淺談數控機床主旋轉運動無（wú）級調速傳動設計

――蕪湖（hú）高新重型機床有限公司研發三（sān）部

前   言
進入80年代（dài）以來，隨（suí）著電控技（jì）術的發展，隨著可控矽技術的發展突破，交（jiāo）流變頻電機出現在工業化應用領域（yù），無級調速（sù）主軸電機使數（shù）控機床主傳動（dòng）實現（xiàn）無級調速，解決了直流電機長期運轉產生整流火花和（hé）電刷磨（mó）損的難題。曾為主（zhǔ）要動力源的直流調速電機，在多數數控機床主旋轉運動中逐（zhú）漸（jiàn）由交流調速主軸電機取（qǔ）代。

無級調速主傳動係統按品（pǐn）種和工（gōng）藝（yì）範圍的（de）不同（tóng），分為兩類，一類是高速專能化數控機床，一類是通用化數控機床。這兩類機床的主傳動係統的設計有較大差（chà）別，傳動方案也大不相（xiàng）同。
    本文就上述兩類機床進（jìn）行分析，給出設計方案及相關參數，對串聯分級變速機構的主（zhǔ）傳動無級調速係統的設計方（fāng）法，從理論上加以（yǐ）分析論述。最後給出一個設計示例。
1。 高速專能化（huà）數控機床主傳動無級調速
對要求主軸轉速（sù）高，變速範圍和（hé）恒功率區變速範圍都較小的數控磨床、高精密數控車（chē）床、工作時（shí）除了高速外（wài），切銷深度（dù）和進給量相對（duì）都小，而切削功（gōng）率和轉矩（jǔ）也小，通常不必選（xuǎn）用大功率的交流無級調速主軸電機，也不（bú）需要串聯分級變速機（jī）構和增大恒轉矩區的轉矩。隻要根（gēn）據具體設計要求，選用合適的交流無級調速的（de）主軸電機，采用相應的下列（liè）傳動（dòng）方案之一，就可實現要求的功能。

1.1 選用內裝式主軸電機(即電主軸)

所謂內裝式主軸電（diàn）機，就是主軸箱和電機融為（wéi）一體，電機轉子（zǐ）就是主軸，主軸是中空的，頭部是標準結構，便於（yú）安裝卡盤和（hé）刀具，電機（jī）座就是主軸箱體，可安裝在床身上。除此（cǐ）外，無任何中間傳動件，結構簡單，傳動精（jīng）度和機械效率都很高。主軸的實際工作轉速（sù）高於電機的基本轉速nd,nd＝1500 r/min,小功率的nd＝2000 r/min，這類機（jī）床（chuáng）的恒功率區變速範圍小，通常都在3-5，內裝式（shì）主軸電機完全能滿足要求。目前國外這類數控機床和（hé）加工中心主（zhǔ）軸（zhóu）最高轉速（sù）可達到幾萬轉，一般都在5000-6000 r/min，我國因刀具技術水平限製（zhì），最高轉速（sù）5000 r/min，一般都在3500 r/min左右，已有（yǒu）成套（tào）設備生產供應市場，比如，小（xiǎo）孔徑數控龍門鑽床、如GXKP1010DM 、GXKP1212DG等型號的高效鑽床，在加工散熱器，雷磨（mó）磨板，換熱器（qì）、小管板產品中得到了廣泛的應用。
1.2 選用（yòng）輸出轉換型主軸（zhóu）電機（jī）
     這種電機既能變頻調（diào）速，又能切換繞（rào）組(即變級)分（fèn）檔變速，使電機本身的調（diào）速範圍和恒功率區調速範圍增大，以（yǐ）滿（mǎn）足機床主軸較大變速範圍（wéi）的要求。若電機輸出軸與機床主軸之間（jiān）采用多聯V型帶或齒型帶降速傳動，可實現低速增轉矩功能。目前，皮帶（dài）傳動的小型機床轉矩可達到245 N·m，中型機床轉矩大於490 N·m，大型機床達到785-1177 N·m。
2 串（chuàn）聯分級變速（sù）機（jī）構的主傳動係統
     對於通用型數（shù）控機床（chuáng），如數控車床、銑床、鏜床、數（shù）控龍門鑽銑及加工中心，要求主軸變速範圍Rn≥100-200，恒功（gōng）率區的變速範圍盡量大，當主（zhǔ）軸最低轉（zhuǎn）速擬定（dìng）後，主軸的（de）計算轉速應較低，主軸的恒轉（zhuǎn）矩區增轉矩作用較大，滿足低速大轉矩的切削加工要求。實（shí）現這些功能應在交流無級調速主軸電機後串聯分級變速機構（gòu），這種交流變頻主軸電機，最高轉速為4500r/min,基本轉速nd為1500 r/min,最低轉速為45 r/min,顯然電機的恒功率區不能滿足機床要求。應（yīng）串聯分級變速機構，擴大電機恒功率（lǜ）區變（biàn）速範圍。另外，電機的額定功率比同類型的通用機床要選得（dé）高些，若傳動係統設計得好，主軸恒（héng）動功率區無功率缺口或缺口很小，也可能不需要選大功率的電機。

選用較大功率（lǜ）的原因（yīn）有二，一是電機在恒轉矩（jǔ）區運行時（shí），應保證主軸在（zài）最低轉速切（qiē）削時有足夠大的功率；二是因主（zhǔ）軸在恒功率區工（gōng）作時，有些係統（tǒng）會出現功（gōng）率缺口，為在缺口低穀處功率應保證傳遞（dì）全部（bù）功率，隻有選擇額定功（gōng）率較大的電機給予（yǔ）補償。

我國引進（jìn）並（bìng）國產化的BESK係列的（de）交流主軸電機適用於這類機床，連續（xù）運轉額定功率分別為（wéi）7.5、11、15、18.5、22 kW五種規（guī）格，電機的（de）最高轉速ndmax＝4500 r/min,基本轉速（sù）nd＝1500 r/min，最低轉速nmind＝45 r/min。其功率轉矩（jǔ）特性曲（qǔ）線（xiàn）如圖（tú）1所示。

圖1 電機功率轉（zhuǎn）矩特性圖

由圖1看出，電機在恒轉矩區功率隨轉速降低而（ér）減小，當電機轉速低於300 r/min時（shí）因功率的減小而不（bú）能（néng）利用，實際可用的電機最低轉速取決於機床所要求的最小切削功率和電機的額定輸出功率。

2.1 確定初選電機功率

根據機床要（yào）求，初選電機功率，並考慮主傳動（dòng）®機（jī）械總效率係數約為η＝09；電機功率選得適當主軸（zhóu）恒功率區無缺口或有微小缺口，電機功率選得（dé）較大 主軸恒功率區允許（xǔ）有略大的缺口。

2.2 確定最小輸出功率（lǜ）

計算主軸在最低轉速達到最（zuì）小功率時，電機應輸出的功率

pdsmin＝Pnmin／η(kW)(1)

2.3 電機適用最低轉速為：

nDsmin=pDSimn/PD*nd(r/min) (2)

式中：nd—電機的基本轉速(r/min)；PD—電機額定功率(kW)

2.4 計算電（diàn）機額定轉速（sù）

根（gēn）據上述計（jì）算畫（huà）出電機實用轉速範圍的功率轉矩特性圖，圖中電機額定轉矩TDd(N·m)按下（xià）式計算：

TDd＝9550PD/nd，(N·m) (3)

電機的最小轉矩（jǔ）TDmin(N·m)計算

TDmin＝9550Pd/ndmax (N·m)(4)

式中ndmax—電機的最高轉速(r/min)

電機實用的恒轉（zhuǎn）矩變速範圍RDT為：

RDT ＝nd/ndsmin (5)

電機（jī）實用的恒（héng）轉矩（jǔ）區的變速範圍RDT也將是主軸恒轉矩（jǔ）區變速範圍的對應值RnT，即：

RnT＝RDT；

2.5 主軸變（biàn）速係統其他參數的計算

(1)主軸計算轉速nj：

nj＝nmin·RnT (r/min) (6)

(2)主（zhǔ）軸（zhóu）恒動功率變速範圍（wéi）Rnp：

Rnp ＝nmax / nj(7)

(3)分級變速機構的變速範圍RF：

RF＝Rnp/RDp (8)

式（shì）中：Rnp—主軸恒動功率區（qū）變速範圍；
RDp—電機恒功（gōng）率區變速範圍。

(4)主傳動（dòng）係（xì）統總降速比i：

i∑＝nj/nd(9)

2.6 分（fèn）級（jí）變速機構

分級變速機構級數Z，傳動比i和級比φ；級數Z主（zhǔ）要取決於本機構要求的（de）變速範圍RF和電機恒動率區的變速範圍RDP，同時還和機構的（de）複雜程度和主軸是否允許（xǔ）有功率7缺口有（yǒu）關，常用的級數Z＝2、3、4；

(1)設Z＝2，傳動比i1、i2；且i1＞i2，則級比φ＝i1 /i2＝RF，要使主軸轉速連續，功率（lǜ）無缺口的條件是（shì）φ≤RDP(即RF≤RDP)，這（zhè）與要求主軸恒功率區變（biàn）速範圍（wéi）Rnp盡量大相矛盾，否則（zé）主軸轉速不（bú）連續，功（gōng）率有（yǒu）缺口，如（rú）圖2所示：

圖2圖3

由（yóu）圖2看出，采用一（yī）個Z＝2的變速組(即Ⅱ軸為（wéi）主軸)，隻（zhī）有級比φ≤RDP時主軸恒功率區轉速連續但主（zhǔ）軸Rnp很小，不能滿足機床要求。若再增加一個Z＝2的傳動組，(如圖2Ⅱ—Ⅲ軸)，主軸(Ⅲ軸)Rnp擴大範圍很（hěn）寬，但要經常換（huàn）檔且操縱（zòng）機構（gòu）複雜，主軸轉速不連（lián）續，功率有缺口，因此不可取。

(2)設Z＝4，如圖3所示，四聯滑移齒輪或兩個雙聯滑移齒輪，使變速機構軸向尺寸增大，也不可取。

(3)設Z＝3，傳動比為i1、i2、I3,i1＞i2＞i3，級比φ1＝i1/i2，φ2＝i2/i3，RF＝φ1·φ2，令φ1＝φ2＝φ，則RF＝φ2；φ＝RF。如圖4所（suǒ）示。

圖4

當RDP＝3，φ≤3時，主軸無功率缺口，采用一級（jí）帶輪（lún）(或齒輪)傳動時和一個（gè）三聯滑移齒輪（lún），較為理想。

2．7 主傳動係統圖

由圖4看出（chū），設計主傳（chuán）動係統圖較為簡單，采用一級齒輪(或帶輪)定比（bǐ）傳動和三聯滑移齒輪(4a)(4b)圖4變速組（zǔ）實現分級變速機構也較為理想，主軸恒功率區範圍較（jiào）寬，功率無缺口，轉速連續，若設計得較（jiào）為理想的微小功（gōng）率缺口，主軸的變速範圍還可增大，能滿足機床要求。

上述理論分析及其設計計（jì）算步驟方法，舉例說明如後。

3 算 例

已知某中型數控車床，主軸變速範圍Rn＝100，nmax＝2500r/min，nmin＝25r/min，最大切削功率10kW，在最低轉速工作時功率3 kW。試確定電機的額（é）定功率（lǜ）及電機實用的最低轉速。主傳動機械（xiè）總效率係數η＝0.9。

(1)根據要求可知，初選電機功率PD＞10kW，由（yóu）前述電機規（guī）格，可選用11kW或15kW的電機。

(2)計（jì）算主軸在最低轉速(nmin＝25r/min)達到（dào）最小功（gōng）率（lǜ）(Pnmin＝3kW)時，電機應輸（shū）出的（de）功率PDsmin。

由式(1)計算（suàn）：PDsmin＝Pnmin/η＝309＝335 kW

(3)計算電機實用的最低轉速nDSmin(r/min)：由（yóu）式(2)計算結（jié）果：

11 kW的電機為：nDSmin ＝450(r/min)
15 kW的電機（jī）為（wéi）：nDSmin ＝335(r/min)

(4)根據上述計算結果畫出兩種電機實用轉速範圍的功率轉矩特性圖，如圖(5a，5b)：

(5a)11(kw)電機 (5b)15(kw)電（diàn）機
圖（tú）5 電機（jī）功率轉矩特性圖

其餘各參數計算均按前述公式(3)-(9)，計算結果列於下表（biǎo）

表1 主傳動兩種方案有（yǒu）關數據對照表

由上表可知：選用不同電機功率而要求主軸在最低轉速nmin＝25 r/min工作時（shí），切削功率相同(即Pnmin＝3 kW)導（dǎo）致兩種（zhǒng）方案的的主要參數有較大差別（bié）。

再根（gēn）據上表各參數畫出兩種方案的轉速圖和對應的（de）功率轉矩特性（xìng）曲線圖（tú），如圖6(a)，(b)為11 kW電（diàn）機串聯分級變（biàn）速機（jī）構的轉（zhuǎn）速圖和功率轉矩特性曲（qǔ）線圖。圖7(a)，(b)，為15 kW電機串聯分（fèn）級變速機構的轉速圖和功率特性曲線圖。

(6a)(6b)
圖6

(7a) (7b)
圖7

由（yóu）圖6(b)看出：主軸恒動率區對應有小缺口，在換擋時降低功（gōng）率約05 kW，影響不大，能滿足使用要求。因此，選用11 kW的交流（liú）調頻（pín）電機較理想。

圖7(b)看出：主軸恒功率區無缺（quē）口，但電機功率大，有些浪費，可提高切削用量。

4 結 論

1.帶有分級變速機構的變速範圍RF取決於（yú）交流調速電機（jī）恒功率（lǜ）調速範圍RDP和（hé）級數Z。當電機確定（dìng）後，要使主軸轉速連續的條件是級比φ≤RDP，否則，主軸轉速不（bú）連續（xù），產生功率缺口。

2.分級變速機構的級數Z的選擇應根據設計數控機床的具體要求確定。通常Z＝3時，若RDP＝3 時，分（fèn）級（jí）變速機（jī）構的（de）恒（héng）功率區變速範圍可擴大（dà）到9左右，主（zhǔ）軸轉速連續。

3.選擇電機功率時，在滿足機床要求（qiú）的前提下，若無特殊要求，就不必選擇較（jiào）大功（gōng）率的電（diàn）機，以免造成浪費。

參考文（wén）獻：
〔1〕 機床設計（jì）手冊編寫組機床設計手冊（cè）〔第（dì）3冊〕［M］北京：機械工業出版（bǎn）社，1986.
〔2〕 北京（jīng）航空學院數控機床結構與傳動［M］北（běi）京：國（guó）防工業出版社，1997.
〔3〕 李良福摘譯，現代數（shù）控車床的主傳動係統［J］機床，1992，184(8)：36-38.
〔4〕 廉元國張永洪編著加工中心設計與應用［M］北京：機（jī）械工業（yè）出版社，1995.