数控铣床主传动及控制系统
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发布时间：2022-05-10 16:58
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时间：2023-10-17 11:00
导和计算,通过分析这些参数的相互关系及其对结构和性能的影响,得出一些有参考价值的结论。
关键词:传动系统;功率缺口;扭矩;减速比
主传动系统是铣床传动系统的核心环节。传统的铣床主传
动系统采用有级传动方式,其计算和设计方法早已有详细论
述。随着机床技术的发展,数控铣床和加工中心的主传动系统
已普遍采用无级传动方式。尽管一些大型的机床设计手册对无
级传动方式的分析计算和设计方法已有论述,也已形成一些设
计原则,但机械加工对主轴无级传动系统的要求多种多样,随
着机床技术的发展,随着机床产品设计越来越理性化,在进行
主传动系统设计时需要对各主要技术参数和特性参数如高、低
档减速比、主轴额定转速、功率损失等进行计算,对这些参数的
相互关系和相互影响以及对结构性能的影响进行分析。而以往
的技术文献对这方面的介绍、论述较为笼统和简单,有关结论
也显得简单,已不能满足分析和设计要求,因此有必要不断地
深入研究,完善主传动计算与设计方法。笔者多年来主管多项
数控铣床和加工中心产品的设计,对各种主传动系统设计进行
了较深入的分析,积累了较多的分析和设计经验,对主传动系
统各主要设计参数和特性参数进行了推导计算和相互关系分
析,得出了一些较为适用的结论,现介绍如下。
1主轴无级传动系统的特点
主轴无级传动系统主要由无级调速电机及驱动单元和机
械传动机构组成。
1.1无级调速电机及驱动主要机械特性
无级调速电机具有转速拐点,即额定转速。其特点为:小于
额定转速的为恒扭矩范围,大于额定转速的为恒功率范围,如
图1所示。额定转速一般有500r/min、750r/min、1000r/min、1500r/min、2000r/min等几种,按照成本原则,通常使用较多的为
1500r/min。如果直接使用额定转速为1500r/min以上的电机而
不经过机械减速,则输出的恒功率范围和低速扭矩较小,不能
满足很多场合下的正常使用要求。
1.2主轴无级传动系统中的机械传动机构种类及特点
(1)直接1:1传动
可采用电机与主轴组件直联方式或通过同步带传动方式,
结构简单,易获得高转速,但低速扭矩小,一般只适用于高速和
轻切削场合。
(2)直接减速或升速传动
常采用同步带传动方式,也可采用齿轮传动方式,结构简
单。对于减速传动,可扩大恒功率范围和提高主轴扭矩,但扩大
和提高程度有限,或最高转速受到*。对于升速传动,可获得
高转速,但缩小了恒功率范围,降低了低速扭矩。
(3)高低档两段变速传动
一般采用齿轮两档变速机构,可配合较为经济的额定转速
较大的无级调速电机,既可获得较高转速,又可较大地拓宽恒
功率范围,提高低速扭矩,适合于要求达到较高转速且可进行
较大切削量加工的场合。
(4)高、中、低档三段变速传动
采用齿轮三档变速机构,配合较为经济的额定转速较大的
无级调速电机,既可获得较高转速,又可大大拓宽恒功率范围,
大大提高低速扭矩,适合于要求达到较高转速且可进行大切削
量加工的场合,其机械性能几乎与齿轮有级变速方式相同。但
结构复杂,且由于采用齿轮多级传动方式,最高转速受限更大。
目前这种传动方式很少采用。
从以上介绍可知,各种传动方式各有优缺点,关键是根据
不同的使用要求选择不同的传动方式。
1.3关于高低档两段变速传动方式
从以上分析可以看出,采用高低档两段变速传动方式,既
可获得较高转速,又可较大的拓宽恒功率范围,较大的提高低
速扭矩,且结构要比三段变速简单,因此是较为理想的传动方
式。特别是,出于对电控系统价格的考虑,我们经常采用额定转速为1500r/min主轴电机。当选用额定转速大于或等于
1000r/min的主轴电机,且又要求具有较大的输出恒功率范围、
较大的主轴低速扭矩和较高的主轴转速,则必须采用高低档两
段变速传动方式。
同时可以看出,高低档两段变速传动方式的计算和设计要
比直接传动方式复杂得多。不同的参数选择可导致机械性能的
不同,并适应于不同的使用要求。因此,导出各设计参数的计算
公式,分析各参数选择对机械性能的影响,分析参数选择与结
构设计的关系,这对于主轴无级调速系统的设计,对于如何通
过计算和设计达到数控机床的预定的技术要求,实现较好的制
造工艺性和性能价格比,将具有重要的意义。
2高低档两段变速传动系统的计算和分析
高低档两段变速传动机构具有多种形式,但其分析计算是
一样的。在进行机床产品设计时,一般情况下,是根据产品定
位、用途、技术要求等因素,确定主电机功率及其额定转速、主
轴最高转速、主轴最大扭矩等主要参数,再根据这些主要参数
和结构要求特点,计算和确定主传动高档和低档减速比,及确
定其它参数和结构参数,进行结构设计。由于采用两档传动方
式,可能会产生在一定速度范围内功率损失的现象,这就是所
谓的功率缺口。尽可能降低功率缺口也是确定主传动高档和低
档减速比的主要依据之一。
2.1高低档减速比计算
2.5参数选择综合分析和确定
以上算式反映了各主要技术参数的关系,对设计参数选
择、技术特性分析、结构设计和分析具有重要作用。
(1)低档减速比对机械特性的影响和减速比选择
根据式(1),低档减速比由主轴最大扭矩和电机最大扭矩
决定。主轴最大扭矩越大,则低档减速比越大;反过来,低档减
速比越大,则主轴最大扭矩越大。同时,根据式(3),低档减速比
越大,则主轴额定转速越小,即恒功率范围就越扩大。但根据式
(5)、(6)、(7),低档减速比越大,则功率损失或功率缺口越大。
所以必须综合考虑和分析,选择较大的低档减速比,以保证得
到较大的主轴最大扭矩和恒功率范围,但低档减速比又不能太
大,否则功率损失太大,影响机床机械特性的程度大,达不到正
常使用要求。一般选择低档减速比为3.5~5较为合适,具体选
择要综合根据具体技术要求和使用要求而定。
(2)高档减速比对机械特性的影响和减速比选择
以往的技术文献对高档减速比的分析极少,只简单指出高
档减速比一般为1。
根据式(5)、(6)、(7),高档减速比越大,则功率损失越小;
同时根据式(3)和式(10),高档减速比越大,则功率缺口转速范
围越小。所以,高档减速比大对机械特性是好的。但也是根据式
(2),在主轴最高转速一定的情况下,高档减速比越大,则电机
使用最高转速也越大。我们知道,在进行设计选择时,不一定选
择到电机真正的最高转速,至于选择多大,要进行综合分析。从
以上分析可知,电机使用最高转速越大,则对机械特性越好,但
电机使用最高转速越大,对机械结构稳定性和机械加工精度要
求也越高,成本增加,经济性降低,在一定程度上成为矛盾。所
以,一般选择高档减速比为1~1.5,而不必*为1。
(3)功率缺口的分析
根据式(5),在电机特性和主轴最高转速确定后,最低功率
与高、低档减速比有关。选择大的高档减速比和小的低档减速
比,则最低功率就越大,即功率损失就越小。但从以上的分析也
已知道,高档减速比大则对机械结构稳定性和机械加工精度要
求就高;低档减速比小,则会导致主轴最大扭矩小和恒功率范
围小,影响机械特性。这是一个矛盾。我们可以加大主电机额定
功率来弥补功率损失的影响,这样又会加大成本。所以,在一般
情况下,是允许功率缺口存在的,允许功率缺口的大小视具体
使用要求和技术要求而定,一般为不大于1.2~1.5,特殊情况下
可以大些。
3结束语
在进行数控铣床或加工中心的两段变速主传动系统设计
时,必须对主要设计参数、机械特性和使用要求进行综合考虑
和分析,既要实现好的机械特性和满足使用要求,又要满足制
造工艺性和适应经济性要求。根据笔者经验,一般取高档减速
比为1~1.5;低高档减速比为3.5~5;功率缺口一般为不大于
1.2～1.5。
参考文献:
[1]现代实用机床设计手册编委会.现代实用机床设计手册[M].北京:
机械工业出版社,2006.
