1、数控机床主旋转运动无级调速传动设计数控机床主旋转运动无级调速传动设计 摘 要：对主旋转运动无级调速设计类型、方案作了分析，并对带有分级变速机构的无级调速主传动设计，从理论上分析论证了主轴转速连续的条件。 下面给出了一个具体的设计举例。关键词：无级调速；主旋转运动；分级变速 1 概述 随着近代电机控制技术的不断发展，交流变频无级调速主轴电机使数控机床主传动实现无级调速，解决了直流电机长期运转产生整流火花和电刷磨损的难题，同时也省掉了一些不必要的浪费，节省了资源。曾为主要动力源的直流调速电机，在多数数控机床主旋转运动中逐渐被一些交流调速主轴电机所取代。无级调速主传动系统按品种和工艺范围的不同，分为
2、两类，一类是高速专能化数控机床，一类是通用化数控机床。这两类机床的主传动系统的设计有较大差别，传动方案也大不相同。下面就是我对上述两类机床进行的分析，给出设计方案及相关参数，对串联分级变速机构的主传动无级调速系统的设计方法，从理论上加以分析论述。最后给出一个设计示例。希望通过我的介绍以后大家对无级调速主传动系统有更加进一步的了解。2 高速专能化数控机床主传动无级调速 通过一些相关的资料我了解到：对要求主轴转速高，变速范围和恒功率区变速范围都较小的数控磨床、高精密数控车床等,工作时除了高速外，切削深度和进给量相对都小，而切削功率和转矩也小，通常不必选用大功率的交流无级调速主轴电机，也不需要串联分
3、级变速机构和增大恒转矩区的转矩。只要根据具体设计要求，选用合适的交流无级调速的主轴电机，任意的采用下列传动方案之一，都可以实现对高速专能化数控机床主传动实现无级调速的功能，下面我们分别来介绍这两种方案。2.1 选用内装式主轴电机(即电主轴) 所谓内装式主轴电机，就是主轴箱和电机融为一体，电机转子就是主轴，主轴是中空的，头部是标准结构，便于安装卡盘和刀具，电机座就是主轴箱体，可安装在床身上。除此外，无任何中间传动件，结构简单，传动精度和机械效率都很高。主轴的实际工作转速高于电机的基本转速nd,nd1500 r/min,小功率的nd2000 r/min，这类机床的恒功率区变速范围小，通常都在3-5
4、，内装式主轴电机完全能满足要求。目前国外这类数控机床和加工中心主轴最高转速可达到几万转，一般都在5000-6000 r/min，我国因刀具技术水平限制，最高转速5000 r/min，一般都在3500 r/min左右，已有成套设备生产供应。2.2 选用输出转换型主轴电机 这种电机既能变频调速，又能切换绕组(即变级)分档变速，使电机本身的调速范围和恒功率区调速范围增大，以满足机床主轴较大变速范围的要求。若电机输出轴与机床主轴之间采用多联V型带或齿型带降速传动，可实现低速增转矩功能。目前，皮带传动的小型机床转矩可达到245 Nm，中型机床转矩大于490 Nm，大型机床达到785-1177 Nm。主轴
5、系统和进给系统有很大的差别。根据机床主传动的工作特点，早期的机床主轴传动全部采用三相异步电动机加上多级变速箱的结构。随着技术的不断发展，机床结构有了很大的改进，从而对主轴系统提出了新的要求，而且因用途而异。在数控机床中，数控车床占42，数控机床的钻镗铣床占33，数控磨床、冲床占23，其他只占2。为了满足量大面广的前两类数控机床的需要，对主轴传动提出了下述要求：主传动电动机应有2.2250kW的功率范围；要有大的无级调速范围，如能在1：1001000范围内进行恒转矩调速和1：10的恒功率调速；要求主传动有四象限的驱动能力；为了满足螺纹车削，要求主轴能与进给实行同步控制；在加工中心上为了自动换刀，
6、要求主轴能进行高精度定向停位控制，甚至要求主轴具有角度分度控制功能等等。 主轴传动和进给传动一样，经历了从普通三相异步电动机传动到直流主轴传动，而随着微处理器技术和大功率晶体管技术的进展，现在又进入了交流主轴伺服系统的时代，目前已很少见到在数控机床上有使用直流主轴伺服系统了。但是国内生产的交流主轴伺服系统的产品尚很少见，说明我们在这个领域的知识水平还很欠缺，大多采用进口产品，因此我们在这方面的发展潜能还是很大的，还有待我们去进一步完善和发展。 正如19.3.1节所述，交流伺服电动机有永磁式同步电动机和笼型异步电动机两种结构形式，而且绝大多数采用永磁式同步电动机的结构形式。而交流主轴电动机的情况
7、则不同，交流主轴电动机均采用异步电动机的结构形式，这是因为，一方面受永磁体的限制，当电动机容量做得很大时，电动机成本会很高，对数控机床来讲无法接受采用；另一方面，数控机床的主轴传动系统不必像进给伺服系统那样要求如此高的性能，采用成本低的异步电动机进行矢量闭环控制，完全可满足数控机床主轴的要求。但对交流主轴电动机性能要求又与普通异步电动机不同，要求交流主轴电动机的输出特性曲线（输出功率与转速关系）是在基本速度以下时为恒转矩区域，而在基本速度以上时为恒功率区域。交流主轴控制单元与进给系统一样，也有模拟式和数字式两种，现在所见到的国外交流主轴控制单元大多都是数字式的。下图 示出了交流主轴控制单元的框
8、图。伺服电动机的传递函数为：Gs=K/STm+1积分控制电路及输入输出波形 其传递函数为：Gs=1/s图2-1图2-2微分控制电路及输入输出波形 其传递函数为：Gs=s（a） 输入波形;(b)输出波形图2-3PWM控制电路的基本构成及工作原理:开关电源一般都采用脉冲宽度调制（PWM）技术，其特点是频率高，效率高，功率密度高，可靠性高。然而，由于其开关器件工作在高频通断状态，高频的快速瞬变过程本身就是一电磁骚扰（EMD）源，它产生的EMI信号有很宽的频率范围，又有一定的幅度。若把这种电源直接用于数字设备，则设备产生的EMI信号会变得更加强烈和复杂.由于各个变换通道交叉开闭，电流相互叠加，大大减少
9、了输入、输出电流纹波，减小了电磁干扰EMI。电流纹波的减少，使传统的昂贵的、不易安装的电解电容器可以采用小型的贴片陶瓷电容来代替。参看图2-4 中输出电流纹波的示意图，2个通道的IL纹波电流相互叠加，结果使输出电容上承受的纹波电流减小。图2-4它们的工作过程简述如下：由数控系统来的速度指令（如10V时相当于6000r/min或4500r/min）在比较器中与检测器的信号相与之后，经比例积分回路3将速度误差信号放大作为转矩指令电压输出，再经绝对值回路4使转矩指令电压永远为正。然后经函数发生器6（它的作用是当电动机低速时提高转矩指令电压），送到VF变换器7，变成误差脉冲（如10V相当于200kHz
10、）。该误差脉冲送到微处理器8并与四倍回路17送来的速度反馈脉冲进行运算。在此同时，交预先写在微处理器部件中的ROM中的信息读出，分别送出振幅和相位信号，送到DA强励磁9和DA振幅器10。DA强励磁回路用于控制增加定子电流的振幅，而DA振幅器用于产生与转矩指令相对应的电动机定子电流的振幅。它们的输出值经乘法器11之后形成定子电流的振幅，送给U相和V相的电流指令回路12。另一方面，从微处理器输出的U、V两相的相位（即sin和sin(-120)）也被送到U相和V相的电流指令回路12，它实际上也是一个乘法器，通过它形成了U相和V相的电流指令。这个指令与电机电流反馈信号相与之后的误差，经放大后送至PWM
11、控制回路14，变成频率为3kHz的脉宽信号。而W相信号则由Iu、Iv两信号合成产生。上述脉冲信号经PWM变换器15控制电动机的三相交流电流。脉冲发生器16是一个速度检测器，用来产生每转256个脉冲的正、余弦波形，然后经四倍回路17变成1024脉冲r。它一方面送微处理器，另一方面经FV变换器19作为速度反馈送到比较器2，并与速度指令进行比较。但在低速时，由于FV变换器的线性度较差，所以此时的速度反馈信号由微分电路18和同步 整流电路20产生。 3 串联分级变速机构的主传动系统对于通用型数控机床，如数控车床、铣床、镗床及加工中心，要求主轴变速范围Rn100-200，恒功率区的变速范围尽量大，当主轴
12、最低转速拟定后，主轴的计算转速应较低，主轴的恒转矩区增转矩作用较大，满足低速大转矩的切削加工要求。实现这些功能应在交流无级调速主轴电机后串联分级变速机构，这种交流变频主轴电机，最高转速为4500r/min,基本转速nd为1500 r/min,最低转速为45 r/min,显然电机的恒功率区不能满足机床要求。应串联分级变速机构，扩大电机恒功率区变速范围。另外，电机的额定功率比同类型的通用机床要选得高些，若传动系统设计得好，主轴恒动功率区无功率缺口或缺口很小，也可能不需要选大功率的电机。 选用较大功率的原因有二，一是电机在恒转矩区运行时，应保证主轴在最低转速切削时有足够大的功率；二是因主轴在恒功率区
13、工作时，有些系统会出现功率缺口，为在缺口低谷处功率应保证传递全部功率，只有选择额定功率较大的电机给予补偿。我国引进并国产化的BESK系列的交流主轴电机适用于这类机床，连续运转额定功率分别为7.5、11、15、18.5、22 kW五种规格，电机的最高转速ndmax4500 r/min,基本转速nd1500 r/min，最低转速nmind45 r/min。其功率转矩特性曲线如图3-1所示。图3-1电机功率转矩特性图由图2看出，电机在恒转矩区功率随转速降低而减小，当电机转速低于300 r/min时因功率的减小而不能利用，实际可用的电机最低转速取决于机床所要求的最小切削功率和电机的额定输出功率。3.1
14、 确定初选电机功率 根据机床要求，初选电机功率，并考虑主传动机械总效率系数约为09；电机功率选得适当主轴恒功率区无缺口或有微小缺口，电机功率选得较大 主轴恒功率区允许有略大的缺口。 3.2 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pdsminPnmin(kW) (1)3.3 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)3.4 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(Nm)按下式计算： TDd9550PD/nd，(Nm)
15、 ( 3 )电机的最小转矩TDmin (Nm)计算TDmin9550Pd/ndmax (Nm) ( 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/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： RnTRDT ；3.5 主轴变速系统其他参数的计算(1)主轴计算转速nj： njnminRnT (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： RFRnp/RDp (8)式中：Rnp主轴恒动功率区变速范围；RDp电机恒功
16、率区变速范围。(4)主传动系统总降速比i：inj/nd(9)3.6 分级变速机构分级变速机构级数Z，传动比i和级比；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Z2、3、4；(1)设Z2，传动比i1、i2；且i1i2，则级比i1 /i2RF，要使主轴转速连续，功率无缺口的条件是RDP(即RFRDP)，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3-2所示： 图3-2 图3-3 由图3-3看出，采用一个Z2的变速组(即轴为主轴)，只有级比RDP时主轴恒功率区转速连续
17、但主轴Rnp 很小，不能满足机床要求。若再增加一个Z2的传动组，(如图2轴)，主轴(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Z4，如图4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Z3，传动比为i1、i2、I3,i1i2i3，级比1i1/i2，2i2/i3，RF12，令12，则RF2；RF。如下图所示。当RDP3，3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。3.7 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,变
18、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。4 算例已知某中型数控车床，主轴变速范围Rn100，nmax2500r/min，nmin25r/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0.9。(1)根据要求可知，初选电机功率PD10kW，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(nmin25r/min)达到最小功率(Pnmin3kW)
19、时，电机应输出的功率PDsmin。由式(1)计算：PDsminPnmin/309335 kW 图4-1(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4-211(kw)电机 15(kw)电机图4-2 电机功率转矩特性图其余各参数计算均按前述公式(3)-(9)，计算结果列于下表交流主轴电机主轴与变速机构PD(kW)RDPnDsminRDTnj RnpRnTRFi 方案11134503.38330
20、3.3101/18 方案21533354.511222.34.57.441/13.4 表4-1 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nmin25 r/min工作时，切削功率相同(即Pnmin3 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4-2为11 kW,15kw电机串联分级变速机构的转速图和功率转矩特性曲线图。a b 图4-3a b图4-4由图4-3(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。
21、图4-4(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。5 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Z3时，若RDP3 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。体会通过本次设计，使我认识到了理论和实际的差距,通过通过查阅和分析资料，了解了空调的工作原理及其控制系统，让我更加深刻的认识到把所学的理论知识在实践中的运用，同时通过设计给了我一个独立思考问题解决问题的空间，大大提高了自己的动手能力和实践能力，为进一步学习打下基础。在设计中运用了大量知识，使所学的知识得以巩固，又学习了大量的新知识，同时还积极与老师和同学交流，互相学习互相进步参考文献：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)：36-38.4 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
