2　主电机与变频器的选择

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-1 图1 主轴功率特性和转矩特性

   电机转速n/r·min-1 图2 电动机功率特性

   再看电机的功率特性，如图2所示。从额定转速n_d到n_max的区域Ⅰ为恒功率区，从最低转速n_min到n_d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。
   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(n_max/n_min)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。
2. 分级变速箱设计
   变速级数：Z=2。
   主轴转速：计算转速n_j=151r/min
   n_max=2000r/min　n_min=50r/min
   电机转速：n_d=1420r/min
   n_max=3408r/min　n_min=311r/min
   主轴要求恒功率调速范围：R_np=n_max/n_j=2000/151=13.25
   
   电机要求恒功率调速范围：R_dp=n_max/n_d=3408/1420=2.4
   根据lgf=lgR_dp/Z得到lgf=lg13.25/Z=0.5610
   所以公比f=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R_dp≥2.4,而公比f取3.64。
   满足上述要求的变速箱传动系统如图3所示。
   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 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P_D为：
   P_D≥D·P_耗
   其中D为功率降低区变速范围，D=f/R_dp=3.64/2.4=1.5，所以电机的额定功率P_D≥1.5×1.88=2.82(kW)。

4 结束语

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。