对数控机床机械传动装置设计的认识
摘要：在绝大多数的机械设备当中，传动装置均是其中最为关键的一项构成部件，传动装置将会直接决定整个数控机床的质量水平与成本价格。机械设备本身的工作性能又会直接受到传动装置的质量影响，因此就做好对数控机床传动装置的设计工作意义重大。本文简要介绍了现代机器的构成及运动原理，而后就传动装置的构成与设计要求进行了具体分析，并最终就无级变速主传动设计原则、数控机床主传动设计特点、变速箱公比选取等主传动系统设计内容展开了深入的分析与探讨。
关键词：数控机床；机械；传动装置；设计
安装有程序控制系统的自动化机床即为数字控制机床，简称为数控机床。其中所安装的程序控制逻辑可以对程序编码抑或是其他符号所规定的程序按照一定的逻辑进行处理，同时将之译码，并促使机床可进行零件的加工生产。数控机床一种高度自动化生产的机器设备，然而因机械结构所难以避免的会存在着一定的几何误差，同时在进行零件加工生产时机床的加工精度还会受到热变形、运动摩擦、传动间隙等因素的影响，因此就针对数控机床传动装置设计还有一定的改进空间，本次研究旨在加深对数控机床机械传动装置的设计认识，提高其加工精度。
一、现代机器的构成及运动原理
现代机器的构成主要就包括原动机、传动、执行三基础部件。其中原动机部件是带动整个机器来使之能够达到预定功能的主要动力来源。传动部件是将原动机的运动方式、动力参数转换成最终在执行过程当中所要应用到的运动方式、运动动力参数的中间转换部件。执行部件即为达成机器预先设定功能的一项构成部件。其中机器的传动部件大都是应用的机械传动系统，传动部件同时也是几乎所有机器设备所不可或缺的一项核心构成部件，其在整个机器设备当中占到了极大的质量与成本比例。机器设备的性能水平也会直接受制于传动装置的性能水平。
二、传动装置的构成及设计要求
机械传动装置的作用即为将通过轴与轴之间的旋转来实现对动力的传输，同时其还可通过对转速大小与转动方位的变化来实现对转速与方向的调控。较常应用到的机械传动装置包括了带传动、链传动、齿轮传动以及蜗杆传动等多种形式。
（一）主要构成部件
通常传动装置的构成部件就包括了电动机、变速装置、刀架、主轴、换向、开停，以及制动机等构成部件。通过电动机为主轴、刀架提供动力，同时使其获取到一定的运动速度与方向；依据实际的零件加工需要来实现对传递动力与速度的调控；通过主轴、刀架等来对机床所要求的运动轨迹进行具体执行，并由此便可实现旋转以及直线运动。开停机构应用于对主轴开启与停止的控制装置；在要进行转向时则可应用到变换机床主轴旋转方向装置；制动机构可通过对主轴停转装置的控制，来大幅度的降低对辅助时间的耗费。
（二）系统设计要求
在设计数控机床主传动系统之时不但要能够达到一般机床主传动的需求，同时还应满足于以下几项需求：
1、具备更宽广的速度调控范围，同时还能够达到无级调速。数控机床为确保在加工的过程中所应用切削量的合理性，便需要能够将刀具切削能力予以充分的发挥，并以此来达到较高的生产效率、加工精度与质量，同时还应有更高的转速以及调控区间。
2、在系统设计时还应确保具备较高的精度与刚度要求，在传动过程中能够始终保持良好的稳定性，且不会产生过大的噪音。要想提高数控机床的加工精度，就必须要确保主传动系统能够具备良好的刚度。对此，便应尽可能的提高传动部件的精度与刚度，并在齿轮表层采取高频感应加热淬火处理以促使其耐磨性能够得到大幅度的提高。
3、在系统设计时还应具备较好的热稳定性与强抗振能力。在数控机床上进行零部件的加工不仅要进行粗加工，有时也要进行精细加工。在实际的加工过程当中很可能会会因为持续性的切削、余量不均、运动部件不均衡、切削自激振动等因素而导致冲击力和交变力的互相交替影响，导致零部件的加工难以达到标准要求的规定值大小。因而在主传动系统当中每一项零部件不仅需要具备良好的静刚度要求，同时还应当能够有效的抑制因各类干扰因素而导致的抗振性影响。
在对机床开展切削加工之时主传动系统当中的热量挥发会导致加工零部件发生热变形现象，进而促使各项零部件间的位置进度性与运动精度性受到较大的误差影响。对此，必须要确保主轴部件能够具备良好的热稳定特性，在进行零部件的加工过程中能够始终保持以适当的间隔距离，同时通过持续不间断的润滑措施来确保使其能够达到较好的热平衡效应。
三、主传动系统设计
在数控机床的设计当中大多是选用的无级变速系统，这一系统有助于在特定的调速范围中达到较为满意的切削速率，此举不但可大幅度的提升加工精度，同时还有助于对切削效率的有效增强。
（一）无级变速主传动设计原则
在开展无级变速主动传动设计之时应当遵循以下两项原则：
1、尽可能的选取功率亦或是扭矩特点能够与传动系统的要求相一致的无级变速装置。例如执行件在进行直线主运动传动时，须确保变速装置达到恒扭矩传动的要求；例如在主传动系统在传动时的功率要求若为恒定值之时，则应当选取出恒功率无级变速装置。
2、无级变速系统装置在独立应用之时，相应的速度可调控范围相对偏小，无法达到标准要求，特别是在恒功率的调控范围方面与实际的机床恒功率调控范围需求相比明显不足。鉴于此，通常是将无级变速装置和机械分级变速箱予以串联，从而促使恒功率的变速区间值能够得以尽可能的扩大，以及提升整体变速范围。例如机床主轴所要求的变速范围通常为Rn,相应的无级变速装置变速范围即为Rd，相应的采取串联方式的多级变速箱可调控范围Rf即为Rf=Rn/Rd。
一般情况下，在传动系统当中无级变速装置是最为基础的一项组别构成，分级变速即为扩大组，与之所对应的公比理论便应当高于无级变速装置的可调控速度范围Rd。从本质上来看因机械无级变速装置是一种摩擦传动的形式，存在着一定的相对滑动情况，存在着低于理论转速值的可能性。为了获取到持续不间断的无级变速效果，在对传动系统开展设计工作之时便应当促使分级变速箱公比相较于无级变速装置的速度调控范围稍小一些，一般取值在0.94Rd左右，以促使转速间能够产生出一小段的叠加，确保转速的持续不间断性。
（二）数控机床主传动设计特点
1、采取直流或交流电动机调速
数控机床通常情况时是选用变速电机来实现对运动系统的拖动。一般所较多应用到的电机包括直流电动机与交流调频电机两类。当前，在各种中小型的数控机床设备当中，交流调频电机有着绝对性的优势，大有替代直流电机的趋势。在对数控机床主传动系统展开设计工作之时，应当确保其主轴和电动机的功率匹配性。交流调频电机一般是利用调频的方式来实现变速调控，大多选用响应快，且体积与转动惯性均相对较小的笼式感应电动机；因没有电刷的存在，因此系统在处于最高转速的条件下不会受到火花的影响；选用完全密闭的结构形式，具备空气强冷特性，可达到较高的转速及强超载性能，可调控速度范围极大。
2、匹配驱动电机与主轴功率
在对数控机床主传动系统开展设计之时，还应当充分考虑到电动机和机床主轴功率的特性配置问题。鉴于主轴所指定的恒功率可调控速度区间值Rnp要远远高于电动机恒定功率可调控区间值Rnp，因此便需在电动机和主轴间串联分级变速箱，从而促使恒定功率值的速度可调控区间能够尽可能得以增大，并使之能够符合于在进行低速高功率切削之时对于电动机输出功率所提出的要求。
（三）变速箱公比选取
变速箱公比 与电动机恒定功率可调控速度区间 相同，也就是 ，其功率的特征体现为持续、不间断且没有任何重叠的图像。一般变速箱的级别采用z表示，主轴恒定功率变化区域为Rnp：Rnp=
其中变速箱变速等级z可采取以下公式求出：
要想对该变速箱结构进行假话处理，降低其级数，则不应当取较大公比值。变速箱公比，可选取超过电动机恒定功率的速度调控区间值Rdp，也就是要确保 ，此时，变速箱内每档中便会出现一定的转速仅可恒定扭矩变速，主传动系功率特性中即会出现“缺口”，将此称之为功率下降区域。应用该区域内的转速之时，可实现对扭矩转动的限制，但也无法获取全部输出功率。为确保缺口位置的输出功率及电动机功率应将其适当扩大。此即为，对于变速箱的简化是将选取较大的功率额电机作为牺牲条件的。
若数控机床为横线速切削要能够在运转的过程中进行速度转换，则应当将变速箱公比 选取为低于电动机恒定功率值速度调控区间的Rdp，从而确保在主传动功率特性图上仍可存在一小部分的重合区域，进而求出其变速级数。
结束语
总而言之，在对机械传动系统方案开展设计工作之时，一般需依据设计要求制定出多套设计方案，通过对比分析来选取出最为适宜的一项方案。但是最终方案的是否可用，还要经过科学化的评价分析来作出判断。要想确保所设计出的能够得到科学、合理的评价，就必须要明确机械传动的设置特性。希望通过本文的研究工作能够为有关的数控机床机械传动装置设计人员提供一些有价值的参考内容。
参考文献：
[1]李长城.数控机床自动回转刀架机电系统设计[DB].https://www.kj009.net,2013.
[2]王平易.无间隙齿轮传动装置的设计与应用[J].机械研究与应用,2014,(6).
[3]窦凯,窦涛.数控机床传动装置CAD系统中数表处理与接口程序设计[J].河南科学,2014,19(3).
[4]邓树光.数控机床位置精度的测试与补偿[J].CAD/CAM与制造业信息化,2014,(6).
[5]赵军华,曹和平.对数控机床主传动、进给传动的探讨[J].河南科技,2015,(17).
[6]窦凯,孟国强,陈兴洲等.数控机床传动系统通用零部件图库的设计与实现[J].机械传动,2015,29(4).
