1、金属切削机床的变频调速 摘要： 本文以普通车床作为典型例子，论述了金属切削机床在采用变频调速方案时，通过适当选择传动比，可使系统容量减为最小。介绍了作为机床无级调速典型例子的龙门刨床在采用变频调速方案时的具体考虑。 关键词： 车床 计算转速 主运动 进给运动 传动比 龙门刨床 刨台 往复运动周期 双稳态接近开关 接近块 1 机床拖动系统的主要特点 1.1 概述 金属切削机床的种类很多，主要有：车床、铣床、磨床、钻床、刨床、镗床等。 金属切削机床的基本运动是切削运动，即工件与刀具之间的相对运动 。切削运动由主运动和进给运动组成。 在切削运动中，承受主要切削功率的运动称为主运动。在车床、磨床和刨床
2、等机床中，主运动是工件的运动；而在铣床、镗床和钻床等机床中，主运动则是刀具的运动。 金属切削机床的主运动都要求调速，并且调速的范围往往较大。例如， CA6140型普通车床的调速范围为 120： 1， X62 W 型铣床的调速范围为 50： 1等。 但金属切削机床主运动的调速，一般都在停机的情况下进行，在切削过程中是不进行调速的。这在进行变频调速时，为采用多档传动比方案的可行性提供了基础。 1.2 主运动的负载性质 通用机床的低速段，允许的最大进刀量都是相同的，负载转矩也相同，属于恒转矩区；而在高速段，则由于受床身机械强度和振动以及刀量强度等的影响，速度越高，允许的最大进刀量越小，负载转矩也越小
3、，但切削功率保持相同，属于恒功率区。恒转矩区和恒功率区的分界转速，称为计算转速，用 nD表示。关于计算转速大小的规定大致如下： 在老系列产品中，一般规定：从最低速起，以全部级数的三分之一的最高速作为计算转速。 例如， CA6140 型普通车床主轴的转速共分 24 级： n1、 n2、 n3、 n24，则第八档转速（ n8）为计算转速。 但随着刀具强度和切削技术的提高，计算转速已经大为提高，通常的规定是：以最高转速的（ 1/4 1/2）作为计算转速： nD nmax/（ 2 4） （ 1） 2 普通车床的实例与基本数据 2.1 普通车床的大致构造与拖动系统 2.1.1 大致构造 如图 2 所示，
4、主要部件有： （ 1）头架 用于固定工件。内藏齿轮箱，是主要的传动机构之一。 （ 2）尾架 用于顶住工件，是固定工件用的辅助部件。 （ 3）刀架 用于固定车刀。 （ 4）床身 用于安置所有部件。 2.1.2 拖动系统 普通车床的运动系统 主要包括以下两种运动： （ 1）主运动 工件的旋转运动为普通车床的主运动，带动工件旋转的拖动系统为主拖动系统。 （ 2）进给运动 主要是刀架的移动。由于在车削螺纹时，刀架的移动速度必须和工件的旋转速度严格配合，故中小型车床的进给运动通常由主电动机进给传动链而拖动的，并无独立的进给拖动系统。 2.1.3 主运动系统阻转矩的形成 主运动系统的阻转矩就是工件在切削过
5、程中形成的阻转矩。理论上说，切削功率用于切削的剥落和变形。故切削力正比于被切削的材料性质和截面积，切削面积由切削深度和走刀量决定。而切削转矩则取决于 切削力和工件回转半径的乘积，其大小与下列因素有关： （ 1） 切削深度； （ 2） 进刀量； （ 3） 工件的材质与直径，等。 2.2 实例及基本数据 某厂的意大利产 SAG 型精密车床，由于调速用电磁离合器损坏率较高，国内无配件，进口件又十分昂贵，故改用变频调速。具体情况如下： 2.2.1 原拖动系统概况 （ 1）转速档次 负载侧有八档转速： 75、 120、 200、 300、 500、 800、 1200、2000r/min。 （ 2）电动
6、机的主要额定数据 1）额定容量 2.2KW； 2）额定转速 1440r/min； 3）过载能力 2.5。 （ 3）控制方式 由手柄的八个位置来控制四个电磁离合器的分与合，得到齿轮的八种组合，从而得到八档转速。 2.2.2 主要计算数据 （ 1）调速范围 由公式： L nLmax/nLmin 2000/75 26.67 （ 2）负载转矩 1）计算转速 由（ 9-1）式，并根据机械工程师提供的数据，有： D 2000/4 500r/min 2）在各档转速下的负载转矩如表 10-1所示（考虑到设计者在选择电动机时通常都留有余量，故负载功率按 PL=2KW 计）。 3）电动机额定转矩 nMN 9550
7、*2.2/1440 14.6N m 表 1 各档转速下的负载转矩 档次 1 2 3 4 5 6 7 8 转速（ r/min） 75 120 200 300 500 800 1200 2000 转矩（ N m） 38.2 38.2 38.2 38.2 38.2 23.9 15.9 9.55 2.2.3 用户要求 1）尽可能不更换电动机； 2）在高速区，过载能力不低于 1.8； 3）转速档次及控制方式不变，即仍由手柄的八个位置来控制八档转速。 3 变频调速拖动系统的计算 3.1 决定频率范围 3.1.1 基本方案 的决定 为了满足用户关于“尽可能不更换电动机”的要求，根据 5.7节所阐明的指导思想
8、，决定采用两档传动比的方案。 3.1.2 最低工作频率 本着“改造力求从简”的原则，决定不增加速度反馈环节，而采用“无反馈矢量控制”功能或 V/F 控制方式。为了使低频运行时能够稳定可靠，应尽量提高最低转速时的工作频率。具体方法是减小恒转矩区（即计算转速），故取： np 300r/min 从而： （ 1） 恒转矩区的调速范围为： LD 300/75 4 （ 2） 最低工作频率： fmin 50/4 12.5Hz 3.1.3 确定频率范围 （ 1） 恒功率 区的调速范围 LH 2000/300 6.67 （ 2）频率范围 采用两档传动比的方案，由（ 5-16）式： f L 6.67 2.58 （
9、 3）中间速的大小 Lmid 2000/2.58 775.3r/min 由于中间速 Lmid在低速档与电动机的最高工作频率 fmax相对应，而 fmax不宜 超过额定频率 fN的两倍，故取： Lmid 300*2 600r/min 3.2 确定传动比 3.2.1 拖动系统的工作区 如表 2 所示。 3.2.2 低速档的传动比 L 1440/300 4.8 取 L 5 表 2 拖动系统的工作区 低速档 低速档 高速档 高速档 恒转矩区 恒功率区 恒转矩区 恒功率区 负载转速范围 75 300 300 600 600 1000 1000 2000 工作频率范围 12.5 50 50 100 30
10、50 50 100 电机转速范围 360 1440 1440 2880 864 1440 1440 2880 3.2.3 高速档的传动比 H 1440/1000 1.44 取 H 1.5 由于所取的 L和 H值均与计算值不同，故表 10-2中的 数据将有所调整。 3.3 电动机容量不变的可行性核算 3.3.1 核算公式 （ 1） 低速档恒转矩区折算至负载轴的电动机转矩 TMLT TMN L （ 2） 带负载的过载能力 LT MNTNLT /TL （ 3） （ 2） 低速档恒功率区折算至负载轴的电动机转矩 TMLP TMLT/Kf1.4 （ 4） 带负载的过载能力 Lp mnTMLP /TL （
11、 5） （ 3） 高速档恒转矩区折算至负载轴的电动机转矩 TMNT TMN H （ 6） 带负载的过载能力 HT mnTMNT /TL （ 7） （ 4） 高速档恒 功率区折算至负载轴的电动机转矩（按允许电流不变的原则）计算： TMHP TMHT/Kf （ 8） 带负载的过载能力 HP（ MN/Kfmax0.4） Tmhp /TL （ 9） 3.3.2 核算结果 根据上述公式，将计算结果列于表 3中。 与表中的各档负载转矩相比，可以看出： （ 1） 除第六档（ nL 800r/min）的转矩与原来的额定转矩相比，略显逊色 外，其余各转速档的拖动转矩都能满足要求； （ 2） 各档的过载能力基本满
12、足要求； （ 3） 在第 6档，额定拖动转矩为负载转矩的 21.9/23.9 0.92，在 实际工 作中，已能满足要求。 故得出结论：不更换电动机是完全可行的。 表 3 各档转速的转矩核算结果 负载转速（ r/min） 75 120 200 300 500 800 1200 2000 电动机转速（ r/min） 375 600 1000 1500 2500 1200 1800 3000 电动机工作频率（ Hz） 13 21 35 52 87 42 62.5 104 电动机的调频比 0.26 0.42 0.7 1.04 1.74 0.84 1.25 2.08 电动机折算转矩（ N m） 73 7
13、3 73 70.2 42 21.9 17.5 10.5 带负载的过载能力 4.8 4.8 4.8 4.5 2.2 2.3 2.5 1.95 4 龙门刨床的构造与工作特点 4.1 龙门刨床的基本结构 主要由七个部分组成，如图 3 所示。 （ 1）床身 是一个箱形体，上有 V形和 U 形导轨，用于安置工作台。 （ 2）刨台 也叫工作台，用于安置工件。下有传动机构，可顺着床身的导轨作往复运动。 （ 3）横梁 用于安置垂直刀架。在切削过程严禁动作，仅在更换工件时移动，用以调整刀架的高度。 （ 4） 左右垂直刀架 安装在横梁上，可沿水平方向移动，刨刀也可沿刀架 本身的导轨垂直移动。 （ 5） 左右侧刀架
14、 安置在立柱上，可上、下沿移动。 （ 6） 立柱 用于安置横梁。 （ 7） 龙门项 用于紧固立柱。 4.2 龙门刨床的主运动 4.2.1 主运动的工作过程 龙门刨床的刨削过程是工件（安置在刨台上）与刨刀之间作相对运动的过程。因为刨刀是不动的，所以，龙门刨床的主运动就是刨台频繁的往复运动。 4.2.2 主运动的工作特点 （ 1）刨台的往复运动周期 所谓往复运动周期，是指刨台每往返一次的速度变化。以国产 A 系列龙门刨床为例，其往复周期如图 4所示。 图中， v为线速度， t为时间。各时间段（ t1 t5）的工况如下： t1段：刨台起动、刨刀切入工件的阶段。为了减小在刨刀刚切入工件的瞬间，刀具所受
15、的冲击，和防止工件被崩坏，故速度较低，为 V0； t2段： 刨削段。刨台加速至正常的刨削速度 VF； t3段：刨刀退出工件段。为了防止工件边缘被崩裂，故将速度又降低为 V0； t4段：返回段。返回过程是不切削工件的空行程，为了节省返回时间，提高工作效率，返回速度应尽可能高一些，设为 VR； t5段：缓冲段。返回行程即将结束、再反向到工作速度 之前，为了减小对传动机构的冲击，又应将速度降低为 V0； 之后，便进入下一周期，重复上述过程。 4.3 刨台运动的机械特性 以 A 系列龙门刨床为例，说明如下： 4.3.1 刨台运动的负荷性质 （ 1）切削速度 VQ 25m/min 在这一速度段，龙门刨床
16、允许的最大切削力相同。在调速过程中负荷具有恒转矩性质。 （ 2）切削速度 VQ25m/min 由于受横梁与立柱等机械结构的强度所限止，允许的最大切削力是随速度的增加而减小的。因此，在调速过程中负荷具有恒功率性质。其机械特性如图 5所示。 4.3.2 负载功率 因为机械功率与转矩和转速（或切削力和线速度）的乘积成正比，所以，刨台运动的负载功率与面积 OLJ成正比。 4.3.3 刨台的传动机构 分成两档，以 45m/min 为界，速比为 2： 1。 4.3.4 刨台原拖动系统的主要特点 早期的刨台拖动系统采用 G-M（发电机 -电动机组）调速系统，以 A系列龙门刨床为例，如图 6 所示。图中，直接
17、拖动刨台的是直流电动 DM， DM 由直流发电机 G1 提供电源， G1 又由交流电动机 AM 来带动， AM 在带动 G1 的同时，还带动一台励磁发电机 G2。 G2发出的电，一方面为 DM 和 G1提供励 磁电流，同时也为控制电路提供电源。除此以外，为了改善 DM 的机械特性，还采用了一台交磁放大机 DMA 尽管直流电动机在额定转速以上，可以进行具有恒功率性质的弱磁调速，但由于在弱磁调速时无法利用电流反馈和速度反馈环节来改善机械特性，故不能用于切削过程中。 所以，电动机的机械特性如图 7所示，图中，曲线是负载的机械特性，曲线是直流电动机的机械特性。由图可以看出，所需电动机的容量与面积 OL
18、MM”成正比，比负载实际所需功率大很多。 5 刨台运动的变频调速 5.1 变频调速的机械特性 由于负载的高速段具有恒功率特性，而电 动机在额定频率以上也具有恒功率特性，因此，为了充分发挥电动机的潜力，电动机的工作频率应适当提高至额定频率以上，使其机械特性如图 8所示。图中，曲线是负载的机械特性，曲线是变频调速后异步电动机的机械特性。由图可以看出，所需电动机的容量与面积OLKK成正比，和负载实际所需功率十分接近。上述 A系列龙门刨床的主运动在采用变频调速后，电动机的容量可减小采用变频调速后，非介拖动系统的构成变得十分简单，并且还减小了主电动机的容量。 由于负载的高速段具有恒功率特性，而电动机在额定频率以上也具有 恒功率特性，因此，为了充分发挥电动机的潜力，电动机的工作频率应适当提高至额定频率以上，使其机械特性如图 8所示。图中，曲线是负载的机械特性，曲线是变频调速后异步电动机的机械特性。由图是变频调速后异步电动机的机械特性。由图可以看出，所需电动机的容量与面积 OLKK成正比，和负载实际所需
