【053】3C618數控車床的主傳動系統(tǒng)設計(論文+DWG圖紙),053,c618,數控車床,傳動系統(tǒng),設計,論文,dwg,圖紙 第八章 數控系統(tǒng)的選擇設計 機床數控系統(tǒng)設計在應用工作中，軟件設計是一個重要方面。實際設計與硬件設計是不可分割的，二者必須結合, 哪些能由硬件完成，那些能由軟件完成，在硬件設計基本定型后，分工也就基本確定下來了，這時軟件設計工作才開始進行。 軟件設計工作，按其功能可分二類：一類是執(zhí)行軟件，它能完成各種實質性的功能，如步進電機控制，插補，誤差補償計算，反饋量的處理，零件加工程序，顯示輸出等；另一類是監(jiān)控軟件，它是控制微機系統(tǒng)按預定的操作方式運轉的程序，它完成人機通信，并協(xié)調執(zhí)行程序和操作者之間的關系，在軟件系統(tǒng)中充當組織調度的角色，如系統(tǒng)自檢，初始化，處理鍵盤命令，處理揭開命令等。但執(zhí)行軟件和監(jiān)控軟件沒有明確的界限和固定的功能劃分，。習慣上把鍵盤解釋程序作為監(jiān)控程序，其它任務都分散在特定功能執(zhí)行程序中，并由監(jiān)控程序來調用必要的功能模塊，完成預定的任務。 在進行軟件設計時，應從全局著眼，先將整個系統(tǒng)按功能分成一個一個的模塊，并為每一個執(zhí)行模塊定義，然后設計出每一個具體模塊的程序，最后組成一個系統(tǒng)。不僅整個系統(tǒng)的程序結構可具有模塊化的特性，而且其模塊內部有可以細分為小模塊。模塊特性對測試很有利，功能擴充也很方便，要增加新功能，只要增加新模塊就能實現(xiàn)，象搭積分木一樣。因此，這樣的模塊程序設計方法， 思路清晰，邏輯性強，柔性較強 一、典型機床數控裝置的硬件組成 CNC系統(tǒng)（數控系統(tǒng)）是在硬件的支持下，通過運行軟件來進行工作的。所以，CNC裝置的功能強弱首先取決于其硬件系統(tǒng)的組成及配置。 圖8.1典型數控機床的CNC系統(tǒng)圖 二、典型CNC系統(tǒng)（數控系統(tǒng)）技術性能 在本設計中，設計者根據實際情況選擇了廣州數控設備廠的GSK980T數控系統(tǒng)。其技術性能如表8.1所示； 表8.1 GSK980T數控系統(tǒng)的技術性能 CPU： 80C186XL12 顯示器： 320× 240點陣液晶 控制坐標軸: 2軸（X、Z） 聯(lián)動坐標軸： 2軸（X、Z） 最小設定單位： X軸：0.0005mm Z軸：0.001mm 最小移動單位： X軸：0.0005mm Z軸：0.001mm 最大行程： ±9999.999mm 軟件行程限位： ±9999.999mm 最大快速速度： （0.001mm當量） X軸：4m/min Z軸：8m/min 最大快速速度： （0.002mm當量） X軸：8m/min Z軸：16m/min 每分進給速度： 1-8000mm/min 每轉進給速度： 0.0001-500mm/r 快速倍率： F0、25%、50%、100%四檔實時可調 進給倍率： 0-150%十六檔實時可調 快速加減速方式： 直線型 進給加減速方式： 指數型 插補功能： 直線/全圓圓弧插補 電子齒輪比： 1-127/1-127 螺紋功能： 公/英制直螺紋、錐螺紋、端面螺紋，帶退尾 螺紋導程： 0.0001-500mm 0.06-254000牙/英寸 用戶程序編輯： 可存儲40KB、63個程序，ISO代碼、相對/絕對混合編程，全屏幕編輯 G功能： 二十二種G代碼，包括十二種固定/復合循環(huán)； 八種用戶宏指令可讀/寫最多16點輸入/6點輸出 子程序、宏程序 二重子程序調用；（選配功能）M、S、T代碼調用宏程序 用戶數據保存： 程序、參數、刀補、坐標掉電保護（非易失RAM）；程序、參數、刀補后備保存（Flash-EEPROM) 通訊功能： （選配功能）RS232接口，與PC機通訊：交換程序、參數、刀補數據 主軸功能： 手動/程序控制二檔或四檔主軸變速； 選配：0-10V模擬輸出，控變頻主軸；50%-120%主軸倍率實時可調，恒線速切削 刀具功能： 控4-8位刀，手動/程序換刀；刀具長度補償，16組刀補設置； 定點對刀/試切對刀生成刀補 輔助功能 手動/程序控制主軸正轉、反轉、制動、停止；手動/程序控制冷卻、潤滑；程序控制夾頭 手動功能： 手動連續(xù)進給十六檔修調；手動單步進給四檔可調：0.001/0.01/0.1/1mm；手輪（選件）進給三檔可調：0.001/0.01/0.1mm 操作方式： 編輯、自動、錄入、手動、手輪/單步、回機械零點、回程序零點 其它功能： 機床鎖住、輔助功能鎖住、空運行、單程序段運行、程序鎖、參數鎖、外接倍率開關（選件）、外接急停/進給保持/循環(huán)啟動開關（選件） 外形尺寸： 320× 240× 136mm 重量： 6.0Kg(含開關電源) GSK980T車床數控系統(tǒng)（CNC），是廣州數控設備廠于1998年推出的普及型數控系統(tǒng)。作為經濟型數控，GSK980T具有以下技術特點：系統(tǒng)的升級換代產品. · 采用高級處理器（CPU）和可編程門陣列（PLD）進行硬件插補，實現(xiàn)高速μm級控制 · 采用四層線路板，集成度高，整機工藝結構合理，可靠性高 · 液晶（LCD）中文顯示、界面友好、操作方便 · 加減速可調，可配套步進驅動器或伺服驅動器 · 可變電子齒輪比，應用方便 第六章 自動轉位刀架的選擇設計 在總體方案論證中提到自動轉位刀架是數控機床不可或缺的一部分。 一、數控車床刀架的基本要求 數控車床的刀架是機床的重要組成部分。刀架用于夾持切削用的刀具，在一定程度上，刀架的結構和性能體現(xiàn)了機床的設計和制造技術水平，所以有如下要求： ①轉位準確可靠，工作平穩(wěn)安全； ②按最短線路就近選擇，轉位時間短； ③重復定位精度高； ④防水、防屑，密封性能優(yōu)良； ⑤夾緊剛性高，適宜重負荷切削。 二 、自動轉位刀架的選擇 在本設計中，因設計時間等因素，設計者七絕頂引進常州武進數控設備廠生產的LD4-I型四工位自動刀架，而不對其做具體設計。該型自動刀架具有重復定位精度高、工作剛性好、使用壽命長、工藝性好等特點。下面對該刀架相關內容做一簡要分析說明： <一>LD4--I型自動刀架的技術參數 表6.1 LD4--I型自動刀架的技術參數 型號 刀位數 電機功率 電機轉速 夾緊力 上、下刀體尺寸 C618 4 120 w 1400r/mm 0.5 162×162 192×192 <二>LD4--I型自動刀架的技術指標 表6.2 LD4--I型自動刀架的技術指標 重 復 定 位 精 度 工 作 可 靠 性 換刀時間 （s） 90 180 270 ≤0.005 mm >30000次 2.9 3.4 3.9 <三>工作原理 在經濟型數控車床上大都使用的是四方或六方轉位刀架，按其工作原理可分為：螺旋轉位刀架，十字槽轉位刀架，凸臺棘爪式轉位刀架，電磁式轉位刀架，以及夜壓式轉位刀架。 本設計中選用的LD4-I型四工位轉位刀架是一種螺旋轉位刀架，其工作原理大致如下： 微機發(fā)出換刀信號，刀架控制箱繼電器動作；電機正轉，通過減速機構和升降機構將上刀體上升至一定位置時，離合轉盤起作用，帶動上刀體旋轉到所選刀位，發(fā)訊盤發(fā)出刀位信號，刀架控制箱繼電器使電機反轉，反靠初定位；上刀體下降，齒牙盤嚙合，完成精定位，并通過蝸輪蝸桿，鎖緊螺母使刀架固緊。當夾緊力達到預先條好的狀態(tài)時，過流繼電器動作，切斷電源，電機停轉并向微機發(fā)出信號，開始執(zhí)行下道工序。 電 機 加速機構 升降機構 上刀體上升轉位 粗定位機構 信號符合 上刀體下降 精定位 刀架鎖緊 電機停轉 換刀答信 加工順序執(zhí)行 圖6.1 四工位轉位刀架的工作原理圖 <四>自動轉位刀架的安裝 該刀架安裝時，需先拆除原機床上的小拖板和原刀架，然后把電動刀架置于中拖板上。此時，刀架高度應使車刀前刀面基本通過車床主軸軸心線，否則要在刀架下面加墊板，調整其高度。然后，卸掉刀架電動機風扇罩殼，逆時針方向轉動電動機，使上刀體相當于下刀體轉動450左右。打裝螺孔，再用內六角螺栓將刀架與中拖板固定，固定時應注意，將刀架的兩側面分別與車床縱向和橫向的進給方向平行。電動刀架與系統(tǒng)的連線應如下安裝：沿橫向工作臺右側面先走線到車床后面，再沿車床后導軌下方拉出一鐵絲滑線，走線到系統(tǒng)。其好處在于:避免走線雜亂無章，而使得加工時切屑、切削液以及其它雜物磕碰電動刀架連線。 第七章 編碼盤的安裝設計 我們知道在經濟型數控車床上加工螺紋或絲杠時，須培植主軸脈沖發(fā)生器（即編碼盤）作為車床主軸位置信號的反饋元件，它與車床主軸同步轉動，發(fā)出主軸轉角位置變化信號，輸送到計算機。 一、編碼盤的工作原理 編碼盤是一種按一定的編碼形式如二進制編碼，二-十進制編碼等，將一個圓盤分成若干等份，并利用電子、光電或電磁器件，把代表被測位移的個等份上的數碼轉換成便于應用的二進制或其它表達方式的測量裝置。 二、步進電機頻率對編碼盤的限制 在世用主軸脈沖發(fā)生器時，受到步進電機頻率的限制。如采用1000HZ的工作頻率，加工3mm螺距的螺紋時，步進電動機頻率為300HZ，而主軸脈沖發(fā)生器頻率為1000×60HZ=60000HZ，所以車床主軸轉速n=1000×60/300=200r/min，即車床主軸轉速不得超過200r/min轉；如將主軸脈沖發(fā)生器的頻率提高到2000HZ，轉速也僅達到400r/min。由此可見，當螺距越大時，允許的車床主軸轉速也就越低。 三、編碼盤的安裝 編碼盤的安裝一般有良種方式，即同軸安裝和異軸安裝。 同軸安裝的結構簡單，聯(lián)接方便。但是安裝后不能加工穿出主軸孔的較長工件。而異軸安裝無此缺陷?？紤]到這一點設計者為使說改造設計的車床具有較強的通用性，選擇采用異軸安裝方式來安裝編碼盤。 編碼盤通過傳動比為1：1的同步齒形帶與主軸聯(lián)系起來。工作時，編碼器與主軸同步旋轉，數控裝置控制進給步進電機準確地配合主軸的旋轉而產生進給運動。保證主軸每轉一轉，螺紋車刀移動一個螺紋導程，同時還保證每次走刀都在工作的同一點切入，而不亂扣。 第四章 主傳動部分改造與設計 在改造設計之前，讓我們先來看一下數控機床主傳動與普通機床相比所具有的特點： 1）采用調速電機驅動，以滿足主軸根據數控指令進行自動變速的需要； 2）傳動路線短，從而簡化了主傳動系統(tǒng)機械結構； 3）轉速高、功率大； 數控機床的主傳動系統(tǒng)除應滿足普通機床傳動要求外，還應滿足如下要求： 具有更大的調速范圍，并實現(xiàn)無極調速。 數控機床就要為了保證加工時能選用合理的切削用量，充分發(fā)揮刀具的切削性能，從而獲得最高的生產效率、加工精度和表面質量，必須有更高的轉速和更多的調速范圍。為了適應各種工序和各種加工材質的要求，主運動的調速范圍還應進一步擴大。 ②具有較高的精度和剛度，傳動平穩(wěn)，噪聲低。 數控機床加工精度的提高，與主傳動系統(tǒng)的剛度密切相關。為此，應提高傳動件的制造精度與剛度，齒輪齒面進行高頻感應加熱淬火增加耐磨性；最后一級采用斜齒輪傳動，使傳動平穩(wěn)；采用高精度軸承及合理 的支承跨距等，以提高主軸件的剛性。 ③具有良好的抗振性和熱穩(wěn)定性。 數控機床上一般既要進行粗加工，又要精加工；加工時可能由于斷續(xù)切削、加工余量不均勻、運動部件不平衡以及切削過程中的自激振動等原因引起的沖擊力或交變力的干擾，使主軸產生振動，影響加工精度和表面粗糙度，嚴重時甚至破壞刀具和或零件，使加工無法進行。因此在主傳動系統(tǒng)中的各主要零部件不但要求有一定的靜剛度，而且要求具有足夠的抑制各種干擾力引起振動的能力——抗振性。抗震性用動剛度或動柔度來衡量。如果把主軸組件視為一個等效的單自由度系統(tǒng)，則動剛度與動力參數的關系為： = (4-1) 式中: —機床主軸結構系統(tǒng)的靜剛度（）； —外加激振力的激振頻率（Hz）； —主軸組件的固有頻率（=，為當量質量，為當量靜剛度）； —阻尼比（=，是阻尼系數，是臨界阻尼系數，=）。 由上式可見，為提高主軸組件的抗震性，須使值較大，為此應盡量使阻尼比、當量剛度值或固有頻率的值較高。在設主傳動系統(tǒng)時，要注意選擇上述幾個參數的合理關系。 一、 主傳動部分改造方案擬定和設計的內容 異步電動機的調速方法有變頻調速、變極調速、辯轉差調速三種。異步電動機的轉速公式為 ni= 從該公式中可以看出，若均勻地改變電源的頻率f1，就可以連續(xù)地改變電動機的同步轉速。這種調速方法稱為變頻調速，它完全不同于其它的調速方法。改變異步電動機的磁極對數調速的方法稱為變極調速。改變電動機轉差率的調速方法稱為變轉差率調速。 表4.1 異步電動機各種調速方法性能指標的比較 項 目 調 速 方 法 變 頻 變 極 變 轉 差 率 轉子串電阻 串極調速 調壓調速 電磁調速電機 是否改變同步轉速 變 變 不 變 不 變 不 變 不 變 調 速 指 標 靜差率 小 （好） 小 （好） 大 （差） 小 （好） 開環(huán)時大 閉環(huán)時小 開環(huán)時大 閉環(huán)時小 調速范圍（D） 較大（10以上） 較小 （2—4） 小 （2） 較小 （2—4） 閉環(huán)時 較大 閉環(huán)時 較大 調速平滑性 好（無級調速） 差（有級調速） 差（有級調速） 好（無級 調速） 好（無級 調速） 好 （無級調速） 適應負載類型 恒轉矩 恒功率 恒轉矩 恒功率 恒轉矩 恒轉矩 通風機 恒轉矩 通風機 恒轉矩 設備 投資 多 少 少 較 多 較 少 較 少 電能 損耗 較 小 小 大 較 小 大 大 異步電動機變頻調速有調速范圍廣、平滑性較高、機械特性較好的優(yōu)點，可以方便地實現(xiàn)恒功率或恒轉矩變速，整個調速特性與直流電動機調壓調速和弱磁調速十分相似，并可與直流調速相媲美。目前變頻調速已成為異步電動機最主要的調速方法。通過上序的比較本課程設計中電動機的調速方法采用變頻調速的方法。 改換主軸電動機，換成調速電動機.通過對電動機的變頻調速控制再加以簡單的齒輪調速來實現(xiàn)自動變速，齒輪調速部分用磁離合器控制齒輪嚙合。 數控機床主軸變速方式主要有無級調速、分段無級調速和內置電機變速等。在本設計中采用分段無級調速。無級變速能夠選用最合理的切削用量，可在運轉中變速，操作方便，簡化機械結構。無級變速主要是利用直流和交流調速電動機。但直流調速電動機恒功率調速范圍很小，一般只有1～2，很少到3～4，且換向有限制，現(xiàn)大多采用交流變頻主軸驅動系統(tǒng)。交流變頻調速電動機的性能與直流調速電動機類似，在額定轉速以下為恒轉矩區(qū)，在額定轉速以上為恒功率區(qū)域。一般主軸調速電動機的恒功率調速范圍為3～4，對于恒功率變速范圍大的主軸傳動系統(tǒng)，需要增加變速齒輪，以保證主軸上較大的恒功率范圍?？紤]本設計機床要求采取交流變頻電動機和有級變速箱配合的方案即分段無級變速，主軸的正反轉和制動停止，由數控指令直接控制電動機來實現(xiàn)。利用車床的主軸交流異步電動機、變頻器、數控單元構成了變頻調速系統(tǒng)。交流電動機的轉速與頻率，電動機的級對數及轉差率之間的關系為=,由此可知，改變電源的頻率，即可改變電動機轉速，且轉速與頻率成正比?？紤]本設計機床的要求，采取交流變頻電動機和有級變速箱配合的方案，即分段無級變速。主軸的正、反轉和制動停止由數控指令直接控制電動機實現(xiàn)。其主軸變頻調速系統(tǒng)原理圖如圖4-1所示； 圖4 -1主軸變頻調速系統(tǒng)原理圖 如圖4-2所示是機床主軸要求的功率特性和轉矩特性。這兩條特性曲線是以計算轉速nj為分界，從nj至最高轉速nmax的區(qū)域Ⅰ為恒功率區(qū)，在該區(qū)域內，任意轉速下主軸都可輸出額定的功率，在該區(qū)域內，最大轉矩則隨主軸轉速下降而上升。從最低轉速nmin 至nj的區(qū)域Ⅱ為恒轉矩區(qū)。在該區(qū)域內，最大轉矩不再隨轉速下降而上升，任何轉速下可能提供的轉矩都不能超過計算轉速下的轉矩，這個轉矩就是機床主軸的最大轉矩Mmax。在區(qū)域內，主軸可能輸出的最大功率Pmax，則隨主軸轉速的下降而下降。通常，恒功率區(qū)約占整個主軸變速范圍的2/3—3/4；恒轉矩區(qū)約占1/4—1/3。 如圖4-3所示是變速電動機的功率特性。從額定轉速nd到最高轉速nmaxde 區(qū)域Ⅰ為恒功率區(qū)；從最低轉速nmin 至nd的區(qū)域Ⅱ為恒轉矩區(qū)。直流電動機的額定轉速常為1000 r/min—1500 r/min。從nd至nmax用調節(jié)磁通的方法得到，稱為調磁調速；從nmin至nd用調節(jié)電驅電壓的辦法得到，稱為調壓調速。交流調頻電動機用調節(jié)電源頻率來達到調速的目的。額定轉速常為1500 r/min。這兩種電動機的恒功率轉速范圍為2—4；恒轉矩變速范圍則可達100以上。 圖4-2 主軸的功率轉矩特性 圖4-3 變速電動機的功率特性 所謂分段無級變速就是在交流或直流電機無級調速的基礎上配以齒輪變速。它能夠實現(xiàn)中、高速段的恒功率傳動，低速段的恒轉矩傳動。在該系統(tǒng)中，主軸的正、反轉和制動停止，通過數控指令直接控制電機來實現(xiàn)。主軸的變速則有電動機的無級變速與齒輪的有機變速相配合來實現(xiàn)。 二、主傳動部分改造設計計算 主傳動部分改造設計計算包括電動機的設計于選擇, 主傳動系統(tǒng)分段無級變速傳動方案的確定與分析, 數控機床分級變速箱的設計,電磁離合器的設計計算,機床調速電機控制電路圖的設計. （一）、電動機的選擇 根據原機床參數及要求初選改造后車床主軸變速范圍Rn=100，nmax=3000r/min，nmin=30r/min；主傳動機械總效率系數η=0.9，最大切削功率為10kw，最小切削功率為3kw。則電機初選功率應為PD>10vkw,根據電機規(guī)格，可選用11kw或者15kw的電機。 表格 4。2電機選擇兩種方案對比 交 流 主 軸 電 機 主 軸 與 變 速 機 構 型 號 PD（kw） RDP NDsmin RDT nj RnP RnT RF i∑ YP160M2-4 11 3 450 3.3 83 30 3.3 10 1/18 YP160L-4 15 3 335 4.5 112 22.3 4.5 7.44 1/13.4 2、電機最小輸出功率 1）、計算主軸在最底轉速達到最小功率是電機應輸出的功率 Pdsmin==3/0.9=3.3kw (4-2) 2）、算電機實用的最底轉速nDsmin（r/min） 由式nDsmin= (4-3) 計算結果 : 11kw的電機為：nDsmin=450r/min （nd=1500r/min） 15kw的電機為：nDsmin=333r/min （nd=1500r/min） 式中：nd---電機的基本轉速r/min； PD---電機額定功率kw。 由此，設計者選用功率為11kw、型號為YP160M2-4的交流調頻電機。 （二）、主傳動系統(tǒng)分段無級變速傳動方案的確定與分析 1、電機額定轉速的計算電機的選擇 1）、電機額定轉矩TDd（N/m）為 TDd==70N·M (4-4) 2）、電機最小轉矩Tdmin（N·M） Tdmin= =23.2N·M (4-5) 其中電機最大轉速ndmax=4500r/min 3）、電機實用恒轉矩區(qū)變速范圍 RDT= =3.3 (4-6) 4）、主軸恒轉矩區(qū)變速范圍 RnT=RDT=3.3 (4-7) 5）、電機恒功率區(qū)變速范圍 RdP= =3 (4-8) 2、主軸參數計算 1）、主軸計算轉速nj nj= (4-9) = =120r/min 2）、主軸恒功率變速范圍RnP RnP= ==25r/min (4-10) 3）、分級變速機構的變速范圍RF RF= ==8.3 (4-11) 其中：RnP-----主軸恒功率區(qū)變速范圍 RDP-----電機恒功率區(qū)變速范圍 4）、主傳動系統(tǒng)總降速比i∑ i∑= ==1/12.5 (4-12) (三)、數控機床分級變速箱的設計 1、數控機床主軸轉速自動變換過程 在數控機床上,特別是在自動換刀的數控機床上應根據刀具與工藝要求進行主軸轉速的自動變速。在零件加工工程序中用S兩位代碼指定主軸轉速的序號，或用四位代碼指定主軸轉速的沒分鐘轉數，并且用M兩位代碼指定主軸的正、反向啟動和停止。 采用直流或交流調速電動機的主運動無級變速系統(tǒng)中，主軸的正、反啟動和停止制動是直接控制電動機來實現(xiàn)的，主軸轉速的變換則由電動機轉速的變換與齒輪有級變速機構的變換相配合來實現(xiàn)的。機床主運動變速系統(tǒng)中主軸的轉速n是如何由電動機的轉速、齒輪有級變速級數相配合來實現(xiàn)的，為了獲得主軸的某一轉速必須接通相應的有級變速級數和電動機的調壓轉速nY或調磁轉速nC。理論上說電動機的轉速可以無級調速，但是，主軸轉速S代碼最多只有99種，即使是使用S四位代碼直接指定主軸轉速，也只能按一轉遞增，而且分級越多指令信號的個數越多，更難于實現(xiàn)。因此，實際上還是將主軸轉速按等比數列分成若干級，根據主軸轉速的S代碼發(fā)出相應的有級級數與電機的調速信號來實現(xiàn)主軸的住動變速。電機的調壓或調磁變速，由電動機的驅動電路根據轉速指令電壓信號來變換。齒輪有級變速則才用夜壓或電磁離合器實現(xiàn)。 2、分級變速箱的設計 數控機床的分級變速箱由于位于調速電機與主軸之間,因此,設計時除遵循一般有級變速箱設計原則外,必須處理好公比的選擇.在設計數控機床分級變速箱時,公比的選取有以下三種情況: a、取變速箱的公比Φ等于電機的恒功率調速范圍RdP ,即Φ= RdP 。 b、如果為了簡化變速箱的結構，希望變速級數少一些，則不得不取較大的公比。 c、數控車床在切削階梯軸、成行螺旋面或端面時，有時需要進行恒線速切削。 經綜合分析比較選有第a種情況的公比。 (1)、取變速箱的公比Φ等于電機的恒功率調速范圍RdP ,即Φ= RdP .則機床主軸的恒功率變速范圍為 RnP=ΦZ-1RdP=ΦZ (4-13) 變速箱的變速級數 Z= = =2.93 (4-14) 其中: RnP-----主軸恒功率區(qū)變速范圍 RnP=25 Φ-----變速箱的公比 Φ= RdP=3 Z必須是整數，可取變速箱的變速級數Z=3。其轉速圖如圖4-4（a）所示。電動機經定比傳動2：3，使變速箱的軸Ⅰ得到3000r/min—1000r/min（恒功率）和1000 r/min--270 r/min（恒轉矩）的轉速。如果經Ⅰ-Ⅱ-Ⅲ軸之間的兩對1：1的齒輪傳動，主軸能得到3000 r/min --1000 r/min恒功率轉速范圍。當主軸轉速n降到1000 r/min時，電動機轉速降到1500 r/min（額定轉速）。如果電動機轉速繼續(xù)下降，則將進入恒轉矩區(qū)，最大輸出功率也將隨之下降。表現(xiàn)在圖4-4（b）的功率特性圖上，主軸轉速為3000 r/min--1000 r/min時，為ab段，是恒功率。當電動機轉速低于額定轉速時，最大輸出功率將沿bc段虛線下降。 圖4-4 傳動系統(tǒng)及功率特性圖 當主軸轉速降到1000 r/min時，變速箱變速，經（1/1）*（1/3）傳動主軸。這時電動機轉速自動地回到最高轉速。當電動機又從4500 r/min降到1500 r/min時，主軸從1000 r/min降到333 r/min，還是為恒功率。在功率特性圖上為bd段。 當主軸轉速降到333 r/min時，變速箱變速，經（1/3）*（1/3）=1/9轉動主軸。電動機又回到最高轉速。主軸從333 r/min降到111 r/min，在特性圖上為df段。 主軸111 r/min的轉速已低于原要求的計算轉速，以下進入恒轉矩段?？侩妱訖C繼續(xù)降速得到，當電動機轉速降到405 r/min時，主軸轉速降到405*（2/3）*（1/9）=30 r/min，即為主軸的最低轉速，這時電動機的最大輸出功率為： P2=Pd=0.27 Pd (4-15) 即為額定功率Pd的27% 。 在圖4-4（b）中，abdf應為一條直線。為了清楚起見，把它畫成三段，并略錯開?？梢钥闯?，主軸恒功率變速范圍af是由3段組成的，每段的變速范圍為電動機的恒功率調速范圍RdP=3。所以，變速箱的公比Φ= RdP 。電動機的功率根據主軸的需要選擇。主軸計算轉速為f點的轉速（111r/min）。表4.3為主軸轉速與有級級數和電動機調壓調磁轉速的關系. 表4.3 主軸轉速與有級級數和電動機調壓調磁轉速的關系 n/r?min-1 有級級數 nY/r?min-1 30≦n<111 Ⅰ[（2/3）?（20/60）?（20/60）] 405--1500 111≦n<333 Ⅱ[（2/3）?（20/60）?（20/60）] 1500--4500 333≦n<1000 Ⅲ[（2/3）?（40/40）?（20/60）] 1500--4500 1000≦n≦3000 Ⅳ[（2/3）?（40/40）?（40/40）] 1500--4500 圖4-4（c）為轉矩特性。從a至f，轉矩隨轉速下降而上升。至f點為主軸輸出的最大轉矩Mmax。f-g為轉矩區(qū)。a至f也是由三段拼成的。 3、分段有級變速傳動方案確定 (1) 、傳動方案的設計計算 由前面計算得： =3，j=3 帶傳動的傳動比i0=2/3 取 i1=1 i2=1/3 I3=1 i4=1/3 故取：=40 =40 =20 =60 =40 =40 =20 =60 (2) 、齒輪的設計計算 大小齒輪都采用45號鋼調質，選小齒輪硬度為260HB—290HB，大齒輪硬度為220HB—250HB，精度選用六級，模數m=2.5mm , 齒寬b=30mm, 螺旋角α= 所以： =mz1=2.5×40=100（） (4-16) =2.5×40=100（） =2.5×20=50（） =2.5×60=150（） =2.5×40=100（） =2.5×40=100（） =2.5×20=50（） =2.5×60=150（） 還應該校核齒輪表面接觸疲勞強度，彎曲疲勞強度。經校核均合格，其校核過程略。 (四) 、電磁離合器的設計計算 有級變速的自動變換方法一般有液壓或電磁離合器兩種。 液壓變速機構是通過液壓缸、活塞桿帶動拔叉推動滑移齒輪移動來實現(xiàn)變速，雙聯(lián)滑移齒輪用一個液壓缸，而三聯(lián)滑移齒輪必須使用兩個液壓缸實現(xiàn)三位移位。 電磁離合器是應用電磁效用接通或切斷運動的元件，由于它便于實現(xiàn)自動操作，并有現(xiàn)成的系列產品可供選用，因而它已成為自動裝置中常用的操作元件。電磁離合器用于數控機床的主轉動時，能簡化變速機構，操作方便，通過若干個安裝在各轉動軸上的離合器的吸合和分離的不同組合來改變齒輪的傳動路線，實現(xiàn)主軸的變速。 經分析本設計選用電磁離合器來控制數控車床的有級自動變速。 圖4-5 電磁離合器變速的主傳動系統(tǒng)圖 圖4-5是采用電磁離合器變速的傳動系統(tǒng)圖，該傳動系統(tǒng)由四對相互嚙合的齒輪構成二級齒輪變速。每對相嚙合的齒輪中有一個空套在傳動軸上，并與電磁離合器的聯(lián)接件聯(lián)接，離合器與傳動軸采用花鍵聯(lián)接，空套齒輪與傳動軸之間只有在電磁離合器吸合時才能傳動。因此，通過各離合器的吸合和分離的不同組合可以改變運動的傳動路線，實現(xiàn)主軸的變速。對4-5所示系統(tǒng)，四個離合器有4種可實現(xiàn)傳動的組合，由于有兩組齒輪的齒數一樣，因而有4條不同的傳動路線，可獲得3檔機械變速（表4.4） 表4.4 電磁離合器動作與傳動比 電動機轉速(r?min-1) 主軸轉速(r?min-1) 傳動比 電磁離合器 M1 M2 M3 M4 1500——4500 1000≦n≦3000 i=（2：3）*（Z′1/Z1）*（Z′3/Z3）=2：3 + - + - 1500——4500 333≦n<1000 i=（2：3）*（Z′1/Z1）*（Z′4/Z4）=1:3 + - - + i==（2：3）*（Z′2/Z2）*（Z′3/Z3）=1:3 - + + - 1500——4500 111≦n<333 i==（2：3）*（Z′2/Z2）*（Z′4/Z4）=1:9 - + - + 405——1500 30≦n<111 i==（2：3）*（Z′2/Z2）*（Z′4/Z4）=1:9 - + - + 當從CNC裝置中輸出一主軸轉速n主 時，此主軸轉速n主經過一比較器進行比較： 當30 r?min-1≦n主<111 r?min-1 時電磁離合器M2和M4吸合，M1和M3分離，此時整個系統(tǒng)的轉動比是2：27，交流電動機的進行恒轉矩傳動。其轉速為n電=n主/I=405 r?min-1—1500 r?min-1 。 當111 r?min-1≦n主<333 r?min-1 時電磁離合器M2和M4吸合，M1和M3分離，此時整個系統(tǒng)的轉動比是2：27，交流電動機的進行恒功率傳動。其轉速為n電=n主/I=1500 r?min-1—4500 r?min-1 。 當333 r?min-1≦n主<1000 r?min-1 時電磁離合器M1和M4吸合，M2和M3分離，此時整個系統(tǒng)的轉動比是2：9，交流電動機的進行恒功率傳動。其轉速為n電=n主/I=1500 r?min-1—4500 r?min-1 。 當1000 r?min-1≦n主<3000 r?min-1 時電磁離合器M1和M3吸合，M2和M4分離，此時整個系統(tǒng)的轉動比是2：3，交流電動機的進行恒功率傳動。其轉速為n電=n主/I=1500 r?min-1—4500 r?min-1 。 三、機床調速電機控制電路圖的設計 在本課程設計中主軸電動機的調速是有變頻器來實現(xiàn)的。 （一）、變頻器的簡單原理 在交流異步電動機的諸多調速方法中，變頻調速的性能最好。調速范圍大，靜態(tài)穩(wěn)定性好，運行效率高。采用通用變頻器對籠型異步電動機調速控制，由于使用方便、可靠性高并且經濟效率顯著，所以逐步得到推廣。 1、 變頻器的基本構成 變頻器分為交-交和交-直-交兩種形式。交-交變頻器可將工頻交流直接換成頻率，電壓均可控制的交流，又稱直接式變頻器。而交-直-交變頻器則是先把工頻交流通過整流器變成直流，然后再把直流變換成頻率、電壓均可控制的交流，又稱間接式變頻器。在本課程設計中將采用交-直-交變頻器來控制主軸電動機。 變頻器的基本構成如圖4-6所示，有主回路（包括整流器、中間直流環(huán)節(jié)、逆變器）和控制回路組成，分析如下: 圖4-6 變頻器的基本結構 （1）、整流器 電網側的交流器I是整流器，它的作用是把三相（也可以是單相）交流整流成直流。 （2）、逆變器 負載側的交流器II為逆變器。最常見的結構形式是利用六個半導體主開關器件組成的三相橋式逆變電路。有規(guī)律的控制逆變器中的主開關的通與斷，可以得到任意頻率的三相交流輸出。 （3）、中間直流環(huán)節(jié) 由于逆變器的負載為異步電動機，屬于感性負載。無任電動機處于電動或發(fā)電制動狀態(tài)，其功率因數總不會等于1。因此，在中間直流環(huán)節(jié)和電動機之間總會有無功功率的交換。這種無功功率的能量要靠中間直流環(huán)節(jié)的儲能元件（電容器或電抗器）來緩沖。所以又常稱中間直流環(huán)節(jié)為中間儲能環(huán)節(jié)。 （4）、控制電路 控制電路常由運算電路、檢測電路、控制信號的輸入、輸出電路和驅動電路等構成。其主要任務是完成對逆變器的開關控制，對整流器的電壓控制以及完成各種保護功能等?？刂品椒刹捎脭底挚刂苹蚰M控制。高性能的變頻器目前已經采用微型計算機進行全數字控制，采用盡可能簡單的硬件電路，主要靠軟件來完成各種功能。由于軟件的靈活性，數字控制方式常可以完成模擬控制方式難以完成的功能。 （5）關于變頻器名稱的說明 對于交-直-交變頻器，在不涉及能量傳遞方向的改變時，我們常簡單的稱變頻器I為整流器，變頻器II為逆變器，而把圖中I、II、III總起來稱為變頻器。 2、變頻器類型的選擇 這里將就交-直-交變頻器按不同角度進行選擇如下分類 （1）、按直流電源的性質分類 當逆變器輸出側的負載為交流電動機時，在負載和直流電源之間將進行無功功率的交換。用于緩沖無功功率的中間直流環(huán)節(jié)的儲能元件可以是電容或電感，據此，變頻器可分為電壓型變頻器和直流型變頻器兩大類。在本課程設計中將采用電壓型變頻器進行控制。 （2）、電壓調節(jié)方式的選擇 變頻調速時，需要同時調節(jié)變頻器的輸出電壓和頻率，以保證電磁主磁通的恒定。對輸出電壓的調節(jié)有兩種方式：PAM方式和PWM方式。在本課程設計中將采用PWM型方式進行調速控制。 PWM方式是脈沖寬度調制方式的簡稱。最常見的主電路圖如圖4-7a所示。變頻器中的整流器采用不可控的二級管整流電路。變頻器的輸出變頻和輸出電壓的調節(jié)均由逆變器按PWM方式完成。調壓過程的示意圖如4-7b所示。利用參考電壓uR與載頻三角波uc互相比較，來決定主開關的導通時間而實現(xiàn)調壓。利用脈沖寬度的改變來得到幅值不同的正弦基波電壓。這種參考信號為正弦波，輸出電壓平均值近似為征象波PWM方式，稱為正弦PWM調制，簡稱為SPWM方式。 圖4-7 PWM變頻器 本課程設計采用的變頻器為富士公司生產的FVR—G7S系列富士變頻器型號為FVR11G7S—7JS變頻器。整個機床調速電機控制電路圖如附圖所示 改造后的機床為實現(xiàn)其螺紋加工還須配置主軸脈沖發(fā)生器作為車床主軸位置信號的反饋元件。它與車床主軸同步運行，采集主軸運動時的數據信息，發(fā)出主軸轉角位置變化信號，輸入到數控系統(tǒng)內，再由數控系統(tǒng)通過軟件控制，以保證主軸每轉一轉時，螺紋車刀也同步在縱向進給一個螺紋，并保證螺紋加工中分幾次切削時不發(fā)生亂扣，即每次螺紋切削進刀位置一致。主軸脈沖發(fā)生器一般采用增量式光電編碼器，其安裝通常有兩種方式：同軸安裝、異軸安裝。 同軸安裝方式是直接與車床主軸的后端相聯(lián)結，這種方式結構簡單，但缺點是安裝后不能加工穿出車床主軸孔的零件；異軸安裝方式是通過橋齒輪或同步齒形帶傳動，使主軸與光電編碼器同步轉動，其結構復雜，但避免了前述同軸安裝的缺點。本設計中是采用異軸安裝方式。 主軸脈沖發(fā)生器輸光學元件，安裝時應小心輕放，不能有較大的 沖擊和振動，以防損壞玻璃光柵盤，造成報廢。令應注意主軸脈沖發(fā)生器的最高運行轉速，車床主軸的轉速必須小于此轉速，以免損壞脈沖發(fā)生器。