数控机床主旋转运动无级调速传动设计

-- -- 数控机床主旋转运动无级调速传动设计

摘 要：对主旋转运动无级调速设计类型、方案作了分析，并对带有分级变速机构的无级

调速主传动设计，从理论上分析论证了主轴转速连续的条件。 下面给出了一个具体的设计举例。 关键词：无级调速；主旋转运动；分级变速 --

-- 1 概述 随着近代电机控制技术的不断发展，交流变频无级调速主轴电机使数控机床主传动实现无级调速，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，同时也省掉了一些不必要的浪费，节省了资源。曾为主要动力源的直流调速电机，在多数数控机床主旋转运动中逐渐被一些交流调速主轴电机所取代。 无级调速主传动系统按品种和工艺范围的不同，分为两类，一类是高速专能化数控机床，一类是通用化数控机床。这两类机床的主传动系统的设计有较大差别，传动方案也大不相同。 下面就是我对上述两类机床进行的分析，给出设计方案及相关参数，对串联分级变速机构的主传动无级调速系统的设计方法，从理论上加以分析论述。最后给出一个设计示例。希望通过我的介绍以后大家对无级调速主传动系统有更加进一步的了解。 --

-- 2 高速专能化数控机床主传动无级调速 通过一些相关的资料我了解到：对要求主轴转速高，变速范围和恒功率区变速范围都较小的数控磨床、高精密数控车床等,工作时除了高速外，切削深度和进给量相对都小，而切削功率和转矩也小，通常不必选用大功率的交流无级调速主轴电机，也不需要串联分级变速机构和增大恒转矩区的转矩。只要根据具体设计要求，选用合适的交流无级调速的主轴电机，任意的采用下列传动方案之一，都可以实现对高速专能化数控机床主传动实现无级调速的功能，下面我们分别来介绍这两种方案。 2.1 选用内装式主轴电机(即电主轴)

所谓内装式主轴电机，就是主轴箱和电机融为一体，电机转子就是主轴，主轴是中空的，头部是标准结构，便于安装卡盘和刀具，电机座就是主轴箱体，可安装在床身上。除此外，无任何中间传动件，结构简单，传动精度和机械效率都很高。主轴的实际工作转速高于电机的基本转速nd,nd＝1500 r/min,小功率的nd＝2000 r/min，这类机床的恒功率区变速范围小，通常都在3-5，内装式主轴电机完全能满足要求。目前国外这类数控机床和加工中心主轴最高转速可达到几万转，一般都在5000-6000 r/min，我国因刀具技术水平限制，最高转速5000 r/min，一般都在3500 r/min左右，已有成套设备生产供应。 2.2 选用输出转换型主轴电机

这种电机既能变频调速，又能切换绕组(即变级)分档变速，使电机本身的调速范围和恒功率区调速范围增大，以满足机床主轴较大变速范围的要求。若电机输出轴与机床主轴之间采用多联V型带或齿型带降速传动，可实现低速增转矩功能。目前，皮带传动的小型机床转矩可达到245 N·m，中型机床转矩大于490 N·m，大型机床达到785-1177 N·m。主轴系统和进给系统有很大的差别。根据机床主传动的工作特点，早期的机床主轴传动全部采用三相异步电动机加上多级变速箱的结构。随着技术的不断发展，机床结构有了很大的改进，从而对主轴系统提出了新的要求，而且因用途而异。在数控机床中，数控车床占42％，数控机床的钻镗铣床占33％，数控磨床、冲床占23％，其他只占2％。为了满足量大面广的前两类数控机床的需要，对主轴传动提出了下述要求：主传动电动机应有2.2～250kW的功率范围；要有大的无级调速范围，如能在1：100～1000范围内进行恒转矩调速和1：10的恒功率调速；要求主传动有四象限的驱动能力；为了满足螺纹车削，要求主轴能与进给实行同步控制；在加工中心上为了自动换刀，要求主轴能进行高精度定向停位控制，甚至要求主轴具有角度分度控制功能等等。 主轴传动和进给传动一样，经历了从普通三相异步电动机传动到直流主轴传动，而随着微处理器技术和大功率晶体管技术的进展，现在又进入了交流主轴伺服系统的时代，目前已很少见到在数控机床上有使用直流主轴伺服系统了。但是国内生产的交流主轴伺服系统的产品尚很少见，说明我们在这个领域的知识水平还很欠缺，大多采用进口产品，因此我们在这方面的发展潜能还是很大的，还有待我们去进一步完善和发展。 正如19.3.1节所述，交流伺服电动机有永磁式同步电动机和笼型异步电动机两种结构形式，而且绝大多数采用永磁式同步电动机的结构形式。而交流主轴电动机的情况则不同，交流主轴电动机均采用异步电动机的结构形式，这是因为，一方面受永磁体的限制，当电动机容量做得很大时，电动机成本会很高，对数控机床来讲无法接受采用；另一方面，数控机床的主轴传动系统不必像进给伺服系统那样要求如此高的性能，采用成本低的异步电动机进行矢量闭环控制，完全可满足数控机床主轴的要求。但对交流主轴电动机性能要求又与普通异步电动机不同，要求交流主轴电动机的输出特性曲线（输出功率与转速关系）是在基本速度以下时为恒转矩区域，而在基本速度以上时为恒功率区域。交流主轴控制单元与进给系统一样，也有模拟式和数字式两种，现在所见到的国外交流主轴控制单元大多-- -- 都是数字式的。下图 示出了交流主轴控制单元的框图。 伺服电动机的传递函数为：G﹙s﹚=K/S﹙Tm+1﹚ ⑴积分控制电路及输入输出波形 其传递函数为：G﹙s﹚=1/s

图2-1 图2-2 ⑵微分控制电路及输入输出波形 其传递函数为：G﹙s﹚=s

（a） 输入波形;(b)输出波形 --

-- 图2-3 ⑶ PWM控制电路的基本构成及工作原理: 开关电源一般都采用脉冲宽度调制（PWM）技术，其特点是频率高，效率高，功率密度高，可靠性高。然而，由于其开关器件工作在高频通断状态，高频的快速瞬变过程本身就是一电磁骚扰（EMD）源，它产生的EMI信号有很宽的频率范围，又有一定的幅度。若把这种电源直接用于数字设备，则设备产生的EMI信号会变得更加强烈和复杂. 由于各个变换通道交叉开闭，电流相互叠加，大大减少了输入、输出电流纹波，减小了电磁干扰EMI。电流纹波的减少，使传统的昂贵的、不易安装的电解电容器可以采用小型的贴片陶瓷电容来代替。参看图2-4 中输出电流纹波的示意图，2个通道的IL纹波电流相互叠加，结果使输出电容上承受的纹波电流减小。

图2-4 它们的工作过程简述如下：由数控系统来的速度指令（如10V时相当于6000r/min或4500r/min）在比较器中与检测器的信号相与之后，经比例积分回路3将速度误差信号放大作为转矩指令电压输出，再经绝对值回路4使转矩指令电压永远为正。然后经函数发生器6（它的作用是当电动机低速时提高转矩指令电压），送到V／F变换器7，变成误差脉冲（如10V相当于200kHz）。该误差脉冲送到微处理器8并与四倍回路17送来的速度反馈脉冲进行运算。在此同时，交预先写在微处理器部件中的ROM中的信息读出，分别送出振幅和相位信号，送到DA强励磁9和DA振幅器10。DA强励磁回路用于控制增加定子电流的振幅，而DA振幅器用于产生与转矩指令相对应的电动机定子电流的振幅。它们的输出值经乘法器11之后形成定子电流的振幅，送给U相和V相的电流指令回路12。另一方面，从微处理器输出的U、V两相的相位（即sinθ和sin(θ-120°)）也被送到U相和V相的电流指令回路12，它实际上也是一个乘法器，通过它形成了U相和V相的电流指令。-- -- 这个指令与电机电流反馈信号相与之后的误差，经放大后送至PWM控制回路14，变成频率为3kHz的脉宽信号。而W相信号则由Iu、Iv两信号合成产生。上述脉冲信号经PWM变换器15控制电动机的三相交流电流。脉冲发生器16是一个速度检测器，用来产生每转256个脉冲的正、余弦波形，然后经四倍回路17变成1024脉冲／r。它一方面送微处理器，另一方面经F／V变换器19作为速度反馈送到比较器2，并与速度指令进行比较。但在低速时，由于F／V变换器的线性度较差，所以此时的速度反馈信号由微分电路18和同步 整流电路20产生。

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-- 3 串联分级变速机构的主传动系统 对于通用型数控机床，如数控车床、铣床、镗床及加工中心，要求主轴变速范围Rn≥100-200，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，主轴的恒转矩区增转矩作用较大，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，这种交流变频主轴电机，最高转速为4500r/min,基本转速nd为1500 r/min,最低转速为45 r/min,显然电机的恒功率区不能满足机床要求。应串联分级变速机构，扩大电机恒功率区变速范围。另外，电机的额定功率比同类型的通用机床要选得高些，若传动系统设计得好，主轴恒动功率区无功率缺口或缺口很小，也可能不需要选大功率的电机。 选用较大功率的原因有二，一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；二是因主轴在恒功率区工作时，有些系统会出现功率缺口，为在缺口低谷处功率应保证传递全部功率，只有选择额定功率较大的电机给予补偿。 我国引进并国产化的BESK系列的交流主轴电机适用于这类机床，连续运转额定功率分别为7.5、11、15、18.5、22 kW五种规格，电机的最高转速ndmax＝4500 r/min,基本转速nd＝1500 r/min，最低转速nmind＝45 r/min。其功率转矩特性曲线如图3-1所示。

图3-1电机功率转矩特性图 由图2看出，电机在恒转矩区功率随转速降低而减小，当电机转速低于300 r/min时因功率的减小而不能利用，实际可用的电机最低转速取决于机床所要求的最小切削功率和电机的额定输出功率。

3.1 确定初选电机功率

根据机床要求，初选电机功率，并考虑主传动®机械总效率系数约为η＝09；电机功率选得适当主轴恒功率区无缺口或有微小缺口，电机功率选得较大 主轴恒功率区允许有略大的缺口。

3.2 确定最小输出功率