浅谈数控机床主旋转运动无级调速传动设计

――芜湖高新重型机床有限公司研发三部

前   言
进入80年代以来，随着电控技术的发展，随着可控硅技术的发展突破，交流变频电机出现在工业化应用领域，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。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由交流调速主轴电机取代。

无级调速主传动系统按品种和工艺范围的不同，分为两类，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。
    本文就上述两类机床进行分析，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。
1。 高速专能化数控机床主传动无级调速
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、工作时除了高速外，切销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，采用相应的下列传动方案之一，就可实现要求的功能。

1.1 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,nd＝1500 r/min,小功率的nd＝2000 r/min，这类机床的恒功率区变速范围小，通常都在3-5，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市场，比如，小孔径数控龙门钻床、如GXKP1010DM 、GXKP1212DG等型号的高效钻床，在加工散热器，雷磨磨板，换热器、小管板产品中得到了广泛的应用。
1.2 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 N·m，中型机床转矩大于490 N·m，大型机床达到785-1177 N·m。
2 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、数控龙门钻铣及加工中心，要求主轴变速范围Rn≥100-200，恒功率区的变速范围尽量大，当主轴最低转速拟定后，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ndmax＝4500 r/min,基本转速nd＝1500 r/min，最低转速nmind＝45 r/min。其功率转矩特性曲线如图1所示。

图1 电机功率转矩特性图

由图1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。

2.1 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η＝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。

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/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)：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.