【文章內容簡介】 數為Z，則主軸的恒功率變速范圍為 變速箱的變速級數Z可由上式算出 ② 若要簡化變速箱結構，變速級數應少些，變速箱公比可取大于電動機的恒功率調速范圍，即〉。這時，變速箱每擋內有部分低轉速只能恒轉變速，主傳動系統(tǒng)功率特性圖中出現缺口，稱之為功率降低區(qū)。是用缺口范圍內的轉速時，為限制轉矩過大，得不到電動機輸出全部功率。為保證缺口處的輸出功率，電動機的功率應相應增大，這樣將會出現“大馬拉小車”的現象③ 如果數控機床為了恒線速度切削需在運轉中變速時，取公比小于電動機的恒功率變速范圍，即，在主傳動系統(tǒng)功率特性圖上有一小段重合，這時變速箱的變速級數將增多，使結構變得復雜。適合于恒線速度切削時可在運轉中變速，這時不能變速箱變速，必須用電動機變速。因為用變速箱變速時必須停車，這在連續(xù)切削時是不允許的。因此，可采用增加變速箱的變速級數Z，降低公比的方法解決。 根據數控車床的結構要求和上面三種情況相比較，故選用第1種變速箱公比選擇方法。取變速箱的公比等于電動機的恒功率調速范圍 ，即=，則車床主軸的恒功率變速范圍為 變速箱的變速級數 電動機恒功率調速范圍=/=6000/1500=4，主軸的恒功率調速范圍2400/150=16 = =2因此，車床主軸變速箱的變速級數為2（3）分級變速箱的設計計算通過主傳動級數的確定，以及分級變速箱的公比=4的確定可得轉速圖（圖23）電動機經定比傳動1：，使變速箱的軸得到2400r/min～600r/min（恒功率）和600r/min～160r/min（恒轉矩）的轉速。如果經Ⅱ—主軸之間的一對1：1齒輪傳動，主軸能得到2400r/min～600r/min恒功率轉速范圍圖23。當主軸轉速n降到600r/min時，電機轉速降至1500r/min（額定轉速）。如果電機轉速繼續(xù)下降，則將進入恒轉矩區(qū)，最大輸出功率也隨之下降。主軸轉速為2400r/min～600r/min時，是恒功率。當電機轉速低于額定轉速時，最大輸出功率將下降。當主軸轉速降至1500r/min時，變速箱變速，經1/4傳動主軸。這時電機轉速自動地回到最高轉速。當電機又從6000r/min降至1500r/min時，主軸從600r/min降至150r/min，仍為恒功率。主軸150r/min的轉速已經接近于原要求的計算轉速，轉速繼續(xù)下降將進入恒轉矩段?？侩姍C繼續(xù)降速得到，當電機轉速降至400r/min時，主軸轉速降至150（1/）（1/4）=40r/min，即為主軸的最低轉速，這時電動機的最大輸出功率為即為額定功率的27%圖5功率特性圖圖24如圖24所示a、b、d應該為一條直線，為了清楚起見，把她畫成了2段并略為錯開。可以看出，主軸的恒功率變速范圍ad兩段拼接起來的，每段都等于電動機的恒功率調速范圍=4，所以變速箱的公比=4。如圖25所示，從a到d（由2段組成）轉矩隨著轉速的下降而上升。至d點位主軸輸出的最大轉矩，d到e位恒轉矩區(qū)。圖6 轉矩特性圖圖25對于傳動軸，除重載軸外，一般無須進行強度校核，只進行剛度驗算。軸的抗彎斷面慣性矩（）花鍵軸 =式中 d—花鍵軸的小徑（mm）；i—花軸的大徑（mm）；b、N—花鍵軸鍵寬，鍵數；傳動軸上彎曲載荷的計算，一般由危險斷面上的最大扭矩求得： =式中 N—該軸傳遞的最大功率（kw）。 —該軸的計算轉速（r/min）。傳動軸上的彎矩載荷有輸入扭矩齒輪和輸出扭矩齒輪的圓周力、徑向力，齒輪的圓周力式中 D—齒輪節(jié)圓直徑（mm）,D=mZ。 齒輪的徑向力： 式中 α—為齒輪的嚙合角，α＝20186。；ρ—齒面摩擦角，；β—齒輪的螺旋角；β＝0故N花鍵軸鍵側擠壓應力的驗算花鍵鍵側工作表面的擠壓應力為：式中 —花鍵傳遞的最大轉矩（）； D、d—花鍵軸的大徑和小徑（mm）； L—花鍵工作長度； N—花鍵鍵數； K—載荷分布不均勻系數，K=～；（4） 傳動比的確定從電機軸到中間軸帶傳動的傳動比為1/，從中間軸到主軸一組齒輪傳動的傳動比為1/1和1/4參數 軸I軸（電機軸）II軸（中間傳動軸）III軸（主軸）計算轉速（）1500600150輸入功率（Kw） 轉矩（） 傳動比 ， 各軸的傳動參數三、電動機的選擇機床的主軸系統(tǒng)和進給系統(tǒng)有很大的差別。根據機床主傳動的工作特點，早期的機床主軸傳動全部采用三相異步電動機加上多級變速箱的結構。隨著技術的不斷發(fā)展，機床結構有了很大的改進，從而對主軸系統(tǒng)提出了新的要求，而且因用途而異。在數控機床中，數控車床占42％，數控鉆鏜銑床占33％，數控磨床、沖床占23％，其他只占2％。為了滿足量大面廣的前兩類數控機床的需要，對主軸傳動提出了下述要求：～250kW的功率范圍；要有大的無級調速范圍，如能在1：100～1000范圍內進行恒轉矩調速和1：10的恒功率調速；要求主傳動有四象限的驅動能力；為了滿足螺紋車削，要求主軸能與進給實行同步控制；在加工中心上為了自動換刀，要求主軸能進行高精度定向停位控制，甚至要求主軸具有角度分度控制功能等等。 主軸傳動和進給傳動一樣，經歷了從普通三相異步電動機傳動到直流主軸傳動，而隨著微處理器技術和大功率晶體管技術的進展，現在又進入了交流主軸伺服系統(tǒng)的時代，目前已很少見到在數控機床上有使用直流主軸伺服系統(tǒng)了。但是國內生產的交流主軸伺服系統(tǒng)的產品尚很少見，大多采用進口產品。交流伺服電動機有永磁式同步電動機和籠型異步電動機兩種結構形式，而且絕大多數采用永磁式同步電動機的結構形式。而交流主軸電動機的情況則不同，交流主軸電動機均采用異步電動機的結構形式，這是因為，一方面受永磁體的限制，當電動機容量做得很大時，電動機成本會很高，對數控機床來講無法接受采用；另一方面，數控機床的主軸傳動系統(tǒng)不必像進給伺服系統(tǒng)那樣要求如此高的性能，采用成本低的異步電動機進行矢量閉環(huán)控制，完全可滿足數控機床主軸的要求。但對交流主軸電動機性能要求又與普通異步電動機不同，要求交流主軸電動機的輸出特性曲線（輸出功率與轉速關系）是在基本速度以下時為恒轉矩區(qū)域，而在基本速度以上時為恒功率區(qū)域。數控機床使用的主軸驅動系統(tǒng)，可分為直流主軸驅動系統(tǒng)和交流主軸驅動系統(tǒng)兩大類。下面根據這兩大類主軸驅動系統(tǒng)的特點來選擇主軸驅動系統(tǒng)。 直流主軸驅動系統(tǒng)得特點在數控機床高速,高效,高精度的控制要求,使得FANUC直流主軸驅動與通常的速度自動調節(jié)系統(tǒng)相比有以下特點:（1） 調速范圍寬, 采用FANUC主軸驅動的數控機床,在機械結構方面，小型機床通常采用電機與主軸直接或皮帶變速的結構形式、中、大型機床通常只設置高,低速兩級簡單的機械變速機構，因此，主軸電動機的調速必須全部依賴主軸驅動器進行控制。為保證數控機床的加工范圍,使加工工藝相對集中，并達到理想的切削效果，主軸驅動器必須實現無級變速，且具有教寬的調速范圍。（2） 在結構上，ＦＡＮＵＣ直流主軸電動機為全封閉的結構形式，可以在有塵埃和切削液飛濺的工業(yè)環(huán)境中使用。（3） 在冷卻系統(tǒng)上，為了縮小體積，提高效率，ＦＡＮＵＣ主軸電動機采用了特殊法人熱管冷卻系統(tǒng)，可以將轉子產生的熱量迅速的向外界發(fā)散。（4） 在磁路設計上，為了使電機發(fā)熱最小，ＦＡＮＵＣ煮粥電動機定子采用了獨特的附加磁極，以減小損耗，提高了效率。 交流主軸驅動系統(tǒng) 在近幾年，很多機床都采用交流主軸驅動系統(tǒng)，下面談論一下交流主軸驅動系統(tǒng)與交流主軸驅動系統(tǒng)的一些特點：（1） 由于驅動系統(tǒng)采用了微處理器和現代控制理論進行控制，系統(tǒng)運行平穩(wěn)，振動和噪音小，并且可以獲得較大的調速范圍和較高的低速轉矩，可以較方便地與數控機床相配套。（2） 較大功率驅動系統(tǒng)采用了難度較大的“回饋制動”技術，在制動時，既可將電動機能量反饋回電網，起到節(jié)能的效果，又可以加快起、制動速度。（3） 驅動器具有Ｄ／Ａ轉換器、實際轉速／轉矩信號輸出、電氣主軸“定向準?！钡裙δ?，可以方便地與各類ＣＮＣ配套。（4） 電機采用無外殼結構，定子硅鋼片直接進行空氣冷卻，可以在浮塵、切削液飛濺的場合安全、可靠地工作。（5） 與直流電機相比，由于交流主軸電機在結構上無換向器，主軸電機通常不需要進行維修。（6） 主軸低年級轉速的提高不受換向器的限制，最高轉速通常比直流主軸低年級更高。（7） 主軸電機的冷卻空氣由前端向后流動，可以有效減少電機發(fā)熱對機床精度的影響。通過上面兩種主軸驅動系統(tǒng)的比較，交流主軸電動機在工作環(huán)境，冷卻系統(tǒng)和調速范圍上都優(yōu)于直流主軸驅動系統(tǒng)，故根據在這些方面的優(yōu)勢本設計的主軸驅動系統(tǒng)采用交流主軸驅動系統(tǒng)．其選用的交流主軸電機的參數如下：主軸型號連續(xù)輸出功率３０分鐘額定輸出功率基本速度變速范圍