的正、反转和制动停止由数控指令直接控制电动机实现。其主轴变频调速系统原理图如图4-1所示；
如图4-2所示是机床主轴要求的功率特性和转矩特性。这两条特性曲线是以计算转速nj为分界，从nj至最高转速nmax的区域Ⅰ为恒功率区，在该区域内，任意转速下主轴都可输出额定的功率，在该区域内，最大转矩则随主轴转速下降而上升。从最低转速nmin 至nj的区域Ⅱ为恒转矩区。在该区域内，最大转矩不再随转速下降而上升，任何转速下可能提供的转矩都不能超过计算转速下的转矩，这个转矩就是机床主轴的最大转矩Mmax。在区域内，主轴可能输出的最大功率Pmax，则随主轴转速的下降而下降。通常，恒功率区约占整个主轴变速范围的2/3—3/4；恒转矩区约占1/4—1/3。
如图4-3所示是变速电动机的功率特性。从额定转速nd到最高转速nmaxde 区域Ⅰ为恒功率区；从最低转速nmin 至nd的区域Ⅱ为恒转矩区。直流电动机的额定转速常为1000 r/min—1500 r/min。从nd至nmax用调节磁通的方法得到，称为调磁调速；从nmin至nd用调节电驱电压的办法得到，称为调压调速。交流调频电动机用调节电源频率来达到调速的目的。额定转速常为1500 r/min。这两种电动机的恒功率转速范围为2—4；恒转矩变速范围则可达100以上。
图4-2 主轴的功率转矩特性 图4-3 变速电动机的功率特性
所谓分段无级变速就是在交流或直流电机无级调速的基础上配以齿轮变速。它能够实现中、高速段的恒功率传动，低速段的恒转矩传动。在该系统中，主轴的正、反转和制动停止，通过数控指令直接控制电机来实现。主轴的变速则有电动机的无级变速与齿轮的有机变速相配合来实现。
二、主传动部分改造设计计算
主传动部分改造设计计算包括电动机的设计于选择, 主传动系统分段无级变速传动方案的确定与分析, 数控机床分级变速箱的设计,电磁离合器的设计计算,机床调速电机控制电路图的设计. （一）、电动机的选择
根据原机床参数及要求初选改造后车床主轴变速范围Rn=100，nmax=3000r/min，nmin=30r/min；主传动机械总效率系数η=0.9，最大切削功率为10kw，最小切削功率为3kw。则电机初选功率应为PD>10vkw,根据电机规格，可选用11kw或者15kw的电机。 表格 4。2电机选择两种方案对比
型 号 YP160M2-4 YP160L-4 交 流 主 轴 电 机 PD（kw） 11 15 RDP 3 3 NDsmin 450 335 RDT 3.3 4.5 nj 83 112 主 轴 与 变 速 机 构 RnP 30 22.3 RnT 3.3 4.5 RF 10 i∑ 1/18 7.44 1/13.4 2、电机最小输出功率
1）、计算主轴在最底转速达到最小功率是电机应输出的功率
Pdsmin=
Pnmin?=3/0.9=3.3kw (4-2)
2）、算电机实用的最底转速nDsmin（r/min）
由式nDsmin=
Pdsmin?nd (4-3)
PD 计算结果 : 11kw的电机为：nDsmin=450r/min （nd=1500r/min）
15kw的电机为：nDsmin=333r/min （nd=1500r/min）
式中：nd---电机的基本转速r/min；
PD---电机额定功率kw。
由此，设计者选用功率为11kw、型号为YP160M2-4的交流调频电机。 （二）、主传动系统分段无级变速传动方案的确定与分析 1、电机额定转速的计算电机的选择 1）、电机额定转矩TDd（N/m）为 TDd=
9550PD11?9550?=70N2M (4-4) nd15002）、电机最小转矩Tdmin（N2M）
Tdmin=
9550Pd =23.2N2M (4-5)
ndMax其中电机最大转速ndmax=4500r/min 3）、电机实用恒转矩区变速范围
RDT=
ndn =3.3 dmin4）、主轴恒转矩区变速范围
RnT=RDT=3.3 (4-7) 5）、电机恒功率区变速范围
RndP=
maxn =3 (4-8)d2、主轴参数计算 1）、主轴计算转速nj nnj=nmaxmin?(n)0.3 min=30?(30000.30)3 =120r/min
2）、主轴恒功率变速范围RnP RnP=
nmaxn =3000=25r/min (4-10) j1203）、分级变速机构的变速范围RF RF=
RnpR =
25DP3=8.3 (4-11) 其中：RnP-----主轴恒功率区变速范围
RDP
-----电机恒功率区变速范围
4）、主传动系统总降速比i∑
i∑=
njn =
120d1500=1/12.5 (4-12) (4-6) (4-9) (三)、数控机床分级变速箱的设计 1、数控机床主轴转速自动变换过程
在数控机床上,特别是在自动换刀的数控机床上应根据刀具与工艺要求进行主轴转速的自动变速。在零件加工工程序中用S两位代码指定主轴转速的序号，或用四位代码指定主轴转速的没分钟转数，并且用M两位代码指定主轴的正、反向启动和停止。
采用直流或交流调速电动机的主运动无级变速系统中，主轴的正、反启动和停止制动是直接控制电动机来实现的，主轴转速的变换则由电动机转速的变换与齿轮有级变速机构的变换相配合来实现的。机床主运动变速系统中主轴的转速n是如何由电动机的转速、齿轮有级变速级数相配合来实现的，为了获得主轴的某一转速必须接通相应的有级变速级数和电动机的调压转速nY或调磁转速nC。理论上说电动机的转速可以无级调速，但是，主轴转速S代码最多只有99种，即使是使用S四位代码直接指定主轴转速，也只能按一转递增，而且分级越多指令信号的个数越多，更难于实现。因此，实际上还是将主轴转速按等比数列分成若干级，根据主轴转速的S代码发出相应的有级级数与电机的调速信号来实现主轴的住动变速。电机的调压或调磁变速，由电动机的驱动电路根据转速指令电压信号来变换。齿轮有级变速则才用夜压或电磁离合器实现。 2、分级变速箱的设计
数控机床的分级变速箱由于位于调速电机与主轴之间,因此,设计时除遵循一般有级变速箱设计原则外,必须处理好公比的选择.在设计数控机床分级变速箱时,公比的选取有以下三种情况: a、取变速箱的公比Φ等于电机的恒功率调速范围RdP ,即Φ= RdP 。
b、如果为了简化变速箱的结构，希望变速级数少一些，则不得不取较大的公比。 c、数控车床在切削阶梯轴、成行螺旋面或端面时，有时需要进行恒线速切削。 经综合分析比较选有第a种情况的公比。
(1)、取变速箱的公比Φ等于电机的恒功率调速范围RdP ,即Φ= RdP .则机床主轴的恒功率变速范围为
RnP=ΦRdP=Φ
变速箱的变速级数
Z-1
Z
(4-13)
Z=
lgRnplg? =
lg25 =2.93 (4-14) lg3其中: RnP-----主轴恒功率区变速范围 RnP=25 Φ-----变速箱的公比 Φ= RdP=3
Z必须是整数，可取变速箱的变速级数Z=3。其转速图如图4-4（a）所示。电动机经定比传动2：3，使变速箱的轴Ⅰ得到3000r/min—1000r/min（恒功率）和1000 r/min--270 r/min（恒转矩）的转速。如果经Ⅰ-Ⅱ-Ⅲ轴之间的两对1：1的齿轮传动，主轴能得到3000 r/min --1000 r/min恒功率转速范围。当主轴转速n降到1000 r/min时，电动机转速降到1500 r/min（额定转速）。如果电动机转速继续下降，则将进入恒转矩区，最大输出功率也将随之下降。表现在图4-4（b）的功率特性图上，主轴转速为3000 r/min--1000 r/min时，为ab段，是恒功率。当电动机转速低于额定转速时，最大输出功率将沿bc段虚线下降。
图4-4 传动系统及功率特性图
当主轴转速降到1000 r/min时，变速箱变速，经（1/1）*（1/3）传动主轴。这时电动机转速自动地回到最高转速。当电动机又从4500 r/min降到1500 r/min时，主轴从1000 r/min降到333 r/min，还是为恒功率。在功率特性图上为bd段。
当主轴转速降到333 r/min时，变速箱变速，经（1/3）*（1/3）=1/9转动主轴。电动机又回到最高转速。主轴从333 r/min降到111 r/min，在特性图上为df段。
主轴111 r/min的转速已低于原要求的计算转速，以下进入恒转矩段。靠电动机继续降速得到，当电动机转速降到405 r/min时，主轴转速降到405*（2/3）*（1/9）=30 r/min，即为主轴的最低转速，这时电动机的最大输出功率为：
P2=
450Pd=0.27 Pd (4-15) 1500即为额定功率Pd的27% 。