數(shù)控機(jī)床主運(yùn)動(dòng)變速系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究.pdf

數(shù)控機(jī)床主運(yùn)動(dòng)變速系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究劉吉兆1崔曉莉1周立211湖南建材高等?？茖W(xué)校,湖南衡陽(yáng)421008；21湖南大學(xué)衡陽(yáng)分校,湖南衡陽(yáng)421000摘要:在分析調(diào)速主軸電機(jī)及機(jī)床主軸的功率扭矩特性的基礎(chǔ)上,研究了采用調(diào)速電機(jī)的數(shù)控機(jī)床主運(yùn)動(dòng)變速系統(tǒng)各參數(shù)之間的關(guān)系,并建立了確切的公式,分析討論了機(jī)電串聯(lián)分段無(wú)級(jí)調(diào)速主運(yùn)動(dòng)變速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則。關(guān)鍵詞:數(shù)控機(jī)床；調(diào)速電機(jī)；主運(yùn)動(dòng)；分段無(wú)級(jí)調(diào)速中圖分類號(hào):TG502.1文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1001-2265(2002)06-0035-03ResearchonthemajormovementvariablespeedsystemdesignedforNCmachineLIUJizhaoCUIXiaoliZHOULiAbstract:Onthebasisofanalysingvelocitymodulationmajoraxismotorofmachinetoolsandmajoraxispowertorquecharac2ters,ThisarticlehasstudiedparametersrelationsofNCmachinetoolsmajormovementvariablespeedsysteminvelocitymod2ulationmotorandsetuptheexactformula,andsuggesteddesigningrulesonthemajormovementvariablespeedsystemofstep2lessvelocitymodulationbystagesinseriesofmachinery-electricity.Keywords:NCmachine；velocitymodulationmotor；majormovement；steplessvelocitymodulationbystages圖1調(diào)速電機(jī)功率扭矩特性圖2機(jī)床主軸功率扭矩特性為了滿足加工不同表面時(shí)切削速度的基本恒定及自動(dòng)換刀系統(tǒng)中不同刀具的合理切削速度,數(shù)控機(jī)床主運(yùn)動(dòng)多采用無(wú)級(jí)調(diào)速系統(tǒng),且一般都用直流或交流調(diào)速電機(jī)作動(dòng)力源,但因其與機(jī)床主運(yùn)動(dòng)變速系統(tǒng)所需的功率扭矩特性不匹配,因而,往往需在電氣調(diào)速系統(tǒng)之后串接機(jī)械有級(jí)變速,來(lái)使它們相匹配。從而實(shí)現(xiàn)分段無(wú)級(jí)調(diào)速主運(yùn)動(dòng)傳動(dòng)系統(tǒng)。1調(diào)速主軸電機(jī)的功率扭矩特性目前,全功能數(shù)控機(jī)床主運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)多采用直流和交流調(diào)速主軸電機(jī),其功率扭矩特性見圖1。從圖1中可知,ndj是同時(shí)滿足電機(jī)全功率和最大扭矩的唯一轉(zhuǎn)速,稱電機(jī)的基本轉(zhuǎn)速,ndjndmax段為恒功率調(diào)速段。一般直流調(diào)速主軸電機(jī)的恒功率調(diào)速范圍RdN=ndmax/ndj=12,很少超過(guò)34。交流調(diào)速主軸電機(jī)的恒功率調(diào)速范圍RdN=35,ndminndj段屬于恒扭矩調(diào)速。而調(diào)速主軸電機(jī)恒扭矩調(diào)速范圍RdM=ndj/ndmin卻很大,可達(dá)30以上,甚至超過(guò)100。調(diào)速主軸電機(jī)的變速范圍Rd=RdMRdN。2數(shù)控機(jī)床主軸的功率扭矩特性主運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)中的主軸和傳動(dòng)件尺寸主要取決于其所傳遞的扭矩大小,而扭矩大小則與所傳遞的功率及轉(zhuǎn)速有關(guān)。通用機(jī)床與數(shù)控機(jī)床在實(shí)際使用中,低轉(zhuǎn)速范圍加工,如粗加工、螺紋加工、鉸孔等工序時(shí)都不需要使用機(jī)床的全部功率,若按最低轉(zhuǎn)速設(shè)計(jì)計(jì)算,勢(shì)必造成各傳動(dòng)件粗大、浪費(fèi)。通常機(jī)床主運(yùn)動(dòng)只是從某一被稱之為計(jì)算轉(zhuǎn)速nj的速度開始才可能使用電機(jī)全部功率。由此可得機(jī)床主軸的功率、扭矩與速度特性曲線如圖2。從圖中可知,nj是同時(shí)滿足電機(jī)全功率和主軸最大扭矩的唯一轉(zhuǎn)速。機(jī)床主軸在njnmax段內(nèi)能傳遞電機(jī)的全部功率,屬恒功率變速范圍,RnN=nmax/nj。在nminnj段內(nèi)機(jī)床主軸并不能傳遞全部功率,而傳遞的扭矩則為常數(shù)且為最大值,屬恒扭矩變速范圍RnM,機(jī)床的整個(gè)變速范圍Rn=RnMRnN。通常恒功率區(qū)約占主運(yùn)動(dòng)總變速范圍的2/33/4。同時(shí)數(shù)控機(jī)床主運(yùn)動(dòng)變速范圍Rn較寬,一般Rn=100200,甚至更大。3無(wú)級(jí)調(diào)速主傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)由上述調(diào)速主軸電機(jī)及機(jī)床主軸的功率扭矩特性532002年第6期圖3調(diào)速電機(jī)變速系統(tǒng)的功率扭矩特性圖4無(wú)級(jí)調(diào)速主運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)網(wǎng)可知無(wú)級(jí)調(diào)速電機(jī)的恒扭矩調(diào)速范圍滿足機(jī)床所需的恒扭矩變速范圍,但其恒功率調(diào)速范圍卻不能滿足機(jī)床所需的恒功率變速范圍的要求,因此必須在無(wú)級(jí)調(diào)速機(jī)后串聯(lián)一齒輪變速組。齒輪變速組的變速級(jí)數(shù)Z和公比可由下式計(jì)算:Rz=RnN/RdN=(Z-1)即:Z=(lgRnN-lgRdN)/lg+1或:=(RnN/RdN)1/(Z-1)(1)式中RZ齒輪變速組的變速范圍由于齒輪變速組的變速級(jí)數(shù)Z通常為24,當(dāng)RnN和RdN為已知值時(shí),將Z=2,3,4等值代入(1)式,即可求得對(duì)應(yīng)于不同Z的值。如果其公比=RdN或RdN,則變速段每一檔內(nèi)有部分低轉(zhuǎn)速不能恒扭矩變速。下面分別以這三種情況進(jìn)行討論:(1)RdN圖3a為RdN時(shí)的機(jī)床功率扭矩特性曲線,從圖可看出N-n曲線出現(xiàn)“缺口”(圖中變速級(jí)數(shù)為3),稱為功率降低區(qū),即在使用“缺口”范圍內(nèi)的轉(zhuǎn)速時(shí),電動(dòng)機(jī)的輸出功率達(dá)不到其額定功率Nd。功率降低區(qū)的變速范圍(即“缺口”的寬度)為:=/RdN=Nd/N0式中N0功率降低區(qū)內(nèi)的最小輸出功率。RdN應(yīng)滿足的條件因M=9554Nd/n從圖3a知:n1j=nj=9554Nd/M(2)一檔降速比i1=n1j/ndj=n1max/ndmax(3)二檔降速比i2=n2j/ndj=n2max/ndmax(4)而n2j=n1max(5)三檔降速比i3=n3j/ndj=n3max/ndmax(6)而n3j=n2max(7)將式(5)代入(3)式得:n1j=(n2j/ndmax)ndj(8)將式(7)代入(4)式得:n2j=(n3j/ndmax)ndj將上式代入(8)式得:n1j=(ndj/ndmax)2n3j由式(6)得:n3j=(n3max/ndmax)ndj代入上式得:n1j=(ndj/ndmax)3(n3max/2)對(duì)于Z=3,因n3max=nmax,n1j=nj故:(ndmax/ndj)3=nmax/(2nj)將式(2)代入上式得:(ndmax/ndj)3=Mnmax/(95542Nd)(9)即:R3dN=Mnmax/(95542Nd)(10)如果齒輪變速組有Z檔,可得出主電機(jī)恒功率調(diào)速范圍應(yīng)滿足的條件:RdN=ZMnmax9554(z-1)Nd(11)上面各式中:n1j、n2j、n3j第一、二、三檔的計(jì)算轉(zhuǎn)速(r/min)n1max、n2max、n3max第一、二、三檔的最高轉(zhuǎn)速(r/min)機(jī)床總效率(=0.750.8)Nd主電機(jī)額定功率(kW)M主軸最大扭矩(Nm)Nd應(yīng)滿足的條件設(shè)計(jì)時(shí)為使機(jī)床主軸的功率降低區(qū)內(nèi)仍能得到所要求的切削功率,應(yīng)使:N0=Nd/Nmax即所選電機(jī)的額定功率為NdNmax(12)Nmax為機(jī)床實(shí)際需要的最大功率Nmax=N切max/電動(dòng)機(jī)的額定功率Nd通常稍大于機(jī)床實(shí)際需要的最大功率Nmax,只要N063組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù)Nmax,就不影響機(jī)床的使用性能。所以為使RdN和Z不致過(guò)大,在恒功率區(qū)內(nèi)保留一定寬度“缺口”的辦法,在實(shí)際設(shè)計(jì)中經(jīng)常采用。但值不能過(guò)大,以避免降低機(jī)床使用性能或必須選用較大的電動(dòng)機(jī)功率,通常重型機(jī)床F1.26,中型機(jī)床F1.41。結(jié)構(gòu)網(wǎng)如圖4a所示(2)=RdN圖3b為其機(jī)床功率扭矩特性曲線。從圖中可知,通過(guò)3級(jí)齒輪變速組使機(jī)床主軸在恒功率能獲得3個(gè)轉(zhuǎn)速段,每個(gè)轉(zhuǎn)速段與相鄰的上一轉(zhuǎn)速段相接。RdN應(yīng)滿足的條件從圖3b可知:n2j=n1maxn3j=n2max同理可得,三檔的齒輪變速組機(jī)床采用的主電機(jī)的恒功率調(diào)速范圍應(yīng)滿足:R3dN=Mnmax/(9554Nd)(13)如果齒輪變速組有Z檔,其機(jī)床主電機(jī)恒功率調(diào)速范圍應(yīng)滿足的條件:RdN=ZMnmax9554Nd(14)Nd應(yīng)滿足的條件從圖3b可以看出,這時(shí)所選電機(jī)的額定功率Nd應(yīng)滿足:NdNmax(15)結(jié)構(gòu)網(wǎng)如圖4b所示(3)RdN圖3c為其機(jī)床功率扭矩特性曲線。從圖可知,通過(guò)3級(jí)齒輪變速組使機(jī)床主軸在恒功率能獲得3個(gè)轉(zhuǎn)速段,每個(gè)轉(zhuǎn)速段與相鄰的上一轉(zhuǎn)速段相接出現(xiàn)了部分“重合”(1)RdN應(yīng)滿足的條件從圖3c可知:n2j=n1max/n3j=n2max/同理可得,三檔的齒輪變速組機(jī)床采用的主電機(jī)的恒功率調(diào)速范圍應(yīng)滿足:R3dN=Mnmax2/(9554Nd)(16)如果齒輪變速組有Z檔,其機(jī)床主電機(jī)恒功率調(diào)速范圍應(yīng)滿足的條件:RdN=ZMnmax(Z-1)9554Nd(17)Nd應(yīng)滿足的條件從圖3c可以看出,這時(shí)所選電機(jī)的額定功率Nd應(yīng)滿足:NdNmax(18)結(jié)構(gòu)網(wǎng)如圖4c所示(為作圖方便,圖中取=RdN/2)對(duì)于一般傳動(dòng)系統(tǒng),原則上應(yīng)使=RdN,但在實(shí)際設(shè)計(jì)中,將Z=2、3、4代入(1)式求得的值往往不是大于RdN就是小于RdN,而很少出現(xiàn)恰好等于RdN的情況,為了簡(jiǎn)化齒輪變速組的裝置,通常使RdN,只有當(dāng)因加工需要,機(jī)床主軸的轉(zhuǎn)速段跨于兩檔之間且又能夠不停車實(shí)現(xiàn)連續(xù)變速的場(chǎng)合才采用,如目前有較多的數(shù)控機(jī)床的主傳動(dòng)系統(tǒng)就采用了這種設(shè)計(jì)方式。4結(jié)束語(yǔ)數(shù)控機(jī)床主運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)是以功率、扭距特性相匹配為出發(fā)點(diǎn),以所選主軸電機(jī)的調(diào)壓調(diào)速部分(恒功率范圍)作為串聯(lián)齒輪有級(jí)變速的基本組為設(shè)計(jì)基礎(chǔ),公比的選擇依據(jù)機(jī)床實(shí)際加工時(shí)的速度變化特點(diǎn)而定。對(duì)于一般傳動(dòng)系統(tǒng),原則上應(yīng)使=RdN,公比過(guò)小時(shí),各變速段速度重合度較大,恒功率調(diào)速部分的變速連續(xù)性較好,電機(jī)功率利用率較大,但結(jié)構(gòu)較復(fù)雜；公比較大時(shí),結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,但各變速段恒功率部分不連續(xù),中間有恒扭矩過(guò)渡,電機(jī)功率利用率較小,所選電機(jī)功率應(yīng)比主軸所需功率大。當(dāng)機(jī)床的主要參數(shù)確定以后,如何正確選用主電機(jī)的轉(zhuǎn)速范圍及額定功率是主傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)先考慮的問(wèn)題,公式(11)、(12)、(14)、(15)、(17)、(18)為設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。按此原則進(jìn)行選擇,就能夠保證設(shè)計(jì)質(zhì)量。參