提高数控机床效率的创新设计

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1、提高数控机床效率的创新设计摘要：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。关键词：无级调速；主旋转运动；分级变速基本实现原理如下：码盘测得车速，脚踏板转轴上的压力传感器获得人施力的大小，水银开关判断车子是在水面面还是斜坡上，然后把这三个信号输入到单片机处理，计算出一个最适合的档位，输出信号到电机驱动器（L298芯片），伺服电机执行。对换档部件的位置检测获得自行车所在的档位信号，反馈档位信号，形成闭环控制。为了使本装置成为可以

2、独立拆卸的选配部件，换档机构仍然使用原来手动换档的机构，把手动换挡装置的钢丝引线绕在伺服电机输出轴上，电机的转动带动钢丝引线，钢丝引线带动换挡装置实现换挡。0.概述学过《数控技术》课程后知道，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。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。 而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

3、设计有较大差别，传动方案也大不相同。 本人仿照《机械设计课程设计》中的方法查阅有关资料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。并通过资料的例题通过实例简单进行比较。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，也不需要串联分级变速机构和增大恒转矩区的

4、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。 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=1500r/min，小功率的Nd=2000r/min，这类机床的恒功率区变速范围小，通常都在3—5，内装

5、式主轴电机完全能满足要求。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245Nm，中型机床转矩大于490Nm，大型机床达到785-1177Nm2.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R≥100-200，恒功率区的变速范围尽

6、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，基本转速为1500r／min，最低转速为45r／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

7、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。常用交流主轴电机其功率转矩特性曲线如图1所示。由图看出，电机在恒转矩区功率随转速降低而减小，当电机转速低于300r/min时，因功率的减小而不能利300rmin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。图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

8、约为η=0.9，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。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计算电机适用的最低转速电机适用最低转速为：nDSmin=PDSmin*nd/PD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，图中电机额定转矩按下式计算：TDd=9550PD/nd 电机的最小转矩计算TDm