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(jīng)一個多級變速箱帶動主軸運動。由于電動機轉(zhuǎn)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(shù)字控制系統(tǒng)實現(xiàn)主軸無級調(diào)速；其二由交流變頻器和變頻電機組成調(diào)速系統(tǒng)。前者組成主軸調(diào)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(yōu)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(shù)。
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(zhuǎn)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(zhuǎn)矩較小，即主軸滿足恒功率調(diào)速要求。顯然，普通交流異步電機難以滿足恒功率調(diào)速要求。而采用變頻電機較為理想。
經(jīng)分析計算，有關(guān)參數(shù)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(shù)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(yīng)有一定的儲備，為此選擇3kW、4級變頻電機。該電機調(diào)速性能和起動扭矩均滿足系統(tǒng)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(zhuǎn)和變速。考慮到變頻器應(yīng)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(shè)計
1）主軸與電機功率/轉(zhuǎn)矩特性分析
機床主軸要求的功率特性和轉(zhuǎn)矩特性如圖1所示。圖1中區(qū)域Ⅰ為恒功率區(qū)，在Ⅰ內(nèi)任意轉(zhuǎn)速下的主軸都可輸出額功功率，轉(zhuǎn)矩則隨主軸轉(zhuǎn)速下降而上升，而功率則隨主軸轉(zhuǎn)速變化為恒定。區(qū)域Ⅱ為恒轉(zhuǎn)矩區(qū)，在此區(qū)中轉(zhuǎn)矩不再隨轉(zhuǎn)速下降而變化，通常恒功率區(qū)約占主軸變速范圍2/3～3/4,,而恒轉(zhuǎn)矩區(qū)約占1/4～1/3。
再看電機的功率特性，如圖2所示。從額定轉(zhuǎn)速nd到nmax的區(qū)域Ⅰ為恒功率區(qū)，從最低轉(zhuǎn)速nmin到nd區(qū)域為恒轉(zhuǎn)矩區(qū)。恒功率變速范圍常為2～4,恒轉(zhuǎn)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(shè)計主軸系統(tǒng)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(lián)一個分級變速箱。
分級變速箱設(shè)計
變速級數(shù)：Z=2。
主軸轉(zhuǎn)速：計算轉(zhuǎn)速nj=151r/min
nmax=2000r/minnmin=50r/min
電機轉(zhuǎn)速：nd=1420r/min
nmax=3408r/minnmin=311r/min
主軸要求恒功率調(diào)速范圍：Rnp=nmax/nj=2000/151=13.25
電機要求恒功率調(diào)速范圍：Rdp=nmax/nd=3408/1420=2.4
根據(jù)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(diào)速，主要確定出主軸恒功率、恒轉(zhuǎn)矩區(qū)并與電機的恒功率、恒轉(zhuǎn)矩區(qū)相互匹配，電機恒功率調(diào)速范圍應(yīng)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(tǒng)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(jié)構(gòu)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(tǒng)的變速圖如圖4所示。
圖4中電機軸(1軸)恒功率轉(zhuǎn)速區(qū)為(1420～3408)r/min,對應(yīng)主軸Ⅳ軸恒功率轉(zhuǎn)速區(qū)為(228～2000)r/min;電機軸轉(zhuǎn)速(311～1420)r/min的區(qū)域為恒轉(zhuǎn)矩區(qū)，對應(yīng)主軸恒轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速區(qū)為(50～228)r/min。由前面的功率特性分析可知，主軸的恒功率轉(zhuǎn)速區(qū)應(yīng)為(151～2000)r/min,顯然主軸轉(zhuǎn)速在(151～228)r/min這一區(qū)域存在功率缺口(功率降低)，對應(yīng)電機轉(zhuǎn)速范圍為(936～1420)r/min。其原因在簡化變速箱設(shè)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(qū)內(nèi)仍能得到所要求的切削功率，應(yīng)使電機的額定功率PD為：
PD≥△·P耗
其中D為功率降低區(qū)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(jié)束語
X8132萬能工具銑床主傳動系統(tǒng)改造后，變速箱結(jié)構(gòu)簡化，制造成本大大降低。經(jīng)多次的性能試驗，有下列優(yōu)點：
1）調(diào)速系統(tǒng)配以8098單片機控制實現(xiàn)自動無級調(diào)速，轉(zhuǎn)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(tǒng)性價比高，變頻調(diào)速系統(tǒng)僅為同規(guī)格伺服主軸單元價格的1/5。
