C618数控车床的主传动系统设计

第四章 主传动部分改造与设计

在改造设计之前，让我们先来看一下数控机床主传动与普通机床相比所具有的特点： 1）采用调速电机驱动，以满足主轴根据数控指令进行自动变速的需要； 2）传动路线短，从而简化了主传动系统机械结构； 3）转速高、功率大；

数控机床的主传动系统除应满足普通机床传动要求外，还应满足如下要求： 1具有更大的调速范围，并实现无极调速。 数控机床就要为了保证加工时能选用合○

理的切削用量，充分发挥刀具的切削性能，从而获得最高的生产效率、加工精度和表面质量，必须有更高的转速和更多的调速范围。为了适应各种工序和各种加工材质的要求，主运动的调速范围还应进一步扩大。

②具有较高的精度和刚度，传动平稳，噪声低。 数控机床加工精度的提高，与主传动系统的刚度密切相关。为此，应提高传动件的制造精度与刚度，齿轮齿面进行高频感应加热淬火增加耐磨性；最后一级采用斜齿轮传动，使传动平稳；采用高精度轴承及合理 的支承跨距等，以提高主轴件的刚性。

③具有良好的抗振性和热稳定性。 数控机床上一般既要进行粗加工，又要精加工；加工时可能由于断续切削、加工余量不均匀、运动部件不平衡以及切削过程中的自激振动等原因引起的冲击力或交变力的干扰，使主轴产生振动，影响加工精度和表面粗糙度，严重时甚至破坏刀具和或零件，使加工无法进行。因此在主传动系统中的各主要零部件不但要求有一定的静刚度，而且要求具有足够的抑制各种干扰力引起振动的能力——抗振性。抗震性用动刚度或动柔度来衡量。如果把主轴组件视为一个等效的单自由度系统，则动刚度kd与动力参数的关系为：

??? kd=k?1???????n????2?????2?????n??2??? (4-1) ?2式中: k—机床主轴结构系统的静刚度（N/?m）；

； ?—外加激振力的激振频率（Hz）

?n—主轴组件的固有频率（?n=

k，m为当量质量，k为当量静刚度）； m?—阻尼比（?=

?，?是阻尼系数，?c是临界阻尼系数，?c=2m?n）。 ?c由上式可见，为提高主轴组件的抗震性，须使kd值较大，为此应尽量使阻尼比、当量刚度值或固有频率的值较高。在设计数控机床的主传动系统时，要注意选择上述几个参数的合理关系。

一、 主传动部分改造方案拟定和设计的内容

异步电动机的调速方法有变频调速、变极调速、辩转差调速三种。异步电动机的转速公式为

ni=

60f1 p从该公式中可以看出，若均匀地改变电源的频率f1，就可以连续地改变电动机的同步转速。这种调速方法称为变频调速，它完全不同于其它的调速方法。改变异步电动机的磁极对数调速的方法称为变极调速。改变电动机转差率的调速方法称为变转差率调速。

表4.1 异步电动机各种调速方法性能指标的比较

项 目 是否改变同步转速

变

变

变 频 变 极 转子串电阻 不 变

调 速 方 法 变 转 差 率 串极调速 不 变

调压调速 不 变

电磁调速电机 不 变

静差率 小 （好）

小 （好） 较小 （2—4） 差（有级调速） 恒转矩 恒功率 少

大 （差） 小 （2） 差 （有级调速） 恒转矩 少

小 （好） 较小 （2—4） 好（无级 调速） 恒转矩

较 多

开环时大 闭环时小 闭环时 较大 好（无级 调速） 通风机 恒转矩 较 少

开环时大 闭环时小 闭环时 较大 好 （无级调速） 通风机 恒转矩 较 少

调速范较大（10以上） 好（无级调速） 恒转矩 恒功率 多

调 围（D） 速 调速平指滑性 标 适应负 载类型 设备 投资 电能 损耗

较 小 小 大 较 小 大 大

异步电动机变频调速有调速范围广、平滑性较高、机械特性较好的优点，可以方便地实现恒功率或恒转矩变速，整个调速特性与直流电动机调压调速和弱磁调速十分相似，并可与直流调速相媲美。目前变频调速已成为异步电动机最主要的调速方法。通过上序的比较本课程设计中电动机的调速方法采用变频调速的方法。

改换主轴电动机，换成调速电动机.通过对电动机的变频调速控制再加以简单的齿轮调速来实现自动变速，齿轮调速部分用磁离合器控制齿轮啮合。

数控机床主轴变速方式主要有无级调速、分段无级调速和内置电机变速等。在本设计中采用分段无级调速。无级变速能够选用最合理的切削用量，可在运转中变速，操作方便，简化机械结构。无级变速主要是利用直流和交流调速电动机。但直流调速电动机恒功率调速范围很小，一般只有1～2，很少到3～4，且换向有限制，现大多采用交流变频主轴驱动系统。交流变频调速电动机的性能与直流调速电动机类似，在额定转速以下为恒转矩区，在额定转速以上为恒功率区域。一般主轴调速电动机的恒功率调速范围为3～4，对于恒功率变速范围大的主轴传动系统，需要增加变速齿轮，以保证主轴上较大的恒功率范围。考虑本设计机床要求采取交流变频电动机和有级变速箱配合的方案即分段无级变速，主轴的正反转和制动停止，由数控指令直接控制电动机来实现。利用车床的主轴交流异步电动机、

变频器、数控单元ENC构成了变频调速系统。交流电动机的转速n与频率f，电动机的级对数p及转差率s之间的关系为n=60f(1?s)/p,由此可知，改变电源的频率f，即可改变电动机转速，且转速n与频率f成正比。考虑本设计机床的要求，采取交流变频电动机和有级变速箱配合的方案，即分段无级变速。主轴的正、反转和制动停止由数控指令直接控制电动机实现。

如图4-2所示是机床主轴要求的功率特性和转矩特性。这两条特性曲线是以计算转速nj为分界，从nj至最高转速nmax的区域Ⅰ为恒功率区，在该区域内，任意转速下主轴都可输出额定的功率，在该区域内，最大转矩则随主轴转速下降而上升。从最低转速nmin 至nj的区域Ⅱ为恒转矩区。在该区域内，最大转矩不再随转速下降而上升，任何转速下可能提供的转矩都不能超过计算转速下的转矩，这个转矩就是机床主轴的最大转矩Mmax。在区域内，主轴可能输出的最大功率Pmax，则随主轴转速的下降而下降。通常，恒功率区约占整个主轴变速范围的2/3—3/4；恒转矩区约占1/4—1/3。

如图4-3所示是变速电动机的功率特性。从额定转速nd到最高转速nmaxde 区域Ⅰ为恒功率区；从最低转速nmin 至nd的区域Ⅱ为恒转矩区。直流电动机的额定转速常为1000 r/min—1500 r/min。从nd至nmax用调节磁通的方法得到，称为调磁调速；从nmin至nd用调节电驱电压的办法得到，称为调压调速。交流调频电动机用调节电源频率来达到调速的目的。额定转速常为1500 r/min。这两种电动机的恒功率转速范围为2—4；恒转矩变速范围则可达100以上。

图4-2 主轴的功率转矩特性 图4-3 变速电动机的功率特性

所谓分段无级变速就是在交流或直流电机无级调速的基础上配以齿轮变速。它能够实现中、高速段的恒功率传动，低速段的恒转矩传动。在该系统中，主轴的正、反转和制动停止，通过数控指令直接控制电机来实现。主轴的变速则有电动机的无级变速与齿轮的有机变速相配合来实现。

主轴变频调速系统原理图

二、主传动部分改造设计计算

主传动部分改造设计计算包括电动机的设计于选择, 主传动系统分段无级变速传动方案的确定与分析, 数控机床分级变速箱的设计,电磁离合器的设计计算,机床调速电机控制电路图的设计. （一）、电动机的选择

根据原机床参数及要求初选改造后车床主轴变速范围Rn=100，nmax=3000r/min，nmin=30r/min；主传动机械总效率系数η=0.9，最大切削功率为10kw，最小切削功率为3kw。则电机初选功率应为PD>10vkw,根据电机规格，可选用11kw或者15kw的电机。 表格 4。2电机选择两种方案对比

型 号 YP160M2-4 YP160L-4 交 流 主 轴 电 机 PD（kw） RDP 11 15 3 3 NDsmin 450 335 RDT 3.3 4.5 nj 83 112 主 轴 与 变 速 机 构 RnP 30 RnT 3.3 RF 10 i∑ 1/18 22.3 4.5 7.44 1/13.4 2、电机最小输出功率

1）、计算主轴在最底转速达到最小功率是电机应输出的功率

Pdsmin=

Pnmin?=3/0.9=3.3kw (4-2)

2）、算电机实用的最底转速nDsmin（r/min）

由式nDsmin=

Pdsmin?nd (4-3) PD 计算结果 : 11kw的电机为：nDsmin=450r/min （nd=1500r/min）

15kw的电机为：nDsmin=333r/min （nd=1500r/min）

式中：nd---电机的基本转速r/min；

PD---电机额定功率kw。

由此，设计者选用功率为11kw、型号为YP160M2-4的交流调频电机。 （二）、主传动系统分段无级变速传动方案的确定与分析 1、电机额定转速的计算电机的选择 1）、电机额定转矩TDd（N/m）为

TDd=

9550P11?9550D=70N·M (4-4) ?nd15002）、电机最小转矩Tdmin（N·M）

T9550Pdmin=

dn =23.2N·M dMax其中电机最大转速ndmax=4500r/min 3）、电机实用恒转矩区变速范围

RnDT=

dn =3.3 dmin4）、主轴恒转矩区变速范围

RnT=RDT=3.3 (4-7) 5）、电机恒功率区变速范围

RdP=

nmaxn =3 d2、主轴参数计算 1）、主轴计算转速nj

nnj=nmax0.33000min?(n)=30?()0.3=120r/min min302）、主轴恒功率变速范围RnP RnnP=

max3000n ==25r/min (4-10) j1203）、分级变速机构的变速范围RF

(4-5)

(4-6) (4-8) (4-9)RF=

RnpRDP =

25=8.3 (4-11) 3其中：RnP-----主轴恒功率区变速范围

DP

R-----电机恒功率区变速范围

4）、主传动系统总降速比i∑

i∑=

njnd =

120=1/12.5 (4-12) 1500(三)、数控机床分级变速箱的设计 1、数控机床主轴转速自动变换过程

在数控机床上,特别是在自动换刀的数控机床上应根据刀具与工艺要求进行主轴转速的自动变速。在零件加工工程序中用S两位代码指定主轴转速的序号，或用四位代码指定主轴转速的没分钟转数，并且用M两位代码指定主轴的正、反向启动和停止。 采用直流或交流调速电动机的主运动无级变速系统中，主轴的正、反启动和停止制动是直接控制电动机来实现的，主轴转速的变换则由电动机转速的变换与齿轮有级变速机构的变换相配合来实现的。机床主运动变速系统中主轴的转速n是如何由电动机的转速、齿轮有级变速级数相配合来实现的，为了获得主轴的某一转速必须接通相应的有级变速级数和电动机的调压转速nY或调磁转速nC。理论上说电动机的转速可以无级调速，但是，主轴转速S代码最多只有99种，即使是使用S四位代码直接指定主轴转速，也只能按一转递增，而且分级越多指令信号的个数越多，更难于实现。因此，实际上还是将主轴转速按等比数列分成若干级，根据主轴转速的S代码发出相应的有级级数与电机的调速信号来实现主轴的住动变速。电机的调压或调磁变速，由电动机的驱动电路根据转速指令电压信号来

变换。齿轮有级变速则才用夜压或电磁离合器实现。 2、分级变速箱的设计

数控机床的分级变速箱由于位于调速电机与主轴之间,因此,设计时除遵循一般有级变速箱设计原则外,必须处理好公比的选择.在设计数控机床分级变速箱时,公比的选取有以下三种情况:

a、取变速箱的公比Φ等于电机的恒功率调速范围RdP ,即Φ= RdP 。

b、如果为了简化变速箱的结构，希望变速级数少一些，则不得不取较大的公比。 c、数控车床在切削阶梯轴、成行螺旋面或端面时，有时需要进行恒线速切削。 经综合分析比较选有第a种情况的公比。

(1)、取变速箱的公比Φ等于电机的恒功率调速范围RdP ,即Φ= RdP .则机床主轴的恒功率变速范围为

RnP=ΦZ-1RdP=ΦZ (4-13)

变速箱的变速级数 Z=

lgRnplg? =

lg25 =2.93 (4-14) lg3其中: RnP-----主轴恒功率区变速范围 RnP=25 Φ-----变速箱的公比 Φ= RdP=3

Z必须是整数，可取变速箱的变速级数Z=3。其转速图如图4-4（a）所示。电动机经定比传动2：3，使变速箱的轴Ⅰ得到3000r/min—1000r/min（恒功率）和1000 r/min--270

r/min（恒转矩）的转速。如果经Ⅰ-Ⅱ-Ⅲ轴之间的两对1：1的齿轮传动，主轴能得到3000 r/min --1000 r/min恒功率转速范围。当主轴转速n降到1000 r/min时，电动机转速降到1500 r/min（额定转速）。如果电动机转速继续下降，则将进入恒转矩区，最大输出功率也将随之下降。表现在图4-4（b）的功率特性图上，主轴转速为3000 r/min--1000 r/min时，为ab段，是恒功率。当电动机转速低于额定转速时，最大输出功率将沿bc段虚线下降。

图4-4 传动系统及功率特性图

当主轴转速降到1000 r/min时，变速箱变速，经（1/1）*（1/3）传动主轴。这时电动机转速自动地回到最高转速。当电动机又从4500 r/min降到1500 r/min时，主轴从1000 r/min降到333 r/min，还是为恒功率。在功率特性图上为bd段。

当主轴转速降到333 r/min时，变速箱变速，经（1/3）*（1/3）=1/9转动主轴。电动机又回到最高转速。主轴从333 r/min降到111 r/min，在特性图上为df段。

主轴111 r/min的转速已低于原要求的计算转速，以下进入恒转矩段。靠电动机继续

降速得到，当电动机转速降到405 r/min时，主轴转速降到405*（2/3）*（1/9）=30 r/min，即为主轴的最低转速，这时电动机的最大输出功率为：

P2=

450Pd=0.27 Pd (4-15) 1500即为额定功率Pd的27% 。

在图4-4（b）中，abdf应为一条直线。为了清楚起见，把它画成三段，并略错开。可以看出，主轴恒功率变速范围af是由3段组成的，每段的变速范围为电动机的恒功率调速范围RdP=3。所以，变速箱的公比Φ= RdP 。电动机的功率根据主轴的需要选择。主轴计算转速为f点的转速（111r/min）。表4.3为主轴转速与有级级数和电动机调压调磁转速的关系.

表4.3 主轴转速与有级级数和电动机调压调磁转速的关系

n/r?min-1 30--111 111--333 333--1000 1000--3000 有级级数 nY/r?min-1 Ⅰ[（2/3）?（20/60）?（20/60）] 405--1500 Ⅱ[（2/3）?（20/60）?（20/60）] 1500--4500 Ⅲ[（2/3）?（40/40）?（20/60）] 1500--4500 Ⅳ[（2/3）?（40/40）?（40/40）] 1500--4500 图4-4（c）为转矩特性。从a至f，转矩随转速下降而上升。至f点为主轴输出的最大转矩Mmax。f-g为转矩区。a至f也是由三段拼成的。 3、分段有级变速传动方案确定 (1) 、传动方案的设计计算 由前面计算得：

z=3，?=3 带传动的传动比i0=2/3 取 i1=1 i2=1/3 I3=1 i4=1/3 故取：z1=40 z1=40

'z2=20 z2=60

'z3=40 z3=40 z4=20 z4=60

(2) 、齿轮的设计计算

大小齿轮都采用45号钢调质，选小齿轮硬度为260HB—290HB，大齿轮硬度为220HB—250HB，精度选用六级，模数m=2.5mm , 齿宽b=30mm, 螺旋角α=200 所以： d1=mz1=2.5×40=100（mm） (4-16) d1=2.5×40=100（mm） d2=2.5×20=50（mm） d2=2.5×60=150（mm） d3=2.5×40=100（mm） d3=2.5×40=100（mm） d4=2.5×20=50（mm） d4=2.5×60=150（mm）

还应该校核齿轮表面接触疲劳强度，弯曲疲劳强度。经校核均合格，其校核过程略。 (四) 、电磁离合器的设计计算

有级变速的自动变换方法一般有液压或电磁离合器两种。

液压变速机构是通过液压缸、活塞杆带动拔叉推动滑移齿轮移动来实现变速，双联

''''''滑移齿轮用一个液压缸，而三联滑移齿轮必须使用两个液压缸实现三位移位。

电磁离合器是应用电磁效用接通或切断运动的元件，由于它便于实现自动操作，并有现成的系列产品可供选用，因而它已成为自动装置中常用的操作元件。电磁离合器用于数控机床的主转动时，能简化变速机构，操作方便，通过若干个安装在各转动轴上的离合器的吸合和分离的不同组合来改变齿轮的传动路线，实现主轴的变速。 经分析本设计选用电磁离合器来控制数控车床的有级自动变速。

图4-5 电磁离合器变速的主传动系统图

三、机床调速电机控制电路图的设计

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