在图4-4（b）中，abdf应为一条直线。为了清楚起见，把它画成三段，并略错开。可以看出，主轴恒功率变速范围af是由3段组成的，每段的变速范围为电动机的恒功率调速范围RdP=3。所以，变速箱的公比Φ= RdP 。电动机的功率根据主轴的需要选择。主轴计算转速为f点的转速（111r/min）。表4.3为主轴转速与有级级数和电动机调压调磁转速的关系.
表4.3 主轴转速与有级级数和电动机调压调磁转速的关系 n/r?min-1 有级级数 Ⅰ[（2/3）?（20/60）?（20/60）] Ⅱ[（2/3）?（20/60）?（20/60）] Ⅲ[（2/3）?（40/40）?（20/60）] Ⅳ[（2/3）?（40/40）?（40/40）] nY/r?min 405--1500 1500--4500 1500--4500 1500--4500 -130≦n<111 111≦n<333 333≦n<1000 1000≦n≦3000 图4-4（c）为转矩特性。从a至f，转矩随转速下降而上升。至f点为主轴输出的最大转矩Mmax。f-g为转矩区。a至f也是由三段拼成的。 3、分段有级变速传动方案确定 (1) 、传动方案的设计计算 由前面计算得：
z=3，?=3 带传动的传动比i0=2/3
取 i1=1 i2=1/3 I3=1 i4=1/3 故取：z1=40 z1=40
'z2=20 z2=60 z3=40 z3=40
''z4=20 z4=60
(2) 、齿轮的设计计算
大小齿轮都采用45号钢调质，选小齿轮硬度为260HB—290HB，大齿轮硬度为220HB—250HB，精度选用六级，模数m=2.5mm , 齿宽b=30mm, 螺旋角α=20
0'所以： d1=mz1=2.5340=100（mm） (4-16) d1=2.5340=100（mm） d2=2.5320=50（mm） d2=2.5360=150（mm） d3=2.5340=100（mm） d3=2.5340=100（mm） d4=2.5320=50（mm） d4=2.5360=150（mm）
还应该校核齿轮表面接触疲劳强度，弯曲疲劳强度。经校核均合格，其校核过程略。 (四) 、电磁离合器的设计计算
有级变速的自动变换方法一般有液压或电磁离合器两种。
液压变速机构是通过液压缸、活塞杆带动拔叉推动滑移齿轮移动来实现变速，双联滑移齿轮用一个液压缸，而三联滑移齿轮必须使用两个液压缸实现三位移位。
电磁离合器是应用电磁效用接通或切断运动的元件，由于它便于实现自动操作，并有现成的系列产品可供选用，因而它已成为自动装置中常用的操作元件。电磁离合器用于数控机床的主转动时，能简化变速机构，操作方便，通过若干个安装在各转动轴上的离合器的吸合和分离的不同组合来改变齿轮的传动路线，实现主轴的变速。
经分析本设计选用电磁离合器来控制数控车床的有级自动变速。
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图4-5 电磁离合器变速的主传动系统图
图4-5是采用电磁离合器变速的传动系统图，该传动系统由四对相互啮合的齿轮构成二级齿轮变速。每对相啮合的齿轮中有一个空套在传动轴上，并与电磁离合器的联接件联接，离合器与传动轴采用花键联接，空套齿轮与传动轴之间只有在电磁离合器吸合时才能传动。因此，通过各离合器的吸合和分离的不同组合可以改变运动的传动路线，实现主轴的变速。对4-5所示系统，四个离合器有4种可实现传动的组合，由于有两组齿轮的齿数一样，因而有4条不同的传动路线，可获得3档机械变速（表4.4）
表4.4 电磁离合器动作与传动比 电动机转速(r?min-1) 1500——4500 1500——4500 1500——4500 405——1500 主轴转速(r?min-1) 传动比 电磁离合器 M1 M2 M3 M4 1000≦n≦3000 i=（2：3）*（Z′1/Z1）*（Z′3/Z3）=2：3 333≦n<1000 111≦n<333 30≦n<111 + - + - + - - + - + + - - + - + - + - + i=（2：3）*（Z′1/Z1）*（Z′4/Z4）=1:3 i==（2：3）*（Z′2/Z2）*（Z′3/Z3）=1:3 i==（2：3）*（Z′2/Z2）*（Z′4/Z4）=1:9 i==（2：3）*（Z′2/Z2）*（Z′4/Z4）=1:9 当从CNC装置中输出一主轴转速n主 时，此主轴转速n主经过一比较器进行比较：
当30 r?min≦n主<111 r?min 时电磁离合器M2和M4吸合，M1和M3分离，此时整个系统的转动比是2：27，交流电动机的进行恒转矩传动。其转速为n电=n主/I=405 r?min—1500 r?min 。
当111 r?min≦n主<333 r?min 时电磁离合器M2和M4吸合，M1和M3分离，此时整个系统的转动比是2：27，交流电动机的进行恒功率传动。其转速为n电=n主/I=1500 r?min—4500 r?min 。
当333 r?min≦n主<1000 r?min 时电磁离合器M1和M4吸合，M2和M3分离，此时整个系统的转动比是2：9，交流电动机的进行恒功率传动。其转速为n电=n主/I=1500 r?min—4500 r?min 。
当1000 r?min≦n主<3000 r?min 时电磁离合器M1和M3吸合，M2和M4分离，此时整个系统的转动比是2：3，交流电动机的进行恒功率传动。其转速为n电=n主/I=1500 r?min—4500 r?min 。 改造后的机床为实现其螺纹加工还须配置主轴脉冲发生器作为车床主轴位置信号的反馈元件。它与车床主轴同步运行，采集主轴运动时的数据信息，发出主轴转角位置变化信号，输入到数控系统内，再由数控系统通过软件控制，以保证主轴每转一转时，螺纹车刀也同步在纵向进给一个螺纹，并保证螺纹加工中分几次切削时不发生乱扣，即每次螺纹切削进刀位置一致。主轴脉冲发生器一般采用增量式光电编码器，其安装通常有两种方式：同轴安装、异轴安装。
同轴安装方式是直接与车床主轴的后端相联结，这种方式结构简单，但缺点是安装后不能加工穿出车床主轴孔的零件；异轴安装方式是通过桥齿轮或同步齿形带传动，使主轴与光电编码器同步转动，其结构复杂，但避免了前述同轴安装的缺点。本设计中是采用异轴安装方式。
主轴脉冲发生器输光学元件，安装时应小心轻放，不能有较大的 冲击和振动，以防损坏玻璃光栅盘，造成报废。令应注意主轴脉冲发生器的最高运行转速，车床主轴的转速必须小于此转速，以免损坏脉冲发生器。
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三、机床调速电机控制电路图的设计
在本课程设计中主轴电动机的调速是有变频器来实现的。 （一）、变频器的简单原理
在交流异步电动机的诸多调速方法中，变频调速的性能最好。调速范围大，静态稳定性好，运行效率高。采用通用变频器对笼型异步电动机调速控制，由于使用方便、可靠性高并且经济效率显著，所以逐步得到推广。 1、 变频器的基本构成
变频器分为交-交和交-直-交两种形式。交-交变频器可将工频交流直接换成频率，电压均可控制的交流，又称直接式变频器。而交-直-交变频器则是先把工频交流通过整流器变成直流，然后再把直流变换成频率、电压均可控制的交流，又称间接式变频器。在本课程设计中将采用交-直-交变频器来控制主轴电动机。
变频器的基本构成如图4-6所示，有主回路（包括整流器、中间直流环节、逆变器）和控制回路组成，分析如下:
图4-6 变频器的基本结构
（1）、整流器 电网侧的交流器I是整流器，它的作用是把三相（也可以是单相）交流整流成直流。 （2）、逆变器 负载侧的交流器II为逆变器。最常见的结构形式是利用六个半导体主开关器件组成的三相桥式逆变电路。有规律的控制逆变器中的主开关的通与断，可以得到任意频率的三相交流输出。