典型数控铣床的设计

数控铣床的主传动系统设计

1. 主传动系统变速方式

交流变频无级调速主轴电机使数控机床主传动实现了无级调速，解决了直流电机长期运转产生整流火花和电刷磨损的难题。

数控机床的主运动要求有较大的调速范围，以保证加工时能选用合理的切削用量，从而获得最佳的生产率、加工精度和表面质量。为了适应各种工件和各种工件材料的要求，数控铣床调速范围应进一步扩大。 为了确保低速时的扭矩，有的数控机床在交流电机无级变速的基础上配以齿轮变速。

对于通用型数控铣床，要求主轴变速范围200~100≥np R ，恒功率区的变速范围尽量大，当主轴最低转速拟定后，主轴的计算转速应较低，以满足低速大转矩的切削加工要求。实现这些功能应在交流无级调速主轴电机后串联分级变速机构，以扩大电机的恒功率区变速范围。

如果分级变速机构设计得不合适，则须选用较大功率的电机。原因是电机在恒转矩区运行时，应保证主轴在最低转速切削时有足够大的功率；主轴在恒功率区工作时，有些系统会出现功率缺口，为了在缺口低谷处功率能保证传递全部功率，只有选择额定功率较大的电机给予补偿。

2. 串联分级变速机构的主传动系统设计 （1）分级变速机构设计

分级变速机构级数Z 主要取决于主轴要求的恒功率变速范围np R 、电机的恒功率变速范围dp R 和分级变速机构的变速范围f R ，同时还和机构的复杂程度和主轴是否允许有功率缺口有关，常用的级数Z ＝2、3、4。

① 假设Z ＝2，传动比为1i 、2i ，且21i i >，则级数比f R i i ==21/ϕ，要使主轴转速连续，功率无缺口的条件是dp R ≤ϕ (即dp f R R <)，这与要求主轴的恒功率区变速范围np R 尽量大，相矛盾，使得主轴转速不连续，功率有缺口，如图8-15（a ）所示。

由图8-15（a ）可以看出，采用一个Z ＝2的变速机构(即Ⅱ轴为主轴)时，只有级数比dp R ≤ϕ时，主轴的恒功率区转速连续，但主轴np R 很小，不能满足机床要求。若再增加一个Z ＝2的传动组，(如图8-15（a ）中Ⅱ—Ⅲ轴)，主轴为第Ⅲ轴，则 np R 扩大范围很宽，但要经常

换档且操纵机构复杂，主轴转速不连续，功率有缺口，因此不可取。

② 假设Z ＝4，如图8-15（ b ）所示，四联滑移齿轮或两个双联滑移齿轮，使变速机构轴向尺寸增大，也不可取。

① 假设Z ＝3，传动比为1i 、2i 、3i ，且321i i i >>，则级数比211/i i =ϕ，f i i 322/=ϕ，

21ϕϕ⋅=f R ，令21ϕϕϕ⋅=，则ϕ=f R 。如图8-16所示。

当dp R ＝3，ϕ≤3时，主轴无功率缺口，采用一级带轮(或齿轮)和一个三联滑移齿轮传动，较为理想。

由图8-16看出，采用图中所示的变速组来实现分级变速机构较为理想，主轴的恒功率区范围较宽，功率无缺口，转速连续。

上述理论分析及其设计计算步骤方法，举例说明如下：

（2）实例计算

假设本例数控铣床，其主轴变速范围，最高转速min /2500max r n =，最低转速

min /25min r n =，最大切削功率kW P n 10m ax =，在最低转速工作时的功率kW P n 3m in =，主

传动机械总效率系数η＝0.9。

①初选电机功率

根据机床要求来初选电机功率，并要考虑主传动的机械总效率系数，电机功率选得适当，则主轴的恒功率区无缺口或有微小缺口；当电机功率选得较大时，主轴的恒功率区允许有略大的缺口。

在本例中，初选电机功率D P ＞10kW ，根据电机规格，可选用11kW 或15kW 的电机。

② 确定最小输出功率

计算主轴在最低转速(min /25min r n =)达到最小功率(kW P n 3m in =)时，电机应输出的功率min D P ：

min D P =kW P n 3.39.0/3/m in ==η

③计算电机实用的最低转速min D n

若D P 选为11kW ，则：min /450150011

3

.3min min r n P P n d D D D =⨯=⨯=

若D P 选为15kW ，则：min /330150015

3

.3min min r n P P n d D D D =⨯=⨯=

式中：d n —电机的基本转速，取d n ＝1500r/min 。

④计算电机额定转矩D T ：

)(9550

m N n P T d

D

D ⋅= 当D P 分别取11kW 、15kW 时，D T 约为m N ⋅70和m N ⋅5.95。

⑤计算电机的最小转矩min D T

)(9550max

min m N n P

T d D D ⋅=

式中：max d n —电机的最高转速，取min /4500max r n d =。

当D P 分别取11kW 、15kW 时，min D T 分别为m N ⋅3.23和m N ⋅8.31。 ⑥计算电机实用的恒转矩变速范围DT R

min

D d DT n n R =

当D P 分别取11 kW 、15 kW 时，DT R 分别为3.3和4.5。

电机实用的恒转矩区的变速范围DT R 也是主轴的恒转矩区变速范围的对应值nT R ，即：

DT nT R R =。

⑦根据上述计算画出电机实用转速范围的功率转矩特性图，如图8-17（a ）、（b ）所示。 ⑧主轴变速系统其它参数的计算 主轴计算转速j n ：

min)/(min r R n n nT j ⨯=

主轴恒动功率变速范围np R ：

j np n n R /max =

分级变速机构的变速范围f R ：

dp np f R R R /=

式中：dp R —电机的恒功率区变速范围。