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第四章 主傳動(dòng)部分改造與設(shè)計(jì) 在改造設(shè)計(jì)之前 讓我們先來(lái)看一下數(shù)控機(jī)床主傳動(dòng)與普通機(jī)床相比所具有的特點(diǎn) 1 采用調(diào)速電機(jī)驅(qū)動(dòng) 以滿足主軸根據(jù)數(shù)控指令進(jìn)行自動(dòng)變速的需要 2 傳動(dòng)路線短 從而簡(jiǎn)化了主傳動(dòng)系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu) 3 轉(zhuǎn)速高 功率大 數(shù)控機(jī)床的主傳動(dòng)系統(tǒng)除應(yīng)滿足普通機(jī)床傳動(dòng)要求外 還應(yīng)滿足如下要求 具有更大的調(diào)速范圍 并實(shí)現(xiàn)無(wú)極調(diào)速 數(shù)控機(jī)床就要為了保證加工時(shí)能選用合 1 理的切削用量 充分發(fā)揮刀具的切削性能 從而獲得最高的生產(chǎn)效率 加工精度和表面質(zhì) 量 必須有更高的轉(zhuǎn)速和更多的調(diào)速范圍 為了適應(yīng)各種工序和各種加工材質(zhì)的要求 主 運(yùn)動(dòng)的調(diào)速范圍還應(yīng)進(jìn)一步擴(kuò)大 具有較高的精度和剛度 傳動(dòng)平穩(wěn) 噪聲低 數(shù)控機(jī)床加工精度的提高 與主傳 動(dòng)系統(tǒng)的剛度密切相關(guān) 為此 應(yīng)提高傳動(dòng)件的制造精度與剛度 齒輪齒面進(jìn)行高頻感應(yīng) 加熱淬火增加耐磨性 最后一級(jí)采用斜齒輪傳動(dòng) 使傳動(dòng)平穩(wěn) 采用高精度軸承及合理 的 支承跨距等 以提高主軸件的剛性 具有良好的抗振性和熱穩(wěn)定性 數(shù)控機(jī)床上一般既要進(jìn)行粗加工 又要精加工 加工時(shí)可能由于斷續(xù)切削 加工余量不均勻 運(yùn)動(dòng)部件不平衡以及切削過(guò)程中的自激振動(dòng) 等原因引起的沖擊力或交變力的干擾 使主軸產(chǎn)生振動(dòng) 影響加工精度和表面粗糙度 嚴(yán) 重時(shí)甚至破壞刀具和或零件 使加工無(wú)法進(jìn)行 因此在主傳動(dòng)系統(tǒng)中的各主要零部件不但 要求有一定的靜剛度 而且要求具有足夠的抑制各種干擾力引起振動(dòng)的能力 抗振性 抗震性用動(dòng)剛度或動(dòng)柔度來(lái)衡量 如果把主軸組件視為一個(gè)等效的單自由度系統(tǒng) 則動(dòng)剛 度 與動(dòng)力參數(shù)的關(guān)系為 dk 4 1 dk221 nn 式中 機(jī)床主軸結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的靜剛度 mN 外加激振力的激振頻率 Hz 主軸組件的固有頻率 為當(dāng)量質(zhì)量 為當(dāng)量靜剛度 n n kk 阻尼比 是阻尼系數(shù) 是臨界阻尼系數(shù) c c c nm 2 由上式可見(jiàn) 為提高主軸組件的抗震性 須使 值較大 為此應(yīng)盡量使阻尼比 當(dāng)dk 量剛度值或固有頻率的值較高 在設(shè)主傳動(dòng)系統(tǒng)時(shí) 要注意選擇上述幾個(gè)參數(shù)的合理關(guān)系 一 主傳動(dòng)部分改造方案擬定和設(shè)計(jì)的內(nèi)容 異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速方法有變頻調(diào)速 變極調(diào)速 辯轉(zhuǎn)差調(diào)速三種 異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速公式 為 ni p60f1 從該公式中可以看出 若均勻地改變電源的頻率 f1 就可以連續(xù)地改變電動(dòng)機(jī)的同步 轉(zhuǎn)速 這種調(diào)速方法稱為變頻調(diào)速 它完全不同于其它的調(diào)速方法 改變異步電動(dòng)機(jī)的磁 極對(duì)數(shù)調(diào)速的方法稱為變極調(diào)速 改變電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)差率的調(diào)速方法稱為變轉(zhuǎn)差率調(diào)速 表 4 1 異步電動(dòng)機(jī)各種調(diào)速方法性能指標(biāo)的比較 調(diào) 速 方 法 變 轉(zhuǎn) 差 率項(xiàng) 目 變 頻 變 極 轉(zhuǎn)子串電阻 串極調(diào)速 調(diào)壓調(diào)速 電磁調(diào)速電機(jī) 是否改變同 步轉(zhuǎn)速 變 變 不 變 不 變 不 變 不 變 靜差率 小 好 小 好 大 差 小 好 開(kāi)環(huán)時(shí)大 閉環(huán)時(shí)小 開(kāi)環(huán)時(shí)大 閉環(huán)時(shí)小 調(diào)速范 圍 D 較大 10 以 上 較小 2 4 小 2 較小 2 4 閉環(huán)時(shí) 較大 閉環(huán)時(shí) 較大 調(diào)速平 滑性 好 無(wú) 級(jí)調(diào)速 差 有 級(jí)調(diào)速 差 有級(jí) 調(diào)速 好 無(wú)級(jí) 調(diào)速 好 無(wú)級(jí) 調(diào)速 好 無(wú)級(jí)調(diào)速 適應(yīng)負(fù) 載類(lèi)型 恒轉(zhuǎn)矩 恒功率 恒轉(zhuǎn)矩 恒功率 恒轉(zhuǎn)矩 恒轉(zhuǎn)矩 通風(fēng)機(jī) 恒轉(zhuǎn)矩 通風(fēng)機(jī) 恒轉(zhuǎn)矩 設(shè)備 投資 多 少 少 較 多 較 少 較 少 調(diào) 速 指 標(biāo) 電能 損耗 較 小 小 大 較 小 大 大 異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速有調(diào)速范圍廣 平滑性較高 機(jī)械特性較好的優(yōu)點(diǎn) 可以方便地 實(shí)現(xiàn)恒功率或恒轉(zhuǎn)矩變速 整個(gè)調(diào)速特性與直流電動(dòng)機(jī)調(diào)壓調(diào)速和弱磁調(diào)速十分相似 并 可與直流調(diào)速相媲美 目前變頻調(diào)速已成為異步電動(dòng)機(jī)最主要的調(diào)速方法 通過(guò)上序的比 較本課程設(shè)計(jì)中電動(dòng)機(jī)的調(diào)速方法采用變頻調(diào)速的方法 改換主軸電動(dòng)機(jī) 換成調(diào)速電動(dòng)機(jī) 通過(guò)對(duì)電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速控制再加以簡(jiǎn)單的齒輪 調(diào)速來(lái)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)變速 齒輪調(diào)速部分用磁離合器控制齒輪嚙合 數(shù)控機(jī)床主軸變速方式主要有無(wú)級(jí)調(diào)速 分段無(wú)級(jí)調(diào)速和內(nèi)置電機(jī)變速等 在本設(shè)計(jì)中采 用分段無(wú)級(jí)調(diào)速 無(wú)級(jí)變速能夠選用最合理的切削用量 可在運(yùn)轉(zhuǎn)中變速 操作方便 簡(jiǎn) 化機(jī)械結(jié)構(gòu) 無(wú)級(jí)變速主要是利用直流和交流調(diào)速電動(dòng)機(jī) 但直流調(diào)速電動(dòng)機(jī)恒功率調(diào)速 范圍很小 一般只有 1 2 很少到 3 4 且換向有限制 現(xiàn)大多采用交流變頻主軸驅(qū)動(dòng)系 統(tǒng) 交流變頻調(diào)速電動(dòng)機(jī)的性能與直流調(diào)速電動(dòng)機(jī)類(lèi)似 在額定轉(zhuǎn)速以下為恒轉(zhuǎn)矩區(qū) 在 額定轉(zhuǎn)速以上為恒功率區(qū)域 一般主軸調(diào)速電動(dòng)機(jī)的恒功率調(diào)速范圍為 3 4 對(duì)于恒功率 變速范圍大的主軸傳動(dòng)系統(tǒng) 需要增加變速齒輪 以保證主軸上較大的恒功率范圍 考慮 本設(shè)計(jì)機(jī)床要求采取交流變頻電動(dòng)機(jī)和有級(jí)變速箱配合的方案即分段無(wú)級(jí)變速 主軸的正 反轉(zhuǎn)和制動(dòng)停止 由數(shù)控指令直接控制電動(dòng)機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn) 利用車(chē)床的主軸交流異步電動(dòng)機(jī) 變頻器 數(shù)控單元 構(gòu)成了變頻調(diào)速系統(tǒng) 交流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速 與頻率 電動(dòng)機(jī)的ENCnf 級(jí)對(duì)數(shù) 及轉(zhuǎn)差率 之間的關(guān)系為 由此可知 改變電源的頻率 即psnpsf 1 60 可改變電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速 且轉(zhuǎn)速 與頻率 成正比 考慮本設(shè)計(jì)機(jī)床的要求 采取交流變頻電 動(dòng)機(jī)和有級(jí)變速箱配合的方案 即分段無(wú)級(jí)變速 主軸的正 反轉(zhuǎn)和制動(dòng)停止由數(shù)控指令 直接控制電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn) 其主軸變頻調(diào)速系統(tǒng)原理圖如圖 4 1 所示 圖 4 1 主軸變頻調(diào)速系統(tǒng)原理圖 如圖 4 2 所示是機(jī)床主軸要求的功率特性和轉(zhuǎn)矩特性 這兩條特性曲線是以計(jì)算轉(zhuǎn)速 nj為分界 從 nj至最高轉(zhuǎn)速 nmax的區(qū)域 為恒功率區(qū) 在該區(qū)域內(nèi) 任意轉(zhuǎn)速下主軸都可 輸出額定的功率 在該區(qū)域內(nèi) 最大轉(zhuǎn)矩則隨主軸轉(zhuǎn)速下降而上升 從最低轉(zhuǎn)速 nmin 至 nj 的區(qū)域 為恒轉(zhuǎn)矩區(qū) 在該區(qū)域內(nèi) 最大轉(zhuǎn)矩不再隨轉(zhuǎn)速下降而上升 任何轉(zhuǎn)速下可能提 供的轉(zhuǎn)矩都不能超過(guò)計(jì)算轉(zhuǎn)速下的轉(zhuǎn)矩 這個(gè)轉(zhuǎn)矩就是機(jī)床主軸的最大轉(zhuǎn)矩 Mmax 在區(qū)域 內(nèi) 主軸可能輸出的最大功率 Pmax 則隨主軸轉(zhuǎn)速的下降而下降 通常 恒功率區(qū)約占整 個(gè)主軸變速范圍的 2 3 3 4 恒轉(zhuǎn)矩區(qū)約占 1 4 1 3 如圖 4 3 所示是變速電動(dòng)機(jī)的功率特性 從額定轉(zhuǎn)速 nd到最高轉(zhuǎn)速 nmaxde 區(qū)域 為恒 功率區(qū) 從最低轉(zhuǎn)速 nmin 至 nd的區(qū)域 為恒轉(zhuǎn)矩區(qū) 直流電動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)速常為 1000 r min 1500 r min 從 nd至 nmax用調(diào)節(jié)磁通的方法得到 稱為調(diào)磁調(diào)速 從 nmin至 nd用 調(diào)節(jié)電驅(qū)電壓的辦法得到 稱為調(diào)壓調(diào)速 交流調(diào)頻電動(dòng)機(jī)用調(diào)節(jié)電源頻率來(lái)達(dá)到調(diào)速的 目的 額定轉(zhuǎn)速常為 1500 r min 這兩種電動(dòng)機(jī)的恒功率轉(zhuǎn)速范圍為 2 4 恒轉(zhuǎn)矩變速范 圍則可達(dá) 100 以上 圖 4 2 主軸的功率轉(zhuǎn)矩特性 圖 4 3 變速電動(dòng)機(jī)的功率特性 所謂分段無(wú)級(jí)變速就是在交流或直流電機(jī)無(wú)級(jí)調(diào)速的基礎(chǔ)上配以齒輪變速 它能夠?qū)?現(xiàn)中 高速段的恒功率傳動(dòng) 低速段的恒轉(zhuǎn)矩傳動(dòng) 在該系統(tǒng)中 主軸的正 反轉(zhuǎn)和制動(dòng) 停止 通過(guò)數(shù)控指令直接控制電機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn) 主軸的變速則有電動(dòng)機(jī)的無(wú)級(jí)變速與齒輪的有 機(jī)變速相配合來(lái)實(shí)現(xiàn) 二 主傳動(dòng)部分改造設(shè)計(jì)計(jì)算 主傳動(dòng)部分改造設(shè)計(jì)計(jì)算包括電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)于選擇 主傳動(dòng)系統(tǒng)分段無(wú)級(jí)變速傳動(dòng)方 案的確定與分析 數(shù)控機(jī)床分級(jí)變速箱的設(shè)計(jì) 電磁離合器的設(shè)計(jì)計(jì)算 機(jī)床調(diào)速電機(jī)控制 電路圖的設(shè)計(jì) 一 電動(dòng)機(jī)的選擇 根據(jù)原機(jī)床參數(shù)及要求初選改造后車(chē)床主軸變速范圍 Rn 100 n max 3000r min n min 30r min 主傳動(dòng)機(jī)械總效率系數(shù) 0 9 最大切削功率為 10kw 最小切削功率為 3kw 則電機(jī)初選功率應(yīng)為 PD 10vkw 根據(jù)電機(jī)規(guī)格 可選用 11kw 或者 15kw 的電機(jī) 表格 4 2 電機(jī)選擇兩種方案對(duì)比 交 流 主 軸 電 機(jī) 主 軸 與 變 速 機(jī) 構(gòu) 型 號(hào) PD kw RDP NDsmin RDT nj RnP RnT RF i YP160M2 4 11 3 450 3 3 83 30 3 3 10 1 18 YP160L 4 15 3 335 4 5 112 22 3 4 5 7 44 1 13 4 2 電機(jī)最小輸出功率 1 計(jì)算主軸在最底轉(zhuǎn)速達(dá)到最小功率是電機(jī)應(yīng)輸出的功率 Pdsmin 3 0 9 3 3kw 4 2 nmi 2 算電機(jī)實(shí)用的最底轉(zhuǎn)速 nDsmin r min 由式 nDsmin 4 3 DdsmiP 計(jì)算結(jié)果 11kw 的電機(jī)為 n Dsmin 450r min n d 1500r min 15kw 的電機(jī)為 n Dsmin 333r min n d 1500r min 式中 n d 電機(jī)的基本轉(zhuǎn)速 r min PD 電機(jī)額定功率 kw 由此 設(shè)計(jì)者選用功率為 11kw 型號(hào)為 YP160M2 4 的交流調(diào)頻電機(jī) 二 主傳動(dòng)系統(tǒng)分段無(wú)級(jí)變速傳動(dòng)方案的確定與分析 1 電機(jī)額定轉(zhuǎn)速的計(jì)算電機(jī)的選擇 1 電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩 TDd N m 為 TDd 70N M 4 4 1509n9PdD 2 電機(jī)最小轉(zhuǎn)矩 Tdmin N M Tdmin 23 2N M 4 5 dMaxn9 其中電機(jī)最大轉(zhuǎn)速 ndmax 4500r min 3 電機(jī)實(shí)用恒轉(zhuǎn)矩區(qū)變速范圍 RDT 3 3 4 6 dmin 4 主軸恒轉(zhuǎn)矩區(qū)變速范圍 RnT RDT 3 3 4 7 5 電機(jī)恒功率區(qū)變速范圍 RdP 3 4 8 dmaxn 2 主軸參數(shù)計(jì)算 1 主軸計(jì)算轉(zhuǎn)速 nj nj 4 9 3 0minaxi 3 0 120r min 2 主軸恒功率變速范圍 RnP RnP 25r min 4 10 jmaxn1203 3 分級(jí)變速機(jī)構(gòu)的變速范圍 RF RF 8 3 4 11 DPnp35 其中 R nP 主軸恒功率區(qū)變速范圍 RDP 電機(jī)恒功率區(qū)變速范圍 4 主傳動(dòng)系統(tǒng)總降速比 i i 1 12 5 4 12 djn1502 三 數(shù)控機(jī)床分級(jí)變速箱的設(shè)計(jì) 1 數(shù)控機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速自動(dòng)變換過(guò)程 在數(shù)控機(jī)床上 特別是在自動(dòng)換刀的數(shù)控機(jī)床上應(yīng)根據(jù)刀具與工藝要求進(jìn)行主軸轉(zhuǎn)速 的自動(dòng)變速 在零件加工工程序中用 S 兩位代碼指定主軸轉(zhuǎn)速的序號(hào) 或用四位代碼指定 主軸轉(zhuǎn)速的沒(méi)分鐘轉(zhuǎn)數(shù) 并且用 M 兩位代碼指定主軸的正 反向啟動(dòng)和停止 采用直流或交流調(diào)速電動(dòng)機(jī)的主運(yùn)動(dòng)無(wú)級(jí)變速系統(tǒng)中 主軸的正 反啟動(dòng)和停止制動(dòng) 是直接控制電動(dòng)機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)的 主軸轉(zhuǎn)速的變換則由電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的變換與齒輪有級(jí)變速機(jī)構(gòu) 的變換相配合來(lái)實(shí)現(xiàn)的 機(jī)床主運(yùn)動(dòng)變速系統(tǒng)中主軸的轉(zhuǎn)速 n 是如何由電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速 齒 輪有級(jí)變速級(jí)數(shù)相配合來(lái)實(shí)現(xiàn)的 為了獲得主軸的某一轉(zhuǎn)速必須接通相應(yīng)的有級(jí)變速級(jí)數(shù) 和電動(dòng)機(jī)的調(diào)壓轉(zhuǎn)速 nY或調(diào)磁轉(zhuǎn)速 nC 理論上說(shuō)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速可以無(wú)級(jí)調(diào)速 但是 主軸 轉(zhuǎn)速 S 代碼最多只有 99 種 即使是使用 S 四位代碼直接指定主軸轉(zhuǎn)速 也只能按一轉(zhuǎn)遞增 而且分級(jí)越多指令信號(hào)的個(gè)數(shù)越多 更難于實(shí)現(xiàn) 因此 實(shí)際上還是將主軸轉(zhuǎn)速按等比數(shù) 列分成若干級(jí) 根據(jù)主軸轉(zhuǎn)速的 S 代碼發(fā)出相應(yīng)的有級(jí)級(jí)數(shù)與電機(jī)的調(diào)速信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)主軸 的住動(dòng)變速 電機(jī)的調(diào)壓或調(diào)磁變速 由電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路根據(jù)轉(zhuǎn)速指令電壓信號(hào)來(lái)變換 齒輪有級(jí)變速則才用夜壓或電磁離合器實(shí)現(xiàn) 2 分級(jí)變速箱的設(shè)計(jì) 數(shù)控機(jī)床的分級(jí)變速箱由于位于調(diào)速電機(jī)與主軸之間 因此 設(shè)計(jì)時(shí)除遵循一般有級(jí)變速 箱設(shè)計(jì)原則外 必須處理好公比的選擇 在設(shè)計(jì)數(shù)控機(jī)床分級(jí)變速箱時(shí) 公比的選取有以下三 種情況 a 取變速箱的公比 等于電機(jī)的恒功率調(diào)速范圍 RdP 即 R dP b 如果為了簡(jiǎn)化變速箱的結(jié)構(gòu) 希望變速級(jí)數(shù)少一些 則不得不取較大的公比 c 數(shù)控車(chē)床在切削階梯軸 成行螺旋面或端面時(shí) 有時(shí)需要進(jìn)行恒線速切削 經(jīng)綜合分析比較選有第 a 種情況的公比 1 取變速箱的公比 等于電機(jī)的恒功率調(diào)速范圍 RdP 即 RdP 則機(jī)床主軸的恒 功率變速范圍為 RnP Z 1RdP Z 4 13 變速箱的變速級(jí)數(shù) Z 2 93 4 14 lgnpl325 其中 R nP 主軸恒功率區(qū)變速范圍 R nP 25 變速箱的公比 R dP 3 Z 必須是整數(shù) 可取變速箱的變速級(jí)數(shù) Z 3 其轉(zhuǎn)速圖如圖 4 4 a 所示 電動(dòng)機(jī)經(jīng) 定比傳動(dòng) 2 3 使變速箱的軸 得到 3000r min 1000r min 恒功率 和 1000 r min 270 r min 恒轉(zhuǎn)矩 的轉(zhuǎn)速 如果經(jīng) 軸之間的兩對(duì) 1 1 的齒輪傳動(dòng) 主軸能得 到 3000 r min 1000 r min 恒功率轉(zhuǎn)速范圍 當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速 n 降到 1000 r min 時(shí) 電動(dòng)機(jī) 轉(zhuǎn)速降到 1500 r min 額定轉(zhuǎn)速 如果電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速繼續(xù)下降 則將進(jìn)入恒轉(zhuǎn)矩區(qū) 最大 輸出功率也將隨之下降 表現(xiàn)在圖 4 4 b 的功率特性圖上 主軸轉(zhuǎn)速為 3000 r min 1000 r min 時(shí) 為 ab 段 是恒功率 當(dāng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速低于額定轉(zhuǎn)速時(shí) 最大輸出功率將沿 bc 段虛線下降 圖 4 4 傳動(dòng)系統(tǒng)及功率特性圖 當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速降到 1000 r min 時(shí) 變速箱變速 經(jīng) 1 1 1 3 傳動(dòng)主軸 這時(shí)電 動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速自動(dòng)地回到最高轉(zhuǎn)速 當(dāng)電動(dòng)機(jī)又從 4500 r min 降到 1500 r min 時(shí) 主軸從 1000 r min 降到 333 r min 還是為恒功率 在功率特性圖上為 bd 段 當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速降到 333 r min 時(shí) 變速箱變速 經(jīng) 1 3 1 3 1 9 轉(zhuǎn)動(dòng)主軸 電 動(dòng)機(jī)又回到最高轉(zhuǎn)速 主軸從 333 r min 降到 111 r min 在特性圖上為 df 段 主軸 111 r min 的轉(zhuǎn)速已低于原要求的計(jì)算轉(zhuǎn)速 以下進(jìn)入恒轉(zhuǎn)矩段 靠電動(dòng)機(jī)繼續(xù) 降速得到 當(dāng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速降到 405 r min 時(shí) 主軸轉(zhuǎn)速降到 405 2 3 1 9 30 r min 即為主軸的最低轉(zhuǎn)速 這時(shí)電動(dòng)機(jī)的最大輸出功率為 P2 Pd 0 27 Pd 4 15 1504 即為額定功率 Pd的 27 在圖 4 4 b 中 abdf 應(yīng)為一條直線 為了清楚起見(jiàn) 把它畫(huà)成三段 并略錯(cuò)開(kāi) 可以看出 主軸恒功率變速范圍 af 是由 3 段組成的 每段的變速范圍為電動(dòng)機(jī)的恒功率調(diào) 速范圍 RdP 3 所以 變速箱的公比 RdP 電動(dòng)機(jī)的功率根據(jù)主軸的需要選擇 主軸計(jì) 算轉(zhuǎn)速為 f 點(diǎn)的轉(zhuǎn)速 111r min 表 4 3 為主軸轉(zhuǎn)速與有級(jí)級(jí)數(shù)和電動(dòng)機(jī)調(diào)壓調(diào)磁轉(zhuǎn)速的 關(guān)系 表 4 3 主軸轉(zhuǎn)速與有級(jí)級(jí)數(shù)和電動(dòng)機(jī)調(diào)壓調(diào)磁轉(zhuǎn)速的關(guān)系 n r min 1 有級(jí)級(jí)數(shù) nY r min 1 30 n 111 2 3 20 60 20 60 405 1500 111 n 333 2 3 20 60 20 60 1500 4500 333 n 1000 2 3 40 40 20 60 1500 4500 1000 n 3000 2 3 40 40 40 40 1500 4500 圖 4 4 c 為轉(zhuǎn)矩特性 從 a 至 f 轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)速下降而上升 至 f 點(diǎn)為主軸輸出的最 大轉(zhuǎn)矩 Mmax f g 為轉(zhuǎn)矩區(qū) a 至 f 也是由三段拼成的 3 分段有級(jí)變速傳動(dòng)方案確定 1 傳動(dòng)方案的設(shè)計(jì)計(jì)算 由前面計(jì)算得 3 3 帶傳動(dòng)的傳動(dòng)比 i0 2 3 z 取 i 1 1 i2 1 3 I3 1 i4 1 3 故取 40 401z 1z 20 602 2 40 403z 3z 20 604 4 2 齒輪的設(shè)計(jì)計(jì)算 大小齒輪都采用 45 號(hào)鋼調(diào)質(zhì) 選小齒輪硬度為 260HB 290HB 大齒輪硬度為 220HB 250HB 精度選用六級(jí) 模數(shù) m 2 5mm 齒寬 b 30mm 螺旋角 02 所以 mz1 2 5 40 100 4 16 dm 2 5 40 100 2 5 20 50 2 2 5 60 150 dm 2 5 40 100 3 2 5 40 100 2 5 20 50 4dm 2 5 60 150 還應(yīng)該校核齒輪表面接觸疲勞強(qiáng)度 彎曲疲勞強(qiáng)度 經(jīng)校核均合格 其校核過(guò)程略 四 電磁離合器的設(shè)計(jì)計(jì)算 有級(jí)變速的自動(dòng)變換方法一般有液壓或電磁離合器兩種 液壓變速機(jī)構(gòu)是通過(guò)液壓缸 活塞桿帶動(dòng)拔叉推動(dòng)滑移齒輪移動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)變速 雙聯(lián) 滑移齒輪用一個(gè)液壓缸 而三聯(lián)滑移齒輪必須使用兩個(gè)液壓缸實(shí)現(xiàn)三位移位 電磁離合器是應(yīng)用電磁效用接通或切斷運(yùn)動(dòng)的元件 由于它便于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)操作 并 有現(xiàn)成的系列產(chǎn)品可供選用 因而它已成為自動(dòng)裝置中常用的操作元件 電磁離合器用于 數(shù)控機(jī)床的主轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí) 能簡(jiǎn)化變速機(jī)構(gòu) 操作方便 通過(guò)若干個(gè)安裝在各轉(zhuǎn)動(dòng)軸上的離合 器的吸合和分離的不同組合來(lái)改變齒輪的傳動(dòng)路線 實(shí)現(xiàn)主軸的變速 經(jīng)分析本設(shè)計(jì)選用電磁離合器來(lái)控制數(shù)控車(chē)床的有級(jí)自動(dòng)變速 圖 4 5 電磁離合器變速的主傳動(dòng)系統(tǒng)圖 圖 4 5 是采用電磁離合器變速的傳動(dòng)系統(tǒng)圖 該傳動(dòng)系統(tǒng)由四對(duì)相互嚙 合的齒輪構(gòu)成二級(jí)齒輪變速 每對(duì)相嚙合的齒輪中有一個(gè)空套在傳動(dòng)軸上 并與電磁離合器的聯(lián)接件聯(lián)接 離合器與傳動(dòng)軸采用花鍵聯(lián)接 空套齒輪與 傳動(dòng)軸之間只有在電磁離合器吸合時(shí)才能傳動(dòng) 因此 通過(guò)各離合器的吸合 和分離的不同組合可以改變運(yùn)動(dòng)的傳動(dòng)路線 實(shí)現(xiàn)主軸的變速 對(duì) 4 5 所示 系統(tǒng) 四個(gè)離合器有 4 種可實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)的組合 由于有兩組齒輪的齒數(shù)一樣 因而有 4 條不同的傳動(dòng)路線 可獲得 3 檔機(jī)械變速 表 4 4 表 4 4 電磁離合器動(dòng)作與傳動(dòng)比 電磁離合器電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速 r min 1 主軸轉(zhuǎn)速 r min 1 傳動(dòng)比 M1 M2 M3 M4 1500 4500 1000 n 3000 i 2 3 Z 1 Z1 Z 3 Z3 2 3 1500 4500 333 n 1000 i 2 3 Z 1 Z1 Z 4 Z4 1 3 i 2 3 Z 2 Z2 Z 3 Z3 1 3 1500 4500 111 n 333 i 2 3 Z 2 Z2 Z 4 Z4 1 9 405 1500 30 n 111 i 2 3 Z 2 Z2 Z 4 Z4 1 9 當(dāng)從 CNC 裝置中輸出一主軸轉(zhuǎn)速 n 主 時(shí) 此主軸轉(zhuǎn)速 n 主 經(jīng)過(guò)一比較器進(jìn)行比較 當(dāng) 30 r min 1 n 主 111 r min 1 時(shí)電磁離合器 M2和 M4吸合 M 1和 M3分離 此時(shí)整個(gè) 系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)比是 2 27 交流電動(dòng)機(jī)的進(jìn)行恒轉(zhuǎn)矩傳動(dòng) 其轉(zhuǎn)速為 n 電 n 主 I 405 r min 1 1500 r min 1 當(dāng) 111 r min 1 n 主 333 r min 1 時(shí)電磁離合器 M2和 M4吸合 M 1和 M3分離 此時(shí)整個(gè) 系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)比是 2 27 交流電動(dòng)機(jī)的進(jìn)行恒功率傳動(dòng) 其轉(zhuǎn)速為 n 電 n 主 I 1500 r min 1 4500 r min 1 當(dāng) 333 r min 1 n 主 1000 r min 1 時(shí)電磁離合器 M1和 M4吸合 M 2和 M3分離 此時(shí)整 個(gè)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)比是 2 9 交流電動(dòng)機(jī)的進(jìn)行恒功率傳動(dòng) 其轉(zhuǎn)速為 n 電 n 主 I 1500 r min 1 4500 r min 1 當(dāng) 1000 r min 1 n 主 3000 r min 1 時(shí)電磁離合器 M1和 M3吸合 M 2和 M4分離 此時(shí)整 個(gè)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)比是 2 3 交流電動(dòng)機(jī)的進(jìn)行恒功率傳動(dòng) 其轉(zhuǎn)速為 n 電 n 主 I 1500 r min 1 4500 r min 1 三 機(jī)床調(diào)速電機(jī)控制電路圖的設(shè)計(jì) 在本課程設(shè)計(jì)中主軸電動(dòng)機(jī)的調(diào)速是有變頻器來(lái)實(shí)現(xiàn)的 一 變頻器的簡(jiǎn)單原理 在交流異步電動(dòng)機(jī)的諸多調(diào)速方法中 變頻調(diào)速的性能最好 調(diào)速范圍大 靜態(tài)穩(wěn)定 性好 運(yùn)行效率高 采用通用變頻器對(duì)籠型異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速控制 由于使用方便 可靠性 高并且經(jīng)濟(jì)效率顯著 所以逐步得到推廣 1 變頻器的基本構(gòu)成 變頻器分為交 交和交 直 交兩種形式 交 交變頻器可將工頻交流直接換成頻率 電 壓均可控制的交流 又稱直接式變頻器 而交 直 交變頻器則是先把工頻交流通過(guò)整流器 變成直流 然后再把直流變換成頻率 電壓均可控制的交流 又稱間接式變頻器 在本課 程設(shè)計(jì)中將采用交 直 交變頻器來(lái)控制主軸電動(dòng)機(jī) 變頻器的基本構(gòu)成如圖 4 6 所示 有主回路 包括整流器 中間直流環(huán)節(jié) 逆變器 和控制回路組成 分析如下 圖 4 6 變頻器的基本結(jié)構(gòu) 1 整流器 電網(wǎng)側(cè)的交流器 I 是整流器 它的作用是把三相 也可以是單相 交流整 流成直流 2 逆變器 負(fù)載側(cè)的交流器 II 為逆變器 最常見(jiàn)的結(jié)構(gòu)形式是利用六個(gè)半導(dǎo)體主開(kāi)關(guān) 器件組成的三相橋式逆變電路 有規(guī)律的控制逆變器中的主開(kāi)關(guān)的通與斷 可以得到任意 頻率的三相交流輸出 3 中間直流環(huán)節(jié) 由于逆變器的負(fù)載為異步電動(dòng)機(jī) 屬于感性負(fù)載 無(wú)任電動(dòng)機(jī)處于 電動(dòng)或發(fā)電制動(dòng)狀態(tài) 其功率因數(shù)總不會(huì)等于 1 因此 在中間直流環(huán)節(jié)和電動(dòng)機(jī)之間總 會(huì)有無(wú)功功率的交換 這種無(wú)功功率的能量要靠中間直流環(huán)節(jié)的儲(chǔ)能元件 電容器或電抗 器 來(lái)緩沖 所以又常稱中間直流環(huán)節(jié)為中間儲(chǔ)能環(huán)節(jié) 4 控制電路 控制電路常由運(yùn)算電路 檢測(cè)電路 控制信號(hào)的輸入 輸出電路和驅(qū)動(dòng) 電路等構(gòu)成 其主要任務(wù)是完成對(duì)逆變器的開(kāi)關(guān)控制 對(duì)整流器的電壓控制以及完成各種 保護(hù)功能等 控制方法可采用數(shù)字控制或模擬控制 高性能的變頻器目前已經(jīng)采用微型計(jì) 算機(jī)進(jìn)行全數(shù)字控制 采用盡可能簡(jiǎn)單的硬件電路 主要靠軟件來(lái)完成各種功能 由于軟 件的靈活性 數(shù)字控制方式常可以完成模擬控制方式難以完成的功能 5 關(guān)于變頻器名稱的說(shuō)明 對(duì)于交 直 交變頻器 在不涉及能量傳遞方向的改變時(shí) 我們常簡(jiǎn)單的稱變頻器 I 為整流器 變頻器 II 為逆變器 而把圖中 I II III 總起來(lái)稱為變 頻器 2 變頻器類(lèi)型的選擇 這里將就交 直 交變頻器按不同角度進(jìn)行選擇如下分類(lèi) 1 按直流電源的性質(zhì)分類(lèi) 當(dāng)逆變器輸出側(cè)的負(fù)載為交流電動(dòng)機(jī)時(shí) 在負(fù)載和直流電源之間將進(jìn)行無(wú)功功率的交 換 用于緩沖無(wú)功功率的中間直流環(huán)節(jié)的儲(chǔ)能元件可以是電容或電感 據(jù)此 變頻器可分 為電壓型變頻器和直流型變頻器兩大類(lèi) 在本課程設(shè)計(jì)中將采用電壓型變頻器進(jìn)行控制 2 電壓調(diào)節(jié)方式的選擇 變頻調(diào)速時(shí) 需要同時(shí)調(diào)節(jié)變頻器的輸出電壓和頻率 以保證電磁主磁通的恒定 對(duì) 輸出電壓的調(diào)節(jié)有兩種方式 PAM 方式和 PWM 方式 在本課程設(shè)計(jì)中將采用 PWM 型方 式進(jìn)行調(diào)速控制 PWM 方式是脈沖寬度調(diào)制方式的簡(jiǎn)稱 最常見(jiàn)的主電路圖如圖 4 7a 所示 變頻器中 的整流器采用不可控的二級(jí)管整流電路 變頻器的輸出變頻和輸出電壓的調(diào)節(jié)均由逆變器 按 PWM 方式完成 調(diào)壓過(guò)程的示意圖如 4 7b 所示 利用參考電壓 uR 與載頻三角波 uc 互 相比較 來(lái)決定主開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通時(shí)間而實(shí)現(xiàn)調(diào)壓 利用脈沖寬度的改變來(lái)得到幅值不同的正 弦基波電壓 這種參考信號(hào)為正弦波 輸出電壓平均值近似為征象波 PWM 方式 稱為正 弦 PWM 調(diào)制 簡(jiǎn)稱為 SPWM 方式 圖 4 7 PWM 變頻器 本課程設(shè)計(jì)采用的變頻器為富士公司生產(chǎn)的 FVR G7S 系列富士變頻器型號(hào)為 FVR11G7S 7JS 變頻器 整個(gè)機(jī)床調(diào)速電機(jī)控制電路圖如附圖所示 改造后的機(jī)床為實(shí)現(xiàn)其螺紋加工還須配置主軸脈沖發(fā)生器作為車(chē)床主軸位置信號(hào)的反 饋元件 它與車(chē)床主軸同步運(yùn)行 采集主軸運(yùn)動(dòng)時(shí)的數(shù)據(jù)信息 發(fā)出主軸轉(zhuǎn)角位置變化信 號(hào) 輸入到數(shù)控系統(tǒng)內(nèi) 再由數(shù)控系統(tǒng)通過(guò)軟件控制 以保證主軸每轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)時(shí) 螺紋車(chē)刀 也同步在縱向進(jìn)給一個(gè)螺紋 并保證螺紋加工中分幾次切削時(shí)不發(fā)生亂扣 即每次螺紋切 削進(jìn)刀位置一致 主軸脈沖發(fā)生器一般采用增量式光電編碼器 其安裝通常有兩種方式 同軸安裝 異軸安裝 同軸安裝方式是直接與車(chē)床主軸的后端相聯(lián)結(jié) 這種方式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 但缺點(diǎn)是安裝后 不能加工穿出車(chē)床主軸孔的零件 異軸安裝方式是通過(guò)橋齒輪或同步齒形帶傳動(dòng) 使主軸 與光電編碼器同步轉(zhuǎn)動(dòng) 其結(jié)構(gòu)復(fù)雜 但避免了前述同軸安裝的缺點(diǎn) 本設(shè)計(jì)中是采用異 軸安裝方式 主軸脈沖發(fā)生器輸光學(xué)元件 安裝時(shí)應(yīng)小心輕放 不能有較大的 沖擊和振動(dòng) 以防損 壞玻璃光柵盤(pán) 造成報(bào)廢 令應(yīng)注意主軸脈沖發(fā)生器的最高運(yùn)行轉(zhuǎn)速 車(chē)床主軸的轉(zhuǎn)速必 須小于此轉(zhuǎn)速 以免損壞脈沖發(fā)生器