惯量匹配在改善数控龙门镗铣床性能中的作用

时间：2025-07-08

惯量匹配在改善数控龙门镗铣床性能中的作用

朱德志刘洪亮

（济南二机床集团有限公司数控机床公司，山东济南２５００２２）

摘要：ＸＫ２１３０数控龙门镗铣床加大滑枕铣头减速箱输出轴与主轴间的惯量轴直径。ｘ轴进给由单电动机

驱动改为双电动机驱动。实施后整机性能明显改善。

关键词：惯量匹配数控龙门镗铣床性能

ＦｕｎｃｔｉｏｎｏｆｌｎｅｒｔｉａＭａｔｃｈｉｎｇｉｎＩｍｐｒｏｖｉｎｇｔｈｅＰｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ

ＯｆＣＮＣＧａｎｔｒｙ—ｔｙｐｅＭｉｌｌｉｎｇＭａｃｈｉｎｅ

ＺＨＵＤｅｚｈｉ，ＬＩＵＨｏｎｇｌｉａｎｇ

（ＣＮＣＭａｃｈｉｎｅＣｏ．。ＪＩＥＲＭａｃｈｉｎｅＴｏｏｌＧｒｏｕｐＣｏ．，Ｌｔｄ．，Ｊｉ’ｎａｎ２５００２２，ＣＨＮ）

众所周知，现代数控机床技术普遍向高速、精密的

方向发展，运动的物体具有惯量。高速运动物体的惯

量对整个系统的动态特性影响很大。机械传动部件的（３）由于惯量轴是一个较大的集中质量，合理设置惯量轴可以改善传动系统的质量分布，使传动系统避开扭振固有频率，防止共振，以保证主传动系统运转

的平稳性。惯量不仅决定了其本身的谐振频率，而且影响电动机

的谐振频率和动态特性。受传统低速机床设计思维定

势的影响，人们在数控机床设计中往往只重视转矩

（功率）匹配，而忽视惯量匹配，以致严重影响整机性

能，使数控机床不能适应高速精密加工的要求。数控

龙门镗铣床主传动系统与进给伺服系统的惯量匹配需

要深入分析区别对待。

Ｉ主传动系统

数控龙门镗铣床不同于车床、钻床、导轨磨床等数

控机床，在铣削过程中每个刀齿切人和切离工件时对

切削系统都是一次激振，而且在这个过程中同时工作

的刀齿数目的增减、每个刀齿切削厚度的变化、材料硬

度变化、主轴部件不平衡、主轴轴承缺陷都将使切削力

发生脉动，故在铣削过程中容易产生冲击和振动现象。

当主轴达到某一转速，激振频率与固有频率相等时会图１主传动系统示意图

发生共振。其结果，轻者影响到加工精度和表面质量，

严重者则会破坏刀具或主轴部件中的传动件，使加工

无法进行。因此，主传动系统设计不只要求具有一定

的静刚度，而且要求具有足够的抑制各种干扰力引起

振动的能力。为此，在滑枕铣头减速箱输出轴与主轴

间设置惯量轴（如图ｌ所示）。其作用是：

（１）降低主轴转速的波动，减小传动冲击，提高铣

削表面质量和铣刀寿命。

（２）惯量轴具有储存和释放能量的功能，当电动

机过载时可释放能量使机床短时继续工作。惯量轴对主传动系统的作用是通过其回转动能表现出来的，而其回转动能与惯量轴本身的转动惯量及旋转角速度有关。因此在设计惯量轴时应使其直径尽量大，其质量分布尽可能远离中心线，采用空心轴。因此，我们加大惯量轴直径，对惯量轴严格动平衡。实施后主传动系统性能改善，铣削工件表面粗糙度值明显减小。２２．Ｉ进给驱动系统转矩匹配

惯量匹配在改善数控龙门镗铣床性能中的作用

设计与研究ＤｅｓｉｇｎｏｎｄＲｅ洲ｃｈ

选择伺服电动机时，最大切削负载转矩不得超过求过渡过程时间要短，一般应小于２００ｍｓ，甚至小于电动机的额定转矩。折算至电动机轴的最大切削负载几十毫秒；另一方面，为了满足起调要求，要使过渡过转矩丁为：程的前沿陡，亦即上升率要大。

ｒ＝（警＋‰＋％）ｐＦＰ．要想提高系统的快速响应特性，首先必须提高机

（１）

二’兀＋７，械传动部件的谐振频率，即提高机械传动部件的刚性

式中Ｆ。。；——滚珠丝杠上的最大轴向载荷，等于进和减小机械传动部件的惯量。其次，通过增大阻尼压

给力加摩擦力，Ｎ低谐振峰值也能给提高快速响应特性创造条件。

Ｐ。——丝杠导程，ｍ上世纪８０年代以后，交流伺服电动机的材料、结’７——滚珠丝杠的机械效率构、控制理论及方法均有了突破性进展，它没有电刷，

‰——因滚珠丝杠螺母预加载荷引起的附加机械结构简单。它与直流伺服电动机相比的优点是：

摩擦力矩，Ｎｍ寿命长，故障少，易维护，应用环境不受限制；允许的转

％——滚珠丝杠轴承的摩擦力矩，Ｎｍ速高；功率质量比大，同规格的尺寸、体积较小，成本弘——伺服电动机至丝杠的传动比低。加速性能好，速度和转矩响应快。因此有取代直