数控铣床主传动系统动态设计

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1、万方数据第16卷第2期2009年4月兰州工业高等专科学校学报JourmlofLa北houPolytechnicCollegeVoI．16．No．2Apr．．2009文章编号：l009—2269(2009)02一0029—04数控铣床主传动系统动态设计。焦爱胜，刘立美(兰州工业高等专科学校机械工程系，甘肃兰州，730050)摘要：为使数控铣床在加工过程中得到较高的加工精度和效率，必须对机床的组成部分进行优化设计，基于传递矩阵法的思想，对某数控铣床的主传动系统建立集中质量模型，在得出其固有频率的基础上，通过计算模态柔度和能量分布率找出主传动系统的薄弱环节，进行

2、动态优化设计，从而使铣床的抗振性能最好．关键词：主传动系统；动态设计≯传递矩阵法；集中质量模型中图分类号：TH133．2文献标识码：A数控机床的机械结构主要由传动系统、支承部件、分度台等部分组成．传动系统的作用是把运动和力由动力源传递给机床执行件，而且要保证传递过程中具有良好的动态特性．传动系统在工作过程中，经常受到激振力和激振力矩的作用，使传动系统的轴组件产生弯曲振动和扭转振动，影响了机床的工作性能．随着机床切削速度的提高和自动化方向的发展，传动系统的结构组成越来越简单，但对其机械结构性能的要求却越来越高，因此，传统的静强度设计方法远远达不到要求．为了保

3、证金属切削机床高效地加工出高精度的产品零件，机床的传动系统就必须具有较高的刚度和抗振性能，以提高传动的准确性和加工的稳定性．因此，本文使用动态优化的方法，将提高机械结构的刚度作为设计校核的目标，对机床的传动系统进行设计．目前，动态设计的优化正处于发展与完善阶段，其设计方法可分为3类：基于模态柔度和能量平衡的动态优化设计、基于变分原理的的动态优化设计和基于最小值原理的动态优化．本文基于传递矩阵法的思想建立数控铣床的主传动系统的集中质量模型，并应用模态柔度和能量平衡原理优化了主传动系统．[1q]*收稿日期：2008—12—03作者简介：焦爱胜(1973一)，男

4、，甘肃临洗人，讲师，硕士．1数控铣床主传动系统数控铣床是在一般铣床的基础上发展起来的，其传动系统的核心环节是主传动系统．某数控铣床的主传动系统如图1所示：本系统属于多支传动系统，开始端为电机，功率为4kw，定转矩31．4N·m．中间轴是花键轴，输出端主轴转速45～4500rpm．传动链为：电机一27／45—51／34一铣刀或电机一27／45—26／59一铣刀．图1铣床主传动系统2传动系统模型基于传递矩阵法建立传动系统的模型，是将各轴上的齿轮、卡盘及轴等先计算其转动惯量，再万方数据·30·兰州工业高等专科学校学报第16卷平均分配到轴的两端，中间用弹性元件连接

5、，弹性元件的扭转刚度等价于原轴的扭转刚度．2．1传动系统模型元件确定2．1．1惯性元件的确定惯性元件是指各轴及轴上的旋转质量，如齿轮、皮带轮、卡盘及轴上直径较大的凸缘等盘类零件．当传动系统发生扭转振动时，它们对系统的动力学作用主要反映在他们的转动惯量方面，所以称为惯性元件．一根轴上的惯性元件，可以这样处理：将这些质量(包括轴本身的质量)集中到轴的两端，形成两个等效圆盘，忽略其扭转变形，将其假设为刚性圆盘．其转动惯量为：I=，，l矿．(1)式中，J——转动惯量m——等效圆盘的质量r等效圆盘的等效直径将齿轮转换成惯性元件，其转动惯量见表1：裹1齿轮转动惯量齿轮

6、编号转动惯量(×103N·m·s2)8．1406．23415．0434．9722．51336．432各轴段的质量对扭转振动的影响主要是轴段的转动惯量，因此，将各轴段的转动惯量平均分配到两刚性圆盘上，各轴的转动惯量见表2：表2传动轴转动惯量轴编号转动惯量(×103N·m·s2)轴l(输入轴)轴2(中间轴)轴3(输出轴)8．146．027．462．1．2弹性元件的确定弹性元件是指两等效圆盘之间的轴段，它对系统的影响在于本身的扭转刚度．而轴段的转动惯量可以叠加到刚性圆盘上，按式(2)计算轴的扭转刚度：K—M孙一GJ“(2、)式中，M——扭矩拳——扭转角G一剪切弹

7、性模量，取G一81GPaJ——极惯性矩Z——轴段长度各轴的扭转刚度见表3：襄3轴的扭转刚度轴编号刚度(N·m／rad)1233．19×1058．16×10‘1．93×1052．2传动系统模型的建立[．蜘根据传递矩阵法建模的理论，将轴上的齿轮作为只有惯性而无弹性的惯性元件，转换到轴的两端；将各轴段的转动惯量叠加到轴的两惯性元件上(一般可平均分配)，而轴的扭转刚度转换成一个弹性轴的扭转刚度；将各轴上的两弹性轴段和刚性圆盘，转换到同一轴线上，构成单一轴线的当量圆盘系统的扭转动力学模型；各齿轮啮合处的弹性变形很小，啮合处的弹性元件可以忽略，所以相啮合的一对齿轮可以

8、合并成一个惯性元件}最后，根据实际情况，将以上参数转化到输出轴上；