数控机床主传动齿轮变速机构及工作原理

数控机床主传动齿轮变速机构及工作原理

为简化数控机床齿轮变速机构，现以沈阳机床股份有限公司沈一车床厂的电磁离合器变速机构为例，说明其结构设计及工作原理。

标签：电磁离合器;变速机构;传动比;扭矩;装配与调整

现有数控机床的齿轮变速操纵机构基本有以下三种形式：

（1）手动操纵机构。

（2）液压变速机构。

（3）电磁离合器变速机构。

其中第三种电磁离合器变速机构是属于我厂的发明专利，跟原始的手动操作机构和复杂的液压变速机构相比较，其结构简单、制造成本低、使用方便、灵活性好，具有很好的市场竞争力和广泛的应用前景。

1 电磁离合器变速机构的结构设计及工作原理

CAK6150主轴电磁离合器变速机构

上图为CAK6150主轴电磁离合器变速机构简易图，其基本结构是由：

（1）螺母（2）螺杆（3）电磁离合器（4）主轴（5）平衡杆（6）拨叉（7、8）双联组合齿轮（9）花键轴等组成。

它的基本工作原理是当给数控系统输入代码换档指令，系统通过对输入指令的处理后，给变频器输出一个较小的模拟电压而带动主电机正转或者反转，主电机通过皮带轮把动力传给主轴（4），此时只要离合器（3）吸合，便可把主轴（4）的动力传给螺杆（2），螺杆（2）的正反转可以带动与其配合的螺母（1）来回移动，镶嵌在螺母（1）上的拨叉（6）就可以带动双联齿轮（7、8）在花键轴（9）上来回移动，双联齿轮与其它轴上的齿轮相啮合，形成不同的传动比，以达到主轴变档变速的目的，在主轴变速过程中，我们可以利用平衡杆（5）上装有的接近开关检测双联齿轮（7、8）是否到达我们所需要的正确位置，换挡完成后，双联齿轮和拨叉之间不能粘连在一起，应有一定的间隙，装配时需要满足工艺要求。

2 实现主轴电磁离合器变速（换挡）应具备的条件

（1）电磁离合器在吸合时其吸盘转矩需大于阻力矩（阻力矩是由螺杆与螺母和拨叉以及双联齿轮在花键移上移动时相加后力矩之和），否则主轴无法实现变速（变档），下面用扭矩与时间的关系来说明这一重要原理。

横坐标表示主轴换档的积累时间t，纵坐标表示扭矩T，Td表示离合器吸合时的转矩，Tr表示阻力矩，属于合成的等效力矩。

由图可知，离合器吸合时的转矩Td随着时间的推移而逐渐减小，因为离合器由于经常做吸合、断开的动作，再加上电磁铁磁力的慢慢消退，所以转矩Td 随着时间的推移而逐渐减小；阻力矩Tr随着使用时间的增加先呈减小的趋势而后又逐渐增大，因为前期阻力矩处于磨合阶段，由于加工零件、装配的误差，螺母和螺杆以及双联齿轮和花键之间存在着磨粒，阻力较大，阻力矩Tr也就相对较大，但磨合期过后，阻力会减小，阻力矩Tr自然会随使用时间的增加而减小，但随着机床的长期使用，螺母和螺杆之间的磨损过大反而会引起阻力的增大，当

到达时间t0时，Td=Tr，此时不再具备换档的条件。

所以我们得出主轴电磁离合器变速（换挡）应具备的最重要也是最基本的条件Td>Tr。

此结论可以用来诊断电磁离合器无法换挡的依据，以便供机床维修工快速找到故障原因。在实际生活中，电磁离合器变速机构动作时，其扭矩的大小主要取决于阻力矩的大小。

扭矩与时间关系图从扭矩与时间关系图也反映出主轴换档时各个部件的使用情况和离合器的使用寿命。

（2）离合器与吸盘之间吸合时的有效间隙是0.30~0.50mm，装配时，需用0.40mm的间隙隔套来调整，若间隙小于0.30mm时，主轴高速旋转时容易把当前的齿轮档位换成另一档位（主轴把动力传给操纵轴，螺母通过拨叉把双联齿轮拨到传动轴的其它位置）即我们所说的齿轮联动，造成齿轮打齿，若间隙大于0.50mm时，离合器不吸合，无法传动动力，不能实现主轴变速（变档）。

（3）螺母与螺杆之间的是通过螺纹连接的，其配合间隙不宜过小，否则会增加拨叉扭矩，组合齿轮无法在花键轴上来回滑动，如果间隙过大，有效扭矩不能很好的传给拨叉，检验此部件安装是否合格的方法如下：

在离合器失电的情况下，用手盘动螺杆2，使螺母带动拨叉在花键轴上来回移动，组合齿在轮移动的过程中，可以感受一下盘动力是否过大或者过小，其扭矩经验值不应大于10NM，若不符合要求，应该检查螺杆或者螺母是否为合格件，安装是否符合装配工艺要求。

（4）双联齿轮在花键轴上来回滑动性要良好，如果双联齿轮与花键轴配合过紧，会增大拨叉扭矩，主轴无法完成变速（换挡）。

（5）齿轮在齿侧倒角要倒成半圆弧形状，以免齿轮在变档时啮合错位，或者主轴旋转时，齿轮间互相碰撞。

但由于零件加工时，主轴箱孔存在误差，装配时螺母与螺杆的配合存在间隙误差，拨叉与螺母的垂直度误差等误差积累，都会造成主轴变档失灵、主轴变档超时，即前面所提的离合器的转矩小于拨叉的扭矩，要想实现主轴的顺利变档，各组件的加工精度和装配工艺都是至关重要的。

3 结语

电磁变速机构与手动操作机构相比较，可以实现自动编程变档，同时具备与目前数控机床上普遍采用的液压操纵机构完全等效的功效，但却不需要复杂的液压控制系统的支持，它没有独立驱动机构而是利用主传动电机驱动，这样就大大节约了成本，可在数控机床主传动齿轮变速的机构中广泛运用，此变速机构虽采用了电磁离合器来接通或断开变速轴的运动，但它不参与主动力的传动，所以电磁离合器的规格很小，一般仅为10NM。此变速机构利用主传动电机带动螺杆变速，在变速过程中被操纵的齿轮也在慢速旋转，将方便滑移组合齿轮在变速过程中推入到正确位置上，避免出现齿轮相顶的现象，齿离合器的吸合和分离的不同组合来改变齿轮的传动比，以达到主轴变速的目的。

参考文献

［1］饶军,田宏宇.数控机床与数控技术［M］.北京:北京希望电子出版，2006.

［2］谭庆昌,赵洪志.机械设计［M］.吉林：吉林科学技术出版社，1999.

［3］陶维利.机床电气与PLC.西安：西安电子科技大学出版社,2005.

注：“本文中所涉及到的图表、公式、注解等请以PDF格式阅读”