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。
②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。
③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 与动力参数的关系为：
= (4-1)
式中: —机床主轴结构系统的静刚度（ ）；
—外加激振力的激振频率（Hz）；
—主轴组件的固有频率（ = ， 为当量质量， 为当量静刚度）；
—阻尼比（ = ， 是阻尼系数， 是临界阻尼系数， = ）。
由上式可见，为提高主轴组件的抗震性，须使 值较大，为此应尽量使阻尼比、当量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
ni=
从该公式中可以看出，若均匀地改变电源的频率f1，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
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.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 构成了变频调速系统。交流电动机的转速 与频率 ，电动机的级对数 及转差率 之间的关系为 = ,由此可知，改变电源的频率 ，即可改变电动机转速，且转速 与频率 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。
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nj为分界，从nj至最高转速nmax的区域Ⅰ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nmin 至nj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Mmax。在区域内，主轴可能输出的最大功率Pmax，则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4-3所示是变速电动机的功率特性。从额定转速nd到最高转速nmaxde 区域Ⅰ为恒功率区；从最低转速nmin 至nd的区域Ⅱ为恒转矩区。直流电动机的额定转速常为1000 r/min—1500 r/min。从nd至nmax用调节磁通的方法得到，称为调磁调速；从nmin至nd用调节电驱电压的办法得到，称为调压调速。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/min。这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4-2 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Rn=100，nmax=3000r/min，nmin=30r/min；主传动机械总效率系数η=0.9，最大切削功率为10kw，最小切削功率为3kw。则电机初选功率应为PD>10vkw,根据电机规格，可选用11kw或者15kw的电机。
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PD（kw）RDPNDsminRDTnjRnPRnTRFi∑
YP160M2-41134503.383303.3101/18
YP160L-41533354.511222.34.57.441/13.4
2、电机最小输出功率
1）、计算主轴在最底转速达到最小功率
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