当数控机床主旋转运动无级调速传动设计

2.2 确定最小输出功率

计算主轴在最低转速达到最小功率时，电机应输出的功率

pdsmin＝Pnmin／η(kW)(1)

2.3 电机适用最低转速为：

nDsmin=pDSimn/PD*nd(r/min) (2)

式中：nd—电机的基本转速(r/min)；PD—电机额定功率(kW)

2.4 计算电机额定转速

根据上述计算画出电机实用转速范围的功率转矩特性图，图中电机额定转矩TDd(N·m)按下式计算：

TDd＝9550PD/nd，(N·m) (3)

电机的最小转矩TDmin(N·m)计算

TDmin＝9550Pd/ndmax (N·m)(4)

式中ndmax—电机的最高转速(r/min)

电机实用的恒转矩变速范围RDT为：

RDT ＝nd车用聚氨酯产品将聚焦6大方向/ndsmin (5)

电机实用的恒转矩区的变速范围RDT也将是主轴恒转矩区变速范围的对应值RnT，即：

RnT＝RDT；

2.5 主轴变速系统其他参数的计算

(1)主轴计算转速nj：

nj＝nmin·RnT (r/min) (6)

(2)主轴恒动功率变速范围Rnp：

Rnp ＝nmax / nj(7)

(3)分级变速机构的变速范围RF：

RF＝Rnp/RDp (8)

式中：Rnp—主轴恒动功率区变速范围；

RDp—电机恒功率区变速范围。

(4)主传动系统总降速比i：

i∑＝nj/nd(9)

2.6 分级变速机构

分级变速机构级数Z，传动比i和级比φ；级数Z主要取决于本机构要求的变速范围RF和电机恒动率区的变速范围RDP，同时还和机构的复杂程度和主轴是否允许有功率7缺口有关，常用的级数Z＝2、3、4；

(1)设Z＝2，传动比i1、i2；且i1＞i2，则级比φ＝i1 /i2＝RF，要使主轴转速连续，功率无缺口的条件是φ≤RDP(即RF≤RDP)，这与要求主轴恒功率区变速范围Rnp尽量大相矛盾，否则主轴转速不连续，功率有缺口，如图2所示：

图2图3

由图2看出，采用一个Z＝2的变速组(即Ⅱ轴为主轴)，只有级比φ≤RDP时主轴恒功率区转速连续但主轴Rnp很小，不能满足机床要求。若再增加一个Z＝2的传动组，(如图2Ⅱ—Ⅲ轴)，主轴(Ⅲ轴)Rnp扩大范围很宽，但要经常换档且操纵机构复杂，主轴转速不连续，功率有缺口，因此不可取。

(2)设Z＝4，如图3所示，四联滑移齿轮或两个双联滑移齿轮，使变速机构轴向尺寸增大，也不可取。

(3)设Z＝3，传动比为i1、i2、I3,i1＞i2＞i3，级比φ1＝i1/i2，φ2＝i2/i3，RF＝φ1·φ2，令φ1＝φ2＝φ，则RF＝φ2；φ＝RF。如图4所示。

图4

当RDP＝3，φ≤3时，主轴无功率缺口，采用一级带轮(或齿轮)传动时和一个三联滑移齿轮，较为理想。

2．7 主传动系统图

由图4看出，设计主传动系统图较为简单，采用一级齿轮(或带轮)定比传动和三联滑移齿轮(4a)(4b)图4变速组实现分级变速机构也较为理想，主轴恒功率区范围较宽，功率无缺口，转速连续，若设计得较为理想的微小功率缺口，主轴的变速范围还可增大，能满足机床要求。

上述理论分析及其设计计算步骤方法，举例说明如后。

3 算 例

已知某中型数控车床，主轴变速范围Rn＝100，nmax＝2500r/min，nmin＝25r/min，最大切削功率10kW，在最低转速工作时功率3 kW。试确定电机的额定功率及电机实用的最低转速。主传动机械总效率系数η＝0.9。

(1)根据要求可知，初选电机功率PD＞10kW，由前述电机规格，可选用11kW或15kW的电机。

(2)计算主轴在最低转速(nmin＝25r/min)达到最小功率(Pnmin＝3kW)时，电机应输出的功率PDsmin。

由式(1)计算：PDsmin＝Pnmin/η＝309＝335 kW

(3)计算电机实用的最低转速nDSmin(r/min)：由式(2)计算结果：

11 kW的电机为：nDSmin ＝450(r/min)

15 kW的电机为：nDSmin ＝335(r/min)

(4)根据上述计算结果画出两种电机实用转速范围的功率转矩特性图，如图(5a，5b)：

(5a)11(kw)电机 (5b)15(kw)电机

图5 电机功率转矩特性图

其余各参数计算均按前述公式(3)-(9)，计算结果列于下表表1 主传动两种方案有关数据对照表

由上表可知：选用不同电机功率而要求主轴在最低转速nmin＝25 r/min工作时，切削功率相同(即Pnmin＝3 kW)导致两种方案的的主要参数有较大差别。

再根据上表各参数画出两种方案的转速图和对应的功率转矩特性曲线图，如图6(a)，(b)为11 kW电机串联分级变速机构的转速图和功率转矩特性曲线图。图7(a)，(b)，为15 kW电机串联分级变速机构的转速图和功率特性曲线图。

(6a)(6b)

图6

(7a) (7b)

图7

由图6(b)看出：主轴恒动率区对应有小缺口，在换挡时降低功率约05 kW，影响不大，能满足使用要求。因此，选用11 kW的交流调频电机较理想。

图7(b)看出：主轴恒功率区无缺口，但电机功率大，有些浪费，可提高切削用量。

4 结 论

1.带有分级变速机构的变速范围RF取决于交流调速电机恒功率调速范围RDP和级数Z。当电机确定后，要使主轴转速连续的条件是级比φ≤RDP，否则，主轴转速不连续，产生功率缺口。

2.分级变速机构的级数Z的选择应根据设计数控机床的具体要求确定。通常Z＝3时，若RDP＝3 时，分级变速机构的恒功率区变速范围可扩大到9左右，主轴转速连续。

3.选择电机功率时，在满足机床要求的前提下，若无特殊要求，就不必选择较大功率的电机，以免造成浪费。

参考文献：

〔1〕 机床设计手册编写组机床设计手册〔第3册〕［M］北京：机械工业出版社，1986.

〔2〕 北京航空学院数控机床结构与传动［M］北京：国防工业出版社，1997.

〔3〕 李良福摘译，现代数控车床的主传动系统［J］机床，1992，184(8)：.

〔4〕 廉元国张永洪编著加工中心设计与应用［M］北京：机械工业出版社，1995.

Transmission design of stepless speed variarion of principal rotating motion of numerically-controlled machine tool

WANG Tian-cheng,CHEN Hong

(Department of Mechanical Engineering,GUT,Guiyang 550003,China)

Abstract:This paper analyzes the types of transimission design of stepless speed variation in the numerically-controlled machine tools本钱要低很多,explores the condition for continuous spindle speed in a stepless speed variation system with built-in speed changing mechanisms,and presents an design example.

Key words:stepless speed variation;principal rotation motion;step speed changing(end)