【053】3C618數(shù)控車(chē)床的主傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)(論文+DWG圖紙)

【053】3C618數(shù)控車(chē)床的主傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)(論文+DWG圖紙),053,c618,數(shù)控車(chē)床,傳動(dòng)系統(tǒng),設(shè)計(jì),論文,dwg,圖紙 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(mǎn)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(xiàn)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(mǎn)足普通機(jī)床傳動(dòng)要求外，還應(yīng)滿(mǎn)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。 ②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。 ③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： = (4-1) 式中: —機(jī)床主軸結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的靜剛度（）； —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）； —阻尼比（=，是阻尼系數(shù)，是臨界阻尼系數(shù)，=）。 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)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= 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(chēng)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(chēng)為變極調(diào)速。改變電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)差率的調(diào)速方法稱(chēng)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 項(xiàng) 目 調(diào) 速 方 法 變 頻 變 極 變 轉(zhuǎn) 差 率 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 調(diào) 速 指 標(biāo) 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 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?？紤]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，即可改變電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，且轉(zhuǎn)速與頻率成正比?？紤]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(xiàn)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Ⅰ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Ⅱ?yàn)楹戕D(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Ⅰ為恒功率區(qū)；從最低轉(zhuǎn)速nmin 至nd的區(qū)域Ⅱ?yàn)楹戕D(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(chēng)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(chēng)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)崿F(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，nmax=3000r/min，nmin=30r/min；主傳動(dòng)機(jī)械總效率系數(shù)η=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) 2）、算電機(jī)實(shí)用的最底轉(zhuǎn)速nDsmin（r/min） 由式nDsmin= (4-3) 計(jì)算結(jié)果 : 11kw的電機(jī)為：nDsmin=450r/min （nd=1500r/min） 15kw的電機(jī)為：nDsmin=333r/min （nd=1500r/min） 式中：nd---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) 2）、電機(jī)最小轉(zhuǎn)矩Tdmin（N·M） Tdmin= =23.2N·M (4-5) 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) 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) 2、主軸參數(shù)計(jì)算 1）、主軸計(jì)算轉(zhuǎn)速nj nj= (4-9) = =120r/min 2）、主軸恒功率變速范圍RnP RnP= ==25r/min (4-10) 3）、分級(jí)變速機(jī)構(gòu)的變速范圍RF RF= ==8.3 (4-11) 其中：RnP-----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) (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Φ等于電機(jī)的恒功率調(diào)速范圍RdP ,即Φ= RdP 。 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(xiàn)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Φ等于電機(jī)的恒功率調(diào)速范圍RdP ,即Φ= RdP .則機(jī)床主軸的恒功率變速范圍為 RnP=ΦZ-1RdP=ΦZ (4-13) 變速箱的變速級(jí)數(shù) Z= = =2.93 (4-14) 其中: RnP-----主軸恒功率區(qū)變速范圍 RnP=25 Φ-----變速箱的公比 Φ= RdP=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Ⅰ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)Ⅰ-Ⅱ-Ⅲ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(xiàn)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?？侩妱?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) 即為額定功率Pd的27% 。 在圖4-4（b）中，abdf應(yīng)為一條直線(xiàn)。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Φ= 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 Ⅰ[（2/3）?（20/60）?（20/60）] 405--1500 111≦n<333 Ⅱ[（2/3）?（20/60）?（20/60）] 1500--4500 333≦n<1000 Ⅲ[（2/3）?（40/40）?（20/60）] 1500--4500 1000≦n≦3000 Ⅳ[（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，j=3 帶傳動(dòng)的傳動(dòng)比i0=2/3 取 i1=1 i2=1/3 I3=1 i4=1/3 故?。?40 =40 =20 =60 =40 =40 =20 =60 (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α= 所以： =mz1=2.5×40=100（） (4-16) =2.5×40=100（） =2.5×20=50（） =2.5×60=150（） =2.5×40=100（） =2.5×40=100（） =2.5×20=50（） =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(xiàn)，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(xiàn)，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(xiàn)，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 電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速(r?min-1) 主軸轉(zhuǎn)速(r?min-1) 傳動(dòng)比 電磁離合器 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，M1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，M1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，M2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，M2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(chēng)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(chēng)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(chēng)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?？刂品椒刹捎脭?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?？梢酝瓿赡M控制方式難以完成的功能。 （5）關(guān)于變頻器名稱(chēng)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(chēng)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(chēng)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(chēng)。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(chēng)為正弦PWM調(diào)制，簡(jiǎn)稱(chēng)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。