PM150B精磨拋光機設計改造

范昱，黃震

(中國空空導彈研究院，河南洛陽471099)

生產現場一臺從德國LOH 公司引進PM150B 雙軸精磨拋光機主要用于光學零件的拋光加工，具有主軸精度高、轉速連續可調、運動平穩、擺臂運動平穩性較高等特點。經過多年使用，機床主軸調速機構嚴重損壞無法恢復。由于原廠備件已停產，導致設備長期癱瘓。這種情況下唯有重新設計機床主軸系統，實施改造。

1 精磨拋光機的工作原理

圖1 光學精磨拋光機結構示意圖(單軸)

PM150B 精磨拋光機屬于雙軸弧擺精磨拋光機，它主要由床身、左右主軸、變速箱、擺動軸、壓力頭、連桿機構、氣動裝置、冷卻裝置、電氣系統等部件組成，拋光機的一個工作單元示意圖見圖1，機床采用準球心法弧線擺動精磨拋光原理加工各種尺寸的球面。在加工前，將工件粘接在鏡盤上，在加工過程中主軸作旋轉運動，壓力頭和磨盤用球頭浮動連接。擺軸和其上的擺臂、壓力頭(鐵筆) 繞工件球心作往復擺動，加在工件上的壓力始終指向球心，因此施加在工件表面上的壓力是均勻的。精磨拋光液自動連續輸送且設有恒溫裝置，加工時有定時控制裝置，機床生產率高、操作簡便。

2 原機床主軸系統結構原理

原主軸為機械摩擦式傳動無級變速機構，整個傳動鏈由交流電機、錐形輪無級變速器、齒輪變速器、皮帶變速器、手輪、連桿等機構組成，傳動鏈示意圖見圖2。交流電機軸首先連接一個機械摩擦式錐形輪無級變速器，該無級變速器可通過搖動手輪進行無級調速; 后端又連接一個齒輪變速器，再連接皮帶減速機構后連至主軸組件。由于機床主軸要求無級調速范圍較寬(65 ～340 r/min) ，但機械摩擦式錐形輪無級變速器的變速范圍一般只能達到3∶ 1 左右，無法滿足機床主軸變速范圍，所以原主軸電機選用了雙速交流電機，通過電氣控制切換高低兩擋電機轉速來滿足主軸調速要求。

圖2 原主軸傳動鏈示意圖

這種主軸調速系統結構是20 世紀國內外光學加工機床主軸調速系統的典型設計，不僅可以獲得最有利的切削速度，而且能在運轉中變速，并且運動穩定性好。但也存在很多缺點，比如傳動鏈結構復雜，機械效率降低，維修保養難度大，無法滿足全轉速范圍的無級調速等。

3 改造總體設計方案

光學加工機床實現無級變速主要有以下3 種途徑: (1) 機械無級變速; (2) 直流電機或交流電機變頻無級變速; (3) 液壓缸或液壓馬達無級變速。

隨著電力電子技術的發展，目前國內外絕大多數光學加工機床主軸無級調速設計均采用交流電機變頻調速技術。變頻調速起動性能好，頻率和電壓逐漸升高，直到達到給定值，可以方便地調節起動時間或加減速時間。針對不同負載，都有相應的解決方案，實現了高性能調速。變頻器保護功能齊全，很容易通過設定保護電流和反時限過載曲線參數實現過流及過載保護，還提供絕緣監測功能，檢測包括逆變回路、電機及電纜絕緣情況，可及時發出報警及跳閘信號。另外，變頻器維護簡單，故障率較少; 一旦發生故障，一般都有故障信息，這使得故障的排查工作變得非常方便。

設計變頻調速裝置時必須要認清變頻調速與機械變速存在本質上的區別，絕對不能不加思索地將某電機使用機械變速改為相同功率的變頻器變速。因為功率是轉矩與轉速的乘積，當采用機械變速時(例如齒輪、皮帶變速) ，若變比為i，在電機功率不變時(忽略變速器效率) ，如轉速下降i 倍，會造成轉矩可升高i 倍。拋光機主軸負載特性屬于恒功率負載，其轉矩－轉速特性曲線見圖3，變頻器的轉矩－轉速特性曲線見圖4。由圖4 可知: 變頻器在低于額定頻率時，為恒轉矩運行，電機不能提高輸出轉矩; 而高于額定頻率時，轉速升高轉矩下降。拖動恒功率負載，低速時力矩增加; 而變頻器和電機低于額定頻率時電流被限制，力矩不能增加，所以變頻器調低電機轉速有可能會造成電機帶不動負載，選用時要根據減速造成力矩增加的比例，選用比原電機功率大的電機和變頻器，并使變頻器工作在5 ～60 Hz 頻率段。

圖3 恒功率負載特性曲線

圖4 變頻器特性曲線

從以上分析可知，要獲得機床主軸所需的輸出扭矩，設計變頻調速系統時，電動機的功率、扭矩都需要加大。為了克服這種矛盾，在電機輸出軸端仍需連接機械式減速裝置用以提升扭矩輸出。考慮到該機床結構非常緊湊，安裝空間狹小，決定選用交流減速電機。這種電機與齒輪減速器合為一個整體，外形小巧便于安裝; 而且可根據使用要求選擇不同的減速比，獲得高扭矩輸出。通過變頻器控制可實現主軸全轉速范圍的無級平滑調速。電機軸通過皮帶傳動方式(不變速) 與主軸組件連接。主軸傳動鏈示意圖見圖5，這種布局型式的優點是: 電動機和變速機構的振動和發熱不會直接傳給主軸，減輕了振動和熱變形對主軸工作性能的不利影響。主軸變速機構與主軸組件的這種分離布局型式，對精磨拋光機來說十分重要，因為光學加工機床的加工精度很高，要求機床主軸運轉平穩，以保證加工質量。

圖5 主軸傳動鏈示意圖

4 改造設計計算

4.1 主軸電機選型設計計算

4.1.1 確定電機減速比

經過查詢有關資料并進行市場調研，得知目前常見的三相交流減速電機的極數均為4 極，額定轉速為1 400 r/min 左右。而機床原主軸電機為雙速交流電機，電機型號及銘牌參數如下:

機床原主軸調速范圍為65 ～340 r/min，由此可計算出機床原整個傳動系統總減速比(取最大值)為: i=680/65≈10

由圖4 所示的變頻器轉矩－轉速特性曲線可知，在低于額定頻率時為恒轉矩運行，而高于額定頻率時，轉速升高轉矩下降。所以設計時應盡量使調速段工作在低于額定頻率時，所以減速電機額定轉速應接近機床工作時最高轉速。即減速比i =1 400/340≈4，從減速電機減速比選型表中選取最接近的數值，可確定電機減速比i=5。

4.1.2 原主軸輸出扭矩計算

4.1.2.1 原主軸電機最大扭矩計算

取最大值可得到原主軸電機最大扭矩:

4.1.2.2 原機床主軸輸出扭矩計算

從圖2 可知，原機床主軸傳動鏈較長，每種機械式變速器都會降低部分機械效率，其中: 錐形輪無級變速器機械效率約為0.8; 齒輪變速器約為0.98; 皮帶變速器約為0.9。則整個傳動聯的機械效率:

機床主軸輸出扭矩:

4.1.3 新主軸電機額定功率計算

從圖5 可知，改造后電機與主軸之間只有一級皮帶傳動機構，取機械效率η' =0.9。

計算出電機最小額定功率:

由以上計算結果可知，需應選擇減速比i=5、功率大于1.192 kW 的減速電機，方可滿足使用要求。

4.1.4 電機型號確定

由于機床床身下部空間狹小，加工時主軸連續工作時間較長，這就對減速電機外形體積和性能品質方面要求苛刻。經過對國內外同類產品多方調研、綜合比較，決定選用日本日精電機公司生產的G 系列交流減速電機，其外形在同類產品中外形尺寸最小(符合安裝尺寸) 且性能優良，電機型號及銘牌指標如下:

根據該型號電機銘牌指標可進行扭矩驗算。

按照圖5 的傳動方式，主軸輸出扭矩:

M主軸=M電機×η' =45 ×0.9 =40.5 N·m，大于原機床主軸最大輸出扭矩36.6 N·m，證明該型電機符合設計要求。

4.2 變頻器選型

目前變頻器應用廣泛，品牌型號眾多，只要根據負載情況和價格選擇相應的變頻器，就能控制成本并獲得較好的運行效果。但由于變頻器的過載能力沒有電機過載能力強，一旦電機過載，將會造成變頻器損壞(如果變頻器的保護功能不完善的話) ，所以變頻器的功率一定要等于或大于電機功率。

根據以上選型原則，精磨拋光機主軸調速選擇1.5 kW 通用變頻器即可。考慮到安裝尺寸、操作面板、使用經驗及價格等多方面因素，最終選擇臺達VFD-M 系列謎你型超低噪聲變頻器，型號為VFD-015M43B (三相380 V ～1.5 kW) 。該系列變頻器采用16 位微處理器，正弦波PWM 控制，具有自動轉矩提升及自動滑差補償功能，輸出頻率0.1 ～400 Hz，8段速設定及7 段的可編程運轉，兩段加減速時間及兩段S 曲線緩加減速，超低噪聲，可調整的V/F 曲線及自動加減速及簡易向量控制、PID 控制等功能。尤其重要的是該型變頻器體積小巧(100 mm ×151 mm×116.5 mm) ，控制面板自帶電位器調節旋鈕且可通過電纜與變頻器連接，這些特點非常符合這臺機床的實際安裝和操作要求。

4.3 皮帶傳動機構設計計算

4.3.1 皮帶輪設計

根據總體設計方案，主軸通過變頻器進行全程無極調速，所以皮帶傳動機構的速比定為1 ∶ 1。即保留原主軸下部的多楔皮帶輪，重新加工一個相同的皮帶輪。經測繪皮帶輪有效直徑d2= 70，楔數Z=12。

4.3.2 傳動皮帶的選型計算

皮帶選擇PJ 系列多楔平皮帶。該帶為40°三角楔環形帶，兼有平帶與聯組V 帶的特點，但比普通皮帶傳遞功率大、效率高、速度快、帶體薄、比較柔軟，主動輪直徑可以很小，非常適合光學加工機床。

PJ 型多楔帶傳動設計選型計算:

傳動比i=1

皮帶輪有效直徑d1=d2=70 mm

中心距a=270 mm

計算皮帶的有效長度:

按設計手冊選取實際多楔平皮帶長度L = 750 mm，型號為12-PJ-750 。

計算皮帶輪包角:

符合皮帶輪設計要求。

5 改造實施與調試

5.1 主軸傳動機構安裝

左、右主軸傳動機構安裝示意圖見圖6。安裝步驟如下:

(1) 拆除原左、右主軸電機及機械式調速機構，包括手輪、連桿、齒輪減速器、摩擦輪無級變速器、皮帶輪等;

(2) 將皮帶輪與電機軸連接(鍵連接) ;

(3) 將電機和皮帶輪置于床身連接板安裝面，移動電機使兩皮帶輪在同一水平面上;

(4) 在連接板上標記電機固定孔位置;

(5) 將連接板拆下，按標記位置做M10 螺紋孔;

(6) 安裝連接板、電機、皮帶; 調節絲杠副，張緊皮帶。

圖6 改造后主軸傳動機構安裝示意圖

5.2 變頻器安裝與參數設置

改造后機床主軸主回路電氣圖(單軸) 見圖7。將變頻器外部控制端子M0 與GND 短接，將參數P38設定為01，使機床主軸的啟/停操作與改造前一致;并按照新配電機的額定電流重新設定斷路器的保護電流。

圖7 改造后主軸電氣圖(單軸)

變頻器需設定的參數見表1，其余參數均設定為出廠默認值。

表1 變頻器參數設定表

6 結束語

改造完成后進行功能測試，主軸起/停操作方法與改造前相同，主軸調速的操作由手搖式變為面板設定式，較改造前更加簡便。主軸無級調速范圍變寬，可滿足不同工藝要求。整機運行平穩、噪聲低，電機發熱量較低。通過對多種光學頭罩試件進行加工，完全滿足工藝要求。此次成功的設備改造，不僅使一臺長期癱瘓進口設備重新投產，而且簡化了機械結構、提升了性能指標、延長了壽命，為同類光學零件加工設備技術升級改造與維修工作提供參考。

［1］桂松范，于鳳云．光學加工機床和設備［M］．北京: 機械工業出版社，1989．

［2］李德永，李雙梅．變頻器技術及應用［M］．北京: 高等教育出版社，2007．

［3］成大先．機械設計手冊［M］．4 版．北京: 化學工業出版社，2002．