【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 (47) 5）、電機(jī)恒功率區(qū)變速范圍 RdP=dmaxnn =3 (48) 主軸參數(shù)計(jì)算 1）、主軸計(jì)算轉(zhuǎn)速 nj nj= minmaxmin )nn(n ? (49) = )303000(30? =120r/min 2）、主軸恒功率變速范圍 RnP RnP=jmaxnn = 1203000 =25r/min (410) 3）、分級(jí)變速機(jī)構(gòu)的變速范圍 RF RF= DPnpRR = 325 = (411) 其中： RnP主軸恒功率區(qū)變速范圍 RDP電機(jī)恒功率區(qū)變速范圍 4）、主傳動(dòng)系統(tǒng)總降速比 i∑ i∑ =djnn =1500120 =1/ (412) (三 )、數(shù)控機(jī)床分級(jí)變速箱的設(shè)計(jì) 數(shù)控機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速自動(dòng)變換過(guò)程 在數(shù)控機(jī)床上 ,特別是在自動(dòng)換刀 的數(shù)控機(jī)床上應(yīng)根據(jù)刀具與工藝要求進(jìn)行主軸轉(zhuǎn)速的自動(dòng)變速。在零件加工工程序中用 S兩位代碼指定主軸轉(zhuǎn)速的序號(hào)，或用四位代碼指定主軸轉(zhuǎn)速的沒(méi)分鐘轉(zhuǎn)數(shù)，并且用 M兩位代碼指定主軸的正、反向啟動(dòng)和停止。 采用直流或交流調(diào)速電動(dòng)機(jī)的主運(yùn)動(dòng)無(wú)級(jí)變速系統(tǒng)中，主軸的正、反啟動(dòng)和停止制動(dòng)是直接控制電動(dòng)機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，主軸轉(zhuǎn)速的變換則由電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的變換與齒輪有級(jí)變速機(jī)構(gòu)的變換相配合來(lái)實(shí)現(xiàn)的。機(jī)床主運(yùn)動(dòng)變速系統(tǒng)中主軸的轉(zhuǎn)速 n是如何由電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速、齒輪有級(jí)變速級(jí)數(shù)相配合來(lái)實(shí)現(xiàn)的，為了獲得主軸的某一轉(zhuǎn)速必須接通相應(yīng)的有級(jí)變速級(jí)數(shù)和電 動(dòng)機(jī)的調(diào)壓轉(zhuǎn)速 nY或調(diào)磁轉(zhuǎn)速 nC。理論上說(shuō)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速可以無(wú)級(jí)調(diào)速，但是，主軸轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速，也只能按一轉(zhuǎn)遞增，而且分級(jí)越多指令信號(hào)的個(gè)數(shù)越多，更難于實(shí)現(xiàn)。因此，實(shí)際上還是將主軸轉(zhuǎn)速按等比數(shù)列分成若干級(jí)，根據(jù)主軸轉(zhuǎn)速的 S代碼發(fā)出相應(yīng)的有級(jí)級(jí)數(shù)與電機(jī)的調(diào)速信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)主軸的住動(dòng)變速。電機(jī)的調(diào)壓或調(diào)磁變速，由電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路根據(jù)轉(zhuǎn)速指令電壓信號(hào)來(lái)變換。齒輪有級(jí)變速則才用夜壓或電磁離合器實(shí)現(xiàn)。 分級(jí)變速箱的設(shè)計(jì) 數(shù)控機(jī)床的分級(jí)變速箱由于位于調(diào)速電機(jī)與主軸之間 ,因此 ,設(shè)計(jì)時(shí)除遵循一般有級(jí)變速箱設(shè)計(jì)原則外 ,必須處理好公比的選擇 .在設(shè)計(jì)數(shù)控機(jī)床分級(jí)變速箱時(shí) ,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(jī)的恒功率調(diào)速范圍 RdP ,即Φ = RdP 。 b、如果為了簡(jiǎn)化變速箱的結(jié)構(gòu)，希望變速級(jí)數(shù)少一些，則不得不取較大的公比。 c、數(shù)控車(chē)床在切削階梯軸、成行螺旋面或端面時(shí)，有時(shí)需要進(jìn)行恒線(xiàn)速切削。 經(jīng)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(jī)的恒功率調(diào)速范圍 RdP ,即Φ = RdP .則機(jī)床主軸的恒功率變速范圍為 RnP=Φ Z1RdP=Φ Z (413) 變速箱的變速級(jí)數(shù) Z=?lglgRnp =lg3lg25 = (414) 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(shù)，可取變速箱的變速級(jí)數(shù) Z=3。其轉(zhuǎn) 速圖如圖 44（ a） 所示。電動(dòng)機(jī)經(jīng)定比傳動(dòng) 2： 3，使變速箱的軸 Ⅰ 得到 3000r/min— 1000r/min（恒功率）和 1000 r/min270 r/min（恒轉(zhuǎn)矩）的轉(zhuǎn)速。如果經(jīng) Ⅰ Ⅱ Ⅲ 軸之間的兩對(duì) 1： 1的齒輪傳動(dòng)，主軸能得到 3000 r/min 1000 r/min 恒功率轉(zhuǎn)速范圍。當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速 n降到 1000 r/min 時(shí)，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速降到 1500 r/min（額定轉(zhuǎn)速）。如果電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速繼續(xù)下降，則將進(jìn)入恒轉(zhuǎn)矩區(qū)，最大輸出功率也將隨之下降。表現(xiàn)在圖 44（ b）的功率特性圖上，主軸轉(zhuǎn)速為 3000 r/min1000 r/min時(shí)，為 ab段，是恒功率。當(dāng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速低于額定轉(zhuǎn)速時(shí)，最大輸出功率將沿 bc段虛線(xiàn)下降。 圖 44 傳動(dòng)系統(tǒng)及功率特性圖 當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速降到 1000 r/min 時(shí)，變速箱變速，經(jīng)（ 1/1） *（ 1/3）傳動(dòng)主軸。這時(shí)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速自動(dòng)地回到最高轉(zhuǎn)速。當(dāng)電動(dòng)機(jī)又從 4500 r/min降到 1500 r/min時(shí)，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(dāng)主軸轉(zhuǎn)速降到 333 r/min時(shí)，變速箱變速，經(jīng)（ 1/3） *（ 1/3） =1/9轉(zhuǎn)動(dòng)主軸。電 動(dòng)機(jī)又回到最高轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速已低于原要求的計(jì)算轉(zhuǎn)速，以下進(jìn)入恒轉(zhuǎn)矩段。靠電動(dòng)機(jī)繼續(xù)降速得到， 當(dāng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速降到 405 r/min 時(shí)，主軸轉(zhuǎn)速降到 405*（ 2/3） *（ 1/9） =30 r/min，即為主軸的最低轉(zhuǎn)速，這時(shí)電動(dòng)機(jī)的最大輸出功率為： P2=1500450 Pd= Pd (415) 即為額 定功率 Pd的 27% 。 在圖 44（ b）中， abdf應(yīng)為一條直線(xiàn)。為了清楚起見(jiàn)，把它畫(huà)成三段，并略錯(cuò)開(kāi)?？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(dòng)機(jī)的恒功率調(diào)速范圍 RdP=3。所以，變速箱的公比Φ = RdP 。電動(dòng)機(jī)的功率根據(jù)主軸的需要選擇。主軸計(jì)算轉(zhuǎn)速為 f 點(diǎn)的轉(zhuǎn)速（ 111r/min）。表 . 表 主軸轉(zhuǎn)速與有級(jí)級(jí)數(shù)和電動(dòng)機(jī)調(diào)壓調(diào)磁轉(zhuǎn)速的關(guān)系 n/r?min1 有級(jí)級(jí)數(shù) nY/r?min1 30≦ n111 Ⅰ [（ 2/3） ?（ 20/60） ?（ 20/60） ] 4051500 111≦ n333 Ⅱ [（ 2/3） ?（ 20/60） ?（ 20/60） ] 15004500 333≦ n1000 Ⅲ [（ 2/3） ?（ 40/40） ?（ 20/60） ] 15004500 1000≦ n≦ 3000 Ⅳ [（ 2/3） ?（ 40/40） ?（ 40/40） ] 15004500 圖 44（ c）為轉(zhuǎn)矩特性。從 a至 f，轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)速下降而上升。至 f點(diǎn)為主軸輸出的最大轉(zhuǎn)矩 Mmax。fg為轉(zhuǎn)矩區(qū)。 a至 f也是由三段拼成的。 分 段有級(jí)變速傳動(dòng)方案確定 (1) 、傳動(dòng)方案的設(shè)計(jì)計(jì)算 由前面計(jì)算得： z =3， ?=3 帶傳動(dòng)的傳動(dòng)比 i0=2/3 取 i1=1 i2=1/3 I3=1 i4=1/3 故?。?1z =40 39。1z =40 2z =20 39。2z =60 3z =40 39。3z =40 4z =20 39。4z =60 (2) 、齒輪的設(shè)計(jì)計(jì)算 大小齒輪都采用 45號(hào)鋼調(diào)質(zhì)，選小齒輪硬度為 260HB— 290HB，大齒輪硬度為 220HB— 250HB，精度選用六級(jí)，模數(shù) m= , 齒寬 b=30mm, 螺旋角α = 020 所以： 1d =mz1=179。 40=100（ mm ） (416) 39。1d =179。 40=100（ mm ） 2d =179。 20=50（ mm ） 39。2d =179。 60=150（ mm ） 3d =179。 40=100（ mm ） 39。3d =179。 40=100（ mm ） 4d =179。 20=50（ mm ） 39。4d =179。 60=150（ mm ） 還應(yīng)該校核齒輪表面接觸疲勞強(qiáng)度，彎曲疲勞強(qiáng)度。經(jīng)校核均合格，其校核過(guò)程略。 (四 ) 、電磁離合器的設(shè)計(jì)計(jì)算 有級(jí)變速的自動(dòng)變換方法一般有液壓或電磁 離合器兩種。 液壓變速機(jī)構(gòu)是通過(guò)液壓缸、活塞桿帶動(dòng)拔叉推動(dòng)滑移齒輪移動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)變速，雙聯(lián)滑移齒輪用一個(gè)液壓缸，而三聯(lián)滑移齒輪必須使用兩個(gè)液壓缸實(shí)現(xiàn)三位移位。 電磁離合器是應(yīng)用電磁效用接通或切斷運(yùn)動(dòng)的元件，由于它便于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)操作，并有現(xiàn)成的系列產(chǎn)品可供選用，因而它已成為自動(dòng)裝置中常用的操作元件。電磁離合器用于數(shù)控機(jī)床的主轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，能簡(jiǎn) 化變速機(jī)構(gòu)，操作方便，通過(guò)若干個(gè)安裝在各轉(zhuǎn)動(dòng)軸上的離合器的吸合和分離的不同組合來(lái)改變齒輪的傳動(dòng)路線(xiàn)，實(shí)現(xiàn)主軸的變速。 經(jīng)分析本設(shè)計(jì)選用電磁離合器來(lái)控制數(shù)控車(chē)床的有級(jí)自動(dòng)變速。 圖 45 電磁離合器變速的主傳動(dòng)系統(tǒng)圖 圖 45 是采用電磁離合器變速的傳動(dòng)系統(tǒng)圖，該傳動(dòng)系統(tǒng)由四對(duì)相互嚙合的齒輪構(gòu)成二級(jí)齒輪變速。每對(duì)相嚙合的齒輪中有一個(gè)空套在傳動(dòng)軸上，并與電磁離合器的聯(lián)接件聯(lián)接，離合器與傳動(dòng)軸采用花鍵聯(lián)接，空套齒輪與傳動(dòng)軸之間只有在電磁離合器吸合時(shí)才能傳動(dòng)。因此，通過(guò)各離合器的吸合和分離的不同組合可以改變運(yùn)動(dòng)的傳動(dòng)路線(xiàn)，實(shí)現(xiàn)主軸的變速。對(duì) 45 所示系統(tǒng)，四個(gè)離合器有 4 種可實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)的組合，由于有兩組齒輪的齒數(shù)一樣，因而有 4 條不同的傳動(dòng)路線(xiàn)，可獲得 3 檔機(jī)械變速（表） 表 電磁離合器動(dòng)作與傳動(dòng)比 電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速(r?min1) 主軸轉(zhuǎn)速(r?min1) 傳動(dòng)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≦ n1000 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≦ n333 i==（ 2： 3） *（ Z′ 2/Z2） *（ Z′ 4/Z4） =1:9 + + 405—— 1500 30≦ n111 i==（ 2： 3） *（ Z′ 2/Z2） *（ Z′ 4/Z4） =1:9 + + 當(dāng)從 CNC裝置中輸出一主軸轉(zhuǎn)速 n 主 時(shí)，此主軸轉(zhuǎn)速 n 主 經(jīng)過(guò)一比較器進(jìn)行比較： 當(dāng) 30 r?min1≦ n 主 111 r?min1 時(shí)電磁離合器 M2和 M4吸合， M1和 M3分離，此時(shí)整個(gè)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)比是2： 27，交流電動(dòng)機(jī)的進(jìn)行恒轉(zhuǎn)矩傳動(dòng)。其轉(zhuǎn)速為 n 電 =n 主 /I=405 r?min1— 1500 r?min1 。 當(dāng) 111 r?min1≦ n 主 333 r?min1 時(shí)電磁離合器 M2和 M4吸合， M1和 M3分離，此時(shí)整個(gè)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)比是 2： 27，交流電動(dòng)機(jī)的進(jìn)行恒功率傳動(dòng)。其轉(zhuǎn)速為 n 電 =n 主 /I=1500 r?min1— 4500 r?min1 。 當(dāng) 333 r?min1≦ n 主 1000 r?min1 時(shí)電磁離合器 M1和 M4吸合， M2和 M3分離，此時(shí)整個(gè)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)比是 2： 9，交流電動(dòng)機(jī)的進(jìn)行恒功率傳動(dòng)。其轉(zhuǎn)速為 n 電 =n 主 /I=1500 r?min1— 4500 r?min1 。 當(dāng) 1000 r?min1≦ n 主 3000 r?min1 時(shí)電磁離合器 M1和 M3吸合， M2和 M4分離，此時(shí)整個(gè)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)比是 2： 3，交流電動(dòng)機(jī)的進(jìn)行恒功率傳動(dòng)。其轉(zhuǎn)速為 n 電 =n 主 /I=1500 r?min1— 4500 r?min1 。 改造后的機(jī)床為實(shí)現(xiàn)其螺紋加工還須配置主軸脈沖發(fā)生器作為車(chē)床主軸位置信號(hào)的反饋元件。它與車(chē)床主軸同步運(yùn)行，采集主軸運(yùn)動(dòng)時(shí)的數(shù)據(jù)信息，發(fā)出主軸轉(zhuǎn)角位置變化信號(hào)，輸入到數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)，再由數(shù)控系統(tǒng)通過(guò)軟件控制，以保證主軸每轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)時(shí)，螺紋車(chē)刀也同步在縱向進(jìn)給一個(gè)螺紋，并保證螺紋加工中分幾次切削時(shí)不發(fā)生亂 扣，即每次螺紋切削進(jìn)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(chē)床主軸的后端相聯(lián)結(jié)，這種方式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但缺點(diǎn)是安裝后不能加工 穿出車(chē)床主軸孔的零件；異軸安裝方式是通過(guò)橋齒輪或同步齒形帶傳動(dòng)，使主軸與光電編碼器同步轉(zhuǎn)動(dòng)，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，但避免了前述同軸安裝的缺點(diǎn)。本設(shè)計(jì)中是采用異軸安裝方式。 主軸脈沖發(fā)生器輸光學(xué)元件，安裝時(shí)應(yīng)小心輕放，不能有較大的 沖擊和振動(dòng)，以防損壞玻璃光柵