【文章內(nèi)容簡介】 數(shù)為Z，則主軸的恒功率變速范圍為 變速箱的變速級數(shù)Z可由上式算出 ② 若要簡化變速箱結(jié)構(gòu)，變速級數(shù)應(yīng)少些，變速箱公比可取大于電動機(jī)的恒功率調(diào)速范圍，即〉。這時(shí)，變速箱每擋內(nèi)有部分低轉(zhuǎn)速只能恒轉(zhuǎn)變速，主傳動系統(tǒng)功率特性圖中出現(xiàn)缺口，稱之為功率降低區(qū)。是用缺口范圍內(nèi)的轉(zhuǎn)速時(shí)，為限制轉(zhuǎn)矩過大，得不到電動機(jī)輸出全部功率。為保證缺口處的輸出功率，電動機(jī)的功率應(yīng)相應(yīng)增大，這樣將會出現(xiàn)“大馬拉小車”的現(xiàn)象③ 如果數(shù)控機(jī)床為了恒線速度切削需在運(yùn)轉(zhuǎn)中變速時(shí)，取公比小于電動機(jī)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(shí)變速箱的變速級數(shù)將增多，使結(jié)構(gòu)變得復(fù)雜。適合于恒線速度切削時(shí)可在運(yùn)轉(zhuǎn)中變速，這時(shí)不能變速箱變速，必須用電動機(jī)變速。因?yàn)橛米兯傧渥兯贂r(shí)必須停車，這在連續(xù)切削時(shí)是不允許的。因此，可采用增加變速箱的變速級數(shù)Z，降低公比的方法解決。 根據(jù)數(shù)控車床的結(jié)構(gòu)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(jī)的恒功率調(diào)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(shù) 電動機(jī)恒功率調(diào)速范圍=/=6000/1500=4，主軸的恒功率調(diào)速范圍2400/150=16 = =2因此，車床主軸變速箱的變速級數(shù)為2（3）分級變速箱的設(shè)計(jì)計(jì)算通過主傳動級數(shù)的確定，以及分級變速箱的公比=4的確定可得轉(zhuǎn)速圖（圖23）電動機(jī)經(jīng)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(zhuǎn)矩）的轉(zhuǎn)速。如果經(jīng)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(zhuǎn)速范圍圖23。當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速n降到600r/min時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速降至1500r/min（額定轉(zhuǎn)速）。如果電機(jī)轉(zhuǎn)速繼續(xù)下降，則將進(jìn)入恒轉(zhuǎn)矩區(qū)，最大輸出功率也隨之下降。主軸轉(zhuǎn)速為2400r/min～600r/min時(shí)，是恒功率。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速低于額定轉(zhuǎn)速時(shí)，最大輸出功率將下降。當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速降至1500r/min時(shí)，變速箱變速，經(jīng)1/4傳動主軸。這時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)速自動地回到最高轉(zhuǎn)速。當(dāng)電機(jī)又從6000r/min降至1500r/min時(shí)，主軸從600r/min降至150r/min，仍為恒功率。主軸150r/min的轉(zhuǎn)速已經(jīng)接近于原要求的計(jì)算轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)速繼續(xù)下降將進(jìn)入恒轉(zhuǎn)矩段。靠電機(jī)繼續(xù)降速得到，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速降至400r/min時(shí)，主軸轉(zhuǎn)速降至150（1/）（1/4）=40r/min，即為主軸的最低轉(zhuǎn)速，這時(shí)電動機(jī)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(yīng)該為一條直線，為了清楚起見，把她畫成了2段并略為錯(cuò)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(jī)的恒功率調(diào)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(zhuǎn)矩隨著轉(zhuǎn)速的下降而上升。至d點(diǎn)位主軸輸出的最大轉(zhuǎn)矩，d到e位恒轉(zhuǎn)矩區(qū)。圖6 轉(zhuǎn)矩特性圖圖25對于傳動軸，除重載軸外，一般無須進(jìn)行強(qiáng)度校核，只進(jìn)行剛度驗(yàn)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(shù)；傳動軸上彎曲載荷的計(jì)算，一般由危險(xiǎn)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(jì)算轉(zhuǎn)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(cè)擠壓應(yīng)力的驗(yàn)算花鍵鍵側(cè)工作表面的擠壓應(yīng)力為：式中 —花鍵傳遞的最大轉(zhuǎn)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(shù)； K—載荷分布不均勻系數(shù)，K=～；（4） 傳動比的確定從電機(jī)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(shù) 軸I軸（電機(jī)軸）II軸（中間傳動軸）III軸（主軸）計(jì)算轉(zhuǎn)速（）1500600150輸入功率（Kw） 轉(zhuǎn)矩（） 傳動比 ， 各軸的傳動參數(shù)三、電動機(jī)的選擇機(jī)床的主軸系統(tǒng)和進(jìn)給系統(tǒng)有很大的差別。根據(jù)機(jī)床主傳動的工作特點(diǎn)，早期的機(jī)床主軸傳動全部采用三相異步電動機(jī)加上多級變速箱的結(jié)構(gòu)。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，機(jī)床結(jié)構(gòu)有了很大的改進(jìn)，從而對主軸系統(tǒng)提出了新的要求，而且因用途而異。在數(shù)控機(jī)床中，數(shù)控車床占42％，數(shù)控鉆鏜銑床占33％，數(shù)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(shù)控機(jī)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(diào)速范圍，如能在1：100～1000范圍內(nèi)進(jìn)行恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速和1：10的恒功率調(diào)速；要求主傳動有四象限的驅(qū)動能力；為了滿足螺紋車削，要求主軸能與進(jìn)給實(shí)行同步控制；在加工中心上為了自動換刀，要求主軸能進(jìn)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(jìn)給傳動一樣，經(jīng)歷了從普通三相異步電動機(jī)傳動到直流主軸傳動，而隨著微處理器技術(shù)和大功率晶體管技術(shù)的進(jìn)展，現(xiàn)在又進(jìn)入了交流主軸伺服系統(tǒng)的時(shí)代，目前已很少見到在數(shù)控機(jī)床上有使用直流主軸伺服系統(tǒng)了。但是國內(nèi)生產(chǎn)的交流主軸伺服系統(tǒng)的產(chǎn)品尚很少見，大多采用進(jìn)口產(chǎn)品。交流伺服電動機(jī)有永磁式同步電動機(jī)和籠型異步電動機(jī)兩種結(jié)構(gòu)形式，而且絕大多數(shù)采用永磁式同步電動機(jī)的結(jié)構(gòu)形式。而交流主軸電動機(jī)的情況則不同，交流主軸電動機(jī)均采用異步電動機(jī)的結(jié)構(gòu)形式，這是因?yàn)?，一方面受永磁體的限制，當(dāng)電動機(jī)容量做得很大時(shí)，電動機(jī)成本會很高，對數(shù)控機(jī)床來講無法接受采用；另一方面，數(shù)控機(jī)床的主軸傳動系統(tǒng)不必像進(jìn)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(jī)進(jìn)行矢量閉環(huán)控制，完全可滿足數(shù)控機(jī)床主軸的要求。但對交流主軸電動機(jī)性能要求又與普通異步電動機(jī)不同，要求交流主軸電動機(jī)的輸出特性曲線（輸出功率與轉(zhuǎn)速關(guān)系）是在基本速度以下時(shí)為恒轉(zhuǎn)矩區(qū)域，而在基本速度以上時(shí)為恒功率區(qū)域。數(shù)控機(jī)床使用的主軸驅(qū)動系統(tǒng)，可分為直流主軸驅(qū)動系統(tǒng)和交流主軸驅(qū)動系統(tǒng)兩大類。下面根據(jù)這兩大類主軸驅(qū)動系統(tǒng)的特點(diǎn)來選擇主軸驅(qū)動系統(tǒng)。 直流主軸驅(qū)動系統(tǒng)得特點(diǎn)在數(shù)控機(jī)床高速,高效,高精度的控制要求,使得FANUC直流主軸驅(qū)動與通常的速度自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)相比有以下特點(diǎn):（1） 調(diào)速范圍寬, 采用FANUC主軸驅(qū)動的數(shù)控機(jī)床,在機(jī)械結(jié)構(gòu)方面，小型機(jī)床通常采用電機(jī)與主軸直接或皮帶變速的結(jié)構(gòu)形式、中、大型機(jī)床通常只設(shè)置高,低速兩級簡單的機(jī)械變速機(jī)構(gòu)，因此，主軸電動機(jī)的調(diào)速必須全部依賴主軸驅(qū)動器進(jìn)行控制。為保證數(shù)控機(jī)床的加工范圍,使加工工藝相對集中，并達(dá)到理想的切削效果，主軸驅(qū)動器必須實(shí)現(xiàn)無級變速，且具有教寬的調(diào)速范圍。（2） 在結(jié)構(gòu)上，ＦＡＮＵＣ直流主軸電動機(jī)為全封閉的結(jié)構(gòu)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(jī)采用了特殊法人熱管冷卻系統(tǒng)，可以將轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的熱量迅速的向外界發(fā)散。（4） 在磁路設(shè)計(jì)上，為了使電機(jī)發(fā)熱最小，ＦＡＮＵＣ煮粥電動機(jī)定子采用了獨(dú)特的附加磁極，以減小損耗，提高了效率。 交流主軸驅(qū)動系統(tǒng) 在近幾年，很多機(jī)床都采用交流主軸驅(qū)動系統(tǒng)，下面談?wù)撘幌陆涣髦鬏S驅(qū)動系統(tǒng)與交流主軸驅(qū)動系統(tǒng)的一些特點(diǎn)：（1） 由于驅(qū)動系統(tǒng)采用了微處理器和現(xiàn)代控制理論進(jìn)行控制，系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)，振動和噪音小，并且可以獲得較大的調(diào)速范圍和較高的低速轉(zhuǎn)矩，可以較方便地與數(shù)控機(jī)床相配套。（2） 較大功率驅(qū)動系統(tǒng)采用了難度較大的“回饋制動”技術(shù)，在制動時(shí)，既可將電動機(jī)能量反饋回電網(wǎng)，起到節(jié)能的效果，又可以加快起、制動速度。（3） 驅(qū)動器具有Ｄ／Ａ轉(zhuǎn)換器、實(shí)際轉(zhuǎn)速／轉(zhuǎn)矩信號輸出、電氣主軸“定向準(zhǔn)?！钡裙δ埽梢苑奖愕嘏c各類ＣＮＣ配套。（4） 電機(jī)采用無外殼結(jié)構(gòu)，定子硅鋼片直接進(jìn)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(jī)相比，由于交流主軸電機(jī)在結(jié)構(gòu)上無換向器，主軸電機(jī)通常不需要進(jìn)行維修。（6） 主軸低年級轉(zhuǎn)速的提高不受換向器的限制，最高轉(zhuǎn)速通常比直流主軸低年級更高。（7） 主軸電機(jī)的冷卻空氣由前端向后流動，可以有效減少電機(jī)發(fā)熱對機(jī)床精度的影響。通過上面兩種主軸驅(qū)動系統(tǒng)的比較，交流主軸電動機(jī)在工作環(huán)境，冷卻系統(tǒng)和調(diào)速范圍上都優(yōu)于直流主軸驅(qū)動系統(tǒng)，故根據(jù)在這些方面的優(yōu)勢本設(shè)計(jì)的主軸驅(qū)動系統(tǒng)采用交流主軸驅(qū)動系統(tǒng)．其選用的交流主軸電機(jī)的參數(shù)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