X8132万能工具铣床主传动变频改造
1引言
X8132万能工具铣床是一种用途广泛的通用机床，其主传动部分由交流异步电动机经一个多级变速箱带动主轴运动。由于电动机转速恒定，变速箱变速受有级的限制，往往不能满足实际切削速度变化的要求。而解决这一问题有两种途径：其一由数字控制系统实现主轴无级调速；其二由交流变频器和变频电机组成调速系统。前者组成主轴调速单元的主轴伺服单元和主轴伺服电机，价格较为昂贵。而后者的价格相对较低，性价比显然优于前者。本文阐述的是利用后一种办法对X8132工具铣床主传动进行变频改造的技术。
2主电机与变频器的选择
X8132铣床主要的加工方式为平铣和端铣，粗加工时主轴速度较低，切削深度和切削用量较大，输出转矩较大；而精加工时主轴速度较高，切削深度和切削用量较小，输出转矩较小，即主轴满足恒功率调速要求。显然，普通交流异步电机难以满足恒功率调速要求。而采用变频电机较为理想。
经分析计算，有关参数如下：
平铣时:最大切削功率P切=1.26kW
端铣时:最大切削功率P切=1.28kW
主传动效率：h=0.79
空载时耗用功率：P空=0.28kW
由以上参数可知主电机耗用功率为:
P耗=P空+P切/h=0.28+1.28/0.79=1.88kW
考虑到强力切削和加工材料不均匀，以及电机和机床主轴功率特性匹配等因素，主电机功率一般应有一定的储备，为此选择3kW、4级变频电机。该电机调速性能和起动扭矩均满足系统要求。
目前市场上有多种牌号的变频器，且能与PLC或单片机连接，很方便地控制电机的正、反转和变速。考虑到变频器应与变频电机合理配置，选用三菱FR-A型变频器，功率为4kW,变频范围0.5～400Hz。变频器由8098单片机控制工作。
3主传动变速设计
1）主轴与电机功率/转矩特性分析
机床主轴要求的功率特性和转矩特性如图1所示。图1中区域Ⅰ为恒功率区，在Ⅰ内任意转速下的主轴都可输出额功功率，转矩则随主轴转速下降而上升，而功率则随主轴转速变化为恒定。区域Ⅱ为恒转矩区，在此区中转矩不再随转速下降而变化，通常恒功率区约占主轴变速范围2/3～3/4,,而恒转矩区约占1/4～1/3。
主轴转速n/r/min
图1 主轴功率特性和转矩特性
再看电机的功率特性，如图2所示。从额定转速nd到nmax的区域Ⅰ为恒功率区，从最低转速nmin到nd区域为恒转矩区。恒功率变速范围常为2～4,恒转矩变速范围则可达100以上。
电机转速n/r/min
图2 电动机功率特性
从以上分析比较可知，电机的功率特性与机床主轴的要求不匹配，电机的恒功率范围小而主轴要求的范围大，因此仅凭总变速范围(nmax/nmin)设计主轴系统是不行的，必须考虑性能匹配问题，解决的措施是在电机与主轴之间串联一个分级变速箱。
分级变速箱设计
变速级数：Z=2。
主轴转速：计算转速nj=151r/min
nmax=2000r/minnmin=50r/min
电机转速：nd=1420r/min
nmax=3408r/minnmin=311r/min
主轴要求恒功率调速范围：Rnp=nmax/nj=2000/151=13.25
电机要求恒功率调速范围：Rdp=nmax/nd=3408/1420=2.4
根据lgφ=lgRdp/Z得到lgφ=lg13.25/Z=0.5610
所以公比φ=3.64。
由于该机床是无级调速，主要确定出主轴恒功率、恒转矩区并与电机的恒功率、恒转矩区相互匹配，电机恒功率调速范围应取Rdp≥2.4,而公比φ取3.64。
满足上述要求的变速箱传动系统如图3所示。
图3 变速箱主传动系统图
变速箱改造前有16个齿轮，改造后只用了8个齿轮，并减少了两根轴和一些辅助件，使结构大大简化，制造成本亦大大降低，空载时耗用功率降低。改造后的主传动系统的变速图如图4所示。
图4 主传动变速图
图4中电机轴(1轴)恒功率转速区为(1420～3408)r/min,对应主轴Ⅳ轴恒功率转速区为(228～2000)r/min;电机轴转速(311～1420)r/min的区域为恒转矩区，对应主轴恒转矩转速区为(50～228)r/min。由前面的功率特性分析可知，主轴的恒功率转速区应为(151～2000)r/min,显然主轴转速在(151～228)r/min这一区域存在功率缺口(功率降低)，对应电机转速范围为(936～1420)r/min。其原因在简化变速箱设计后，电机在降速运行时，其输出功率达不到其额定的输出功率所致。为使主轴在功率降低区内仍能得到所要求的切削功率，应使电机的额定功率PD为：
PD≥△·P耗
其中D为功率降低区变速范围，△=f/Rdp=3.64/2.4=1.5，所以电机的额定功率PD≥1.5×1.88=2.82(kW)。
4 结束语
X8132万能工具铣床主传动系统改造后，变速箱结构简化，制造成本大大降低。经多次的性能试验，有下列优点：
1）调速系统配以8098单片机控制实现自动无级调速，转速控制准确，速度变动率即使在满负荷情况下也仅为±(0.2～0.3)%;
2）操作方便，故障率低，系统性价比高，变频调速系统仅为同规格伺服主轴单元价格的1/5。
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