根據(jù)用戶的使用要求，在機(jī)床主傳動(dòng)中，要求主軸轉(zhuǎn)速范圍為：0.1～800rpm，即Rn=8000，要滿足這種變速范圍?？恳环N主電機(jī)和串聯(lián)分級變速箱是不能滿足這種要求，因此設(shè)計(jì)出一種雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置，使輸出軸的轉(zhuǎn)速范圍變寬，能夠滿足機(jī)床加工時(shí)轉(zhuǎn)速范圍較大的需求。

目前機(jī)床主傳動(dòng)一般都是主電機(jī)通過普通三角帶傳遞到分級變速箱上的三角帶輪進(jìn)行傳動(dòng)或靠一種主電機(jī)和串聯(lián)分級變速箱，這種傳動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)只能滿足一般的變速要求，但是如果需要更大的變速范圍，原有的這種傳動(dòng)裝置是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足的。因此，為了避免現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置，從而有效解決了現(xiàn)有技術(shù)中存在的缺陷。

1、雙電機(jī)傳動(dòng)裝置簡介

根據(jù)用戶的使用要求，在機(jī)床加工過程中，按用戶需求有大切削量重載切削和小切削量精密切削，但由于電機(jī)的性能因素，只能滿足一種加工方式，因此設(shè)計(jì)出一種雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置，使輸出軸的轉(zhuǎn)速范圍變寬，能夠滿足機(jī)床加工時(shí)轉(zhuǎn)速范圍較大的需求。

雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)床主傳動(dòng)裝置主要由下列件組成：1、三角皮帶，2、三角帶輪，3、15kW變頻電機(jī)，4、直齒內(nèi)齒輪，5、受柄桿，6、凸輪，7、杠桿，8、直齒外齒輪、9、斜齒輪減速機(jī)，10、3kW變頻電機(jī)，11、車座，12、行程開關(guān)。

2、雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置的設(shè)計(jì)

2.1雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置的結(jié)構(gòu)

如圖1所示普通臥式車床雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置，包括第一變頻電機(jī)3設(shè)置在車座11上，其特點(diǎn)在于：第一變頻電機(jī)3的動(dòng)力輸出軸在其兩端伸出，第一變頻電機(jī)3動(dòng)力輸出軸的一端設(shè)有帶輪2，第一變頻電機(jī)3動(dòng)力輸出軸的另一端通過離合器與減速裝置9的動(dòng)力輸出軸相連接，設(shè)置在車座11上的第二變頻電機(jī)10與減速裝置9相連接，車座11上設(shè)有與離合器對應(yīng)的凸輪6，凸輪6上設(shè)有手柄桿5和杠桿7。

第一變頻電機(jī)3動(dòng)力輸出軸的一端設(shè)有帶輪2，第一變頻電機(jī)3動(dòng)力輸出軸的另一端通過離合器與減速裝置9的動(dòng)力輸出軸相連接，設(shè)置在車座11上的第二變頻電機(jī)10與減速裝置9相連接，diangon.com車座11上設(shè)有與離合器對應(yīng)的凸輪6，凸輪6上設(shè)有手柄桿5和杠桿7。

離合器包括設(shè)在減速裝置9的動(dòng)力輸出軸上直齒外齒輪8和設(shè)置在第一變頻電機(jī)3動(dòng)力輸出軸上的直齒內(nèi)齒輪4，直齒內(nèi)齒輪4與直齒外齒輪8相對設(shè)置，直齒外齒輪8上設(shè)有與杠桿7相對應(yīng)的槽。

第一變頻電機(jī)3的功率大于第二變頻電機(jī)10的功率，車座11上還設(shè)有與凸輪6對應(yīng)的行程開關(guān)12。

2.2雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置的計(jì)算

由于第一變頻電機(jī)3和第二變頻電機(jī)10的轉(zhuǎn)速級數(shù)為四級，輸出轉(zhuǎn)速范圍均為150~1500r/min，所以第一變頻電機(jī)3輸出扭矩為：

其中，T-扭矩（Nm），P-功率（kW），n-轉(zhuǎn)速（r/min）

當(dāng)使用第二變頻電機(jī)10時(shí)，可以連接減速機(jī)9，當(dāng)減速電機(jī)的減速比為1：10時(shí)，可得輸出軸扭矩為：

因此，電機(jī)輸出的轉(zhuǎn)速在15~1500r/min，擴(kuò)大了變頻電機(jī)的使用范圍。再通過機(jī)床主軸箱的降速，能實(shí)現(xiàn)機(jī)床主軸輸出轉(zhuǎn)速為0.1～800rpm，大大提高了機(jī)床的性能。

2.3雙電機(jī)傳動(dòng)裝置的使用方法

如圖1所示，在機(jī)械加工過程中，需要重載切削時(shí)，第一變頻電機(jī)3的動(dòng)力輸出軸在其兩端伸出，第一變頻電機(jī)3動(dòng)力輸出軸的一端設(shè)有帶輪2，此時(shí)，通過手柄桿5轉(zhuǎn)動(dòng)凸輪6從而觸動(dòng)行程開關(guān)12來實(shí)現(xiàn)第一變頻電機(jī)3的單獨(dú)運(yùn)動(dòng)，由帶輪2通過皮帶直接將動(dòng)力傳遞到主軸上，實(shí)現(xiàn)機(jī)床重載切削。

需要小切削量精密切削時(shí)，第一變頻電機(jī)3動(dòng)力輸出軸的另一端通過離合器與減速裝置9的動(dòng)力輸出軸相連接，設(shè)置在車座11上的第二變頻電機(jī)10與減速裝置9相連接，此時(shí)，通過手柄桿5轉(zhuǎn)動(dòng)凸輪6從而觸動(dòng)行程開關(guān)12，同時(shí)杠桿7的另一端插入直齒外齒輪8上設(shè)有的槽內(nèi),實(shí)現(xiàn)第一變頻電機(jī)3與第二變頻電機(jī)10的聯(lián)動(dòng)，控制離合器嚙合和分離，實(shí)現(xiàn)小切削量精密切削。

3、結(jié)語

這種雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置，采用了串聯(lián)雙電機(jī)的方式，來實(shí)現(xiàn)變速要求，將主軸變速范圍分為低速和高速兩個(gè)檔位，轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)了低速檔為：0.1～8rpm，高速檔為：5～800rpm的要求，其操作簡單，使用方便。

數(shù)控機(jī)床一般由NC控制系統(tǒng)、伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和反饋檢測系統(tǒng)3部分組成。數(shù)控機(jī)床對位置系統(tǒng)要求的伺服性能包括：定位速度和輪廓切削進(jìn)給速度；定位精度和輪廓切削精度；精加工的表面粗糙度；在外界干擾下的穩(wěn)定性。這些要求主要取決于伺服系統(tǒng)的靜態(tài)、動(dòng)態(tài)特性。對閉環(huán)系統(tǒng)來說，總希望系統(tǒng)有較高的動(dòng)態(tài)精度，即當(dāng)系統(tǒng)有一個(gè)較小的位置誤差時(shí)，機(jī)床移動(dòng)部件會(huì)迅速反應(yīng)。下面就位置控制系統(tǒng)影響數(shù)控機(jī)床加工要求的幾個(gè)方面進(jìn)行論述。

1、加工精度

精度是機(jī)床必須保證的一項(xiàng)性能指標(biāo)。位置伺服控制系統(tǒng)的位置精度在很大程度上決定了數(shù)控機(jī)床的加工精度。因此位置精度是一個(gè)極為重要的指標(biāo)。為了保證有足夠的位置精度，一方面是正確選擇系統(tǒng)中開環(huán)放大倍數(shù)的大小，另一方面是對位置檢測元件提出精度的要求。因?yàn)樵陂]環(huán)控制系統(tǒng)中，對于檢測元件本身的誤差和被檢測量的偏差是很難區(qū)分出來的，反饋檢測元件的精度對系統(tǒng)的精度常常起著決定性的作用。可以說，數(shù)控機(jī)床的加工精度主要由檢測系統(tǒng)的精度決定。位移檢測系統(tǒng)能夠測量的最小位移量稱做分辨率。分辨率不僅取決于檢測元件本身，也取決于測量線路。在設(shè)計(jì)數(shù)控機(jī)床、尤其是高精度或大中型數(shù)控機(jī)床時(shí)，必須精心選用檢測元件。所選擇的測量系統(tǒng)的分辨率或脈沖當(dāng)量，一般要求比加工精度高一個(gè)數(shù)量級?？傊呔鹊目刂葡到y(tǒng)必須有高精度的檢測元件作為保證。例如，數(shù)控機(jī)床中常用的直線感應(yīng)同步器的精度已可達(dá)±0.0001mm，即0.1μm，靈敏度為0.05μm，重復(fù)精度0.2μm；而圓型感應(yīng)同步器的精度可達(dá)0.5N，靈敏度0.05N，重復(fù)精度0.1N。

2、開環(huán)放大倍數(shù)

在典型的二階系統(tǒng)中，阻尼系數(shù)x=1/2（KT）-1/2，速度穩(wěn)態(tài)誤差e（∞）＝1/K，其中K為開環(huán)放大倍數(shù)，工程上多稱作開環(huán)增益。顯然，系統(tǒng)的開環(huán)放大倍數(shù)是影響伺服系統(tǒng)的靜態(tài)、動(dòng)態(tài)指標(biāo)的重要參數(shù)之一。

一般情況下，數(shù)控機(jī)床伺服機(jī)構(gòu)的放大倍數(shù)取為20～30（1/S）。通常把K<20范圍的伺服系統(tǒng)稱為低放大倍數(shù)或軟伺服系統(tǒng)，多用于點(diǎn)位控制。而把K>20的系統(tǒng)稱為高放大倍數(shù)或硬伺服系統(tǒng)，應(yīng)用于輪廓加工系統(tǒng)。

假若為了不影響加工零件的表面粗糙度和精度，希望階躍響應(yīng)不產(chǎn)生振蕩，即要求是取值大一些，開環(huán)放大倍數(shù)K就小一些；若從系統(tǒng)的快速性出發(fā)，希望x選擇小一些，即希望開環(huán)放大倍數(shù)～增加些，同時(shí)K值的增大對系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度也能有所提高。因此，對K值的選取是必需綜合考慮的問題。換句話說，并非系統(tǒng)的放大倍數(shù)愈高愈好。當(dāng)輸入速度突變時(shí)，高放大倍數(shù)可能導(dǎo)致輸出劇烈的變動(dòng)，機(jī)械裝置要受到較大的沖擊，有的還可能引起系統(tǒng)的穩(wěn)定性問題。這是因?yàn)樵诟唠A系統(tǒng)中系統(tǒng)穩(wěn)定性對K值有取值范圍的要求。低放大倍數(shù)系統(tǒng)也有一定的優(yōu)點(diǎn)，例如系統(tǒng)調(diào)整比較容易，結(jié)構(gòu)簡單，對擾動(dòng)不敏感，加工的表面粗糙度好。

3、提高可靠性

數(shù)控機(jī)床是一種高精度、高效率的自動(dòng)化設(shè)備，如果發(fā)生故障其損失就更大，所以提高數(shù)控機(jī)床的可靠性就顯得尤為重要?？煽慷仁窃u價(jià)可靠性的主要定量指標(biāo)之一，其定義為：產(chǎn)品在規(guī)定條件下和規(guī)定時(shí)間內(nèi)，完成規(guī)定功能的概率。對數(shù)控機(jī)床來說，它的規(guī)定條件是指其環(huán)境條件、工作條件及工作方式等，例如溫度、濕度、振動(dòng)、電源、干擾強(qiáng)度和操作規(guī)程等。這里的功能主要指數(shù)控機(jī)床的使用功能，例如數(shù)控機(jī)床的各種機(jī)能，伺服性能等。

平均故障（失效）間隔時(shí)間（MTBF）是指發(fā)生故障經(jīng)修理或更換零件還能繼續(xù)工作的可修復(fù)設(shè)備或系統(tǒng)，從一次故障到下一次故障的平均時(shí)間，數(shù)控機(jī)床常用它作為可靠性的定量指標(biāo)。由于數(shù)控裝置采用微機(jī)后，其可靠性大大提高，所以伺服系統(tǒng)的可靠性就相對突出。它的故障主要來自伺服元件及機(jī)械傳動(dòng)部分。通常液壓伺服系統(tǒng)的可靠性比電氣伺服系統(tǒng)差，電磁閥、繼電器等電磁元件的可靠性較差，應(yīng)盡量用無接觸點(diǎn)元件代替。

目前數(shù)控機(jī)床因受元件質(zhì)量、工藝條件及費(fèi)用等限制，其可靠性還不很高。為了使數(shù)控機(jī)床能得到工廠的歡迎，必須進(jìn)一步提高其可靠性，從而提高其使用價(jià)值。在設(shè)計(jì)伺服系統(tǒng)時(shí)，必須按設(shè)計(jì)的技術(shù)要求和可靠性選擇元器件，并按嚴(yán)格的測試檢驗(yàn)進(jìn)行篩選，在機(jī)械互鎖裝置等方面，必須給予密切注意，盡量減少因機(jī)械部件引起的故障。

4、寬范圍調(diào)速

在數(shù)控機(jī)床的加工中，伺服系統(tǒng)為了同時(shí)滿足高速快移和單步點(diǎn)動(dòng)，要求進(jìn)給驅(qū)動(dòng)具有足夠?qū)挼恼{(diào)速范圍。

單步點(diǎn)動(dòng)作為一種輔助工作方式常常在工作臺(tái)的調(diào)整中使用。

伺服系統(tǒng)在低速情況下實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)進(jìn)給，則要求速度必須大于“死區(qū)”范圍。所謂“死區(qū)”指的是由于靜摩擦力的存在使系統(tǒng)在很小的輸入下，電機(jī)克服不了這摩擦力而不能轉(zhuǎn)動(dòng)。此外，還由于存在機(jī)械間隙，電機(jī)雖然轉(zhuǎn)動(dòng)，但拖板并不移動(dòng)，這些現(xiàn)象也可用“死區(qū)”來表達(dá)。

設(shè)死區(qū)范圍為a，則最低速度Vmin，應(yīng)滿足Vmin≥a，由于a≤dK，d為脈沖當(dāng)量（mm/脈沖）；K為開環(huán)放大倍數(shù)，則

Vmin≥dK

若取d=0.01mm/脈沖，K=30×1/S，則最低速度

Vmin≥a=30×0.01mm/min=18mm/min

伺服系統(tǒng)最高速度的選擇要考慮到機(jī)床的機(jī)械允許界限和實(shí)際加工要求，高速度固然能提高生產(chǎn)率，但對驅(qū)動(dòng)要求也就更高。此外，從系統(tǒng)控制角度看也有一個(gè)檢測與反饋的問題，尤其是在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，必須考慮軟件處理的時(shí)間是否足夠。

由于fmax=fmax/d

式中：fmax為最高速度的脈沖頻率，kHz；vmax為最高進(jìn)給速度，mm/min；d為脈沖當(dāng)量，mm。

又設(shè)D為調(diào)速范圍，D=vmax/vmin，得

fmax=Dvmin/d=DKd/d=DK

由于頻率的倒數(shù)就是兩個(gè)脈沖的間隔時(shí)間，對應(yīng)于最高頻率fmax的倒數(shù)則為最小的間隔時(shí)間tmin，即tmin=1/DK。顯然，系統(tǒng)必須在tmin內(nèi)通過硬件或軟件完成位置檢測與控制的操作。對最高速度而言，vmax的取值是受到tmin的約束。

一個(gè)較好的伺服系統(tǒng)，調(diào)速范圍D往往可達(dá)到800～1000。當(dāng)今最先進(jìn)的水平是在脈沖當(dāng)量d=1μm的條件下，進(jìn)給速度從0～240m/min范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)。

5、結(jié)論

上述幾方面對數(shù)控機(jī)床位置伺服系統(tǒng)所要求的伺服性能進(jìn)行了分析，并提出了系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的可靠性指標(biāo)，該研究結(jié)果可用于伺服數(shù)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，也可用于現(xiàn)有數(shù)控機(jī)床的改造以提高其工作精度。