c618数控车床的主传动系统设计

1、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： 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。 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。 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

2、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一一抗振性。 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 k 与动力参数的关系为：d(4-1)式中：k 机床主轴结构系统的静刚度（N/Rm ）;o 外加激振力的激振频率（Hz）；o 主轴组件的固有频率（o =， m为当量质量，k为当量静刚度）；nn . mg 阻尼比（g = I，丫是阻尼系数，丫是临界阻尼系数，丫 = 2mo）。yccnc由上式可见，为提高主轴组件的抗震性，须使k值较大，为此应尽量使阻尼比、当量 d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从该公式中可以看出，若均匀地改变电源的频率f，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

3、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调速方法项目变频变极变转差率是否改变同变变转子串电阻不变串极调速不变调压调速不变电磁调速电机不变步转速静差率小小大小开环时大开环时大（好）（好）(差)(好)闭环时小闭环时小调速范较大（10较小小较小闭环时闭环时调围（D）以上）(24)(2)(24)较大较大速调速平好（无级差（有级差好（无级好（无级好指滑性调速）调速）（有级调速）调速）调速）（无级调速）标适应负恒转矩恒转矩恒转矩恒转矩通风机通风机载类型恒功率恒功率恒转矩恒转矩设备多少少较多较少较少投资电能较小小大较小大大损耗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

4、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12,很少到34,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34，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，

5、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 n为分界，从n至最高转速n的区域I为恒功率区，在该区域内，任意转速下主轴都可 jjmax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n至nminj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M。在区域 max内，主轴可能输出的最大功率P，则随主轴转速的下降而下降。通常，恒功率区约占整 max个主轴变速范围的2/33/4；恒转矩区约占1/41/3。如图4-3所示是变速电动机的功率特性。从额定转速n到最高转速n区域I为恒功dmaxde率区；从最低转速n 至n的区域II为恒转矩区。直流电动机的额定转速常为1000mindr/min一1500 r/min。从n至n用调节磁通的方法得到，称为调磁调速；从n至n用调 dmaxmind节电驱电压的办法得到，称为调压调速。交流调频电动

6、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24；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 R=100，n =3000r/min， n maxn =30r/min；主传动机械总效率系数n=0.9,最大切削功率为10kw,最小切削功率为3kw。 min则电机初选功率应为P 10vkw，根据电机规格，可选用llkw或者15kw的电机。D表格4

7、。2电机选择两种方案对比交流主轴电机主轴与变速机构型号P (kw)DRDPNDsminRDTnjRnPRnTRFiyYP160M -421134503.383303.3101/18YP160L-41533354.511222.34.57.441/13.42、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P =dsminPnm in=3/0.9=3.3kw(4-2)2）、算电机实用的最底转速n （r/min）Dsmin由式n 二DsminP x ndsmindPD(4-3)计算结果：11kw的电机为：n =450r/minDsmin15kw 的电机为：n =333r/minDsmin式中：n电机的基本转速r/min；dP 电机额定功率kw。D(n =1500r/min)d(n =1500r/min)d由此，设计者选用功率为11kw、型号为YP160M-4的交流调频电机。 2二）、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D、电机额定转矩丁。（N/m）为T=Dd9550PDnd11 x 95501500=70NM(4-4)2）、电机最

8、小转矩T （NM）dminT 9550PuT =d =23.2 NM（4-5）dminndMax其中电机最大转速n =4500r/mindmax3）、电机实用恒转矩区变速范围Rdt=n=3.3ndmin(4-6)4）、主轴恒转矩区变速范围R =R =3.3nT DT5）、电机恒功率区变速范围(4-7)n 宀Rdp=f-=3nd(4-8)2、主轴参数计算1）、主轴计算转速njnj=nn3000X ( max)0.3 =30 X ()min n30min3 =120r/min(49)2)、主轴恒功率变速范围RnPR = nR 一 max nP nj=辔=25r/min(4-10)3）、分级变速机构的变速范围RfR25R = n = 一 =8.3(411)F R3DP其中：R主轴恒功率区变速范围nPR电机恒功率区变速范围DP4)、主传动系统总降速比iEn 120i 二=-2 = 1/12.5(412)E n 1500d(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n或调磁转速n。理论上说电动机的转速可以无级调速，但是，主轴YC转速S代码最多只有

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