楊紅普，馬建偉，蘇春堂

（1.鄭州航空工業(yè)管理學(xué)院，河南 鄭州 450000；2.河南科技大學(xué)，河南 洛陽(yáng) 471000；3.安陽(yáng)鑫盛機(jī)床股份有限公司，河南 安陽(yáng) 455000）

現(xiàn)階段，電機(jī)控制技術(shù)發(fā)展較快，交流變頻無(wú)級(jí)調(diào)速主軸電機(jī)能夠讓數(shù)控機(jī)床主傳動(dòng)的無(wú)級(jí)調(diào)速目標(biāo)實(shí)現(xiàn)，這對(duì)于處理直流電機(jī)長(zhǎng)期高負(fù)荷運(yùn)行中出現(xiàn)的直流火花以及電刷磨損問(wèn)題有一定積極作用，還能減少資源浪費(fèi)，以往為主要?jiǎng)恿υ吹闹绷髡{(diào)速電機(jī)，在很多數(shù)控機(jī)床主旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)中，逐步被交流調(diào)速主軸電機(jī)取代。

結(jié)合品種以及工藝范圍差異，無(wú)級(jí)調(diào)速主傳動(dòng)系統(tǒng)可以分為兩類，一類是高速智能化數(shù)控機(jī)床，一類是通用化數(shù)控機(jī)床。這兩類數(shù)控機(jī)床的主傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)差異較大，對(duì)應(yīng)的傳動(dòng)方案也不一樣。

1 高速專能化數(shù)控機(jī)床傳動(dòng)無(wú)級(jí)調(diào)速

一些對(duì)于主軸轉(zhuǎn)速要求高、變速范圍和恒定功率區(qū)變速范圍小的數(shù)控車床，其在高速運(yùn)行中，切削深度和進(jìn)給量都不大，對(duì)應(yīng)的切削功率和轉(zhuǎn)矩較小，這種情況下，一般不使用大功率的交流無(wú)級(jí)調(diào)速主軸電機(jī)，也可以不使用串聯(lián)分級(jí)變速機(jī)構(gòu)以及增多恒轉(zhuǎn)矩區(qū)轉(zhuǎn)矩，結(jié)合實(shí)際的設(shè)計(jì)需要，可以選擇交流無(wú)級(jí)調(diào)速主軸電機(jī)，選擇任意一種傳動(dòng)方案，都能實(shí)現(xiàn)對(duì)高速專能化數(shù)控機(jī)床傳動(dòng)的無(wú)級(jí)調(diào)速效果。

1.1 選擇內(nèi)裝式主軸電機(jī)

內(nèi)裝式主軸電機(jī)，即主軸箱和電機(jī)是一體式的，電機(jī)轉(zhuǎn)子即為主軸，主軸是中空狀態(tài)的，頂部以標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)為主，這對(duì)于卡盤和刀具安裝有一定幫助，電機(jī)座采用的是主軸箱體，能夠在床身安裝。此外，這類主軸電機(jī)并無(wú)其他的中間傳動(dòng)件，整體結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，傳動(dòng)精度以及機(jī)械效率也更高。主軸實(shí)際工作轉(zhuǎn)速要比電機(jī)的基本轉(zhuǎn)速小，這類機(jī)床恒功率區(qū)變速范圍不大，一般在3～5，內(nèi)裝式主軸電機(jī)可以達(dá)到其功能要求。現(xiàn)階段，國(guó)外相關(guān)數(shù)控機(jī)床以及加工中心主軸的最大轉(zhuǎn)速接近幾萬(wàn)轉(zhuǎn)，其轉(zhuǎn)速大致為50000 ～60000r/min。在我國(guó)，因?yàn)榈毒呒夹g(shù)發(fā)展水平還有一定差距，最高轉(zhuǎn)速只能達(dá)到50000r/min，通常轉(zhuǎn)速在35000r/min，但是，目前我國(guó)已經(jīng)有成套的設(shè)備生產(chǎn)和供應(yīng)。

1.2 選擇輸出轉(zhuǎn)換型主軸電機(jī)

這類電機(jī)具有變頻調(diào)速功能，還能進(jìn)行繞組分檔變速切換操作，有效擴(kuò)大電機(jī)本身調(diào)速范圍以及恒功率區(qū)調(diào)速范圍，這樣可以有效滿足機(jī)床主軸較大變速范圍的要求，如果電機(jī)輸出軸和機(jī)床主軸間同多聯(lián)V 型帶或齒型帶降速傳動(dòng)，則可以達(dá)到低速增轉(zhuǎn)矩效果。現(xiàn)階段，皮帶傳動(dòng)小型機(jī)床轉(zhuǎn)矩能夠達(dá)到245N·m,中型和大型機(jī)床轉(zhuǎn)矩范圍分別為490N·m 以及780 ～1200N·m。主軸系統(tǒng)和進(jìn)給系統(tǒng)之間差別較大。結(jié)合機(jī)床主傳動(dòng)工作特點(diǎn)，早期機(jī)床主軸傳動(dòng)都以三相異步電動(dòng)機(jī)加多級(jí)變速箱結(jié)構(gòu)為主。

當(dāng)前技術(shù)發(fā)展加速，機(jī)床機(jī)構(gòu)也在不斷調(diào)整和改進(jìn)，對(duì)于主軸系統(tǒng)的要求也在不斷提升，提升后的主軸系統(tǒng)的應(yīng)用范圍也更廣。就數(shù)控機(jī)床而言，數(shù)控車床占比42%，是主要部分，為了達(dá)到量大面廣需求，針對(duì)主軸傳動(dòng)有嚴(yán)格要求：主傳動(dòng)電動(dòng)機(jī)的功率范圍應(yīng)該在2.2～25kW，要滿足無(wú)級(jí)調(diào)速需求，可以在1∶100 ～1000范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速和1∶10 恒功率調(diào)速。此外，需要主傳動(dòng)具備四象限驅(qū)動(dòng)功能，同時(shí)基于螺紋車削需要，要確保主軸和進(jìn)給同步控制目標(biāo)實(shí)現(xiàn)，在加工中心進(jìn)行自主換刀設(shè)計(jì)，確保主軸可以實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定位，最好是要求主軸有角度分度控制功能。

和進(jìn)給傳動(dòng)相同，主軸轉(zhuǎn)動(dòng)從一般三相異步電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)發(fā)展到直流主軸傳動(dòng)，在微處理器技術(shù)以及大功率晶體管技術(shù)發(fā)展中，電動(dòng)機(jī)已經(jīng)步入交流主軸伺服系統(tǒng)時(shí)代，目前直流主軸伺服系統(tǒng)的數(shù)控機(jī)床應(yīng)用已經(jīng)很少了。而我國(guó)生產(chǎn)的交流主軸伺服系統(tǒng)產(chǎn)品并不是很多，表示在這一領(lǐng)域的知識(shí)水平還有很大欠缺，很多都是以進(jìn)口產(chǎn)品為主的，所以這方面的發(fā)展?jié)撃茌^大，需要進(jìn)行不斷完善。

交流伺服電動(dòng)機(jī)包含異步電動(dòng)機(jī)和永磁式電動(dòng)機(jī)兩類，且很多都是以永磁式同步電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)形式為主的，交流主軸電動(dòng)機(jī)情況則完全不同，這些電動(dòng)機(jī)都是以異步電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)形式為主的。這樣設(shè)計(jì)主要是考慮到了水磁體的限制性，在電動(dòng)機(jī)容量較大的情況下，電動(dòng)機(jī)成本更高，經(jīng)濟(jì)性不強(qiáng)，相對(duì)而言，異步電動(dòng)機(jī)的成本較低，可以進(jìn)行矢量閉環(huán)控制，也可以達(dá)到數(shù)控機(jī)床主軸要求。不過(guò)，與一般的異步電動(dòng)機(jī)不一樣，交流主軸電動(dòng)機(jī)輸出特性曲線是在基本速度以下時(shí)為恒轉(zhuǎn)矩區(qū)域，在基本速度以上為恒功率區(qū)域。交流主軸控制單元和相應(yīng)進(jìn)給系統(tǒng)類似，也可以分為數(shù)字和模擬兩種形式，而目前國(guó)外的大多數(shù)交流主軸控制單元都是以數(shù)字式為主的。

輸出轉(zhuǎn)換型主軸電機(jī)的開關(guān)電源多以脈沖寬度調(diào)制技術(shù)為主，其對(duì)應(yīng)的頻率較高、效率也更高，相應(yīng)功率密度高，使用可靠性也很高?？紤]到其開關(guān)器件工作處于高頻通斷狀態(tài)，高頻快速瞬變過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生電磁干擾源，由此產(chǎn)生的電磁干擾信號(hào)的頻率范圍較寬，且幅度較大。如果將這類電源應(yīng)用到數(shù)字設(shè)備中，這樣設(shè)備產(chǎn)生的電磁干擾信號(hào)會(huì)更加復(fù)雜和強(qiáng)烈。因?yàn)橄嚓P(guān)變換通道交叉開閉，電流之間相互疊加，會(huì)讓輸出輸入電流紋波降低，有效降低電磁干擾信號(hào)。隨著電流紋波的降低，可以使用微型的貼片陶瓷電容替代傳統(tǒng)成本高、安裝難度大的電容器。而就其工作過(guò)程來(lái)看，首先，是通過(guò)數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行速度指令的發(fā)布，在比較器中和檢測(cè)器信號(hào)相遇后，通過(guò)比例積分回路將速度誤差信號(hào)放大，使其能夠?yàn)檗D(zhuǎn)矩指令提供輸出電壓，通過(guò)絕對(duì)值回路讓轉(zhuǎn)矩指令電壓保持正值。再借助函數(shù)發(fā)生器，將電壓送到V/F 變換器位置，使其成為誤差脈沖。這類脈沖送到微處理器，保持和四倍回路傳輸來(lái)的速度反饋脈沖運(yùn)算。同時(shí)，讀出提前寫在微處理器中的ROM 信息，將振幅以及相位信號(hào)輸出來(lái)，使其傳輸?shù)紻A 強(qiáng)力磁和DA 振幅器中。最終形成U 相和V 相的電流指令。

2 串聯(lián)分級(jí)變速機(jī)構(gòu)主傳動(dòng)系統(tǒng)

針對(duì)通用型數(shù)控機(jī)床，主要將其主軸變速范圍控制在100 ～200 范圍內(nèi)，恒功率區(qū)變速范圍要盡可能大，在主軸最低轉(zhuǎn)速確定后，主軸計(jì)算轉(zhuǎn)速相對(duì)更低，主軸恒轉(zhuǎn)矩區(qū)增轉(zhuǎn)矩作用明顯，能夠滿足低速大轉(zhuǎn)矩切削加工需要。實(shí)現(xiàn)這些功能需要在交流無(wú)級(jí)調(diào)速主軸電機(jī)后窗簾分級(jí)變速機(jī)構(gòu)，相應(yīng)交流變頻主軸電機(jī)，其最高轉(zhuǎn)速為4500r/min，一般轉(zhuǎn)速在1500r/min，最小轉(zhuǎn)速在45r/min。這樣來(lái)看，電機(jī)恒功率區(qū)達(dá)不到機(jī)床的變速范圍要求。對(duì)此，嘗試通過(guò)串聯(lián)分級(jí)變速機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，不斷擴(kuò)大電機(jī)恒功率區(qū)的變速范圍。此外，電機(jī)的額定功率相對(duì)同類型通用機(jī)床要更高一些。如果傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理，主軸恒動(dòng)無(wú)功功率缺口就會(huì)變小，也可以不應(yīng)用大功率電機(jī)。

之所以選擇大功率是因?yàn)殡姍C(jī)在恒轉(zhuǎn)矩區(qū)運(yùn)行過(guò)程中，需要確保主軸在最低轉(zhuǎn)速切削狀態(tài)下有較大的功率；其次，考慮到主軸在恒功率區(qū)工作狀態(tài)下，一些系統(tǒng)容易出現(xiàn)功率缺口，為了在缺口低谷位置功率能夠滿足全部功率要求，選擇額定功率大的電機(jī)是必要的。

3 大型多擋無(wú)級(jí)調(diào)速數(shù)控車床主傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 主傳動(dòng)參數(shù)設(shè)定

結(jié)合同類型機(jī)床類比和市場(chǎng)設(shè)計(jì)需要，確定主軸極限轉(zhuǎn)速為120 ～2500r/min，主電機(jī)功率4KW。對(duì)于相應(yīng)轉(zhuǎn)速進(jìn)行確定，結(jié)合經(jīng)驗(yàn)公式這樣可以得出轉(zhuǎn)速范圍為Rn=2500÷120=20.8。再計(jì)算轉(zhuǎn)速，nj=300，基于相關(guān)參數(shù)，進(jìn)行數(shù)控機(jī)床主傳動(dòng)功率以及扭矩特性圖的繪制。

3.2 無(wú)級(jí)調(diào)速傳動(dòng)鏈設(shè)計(jì)

主傳動(dòng)鏈需要變速基本保持恒功率，在攻絲、成形車削、寬刀車削時(shí)，不需要使用全部的功率，所以需要使用恒功率無(wú)級(jí)變速系統(tǒng)來(lái)與其匹配。就變頻調(diào)速特點(diǎn)來(lái)看，當(dāng)前數(shù)控機(jī)床中常用的是變頻三相異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速器，這類調(diào)速裝置的恒轉(zhuǎn)矩頻率在5 ～50Hz，相應(yīng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為150 ～1500r/min，恒功率頻率范圍在50 ～100Hz，相應(yīng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為1500 ～3000r/min。三相異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速特征為恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速范圍最大，恒功率調(diào)整范圍較小。具體如圖1、圖2 所示。

圖1 主傳動(dòng)功率和扭矩特性曲線

圖2 變頻三相異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速特性曲線

在進(jìn)行主傳動(dòng)方案確定中，考慮到機(jī)床主傳動(dòng)鏈要求恒功率變速范圍要比恒扭矩變速范圍大，對(duì)應(yīng)變頻電動(dòng)機(jī)的恒功率調(diào)速范圍要比恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速范圍小很多，此時(shí)，需要通過(guò)串聯(lián)變速箱確保數(shù)控機(jī)床恒功率的無(wú)級(jí)調(diào)速，相應(yīng)機(jī)床恒扭矩調(diào)速可以使用電動(dòng)機(jī)恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速范圍來(lái)調(diào)節(jié)。

3.3 主軸裝配性能要求

主軸是用來(lái)傳遞動(dòng)力的部件，其性能的好壞直接影響整機(jī)的性能。高質(zhì)量的軸總成必須滿足以下條件。

（1）旋轉(zhuǎn)精度更高。旋轉(zhuǎn)中心線位置完美固定。但實(shí)際上，由于影響主軸總成的各種因素，旋轉(zhuǎn)中心線的位置在機(jī)器運(yùn)行過(guò)程中是不斷變化的。旋轉(zhuǎn)誤差是指空間理想旋轉(zhuǎn)中心線與瞬時(shí)旋轉(zhuǎn)中心線之間的距離。當(dāng)同時(shí)存在軸向和角度故障時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)工作面運(yùn)行的情況。當(dāng)存在徑向和角度誤差時(shí)，會(huì)發(fā)生徑向振動(dòng)。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，我們需要盡量減少旋轉(zhuǎn)誤差并避免徑向振動(dòng)。

（2）更大的剛度。物體在外力作用下承受變形的能力稱為剛度。主軸總成剛性高，主軸受拉變形小，提高了主軸的加工精度和設(shè)備的使用壽命。主軸有足夠的剛性來(lái)抵抗外力，因此可以繼續(xù)正常工作。

（3）抗振性好。主軸總成具有良好的抗振性，機(jī)器可以減少不必要的振動(dòng)，對(duì)工人和機(jī)器本身都有好處。為了達(dá)到良好的抗振性，可以通過(guò)增加主軸總成的靜剛度，使主軸的固有頻率遠(yuǎn)高于引起振動(dòng)的外力頻率來(lái)解決。

（4）溫升。即主軸運(yùn)行時(shí)溫度快速上升的缺點(diǎn)：隨著溫度的升高，主軸部件熱脹冷縮，從而改變腔體尺寸。甚至?xí)霈F(xiàn)“卡軸”現(xiàn)象，受熱時(shí)，主軸與箱體部件的相對(duì)位置發(fā)生變化，改變了原定位置。另外，主軸需要良好的潤(rùn)滑和耐磨性，以減少工件磨損。

3.4 夾具設(shè)計(jì)要求

支架主要起到輔助作用，性能好的支架可以保證機(jī)器不同部位之間的距離，減少振動(dòng)。因此，合理的支撐結(jié)構(gòu)是機(jī)床設(shè)計(jì)的重要組成部分。夾具設(shè)計(jì)要滿足以下幾點(diǎn)要求：（1）更高的剛度和更低的質(zhì)量。（2）動(dòng)態(tài)特性好，避免異常振動(dòng)和噪聲，以免造成結(jié)構(gòu)偏差，降低精度。（3）更好的熱穩(wěn)定性。（4）注重設(shè)計(jì)精細(xì)化，排屑方便，使用安全。

4 結(jié)語(yǔ)

目前，一些對(duì)主軸轉(zhuǎn)速要求高、轉(zhuǎn)速范圍小、功率范圍穩(wěn)定的數(shù)控車床，高速運(yùn)行時(shí)切削深度和進(jìn)給量不大，相應(yīng)的切削功率和扭矩較小。在這種情況下，一般不宜采用大功率交流無(wú)級(jí)調(diào)速主軸電機(jī)，也可不采用步進(jìn)變速機(jī)構(gòu)，在恒轉(zhuǎn)矩區(qū)提高轉(zhuǎn)矩，可選擇交流無(wú)級(jí)調(diào)速主軸電機(jī)，各種傳動(dòng)方案均可實(shí)現(xiàn)高速專用數(shù)控機(jī)床傳動(dòng)無(wú)級(jí)調(diào)速的效果。本文探討了大型多檔位無(wú)級(jí)調(diào)速數(shù)控車床主傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，探索數(shù)控車床主傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)用，分析傳動(dòng)系統(tǒng)基本的硬軟件設(shè)計(jì)方案，為研究數(shù)控車床主傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用提供一些新思路。