数控车床主传动系统设计

前 言
1、课题背景

自第一台数控机床在美国问世至今的半个世纪内，机床数控技术的发展迅速，经历了六代两个阶段的发展过程。其中，第一个阶段为NC阶段；第二个阶段为CNC阶段，从1974年微处理器开始用于数控系统，即为第五代数空系统。在近20多年内，在生产中，实际使用的数控系统大多是这第五代数控系统，其性能和可靠性随着技术的发展得到了根本性的提高。从20世纪90年代开始，微电子技术和计算机技术的发展突飞猛进，PC微机的发展尤为突出，无论是软硬件还是外器件的进展日新月异，计算机所采用的芯片集成化越来越高，功能越来越强，而成本却越来越低，原来在大，中型机上才能实现的功能现在在微型机上就可以实现。在美国首先推出了基于PC微机的数控系统，即PCNC系统，它被划入为所谓的第六代数控系统。

2、国内外研究现状及发展趋势

2.1 数控系统的发展趋势

自从1951年计算机技术应用于机床上，数控系统经历了数控（NC）和计算机数控（CNC）两个阶段的发展。目前，数控系统正处于第六代——基于PC（PC－BASED）。

未来数控系统将呈以下发展趋势：

1、 继续向开放式、基于PC的第六代方向发展

基于PC所具有的开放性、低成本、高可靠性、软硬件资源丰富等特点，更多的数控系统生产厂家会走上这条道路。至少采用PC机作为它的前端机，来处理人机界面、编程、联网通信等问题，由原有的系统承担数控的任务。

2、向高速化和高精度化发展 

3、向智能化方向发展 

（1）应用自适应控制技术向高速化和高精度化发展

数控系统能检测过程中一些重要信息，并自动调整系统的有关参数，达到改进系统运行状态的目的。

（2）引入专家系统指导加工

将熟练工人和专家的经验，加工的一般规律和特殊规律存入系统中，以工艺参数数据库为支撑，建立具有人工智能的专家系统。

（3）引入故障诊断专家系统

（4）引入动装置智能化数字伺服驱动系统

可以通过自动识别负载，而自动调整参数，使驱动系统获得最佳的运行[3] 。

2.2我国数控车床的研究现状及发展趋势

1、研究现状

我国数控车床从20世纪70年代初进入市场，至今通过各大机床厂家的不懈努力，通过采取与国外著名机床厂家的合作、合资、技术引进、样机消化吸收等措施，使得我国的机床制造水平有了很大的提高，其产量在金属切削机床中占有较大的比例。目前，国产数控车床的品种、规格较为齐全，质量基本稳定可靠，已进入实用和全面发展阶段。

1）床身

按照床身导轨面与水平面的相对位置，床身有图1所示的5种布局形式。一般来说，中、小规格的数控车床采用斜床身和平床身斜滑板的居多，只有大型数控车床或小型精密数控车床才采用平床身，立床身采用的较少。平床身工艺性好，易于加工制造。由于刀架水平放置，对提高刀架的运动精度有好处，但排屑困难；刀架横滑板较长，加大了机床的宽度尺寸，影响外观。平床身斜滑板结构，再配置上倾斜的导轨防护罩，这样既保持了平床身工艺性好的优点，床身宽度也不会太大。斜床身和平床身斜滑板结构在现代数控车床中被广泛应用，是因为这种布局形式具有以下特点：

☆ 容易实现机电一体化；

☆ 机床外形整齐、美观，占地面积小；

☆ 容易设置封闭式防护装置；

☆ 容易排屑和安装自动排屑器；

☆ 从工件上切下的炽热切屑不至于堆积在导轨上影响导轨精度；

☆ 宜人性好，便于操作；

☆ 便于安装机械手，实现单机自动化。 

2)导轨

车床的导轨可分为滑动导轨和滚动导轨两种。

滑动导轨具有结构简单、制造方便、接触刚度大等优点。但传统滑动导轨摩擦阻力大，磨损快，动、静摩擦系数差别大，低速时易产生爬行现象。目前，数控车床已不采用传统滑动导轨，而是采用带有耐磨粘贴带覆盖层的滑动导轨和新型塑料滑动导轨。它们具有摩擦性能良好和使用寿命长等特点。

滚动导轨的优点是摩擦系数小，动、静摩擦系数很接近，不会产生爬行现象，可以使用油脂润滑。根据滚动体的不同，滚动导轨可分为滚珠直线导轨和滚柱直线导轨。后者的承载能力和刚度都比前者高，但摩擦系数略大。

 a)后斜床身-斜滑板         b)直立床身-直立滑板

 c)平床身-平滑板            d)前斜床身-平滑板          e)平床身-斜滑板

                          图1.1 床身布局型式

3）主轴传动系统

机床主传动系统可分为分级变速传动和无级变速传动。分级变速传动是在一定范围能均匀的、离散地分布着有限级数的转速，主要用于普通机床。无级变速形式可以在一定范围内连续改变转速，以便得到满足加工要求的最佳转速，能在运转中变速，便于自动变速。数控车床得主传动系统通常采用无级变速。

   与普通车床相比，数控车床的主传动采用交、直主轴调速电动机，电动机调速范围大，并可无级调速，使主轴结构大为简化。为了适应不同的加工需求数控车床主传动系统有以下三种方式。

 ⑴电动机直接驱动 主轴电动机与主轴通过联轴器直接连接，或采用内装式主轴电动机驱动。采用直接驱动可大大简化主轴箱结构，能有效地提高主轴刚度。这种传动的特点是主轴转速的变化、输出转矩与主轴的特性完全一致。但因主轴的功率和转矩特性直接决定主轴电机的性能，因而这种变速传动的应用受到一定限制。

⑵采用定比传动 主轴电动机经定比传动给主轴。 定比传动可采用带传动或齿轮传动，这种传动方式在一定程度上能满足主轴功率和转矩的要求，但其变速范围仍和电动机的调速范围相同。

 目前，交流、直流主轴电动机的恒功率转速范围一般只有2-4，而恒转矩范围则达100以上；许多大、中型机床的主轴要求有更宽的恒功率转速范围。很明显，这种情况下主轴电动机的功率特性和机床主轴的要求不匹配:调速电动机的恒功率范围远小于主轴要求的恒功率变速范围。所以这种变速方式多用于小型或高速数控机床。

 ⑶采用分档变速方式 采用这种变速方式主要是为了解决主轴电动机的功率特性和机床主轴功率特性不匹配。变速多采用齿轮副来实现，电动机的无级变速配合变速机构可确保主轴的功率、转矩要求，满足各种切削运动的转矩输出，特别是保证低速时的转矩和扩大恒功率的调速范围。

⑷用两个电机分别驱动主轴
上述两种方式的混合传动，高速时带轮直接驱动主轴，低速时另一个电机通过齿轮减速后驱动主轴

4）刀架系统 

按换刀方式的不同，数控车床的刀架系统主要有回转刀架、排式刀架和带刀库的自动换刀装置等多种形式。排式刀架一般用于小规格数控车床，以加工棒料或盘类零件为主。回转刀架是数控车床最常用的一种典型换刀刀架，通过刀架的旋转分度定位来实现机床的自动换刀动作，根据加工要求可设计成四方、六方刀架或圆盘式刀架。根据刀架回转轴与安装底面的相对位置，回转刀架分为立式刀架和卧式刀架两种。排刀式刀架和回转刀架对刀具的数目有一定的限制，当需要数量较多的刀具时，应采用带刀库的自动换刀装置。

5）进给传动系统

数控车床的进给传动系统一般均采用进给伺服系统，按其控制方式不同可分为开环系统和闭环系统。前者定位精度低，但它结构简单、工作可靠、造价低廉；后者控制精度高、快速性能好，但它对机床的要求比较高，且造价较昂贵。闭环系统中采用的位置检测装置有：脉冲编码器、旋转变压器、感应同步器、磁尺、光栅尺和激光干涉仪等。 数控车床的进给伺服系统中常用的驱动装置是伺服电机。伺服电机有直流伺服电机和交流伺服电机之分。前者由于具有可靠性高、造价低等特点而被广泛采用[4]。

2、发展趋势

1）高速、高精密化

当前机床正向高速切削、干切削和准干切削方向发展，加工精度也在不断地提高。另一方面，电主轴和直线电机的成功应用，陶瓷滚珠轴承、高精度大导程空心内冷和滚珠螺母强冷的低温高速滚珠丝杠副及带滚珠保持器的直线导轨副等机床功能部件的面市，也为机床向高速、精密发展创造了条件。 

2）高可靠性

3）数控车床设计CAD化、结构设计模块化

采用CAD技术以替代人工完成繁琐的绘图工作，进行设计方案选择和大件整机的静、动态特性分析、计算、预测及优化设计，以及对整机各工作部件进行动态模拟仿真。这样大大提高了工作效率，提高设计的一次成功率，从而缩短试制周期，降低设计成本，提高市场竞争能力。

4）功能复合化 

扩大机床的使用范围、提高效率，实现一机多用、一机多能，即一台数控车床既可以实现车削功能，也可以实现铣削加工。

5）智能化、网络化、柔性化和集成化[5]。

第一章 总体方案拟定
1.1 主传动系统设计要求

现代切削加工正朝向着高速、高效和高精度的发展方向发展，要求机床主传动系统具有更高的转速和更大的无级调速范围；在切削加工中能够自动变换速度，机床结构要简单，噪音要小，动态性能要好，可靠性高。数控车床作为高度自动化的机电一体化设备，其主传动系统的设计一般要满足以下要求。

（1）使用性能要求 首先应满足数控车床的运动特性，如数控车床的主轴有足够的转速范围和转速级数。传动系统设计合理，操纵方便灵活 、迅速、安全可靠。

（2）传递动力要求 主电动机和传动机构能够提供和传递足够的功率和转矩，具有较高的传动效率。

（3）工作性能要求 主传动的有关结构，特别是主轴组件要有足够高的精度、抗震性，热变形和噪声要小，传动效率高，以满足机床的工作性能要求。

此外，还要求主传动系统结构简单，便于调整和维修；工艺性好，便于加工和装配；防护性能好；使用寿命长。

1.2 传动方案

在数控机床主传动系统中，目前多采用交流主轴电动机和直流主轴电动机无级调速系统。

数控机床主传动系统主要有三种传动方式，如下图所示。

（1）由电机直接驱动

主轴电动机与主轴通过联轴器直接相连接，或采用内装式主轴电动机直接驱动，如图1所示。采用直接驱动可大大简化主轴箱的结构，能有效地提高主轴刚度。这种传动的特点是主轴转速的变化、输出转矩与电机的特性完全一致。但是由于主轴的功率和转矩特性直接决定于主轴电动机的性能，因而使这种变速传动的使用受到了一定的限制。

图1-1

（2）采用定比传动

主轴电动机经定比传动传递给主轴。定比传动可采用带传动或齿轮传动，如图2所示。带传动具有传动噪音小，振动小等优点，一般应用在中、小型数控车床中。采用定比传动扩大了直接驱动的应用范围，即在一定程度上能够满足主轴功率与转矩的要求，但其变速范围仍与电动机的调速范围相同。

图1-2

（3）采用分档变速传动

采用分档变速传动主要是为了解决主轴电动机的功率特性与机床主轴功率特性相匹配。变速机构一般仍用齿轮副来实现，如图3所示。通过电动机的无级变速，配合变速机构可确保主轴的功率、转矩要求。目前电动机本身的调速范围已经达到 1：100~1:1000，所以多数数控车床的变速传动机构不超过2级。采用分档变速传动可适应更多种类的刀具材料和更广泛的工艺要求，并满足各种切削运动的转矩输出 ，特别是保证低速时的转矩和扩大恒功率的调速范围。

图1-3

综合考虑设计要求和以上各传动方案的优缺点，本设计传动方案选用方案三，采用分档变速传动方式。