数控车床主传动系统设计(2)

2020/12/3 作者:未知来源:网络文摘阅读：1370

第二章主传动系统设计

本次设计在分析研究所掌握的资料的基础上，用计算法或类比法确定所设计主轴变速箱的极限转速公比，求出转速极速，选择电动机的转速和功率，拟定合适的结构式，结构网和转速图，然后拟定传动方案并绘制传动系统图，确定转速比和齿轮齿数及带轮直径等。

2.1课题研究内容

本课题设计的数控车床的主要参数如下：

床身上最大回转直径：mm ；

主轴转速：41.5~4000rpm（无级变频调速）；

主轴功率：4Kw

2.2驱动源的选择

2.2.1 驱动源的选择原则

机床上常用的无级变速机构是直流或交流调速电动机，

选择电机应综合考虑的问题:

(1)根据机械的负载特性和生产工艺对电动机的启动、制动、反转、调速等要求，选择电动机类型。

(2)根据负载转矩、转速变化范围和启动频繁程度等要求，考虑电动机的温升限制、过载能力额启动转矩，选择电动机功率，并确定冷却通风方式。所选电动机功率应留有余量，负荷率一般取0.8～0.9。

(3)根据使用场所的环境条件，如温度、湿度、灰尘、雨水、瓦斯以及腐蚀和易燃易爆气体等考虑必要的保护措施，选择电动机的结构型式。

(4)根据企业的电网电压标准和对功率因素的要求，确定电动机的电压等级和类型。

(5)根据生产机械的最高转速和对电力传动调速系统的过渡过程的要求，以及机械减速机构的复杂程度，选择电动机额定转速。

此外，还要考虑节能、可靠性、供货情况、价格、维护等等因素[11]。

电动机类型和结构型式的选择:

由于不同的机床要求不同的主轴输出性能(旋转速度，输出功率，动态刚度，振动抑制等)，因此，主轴选用标准与实际使用需要是紧密相关的。总的来说，选择主轴驱动系统将在价格与性能之间找出一种理想的折衷[9]。表1简要给出了用户所期望的主轴驱动系统的性能。下面将对各种交流主轴系统进行对比、分析。

表1.1 理想主轴驱动系统性能

项目	内容
高性能	低速区要有足够的转矩宽恒功率范围,并在高速范围内保持一定转矩高旋转精度高动态响应高加减速,起制动能力具有强鲁棒性,能适应环境条件和参数变化高效率,低噪声
低价格	低购买价格,低维护价格,低服务价格
通用要求	耐用性,可维护性,安全可靠性

直流电动机从额定转速向上至最高转速是调节磁场电流的方法来调速的，属于恒功率，从额定转速向下至最低转速时调节电枢电压的方法来调速的属于恒转矩；交流调速电动机是靠调节供电频率的方法调速。由于交流调速电动机的体积小，转动惯量小，动态响应快，没有电刷，能达到的最高转速比同功率的直流调速电动机高，磨损和故障也少，所以在中小功率领域，交流调速电动机占有较大的优势。

经过对比分析本设计中决定采用VFNC系列变频主轴电机。VFNC系列是高速、高精、高效的伺服系统，可实现机床的高速、高精控制，并使机床更紧。

2.2.2 计算转速的确定

机床主轴的变速范围：，且：=4000rpm, =41.5rpm

所以：==96.38

根据机床的主轴计算转速计算公式：= 得：

=41.5х=163.4rpm

2.2.3变频调速电机的选择

本课题中数控机床的主轴的转速范围要求为41.5r/min~4000r/min。由于传动轴少，传动链较短，因此变速级数较少，故对电动机恒功率变速范围以及整个变速范围要求较高。

假设所选电机最高转速为4500rpm，额定转速为1500rpm，，则有，

，

得，。

取机床总效率的总效率

其中， —V带轮传动效率，由资料[8]，表2－4查得＝0.96；

—滚动轴承效率，由资料[8]，表2－4查得＝0.99；

—圆柱齿轮传动效率，由资料[8]，表2－4查得＝98；

由此，

=0.922

则电动机在1500rpm时的输出功率为

kw，

现取过载系数k=1.1，则电机功率为。

确定电机的型号

由前面信息，可选取VFNC系列变频主轴电机型号VFNC 132M-33.3-7.5-4。VFNC系列变频主轴电机的特点：1. 双功率设计，应对短时重载切削。2. 恒功率范围宽，可实现1:6倍恒功率设计3. 导入基频33.3Hz设计，达成低速力矩大，确保低速强力切削，超宽恒功率调速范围，保障高速切削光洁度。降低变频器功率，节省成本和电源容量。

VFNC系列变频主轴电机特别适合数控车床类机床的主轴驱动，配合高性能矢量变频器或主轴驱动器，更能发挥其优良的主轴特性，成为性能与经济性具佳的数控车床类机床的变频主轴驱动方案。电机参数如下表所示：

表2.2 电机参数

型号

S1-100%连续额定

S6-50% ED

转动惯量

（）

恒转矩范围

恒功率范围

额定功率Kw

额定电流A

额定转矩Nm

额定功率Kw

额定电流A

额定转矩Nm

0.1087

1-33.3Hz，

30~1000r/min

S1-100%,

1000~6000 r/min

S6-50%,

1000~4500 r/min

VFNC 160M-33.3-7.5-4

7.5

18.8

73.5

7.5

105

2.3转速图的拟定

根据交流主轴电动机的最高转速和基本转速可以求得交流主轴电动机的恒功率转速范围Rdp=nmax/nd=4500/1000=4.5

若取，则可得到变速箱的变速级数

为了简化变速箱及其自动操纵机构，用三速变速箱，现取Z=3。为了提高电机效率，应尽量使。

而主轴要求的恒功率转速范围Rn=96.38，远大于交流主轴电动机所能提供的恒功率转速范围，所以必须串联变速机构的方法来扩大其恒功率转速范围。

2.3.1 传动比的计算

设电机轴与中间轴通过带轮传动，取其传动比为=2.8

确定各齿轮齿副的齿数：取S=120

由=2.529 得Z1=86 Z1’=34

由=1.182 得Z2=55 Z2’=65

由=4.7 得Z3=21 Z3’=99

数控车床主传动系统设计

图2-1

数控车床主传动系统设计

图2-2 转速图

2.4 传动轴的估算

传动轴除应满足强度要求外，还应满足刚度要求。强度要求保证轴在反复载荷和扭转载荷作用下不发生疲劳破坏。机床主传动系统精度要求较高，不允许有较大的变形。因此疲劳强度一般不是主要矛盾。除了载荷较大的情况外，可以不必验算轴的强度。刚度要求轴在载荷下不至于产生过大的变形。如果刚度不够，轴上的零件由于轴的变形过大而不能正常工作，或者产生振动和噪音，发热，过早磨损而失效，因此，必须保证传动轴有足够的刚度。

计算转速nj是传动件传递全部功率时的最低转速，各个传动轴上的计算转速可以从转速图是直接得出，如表2-1所示。

表2-1 各轴的计算转速