数控机床主传动多档变速传动比优化设计研究
关于数控机床主轴结构的改进设计
关于数控机床主轴结构的改进设计目前，数控机床主轴结构主要包括主轴箱、主轴、轴承和冷却系统等部分。
针对这些部分的改进设计将有助于提高数控机床的性能和使用效果。
下面将从主轴箱结构、主轴结构和轴承结构三个方面进行详细的改进设计讨论。
一、主轴箱结构的改进设计主轴箱结构是数控机床主轴的重要组成部分，其设计对主轴的稳定性、刚性和传动精度等方面有着重要影响。
在当前主轴箱结构中，存在一些问题，如难以满足高速、高功率主轴的需求，容易产生振动和噪音等。
为了解决这些问题，需要对主轴箱结构进行改进设计。
可以采用卧式主轴箱结构替代立式主轴箱结构。
卧式主轴箱结构相对于立式主轴箱结构具有更好的刚性和稳定性，可以有效降低振动和噪音，提高主轴的加工精度和稳定性。
卧式主轴箱结构也更适合于高速、高功率主轴的设计和加工。
可以采用分体式主轴箱结构。
分体式主轴箱结构将主轴箱分为上下两部分，通过精密调整螺母来调整主轴箱的上下间隙，从而使主轴箱具有更好的密封性和刚性。
这种结构不仅可以有效防止主轴箱内部润滑油渗漏，还可以提高主轴箱的动态刚性和热稳定性，有利于主轴的高速、高精度加工。
可以采用陶瓷复合材料制造主轴箱。
陶瓷复合材料具有良好的耐磨性、耐热性和耐腐蚀性，通过采用陶瓷复合材料制造主轴箱，可以有效提高主轴箱的使用寿命和可靠性。
陶瓷复合材料还具有较低的热膨胀系数和较高的热导率，有利于主轴箱的热稳定性和散热性能。
可以采用空气动力主轴结构替代机械传动主轴结构。
空气动力主轴结构采用气体压力来传递动力，不需要传统的机械传动部件，可以实现零摩擦、零磨损的运转。
空气动力主轴结构的传动效率高、温升小、运转平稳性好，有利于提高主轴的加工精度和稳定性。
可以采用磁悬浮主轴结构。
磁悬浮主轴结构通过磁场来支撑和传递动力，不需要机械轴承，可以实现无接触、无摩擦的运转。
磁悬浮主轴结构具有较高的刚性和稳定性，可以有效降低振动和噪音，提高主轴的加工精度和寿命。
可以采用弹性变形主轴结构。
数控机床主轴结构的改进和优化设计
数控机床主轴结构的改进和优化设计严鹤飞（天水星火机床有限责任公司技术中心 甘肃 天水 741024） 摘 要： 掌握机床主轴的关键部件，安装方式，轴承的调制环节以及材料、操作维护等，并且各种原因中又包含着多种影响因素互相交叉，因此必须对每个影响因素作具体分析。
而对于优化设计理论的基本思想及其求解方法，将其应用于机床主轴的结构设计，建立了机床主轴结构优化设计的数学模型，并用内点惩罚函数法求解模型，得到了整体最优的结构设计方案，使机床主轴在满足各种约束要求条件下，刚度最好，材料最省。
关键词：机床主轴；轴承；调整；优化设计；数学模型在数控机床中，主轴是最关键的部件，对机床起着至关重要的作用，主轴结构的设计首先考虑的是其需实现的功能，当然加工及装配的工艺性也是考虑的因素。
1. 数控机床主轴结构改进：目前机床主轴设计普遍采用的结构如图1所示。
图中主轴1支承在轴承4、5、8上，轴承的轴向定位通过主轴上的三个压块紧锁螺母3、7、9来实现。
主轴系统的精度取决于主轴及相关零件的加工精度、轴承的精度等级和主轴的装配质量。
在图1中主轴双列圆锥滚子轴承4的内锥孔与主轴1:12外锥配合的好坏将直接影响株洲的工作精度，一般要求其配合接触面积大于75%，为了达到这一要求，除了在购买轴承时注意品牌和等级外，通常在设计时对主轴的要求较高，两端的同轴度为0.005mm，对其相关零件，如螺母3、7、9和隔套6的端面对主轴轴线的跳动要求也较高，其跳动值一般要求在0.008mm以内。
对一般压块螺母的加工是很难保证这么高的精度的，因而经常出现主轴精度在装配时超差，最终不得不反复调整圆螺母的松紧，而勉强达到要求，但这样的结果往往是轴承偏紧，精度稳定性差，安装位置不精确，游隙不均匀，造成工作时温升较高，噪音大，震动厉害，影响工件的加工质量和轴承的寿命。
但对于重型数控机床用圆锥滚子轴承其承载负荷大，运转平稳，精度调整好时，其对机床的精度保持性较好，可对与轻型及高速机床就不十分有力了。
数控车床主传动机构设计方案
数控车床主传动机构设计方案数控车床是现代机械加工行业中的重要设备之一，其精度和效率对整个制造业具有重要的影响。
其中主传动机构是数控车床最关键的组成部分之一，直接影响到机床的性能和加工效果。
因此，本文将就数控车床主传动机构设计方案进行探讨。
首先，我们需要明确数控车床主传动机构的基本功能，即转换电机的旋转运动为切削刀具和工件之间的相对运动。
主传动机构的设计应该考虑到以下因素：1. 传动效率：主传动机构传递电机动力的效率决定了数控车床的加工效率和耗能情况。
因此，应该选用能够提供高传递效率的传动方式，如同步带传动系统或齿轮传动系统。
2. 稳定性和可靠性：对于高速运转的机床来说，稳定性和可靠性至关重要。
传动系统的设计应该能够减少振动和噪音，并且能够确保长期的可靠运行。
3. 正确的转速调节：数控车床需要能够实现旋转速度的精确定位和调节，以适应不同的加工要求。
因此，设计应该考虑涉及到反馈机制的电子速度控制。
4. 耐磨性和寿命：机床的传动系统在高负荷下工作，同时其精度和寿命有着极其重要的关系。
因此，应该选用经测试的高强度、低磨损材料来构建主传动机构。
综上所述，我们可在以下两个方面，对数控车床主传动机构进行设计方案的讨论：方案一：同步带传动系统在同步带传动系统中，电机的运动通过同步齿轮和同步带传递到机床主轴。
同步带传动设计的优点如下：1. 可靠性好。
同步齿轮连接方式使得同步带具有较强的耐久性和抗扭曲性。
2. 维护简单。
使用同步齿轮和带轮而不是齿轮齿条，可以减少机床本身的维护和潜在的问题。
3. 噪音低。
同步带传动系统相比于齿轮传动系统拥有更少的接触点，因而可以降低机床的噪声。
4. 成本低。
同步带传动的制作成本比齿轮更为便宜。
缺点：1. 接触作用较小。
传动效率不如齿轮传动系统高。
2. 需要更加频繁地更换同步带摩擦面，因为它们的磨损速度较快。
方案二：齿轮传动系统在齿轮传动系统中，机床主轴由电动机通过齿轮连接传动给。
因此，齿轮传动设计的优点如下：1. 能够提供高传动效率。
数控铣床主轴变速系统的研究与设计(含图纸+ppt)
数控铣床主轴变速系统的研究与设计（开题报告）一、本课题的研究目的和意义：当今世界，工业发达国家对机床工业高度重视，竞相发展机电一体化、高精、高效、高自动化先进机床，以加速工业和国民经济的发展。
长期以来，欧、美、亚在国际市场上相互展开激烈竞争，已形成一条无形战线，特别是随着微电子、计算机技术的进步，数控机床在20世纪80年代以后加速发展，各方用户提出更多需求，四大国际机床展早已成为各国机床制造商竞相展示先进技术、争夺用户、扩大市场的焦点。
中国加入WTO后，正式参与世界市场激烈竞争，今后如何加强机床工业实力、加速数控机床产业发展，实是紧迫而又艰巨的任务。
随着世界科技进步和机床工业的发展，数控机床作为机床工业的主流产品，已成为实现装备制造业现代化的关键设备，是国防军工装备发展的战略物资。
数控机床的拥有量及其性能水平的高低，是衡量一个国家综合实力的重要标志。
加快发展数控机床产业也是我国装备制造业发展的现实要求。
根据中国机床工具工业协会组织用户调查表明，航天航空、国防军工制造业需要大型、高速、精密、多轴、高效数控机床；汽车、摩托车、家电制造业需求高效、高可靠性、高自动化的数控机床和成套柔性生产线.二、文献综述（国内外研究情况及其发展）：数控技术是制造业实现自动化，柔性化，集成化生产的基础，现代的CAD/CAM、FMS、CIMS等，都是建立在数控技术之上，离开了数控技术，先进制造技术就成了无本之木。
同时，数控技术关系到国家战略地位，是体现国家综合国力水平的重要基础性产业，其水平高低是衡量一个国家制造业现代化程度的核心标志，实现加工机床及生产过程数控化，已经成为当今制造业的发展方向。
1、国外数控机床发展状态：国外数控铣床的生产厂家主要集中在德国、美国和日本。
从机械结构上看，其发展经历了十字架型（轻型）、门型（小型）、龙门型（大型）3个阶段，相应的型号种类繁多。
能够代表数控铣床技术最高水平的厂家主要集中在德国，目前，国外已有厂家在龙门式切割机上安装一个专用切割机械手，开发出五轴控制系统的龙门式专用切割工具，该系统可以在空间切割出各种轨迹，利用特殊的跟踪探头，在切割过程中控制切割运行轨迹。
关于数控机床主轴结构的改进设计
关于数控机床主轴结构的改进设计1. 引言1.1 研究背景数控机床主轴作为整个机床中的核心部件，在加工精度、效率和稳定性等方面起着至关重要的作用。
随着制造业的不断发展和技术的进步，对数控机床主轴结构的要求也越来越高。
目前市场上常见的数控机床主轴结构存在着一些问题，比如轴承摩擦力大、振动噪音大、稳定性差等，影响了机床加工质量和效率。
对数控机床主轴结构进行改进设计具有重要意义。
在当前工业生产中，高精度、高效率、高速度是制造企业追求的目标。
而数控机床主轴结构作为影响机床性能的关键部件之一，需要不断进行创新和改进，以适应不断变化的市场需求。
深入研究主轴结构的改进设计，优化结构材料和加工工艺，对提升数控机床的加工精度和效率具有重要意义。
【2000字】1.2 研究目的研究目的是为了通过对数控机床主轴结构进行改进设计，提高机床的加工精度和工作效率。
当前市场上存在着许多数控机床主轴结构设计较为传统，存在一定的问题，例如在高速高效加工过程中容易产生振动和噪音，影响加工精度和表面质量。
本研究旨在通过优化设计改进数控机床主轴结构，提高其稳定性和刚性，减少振动和噪音，从而提高加工质量和效率。
通过结合结构材料优化和加工工艺改进，探索出一种更加先进和可靠的数控机床主轴结构设计方案，并分析其在技术和经济方面的可行性，为数控机床行业的进一步发展提供参考和指导。
2. 正文2.1 数控机床主轴结构现状数控机床主轴结构是数控机床的核心部件之一，主要负责转动切削工具进行加工。
目前的数控机床主轴结构主要分为直线主轴和滚珠主轴两种类型。
直线主轴结构简单，操作方便，适用于对工件精度要求不高的加工，但主轴刚度较低，容易产生振动。
滚珠主轴结构采用滚珠轴承支撑，具有较高的刚度和承载能力，适用于高精度加工，但制造成本较高。
当前数控机床主轴结构在设计上存在一些问题，如主轴转速范围窄、刚度不足、温升较大等。
这些问题制约了数控机床的加工效率和加工质量。
为了解决这些问题，可以采取改进设计方案。
数控机床主传动系统的设计及优化
考虑改造的经济性与技术性的统一，特 别是推广使用交流变频拖动技术，选用变频 电机＋ 手动档调速方式。用一般的异步交流 电动机或变频电动机作为主轴驱动电动机， 用机械换档和变频无级调速有机结合的方 法，系统机床的恒功率自动变速。 １．２ 交流电机的变频调速
电机调速方式，由电动机原理可知，交流
感应电动机的转速为
主传动系统是用来实现机床主运动的传 动系统，它应具有一定的转速（速度和一定的 变速范围，以便采用不同材料的刀具，加工不 同 材 料 、不 同 尺 寸 、不 同 要 求 的 工 件 ， 并 能 方 便地实现运动的开停、变速、换向和制动等。
在数控机床的主传动系统中，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，可以大大简化机械机构，便于实现自动变 速、连续变速和负载下变速。为扩大调速范围， 适应低速大扭矩的要求，也经常应用齿轮有级 调速和电动机无级调速相结合的调速方式。 １．１ 数控机床主传动系统的调速方式
数控机床主传动系统配置方式较多，常见 的是分级变速系统和无级变速系统［１］。数控机 床为了得到广泛的加工转速，一般主传动采用 无级变速，能够在一定的调速范围内选择经济 合理的主轴切削速度。数控机床的无级变速多 采用电气无级调速。采用无级调速，主轴箱结 构 大 大 简 化 ， 调 速 方 便 ， 传 动 链 缩 短 。但 是 ， 机 床调速范围很宽，一般情况下单靠调速电机无 法满足，另外调速电机的功率和转矩特性也难 以与机床的功率和转矩要求完全匹配，特别是 在低速时，输出转矩无法满足机床强力切削的 要 求 。若 单 纯 追 求 无 级 调 速 ， 势 必 要 增 大 主 轴 电动机的功率，从而使主轴电动机与驱动装置 的体积、重量及成本增加。因此数控机床常采 用Ⅰ～Ⅳ挡齿轮变速与无级调速相结合产方 式，即分段无级变速方式。采用齿轮变速虽然 低速时的输出转矩增大，但降低了最高主轴转 速。因此，通常用数控系统控制齿轮自动变挡， 同时满足低速转矩和高主轴转速。一般数控系 统均提供Ⅱ～Ⅳ挡变速功能，而数控机床通常 使用２挡即可满足要求。
数控机床主传动系统的设计及优化
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工 程 设 计 及 优 化
柴 宝 新 （ 天津市 红教修建公 司 天津 ３ ０ １ ０１ ） ３ 摘 要： 本文 首先论 述 了数控 机床 传动 系统 的特 点 ， 在此基 础上设 计 了数控机床 主传 动 系统 的组 成部分和 实现方法 。 最后通过 对数控机 床 主 传 动 系统 精 度 影 响 比较 大 的一 些 因 素 的 分 析 ， 出 了数 控 机 床 主 传 动 系统 进 行 优 化 的 内容 。 提 关键词 ： 数控机床 主传 动系统 设 计及优 化 中图分 类号 ： ｌ ＴＧ５ ９ 文 献标 识码 ： Ａ 文章编 号 ： ６ ４ ０ ８ ２ １ ）４ ａ － Ｏ ７ — ０ １ ７ — ９ ｘ（ ０ Ｏ ０ （ ） ０ ２ ２
数控 机床是 指机 床的操 作命 令以数 值数 感应 电动 机 的转 速 为 链 前 边传 动 副 的误 差 ， 但要 注意 传 动 比分 配 字的形式 描述 工作过 程按规 定的 程序 自动进 ＝ｎ（一 ） ０ １ ／ ｏ１ ＝６ （一 ） Ｐ 合 理 ， 别是 对加 工 精度 影 响较 大 的末 端传 特 行 的机床 。 随着微 电子 技术 ， 特别是 计算 机技 式 中 ： 电源 的频 率 一 动 副 可采 用大 降 速 比 ， 传 递螺 旋运 动 用蜗 如 术 的发 展 ， 数控 机 床迅 速 地 发展 起来 。 ｓ～转差率 杆副 ， 递直线 运动 用丝杆 螺母 副等 。 传 同时应 ｐ～ 磁场极对 数 合理 选 择传 动 元件 ， 能选 择 摩擦 传 动等 传 不 １主传动系统设计 由上 式 可知 ， 当转 差 率 化 不大 时 ， 转 动 比不 准 确的 传动 副 ， 末端 传 动副 如 选择 蜗 数 控机 床 是高 度 自动 化 机床 ， 其传 动 系 子转 速／ 比于 。 ３ 正 改变 电源的 频率 ， 而改 杆副 ， 从 则蜗 轮直径 尽量 大 ， 般要大 于工件 直 一 统的 特点 是 ： 转速 高 、 功率 大 、 速 自动 变换 变异 步 电动 机 的 同步 转 速 ， 子转 速 力 转 转 就 径 ， 末端 传动 副如选 择 丝杆螺 母副 ， 则丝杆 的 迅 速可 靠 、 主轴 刚度 和 回转精 度 高 、 主轴 转速 随之得 到调 节 ， 种调速 方法 称为 变频调 速 。 导 程应 取得 小一 些 ， 这 这样 可提 高传 动精度 。 范 围广 ， 能进行 高效率加 工 。 所以 对数控 机床 平滑 调节 频 率 ， 可实 现异 步 电动 机 的平 滑 ２ ２传 动系统 齿轮及 轴 承间 隙产 生 误差 即 ， 的 传 动精 度有 一 定 的要 求 ： ） １有较 大 的调 速 调 速 。 流调 频调速 电机具 有体 积小 ， 交 转动惯 传动 系 统齿 轮 间 隙会 影 响传 动精 度 、 灵 范 围并 实现无 级调速 ；） 率满 足各 转速 段 ； 性 小 ， ２功 响应 快 ， 没有 电刷 ， 用较 为， 泛。 该 敏 度和工 作稳 定性 ， 应 现 因此要 消除 间隙 。 对于 ３ 传动平 稳 ， 作 灵活 ， 构 简单 紧 凑 ， 艺 技 术 已普 遍使 用 。 ） 操 结 工 滚 动轴 承 ， 理调 整轴 承 间 隙可 以提 高 主轴 合 性好 ， 足 经济性 要 求 。 满 １ ３驱动 电机和 主轴功 率 匹配设计 ． 的刚 度和 回转精 度 ， 少轴 承的振 动和 噪声 。 减 主传 动系统 是用 来实现 机床 主运 动的传 机 床 与 电动 机有 各 自的调 速 特性 ， 了 为 调 整 间隙时 ， 可采 取预 加 载荷 的 方法 消 除轴 动系统 ， 它应 具有 一定 的转速 （ 度和一 定的 实现 宽范 围调速 并 充分 利 用设 备 ， 须使 电 承 间 隙 ， 速 必 甚至 造成过 盈 。 但预加 载荷 的大小 及 变 速范 围 ， 以便 采用 不同材 料的 刀具 ， 工不 动机和 机床有 类似 的调速性 能［ 一 般交 流调 过 盈量 要严 格控制 ， 加 ２ １ 。 否则 ， 主轴 轴承 工作时 发 同材料 、 不同 尺寸 ， 同要 求 的 工件 ， 能方 速 电动机 的 恒功 率调 速 范 围为 ３ 。 不 并 ～５ 机床 主 热量 将 增大 ， 剧 轴承 自身的 变形 ， 加 使主轴 精 便地 实现 运 动 的开停 、 变速 、 向 和制 动等 。 轴 的恒 功 率调 速 范 围一般 为 １ ～２ ， 远 大 度 降低 。 换 ０ ０远 实践 证 明 ， 承 精 度越 高 ， 轴 达到 同 样 在数控 机床的主传动 系统 中， 目前 多采用 于 电动机 的恒功 率 范围 。 可见在 一般情 况下 ， 刚 度所 需 的预 加 载荷 越 小 ， 滚动 轴 承比 球轴 交流 主轴 电动机和 直流 主轴 电动机 无级调 速 电动 机的恒 转矩 调速 范 围满 足机 床所需 的恒 承所 需 的 预加 载荷 小 。 于 己产 生磨 损 的 旧 对 系统 ， 可以大大简化机械机构 ， 便于实现 自动变 转矩 变 速范 围 ， 其恒 功 率调 速 范 围却 不能 轴承 ， 可 以通 过 上 述方 法对 其 间 隙进 行合 但 也 速、 连续变速和 负载下变速 。 为扩 大调速范 围 ， 满足 机 床所 需 的恒 功 率变 速 范 围的要 求 。 因 理的 调整 ， 以恢 复或提 高轴 承精 度 ， 从而 达到 适应 低速大扭矩 的要 求 ， 也经常应 用齿轮有级 此 ， 主轴和 电机 之 间进行适 当调 整 ， 主轴 提 高 主 轴精 度 的 目的 。 在 使 调速 和 电动机 无级调速相 结合 的调速方式 。 有合 理 的转 速 ， 证机 床 的恒 功 率 范 围 。 保 ２ ３轴 承精度 应 与轴颈 的精 度 、轴 承座孔 精 ． １ １数控 机床 主传 动系统 的调 速方 式 ． 在设计机 床主传动时 ， 必须考虑 电机 与机 度 相 适 应 数控机 床主传动 系统 配置方式较 多 ， 常见 床 主轴 功率的特性 匹配 问题 ， 由于主轴要 求的 主轴 的 回转 精 度不仅 与轴 承本 身的 质量 的是 分级变 速系统 和无级 变速 系统 …。 数控 机 恒功率 变速范 围， 大于 电机 的恒功率变速 范 有关 ， 远 而目与主轴组件的精度 、 装配质量密切相 床为 了得到广泛 的加工转速 ， 一般主传动采 用 围， 所以 在 电机与 主轴 之 间串一 个变 速 器（ 主 关 。 因此轴承座孔 和轴颈的精 度与轴承的精 度 无级变速 ， 能够在 一定的调速 范围内选择 经济 轴箱） 以满足 低速大功率 输 出 确 定主轴箱 速 应相适应 。 。 轴承座 孔和轴颈配 合的松紧程度 也 合理的主轴切 削速 度 。 数控机床 的无级变速 多 比也 就是确 定 主传动 系统 的传动路 线 。 影响主轴部件的工作性能 ， 配合紧些 ， 可以提 高 采 用 电气无级 调速 。 用无 级调速 ， 轴箱结 采 主 在 设计 主 轴箱 速 比 时 ， 其变 速级 数 为 主轴部件 的接触刚 度 ， 从而提高 主轴 精度 和抗 构 大大 简化 ， 调速 方便 ， 传动链 缩短 。 是 ， 但 机 Ｚ＝１ ｇ ＋１ ／ｇ 】 振性 ； 但过 紧 ， 轴承 内圈会胀大 、 圈缩小 ， 外 轴承 床调速 范围很宽 ， 一般情 况下单靠调速 电机无 上 式 中 ： 齿 轮变 速级 数 （ 劲 一般 取 ≤４； ） 的正 常间隙发生 改变 ， 降低轴承 回转精度 ， 引起 法满足 ， 另外 调速 电机的功率 和转矩特性 也难 为 变速 箱 的有 级变 速 范 围 ； 发热 ， 不仅影响轴 承的寿命 ， 还给装配工作增大 以与机床 的功 率和转矩要 求完全 匹配， 别是 特 难度 。 为避免此类 问题的发生 ， 一般座孔与外圈 为 电动机 的 恒功 率调 速 范 围 。 在低速时 ， 出转矩 无法满足机 床强力切 削的 输 级１。 ］ 通 过 设 计 主轴 箱传 动 系统 ， 主轴 的 恒功 的 配合比轴颈 与内圈的配 合低一一 ４ 要求 。 若单纯追 求 无级调速 ， 必要增 大主轴 率调 速 范 围扩 大 为 ＝月 。 ＿ 无 级 调 势 月 在 主轴 轴 承座 孔 的表 面 粗糙 度应 与所选 用的轴 电动机的功率 ， 从而 使主轴 电动 机 与驱动装 置 速 系统 的设 计 中 ， 当地 综 合与 优化 电机和 承 精度 相 适应 。 恰 一般 要求 轴 承座 孔 的表 面粗 的 体积 、 重量及成 本增加 。 因此数 控机 床常采 变 速 器调 速 范 围 ， 于 机床 的加 工性 能和 经 糙 度应 比轴 承 外 圈 的表 面粗 糙 度高 一级 。 对 用 Ｉ～Ⅳ挡齿轮 变速 与无级 调速 相结 合产方 济 性 能都 有 重要 意 义 。 以 上几 方面在 进 行数控 机床 ： 动系统 ￡传 式， 即分段 无级变 速方式 。 用齿 轮变速 虽然 采 进 行优 化时 应 给 予足 够 的考 虑 ， 才能 满 足数 低速时的输 出转矩 增大 ， 降低 了最高 主轴 转 ２主传动系统 的优化 但 控 机 床加 工 精 度要 求 。 速。 因此 ， 通常用 数控系统控 制齿轮 自 变挡 ， 动 机床 主传动 系统 的精 度对 于数控 机床 的 同时满足低速转矩 和高 主轴转 速。 一般数控 系 加 工精 度 有着 非 常重 要 的影 响 ， 以在 主 传 ３结 语 所 统 均提供 Ⅱ～Ⅳ挡变速功能 ， 而数控机床通 常 动 系统优化 的时 候首 先考 虑传动 系统 传动误 本文 通 过论 述 ， 出 �
机床主运动机械变速传动系统的结构设计
一、设计目的通过机床主运动机械变速传动系统的结构设计，在拟定传动和变速的结构方案过程中，得到设计构思、方案分析、结构工艺性、机械制图、零件计算、编写技术文件和查阅技术资料等方面的综合训练，树立正确的设计思想，掌握基本的设计方法，并具有初步的结构分析、结构设计和计算能力。
二、设计步骤1.运动设计1.1已知条件[1]确定转速范围：主轴最小转速为37.5r/min。
最大转速为1700r/min。
ϕ[2]确定公比：41.1=[3]转速级数：12z=1.2结构分析式（1）拟订结构式：1）确定变速组传动副数目：实现12级主轴转速变化的传动系统可以写成多种传动副组合：A．12=3*4 B. 12=4*3 C。
12=3*2*2D．12=2*3*2 E。
12=2*2*3方案A、B可节省一根传动轴。
但是，其中一个传动组内有四个变速传动副，增大了该轴的轴向尺寸。
这种方案不宜采用。
根据传动副数目分配应“前多后少”的原则，方案C是可取的。
但是，由于主轴换向采用双向离合器结构，致使Ⅰ轴尺寸加大，此方案也不宜采用，而应选用方案D2）确定变速组扩大顺序：12=2*3*2的传动副组合，其传动组的扩大顺序又可以有以下6种形式：A．12=21*32*26B。
12=21*34*22C．12 =23*31*26D。
12=26*31*23E．22*34*21F。
12=26*32*21根据级比指数非陪要“前疏后密”的原则，应选用第一种方案。
然而，对于所设计的机构，将会出现两个问题：①第一变速组采用降速传动（图1a）时，由于摩擦离合器径向结构尺寸限制，使得Ⅰ轴上的齿轮直径不能太小，Ⅱ轴上的齿轮则会成倍增大。
这样，不仅使Ⅰ-Ⅱ轴间中心距加大，而且Ⅱ-Ⅲ轴间的中心距也会加大，从而使整个传动系统结构尺寸增大。
这种传动不宜采用。
②如果第一变速组采用升速传动（图1b），则Ⅰ轴至主轴间的降速传动只能由后两个变速组承担。
为了避免出现降速比小于允许的极限值，常常需要增加一个定比降速传动组，使系统结构复杂。
数控车床主传动系统的设计资料
数控车床主传动系统的设计资料1.传动方式：数控车床的主传动系统主要采用齿轮传动、皮带传动或蜗杆传动等方式实现。
齿轮传动具有传动效率高、传动比稳定等特点，适合数控车床的高精度加工。
皮带传动具有传动平稳、减震降噪等特点，适合一些对噪音要求较高的场合。
蜗杆传动则适用于需要大扭矩输出和自锁性能的情况。
2.主轴转速范围：数控车床的主传动系统需要设计具有较宽的主轴转速范围，以满足不同加工需求。
主轴转速范围的设计取决于工件材料的加工硬度、所需表面光洁度和所使用的刀具类型等因素。
通常情况下，数控车床的主轴转速范围可以从几十转/分钟到上万转/分钟。
3.主轴扭矩输出：数控车床主传动系统需要设计具有较大的主轴扭矩输出，以满足加工过程中的切削力需求。
主轴扭矩输出的设计取决于工件材料的加工硬度、切削类型和所使用的刀具等因素。
通常情况下，数控车床主轴扭矩输出可以达到几百牛·米以上。
4.切削力平衡：数控车床主传动系统需要设计具有良好的切削力平衡性能，以保证加工过程中的稳定性和精度。
切削力平衡的设计需要考虑主轴和工件的质量平衡、刀具的质量和刀具夹持方式等因素。
同时，还需要考虑冷却液的引入和排出，以保证加工过程中的冷却和润滑效果。
5.变速机构：6.轴向和径向刚度：数控车床主传动系统需要设计具有良好的轴向和径向刚度，以保证加工过程中的稳定性和精度。
轴向刚度的设计需要考虑主轴和工件的支撑形式和支撑点，径向刚度的设计需要考虑主轴轴承的选择和安装方式等因素。
同时，还需要考虑刀具切削力对主传动系统的影响。
7.自动换刀装置：总之，数控车床主传动系统的设计需要考虑传动方式、主轴转速范围、主轴扭矩输出、切削力平衡、变速机构、轴向和径向刚度以及自动换刀装置等因素，以实现高精度、高效率和可靠性的加工过程。
同时，还需要根据具体的加工需求和预算限制，选择合适的设计方案和关键部件。
数控机床变速主传动系设计
主 轴 回 转 部件
导 轨 及 支 撑 部件
主传动
部件
进 给 传 动 系 部件
液 压 与 气压 传动
零
传动
主传动部件
2.3
基本要求 分类和传动方式 分级变速主传动系 无级变速主传动系 数控机床变速主传动系设计特点
1、基本要求
机床主传动系因机床的类型、性能、规格尺寸等因素的不同，应满足的要求
也不一样。设计机床主传动系时最基本的原则就是以最经济、合理的
方式满足既定的要求。
一般应满足下述基本要求：
l ）使用性能 首先应满足机床的运动特性，如机床的主轴 有足够的转速范围和转速级数（对于主传动为直线运动的机 床，则有足够的每分钟双行程数范围及变速级数）。
传动系设计合理，操纵方便灵活、迅速、安全可靠等
多速交流电动机和无级调速交流电动机驱动 无级调速交流电动机通常采用变频调速的原理
2 ）按传动装置类型可分为
机械传动装置、液压传动装置、电气传动装置以及它们的组合
3 ）按变速的连续性可分为
分级变速传动和无级变速传动
分级变速传动
2、分类和传动方式
在一定的变速范围内只能得到某些转速，变速级数一般不超过20 ～30 级（？），分级变速传动方式有滑移齿轮变速、交换齿轮变速和离合器
主 传动系设 计 基本要求
分类和传动方式 分级变速主传动系 无级变速主传动系 数控机床变速主传动系设计特点
（1）机床主传动系的分类
主传动系可按不同的特征来分类：
1 ）按驱动主传动的电动机类型
2、分类和传动方式
可分为交流电动机驱动 和 直流电动机驱动。 交流电动机驱动中又可分单速交流电动机或调速交流电动机驱动。 调速交流电动机驱动又有
数控车床进给传动系统整体优化设计研究
( 3)
2
确定约束条件
m、 z 作为优化设计的设计变量。 1 . 2 确定目标函数 数控进 给传动系统 , 必 须对进 给运动 的位置 和运动速 度两 个方面同时实现自动控制 , 因此 , 进给系统的设计除了要求具有 较高的定位精度外 , 还要求具有良好的动态响 应特性。 82
根据优化设计理论 和进给 系统原 常规设计 经验 , 对设 计变 量的范围 ( 即边界约束 ) 、 丝 杠副、 齿轮 的刚度、 强度 等允许 范围 限制 ( 即性能约束 ) 做了适当选 取。 ( 1) 丝杠导程与传动比关系 : 设系统 脉冲当量 = 0. 01mm, 采用功率步进电机 , 步距角 = 0. 75 则丝 杠导程与 传动比 之间 Ph 0 . 75 P h 25 关系 : u = = , 故 H ( x ) = x 3x = 0 ( 4) 360 360 0 . 001 12 2 ( 2) 滚珠丝杠直径的 经验约 束 : d 0 应 大于丝 杠工 作长 度的 1000 1 / 30 , 若丝杠工作长度 为 1000mm , 则 d 0 。故 G 1 ( x ) = 30 x 1- 33 . 33 0 ( 5) 组合机床与自动化加工技术
x5] T = [ d 0
Ph
- 4
u
m
z]T
= [ 40 6 1 . 25 2 32 ] , F 0( X 0 ) = 2 . 38 10 将进给系统折算到步进电机上的转动惯量最小为目标进行优化 计算 , 其结果为 : X * = [ d0 Ph
T *
u
*
m
z 1] T = [ 34511
- 4
6. 067 1 . 235
1 建立系统优化目标函数
1. 1 确定设计变量 在进行 系统整体优化设 计时 , 设计变 量的选 择应把对 系统 目标函数影响较大的、 对零 部件设 计起主 导作用 的那些 参数作 为设计变量。该系统的机械 零部件 主要是 滚珠丝杠 副、 齿轮副 两大部分 , 其中 , 滚珠丝杠副的设计参数有丝杠直径、 导 程、 滚珠 直径、 丝杠全长等 ; 齿 轮副的 设计参 数有模 数、 齿 数、 传动比、 齿 宽等。按照设计变量确定的原则 , 丝杠直径 d 0、 齿轮模数 m 、 齿 数 z 对进给系统优化设计所选目标 函数影 响较大 , 而丝 杠导程 P h , 传动比 u 之 间有 一 定的 比 例关 系。因 此 , 确定 d 0、 P h、 u、
数控机床两档变速主传动系统的分析和计算
（３）低档减速比的选择。在具体选择时，必须综合考虑和 分析，选择较大的低档减速比，以保证得到足够的主轴最大扭 矩和较大的恒功率范围。但低档减速比又不能太大，否则功率 损失太大，影响机床机械特性的程度大，达不到正常使用要 求。一般选择低档减速比为 ３．５～５ 较为合适，具体选择要综合 根据具体技术要求和使用要求而定。如果在常规范围内选择
根据高、低减速比的分布，高低档两段变速传动机构，也 具有多种形式，但其分析计算是一样的。
在进行数控机床主传动系统设计时，一般情况下，是根据 产品定位、用途、技术要求等因素，确定主电机功率及其额定 转速、主轴最高转速、主轴最大扭矩等主要参数，再根据这些 主要参数和结构要求特点，计算和确定主传动高档和低档减 速比，及确定其他参数和结构参数，进行结构设计。由于采用 两档变速传动方式，可能会产生在一定转速范围内功率损失 的现象，通常称为功率缺口。尽可能降低功率缺口，是提高主 轴机械特性的要求之一，也是确定主传动高档和低档减速比 的主要依据之一。
而以往的技术文献对这方面的介绍、论述较为笼统和简 单，有关结论也显得简单，已不能满足许多场合下的分析和设 计计算要求，有必要不断地深入研究，完善主传动计算与设计 方法。笔者长期从事数控机床技术研究和产品研发，对各种主 传动系统设计计算进行了较深入的分析研究，现针对主传动 系统的结构类型、设计参数和特性参数的计算、分析、选择及 设计原则，进行分析和总结如下，希望能够对广大的数控机床 和类似产品机构的设计研究人员提供有益的参考。
数控车床主传动设计论文
数控车床主传动设计论文
为了提高数控车床的加工效率和精度，主传动系统的设计至关重要。
本文将探讨数控车床主传动系统的设计问题，包括驱动模式、传动比、传动结构等方面。
一、驱动模式数控车床主传动的驱动模式分为两种：主电机直接驱动和主电机-变频器-传动系统驱动。
主电机直接驱动的优点是结构简单，适用于较小功率的车床；缺点则是转速不稳定，容易产生谐振现象。
主电机-变频器-传动系统驱动的优点是能够实现变频调速，提高加工精度，同时可以根据工件不同的加工量和加工要求调节参数，较为灵活；其缺点是结构复杂，维护成本较高。
二、传动比数控车床传动比的选择需要考虑加工工件的直径、重量及旋转惯量等因素，同时也与主轴的转速有关。
传动比过大会使主轴的空载转速过高，不利于加工质量和刀具使用寿命；传动比过小则会使主轴的空载转速过低，降低了加工效率。
因此，在设计主传动系统时需权衡各个因素，根据实际情况选择合适的传动比。
三、传动结构数控车床主传动结构的种类较多，常用的为齿轮传动和同步带传动。
齿轮传动的优点是结构简单，传动效率高；缺点是噪声大、摩擦损失大，不够平稳。
同步带传动的优点是传动平稳，噪声小，寿命长；缺点是传动效率低，不够稳定。
因此，在选择传动结构时需要根据加工工件的要求和车床的使用情况综合考虑。
综上所述，数控车床主传动系统的设计涉及多方面因素，需要综合考虑。
合理的主传动系统设计可以提高数控车床的加工效率和精度，降低维护成本，为企业的生产和发展带来实际的价值。
数控车床主传动系统的分析与改进
目录摘要 (1)引言 (1)一、数控车床主传动系统类型 (1)（一）具备变速齿轮的主传动系统 (1)（二）通过带传动的主传动系统 (2)（三）调速电动机直接驱动主传动系统 (3)二、数控车床主传动系统特点 (3)（一）转速高，功率大 (3)（二）良好的抗震性和稳定性 (3)（三）多样化的控制功能 (4)（四）电动机性能要求高 (4)三、数控车床主传动系统的优化改进 (4)（一）提高传动链精准度 (4)（二）缩小传动系统齿轮和轴承缝隙 (4)（三）轴承精准度应与轴承座孔精准度相匹配 (5)结论 (5)参考文献 (6)数控车床主传动系统的分析与改进摘要：随着科学技术水平的不断提高和互联网技术的创新发展，数控车床被广泛推广应用。
通过设置指定的程序，通过繁杂的数字和代码呈现出的实操指令，数控车床会按照规定的程序自动运转，科学合理的完成相应指令安排。
主传动系统作为数控车床运转的核心，对于数控车床运转的安全有至关重要的作用。
本文主要是对数控车床主传动系统的分析优化的研究，首先指出数控车床主传动系统的类型，然后说明数控车床主传动系统的特点，最后提出数控车床主传动系统的优化改进措施，旨在提高数控车床主传动系统的稳定运行，确保数控车床的安全性。
关键词：数控车床；系统；主传动；优化引言数控车床主传动系统主要指的是数控车床得以正常稳定运行的系统模式，该系统具备一定规格的运行速度和制定的速度变化区间[1]。
数控车床主传动系统的应用可以使用不同材质的器具，对不同原料和不同尺码的工具，在每个器具的指定标准下完成操作，通过这一系列的实际操作，可以实现数控车床运行状态的随意切换、速度的及时调整、运行方向的改变和机制发动等实际操作，提高了数控车床的实用性能和安全性能。
对于未安装主传动系统的数控车床并不具备以上所说的种种功能，不能对运行的车床的速度进行有效的调整，机床速度的变化主要是以机床运行主轴的齿轮设备速度调整装置完成的，除此之外还应该从刀架的主轴方向、车床运行的动力运输来源等角度进行综合性的考虑，所以相对而言主轴方向和速度变化运行程序难度系数更大。
大型多挡无级调速数控车床主传动系统设计分析
118研究与探索Research and Exploration ·工艺流程与应用中国设备工程 2023.08 （下）下，一般不使用大功率的交流无级调速主轴电机，也可以不使用串联分级变速机构以及增多恒转矩区转矩，结合实际的设计需要，可以选择交流无级调速主轴电机，选择任意一种传动方案，都能实现对高速专能化数控机床传动的无级调速效果。
1.1 选择内装式主轴电机内装式主轴电机，即主轴箱和电机是一体式的，电机转子即为主轴，主轴是中空状态的，顶部以标准结构为主，这对于卡盘和刀具安装有一定帮助，电机座采用的是主轴箱体，能够在床身安装。
此外，这类主轴电机并无其他的中间传动件，整体结构比较简单，传动精度以及机械效率也更高。
主轴实际工作转速要比电机的基本转速小，这类机床恒功率区变速范围不大，一般在3～5，内装式主轴电机可以达到其功能要求。
现阶段，国外相关数控机床以及加工中心主轴的最大转速接近几万转，其转速大致为50000～60000r/min。
在我国，因为刀具技术发展水平还有一定差距，最高转速只能达到50000r/min，通常转速在35000r/min，但是，目前我国已经有成套的设备生产和供应。
1.2 选择输出转换型主轴电机这类电机具有变频调速功能，还能进行绕组分档变速切换操作，有效扩大电机本身调速范围以及恒功率区调速范围，这样可以有效满足机床主轴较大变速范围的要求，如果电机输出轴和机床主轴间同多联V 型带或齿型带降速传动，则可以达到低速增转矩效果。
现阶段，皮带传动小型机床转矩能够达到245N·m,中型和大型机床转矩范围分别为490N·m 以及780～1200N·m。
主轴系统和进给系统之间差别较大。
结合机床主传动工作特点，早期机床主轴传动都以三相异步电动机加多级变速箱结构为主。
当前技术发展加速，机床机构也在不断调整和改进，对于主轴系统的要求也在不断提升，提升后的主轴系统的应用范围也更广。
机床传动系统的设计与优化
机床传动系统的设计与优化一、引言机床作为加工制造业的重要工具，是实现产品加工的重要设备。
机床传动系统是机床的核心部分之一，是完成机床运动轴的传动、定位、调速、反转等运动的基础。
因此，机床传动系统的设计与优化对于提高机床性能、提高机床加工精度和效率，具有重要的意义和作用。
本文将从机床传动系统的设计和优化两个方面出发，简要介绍机床传动系统的各个部分，重点分析机床传动系统的设计和优化技术。
二、机床传动系统的结构组成机床传动系统是由电机、传动方式、传动元件三部分组成。
1、电机电机是机床传动系统的动力源，机床的运动轴能否稳定地运行受到电机的直接影响。
机床使用的电机种类包括交流电机、直流电机、步进电机等。
在选择电机的时候，需要注意电机的输出功率和转速是否满足要求。
2、传动方式传动方式主要包括皮带传动、齿轮传动、减速机传动和直接驱动等。
传动方式的选择取决于机床的具体应用领域和要求。
在传动方式的设计时，需要注意传动效率和传动精度。
3、传动元件传动元件包括齿轮、联轴器等。
齿轮是机床传动系统中最重要的传动元件，同时也是机床传动系统中最容易发生故障的元件之一。
在传动元件的设计时，需要注意精度、材质、加工工艺等因素对机床传动系统的影响。
三、机床传动系统的设计技术机床传动系统的设计技术主要包括传动比设计、齿轮设计、传动方式设计和动力匹配等。
1、传动比设计机床传动系统的传动比是通过各个传动元件的齿轮和轴承组成的。
传动比的选择与机床的具体应用领域和要求有关。
在传动比的设计时，需要注意传动比的合理性和成本因素。
2、齿轮设计齿轮是机床传动系统中最重要的传动元件之一，其设计直接关系到机床的传动精度和效率。
齿轮设计需要考虑齿轮尺寸、齿轮几何形状、齿轮圆弧轮廓、齿轮精度等因素。
同时，齿轮材料和制造工艺的选择也是齿轮设计时需要注意的问题之一。
3、传动方式设计传动方式的选择需要考虑传动效率和传动精度，同时也与机床的具体应用领域和要求有关。
数控机床变速箱设计与运行分析
数控机床变速箱设计与运行分析1. 引言数控机床是现代制造业中必不可少的设备，而变速箱作为数控机床的核心部件之一，在机床的运行过程中扮演着重要的角色。
本文将对数控机床变速箱的设计与运行进行分析，探讨其对机床性能和精度的影响。
2. 数控机床变速箱的设计原理2.1 变速箱的结构数控机床变速箱通常由齿轮、轴承、轴等部件组成。
齿轮的选择和布局是变速箱设计的关键，其可以通过不同齿轮的组合实现不同的速度变换。
2.2 变速箱的传动原理数控机床变速箱采用齿轮传动的方式实现运动传递。
不同组合的齿轮可以实现不同的传动比，从而实现机床主轴的不同速度和转矩需求。
3. 数控机床变速箱设计的关键技术3.1 齿轮的选材和加工工艺齿轮是数控机床变速箱的核心部件，其选材和加工工艺直接影响着变速箱的运行性能和寿命。
合理选择材料和采用精密加工工艺可以有效提高齿轮的强度和耐磨性。
3.2 变速箱的布局和优化设计变速箱的布局和设计对机床性能和精度具有重要影响。
通过优化设计齿轮布局、减小齿轮间的传动误差和提高传动效率，可以进一步提高机床的加工精度和稳定性。
4. 数控机床变速箱运行分析4.1 变速箱的工作环境和要求数控机床变速箱在工作过程中面临着高速旋转、大负荷和连续工作等环境要求。
因此，变速箱的设计需要考虑传动效率、噪音和热量等问题，以确保机床的稳定运行和长寿命。
4.2 变速箱运行中的故障分析与处理数控机床变速箱在长时间运行中可能出现齿轮断齿、轴承损坏等故障。
及时发现并处理这些故障是保证机床正常运行的关键。
通过振动监测和润滑状态检测等手段，可以提前发现故障并进行维修。
5. 结论数控机床变速箱设计与运行分析对机床性能和精度具有重要影响。
合理的变速箱设计和优化运行分析可以提高机床的稳定性、加工精度和寿命。
在未来的发展中，需要进一步研究和优化变速箱的设计和运行，以满足不断提高的制造需求。
关于数控机床主轴结构的改进设计
关于数控机床主轴结构的改进设计
数控机床主轴结构是数控机床的关键部件之一，其性能直接影响到机床的加工精度和
加工效率。
针对传统数控机床主轴结构存在的问题，如转动精度低、刚性不够、加工效率
低等，需要进行改进设计。
可以采用高精度轴承来提高主轴的转动精度。
传统的数控机床主轴常采用普通轴承，
其转动精度受到轴承自身的限制。
而高精度轴承具有更好的精度和刚度，能够大幅度提高
主轴的转动精度。
可以考虑采用陶瓷轴承、磁悬浮轴承或者超精密轴承等高精度轴承来替
代传统的普通轴承。
可以采用优化的主轴结构来提高主轴的刚性。
传统的数控机床主轴结构多为采用进给
轴和回转轴串联的结构，刚性较差。
改进设计可以考虑采用进给轴和回转轴并联的结构，
或者采用短连接结构，提高主轴的刚性。
可以增加主轴的直径，提高主轴的刚性和承载能力。
可以采用高速主轴设计来提高机床的加工效率。
传统数控机床主轴转速较低，加工效
率有限。
改进设计可以采用电主轴、液压主轴或者电液混合主轴等高速主轴设计，提高主
轴的转速和加工效率。
还可以采用主轴冷却系统来控制主轴的温度，提高主轴的稳定性和
使用寿命。
为了提高数控机床的稳定性和可靠性，可以采用主轴预紧力调节装置。
通过对主轴预
紧力的调节，可以减小运动中的轴向游隙，提高传动精度和位置精度。
通过对数控机床主轴结构进行改进设计，可以提高主轴的转动精度、刚性和加工效率，进而提高机床的加工精度和加工效率。
这对于满足现代制造业对高精度和高效率加工的需
求具有重要意义。
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计算机工程应用技术本栏目责任编辑：梁书数控机床主传动多档变速传动比优化设计研究王东（重庆工贸职业技术学院，重庆408000）摘要：分析数控机床主传动多档变速转速图和产生功率缺口的原因，以转速范围重叠最少为目标建立了数控机床主传动系统不产生功率缺口的数学模型求解多档变速传动系统的传动比参数。
以XH718立式加工中心主传动系统多档变速传动比分配为例，应用LINGO 软件对模型求解，验证了该模型的正确性。
关键词：数控机床；主传动；功率缺口；LINGO 中图分类号：TP391文献标识码：A 文章编号：1009-3044(2016)35-0267-03Study on Optimal Design of Multi-gearTransmission Ratio in the Main Drive of CNC Machine WANG Dong(Chongqing Industry ＆Trade Polytechnic,Chongqing 408000,China)Abstract:This paper has analyzed the reasons that are the main drive multi-gear variable speed graph of CNC machine and gen-erate power gap,established a kind of mathematical model,that is the main drive system of CNC machine can`t produce powergap,can solve the transmission ratio of multi-gear transmission system.As the sample of XH718vertical machining center main transmission system multi-gear transmission ratio distribution,verify the correctness of the model by using LINGO software ap-plication.Key words:CNC machine;main drive;power gap;LINGO数控机床主传动系统一般采用齿形同步带联接、电机直联主轴联接和齿轮变速箱联接等方式。
在大中型机床中，为了获得较大的恒功率范围和低速大扭矩一般采用齿轮变速箱联接实现分段无级变速，若参数选择不当，通常会产生一定转速范围内的功率损失现象，即功率缺口，在功率缺口转速范围内，主轴电动机功率无法达到其额定功率，输出扭矩也会急剧减小，因而功率缺口的大小直接影响主轴的机械特性。
1主传动系统出现功率缺口的原因及常规判定有无功率缺口的方法主传动系统出现功率缺口的根本原因是高速档额定转速大于了低速档的最高转速，导致实现无级变速时转速处于低速档最高转速到高速档额定转速之间的转速范围，需要让电机转速下降至电机的额定转速以下来满足无级变速的要求，而主轴电机的特性是额定转速以下为恒扭矩区，功率线性上升（见图1），从而出现在这一转速范围内，电机功率无法达到最大而出现了功率缺口。
如图2所示：图1功率扭矩图图2两档变速各档位功率转速图为保证设计的系统无功率缺口，通常需要保证高速级与低速级速比设定为：收稿日期：2016-11-05基金项目：重庆工贸职业技术学院科研项目：ZR201607作者简介：王东（1981—），男，工学学士，机械工程师，讲师，研究方向：机电一体化技术。
267DOI:10.14004/ki.ckt.2016.5006本栏目责任编辑：梁书计算机工程应用技术Computer Knowledge and Technology 电脑知识与技术第12卷第35期(2016年12月)低速级时的最高转速高速级时的最高转速=电机额定转速电机最高转速=13~14如若系统的速比无法满足，则系统会出现功率缺口，此时需要增加中速级，而往往中速级使用测试法进行选择，导致转速范围有部分重叠。
2主传动多档变速不产生功率缺口数学模型的建立根据主传动系统出现功率缺口的原因可知，要确保主传动系统无功率缺口，需要保证在转速图中（图3），高档位额定转速低于低档位最高转速，故可选择低速档最高转速与高速档额定转速之差最小为目标函数，传动系统机械和几何尺寸要求为约束进行建模以求得各传动参数。
由于在数控机床转速范围较宽情况下，一般采用高中低三档变速，故在此以三档变速为研究对像进行数学模型的建立。
图3转速图从图3可知，若要传动系统无功率缺口，需要保证：中档额定转速小于低速档最高转速即：n 2<n 4(1)高档额定转速小于中档最高转速，即：n 3<n 5(2)故目标函数可以确定为：min =n 4-n 2+n 5-n 3同时式(1)和式(2)作为目标函数的约束以保证转速范围重叠最小和无功率缺口。
由系统的机械结构、几何尺寸和设计要求，需要增加以下约束：根据结构和尺寸可以确定各传动齿轮副的齿数，即：z 1+z 2=p 1z 3+z 4=p 2z 5+z 6=p 2z 7+z 8=p 2其中：z i i =1,2,z i ∈z 电机轴初次减速齿轮副齿数；z i i =3,4,…,8,z i ∈z 低中高档减速齿轮对的齿轮副齿数；p 1为将机轴初次减速齿轮副的齿数和()可根据中心距换算。
p 2低中高档减速齿轮副的齿数和()可根据中心距换算。
根据渐开线齿轮的要求和实际的需要，需要保证各齿轮齿数的最小值，即：z i >k i i =1,2,…,8k i 表示各齿轮应达到的最小齿数保证系统的主轴额定转速满足设计需求和达到设计要求的最高转速：|n 1-n drated |<c 10<n 6-n d max <c 2其中：n drated 为设计的主轴额定转速；n d max 为设计的主轴最高转速；c 1为设计的主轴额定转速与计算出的额定转速之允差，常数，可根据实际情况适当调整；c 2为设计的主轴最高转速与计算出的最高转速之允差，常数，可根据实际情况适当调整；最终得到如下数学模型：min ：n 4-n 2+n 5-n 3s .t .n 4=n max z 1z 2∙z3z 4n 2=n e z 1z 2∙z 5z 6n 5=n max z 1z 2∙z5z 6n 3=n e z 1z 2∙z 7z 8n 2<n 4n 3<n 5z 1+z 2=p 1z 3+z 4=p 2z 5+z 6=p 2z 7+z 8=p 2z i >20i =1,3,5,7|n 1-n drated |<c 10<n 6-n d max <c 2z i ∈z ,i =1,2 (8)3案例应用3.1设计原始数据某公司XH718立式加工中心，主轴电机为FANUC α15电机，要求采用齿轮变速箱实现多档变速，提高扭矩，无功率缺口，主轴额定转述180rpm ，最高转速3600rpm ，其电机轴通过一对齿轮减速后传递到滑移齿轮轴进行换档调速，其齿轮模数为4，中心距分别为：152mm （电机轴与滑移齿轮轴）和190mm （滑移齿轮轴与主轴）。
求各档位传动参数。
3.2模型参数确定根据设计原始数据可知：FANUC α15电机，额定转速1500rpm ，最高转速7000rpm ，故n max 取5000rpm （电机最高转速为7000rpm ，考虑齿轮最高线速度限制，最高使用5000rpm ），n e =1500rpm ,p 1=76mm ,p 1=95mm ，主轴设计的额定转速和最高转速分别为n drated =180rpm 和n d max =3600rpm ，一般应首先满足额定转速，所以在此取c1=5,c2=100,即，计算出来的参数保证额定转速和设计要求额定转速相差最多为5rpm ，而最高转速的误差为0~100rpm 。
3.3求解及结果分析LINGO 软件是美国Lindo 公司推出的求解最优化问题的专业软件包，在求解各种大型线性非线性和整数规划方面有明显的优势，LINGO 软件内置建模语言，提供几十个内部函数，从而以较少语句较直观的方式描述较大规模的优化模型而且软件运行速度快，计算结果准确，可以方便地从其他软件获取数据，是解决优化问题的最佳选择。
在本例中，根据所建立的数学模型，代入相关参数，按照LINGO 软件特定的语法进行编程计算268计算机工程应用技术本栏目责任编辑：梁书Computer Knowledge and Technology 电脑知识与技术第12卷第35期(2016年12月)求解，其结果如下：图4LINGO计算结果图5XH718主传动转速图从图4可以看出：转速重叠:295转;主轴额定转速：n drated =181rpm;主轴最高转速：n d max =3686rpm;电机轴减速齿轮齿数比：z1z 2=2056;低档齿轮齿数比：z3z 4=2471;中档齿轮齿数比：z5z 6=3758;高档齿轮齿数比：z7z 8=6431;从图五可以看出，计算结果满足设计要求，主轴额定转速181rpm ，最高转速3685rpm ，在主传动变速范围内无功率缺口，转速重叠范围295转，是满足设计要求且重叠最少的方案。
计算出的最高转速比设计要求高85rpm ，可通过电气参数设置，将最高转速限制在3600rpm 。
4结语本文以数控机床主传动转速范围重叠最小为目标函数，机械结构和几何要求为约束建立了数控机床主传动不产生功率缺口的数学模型，能够有效方便快速求得各齿轮的齿数和各档位速度，并可推广应用到不同档位数的传动系统设计。
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