数控机床主运动变速系统设计研究.pdf

数控机床主运动变速系统设计研究刘吉兆1崔晓莉1周立211湖南建材高等专科学校,湖南衡阳421008；21湖南大学衡阳分校,湖南衡阳421000摘要在分析调速主轴电机及机床主轴的功率扭矩特性的基础上,研究了采用调速电机的数控机床主运动变速系统各参数之间的关系,并建立了确切的公式,分析讨论了机电串联分段无级调速主运动变速系统的设计原则。关键词数控机床；调速电机；主运动；分段无级调速中图分类号TG5021文献标识码A文章编号10012265200206003503RESEARCHONTHEMAJORMOVEMENTVARIABLESPEEDSYSTEMDESIGNEDFORNCMACHINELIUJIZHAOCUIXIAOLIZHOULIABSTRACTONTHEBASISOFANALYSINGVELOCITYMODULATIONMAJORAXISMOTOROFMACHINETOOL’SANDMAJORAXISPOWERTORQUECHARAC2TERS,THISARTICLEHASSTUDIEDPARAMETERS’RELATIONSOFNCMACHINETOOL’SMAJORMOVEMENTVARIABLESPEEDSYSTEMINVELOCITYMOD2ULATIONMOTORANDSETUPTHEEXACTFORMULA,ANDSUGGESTEDDESIGNINGRULESONTHEMAJORMOVEMENTVARIABLESPEEDSYSTEMOFSTEP2LESSVELOCITYMODULATIONBYSTAGESINSERIESOFMACHINERYELECTRICITYKEYWORDSNCMACHINE；VELOCITYMODULATIONMOTOR；MAJORMOVEMENT；STEPLESSVELOCITYMODULATIONBYSTAGES图1调速电机功率扭矩特性图2机床主轴功率扭矩特性为了满足加工不同表面时切削速度的基本恒定及自动换刀系统中不同刀具的合理切削速度,数控机床主运动多采用无级调速系统,且一般都用直流或交流调速电机作动力源,但因其与机床主运动变速系统所需的功率扭矩特性不匹配,因而,往往需在电气调速系统之后串接机械有级变速,来使它们相匹配。从而实现分段无级调速主运动传动系统。1调速主轴电机的功率扭矩特性目前,全功能数控机床主运动系统多采用直流和交流调速主轴电机,其功率扭矩特性见图1。从图1中可知,NDJ是同时满足电机全功率和最大扭矩的唯一转速,称电机的基本转速,NDJ～NDMAX段为恒功率调速段。一般直流调速主轴电机的恒功率调速范围RDNNDMAX/NDJ1～2,很少超过3～4。交流调速主轴电机的恒功率调速范围RDN3～5,NDMIN～NDJ段属于恒扭矩调速。而调速主轴电机恒扭矩调速范围RDMNDJ/NDMIN却很大,可达30以上,甚至超过100。调速主轴电机的变速范围RDRDMRDN。2数控机床主轴的功率扭矩特性主运动系统中的主轴和传动件尺寸主要取决于其所传递的扭矩大小,而扭矩大小则与所传递的功率及转速有关。通用机床与数控机床在实际使用中,低转速范围加工,如粗加工、螺纹加工、铰孔等工序时都不需要使用机床的全部功率,若按最低转速设计计算,势必造成各传动件粗大、浪费。通常机床主运动只是从某一被称之为计算转速NJ的速度开始才可能使用电机全部功率。由此可得机床主轴的功率、扭矩与速度特性曲线如图2。从图中可知,NJ是同时满足电机全功率和主轴最大扭矩的唯一转速。机床主轴在NJ～NMAX段内能传递电机的全部功率,属恒功率变速范围,RNNNMAX/NJ。在NMIN～NJ段内机床主轴并不能传递全部功率,而传递的扭矩则为常数且为最大值,属恒扭矩变速范围RNM,机床的整个变速范围RNRNMRNN。通常恒功率区约占主运动总变速范围的2/3～3/4。同时数控机床主运动变速范围RN较宽,一般RN100～200,甚至更大。3无级调速主传动系统的设计由上述调速主轴电机及机床主轴的功率扭矩特性532002年第6期图3调速电机变速系统的功率扭矩特性图4无级调速主运动系统的结构网可知无级调速电机的恒扭矩调速范围满足机床所需的恒扭矩变速范围,但其恒功率调速范围却不能满足机床所需的恒功率变速范围的要求,因此必须在无级调速机后串联一齿轮变速组。齿轮变速组的变速级数Z和公比Φ可由下式计算RZRNN/RDNΦZ1即ZLGRNNLGRDN/LGΦ1或ΦRNN/RDN1/Z11式中RZ齿轮变速组的变速范围由于齿轮变速组的变速级数Z通常为2～4,当RNN和RDN为已知值时,将Z2,3,4等值代入1式,即可求得对应于不同Z的Φ值。如果其公比ΦRDN或ΦRDN,则自计算转速NJ至最高转速NMAX范围内全部为恒功率变速。如果ΦRDN,则变速段每一档内有部分低转速不能恒扭矩变速。下面分别以这三种情况进行讨论1ΦRDN图3A为ΦRDN时的机床功率扭矩特性曲线,从图可看出NN曲线出现“缺口”图中变速级数为3,称为功率降低区,即在使用“缺口”范围内的转速时,电动机的输出功率达不到其额定功率ND。功率降低区的变速范围即“缺口”的宽度Δ为ΔΦ/RDNND/N0式中N0功率降低区内的最小输出功率。①RDN应满足的条件因M9554ΗND/N从图3A知N1JNJ9554ΗND/M2一档降速比I1N1J/NDJN1MAX/NDMAX3二档降速比I2N2J/NDJN2MAX/NDMAX4而N2JΔN1MAX5三档降速比I3N3J/NDJN3MAX/NDMAX6而N3JΔN2MAX7将式5代入3式得N1JN2J/ΔNDMAXNDJ8将式7代入4式得N2JN3J/ΔNDMAXNDJ将上式代入8式得N1JNDJ/ΔNDMAX2N3J由式6得N3JN3MAX/NDMAXNDJ代入上式得N1JNDJ/NDMAX3N3MAX/Δ2对于Z3,因N3MAXNMAX,N1JNJ故NDMAX/NDJ3NMAX/Δ2NJ将式2代入上式得NDMAX/NDJ3MNMAX/9554ΗΔ2ND9即R3DNMNMAX/9554ΗΔ2ND10如果齿轮变速组有Z档,可得出主电机恒功率调速范围应满足的条件RDNZMNMAX9554ΗΔZ1ND11上面各式中N1J、N2J、N3J第一、二、三档的计算转速R/MINN1MAX、N2MAX、N3MAX第一、二、三档的最高转速R/MINΗ机床总效率Η075～08ND主电机额定功率KWM主轴最大扭矩NM②ND应满足的条件设计时为使机床主轴的功率降低区内仍能得到所要求的切削功率,应使N0ND/Δ≥NMAX即所选电机的额定功率为ND≥ΔNMAX12NMAX为机床实际需要的最大功率NMAXN切MAX/Η电动机的额定功率ND通常稍大于机床实际需要的最大功率NMAX,只要N0≥63组合机床与自动化加工技术NMAX,就不影响机床的使用性能。所以为使RDN和Z不致过大,在恒功率区内保留一定宽度“缺口”的办法,在实际设计中经常采用。但Δ值不能过大,以避免降低机床使用性能或必须选用较大的电动机功率,通常重型机床ΔF126,中型机床ΔF141。③结构网如图4A所示2ΦRDN图3B为其机床功率扭矩特性曲线。从图中可知,通过3级齿轮变速组使机床主轴在恒功率能获得3个转速段,每个转速段与相邻的上一转速段相接。①RDN应满足的条件从图3B可知N2JN1MAXN3JN2MAX同理可得,三档的齿轮变速组机床采用的主电机的恒功率调速范围应满足R3DNMNMAX/9554ΗND13如果齿轮变速组有Z档,其机床主电机恒功率调速范围应满足的条件RDNZMNMAX9554ΗND14②ND应满足的条件从图3B可以看出,这时所选电机的额定功率ND应满足ND≥NMAX15③结构网如图4B所示3ΦRDN图3C为其机床功率扭矩特性曲线。从图可知,通过3级齿轮变速组使机床主轴在恒功率能获得3个转速段,每个转速段与相邻的上一转速段相接出现了部分“重合”ΦRDN,为便于说明,图中三段功率线错开画出,重合宽度Δ为ΔRDN/ΦN1MAX/N2JN2MAX/N3JΔ1①RDN应满足的条件从图3C可知N2JN1MAX/ΔN3JN2MAX/Δ同理可得,三档的齿轮变速组机床采用的主电机的恒功率调速范围应满足R3DNMNMAXΔ2/9554ΗND16如果齿轮变速组有Z档,其机床主电机恒功率调速范围应满足的条件RDNZMNMAXΔZ19554ΗND17②ND应满足的条件从图3C可以看出,这时所选电机的额定功率ND应满足ND≥NMAX18③结构网如图4C所示为作图方便,图中取ΦRDN/2对于一般传动系统,原则上应使ΦRDN,但在实际设计中,将Z2、3、4代入1式求得的Φ值往往不是大于RDN就是小于RDN,而很少出现Φ恰好等于RDN的情况,为了简化齿轮变速组的装置,通常使ΦRDN,只有当因加工需要,机床主轴的转速段跨于两档之间且又能够不停车实现连续变速的场合才采用,如目前有较多的数控机床的主传动系统就采用了这种设计方式。4结束语数控机床主运动系统是以功率、扭距特性相匹配为出发点,以所选主轴电机的调压调速部分恒功率范围作为串联齿轮有级变速的基本组为设计基础,公比的选择依据机床实际加工时的速度变化特点而定。对于一般传动系统,原则上应使ΦRDN,公比过小时,各变速段速度重合度较大,恒功率调速部分的变速连续性较好,电机功率利用率较大,但结构较复杂；公比较大时,结构简单,但各变速段恒功率部分不连续,中间有恒扭矩过渡,电机功率利用率较小,所选电机功率应比主轴所需功率大。当机床的主要参数确定以后,如何正确选用主电机的转速范围及额定功率是主传动系统设计时应先考虑的问题,公式11、12、14、15、17、18为设计提供了理论依据。按此原则进行选择,就能够保证设计质量。参考文献1刘吉兆无级调速电机的主传动系统设计探讨机械,199862机床设计手册编写组机床设计手册第三册北京机械工业出版社,19863机床设计手册编写组机床设计手册第五册北京机械工业出版社,19864戴曙主编金属切削机床北京机械工业出版社,1994收稿日期20020104作者简介刘吉兆1964,男,湖南常宁人,湖南建材高等专科学校副教授,在读硕士研究生。编辑江复732002年第6期