數(shù)控機床主運動變速系統(tǒng)設計研究劉吉兆1崔曉莉1周立211湖南建材高等?？茖W校,湖南衡陽421008；21湖南大學衡陽分校,湖南衡陽421000摘要:在分析調(diào)速主軸電機及機床主軸的功率扭矩特性的基礎上,研究了采用調(diào)速電機的數(shù)控機床主運動變速系統(tǒng)各參數(shù)之間的關(guān)系,并建立了確切的公式,分析討論了機電串聯(lián)分段無級調(diào)速主運動變速系統(tǒng)的設計原則。關(guān)鍵詞:數(shù)控機床；調(diào)速電機；主運動；分段無級調(diào)速中圖分類號:TG502.1文獻標識碼:A文章編號:1001-2265(2002)06-0035-03ResearchonthemajormovementvariablespeedsystemdesignedforNCmachineLIUJizhaoCUIXiaoliZHOULiAbstract:Onthebasisofanalysingvelocitymodulationmajoraxismotorofmachinetoolsandmajoraxispowertorquecharac2ters,ThisarticlehasstudiedparametersrelationsofNCmachinetoolsmajormovementvariablespeedsysteminvelocitymod2ulationmotorandsetuptheexactformula,andsuggesteddesigningrulesonthemajormovementvariablespeedsystemofstep2lessvelocitymodulationbystagesinseriesofmachinery-electricity.Keywords:NCmachine；velocitymodulationmotor；majormovement；steplessvelocitymodulationbystages圖1調(diào)速電機功率扭矩特性圖2機床主軸功率扭矩特性為了滿足加工不同表面時切削速度的基本恒定及自動換刀系統(tǒng)中不同刀具的合理切削速度,數(shù)控機床主運動多采用無級調(diào)速系統(tǒng),且一般都用直流或交流調(diào)速電機作動力源,但因其與機床主運動變速系統(tǒng)所需的功率扭矩特性不匹配,因而,往往需在電氣調(diào)速系統(tǒng)之后串接機械有級變速,來使它們相匹配。從而實現(xiàn)分段無級調(diào)速主運動傳動系統(tǒng)。1調(diào)速主軸電機的功率扭矩特性目前,全功能數(shù)控機床主運動系統(tǒng)多采用直流和交流調(diào)速主軸電機,其功率扭矩特性見圖1。從圖1中可知,ndj是同時滿足電機全功率和最大扭矩的唯一轉(zhuǎn)速,稱電機的基本轉(zhuǎn)速,ndjndmax段為恒功率調(diào)速段。一般直流調(diào)速主軸電機的恒功率調(diào)速范圍RdN=ndmax/ndj=12,很少超過34。交流調(diào)速主軸電機的恒功率調(diào)速范圍RdN=35,ndminndj段屬于恒扭矩調(diào)速。而調(diào)速主軸電機恒扭矩調(diào)速范圍RdM=ndj/ndmin卻很大,可達30以上,甚至超過100。調(diào)速主軸電機的變速范圍Rd=RdMRdN。2數(shù)控機床主軸的功率扭矩特性主運動系統(tǒng)中的主軸和傳動件尺寸主要取決于其所傳遞的扭矩大小,而扭矩大小則與所傳遞的功率及轉(zhuǎn)速有關(guān)。通用機床與數(shù)控機床在實際使用中,低轉(zhuǎn)速范圍加工,如粗加工、螺紋加工、鉸孔等工序時都不需要使用機床的全部功率,若按最低轉(zhuǎn)速設計計算,勢必造成各傳動件粗大、浪費。通常機床主運動只是從某一被稱之為計算轉(zhuǎn)速nj的速度開始才可能使用電機全部功率。由此可得機床主軸的功率、扭矩與速度特性曲線如圖2。從圖中可知,nj是同時滿足電機全功率和主軸最大扭矩的唯一轉(zhuǎn)速。機床主軸在njnmax段內(nèi)能傳遞電機的全部功率,屬恒功率變速范圍,RnN=nmax/nj。在nminnj段內(nèi)機床主軸并不能傳遞全部功率,而傳遞的扭矩則為常數(shù)且為最大值,屬恒扭矩變速范圍RnM,機床的整個變速范圍Rn=RnMRnN。通常恒功率區(qū)約占主運動總變速范圍的2/33/4。同時數(shù)控機床主運動變速范圍Rn較寬,一般Rn=100200,甚至更大。3無級調(diào)速主傳動系統(tǒng)的設計由上述調(diào)速主軸電機及機床主軸的功率扭矩特性532002年第6期圖3調(diào)速電機變速系統(tǒng)的功率扭矩特性圖4無級調(diào)速主運動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)網(wǎng)可知無級調(diào)速電機的恒扭矩調(diào)速范圍滿足機床所需的恒扭矩變速范圍,但其恒功率調(diào)速范圍卻不能滿足機床所需的恒功率變速范圍的要求,因此必須在無級調(diào)速機后串聯(lián)一齒輪變速組。齒輪變速組的變速級數(shù)Z和公比可由下式計算:Rz=RnN/RdN=(Z-1)即:Z=(lgRnN-lgRdN)/lg+1或:=(RnN/RdN)1/(Z-1)(1)式中RZ齒輪變速組的變速范圍由于齒輪變速組的變速級數(shù)Z通常為24,當RnN和RdN為已知值時,將Z=2,3,4等值代入(1)式,即可求得對應于不同Z的值。如果其公比=RdN或RdN,則變速段每一檔內(nèi)有部分低轉(zhuǎn)速不能恒扭矩變速。下面分別以這三種情況進行討論:(1)RdN圖3a為RdN時的機床功率扭矩特性曲線,從圖可看出N-n曲線出現(xiàn)“缺口”(圖中變速級數(shù)為3),稱為功率降低區(qū),即在使用“缺口”范圍內(nèi)的轉(zhuǎn)速時,電動機的輸出功率達不到其額定功率Nd。功率降低區(qū)的變速范圍(即“缺口”的寬度)為:=/RdN=Nd/N0式中N0功率降低區(qū)內(nèi)的最小輸出功率。RdN應滿足的條件因M=9554Nd/n從圖3a知:n1j=nj=9554Nd/M(2)一檔降速比i1=n1j/ndj=n1max/ndmax(3)二檔降速比i2=n2j/ndj=n2max/ndmax(4)而n2j=n1max(5)三檔降速比i3=n3j/ndj=n3max/ndmax(6)而n3j=n2max(7)將式(5)代入(3)式得:n1j=(n2j/ndmax)ndj(8)將式(7)代入(4)式得:n2j=(n3j/ndmax)ndj將上式代入(8)式得:n1j=(ndj/ndmax)2n3j由式(6)得:n3j=(n3max/ndmax)ndj代入上式得:n1j=(ndj/ndmax)3(n3max/2)對于Z=3,因n3max=nmax,n1j=nj故:(ndmax/ndj)3=nmax/(2nj)將式(2)代入上式得:(ndmax/ndj)3=Mnmax/(95542Nd)(9)即:R3dN=Mnmax/(95542Nd)(10)如果齒輪變速組有Z檔,可得出主電機恒功率調(diào)速范圍應滿足的條件:RdN=ZMnmax9554(z-1)Nd(11)上面各式中:n1j、n2j、n3j第一、二、三檔的計算轉(zhuǎn)速(r/min)n1max、n2max、n3max第一、二、三檔的最高轉(zhuǎn)速(r/min)機床總效率(=0.750.8)Nd主電機額定功率(kW)M主軸最大扭矩(Nm)Nd應滿足的條件設計時為使機床主軸的功率降低區(qū)內(nèi)仍能得到所要求的切削功率,應使:N0=Nd/Nmax即所選電機的額定功率為NdNmax(12)Nmax為機床實際需要的最大功率Nmax=N切max/電動機的額定功率Nd通常稍大于機床實際需要的最大功率Nmax,只要N063組合機床與自動化加工技術(shù)Nmax,就不影響機床的使用性能。所以為使RdN和Z不致過大,在恒功率區(qū)內(nèi)保留一定寬度“缺口”的辦法,在實際設計中經(jīng)常采用。但值不能過大,以避免降低機床使用性能或必須選用較大的電動機功率,通常重型機床F1.26,中型機床F1.41。結(jié)構(gòu)網(wǎng)如圖4a所示(2)=RdN圖3b為其機床功率扭矩特性曲線。從圖中可知,通過3級齒輪變速組使機床主軸在恒功率能獲得3個轉(zhuǎn)速段,每個轉(zhuǎn)速段與相鄰的上一轉(zhuǎn)速段相接。RdN應滿足的條件從圖3b可知:n2j=n1maxn3j=n2max同理可得,三檔的齒輪變速組機床采用的主電機的恒功率調(diào)速范圍應滿足:R3dN=Mnmax/(9554Nd)(13)如果齒輪變速組有Z檔,其機床主電機恒功率調(diào)速范圍應滿足的條件:RdN=ZMnmax9554Nd(14)Nd應滿足的條件從圖3b可以看出,這時所選電機的額定功率Nd應滿足:NdNmax(15)結(jié)構(gòu)網(wǎng)如圖4b所示(3)RdN圖3c為其機床功率扭矩特性曲線。從圖可知,通過3級齒輪變速組使機床主軸在恒功率能獲得3個轉(zhuǎn)速段,每個轉(zhuǎn)速段與相鄰的上一轉(zhuǎn)速段相接出現(xiàn)了部分“重合”(1)RdN應滿足的條件從圖3c可知:n2j=n1max/n3j=n2max/同理可得,三檔的齒輪變速組機床采用的主電機的恒功率調(diào)速范圍應滿足:R3dN=Mnmax2/(9554Nd)(16)如果齒輪變速組有Z檔,其機床主電機恒功率調(diào)速范圍應滿足的條件:RdN=ZMnmax(Z-1)9554Nd(17)Nd應滿足的條件從圖3c可以看出,這時所選電機的額定功率Nd應滿足:NdNmax(18)結(jié)構(gòu)網(wǎng)如圖4c所示(為作圖方便,圖中取=RdN/2)對于一般傳動系統(tǒng),原則上應使=RdN,但在實際設計中,將Z=2、3、4代入(1)式求得的值往往不是大于RdN就是小于RdN,而很少出現(xiàn)恰好等于RdN的情況,為了簡化齒輪變速組的裝置,通常使RdN,只有當因加工需要,機床主軸的轉(zhuǎn)速段跨于兩檔之間且又能夠不停車實現(xiàn)連續(xù)變速的場合才采用,如目前有較多的數(shù)控機床的主傳動系統(tǒng)就采用了這種設計方式。4結(jié)束語數(shù)控機床主運動系統(tǒng)是以功率、扭距特性相匹配為出發(fā)點,以所選主軸電機的調(diào)壓調(diào)速部分(恒功率范圍)作為串聯(lián)齒輪有級變速的基本組為設計基礎,公比的選擇依據(jù)機床實際加工時的速度變化特點而定。對于一般傳動系統(tǒng),原則上應使=RdN,公比過小時,各變速段速度重合度較大,恒功率調(diào)速部分的變速連續(xù)性較好,電機功率利用率較大,但結(jié)構(gòu)較復雜；公比較大時,結(jié)構(gòu)簡單,但各變速段恒功率部分不連續(xù),中間有恒扭矩過渡,電機功率利用率較小,所選電機功率應比主軸所需功率大。當機床的主要參數(shù)確定以后,如何正確選用主電機的轉(zhuǎn)速范圍及額定功率是主傳動系統(tǒng)設計時應先考慮的問題,公式(11)、(12)、(14)、(15)、(17)、(18)為設計提供了理論依據(jù)。按此原則進行選擇,就能夠保證設計質(zhì)量。參