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第四章 主傳動部分改造與設(shè)計(jì)
在改造設(shè)計(jì)之前，讓我們先來看一下數(shù)控機(jī)床主傳動與普通機(jī)床相比所具有的特點(diǎn)：
1）采用調(diào)速電機(jī)驅(qū)動，以滿足主軸根據(jù)數(shù)控指令進(jìn)行自動變速的需要；
2）傳動路線短，從而簡化了主傳動系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)；
3）轉(zhuǎn)速高、功率大；
數(shù)控機(jī)床的主傳動系統(tǒng)除應(yīng)滿足普通機(jī)床傳動要求外，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，傳動平穩(wěn)，噪聲低。 數(shù)控機(jī)床加工精度的提高，與主傳動系統(tǒng)的剛度密切相關(guān)。為此，應(yīng)提高傳動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；最后一級采用斜齒輪傳動，使傳動平穩(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)動部件不平衡以及切削過程中的自激振動等原因引起的沖擊力或交變力的干擾，使主軸產(chǎn)生振動，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，使加工無法進(jìn)行。因此在主傳動系統(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的能力——抗振性?？拐鹦杂脛觿偠然騽尤岫葋砗饬?。如果把主軸組件視為一個(gè)等效的單自由度系統(tǒng)，則動剛度與動力參數(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，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、 主傳動部分改造方案擬定和設(shè)計(jì)的內(nèi)容
異步電動機(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。改變異步電動機(jī)的磁極對數(shù)調(diào)速的方法稱為變極調(diào)速。改變電動機(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）
開環(huán)時(shí)大
閉環(huán)時(shí)小
開環(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（無級調(diào)速）
差（有級調(diào)速）
差（有級調(diào)速）
好（無級
調(diào)速）
好（無級
調(diào)速）
好
（無級調(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)速已成為異步電動機(jī)最主要的調(diào)速方法。通過上序的比較本課程設(shè)計(jì)中電動機(jī)的調(diào)速方法采用變頻調(diào)速的方法。
改換主軸電動機(jī)，換成調(diào)速電動機(jī).通過對電動機(jī)的變頻調(diào)速控制再加以簡單的齒輪調(diào)速來實(shí)現(xiàn)自動變速，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級調(diào)速、分段無級調(diào)速和內(nèi)置電機(jī)變速等。在本設(shè)計(jì)中采用分段無級調(diào)速。無級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，簡化機(jī)械結(jié)構(gòu)。無級變速主要是利用直流和交流調(diào)速電動機(jī)。但直流調(diào)速電動機(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)動系統(tǒng)。交流變頻調(diào)速電動機(jī)的性能與直流調(diào)速電動機(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)速電動機(jī)的恒功率調(diào)速范圍為3～4，對于恒功率變速范圍大的主軸傳動系統(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機(jī)和有級變速箱配合的方案即分段無級變速，主軸的正反轉(zhuǎn)和制動停止，由數(shù)控指令直接控制電動機(jī)來實(shí)現(xiàn)。利用車床的主軸交流異步電動機(jī)、變頻器、數(shù)控單元構(gòu)成了變頻調(diào)速系統(tǒng)。交流電動機(jī)的轉(zhuǎn)速與頻率，電動機(jī)的級對數(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，采取交流變頻電動機(jī)和有級變速箱配合的方案，即分段無級變速。主軸的正、反轉(zhuǎn)和制動停止由數(shù)控指令直接控制電動機(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)頻電動機(jī)用調(diào)節(jié)電源頻率來達(dá)到調(diào)速的目的。額定轉(zhuǎn)速常為1500 r/min。這兩種電動機(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 變速電動機(jī)的功率特性
所謂分段無級變速就是在交流或直流電機(jī)無級調(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，低速段的恒轉(zhuǎn)矩傳動。在該系統(tǒng)中，主軸的正、反轉(zhuǎn)和制動停止，通過數(shù)控指令直接控制電機(jī)來實(shí)現(xiàn)。主軸的變速則有電動機(jī)的無級變速與齒輪的有機(jī)變速相配合來實(shí)現(xiàn)。
二、主傳動部分改造設(shè)計(jì)計(jì)算
主傳動部分改造設(shè)計(jì)計(jì)算包括電動機(jī)的設(shè)計(jì)于選擇, 主傳動系統(tǒng)分段無級變速傳動方案的確定與分析, 數(shù)控機(jī)床分級變速箱的設(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)選擇兩種方案對比
交 流 主 軸 電 機(jī)
主 軸 與 變 速 機(jī) 構(gòu)
型 號
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、型號為YP160M2-4的交流調(diào)頻電機(jī)。
（二）、主傳動系統(tǒng)分段無級變速傳動方案的確定與分析
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）、主傳動系統(tǒng)總降速比i∑
i∑= ==1/12.5 (4-12)
(三)、數(shù)控機(jī)床分級變速箱的設(shè)計(jì)
1、數(shù)控機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速自動變換過程
在數(shù)控機(jī)床上,特別是在自動換刀的數(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，或用四位代碼指定主軸轉(zhuǎn)速的沒分鐘轉(zhuǎn)數(shù)，并且用M兩位代碼指定主軸的正、反向啟動和停止。
采用直流或交流調(diào)速電動機(jī)的主運(yùn)動無級變速系統(tǒng)中，主軸的正、反啟動和停止制動是直接控制電動機(jī)來實(shí)現(xiàn)的，主軸轉(zhuǎn)速的變換則由電動機(jī)轉(zhuǎn)速的變換與齒輪有級變速機(jī)構(gòu)的變換相配合來實(shí)現(xiàn)的。機(jī)床主運(yùn)動變速系統(tǒng)中主軸的轉(zhuǎn)速n是如何由電動機(jī)的轉(zhuǎn)速、齒輪有級變速級數(shù)相配合來實(shí)現(xiàn)的，為了獲得主軸的某一轉(zhuǎn)速必須接通相應(yīng)的有級變速級數(shù)和電動機(jī)的調(diào)壓轉(zhuǎn)速nY或調(diào)磁轉(zhuǎn)速nC。理論上說電動機(jī)的轉(zhuǎn)速可以無級調(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，而且分級越多指令信號的個(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，根據(jù)主軸轉(zhuǎn)速的S代碼發(fā)出相應(yīng)的有級級數(shù)與電機(jī)的調(diào)速信號來實(shí)現(xiàn)主軸的住動變速。電機(jī)的調(diào)壓或調(diào)磁變速，由電動機(jī)的驅(qū)動電路根據(jù)轉(zhuǎn)速指令電壓信號來變換。齒輪有級變速則才用夜壓或電磁離合器實(shí)現(xiàn)。
2、分級變速箱的設(shè)計(jì)
數(shù)控機(jī)床的分級變速箱由于位于調(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、如果為了簡化變速箱的結(jié)構(gòu)，希望變速級數(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數(shù)Z=3。其轉(zhuǎn)速圖如圖4-4（a）所示。電動機(jī)經(jīng)定比傳動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1：1的齒輪傳動，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)，電動機(jī)轉(zhuǎn)速降到1500 r/min（額定轉(zhuǎn)速）。如果電動機(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）傳動主軸。這時(shí)電動機(jī)轉(zhuǎn)速自動地回到最高轉(zhuǎn)速。當(dāng)電動機(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)動主軸。電動機(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?？侩妱訖C(jī)繼續(xù)降速得到，當(dāng)電動機(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，把它畫成三段，并略錯(cuò)開?？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)速與有級級數(shù)和電動機(jī)調(diào)壓調(diào)磁轉(zhuǎn)速的關(guān)系.
表4.3 主軸轉(zhuǎn)速與有級級數(shù)和電動機(jī)調(diào)壓調(diào)磁轉(zhuǎn)速的關(guān)系
n/r?min-1
有級級數(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、分段有級變速傳動方案確定
(1) 、傳動方案的設(shè)計(jì)計(jì)算
由前面計(jì)算得：
=3，j=3 帶傳動的傳動比i0=2/3
取 i1=1 i2=1/3
I3=1 i4=1/3
故取：=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，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，其校核過程略。
(四) 、電磁離合器的設(shè)計(jì)計(jì)算
有級變速的自動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)是通過液壓缸、活塞桿帶動拔叉推動滑移齒輪移動來實(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)動的元件，由于它便于實(shí)現(xiàn)自動操作，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)動時(shí)，能簡化變速機(jī)構(gòu)，操作方便，通過若干個(gè)安裝在各轉(zhuǎn)動軸上的離合器的吸合和分離的不同組合來改變齒輪的傳動路線，實(shí)現(xiàn)主軸的變速。
經(jīng)分析本設(shè)計(jì)選用電磁離合器來控制數(shù)控車床的有級自動變速。
圖4-5 電磁離合器變速的主傳動系統(tǒng)圖
圖4-5是采用電磁離合器變速的傳動系統(tǒng)圖，該傳動系統(tǒng)由四對相互嚙合的齒輪構(gòu)成二級齒輪變速。每對相嚙合的齒輪中有一個(gè)空套在傳動軸上，并與電磁離合器的聯(lián)接件聯(lián)接，離合器與傳動軸采用花鍵聯(lián)接，空套齒輪與傳動軸之間只有在電磁離合器吸合時(shí)才能傳動。因此，通過各離合器的吸合和分離的不同組合可以改變運(yùn)動的傳動路線，實(shí)現(xiàn)主軸的變速。對4-5所示系統(tǒng)，四個(gè)離合器有4種可實(shí)現(xiàn)傳動的組合，由于有兩組齒輪的齒數(shù)一樣，因而有4條不同的傳動路線，可獲得3檔機(jī)械變速（表4.4）
表4.4 電磁離合器動作與傳動比
電動機(jī)轉(zhuǎn)速(r?min-1)
主軸轉(zhuǎn)速(r?min-1)
傳動比
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)動比是2：27，交流電動機(jī)的進(jìn)行恒轉(zhuǎn)矩傳動。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)動比是2：27，交流電動機(jī)的進(jìn)行恒功率傳動。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)動比是2：9，交流電動機(jī)的進(jìn)行恒功率傳動。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)動比是2：3，交流電動機(jī)的進(jìn)行恒功率傳動。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)中主軸電動機(jī)的調(diào)速是有變頻器來實(shí)現(xiàn)的。
（一）、變頻器的簡單原理
在交流異步電動機(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。采用通用變頻器對籠型異步電動機(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-交變頻器來控制主軸電動機(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。最常見的結(jié)構(gòu)形式是利用六個(gè)半導(dǎo)體主開關(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)載為異步電動機(jī)，屬于感性負(fù)載。無任電動機(jī)處于電動或發(fā)電制動狀態(tài)，其功率因數(shù)總不會等于1。因此，在中間直流環(huán)節(jié)和電動機(jī)之間總會有無功功率的交換。這種無功功率的能量要靠中間直流環(huán)節(jié)的儲能元件（電容器或電抗器）來緩沖。所以又常稱中間直流環(huán)節(jié)為中間儲能環(huán)節(jié)。
（4）、控制電路 控制電路常由運(yùn)算電路、檢測電路、控制信號的輸入、輸出電路和驅(qū)動電路等構(gòu)成。其主要任務(wù)是完成對逆變器的開關(guān)控制，對整流器的電壓控制以及完成各種保護(hù)功能等?？刂品椒刹捎脭?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，采用盡可能簡單的硬件電路，主要靠軟件來完成各種功能。由于軟件的靈活性，數(shù)字控制方式常可以完成模擬控制方式難以完成的功能。
（5）關(guān)于變頻器名稱的說明 對于交-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)載為交流電動機(jī)時(shí)，在負(fù)載和直流電源之間將進(jìn)行無功功率的交換。用于緩沖無功功率的中間直流環(huán)節(jié)的儲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)制方式的簡稱。最常見的主電路圖如圖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，來決定主開關(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得到幅值不同的正弦基波電壓。這種參考信號為正弦波，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的反饋元件。它與車床主軸同步運(yùn)行，采集主軸運(yùn)動時(shí)的數(shù)據(jù)信息，發(fā)出主軸轉(zhuǎn)角位置變化信號，輸入到數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)，再由數(shù)控系統(tǒng)通過軟件控制，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橋齒輪或同步齒形帶傳動，使主軸與光電編碼器同步轉(zhuǎn)動，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，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。