【053】3C618數(shù)控車床的主傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)(論文+DWG圖紙)
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第四章 主傳動(dòng)部分改造與設(shè)計(jì)
在改造設(shè)計(jì)之前,讓我們先來(lái)看一下數(shù)控機(jī)床主傳動(dòng)與普通機(jī)床相比所具有的特點(diǎn):
1)采用調(diào)速電機(jī)驅(qū)動(dòng),以滿足主軸根據(jù)數(shù)控指令進(jìn)行自動(dòng)變速的需要;
2)傳動(dòng)路線短,從而簡(jiǎn)化了主傳動(dòng)系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu);
3)轉(zhuǎn)速高、功率大;
數(shù)控機(jī)床的主傳動(dòng)系統(tǒng)除應(yīng)滿足普通機(jī)床傳動(dòng)要求外,還應(yīng)滿足如下要求:
具有更大的調(diào)速范圍,并實(shí)現(xiàn)無(wú)極調(diào)速。 數(shù)控機(jī)床就要為了保證加工時(shí)能選用合理的切削用量,充分發(fā)揮刀具的切削性能,從而獲得最高的生產(chǎn)效率、加工精度和表面質(zhì)量,必須有更高的轉(zhuǎn)速和更多的調(diào)速范圍。為了適應(yīng)各種工序和各種加工材質(zhì)的要求,主運(yùn)動(dòng)的調(diào)速范圍還應(yīng)進(jìn)一步擴(kuò)大。
②具有較高的精度和剛度,傳動(dòng)平穩(wěn),噪聲低。 數(shù)控機(jī)床加工精度的提高,與主傳動(dòng)系統(tǒng)的剛度密切相關(guān)。為此,應(yīng)提高傳動(dòng)件的制造精度與剛度,齒輪齒面進(jìn)行高頻感應(yīng)加熱淬火增加耐磨性;最后一級(jí)采用斜齒輪傳動(dòng),使傳動(dòng)平穩(wěn);采用高精度軸承及合理 的支承跨距等,以提高主軸件的剛性。
③具有良好的抗振性和熱穩(wěn)定性。 數(shù)控機(jī)床上一般既要進(jìn)行粗加工,又要精加工;加工時(shí)可能由于斷續(xù)切削、加工余量不均勻、運(yùn)動(dòng)部件不平衡以及切削過(guò)程中的自激振動(dòng)等原因引起的沖擊力或交變力的干擾,使主軸產(chǎn)生振動(dòng),影響加工精度和表面粗糙度,嚴(yán)重時(shí)甚至破壞刀具和或零件,使加工無(wú)法進(jìn)行。因此在主傳動(dòng)系統(tǒng)中的各主要零部件不但要求有一定的靜剛度,而且要求具有足夠的抑制各種干擾力引起振動(dòng)的能力——抗振性??拐鹦杂脛?dòng)剛度或動(dòng)柔度來(lái)衡量。如果把主軸組件視為一個(gè)等效的單自由度系統(tǒng),則動(dòng)剛度與動(dòng)力參數(shù)的關(guān)系為:
= (4-1)
式中: —機(jī)床主軸結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的靜剛度();
—外加激振力的激振頻率(Hz);
—主軸組件的固有頻率(=,為當(dāng)量質(zhì)量,為當(dāng)量靜剛度);
—阻尼比(=,是阻尼系數(shù),是臨界阻尼系數(shù),=)。
由上式可見(jiàn),為提高主軸組件的抗震性,須使值較大,為此應(yīng)盡量使阻尼比、當(dāng)量剛度值或固有頻率的值較高。在設(shè)主傳動(dòng)系統(tǒng)時(shí),要注意選擇上述幾個(gè)參數(shù)的合理關(guān)系。
一、 主傳動(dòng)部分改造方案擬定和設(shè)計(jì)的內(nèi)容
異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速方法有變頻調(diào)速、變極調(diào)速、辯轉(zhuǎn)差調(diào)速三種。異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速公式為
ni=
從該公式中可以看出,若均勻地改變電源的頻率f1,就可以連續(xù)地改變電動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速。這種調(diào)速方法稱為變頻調(diào)速,它完全不同于其它的調(diào)速方法。改變異步電動(dòng)機(jī)的磁極對(duì)數(shù)調(diào)速的方法稱為變極調(diào)速。改變電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)差率的調(diào)速方法稱為變轉(zhuǎn)差率調(diào)速。
表4.1 異步電動(dòng)機(jī)各種調(diào)速方法性能指標(biāo)的比較
項(xiàng) 目
調(diào) 速 方 法
變 頻
變 極
變 轉(zhuǎn) 差 率
轉(zhuǎn)子串電阻
串極調(diào)速
調(diào)壓調(diào)速
電磁調(diào)速電機(jī)
是否改變同步轉(zhuǎn)速
變
變
不 變
不 變
不 變
不 變
調(diào)
速
指
標(biāo)
靜差率
小
(好)
小
(好)
大
(差)
小
(好)
開(kāi)環(huán)時(shí)大
閉環(huán)時(shí)小
開(kāi)環(huán)時(shí)大
閉環(huán)時(shí)小
調(diào)速范圍(D)
較大(10以上)
較小
(2—4)
小
(2)
較小
(2—4)
閉環(huán)時(shí)
較大
閉環(huán)時(shí)
較大
調(diào)速平滑性
好(無(wú)級(jí)調(diào)速)
差(有級(jí)調(diào)速)
差(有級(jí)調(diào)速)
好(無(wú)級(jí)
調(diào)速)
好(無(wú)級(jí)
調(diào)速)
好
(無(wú)級(jí)調(diào)速)
適應(yīng)負(fù)載類型
恒轉(zhuǎn)矩
恒功率
恒轉(zhuǎn)矩
恒功率
恒轉(zhuǎn)矩
恒轉(zhuǎn)矩
通風(fēng)機(jī)
恒轉(zhuǎn)矩
通風(fēng)機(jī)
恒轉(zhuǎn)矩
設(shè)備
投資
多
少
少
較 多
較 少
較 少
電能
損耗
較 小
小
大
較 小
大
大
異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速有調(diào)速范圍廣、平滑性較高、機(jī)械特性較好的優(yōu)點(diǎn),可以方便地實(shí)現(xiàn)恒功率或恒轉(zhuǎn)矩變速,整個(gè)調(diào)速特性與直流電動(dòng)機(jī)調(diào)壓調(diào)速和弱磁調(diào)速十分相似,并可與直流調(diào)速相媲美。目前變頻調(diào)速已成為異步電動(dòng)機(jī)最主要的調(diào)速方法。通過(guò)上序的比較本課程設(shè)計(jì)中電動(dòng)機(jī)的調(diào)速方法采用變頻調(diào)速的方法。
改換主軸電動(dòng)機(jī),換成調(diào)速電動(dòng)機(jī).通過(guò)對(duì)電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速控制再加以簡(jiǎn)單的齒輪調(diào)速來(lái)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)變速,齒輪調(diào)速部分用磁離合器控制齒輪嚙合。
數(shù)控機(jī)床主軸變速方式主要有無(wú)級(jí)調(diào)速、分段無(wú)級(jí)調(diào)速和內(nèi)置電機(jī)變速等。在本設(shè)計(jì)中采用分段無(wú)級(jí)調(diào)速。無(wú)級(jí)變速能夠選用最合理的切削用量,可在運(yùn)轉(zhuǎn)中變速,操作方便,簡(jiǎn)化機(jī)械結(jié)構(gòu)。無(wú)級(jí)變速主要是利用直流和交流調(diào)速電動(dòng)機(jī)。但直流調(diào)速電動(dòng)機(jī)恒功率調(diào)速范圍很小,一般只有1~2,很少到3~4,且換向有限制,現(xiàn)大多采用交流變頻主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。交流變頻調(diào)速電動(dòng)機(jī)的性能與直流調(diào)速電動(dòng)機(jī)類似,在額定轉(zhuǎn)速以下為恒轉(zhuǎn)矩區(qū),在額定轉(zhuǎn)速以上為恒功率區(qū)域。一般主軸調(diào)速電動(dòng)機(jī)的恒功率調(diào)速范圍為3~4,對(duì)于恒功率變速范圍大的主軸傳動(dòng)系統(tǒng),需要增加變速齒輪,以保證主軸上較大的恒功率范圍??紤]本設(shè)計(jì)機(jī)床要求采取交流變頻電動(dòng)機(jī)和有級(jí)變速箱配合的方案即分段無(wú)級(jí)變速,主軸的正反轉(zhuǎn)和制動(dòng)停止,由數(shù)控指令直接控制電動(dòng)機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)。利用車床的主軸交流異步電動(dòng)機(jī)、變頻器、數(shù)控單元構(gòu)成了變頻調(diào)速系統(tǒng)。交流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速與頻率,電動(dòng)機(jī)的級(jí)對(duì)數(shù)及轉(zhuǎn)差率之間的關(guān)系為=,由此可知,改變電源的頻率,即可改變電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速,且轉(zhuǎn)速與頻率成正比??紤]本設(shè)計(jì)機(jī)床的要求,采取交流變頻電動(dòng)機(jī)和有級(jí)變速箱配合的方案,即分段無(wú)級(jí)變速。主軸的正、反轉(zhuǎn)和制動(dòng)停止由數(shù)控指令直接控制電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)。其主軸變頻調(diào)速系統(tǒng)原理圖如圖4-1所示;
圖4 -1主軸變頻調(diào)速系統(tǒng)原理圖
如圖4-2所示是機(jī)床主軸要求的功率特性和轉(zhuǎn)矩特性。這兩條特性曲線是以計(jì)算轉(zhuǎn)速nj為分界,從nj至最高轉(zhuǎn)速nmax的區(qū)域Ⅰ為恒功率區(qū),在該區(qū)域內(nèi),任意轉(zhuǎn)速下主軸都可輸出額定的功率,在該區(qū)域內(nèi),最大轉(zhuǎn)矩則隨主軸轉(zhuǎn)速下降而上升。從最低轉(zhuǎn)速nmin 至nj的區(qū)域Ⅱ?yàn)楹戕D(zhuǎn)矩區(qū)。在該區(qū)域內(nèi),最大轉(zhuǎn)矩不再隨轉(zhuǎn)速下降而上升,任何轉(zhuǎn)速下可能提供的轉(zhuǎn)矩都不能超過(guò)計(jì)算轉(zhuǎn)速下的轉(zhuǎn)矩,這個(gè)轉(zhuǎn)矩就是機(jī)床主軸的最大轉(zhuǎn)矩Mmax。在區(qū)域內(nèi),主軸可能輸出的最大功率Pmax,則隨主軸轉(zhuǎn)速的下降而下降。通常,恒功率區(qū)約占整個(gè)主軸變速范圍的2/3—3/4;恒轉(zhuǎn)矩區(qū)約占1/4—1/3。
如圖4-3所示是變速電動(dòng)機(jī)的功率特性。從額定轉(zhuǎn)速nd到最高轉(zhuǎn)速nmaxde 區(qū)域Ⅰ為恒功率區(qū);從最低轉(zhuǎn)速nmin 至nd的區(qū)域Ⅱ?yàn)楹戕D(zhuǎn)矩區(qū)。直流電動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)速常為1000 r/min—1500 r/min。從nd至nmax用調(diào)節(jié)磁通的方法得到,稱為調(diào)磁調(diào)速;從nmin至nd用調(diào)節(jié)電驅(qū)電壓的辦法得到,稱為調(diào)壓調(diào)速。交流調(diào)頻電動(dòng)機(jī)用調(diào)節(jié)電源頻率來(lái)達(dá)到調(diào)速的目的。額定轉(zhuǎn)速常為1500 r/min。這兩種電動(dòng)機(jī)的恒功率轉(zhuǎn)速范圍為2—4;恒轉(zhuǎn)矩變速范圍則可達(dá)100以上。
圖4-2 主軸的功率轉(zhuǎn)矩特性 圖4-3 變速電動(dòng)機(jī)的功率特性
所謂分段無(wú)級(jí)變速就是在交流或直流電機(jī)無(wú)級(jí)調(diào)速的基礎(chǔ)上配以齒輪變速。它能夠?qū)崿F(xiàn)中、高速段的恒功率傳動(dòng),低速段的恒轉(zhuǎn)矩傳動(dòng)。在該系統(tǒng)中,主軸的正、反轉(zhuǎn)和制動(dòng)停止,通過(guò)數(shù)控指令直接控制電機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)。主軸的變速則有電動(dòng)機(jī)的無(wú)級(jí)變速與齒輪的有機(jī)變速相配合來(lái)實(shí)現(xiàn)。
二、主傳動(dòng)部分改造設(shè)計(jì)計(jì)算
主傳動(dòng)部分改造設(shè)計(jì)計(jì)算包括電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)于選擇, 主傳動(dòng)系統(tǒng)分段無(wú)級(jí)變速傳動(dòng)方案的確定與分析, 數(shù)控機(jī)床分級(jí)變速箱的設(shè)計(jì),電磁離合器的設(shè)計(jì)計(jì)算,機(jī)床調(diào)速電機(jī)控制電路圖的設(shè)計(jì).
(一)、電動(dòng)機(jī)的選擇
根據(jù)原機(jī)床參數(shù)及要求初選改造后車床主軸變速范圍Rn=100,nmax=3000r/min,nmin=30r/min;主傳動(dòng)機(jī)械總效率系數(shù)η=0.9,最大切削功率為10kw,最小切削功率為3kw。則電機(jī)初選功率應(yīng)為PD>10vkw,根據(jù)電機(jī)規(guī)格,可選用11kw或者15kw的電機(jī)。
表格 4。2電機(jī)選擇兩種方案對(duì)比
交 流 主 軸 電 機(jī)
主 軸 與 變 速 機(jī) 構(gòu)
型 號(hào)
PD(kw)
RDP
NDsmin
RDT
nj
RnP
RnT
RF
i∑
YP160M2-4
11
3
450
3.3
83
30
3.3
10
1/18
YP160L-4
15
3
335
4.5
112
22.3
4.5
7.44
1/13.4
2、電機(jī)最小輸出功率
1)、計(jì)算主軸在最底轉(zhuǎn)速達(dá)到最小功率是電機(jī)應(yīng)輸出的功率
Pdsmin==3/0.9=3.3kw (4-2)
2)、算電機(jī)實(shí)用的最底轉(zhuǎn)速nDsmin(r/min)
由式nDsmin= (4-3)
計(jì)算結(jié)果 : 11kw的電機(jī)為:nDsmin=450r/min (nd=1500r/min)
15kw的電機(jī)為:nDsmin=333r/min (nd=1500r/min)
式中:nd---電機(jī)的基本轉(zhuǎn)速r/min;
PD---電機(jī)額定功率kw。
由此,設(shè)計(jì)者選用功率為11kw、型號(hào)為YP160M2-4的交流調(diào)頻電機(jī)。
(二)、主傳動(dòng)系統(tǒng)分段無(wú)級(jí)變速傳動(dòng)方案的確定與分析
1、電機(jī)額定轉(zhuǎn)速的計(jì)算電機(jī)的選擇
1)、電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩TDd(N/m)為
TDd==70N·M (4-4)
2)、電機(jī)最小轉(zhuǎn)矩Tdmin(N·M)
Tdmin= =23.2N·M (4-5)
其中電機(jī)最大轉(zhuǎn)速ndmax=4500r/min
3)、電機(jī)實(shí)用恒轉(zhuǎn)矩區(qū)變速范圍
RDT= =3.3 (4-6)
4)、主軸恒轉(zhuǎn)矩區(qū)變速范圍
RnT=RDT=3.3 (4-7)
5)、電機(jī)恒功率區(qū)變速范圍
RdP= =3 (4-8)
2、主軸參數(shù)計(jì)算
1)、主軸計(jì)算轉(zhuǎn)速nj
nj= (4-9)
=
=120r/min
2)、主軸恒功率變速范圍RnP
RnP= ==25r/min (4-10)
3)、分級(jí)變速機(jī)構(gòu)的變速范圍RF
RF= ==8.3 (4-11)
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∑= ==1/12.5 (4-12)
(三)、數(shù)控機(jī)床分級(jí)變速箱的設(shè)計(jì)
1、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)。
2、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=ΦZ-1RdP=ΦZ (4-13)
變速箱的變速級(jí)數(shù)
Z= = =2.93 (4-14)
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4-4(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/min--270 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4-4(b)的功率特性圖上,主軸轉(zhuǎn)速為3000 r/min--1000 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段虛線下降。
圖4-4 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??侩妱?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=Pd=0.27 Pd (4-15)
即為額定功率Pd的27% 。
在圖4-4(b)中,abdf應(yīng)為一條直線。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4.3為主軸轉(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.
表4.3 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?min-1
有級(jí)級(jí)數(shù)
nY/r?min-1
30≦n<111
Ⅰ[(2/3)?(20/60)?(20/60)]
405--1500
111≦n<333
Ⅱ[(2/3)?(20/60)?(20/60)]
1500--4500
333≦n<1000
Ⅲ[(2/3)?(40/40)?(20/60)]
1500--4500
1000≦n≦3000
Ⅳ[(2/3)?(40/40)?(40/40)]
1500--4500
圖4-4(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。f-g為轉(zhuǎn)矩區(qū)。a至f也是由三段拼成的。
3、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:
=3,j=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?。?40 =40
=20 =60
=40 =40
=20 =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=2.5mm , 齒寬b=30mm, 螺旋角α=
所以: =mz1=2.5×40=100() (4-16)
=2.5×40=100()
=2.5×20=50()
=2.5×60=150()
=2.5×40=100()
=2.5×40=100()
=2.5×20=50()
=2.5×60=150()
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,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)控車床的有級(jí)自動(dòng)變速。
圖4-5 電磁離合器變速的主傳動(dòng)系統(tǒng)圖
圖4-5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,實(shí)現(xiàn)主軸的變速。對(duì)4-5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,可獲得3檔機(jī)械變速(表4.4)
表4.4 電磁離合器動(dòng)作與傳動(dòng)比
電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速(r?min-1)
主軸轉(zhuǎn)速(r?min-1)
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≦n<1000
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≦n<333
i==(2:3)*(Z′2/Z2)*(Z′4/Z4)=1:9
-
+
-
+
405——1500
30≦n<111
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?min-1≦n主<111 r?min-1 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?min-1—1500 r?min-1 。
當(dāng)111 r?min-1≦n主<333 r?min-1 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?min-1—4500 r?min-1 。
當(dāng)333 r?min-1≦n主<1000 r?min-1 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?min-1—4500 r?min-1 。
當(dāng)1000 r?min-1≦n主<3000 r?min-1 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?min-1—4500 r?min-1 。
三、機(jī)床調(diào)速電機(jī)控制電路圖的設(shè)計(jì)
在本課程設(shè)計(jì)中主軸電動(dòng)機(jī)的調(diào)速是有變頻器來(lái)實(shí)現(xiàn)的。
(一)、變頻器的簡(jiǎn)單原理
在交流異步電動(dòng)機(jī)的諸多調(diào)速方法中,變頻調(diào)速的性能最好。調(diào)速范圍大,靜態(tài)穩(wěn)定性好,運(yùn)行效率高。采用通用變頻器對(duì)籠型異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速控制,由于使用方便、可靠性高并且經(jīng)濟(jì)效率顯著,所以逐步得到推廣。
1、 變頻器的基本構(gòu)成
變頻器分為交-交和交-直-交兩種形式。交-交變頻器可將工頻交流直接換成頻率,電壓均可控制的交流,又稱直接式變頻器。而交-直-交變頻器則是先把工頻交流通過(guò)整流器變成直流,然后再把直流變換成頻率、電壓均可控制的交流,又稱間接式變頻器。在本課程設(shè)計(jì)中將采用交-直-交變頻器來(lái)控制主軸電動(dòng)機(jī)。
變頻器的基本構(gòu)成如圖4-6所示,有主回路(包括整流器、中間直流環(huán)節(jié)、逆變器)和控制回路組成,分析如下:
圖4-6 變頻器的基本結(jié)構(gòu)
(1)、整流器 電網(wǎng)側(cè)的交流器I是整流器,它的作用是把三相(也可以是單相)交流整流成直流。
(2)、逆變器 負(fù)載側(cè)的交流器II為逆變器。最常見(jiàn)的結(jié)構(gòu)形式是利用六個(gè)半導(dǎo)體主開(kāi)關(guān)器件組成的三相橋式逆變電路。有規(guī)律的控制逆變器中的主開(kāi)關(guān)的通與斷,可以得到任意頻率的三相交流輸出。
(3)、中間直流環(huán)節(jié) 由于逆變器的負(fù)載為異步電動(dòng)機(jī),屬于感性負(fù)載。無(wú)任電動(dòng)機(jī)處于電動(dòng)或發(fā)電制動(dòng)狀態(tài),其功率因數(shù)總不會(huì)等于1。因此,在中間直流環(huán)節(jié)和電動(dòng)機(jī)之間總會(huì)有無(wú)功功率的交換。這種無(wú)功功率的能量要靠中間直流環(huán)節(jié)的儲(chǔ)能元件(電容器或電抗器)來(lái)緩沖。所以又常稱中間直流環(huán)節(jié)為中間儲(chǔ)能環(huán)節(jié)。
(4)、控制電路 控制電路常由運(yùn)算電路、檢測(cè)電路、控制信號(hào)的輸入、輸出電路和驅(qū)動(dòng)電路等構(gòu)成。其主要任務(wù)是完成對(duì)逆變器的開(kāi)關(guān)控制,對(duì)整流器的電壓控制以及完成各種保護(hù)功能等。控制方法可采用數(shù)字控制或模擬控制。高性能的變頻器目前已經(jīng)采用微型計(jì)算機(jī)進(jìn)行全數(shù)字控制,采用盡可能簡(jiǎn)單的硬件電路,主要靠軟件來(lái)完成各種功能。由于軟件的靈活性,數(shù)字控制方式??梢酝瓿赡M控制方式難以完成的功能。
(5)關(guān)于變頻器名稱的說(shuō)明 對(duì)于交-直-交變頻器,在不涉及能量傳遞方向的改變時(shí),我們常簡(jiǎn)單的稱變頻器I為整流器,變頻器II為逆變器,而把圖中I、II、III總起來(lái)稱為變頻器。
2、變頻器類型的選擇
這里將就交-直-交變頻器按不同角度進(jìn)行選擇如下分類
(1)、按直流電源的性質(zhì)分類
當(dāng)逆變器輸出側(cè)的負(fù)載為交流電動(dòng)機(jī)時(shí),在負(fù)載和直流電源之間將進(jìn)行無(wú)功功率的交換。用于緩沖無(wú)功功率的中間直流環(huán)節(jié)的儲(chǔ)能元件可以是電容或電感,據(jù)此,變頻器可分為電壓型變頻器和直流型變頻器兩大類。在本課程設(shè)計(jì)中將采用電壓型變頻器進(jìn)行控制。
(2)、電壓調(diào)節(jié)方式的選擇
變頻調(diào)速時(shí),需要同時(shí)調(diào)節(jié)變頻器的輸出電壓和頻率,以保證電磁主磁通的恒定。對(duì)輸出電壓的調(diào)節(jié)有兩種方式:PAM方式和PWM方式。在本課程設(shè)計(jì)中將采用PWM型方式進(jìn)行調(diào)速控制。
PWM方式是脈沖寬度調(diào)制方式的簡(jiǎn)稱。最常見(jiàn)的主電路圖如圖4-7a所示。變頻器中的整流器采用不可控的二級(jí)管整流電路。變頻器的輸出變頻和輸出電壓的調(diào)節(jié)均由逆變器按PWM方式完成。調(diào)壓過(guò)程的示意圖如4-7b所示。利用參考電壓uR與載頻三角波uc互相比較,來(lái)決定主開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通時(shí)間而實(shí)現(xiàn)調(diào)壓。利用脈沖寬度的改變來(lái)得到幅值不同的正弦基波電壓。這種參考信號(hào)為正弦波,輸出電壓平均值近似為征象波PWM方式,稱為正弦PWM調(diào)制,簡(jiǎn)稱為SPWM方式。
圖4-7 PWM變頻器
本課程設(shè)計(jì)采用的變頻器為富士公司生產(chǎn)的FVR—G7S系列富士變頻器型號(hào)為FVR11G7S—7JS變頻器。整個(gè)機(jī)床調(diào)速電機(jī)控制電路圖如附圖所示
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)生器作為車床主軸位置信號(hào)的反饋元件。它與車床主軸同步運(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),以防損壞玻璃光柵盤,造成報(bào)廢。令應(yīng)注意主軸脈沖發(fā)生器的最高運(yùn)行轉(zhuǎn)速,車床主軸的轉(zhuǎn)速必須小于此轉(zhuǎn)速,以免損壞脈沖發(fā)生器。
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053
c618
數(shù)控車床
傳動(dòng)系統(tǒng)
設(shè)計(jì)
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【053】3C618數(shù)控車床的主傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)(論文+DWG圖紙),053,c618,數(shù)控車床,傳動(dòng)系統(tǒng),設(shè)計(jì),論文,dwg,圖紙
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