大型数控龙门铣床主轴柔性传动系统的创新设计
2017-7-26 来源： 成都利君实业股份有限公司 作者：燕文
摘要：相对于大型数控龙门铣床而言，主轴在铣床整体中占据关键地位，与铣床使用年限、加工精度等存在密切关联。大型数控龙门铣床内的主轴装置在滑枕处，和传动轴直接连接，而传动轴另侧和减速器连接，减速器相连于驱动电机，借助传动轴将驱动电机旋转运动传至主轴。主轴传动系统与传动轴的质量性能的高效与否，对大型数控机床龙门铣床的整体性能产生直接作用，其主轴柔性传动系统的创新设计显得尤为重要。
关键词：主轴；传动系统；创新设计
铣床指的是通过铣刀对工件展开铣削加工，可以在铣床中展开平面、沟槽、分齿零件、螺旋形表面和不同曲面的加工工作。与此同时，铣床还能够切断、加工回转体表面与内孔。因大型数控龙门铣床的生产效率与生产质量均高，在机械制造领域的应用较为广泛。
1.铣床及铣床滑枕研究现状
1.1 铣床研究现状1.1 铣床研究现状
在 1884 年间，龙门铣床得以发明；随着现代社会的高速发展，半自动铣床出现并得到应用，通过挡块工作台可实现 “ 进给 - 快速 ”，以及 “ 快速 - 进给 ” 的自动转换。在龙门铣床的应用过程中，其加工精度与使用年限得到飞速提升。随着数字化控制的广泛应用，在提高铣床自动化方面做出较大贡献。
早在七十年代，微处理数字控制系统与自动换刀系统在铣床方面得到广泛应用，在丰富其加工功能的同时，有效提高了效率与质量。在机械事业的成熟发展下，大部分机床操作开始采用数据编程，降低了劳动强度。同时，其适用范围和布局形式得到多元化发展，包括升降台铣床、龙门铣床、单柱铣床、单臂铣床等。
1.2滑枕研究现状
龙门铣床在加工大型工件斜面、平面中的应用较为广泛，尤其是大批量生产制造。大型龙门铣床的门式框架有立柱、顶梁构建而成，横梁可沿立柱导轨升降，装有铣头的滑枕装配在横梁上方，能够沿着横梁导轨进行横向运动。此外，部分铣床立柱还可以安装有水平主轴的铣头，能沿立柱导轨展开升降。这部分铣头能够对多个表面一同加工。每一铣头都装有相应的变速设备与驱动电机、主轴附件等。加工过程中，工作台中的工件可以随着操纵位置展开运动。
滑枕为大型数控龙门铣床的主要构件，其性能高效与否对机床工作效率产生直接影响。在机械制造领域一步步走向成熟的过程中，对大型零部件的要求逐渐提高。利用该零部件，能够实现对端面、内孔与外圆的车削加工，并丰富其平面、沟槽、曲面、斜面、内孔及外圆的铣削加工工作。可以从滑枕材料与主传结构等方面提升龙门铣床的强度，考虑到球墨铸铁的工艺性能，其强度、塑性、动负荷性能；相对于一般灰铸铁而言，其弯曲疲劳限度可超出 1 倍以上。自传统滑枕的工作过程中，其传动轴两侧的轴承支撑容易出现摩擦起热，阻碍铣床的安全运作。为解决这一难题，可以在铣床滑枕传动轴的构架中采用有限元分析技术，进一步改善传动轴的性能与结构，利用相关程序避免计算流程的复杂化，有利于提高设计质量，控制设计时间。
2.铣床滑枕柔性传动轴设计
2.1 主轴传动系统结构改良方案
考虑到主轴传动系统的不同影响要素，可以着手于结构进行改善，为提高大型数控龙门铣床的使用年限和加工精度，对主轴柔性传动系统展开研究。一般来说，传统主轴系统传动系统为刚性，传动轴两侧有轴承作为支撑，在加工、安装过程中要注意相应孔的同轴度；因传动轴的长度值较高，很难保障相应孔的同轴度。此外，经改善后的主轴柔性传动系统，去除传动轴两侧的轴承支撑。通过柔性传统系统的自主调整，使得两侧位置不对应时能够自行调节，保证扭矩的可靠性。该传统系统仅需两个待加工的孔，利于传动系统加工精度和工艺性能的提高，合理控制了费用支出。
2.2材料选择
在材料选择过程中，需明确零部件的使用标准，考虑到载荷部位的危险性，要明确材料的重量比值、抗疲劳与抗断裂性能。大型数控龙门铣床主轴柔性传动系统的创新设计，突出了扭矩强度与韧度。例如：钛，外形类似于钢铁，材质却坚韧轻盈，密度较低；与铂金熔点相似，在 1675℃之间，在军工及航天精密零部件中得到广泛应用。因钛的抗腐蚀特性明显，能够完整放置于任一强碱、强酸内，具备太空金属的使用优势。
现阶段，在龙门铣床主轴柔性传动系统所用的材料中，钛合金的强度最高。钛合金以钛为前提，融入相应的合金元素，具备良好的工艺性能与韧度。能够在两侧不对心的状况中传递转矩，利于延长系统的使用年限，合理控制对心难度与成本支出，及时消除风险隐患。
2.3 过渡曲线确定
在计算机技术高速发展的背景下，有限元方法的应用逐渐普遍。通过对每一过渡曲线进行有限元分析，核对分析内容，可有效避免传统轴间过渡的圆角应力集中现象。在分析过程中，可采用由下至上的建模形式（点 - 线 - 面 - 体）；可构建二维面积网络，通过旋转得到相关三维映射网络有限元模型，该构建流程较繁琐，却有利于提升计算速率，保障计算数据的精准度。大型数控龙门铣床主轴若星传动系统的过渡主要采取样条曲线，利用过渡端和两侧轴承的连接，不仅能够控制应力集中，还能延长其使用年限。
3.传动轴结构设计
3.1 传动系统模型元件确定
一方面，惯性元件。主要指的是每一轴的旋转质量，即皮带轮、齿轮、卡盘等零部件。在传动系统运作过程中，这部分零部件的动力学原理，着重体现在转动惯量中。通常来说，一根轴中的惯性元件，能将这部分质量集中至轴两侧，出现等效圆盘，扭转变形忽略不计，则可以作为刚性圆盘使用，转动惯量主要为：
为转动惯量；m 为等效圆盘质量；p 为等效圆盘的等效直径。另一方面，弹性元件，即两大等效圆盘间的轴段，对传动系统的作用主要体现在自身的扭转刚度。利用轴段间的转动惯量，能够在刚性圆盘中重叠，来控制轴扭转刚度的精准度。
3.2 参数转换
具体参考主轴传动系统的建模知识，可以将轴扭转刚度值与转动惯量有效转至输出轴 3，转换之后的惯量为 164.01×103、146.06×103、8.71×103；其扭转刚度则为 45.63×105、4.21×105、1.93×105。
3.3 模态参数计算
以相关数学模型为基础，模态参数的计算则需要程序编写，并详细解出固有振幅、频率及模态柔度、势能分布率，绘制相关程序图。计算内容主要有元件总数、频率方程、扫频初值、扫频终值、扫频步长、频率方程、系统模态柔度、动能分布率、势能分布率、固有频率等；此外，要划分相应的性能参数数组、状态矢量数组、传递矩阵数组、矩阵数组等。合理控制模态柔度与势能分布率、扭转固有频率；参考动能分布率，适当降低质量。
3.4 传动系统动态设计
以模态参数计算为前提，适当提升、降低元件刚度和质量。参考建模流程，合理分配齿轮与输出轴惯量。切实考虑轴自身刚度，轴承刚度、跨距等影响要素；在提高轴刚度的同时，需要适当增加其直径、刚度，降低跨距。此外，要适当降低轴、齿轮质量，如缩短轴长、缩小直径、改善齿轮构架。另一方面，要参考能量平衡理论和模态柔度设计相关内容，科学分配阻尼。通过品质因素、阻尼比、粘性阻尼系数与对数减缩、损耗因子，呈现振动系统的阻尼特征。因阻尼均小，科学增强相应模态的弹性能分布率中的子结构阻尼。通常为了表征系统阻尼特性，会涉及到粘性阻尼系数 c、损耗因子 η、对数减缩 δ 等，它们间存在一定等效关系：
4.总结
本文着重分析了大型数控龙门铣床主轴柔性传动系统的创新设计，就传动轴结构、参数等提出进一步的改善方法。利用有限元计算方法，论证设计内容的可行性；分析传动轴的模态，不断寻找设计弊端，改善模拟技术，来保证计算数据的精准性，做到具体问题具体分析，控制实验成本。
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