1. Особливості розрахунку коробки швидкостей з безступінчатим регулюванням приводу

Перспективним напрямком розвитку конструкцій коробок швидкостей головних приводів металорізальних верстатів є використання електродвигунів з безступінчатим регулюванням частоти обертання. В основному використовують електродвигуни постійного струму з тиристорною системою регулювання частоти обертання. Їх широко використовують у верстатах з ЧПК та у більшості багатоопераційних верстатів з ЧПК завдяки зручному та простому регулюванню та доброму стикуванню з системою ЧПК. Окрім цього, у приводі головного руху використовують й регульовані, за рахунок зміни частоти струму, асинхронні електродвигуни. Ці двигуни мають високу надійність, жорстку характеристику та забезпечують регулювання з постійною потужністю по всьому діапазону, але вони використовуються рідко. Безступінчате регулювання можна здійснювати механічно, за допомогою варіатора. Принцип дії варіатора засновано на плавному переміщенні ролика по фрикційному диску у радіальному напряму. При цьому диск обертається з постійною швидкістю, а ролик перекочується по поверхні диску, входячи у зачеплення з диском за допомогою тертя, та змінює частоту обертання, тому що зі зменшенням діаметра диску зменшується його окружна (дотична) швидкість та швидкість ролика. Так як зчеплення ролика та диску здійснюється по декількох діаметрах одночасно (ролик має деяку ширину), то фактична швидкість визначається тільки одним діаметром варіатора (тому що по іншим діаметрам ролик проковзує і від цього інтенсивно зношується). За допомогою тертя не можна передавати велику потужність. Тому на практиці діапазон регулювання варіатором:

для малої потужності. Із-за проковзування, малої передавальної потужності, складності виготовлення диска та ролика, варіатори дуже рідко використовують в головних приводах верстатів.

В електродвигунах постійного струму з тиристорним регулюванням діапазон регулювання швидкості двигуна з постійною потужністю лежить у межах:

(іноді 2,5—8; 2,5—10). Діапазон регулювання швидкості двигуна з постійним моментом Rм, при цьому змінюється (зменшується) потужність, лежить в дуже широких межах (рисунок 19).

Постійна потужність потрібна по всьому діапазону у зв'язку з тим, що на чистових режимах обробки сили різання знижуються, а швидкість різання збільшується. При цьому значно збільшуються втрати на тертя, що відображається на споживаній потужності та, відповідно, на стабільності та якості обробки. Тому необхідно дотримувати при регулюванні постійну потужність.

Так як діапазон безступінчатого регулювання електродвигунів постійного струму R_д значно менше потрібного діапазону регулювання частот обертання шпинделя R_n, то використовують комбіноване регулювання між пристроєм безступінчатого регулювання (електродвигуном) та шпинделем встановлюють звичайну коробку швидкостей. При цьому повинна виконуватися умова:

, (22)

де R_k - діапазон регулювання ступінчатої коробки швидкостей.

Ступінчату коробку в цьому випадку можна розглядати як переборну групу, яка розширює діапазон регулювання приводу.

У відповідності з геометричним рядом частот, знаменник прогресії обчислюється за формулою:

(23)

де R_к-1 - діапазон регулювання попередньої групи передач по відношенню до k-ї групи;

Х_k - характеристика k-ї групи, яка визначає ряд передаточних відношень.

По аналогії до нашого випадку:

(24)

Так як регулювання безступінчате, то

(25)

Діапазон регулювання розраховується за формулою:

Рисунок 19 – Характер зміни потужності та крутного моменту в залежності від частоти обертання електродвигуна постійного струму.

. (26)

Тоді, враховуючи попередню формулу :

, (27)

або

. (28)

Таким чином, кількість ступенів коробки швидкостей Z_k розраховується за формулою:

(29)

де - діапазон регулювання швидкостей шпинделя;

- загальний діапазон регулювання швидкостей двигуна.

Як правило, верхній ряд частот обертання шпинделя на графіку частот виконується з постійною потужністю, а нижній ряд — виконується з забезпеченням постійності крутного моменту (рисунок 19).

Діапазон регулювання електродвигуна постійного струму складає :

3000 / 1000 / 250 об/хв.,

де об/хв. - максимальна частота обертання двигуна;

об/хв. - номінальна частота обертання двигуна;

об/хв. - мінімальна частота обертання двигуна.

Діапазон регулювання шпинделя обчислюється за формулами:

(30)

де - відповідно мінімальна і максимальна частоти обертання шпинделя, об/хв.

(31)

(32)

Для нашого прикладу (рисунок 21) загальний діапазон регулювання на шпинделі:

Діапазон регулювання на шпинделі з постійною потужністю:

Діапазон регулювання на електродвигуна:

Тоді кількість ступенів коробки:

Приймаємо Z_k =3, округляючи у більшу сторону. У цьому випадку діапазони перекривають один одного і забезпечують безперервність регулювання швидкості обертання шпинделя.

Кінематична схема приведена на рисунку 20. Графік частот обертання показаний на рисунку 21. Діаграма потужності наведена на рисунку 22.

Рисунок 20 – Кінематична схема приводу з використанням електродвигуна постійного струму

Р исунок 21 – Графік частот обертання з регульованим двигуном.

Рисунок 22 - Діаграма потужності