数控车床的总体设计及主传动系统设计（全套含CAD图纸）
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数控车床
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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： 1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 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 222 21 (4式中 : k 机床主轴结构系统的静刚度（ ）； 外加激振力的激振频率（ n 主轴组件的固有频率（n= m 为当量质量， k 为当量静刚度）； 阻尼比（ =c ， 是阻尼系数， c 是临界阻尼系数， c = ）。 由上式可见，为提高主轴组件的抗震性，须使此应尽量使阻 尼比、当量刚度值或固有频率的值较高。在设主传动系统时，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 ni=均匀地改变电源的频率 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 异步电动机各种调速方法性能指标的比较 项 目 调 速 方 法 变 频 变 极 变 转 差 率 转子串电阻 串极调速 调压调速 电磁调速电机 是否改变同步转速 变 变 不 变 不 变 不 变 不 变 调 速 指 标 静差率 小 （好） 小 （好） 大 （差） 小 （好） 开环时大 闭环时小 开环时大 闭环时小 调速范围（ D） 较大（ 10以上） 较小 （ 2 4） 小 （ 2） 较小 （ 2 4） 闭 环时 较大 闭环时 较大 调速平滑性 好（无级调速） 差（有级调速） 差（有级调速） 好（无级 调速） 好（无级 调速） 好 （无级调速） 适应负载类型 恒转矩 恒功率 恒转矩 恒功率 恒转矩 恒转矩 通风机 恒转矩 通风机 恒转矩 设备 投资 多 少 少 较 多 较 少 较 少 电能 损耗 较 小 小 大 较 小 大 大 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 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 1 2，很 少到 3 4，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 3 4，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 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 = )1(60 ,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，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。其 主轴变频调速系统原理图 如图 4 图 4 如图 4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 为恒功率区，在该区域内，任意转速下主轴都可输出额定的功率，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 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 区域内，主轴可能输出的最大功率 随主轴转速的下降而下降。通常，恒功率区约占整个主轴变速范围的 2/3 3/4；恒转矩区约占 1/4 1/3。 如图 4示是变速电动机的功率特性。从额定转速 域 为恒功率区；从最低转速 至 区域 为恒转矩区。直流电动机的额定转速常为 1000 r/1500 r/ 为调磁调速；从 为调压调速。交流调频电动机用调节电源频率来达到调速的目的。额定转速常为 1500 r/两种电动机的恒功率转速范围为 2 4；恒转矩变速范围则可达 100以上。 图 4轴的功率转矩特性 图 4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。 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 00， 000r/0r/传动机械总效率系数 =大切削功率为 10小切削功率为 3电机初选功率应为 0据电机规格，可选用 115 表格 4。 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 DT F i 1 3 450 3 30 0 1/18 5 3 335 12 、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 (42）、算电机实用的最底转速 r/ 由式 (4 计算结果 : 11电机为： 50r/ （ 500r/ 1533r/ （ 500r/ 式中： r/ 由此，设计者选用功率为 11号为 （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 1）、电机额定转矩 N/m）为 500955011=70NM (42）、电机最小转矩 N M） M (4其中电机最大转速 500r/）、电机实用恒转矩区变速范围 (44）、主轴恒转矩区变速 范围 (45）、电机恒功率区变速范围 (42、主轴参数计算 1）、主轴计算转速 nj nn(n (4= 03000(30 =120r/ 2）、主轴恒功率变速范围 nP=203000=25r/ (43）、分级变速机构的变速范围 F= = 325 = (4其中： 4）、主传动系统总降速比 i i =1500120 =1/ (4(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 用四位代码指定主轴转速的没分钟转数，并且用 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 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 论上说电动机的转速可以无级调速，但是，主轴转速 S 代码最多只有 99 种，即使是使用 只能按一转递增，而且分级越多指令信号的个数越多，更难于实现。因此，实际上还是将主轴转速按等比数列分成若干级，根据主轴转速的 S 代码发出相应的有级级数与电机的调速信号来实现主轴的住动变速。电机的调压或调磁变速，由电动机的驱动电路根据转速指令电压信号来变换。齿轮有级变速则才用夜压或电磁离合器实现。 2、分级变速箱的设计 数控机床的分级 变速箱由于位于调速电机与主轴之间 ,因此 ,设计时除遵循一般有级变速箱设计原则外 ,必须处理好公比的选择 公比的选取有以下三种情况 : a、取变速箱的公比等于电机的恒功率调速范围 ,即 = 。 b、如果为了简化变速箱的结构，希望变速级数少一些，则不得不取较大的公比。 c、数控车床在切削阶梯轴、成行螺旋面或端面时，有时需要进行恒线速切削。 经综合分析比较选有第 (1)、取变速箱的公比等于电机的恒功率调速范围 ,即 = Z (4变速箱的变速级数 Z= (4其中 : 5 = Z 必须是整数，可取变速箱的变速级数 Z=3。其转速图如图 4a） 所示。电动机经定比传动 2： 3，使变速箱的轴 得到 3000r/1000r/功率）和 1000 r/r/转矩）的转速。如果经 - - 轴之间的两对 1： 1的齿轮传动，主轴能得到 3000 r/r/主轴转速 000 r/动机转速降到 1500 r/定转速）。如果电动机转速继续下降，则将进入恒转矩区，最大输出功率也将随之下降。表现在图 4b）的功率特性图上，主轴转速为 3000 r/r/，为 ，是恒功率。当电动机转速低于额定转速时，最大输出功率将沿 图 4动系统及功率特性图 当主轴转速降到 1000 r/，变速箱变速，经（ 1/1） *（ 1/3）传动主轴。这时电动机转速自动地回到最高转速。当电动机又从 4500 r/500 r/轴从 1000 r/33 r/是为恒功率。在功率特性图上为 当主轴转速降到 333 r/速箱变速， 经（ 1/3） *（ 1/3） =1/9转动主轴。电动机又回到最高转速。主轴从 333 r/11 r/特性图上为 主轴 111 r/转速已低于原要求的计算转速，以下进入恒转矩段。靠电动机继续降速得到，当电动机转速降到 405 r/轴转速降到 405*（ 2/3） *（ 1/9） =30 r/为主轴的最低转速，这时电动机的最大输出功率为： 500450d (4即为额定功率 7% 。 在图 4b）中， 了清楚起见，把它画成三段，并略错开。可以看出，主轴恒功率变速范围 段组成的，每段的变速范围为电动机的恒功率调速范围 。所以，变速箱的公比 = 。电动机的功率根据主轴的需要选择。主轴计算转速为 111r/表 表 主轴转速与有级级数和电动机调压调磁转速的关系 n/r级级数 nY/r0 n111 （ 2/3） （ 20/60） （ 20/60） 40511 n333 （ 2/3） （ 20/60） （ 20/60） 150033 n1000 （ 2/3） （ 40/40） （ 20/60） 1500000 n 3000 （ 2/3） （ 40/40） （ 40/40） 1500 4c）为转矩特性。从 a至 f，转矩随转速下降而上升。至 f 点为主轴输出的最大转矩 a至 3、分段有级变速传动方案确定 (1) 、传动方案的设计计算 由前面计算得： z =3， =3 带传动的传动比 ： 1z =40 1z =40 2z =20 2z =60 3z=40 3z=40 4z =20 4z =60 (2) 、齿轮的设计计算 大小齿轮都采用 45 号钢调质，选小齿轮硬度为 260290齿轮硬度为220250度选用六级，模数 m= 齿宽 b=30 螺旋角 = 020 所以： 1d =40=100（ (41d =40=100（ 2d =20=50（ 2d =60=150（ 3d=40=100（ 3d=40=100（ 4d =20=50（ 4d =60=150（ 还应该校核齿轮表面接触疲劳强度，弯曲疲劳强度。经校核均合格，其校核过程略。 (四 ) 、电磁 离合器的设计计算 有级变速的自动变换方法一般有液压或电磁离合器两种。 液压变速机构是通过液压缸、活塞杆带动拔叉推动滑移齿轮移动来实现变速，双联滑移齿轮用一个液压缸，而三联滑移齿轮必须使用两个液压缸实现三位移位。 电磁离合器是应用电磁效用接通或切断运动的元件，由于它便于实现自动操作，并有现成的系列产品可供选用，因而它已成为自动装置中常用的操作元件。电磁离合器用于数控机床的主转动时，能简化变速机构，操作方便，通过若干个安装在各转动轴上的离合器的吸合和分离的不同组合来改变齿轮的传动路线，实现主轴的变速。 经分析本设计选用电磁离合器来控制数控车床的有级自动变速。 图 4 电磁离合器变速的主传动系统图 图 4采用电磁离合器变速的传动系统图，该传动系统由四对相互啮合的齿轮构成二级齿轮变速。每对相啮合的齿轮中有一个空套在传动轴上，并与电磁离合器的联接件联接，离合器与传动轴采用花键联接，空套齿轮与传动轴之间只有在电磁离合器吸合时才能传动。因此，通过各离合器的吸合和分离的不同组合可以改变运动的传动路线，实现主轴的变速。对 4示系统，四个离合器有 4 种可实现传动的组合，由于有两组齿轮的齿数一样，因而有 4条 不同的传动路线，可获得 3 档机械变速（表 表 磁离合器动作与传动比 电动机 转 速(r主轴 转 速(r传动比 电磁离合器 2 4 1500 4500 1000 n 3000 i=（ 2： 3） *（ Z1/*（ Z3/2： 3 + - + - 1500 4500 333 n1000 i=（ 2： 3） *（ Z1/*（ Z4/1:3 + - - + i=（ 2： 3） *（ Z 2/*（ Z 3/1:3 - + + - 1500 4500 111 n333 i=（ 2： 3） *（ Z2/*（ Z4/1:9 - + - + 405 1500 30 n111 i=（ 2： 3） *（ Z2/*（ Z4/1:9 - + - + 当从 n 主 时，此主轴转速 n 主 经过一 比较器进行比较： 当 30 rn 主 111 r电磁离合器 4吸合， 3分离，此时整个系统的转动比是 2： 27，交流电动机的进行恒转矩传动。其转速为 n 电 =n 主 /I=405 r1500 r 当 111 rn 主 333 r电磁离合器 4吸合， 3分离 ，此时整个系统的转动比是 2： 27，交流电动机的进行恒功率传动。其转速为 n 电 =n 主 /I=1500 r4500 r 当 333 rn 主 1000 r电磁离合器 4吸合， 3分离，此时整个系统的转动比是 2： 9，交流电动机的进行恒功率传动。其转速为 n 电 =n 主 /I=1500 r4500 r 当 1000 rn 主 3000 r电磁离合器 3吸合， 4分离，此时整个系统的转动比是 2： 3，交流电动机的进行恒功率传动。其转速为 n 电 =n 主 /I=1500 r500 r 三、机床调速电机控制电路图的设计 在本 课程设计中主轴电动机的调速是有变频器来实现的。 （一）、变频器的简单原理 在交流异步电动机的诸多调速方法中，变频调速的性能最好。调速范围大，静态稳定性好，运行效率高。采用通用变频 器对笼型异步电动机调速控制，由于使用方便、可靠性高并且经济效率显著，所以逐步得到推广。 1、 变频器的基本构成 变频器分为交 直 压均可控制的交流，又称直接式变频器。而交 交变频器则是先把工频交流通过整流器变成直流，然后再把直流变换成频率、电压均可控制的交流，又称间接式变频器。在本课程设计中将采用交 交变频器来控制主轴电动机。 变频器的基本构成如图 4主回 路（包括整流器、中间直流环节、逆变器）和控制回路组成，分析如下 : 图 4变频器的基本结构 （ 1）、整流器 电网侧的交流器 I 是整流器，它的作用是把三相（也可以是单相）交流整流成直流。 （ 2）、逆变器 负载侧的交流器 逆变器。最常见的结构形式是利用六个半导体主开关器件组成的三相桥式逆变电路。有规律的控制逆变器中的主开关的通与断，可以 得到任意频率的三相交流输出。 （ 3）、中间直流环节 由于逆变器的负载为异步电动机，属于感性负载。无任电动机处于电动或发电制动 状态，其功率因数总不会等于 1。因此，在中间直流环节和电动机之间总会有无功功率的交换。这种无功功率的能量要靠中间直流环节的储能元件（电容器或电抗器）来缓冲。所以又常称中间直流环节为中间储能环节。 （ 4）、控制电路 控制电路常由运算电路、检测电路、控制信号的输入、输出电路和驱动电路等构成。其主要任务是完成对逆变器的开关控制 ，对整流器的电压控制以及完成各种保护功能等。控制方法可采用数字控制或模拟控制。高性能的变频器目前已经采用微型计算机进行全数字控制，采用尽可能简单的 硬件电路，主要靠软件来完成各种功能。由于软 件的灵活性，数字控制方式常可以完成模拟控制方式难以完成的功能。 （ 5）关于变频器名称的说明 对于交 交变频器，在不涉及能量传递方向的改变时，我们常简单的称变频器 I 为整流器，变频器 逆变器，而把图中 I、 起来称为变频器。 2、变频器类型的选择 这里将就交 交变频器按不同角度进行选择如下分类 （ 1）、 按直流电源 的性质分类 当逆变器输出侧的负载为交流电动机时，在负载和直流电源
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