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数控车床主传动链设计


第 25 卷

第2期

数控车床主传动链设计

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文章编号: 1004- 2539( 2001) 02- 0041- 03

数控车床主传动链设计
( 中南工业大学机电学院, 湖南 长沙 410083)

禹宏云

庹春燕<

br />
摘要

数控车床切削端面时往往需恒速切削, 为此, 介绍了数控车床主运动无级变速传动链的设计 调速范围 变速公比 转速图 功率图

规律及方法。 关键词 无级变速

前言
数控机床主运动常采用无级变速的方法。这样不 仅能在一定的调速范围内选择合理的切削速度, 而且 还能在运转中实现自动变速。数控机床一般采用直流 或交流调速电机作为驱动源, 电机的恒转矩调速范围 大, 恒功率调速范围一般较小, 不能满足主轴对恒功率 调速范围的要求。另一方面, 调速电机的功率和转矩 特性也难于直接与机床的功率和转矩要求相匹配。因 此, 需要在无级调速电机之后串联机械有级变速传动, 以满足机床的调速范围和转矩特性的要求。

时, 主轴可从 A B( i 1 ) 、 B C( i 2 ) 、 C D( i 3 ) 连 或 或 续变速, 即主轴能连 续地从 A D 实现恒 功率输出。 此时为使 = R p 且 z 为整数, 应使
z- 1

R n , 即主轴

的恒功率调速范围可能会有所增大。 主电机的功率为 P = P 切/ 式中, P 切 为主轴切削功率, 为传动效率。 (b) > Rp 按照公式 R n =
z- 1

, 适 当增大

, 可使 z 减少, 从而使变速箱简化。 设 z = 2, 则主轴的转速图、 功率图的示意分别如 图 2( a) 、b) 所示。相当于图 1 中 i 2 一级传动比没有。 (

1

无级变速传动链的设计规律
因电机的恒转矩调速范围大, 足以满足主轴恒转

矩调速的要求, 所以无级变速传动链设计时, 只需考虑 恒功率调速范围。设: 主轴的恒功率调速范围为 R np ( 一般为 20~ 30) , 电机的恒功率调速范围为 R p ( 一般 为 2~ 5) 。则机械调速范围为 R n = R np / R p 。 R n 的值 为 4~ 15。按传动组最大变速范围 R m ax 8~ 10 的要 求, 一般需要 1~ 2 个变速组以实现 R n 。对于机械传 动链, 有 R n=
z- 1

图2

此时, 电机从最高转速 n max 额定转速 n ed ( 恒功率) 时, 主轴可从 A B( i 1 ) 、 连续变速, 而 C D( i 3 ) 或 B C 则为空缺, 缺口的大小与 R p 对应。此时 B C 可由电机的额定转速以下调速来实现, 即经过 B C 的恒转矩输出。C 的转速和 C 相同, 设 C 对应的电 机功率为 P C , B 对应的电机功率为P B , 则有 P B / nB = P C / nC PB= PC ( nB / n C ) 式中, nB 、 C 分别为 B、 的转速。 n C 由此可确定 B、 的位置。为使在 C 时, 主轴能达 C 到切削功率, 则须电机功率为 PC = P切 / 而由式( 1) , 有 P B > P C , 即 P B > P 切/

式中, z 为总变速级数,

为变速公比。

无级变速链中, 的取值常有三种情况 ( a) = R p 此时, 设 z = 3, 即用一个变速组。 则主轴的转速图、 功率图的示意分别如图 1( a) 、 b) 所 (

( 1)

图1

示。即电机从最高转速 nm ax

额定转速 n ed ( 恒功率)

可见, > R p 时, 电机 功率要求 比 大, 才能满足切削功率要求。

= R p 时增

42

机械传动

2001 年

( c)

< Rp

这时,

小, 所以 z 大。 额

22 , 即第一变速组 的级比为
2

, 第二变速 组的级比为 = n 1/ n 2

设 z = 4= 2

2, 则主轴的转速图、 功率图的示意

, 则有 i 11 / i 21 = i 22 / i 23 =
2

分别如图 3( a) 、 b) 所示。电机从最高转速 n m ax (

定转速 n ed ( 恒功率) 时, 主轴可从 A B、 C D、 E 或 或 F、 G H 连续变 速, BC、 FG 为恒 功率重合 或 DE、 段。

= n 3/ n 4

图3

2

数控车床无级变速链设计
数控车床在切削台阶面或端面时, 为保证切削质

量均匀, 常须进行恒速切削。即须在主轴的运转过程 中连续而不能停车变换齿轮来变速。这时, 往往要用 到 < R p 的情形。即变速时相当于图 3 中 A B、 或 C D、 E 或 F 、 G H 中任一段。 或 设要求主轴运转中连 续变速范围为 R np 1 。因为 在运转中变速完全由电机实现, 电机的恒功率调速范 围 R p 须满足 R p R np 1 。这样会导 致 R p 较大, 所以 常取 R p 。这时, 既要满足 R np 1 , 又要满足主轴的 调速范围要求, 和传动比的确定比较困难, 可借助转 速图来求解。 设 z = 4, 图 4( a) 、 b) 为 R p = R np 1 的情形, ( c) 、 ( ( d) 为 R p > R np 1 的情形。 图中 n1 n4 n2 n3 主轴最高转速 主轴计算转速 主轴不停车变速的最高转速 主轴不停车变速的最低转速 类似于图 4( a) 所以有

图4

= ( n 3/ n 4) / ( n 1/ n 2) 当给定的 n 1 、 2 、 3 、 4 不满足上式要求时, 可适 n n n 当增大 n 1 或减少 n 4 。这样只会扩大调速范围, 并不 影响主轴的调速要求。 若计算出的 R p , 则取 传动比的值。 由图 4( b) 可列出下列各式 i 11 i 11 i 12 i 13 i 21 = n 1 / n max i 22 = n 2 / n max i 22 = n 3 / n ed i 23 = n 4 / n ed 按变速级比规律有 = n 3/ n 4
2

= R p。

当 、 1 、 4 确定后, 由式( 2) ~ 式( 5) 即可确定各 n n

图 4( a) 、c) 中设定 i 12 = i 13 、 22 = i 21 和图 4( b) 、 d) 中 ( i ( 设定 i 12 = i 11 、22 = i 23 的目的是为了减少传动副数, 从 i 而简化变速机构。 要确定 列各式 i 11 i 12 i 13 i 13 i 21= n 1 / n max i 22= n 2 / n max i 22 = n 3 / n ed i 23 = n 4 / n ed ( 2) ( 3) ( 4) ( 5) 和各级传动比, 先看图 4( a) , 可列出下 所以有

i 12 / i 13 = i 21 / i 22 =

= n 1/ n 2

= ( n 1 / n 2 ) / ( n 3 / n 4 ) , 其余类似于图 4( a) 。

图 4( c) 将 n 2 增大就成为图 4( a) 的情形, 这扩大 了主轴不停车变速范围, 却并不影响主轴的调速要求。 图 4( d) 将 n 3 降低就成为图 4( b) 的情形。由此 及各 可见, 借助于图 4( a) 、 b) 、 c) 、 d) , 变速公比 ( ( (

级传动比不难确定。至于设计时用图 4( a) 、 b) 、 c) 、 ( ( ( d) 中哪一个图, 则根据 n 1 / n 2 、 3 / n 4 的大小及 n max 、 n n ed 的值来确定。

由于 z = 4, 按照变速级比规律, 结构式为 4= 21

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结束语
无级变速传动链设计时, 变速公比 三种不同取

速链的设计方法, 既满足变速要求, 又能使变速机构不 至于复杂。随着数控车床的广泛使用, 这种设计方法 将显得越来越重要。
参 1 2 考 文 献

值时的调速和功率输出情况为 = R p 时, 连续恒功率变速, 恒功率段无重叠。 > R p 时, 恒功率变速段有缺口, 且导致电机功 率须增大。 < R p 时, 连续恒功率变速, 恒功率段有重叠。 本文重点介绍了数控车床恒速切端面时主运动变

戴曙. 金属切削机床. 北京: 机械工业出版社, 1999 廖效果. 数字控制机床. 武汉: 华中理工大学出版社, 1998 收修改稿日期: 2000 12 18

收稿日期: 2000 11 06

作者简介: 禹宏云( 1968- ) , 女, 湖南邵阳人, 硕士, 讲师

浙江佳雪集团 中美合资浙江华峰微特电机有限公司产品
质量体系符合 GB/ T 19002- 1994 idt ISO 9002: 1994 标准( 编号: 1098B272)
系列产品代号 Y CJ Y CJT Y CJZ D GB SC- A 系列电机输出功率/ W 电源电压/ V 主要指标及特点 齿轮减速型, 输出 0. 5~ 500r/ min 可供选择 齿轮减速电子调速型, 调速范围 90~ 1400r/ min 齿轮直线电动机, 直线速度 10~ 50mm/ s, 行程 100~ 500mm 电动辊棒 60、 65mm, 输出功率 30W , 长度 255~ 900mm , 线速度 4~ 25mm/ min 范围供选择 电子无极调速器可配套供应 6 15 25 40 60 90 100 120 140

AC: 100、 110、 200、 220 J- 齿轮减速

三相: 380 T- 可电子调速 Z- 直线电动机

代号说明: Y C- 异步电机

减速电动机最大使用转矩表
T A BL E OF M AXIM U M U SE T U R NI NG M OM N T FO R REDUCT IO N M OT OR
空载输出轴转速 50Hz 减速比 6 15 25 40 电动机 功率/ W 60 90 100 120 500 3 10. 8 28. 4 45. 1 71. 6 300 5 17. 7 48 75. 5 200 7. 5 26. 5 74. 6 120 12. 5 45. 1 100 15 54 60 25 80. 4 215 343 540 725 1 098 1 049 1 691 1 914 50 30 97 255 412 647. 5 873 1 324 1 691 2 029 2 297 30 50 147 392 618 981 1 471 1 471 2 546 2 546 2 546 20 75 245 490 784 981 1 471 1 471 2 546 2 546 2 546 15 100 245 490 784 981 10 150 245 490 784 981 6 250 245 490 784 981

单位( U nit) : N cm
5 300 245 490 784 981 3 500 245 490 784 981 2 750 245 490 784 981 1 471 1 471 2 546 2 546 2 546 1. 5 1 000 245 490 784 981 1 1 500 245 490 784 981

117. 7 147. 2 225 353 480 735 846 1 015 1 148

117. 7 186. 4 294 402 608 705 845 957

117. 7 176. 6 264 402 440 528 616

107. 9 176. 6 166. 8 176 211 255 293 352 411

1 471 1 471 1 471 1 471 1 471 1 471 1 471 1 471 1 471 1 471 2 546 2 546 2 546 2 546 2 546 2 546 2 546 2 546 2 546 2 546 2 546 2 546 2 546 2 546 2 546

1 471 1 471 1 471 1 471 2 546 2 546 2 546 2 546 2 546 2 546

140 246. 5

董事长兼总经理

陈子汶
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