大型多擋無級調速數控車床主傳動系統設計分析

楊紅普，馬建偉，蘇春堂

（1.鄭州航空工業管理學院，河南 鄭州 450000；2.河南科技大學，河南 洛陽 471000；3.安陽鑫盛機床股份有限公司，河南 安陽 455000）

現階段，電機控制技術發展較快，交流變頻無級調速主軸電機能夠讓數控機床主傳動的無級調速目標實現，這對于處理直流電機長期高負荷運行中出現的直流火花以及電刷磨損問題有一定積極作用，還能減少資源浪費，以往為主要動力源的直流調速電機，在很多數控機床主旋轉運動中，逐步被交流調速主軸電機取代。

結合品種以及工藝范圍差異，無級調速主傳動系統可以分為兩類，一類是高速智能化數控機床，一類是通用化數控機床。這兩類數控機床的主傳動系統設計差異較大，對應的傳動方案也不一樣。

1 高速專能化數控機床傳動無級調速

一些對于主軸轉速要求高、變速范圍和恒定功率區變速范圍小的數控車床，其在高速運行中，切削深度和進給量都不大，對應的切削功率和轉矩較小，這種情況下，一般不使用大功率的交流無級調速主軸電機，也可以不使用串聯分級變速機構以及增多恒轉矩區轉矩，結合實際的設計需要，可以選擇交流無級調速主軸電機，選擇任意一種傳動方案，都能實現對高速專能化數控機床傳動的無級調速效果。

1.1 選擇內裝式主軸電機

內裝式主軸電機，即主軸箱和電機是一體式的，電機轉子即為主軸，主軸是中空狀態的，頂部以標準結構為主，這對于卡盤和刀具安裝有一定幫助，電機座采用的是主軸箱體，能夠在床身安裝。此外，這類主軸電機并無其他的中間傳動件，整體結構比較簡單，傳動精度以及機械效率也更高。主軸實際工作轉速要比電機的基本轉速小，這類機床恒功率區變速范圍不大，一般在3～5，內裝式主軸電機可以達到其功能要求。現階段，國外相關數控機床以及加工中心主軸的最大轉速接近幾萬轉，其轉速大致為50000 ～60000r/min。在我國，因為刀具技術發展水平還有一定差距，最高轉速只能達到50000r/min，通常轉速在35000r/min，但是，目前我國已經有成套的設備生產和供應。

1.2 選擇輸出轉換型主軸電機

這類電機具有變頻調速功能，還能進行繞組分檔變速切換操作，有效擴大電機本身調速范圍以及恒功率區調速范圍，這樣可以有效滿足機床主軸較大變速范圍的要求，如果電機輸出軸和機床主軸間同多聯V 型帶或齒型帶降速傳動，則可以達到低速增轉矩效果。現階段，皮帶傳動小型機床轉矩能夠達到245N·m,中型和大型機床轉矩范圍分別為490N·m 以及780 ～1200N·m。主軸系統和進給系統之間差別較大。結合機床主傳動工作特點，早期機床主軸傳動都以三相異步電動機加多級變速箱結構為主。

當前技術發展加速，機床機構也在不斷調整和改進，對于主軸系統的要求也在不斷提升，提升后的主軸系統的應用范圍也更廣。就數控機床而言，數控車床占比42%，是主要部分，為了達到量大面廣需求，針對主軸傳動有嚴格要求：主傳動電動機的功率范圍應該在2.2～25kW，要滿足無級調速需求，可以在1∶100 ～1000范圍內實現恒轉矩調速和1∶10 恒功率調速。此外，需要主傳動具備四象限驅動功能，同時基于螺紋車削需要，要確保主軸和進給同步控制目標實現，在加工中心進行自主換刀設計，確保主軸可以實現精準定位，最好是要求主軸有角度分度控制功能。

和進給傳動相同，主軸轉動從一般三相異步電動機傳動發展到直流主軸傳動，在微處理器技術以及大功率晶體管技術發展中，電動機已經步入交流主軸伺服系統時代，目前直流主軸伺服系統的數控機床應用已經很少了。而我國生產的交流主軸伺服系統產品并不是很多，表示在這一領域的知識水平還有很大欠缺，很多都是以進口產品為主的，所以這方面的發展潛能較大，需要進行不斷完善。

交流伺服電動機包含異步電動機和永磁式電動機兩類，且很多都是以永磁式同步電動機結構形式為主的，交流主軸電動機情況則完全不同，這些電動機都是以異步電動機結構形式為主的。這樣設計主要是考慮到了水磁體的限制性，在電動機容量較大的情況下，電動機成本更高，經濟性不強，相對而言，異步電動機的成本較低，可以進行矢量閉環控制，也可以達到數控機床主軸要求。不過，與一般的異步電動機不一樣，交流主軸電動機輸出特性曲線是在基本速度以下時為恒轉矩區域，在基本速度以上為恒功率區域。交流主軸控制單元和相應進給系統類似，也可以分為數字和模擬兩種形式，而目前國外的大多數交流主軸控制單元都是以數字式為主的。

輸出轉換型主軸電機的開關電源多以脈沖寬度調制技術為主，其對應的頻率較高、效率也更高，相應功率密度高，使用可靠性也很高。考慮到其開關器件工作處于高頻通斷狀態，高頻快速瞬變過程中會產生電磁干擾源，由此產生的電磁干擾信號的頻率范圍較寬，且幅度較大。如果將這類電源應用到數字設備中，這樣設備產生的電磁干擾信號會更加復雜和強烈。因為相關變換通道交叉開閉，電流之間相互疊加，會讓輸出輸入電流紋波降低，有效降低電磁干擾信號。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成本高、安裝難度大的電容器。而就其工作過程來看，首先，是通過數控系統進行速度指令的發布，在比較器中和檢測器信號相遇后，通過比例積分回路將速度誤差信號放大，使其能夠為轉矩指令提供輸出電壓，通過絕對值回路讓轉矩指令電壓保持正值。再借助函數發生器，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的速度反饋脈沖運算。同時，讀出提前寫在微處理器中的ROM 信息，將振幅以及相位信號輸出來，使其傳輸到DA 強力磁和DA 振幅器中。最終形成U 相和V 相的電流指令。

2 串聯分級變速機構主傳動系統

針對通用型數控機床，主要將其主軸變速范圍控制在100 ～200 范圍內，恒功率區變速范圍要盡可能大，在主軸最低轉速確定后，主軸計算轉速相對更低，主軸恒轉矩區增轉矩作用明顯，能夠滿足低速大轉矩切削加工需要。實現這些功能需要在交流無級調速主軸電機后窗簾分級變速機構，相應交流變頻主軸電機，其最高轉速為4500r/min，一般轉速在1500r/min，最小轉速在45r/min。這樣來看，電機恒功率區達不到機床的變速范圍要求。對此，嘗試通過串聯分級變速機構設計，不斷擴大電機恒功率區的變速范圍。此外，電機的額定功率相對同類型通用機床要更高一些。如果傳動系統設計合理，主軸恒動無功功率缺口就會變小，也可以不應用大功率電機。

之所以選擇大功率是因為電機在恒轉矩區運行過程中，需要確保主軸在最低轉速切削狀態下有較大的功率；其次，考慮到主軸在恒功率區工作狀態下，一些系統容易出現功率缺口，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是必要的。

3 大型多擋無級調速數控車床主傳動系統設計

3.1 主傳動參數設定

結合同類型機床類比和市場設計需要，確定主軸極限轉速為120 ～2500r/min，主電機功率4KW。對于相應轉速進行確定，結合經驗公式這樣可以得出轉速范圍為Rn=2500÷120=20.8。再計算轉速，nj=300，基于相關參數，進行數控機床主傳動功率以及扭矩特性圖的繪制。

3.2 無級調速傳動鏈設計

主傳動鏈需要變速基本保持恒功率，在攻絲、成形車削、寬刀車削時，不需要使用全部的功率，所以需要使用恒功率無級變速系統來與其匹配。就變頻調速特點來看，當前數控機床中常用的是變頻三相異步電動機調速器，這類調速裝置的恒轉矩頻率在5 ～50Hz，相應電動機轉速為150 ～1500r/min，恒功率頻率范圍在50 ～100Hz，相應電動機轉速為1500 ～3000r/min。三相異步電動機調速特征為恒轉矩調速范圍最大，恒功率調整范圍較小。具體如圖1、圖2 所示。

圖1 主傳動功率和扭矩特性曲線

圖2 變頻三相異步電動機調速特性曲線

在進行主傳動方案確定中，考慮到機床主傳動鏈要求恒功率變速范圍要比恒扭矩變速范圍大，對應變頻電動機的恒功率調速范圍要比恒轉矩調速范圍小很多，此時，需要通過串聯變速箱確保數控機床恒功率的無級調速，相應機床恒扭矩調速可以使用電動機恒轉矩調速范圍來調節。

3.3 主軸裝配性能要求

主軸是用來傳遞動力的部件，其性能的好壞直接影響整機的性能。高質量的軸總成必須滿足以下條件。

（1）旋轉精度更高。旋轉中心線位置完美固定。但實際上，由于影響主軸總成的各種因素，旋轉中心線的位置在機器運行過程中是不斷變化的。旋轉誤差是指空間理想旋轉中心線與瞬時旋轉中心線之間的距離。當同時存在軸向和角度故障時，就會出現工作面運行的情況。當存在徑向和角度誤差時，會發生徑向振動。在設計過程中，我們需要盡量減少旋轉誤差并避免徑向振動。

（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備的使用壽命。主軸有足夠的剛性來抵抗外力，因此可以繼續正常工作。

（3）抗振性好。主軸總成具有良好的抗振性，機器可以減少不必要的振動，對工人和機器本身都有好處。為了達到良好的抗振性，可以通過增加主軸總成的靜剛度，使主軸的固有頻率遠高于引起振動的外力頻率來解決。

（4）溫升。即主軸運行時溫度快速上升的缺點：隨著溫度的升高，主軸部件熱脹冷縮，從而改變腔體尺寸。甚至會出現“卡軸”現象，受熱時，主軸與箱體部件的相對位置發生變化，改變了原定位置。另外，主軸需要良好的潤滑和耐磨性，以減少工件磨損。

3.4 夾具設計要求

支架主要起到輔助作用，性能好的支架可以保證機器不同部位之間的距離，減少振動。因此，合理的支撐結構是機床設計的重要組成部分。夾具設計要滿足以下幾點要求：（1）更高的剛度和更低的質量。（2）動態特性好，避免異常振動和噪聲，以免造成結構偏差，降低精度。（3）更好的熱穩定性。（4）注重設計精細化，排屑方便，使用安全。

4 結語

目前，一些對主軸轉速要求高、轉速范圍小、功率范圍穩定的數控車床，高速運行時切削深度和進給量不大，相應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級調速主軸電機，也可不采用步進變速機構，在恒轉矩區提高轉矩，可選擇交流無級調速主軸電機，各種傳動方案均可實現高速專用數控機床傳動無級調速的效果。本文探討了大型多檔位無級調速數控車床主傳動系統的設計，探索數控車床主傳動系統設計應用，分析傳動系統基本的硬軟件設計方案，為研究數控車床主傳動系統的設計與應用提供一些新思路。