革命中获得关键技术上的优势，同时更要增强同国外企业竞争的信心和动力。为此，本文针对主轴箱的传动方案，在与传统机床的主体结构大致一致的情况下针对主要的传动方案进行优化设计，在满足设备性能的最低要求下选取强度高，质量低的传动方案所需的零部件，以达到减轻机床质量并提高性能的目标。进而设计出最优的传动方案及主传动系统图来提高数控车床的生产效率，并提高其研发规模。

1  主传动方案的设计

数控车床由主轴箱、主轴、联轴器等装置组成，它们彼此间相互结合联系使车床高效运作。主轴箱通过压板与立柱导轨相连实现竖直方向上的上下移动[6]，构成主轴箱的运动系统。传统的主轴箱结构往往会由于具有多组传动轴和齿轮组合结构的问题使主轴箱的转速不高，因而要从理论上的动力传动出发，设计出最具合理性的传递方案也要在设计过程中体现效率性和经济性。

关于主轴箱的设计方案由很多，本文为使各级传动中的传动件最少化，采用结构紧凑、方便调试的集中式传动，已知条件如表1所示。

2  结构式分析

为了保证传动链结构的合理性以及经济性，需要依据转速图对不同方案进行比较分析，从而绘制出传动系统图。因主轴箱结构限制的原因，选取传动副以2或3最为合适，得出以下三种方案。

①12=3*2*2;②12=2*2*3;③12=2*3*2。

在主传动系统设计时，往往会由于不清楚主轴箱连接带轮的Ⅰ轴上所需要设计的摩擦离合器，遵循了主变速系传动统设计的一般原则，而错误的选用了典型的结构式12=3×2×2。但对摩擦离合器的尺寸及作用进行仔细研究可发现，典型结构式12=3×2×2所设计的Ⅰ轴纵向尺寸过大，而且轴上齿轮1的分度圆直径会小于离合器的横向尺寸。电动机的动力传递方案有升速传动与降速传动[7]，通常依据传动副前多后少的原则，即在主轴箱内的高速级中布置尽可能多的传动副，以达到节省材料的目的。不过这会导致高速级轴上的零件过多，致使制造加工的难度加大。并且一轴装有离合器，齿轮副过多会使其轴向长度增加。同时主轴对零件加工精度有着较高的要求，对其表面粗糙度的影响也很大，所以要尽量避免主轴上有过多的齿轮副。综合以上几种因素，选取12=2×3×2的传动方案。在传动结构式中，为了防止相互啮合的齿轮之一径向尺寸过大，要求最小传动比imin？叟1/4;而对于升速传动，为防止主轴箱内齿轮转速过大引起的不稳定震动和噪声，通常使最大传动比imax？燮2。在主传动链任一传动组的最大变速范围为Rmax=imax/imin？燮8。在设计时应注意避免中间传动轴变速范围过大的问题。

根据题设要求拟定出以下6种结构式方案：

3  传动转速图的拟定

3.1 电动机的选取

对于无特殊要求的普通数控车床，应选取额定功率和同步转速与设计要求相近的电动机。既要保证车床能充分匹配电动机的性能，又要防止在电动机因长时间在车床轻载而降低功率的问题。参考普通中型车床CA6140电动机的选择，本设计采用Y系列封闭式三相异步电动机，根据主轴箱设计转速及电动机功率选取Y132M2-6型Y系列笼式三相异步电动机。其额定功率为5.5kW，此时的额定转速为960r/min。

3.2 设计总降速传动比

传动副数为定比传动副数与变速组数之和加1，于是选取传动副数量为=3+1+1+5。

3.4 各级转速的确定与转速图的绘制

根据标准数列绘制出转速图如图2。

4  主传动系统图的绘制

在确定变速组的传动比之后，通过查阅设计手册来确定变速组传动副的齿数和。通常为了防止齿轮齿顶圆之间发生干涉，应使主传动系统中最小齿数不小于18到20，同时保证最大齿轮之间的齿数差不小于4。设计的传动组如下：

4.1 传动组a

取Ⅱ轴上齿数和SZ=92，则轴上齿轮数分别取54、38、24，与之配合的轴Ⅲ上齿轮的齿数分别取38、54、68。

4.3 传动组c

绘制主轴箱内传动系统简图如图3所示。

5  总结

本文从对数控车床的主轴箱分析入手，主要依据《实用机床设计手册》查表获得相关参数值，对其传动设计指定方案，使产品在给定的设计要求下同时兼顾性能与经济。在掌握了基本的普通车床的相关技术后，结合使各级传动中的传动件最少化的已知条件，逐步探寻主轴箱的设计方案，包括主传动方案的设计、结构式的分析、传动转速图的拟定以及传动系统的设计。从而设计出三个最优的传动组，综合分析摩擦离合器的尺寸、作用以及轴上齿轮的分度圆直径选择出最为合适的12=2×3×2结构式，并拟定出6种结构式方案。借助CAD软件与三维软件SolidWorks的结合，依次绘制其结构网、传动转速图以及主传动系统图。通过该传动系统图可以形象、简洁地展示出各零件的分布以分析出传动系统的优缺点，从而显著提高数控车床的工作效率与制造精度，同时为后期动力设计进一步的优化做准备。

参考文献：

[1]魏莹.高质量零件诞生于高精、高效、高可靠性的工作母机——机床[J].现代零部件，2004（07）：38-40.

[2]姜峰.浅谈现代机床设计[J].中国科技博览，2012（018）：62.

[3]裴家杰.中国机床行业的现状及发展方向[D].北京理工大学，2020.

[4]王艳妮.数控龙门铣床主轴箱设计[J].南方农机，2019，50（12）：127.

[5]王赫.基于层次分析法的国内外典型数控機床可靠性对比分析[D].吉林大学，2013.

[6]周萌.卧式铣床的高速主传动系统研制[J].制造技术与机床，2021（01）：111-113，118.

[7]钟幼康.重载牵引电动机动力输出结构分析[J].中国铁路，2009（06）：51-53.