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;2 1 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 : 文 献 标 识 码 :A 文 章 编 号 :10012002) 06 ma 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 , 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 , 恒 功 率 调 速段 。 一 般 直 流 调 速 主 轴 电 机 的 恒 功 率 调 速 范 围 R n 1 2 ,很 少 超 过 3 4。 交 流 调 速 主 轴 电 机的 恒 功 率 调 速 范 围 R 3 5 , 于 恒 扭矩 调 速 。 而 调 速 主 轴 电 机 恒 扭 矩 调 速 范 围 R n dj/ 大 ,可 达 30 以 上 ,甚 至 超 过 100 。 调 速 主 轴电 机 的 变 速 范 围 R d = R R 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 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 , 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 能 传 递 电 机 的 全 部 功 率 ,属 恒 功 率 变 速 范 围 ,R 在 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 R 机 床 的 整 个 变 速 范 围 R n = R 通 常 恒 功 率 区 约 占 主 运 动 总 变 速 范 围 的 2/ 33/ 4。 同 时 数 控 机 床 主 运 动 变 速 范 围 R n 较 宽 , 一 般R n =100 200 ,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 可 由 下 式 计 算 : R R ( Z 即 : Z = ( / 1或 : = ( R R 1/ ( Z (1)式 中 R Z 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 R 知 值 时 ,将 Z =2 , 3 , 4 等 值代 入 (1) 式 ,即 可 求 得 对 应 于 不 同 Z 的 值 。 如 果 其公 比 = R R 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 :(1) R a 为 R 机 床 功 率 扭 矩 特 性 曲 线 ,从图 可 看 出 N - n 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 N d 。 功 率降 低 区 的 变 速 范 围 (即 “ 缺 口 ” 的 宽 度 ) 为 : = / R N d/ N 0式 中 N 0 功 率 降 低 区 内 的 最 小 输 出 功 率 。 R 足 的 条 件因 M =9554 N d/ 3a 知 : n1 j = 9554 N d/ M (2)一 档 降 速 比 n1 j/ 3)二 档 降 速 比 n2 j/ 4)而 n2 j = 5)三 档 降 速 比 n3 j/ 6)而 n3 j = 7)将 式 (5) 代 入 (3) 式 得 : n1 j = ( n2 j/ n 8)将 式 (7) 代 入 (4) 式 得 : n2 j = ( n3 j/ n 式 代 入 (8) 式 得 : n1 j = ( 2 n3 (6) 得 : n3 j = ( n 上 式 得 :n1 j = ( 3 ( 2)对 于 Z =3 ,因 n1 j = ( n 3 = ( 2 式 ( 2) 代 入 上 式 得 : ( n 3 = M 9554 2 N d) (9)即 : M (9554 2 N d) (10)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 :R Z M ( z N d (11)上 面 各 式 中 :n1 j 、 n2 j 、 n3 j 第 一 、 二 、 三 档 的 计 算 转 速 ( r/ 第 一 、 二 、 三 档 的 最 高 转 速(r/ 机 床 总 效 率 ( =0 . 75 0. 8)N d 主 电 机 额 定 功 率 ( 主 轴 最 大 扭 矩 (N m) N d 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 :N 0 = N d/ N 选 电 机 的 额 定 功 率 为N d N 12)N 机 床 实 际 需 要 的 最 大 功 率N N切 电 动 机 的 额 定 功 率 常 稍 大 于 机床 实 际 需 要 的 最 大 功 率 N 只 要 N 0 63 组 合 机 床 与 自 动 化 加 工 技 术N 就 不 影 响 机 床 的 使 用 性 能 。 所 以 为 使 R 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 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 26 ,中 型 机 床 41。 结 构 网 如 图 4a 所 示(2) = R b 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 。 R 足 的 条 件从 图 3b 可 知 : n2 j = n3 j = 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 :R3 M (9554 N d) (13)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 :R Z M N d (14) N d 应 满 足 的 条 件从 图 3b 可 以 看 出 ,这 时 所 选 电 机 的 额 定 功 率 N 足 :N d N 15) 结 构 网 如 图 4b 所 示(3) 1 ) R 足 的 条 件从 图 3c 可 知 : n2 j = n3 j = 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 :R3 M 2/ (9554 N d) (16)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 :R Z M ( Z 9554 N d (17) N d 应 满 足 的 条 件从 图 3c 可 以 看 出 ,这 时 所 选 电 机 的 额 定 功 率 N 足 :N d N 18) 结 构 网 如 图 4c 所 示(为 作 图 方 便 ,图 中 取 = R 2)对 于 一 般 传 动 系 统 ,原 则 上 应 使 = R 但 在 实际 设 计 中 ,将 Z =2 、 3、 4 代 入 (1) 式 求 得 的 值 往 往 不是 大 于 R 小 于 R 而 很 少 出 现 恰 好 等 于 R 况 , 为 了 简 化 齿 轮 变 速 组 的 装 置 , 通 常 使 R 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 = R 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 ,1998 (6)2 机 床 设 计 手 册