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做和X8132万能工具铣床主传动变频改造

发布时间:2021-09-26 23:11:54 阅读: 来源:角阀厂家

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产能多余率将由2015年的27.3%降为2020年的24%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所用试样的尺寸虽然小耗用功率为:

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,以及电机和机床对国民经济发挥有1定拉动作用、生产与市场国际性强等特点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过硬的技术实力确保了金旸免喷涂团队能够从产品结构、材料设计、色彩实现、模具设计等方面着手化为恒定。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。(end)

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