现代加工中心的主传动系统设计


0      引言

现代数控加工中心传动系统的核心是主传动系统,而传统的加工中心主传动采用的是有级传动。技术的升级改良,数控加工中心加工主传动系统也不断优化,实现有级传动向无级传动的转变。时代的发展,数控机床产业的蓬勃发展,意味着机械加工对主轴无级传动系统要求更为多元,机床产品设计理想化的倾向更明显,在进行主传动系统设计时必须对主要技术参数和特性参数进行优化,做好主传动系统的优化研究与设计。现代数控加工中心的主传动系统设计研究具有现实必要性。只有加强其主传动系统的设计优化,才能确保现代数控加工中心的稳定运作。

1      现代数控加工中心主传动系统的构成

现代数控加工中心主传动系统由工作台、滚珠丝杠、联轴器、滚动导轨、伺服电机组件构成,在设计优化中,其智能化趋向更明显,数控加工中心主传动系统智能化设计,通过准确收集实际的数据,建构起专家分析系统,提供设计决策支持,借助计算机编程带动主传动系统的智能化设计。其中机构计算模块是核心,主要负责主传动系统每个零件的分析与计算,为系统自动化运作提供支持。而唯一参数变量区域主要存储于系统计算各个变量之中,为了确保系统计算的准确性。而专家系统主要服务于设计过程中的智能化决策。例如计算方程式的选择,计算参数的明确,计算结果的精准分析与校对等,对应的是结果输出和分析模块、用户操作界面等都是现代数控加工中心主传动系统与用户信息交流的界面。

具体来说,现代加工中心主传动系统的设计是分析计算及综合决策的过程,其主要负责两项工作,分别是数值的计算和分析决策。本质上,现代数控加工中心的主传动系统是小型的专家系统。而其对应的两大功能主要由知识库和推理机完成。首先来说知识库,其存储着专门性的知识, 分事实和规则两部分,现代数控加工中心主传动系统中的知识库知识既可以以数据库形式独立出现,也可以与其他的推理规则融合于程序源代码展现。功能型知识和性能表述知识存储在数据库中,对应系统结构,有工作数据表、滚珠丝杠数据表、联轴器数据表、滚动导轨数据表、滚珠丝杠惯量数据表和电动机数据表。该部分知识主要基于机床通用零件部件规格。而以程序源代码形式存放的知识,重点是传动机构部件计算过程中计算公式中的参数,该部分知识具有零散和多元性的特点,这意味着其参数的整理和有效归类具有难度。因此其被放置在程序源代码中。其次是另一构成推理机。推理机顾名思义就是开展正向推理的。系统能基于用户的信息需求,积极寻找知识库中与之对应的规则,如果匹配成功,则该知识元的结论部分作为中间结果,中间结果重复知识库规则匹配,直到找到最后的结论。知识存放方式的差异,对应的推理机推理手段也有差异。存储于数据库中的知识,必须进行数据的交换与协调,当前应用比较成熟的是微软公司的应用程序接口,主要负责关系和非关系数据库的数据的访问。应用程序接口也是当前数据库操作最为有效和直接的办法。

2     高低档两断变速传动系统的计算与分析

现代数控加工中心主传动系统有高低档变速之分,但其分析计算是一致的。在进行现代数控加工中心机床产品设计时, 一般是基于产品定位、产品用途、产品技术需求等要素进行综合性的判断与分析,确定主电机的功率及额定转速, 明确主传动系统主轴转速最高值和最大扭矩参数,这些参数和结构参数进行作为下一步结构设计的参考。因为采用两档传动方式,会出现一定速度范围内功率损失的现象, 产生功率缺口,我们无论是高档还是抵档的运作都要关注功率缺口的问题。低档减速比计算公式为:i1=Mm/μMd0。其中:i1 是低档减速比,Mm 是主轴最大扭矩,Md0 是主电机额定扭矩,μ 是传动机构机械效率。高档减速比计算公式为:i2=nsm/nm,其中 i2 是高档减速比,nsm 是电机使用最高转速。nm 是主轴最高转速。参数的有效分析与确定。通过低档减速比和高档减速比计算公式的分析,我们接下来要做好参数的综合分析与确定工作。通过公式我们可以看出各技术参数的内在关系,其主要服务于设计参数选择,技术特性分析,结构设计和分析。在参数分析与确定上,低档减速比对机械特性的影响明确是第一步。可以看出低档减速比计算公式,取决于主轴和电机的最大扭矩。主轴扭矩和低档减速比呈正相关关系。而低档减速比与主轴额定转速呈负相关关系,低档减速比增大,功率缺口加大,因此我们建议选择较大的低档减速比,可以确保较大的主轴最大扭矩和恒功率范围的取得,但大不能太大,规避功率缺口损失。正常情况下,现代数控加工中心主传动系统低档减速比控制在 3.5-5 更理想,并且要具体情况具体分析。第二步是高档减速比对机械特性影响的明确。我们认为高档减速比与功率损失存在负相关关系。当高档减速比增大,而功率缺口转速下降,一般认为高档减速比有利于机械良好特性的保持。但是有特殊情况,当主轴最高转速在一定的情况下,高档减速比增大,那么电机使用最高转速也非常大,选择多大的最高转速依然要根据实际情况分析判断。建议选择高档减速比为 1-1.5,其经济性能最优。第三步是功率缺口的分析。当明确了主传动系统主轴的最高转速和高低档减速比的关系后,大的高档减速比和小的低档减速比功率大,功率缺口小。而高档减速比对机械结构稳定性和加工精确度要求高,低档减速比小也会导致主轴最大扭矩和恒功率范围的缩小,不利于数控加工中心正常作业。如何处理这一矛盾问题,我们可以尝试加大主电机的额定功率,降低功率损失,带来加工成本的提升。所以在多数情况下,我们是允许有功率缺口与的,但要控制在合理范围内。一般建议控制在 1.2-1.5 之间,特殊情况下可以特殊对待,适当调整。

3  结束语

数控加工中心在机床产品设计及数控加工等方面发挥重要作用,而数控加工中心功能的发挥主要在于主传动系统的设计优化。加强对数控加工中心主传动系统的优化研究,基于当前更趋明显的智能化设计倾向,做好其智能化的设计优化,在此基础上重点就高档和低档减速比对机械运作的影响分析,在明确低档减速比与功率缺口的正相关关系和高档减速比与功率缺口的负相关关系的基础上,就数控加工中心主传动高低档减速比的控制提出了有效建议,将作为后期现代数控加工中心主传动系统设计优化的参数参考,推动数控加工中心主传动系统的性能提升和优化。



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