1 普通车床的大致构造与负载性质
1.1 普通车床的大致构造与拖动系统
(1) 大致构造
图1 普通车床的外形
如图1所示，主要部件有:
l 头架 用于固定工件并带动工件旋转。内藏齿轮箱，是主要的传动机构之一。
l 尾架 用于顶住较长的工件，是固定工件用的辅助部件。
l 刀架 用于固定车刀。
l 床身 用于安置所有部件。
(2) 拖动系统
普通车床的拖动系统主要包括以下两种运动:
l 主运动
图2 车床的原拖动系统
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。主拖动系统由主电动机、皮带和带轮以及头架中的齿轮箱构成，如图2(a)所示。转速的调节是通过改变头架上手柄⑤的位置，从而改变齿轮箱内的齿轮组合来进行的。工件旋转方向的改变也是通过机械手段来实现的。因此，电动机的控制电路十分简单，如图2(b)所示。
图3 车床的机械特性
l 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经进给传动链而拖动的，并无独立的进给拖动系统。
(3) 主拖动系统阻转矩的形成
主拖动系统的负载转矩就是工件在切削过程中形成的阻转矩。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工件的材料性质和切削面积，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，如图3(a)所示:
tl＝f·r (1)
式中，f—切削力，n;
r—工件的半径，m。
切削力的大小与下列因素有关:
l 切削深度;
l 进刀量;
l 工件的材质与直径等。
1.2 主运动的负载性质
(1) 低速段
由于允许的最大进刀量以及工件的最大直径都是相同的，故负载转矩也相同，属于恒转矩性质，机械特性如图3(b)中之线段①所示。
(2) 高速段
转速升高后，由于受刀具强度以及床身机械强度和振动等的影响，继续保持较大的切削转矩将可能损坏刀具和床身。因此，速度越高，允许的最大进刀量越小，但切削功率则保持不变，其机械特性具有恒功率性质，如图3(b)中之曲线②所示。
(3) 计算转速
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:
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，则从最低速算起的第八档转速(n8)为计算转速。
但随着刀具材质和床身强度的提高，近年来，计算转速正在逐渐提高，据有关资料介绍，较为先进的车床，其计算转速已经可以达到最高转速的(1/4)了:
nd≈nmax/4 (2)
并正在逐渐地向最高转速的(1/2)靠拢。
2 变频调速的改造实例
某厂的意大利产sag型精密车床，调速时，齿轮的组合(转速换档)是通过四个电磁离合器的状态来改变的。由于电磁离合器的损坏率较高，国内无配件，进口件又十分昂贵，故考虑改用变频调速。具体情况如下:
2.1 原拖动系统概况
(1) 转速档次
主运动原有八档转速:75、120、200、300、500、800、1200、2000r/min。
(2) 电动机的主要额定数据
l 额定容量 2.2kw;
l 额定电压与电流 380v，4.8a;
l 额定转速 1440r/min;
l 过载能力 2.5。
(3) 调速方式
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，如图4所示。
图4 车床的原调速方式
2.2 主要计算数据
(1) 负载侧数据
l 调速范围
l 计算转速 根据机械工程师提供的数据，计算转速为: nd＝300r/min
具体地说，则:nl≤300r/min时为恒转矩调速; nl≥300r/min时为恒功率调速。
l 负载功率 考虑到设计者在选择电动机时通常都留有余量，故负载功率可按略小于电动机容量来计算，今假设:
pl＝2kw
l 各档转速下的负载转矩
当nl≥300r/min时，负载转矩按下式计算:
(3)
当nl≤300r/min时，因为属于恒转矩性质，故负载转矩均与nl＝300r/min时相同。
计算所得负载转矩如表1所示。
表1 各档转速下的负载转矩
(2) 电动机侧数据
l 电动机的额定转矩
l 电动机的转差率
s
(3) 用户要求
l 尽可能不更换电动机;
l 在高速区，过载能力不低于1.8;
l 根据电动机升出轴的实际情况，不希望增加转速反馈装置;
l 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 变频方案的初探
(1) 频率范围
l 最高工作频率 通用电动机的工作频率不宜超过额定频率的2倍，故: fmax＝100hz
l 最低工作频率 根据负载的调速范围，最低工作频率为: fmin＝fmax/αn＝100/27＝3.7hz
(2) 传动比
l 电动机最高转速
l 传动比
取
(3) 带负载能力的校核
l 低速时
负载转矩为最大转矩，其折算值为:
可见，在低速时，电动机将带不动负载，如图5所示。
图5 一档传动比带车床
l 高速时
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