CK6163型數(shù)控機(jī)床主傳動系統(tǒng)設(shè)計(jì)

馬玉瓊

摘 要 CK6163屬于經(jīng)濟(jì)型中檔精度機(jī)床，其品種、用途、性能和結(jié)構(gòu)都是普通型車床所共有的，通用機(jī)床的規(guī)格和類型有系列型譜作為設(shè)計(jì)時應(yīng)該遵照的基礎(chǔ)。數(shù)控車床的主傳動系統(tǒng)的設(shè)計(jì)包括主軸電機(jī)、傳動系統(tǒng)與主軸組件，與普通機(jī)床相比，結(jié)構(gòu)簡單。計(jì)算各傳動副的傳動比及齒輪齒數(shù)，再估算齒輪的模數(shù)和各軸的軸徑，并對齒輪和軸的強(qiáng)度、剛度進(jìn)行校核，還要對箱體內(nèi)的主要結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，一些零件的選型，如電磁離合器的選擇等，從而完成對整個主傳動系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞 數(shù)控車床；主傳動系統(tǒng)設(shè)計(jì)；通用機(jī)床規(guī)格

中圖分類號：TG659 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-7597（2014）17-0017-02

The Design of Main Transmission System of the CK6163 Type Numerically-controlled Machine Tool

MA Yu-qiong

（Department of Mechanical Electrical Engineering， Cangzhou Normal University， Hebei Cangzhou 061000，China）

Abstract： The CK6163 type numerically-controlled machine tool is an economy middle-grade numerically-controlled machine tool， which share the common property， use and structure. Therefore， the design of CK6163 numerically-controlled machine tool should obey the standard of universal machine tools. The numerically-controlled machine tool consists of spindle motor， transmission system and spindle axis. Compared to ordinary machine tool， the numerically-controlled machine tool has more simple structure. Calculating of transmission radio of each transmission pair and tooth number， estimating the module of gear and diameter of axis， checking intensity and rigidity of gears and axes， choosing main components such as electromagnetic clutch， and designing the main inner structure constitute the whole design of the main transmission system.

Key words： numerically-controlled machine tool； design of main transmission system； standard of universal machine tools

1 傳動方案的設(shè)計(jì)原則

數(shù)控機(jī)床在工作室需要依靠大范圍的進(jìn)行調(diào)速，數(shù)控機(jī)床的生產(chǎn)率、產(chǎn)品質(zhì)量及工藝精度都需要正確的機(jī)床切削用量來決定。設(shè)計(jì)中選定傳動方案的內(nèi)容包括了傳動模式，操作控制等，傳動模式是指傳動形式的擬定，其中包括變速機(jī)構(gòu)及其組成、設(shè)計(jì)選用的不同的變速類型以及傳動方法。另外對工藝性需求的考慮與可行性分析，對產(chǎn)品的性能、性價(jià)比等方面進(jìn)行全面的分析。

1）傳動方案的選擇及計(jì)算。C6163型數(shù)控機(jī)床的基本結(jié)構(gòu)較繁雜龐大，在一定要求原則內(nèi)，參照其他機(jī)床使用手冊以及金屬切削機(jī)床的特點(diǎn)，初步擬定采用兩箱分離傳動結(jié)構(gòu)，該傳動結(jié)構(gòu)就是把主軸傳動部分機(jī)構(gòu)進(jìn)行分解，采用兩箱結(jié)構(gòu)定義為減速箱與主軸箱。在分離兩箱結(jié)構(gòu)，使得主軸不會直接傳導(dǎo)因傳動所產(chǎn)生的部分振動和熱量，從而規(guī)避了因主振動而產(chǎn)生的熱變形，進(jìn)而保證精度要求。另外在主軸箱齒輪的結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡化，箱體震動所產(chǎn)生的熱量與噪音也可大大減少。皮帶傳動下，能簡化機(jī)構(gòu)傳動鏈，提高工作運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定性，提高加工進(jìn)度；低速旋轉(zhuǎn)的主軸依靠電控繼電控制背輪機(jī)構(gòu)驅(qū)動，所產(chǎn)生的扭矩更大，滿足高切削用量的加工需求。

2）分離傳動。分離傳動結(jié)構(gòu)形式為變速箱與主軸箱兩個部分。主軸箱與變速箱一上一下。其中主軸箱采用背輪機(jī)構(gòu)，同時增加變速組。分離傳動的變速箱級數(shù)為2×2=4級，當(dāng)作基本組及第一擴(kuò)大組。主軸箱、變速箱之間使用皮帶傳動。

電控操作狀態(tài)下，直接耦合主軸齒輪離合器，直接驅(qū)動主軸，構(gòu)成4級高速運(yùn)動；如果經(jīng)過背輪機(jī)構(gòu)接合，則能構(gòu)成4級低速運(yùn)動。所得到結(jié)構(gòu)式為Z2×Z1×Z4，通過背輪機(jī)構(gòu)，第二基本組通過構(gòu)成產(chǎn)生8級轉(zhuǎn)速。根據(jù)設(shè)計(jì)任報(bào)告書可以知道主軸的轉(zhuǎn)速級數(shù)為16級，在兩個基本組之間需要獲得另外的級數(shù)補(bǔ)充使得符合設(shè)計(jì)需求。按照轉(zhuǎn)速級數(shù)缺失2級，新增變速組為擴(kuò)大組，級數(shù)為2，因此總結(jié)構(gòu)形式為Z=Z2×Z1×Z4×Z8=16。

另外，變速系統(tǒng)的變速組必須遵守的級比規(guī)律是：基本組的級比指數(shù)必定為1，即=1；任何在傳動系統(tǒng)中的齒輪組所構(gòu)成的擴(kuò)大組，與基本組成反比，因此要對最后擴(kuò)大組進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算其變速范圍。

在確定轉(zhuǎn)速的過程中，公比按照標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行選擇，轉(zhuǎn)速數(shù)列可直接查（P257）標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)速表得到，查表首先找到最小轉(zhuǎn)速n=32r/min，參照指數(shù)格式（1.26=1.064），指數(shù)以四為周期的循環(huán)，意味著跳過三個取一個標(biāo)準(zhǔn)數(shù)列，可得如下：32，40，50，63，80，100，125，160，200，250，315，400，500，630，800，1000轉(zhuǎn)速數(shù)列。得轉(zhuǎn)速圖，如圖1。endprint

圖1 轉(zhuǎn)速圖

2 傳動機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

1）齒輪機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)。按照《機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》中齒輪的設(shè)計(jì)原則確定齒輪組齒數(shù)：空間機(jī)構(gòu)安排合理，輸出軸的轉(zhuǎn)速誤差保持在一定范圍之內(nèi)。其中齒數(shù)和S≤100-120；根據(jù)傳動性能要求，齒輪齒數(shù)Z一般范圍18～20，高速齒輪齒數(shù)Z大于25；并且齒輪齒根處最小壁厚不少于2 m。齒輪的齒數(shù)同時與傳動比和徑向尺寸有關(guān)。如果在相同變速組中，模數(shù)相同，且齒輪為非變位齒輪，則齒輪組的齒數(shù)和一致；模數(shù)不同，且齒輪為非變位齒輪，齒輪模數(shù)跟齒數(shù)成反比。

另外，傳動副的徑向尺寸不宜過大，應(yīng)盡量減小，然而傳動副中，小齒數(shù)齒輪的根切條件受限于齒根圓直徑，在一定直徑下的傳動軸設(shè)計(jì)要符合強(qiáng)度要求，齒數(shù)不宜過小。對三聯(lián)滑移齒輪而言，模數(shù)相同，不同齒數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)齒輪齒數(shù)差不能小于4，防止滑移過程中的齒頂干涉。

圖2 傳動機(jī)構(gòu)圖

2）帶傳動設(shè)計(jì)。確定傳動方案之后，對方案進(jìn)行結(jié)構(gòu)化，確定零件的實(shí)際尺寸，位置結(jié)構(gòu)。于是，我們需要計(jì)算傳動件的數(shù)據(jù)，例如帶輪的設(shè)計(jì)與計(jì)算，如：①確定帶輪基準(zhǔn)直徑；②校核帶速；③確定帶的計(jì)算長度與初定中心距；④校驗(yàn)小帶輪包角；⑤確定V帶根數(shù)；⑥求張緊力、壓軸力。

各傳動軸的直徑的估算與計(jì)算、齒輪模數(shù)估算與計(jì)算等。以傳動結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為前提，得出基本的與結(jié)構(gòu)的相關(guān)的空間布置與公差尺寸配合，繼而對主要傳動零件進(jìn)行校核，像主軸的強(qiáng)度與剛度、齒輪接觸疲勞強(qiáng)度等進(jìn)行校核驗(yàn)算，根據(jù)得到的結(jié)果進(jìn)一步修改結(jié)構(gòu)和方案。

3 傳動系統(tǒng)軸的相關(guān)設(shè)計(jì)

1）傳動軸設(shè)計(jì)計(jì)算。傳動軸在設(shè)計(jì)過程中需要給予足夠的強(qiáng)度與剛度。足夠的強(qiáng)度能夠使得軸在長時間工作中制動和轉(zhuǎn)向時不易發(fā)生疲勞損傷。為確保數(shù)控機(jī)床在工作中擁有良好的穩(wěn)定性，需要在設(shè)計(jì)過程中給予較高的精度要求。同樣，軸在載荷下扭轉(zhuǎn)彎曲下也有剛度要求，避免產(chǎn)生過度形變。為了保證軸上的齒輪、軸承正常工作，而不因振動產(chǎn)生的發(fā)熱造成軸的磨損失效，因此為了保證足夠剛度，通過扭轉(zhuǎn)剛度計(jì)算軸的直徑。

2）滾動軸承設(shè)計(jì)選擇。采用滾動軸承的優(yōu)點(diǎn)在于在一定轉(zhuǎn)速與載荷的范圍內(nèi)有良好的適應(yīng)性，能在零間隙或者負(fù)間隙的情況下保證旋轉(zhuǎn)精度跟剛度，而滑動軸承具有良好的抗振性與平穩(wěn)性，旋轉(zhuǎn)精度較高，徑向尺寸較小，方便安裝。

主軸軸承選擇，參考主軸轉(zhuǎn)速、承載力。本次設(shè)計(jì)的C6163型數(shù)控機(jī)床的運(yùn)動特點(diǎn)：載荷較大、轉(zhuǎn)速中等。為了保證主軸剛度，前端支承軸承選擇使用雙列向心短圓柱滾子軸承，滾子軸承對徑向載荷有良好的適應(yīng)性，后支承軸承選擇雙列短圓柱滾子軸承，為了控制軸向載荷選擇采用推力球軸承，深溝球軸承，在一定程度上提高主軸的剛性特征與抗振性，保證了主軸的回轉(zhuǎn)精度。

參考文獻(xiàn)

[1]聞邦椿.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010.

[2]杜偉迪.JIFCNC-B數(shù)控車床主傳動系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].科技與生活，2011.

[3]孔杰.數(shù)控車床主軸傳動系統(tǒng)的動力學(xué)優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].機(jī)械傳動，2012.endprint

圖1 轉(zhuǎn)速圖

2 傳動機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

1）齒輪機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)。按照《機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》中齒輪的設(shè)計(jì)原則確定齒輪組齒數(shù)：空間機(jī)構(gòu)安排合理，輸出軸的轉(zhuǎn)速誤差保持在一定范圍之內(nèi)。其中齒數(shù)和S≤100-120；根據(jù)傳動性能要求，齒輪齒數(shù)Z一般范圍18～20，高速齒輪齒數(shù)Z大于25；并且齒輪齒根處最小壁厚不少于2 m。齒輪的齒數(shù)同時與傳動比和徑向尺寸有關(guān)。如果在相同變速組中，模數(shù)相同，且齒輪為非變位齒輪，則齒輪組的齒數(shù)和一致；模數(shù)不同，且齒輪為非變位齒輪，齒輪模數(shù)跟齒數(shù)成反比。

另外，傳動副的徑向尺寸不宜過大，應(yīng)盡量減小，然而傳動副中，小齒數(shù)齒輪的根切條件受限于齒根圓直徑，在一定直徑下的傳動軸設(shè)計(jì)要符合強(qiáng)度要求，齒數(shù)不宜過小。對三聯(lián)滑移齒輪而言，模數(shù)相同，不同齒數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)齒輪齒數(shù)差不能小于4，防止滑移過程中的齒頂干涉。

圖2 傳動機(jī)構(gòu)圖

2）帶傳動設(shè)計(jì)。確定傳動方案之后，對方案進(jìn)行結(jié)構(gòu)化，確定零件的實(shí)際尺寸，位置結(jié)構(gòu)。于是，我們需要計(jì)算傳動件的數(shù)據(jù)，例如帶輪的設(shè)計(jì)與計(jì)算，如：①確定帶輪基準(zhǔn)直徑；②校核帶速；③確定帶的計(jì)算長度與初定中心距；④校驗(yàn)小帶輪包角；⑤確定V帶根數(shù)；⑥求張緊力、壓軸力。

各傳動軸的直徑的估算與計(jì)算、齒輪模數(shù)估算與計(jì)算等。以傳動結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為前提，得出基本的與結(jié)構(gòu)的相關(guān)的空間布置與公差尺寸配合，繼而對主要傳動零件進(jìn)行校核，像主軸的強(qiáng)度與剛度、齒輪接觸疲勞強(qiáng)度等進(jìn)行校核驗(yàn)算，根據(jù)得到的結(jié)果進(jìn)一步修改結(jié)構(gòu)和方案。

3 傳動系統(tǒng)軸的相關(guān)設(shè)計(jì)

1）傳動軸設(shè)計(jì)計(jì)算。傳動軸在設(shè)計(jì)過程中需要給予足夠的強(qiáng)度與剛度。足夠的強(qiáng)度能夠使得軸在長時間工作中制動和轉(zhuǎn)向時不易發(fā)生疲勞損傷。為確保數(shù)控機(jī)床在工作中擁有良好的穩(wěn)定性，需要在設(shè)計(jì)過程中給予較高的精度要求。同樣，軸在載荷下扭轉(zhuǎn)彎曲下也有剛度要求，避免產(chǎn)生過度形變。為了保證軸上的齒輪、軸承正常工作，而不因振動產(chǎn)生的發(fā)熱造成軸的磨損失效，因此為了保證足夠剛度，通過扭轉(zhuǎn)剛度計(jì)算軸的直徑。

2）滾動軸承設(shè)計(jì)選擇。采用滾動軸承的優(yōu)點(diǎn)在于在一定轉(zhuǎn)速與載荷的范圍內(nèi)有良好的適應(yīng)性，能在零間隙或者負(fù)間隙的情況下保證旋轉(zhuǎn)精度跟剛度，而滑動軸承具有良好的抗振性與平穩(wěn)性，旋轉(zhuǎn)精度較高，徑向尺寸較小，方便安裝。

主軸軸承選擇，參考主軸轉(zhuǎn)速、承載力。本次設(shè)計(jì)的C6163型數(shù)控機(jī)床的運(yùn)動特點(diǎn)：載荷較大、轉(zhuǎn)速中等。為了保證主軸剛度，前端支承軸承選擇使用雙列向心短圓柱滾子軸承，滾子軸承對徑向載荷有良好的適應(yīng)性，后支承軸承選擇雙列短圓柱滾子軸承，為了控制軸向載荷選擇采用推力球軸承，深溝球軸承，在一定程度上提高主軸的剛性特征與抗振性，保證了主軸的回轉(zhuǎn)精度。

參考文獻(xiàn)

[1]聞邦椿.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010.

[2]杜偉迪.JIFCNC-B數(shù)控車床主傳動系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].科技與生活，2011.

[3]孔杰.數(shù)控車床主軸傳動系統(tǒng)的動力學(xué)優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].機(jī)械傳動，2012.endprint

圖1 轉(zhuǎn)速圖

2 傳動機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

1）齒輪機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)。按照《機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》中齒輪的設(shè)計(jì)原則確定齒輪組齒數(shù)：空間機(jī)構(gòu)安排合理，輸出軸的轉(zhuǎn)速誤差保持在一定范圍之內(nèi)。其中齒數(shù)和S≤100-120；根據(jù)傳動性能要求，齒輪齒數(shù)Z一般范圍18～20，高速齒輪齒數(shù)Z大于25；并且齒輪齒根處最小壁厚不少于2 m。齒輪的齒數(shù)同時與傳動比和徑向尺寸有關(guān)。如果在相同變速組中，模數(shù)相同，且齒輪為非變位齒輪，則齒輪組的齒數(shù)和一致；模數(shù)不同，且齒輪為非變位齒輪，齒輪模數(shù)跟齒數(shù)成反比。

另外，傳動副的徑向尺寸不宜過大，應(yīng)盡量減小，然而傳動副中，小齒數(shù)齒輪的根切條件受限于齒根圓直徑，在一定直徑下的傳動軸設(shè)計(jì)要符合強(qiáng)度要求，齒數(shù)不宜過小。對三聯(lián)滑移齒輪而言，模數(shù)相同，不同齒數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)齒輪齒數(shù)差不能小于4，防止滑移過程中的齒頂干涉。

圖2 傳動機(jī)構(gòu)圖

2）帶傳動設(shè)計(jì)。確定傳動方案之后，對方案進(jìn)行結(jié)構(gòu)化，確定零件的實(shí)際尺寸，位置結(jié)構(gòu)。于是，我們需要計(jì)算傳動件的數(shù)據(jù)，例如帶輪的設(shè)計(jì)與計(jì)算，如：①確定帶輪基準(zhǔn)直徑；②校核帶速；③確定帶的計(jì)算長度與初定中心距；④校驗(yàn)小帶輪包角；⑤確定V帶根數(shù)；⑥求張緊力、壓軸力。

各傳動軸的直徑的估算與計(jì)算、齒輪模數(shù)估算與計(jì)算等。以傳動結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為前提，得出基本的與結(jié)構(gòu)的相關(guān)的空間布置與公差尺寸配合，繼而對主要傳動零件進(jìn)行校核，像主軸的強(qiáng)度與剛度、齒輪接觸疲勞強(qiáng)度等進(jìn)行校核驗(yàn)算，根據(jù)得到的結(jié)果進(jìn)一步修改結(jié)構(gòu)和方案。

3 傳動系統(tǒng)軸的相關(guān)設(shè)計(jì)

1）傳動軸設(shè)計(jì)計(jì)算。傳動軸在設(shè)計(jì)過程中需要給予足夠的強(qiáng)度與剛度。足夠的強(qiáng)度能夠使得軸在長時間工作中制動和轉(zhuǎn)向時不易發(fā)生疲勞損傷。為確保數(shù)控機(jī)床在工作中擁有良好的穩(wěn)定性，需要在設(shè)計(jì)過程中給予較高的精度要求。同樣，軸在載荷下扭轉(zhuǎn)彎曲下也有剛度要求，避免產(chǎn)生過度形變。為了保證軸上的齒輪、軸承正常工作，而不因振動產(chǎn)生的發(fā)熱造成軸的磨損失效，因此為了保證足夠剛度，通過扭轉(zhuǎn)剛度計(jì)算軸的直徑。

2）滾動軸承設(shè)計(jì)選擇。采用滾動軸承的優(yōu)點(diǎn)在于在一定轉(zhuǎn)速與載荷的范圍內(nèi)有良好的適應(yīng)性，能在零間隙或者負(fù)間隙的情況下保證旋轉(zhuǎn)精度跟剛度，而滑動軸承具有良好的抗振性與平穩(wěn)性，旋轉(zhuǎn)精度較高，徑向尺寸較小，方便安裝。

主軸軸承選擇，參考主軸轉(zhuǎn)速、承載力。本次設(shè)計(jì)的C6163型數(shù)控機(jī)床的運(yùn)動特點(diǎn)：載荷較大、轉(zhuǎn)速中等。為了保證主軸剛度，前端支承軸承選擇使用雙列向心短圓柱滾子軸承，滾子軸承對徑向載荷有良好的適應(yīng)性，后支承軸承選擇雙列短圓柱滾子軸承，為了控制軸向載荷選擇采用推力球軸承，深溝球軸承，在一定程度上提高主軸的剛性特征與抗振性，保證了主軸的回轉(zhuǎn)精度。

參考文獻(xiàn)

[1]聞邦椿.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010.

[2]杜偉迪.JIFCNC-B數(shù)控車床主傳動系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].科技與生活，2011.

[3]孔杰.數(shù)控車床主軸傳動系統(tǒng)的動力學(xué)優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].機(jī)械傳動，2012.endprint