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1引言

X8132萬能工具銑床是一種用途廣泛的通用機床，其主傳動部分由交流異步電動機經一個多級變速箱帶動主軸運動。由于電動機轉速恒定，變速箱變速受有級的限制，往往不能滿足實際切削速度變化的要求。而解決這一問題有兩種途徑：其一由數字控制系統實現主軸無級調速；其二由交流變頻器和變頻電機組成調速系統。前者組成主軸調速單元的主軸伺服單元和主軸伺服電機，價格較為昂貴。而后者的價格相對較低，性價比顯然優于前者。本文闡述的是利用后一種辦法對X8132工具銑床主傳動進行變頻改造的技術。

2主電機與變頻器的選擇

X8132銑床主要的加工方式為平銑和端銑，粗加工時主軸速度較低，切削深度和切削用量較大，輸出轉矩較大；而精加工時主軸速度較高，切削深度和切削用量較小，輸出轉矩較小，即主軸滿足恒功率調速要求。顯然，普通交流異步電機難以滿足恒功率調速要求。而采用變頻電機較為理想。

經分析計算，有關參數如下：

平銑時:最大切削功率P切=1.26kW
端銑時:最大切削功率P切=1.28kW
主傳動效率：h=0.79
空載時耗用功率：P空=0.28kW
由以上參數可知主電機耗用功率為:
P耗=P空+P切/h=0.28+1.28/0.79=1.88kW

考慮到強力切削和加工材料不均勻，以及電機和機床主軸功率特性匹配等因素，主電機功率一般應有一定的儲備，為此選擇3kW、4級變頻電機。該電機調速性能和起動扭矩均滿足系統要求。

目前市場上有多種牌號的變頻器，且能與PLC或單片機連接，很方便地控制電機的正、反轉和變速。考慮到變頻器應與變頻電機合理配置，選用三菱FR-A型變頻器，功率為4kW,變頻范圍0.5～400Hz。變頻器由8098單片機控制工作。

3主傳動變速設計

1）主軸與電機功率/轉矩特性分析

機床主軸要求的功率特性和轉矩特性如圖1所示。圖1中區域Ⅰ為恒功率區，在Ⅰ內任意轉速下的主軸都可輸出額功功率，轉矩則隨主軸轉速下降而上升，而功率則隨主軸轉速變化為恒定。區域Ⅱ為恒轉矩區，在此區中轉矩不再隨轉速下降而變化，通常恒功率區約占主軸變速范圍2/3～3/4,,而恒轉矩區約占1/4～1/3。

再看電機的功率特性，如圖2所示。從額定轉速nd到nmax的區域Ⅰ為恒功率區，從最低轉速nmin到nd區域為恒轉矩區。恒功率變速范圍常為2～4,恒轉矩變速范圍則可達100以上。

從以上分析比較可知，電機的功率特性與機床主軸的要求不匹配，電機的恒功率范圍小而主軸要求的范圍大，因此僅憑總變速范圍(nmax/nmin)設計主軸系統是不行的，必須考慮性能匹配問題，解決的措施是在電機與主軸之間串聯一個分級變速箱。

分級變速箱設計

變速級數：Z=2。
主軸轉速：計算轉速nj=151r/min
nmax=2000r/minnmin=50r/min
電機轉速：nd=1420r/min
nmax=3408r/minnmin=311r/min
主軸要求恒功率調速范圍：Rnp=nmax/nj=2000/151=13.25

電機要求恒功率調速范圍：Rdp=nmax/nd=3408/1420=2.4
根據lgφ=lgRdp/Z得到lgφ=lg13.25/Z=0.5610
所以公比φ=3.64。

由于該機床是無級調速，主要確定出主軸恒功率、恒轉矩區并與電機的恒功率、恒轉矩區相互匹配，電機恒功率調速范圍應取Rdp≥2.4,而公比φ取3.64。

滿足上述要求的變速箱傳動系統如圖3所示。

變速箱改造前有16個齒輪，改造后只用了8個齒輪，并減少了兩根軸和一些輔助件，使結構大大簡化，制造成本亦大大降低，空載時耗用功率降低。改造后的主傳動系統的變速圖如圖4所示。

圖4中電機軸(1軸)恒功率轉速區為(1420～3408)r/min,對應主軸Ⅳ軸恒功率轉速區為(228～2000)r/min;電機軸轉速(311～1420)r/min的區域為恒轉矩區，對應主軸恒轉矩轉速區為(50～228)r/min。由前面的功率特性分析可知，主軸的恒功率轉速區應為(151～2000)r/min,顯然主軸轉速在(151～228)r/min這一區域存在功率缺口(功率降低)，對應電機轉速范圍為(936～1420)r/min。其原因在簡化變速箱設計后，電機在降速運行時，其輸出功率達不到其額定的輸出功率所致。為使主軸在功率降低區內仍能得到所要求的切削功率，應使電機的額定功率PD為：
PD≥△·P耗

其中D為功率降低區變速范圍，△=f/Rdp=3.64/2.4=1.5，所以電機的額定功率PD≥1.5×1.88=2.82(kW)。

4 結束語

X8132萬能工具銑床主傳動系統改造后，變速箱結構簡化，制造成本大大降低。經多次的性能試驗，有下列優點：

1）調速系統配以8098單片機控制實現自動無級調速，轉速控制準確，速度變動率即使在滿負荷情況下也僅為±(0.2～0.3)%;
2）操作方便，故障率低，系統性價比高，變頻調速系統僅為同規格伺服主軸單元價格的1/5。