CKA6140数控车床主运动系统的设计

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CKA6140数控车床是自行设计的经济型数控车床，主运动是由交流调频电机经皮带轮、齿轮传动至主轴。鉴于车床的特点，图1是本机床主轴要求的功率P、转矩T与转速n_主的特性曲线，这个特性是以主轴的计算转速n_计为分界的。从n_计至最高转速nmax的区域a为恒功率区；从最低转速n_min至n_计的区域b为恒转矩区。
  - z5 M% F# }. d3 ^. B5 T! k9 X b# z( d7 }8 Y6 |& e, X, V) x& A. b7 r5 X$ o

图1 主轴功率转距与转速的特性曲线

图2 YP132M-4交流调频电机功率转矩与转速的特性曲线

% q7 |$ P4 m8 \8 B

在区域a内，任意转速下的主轴都可以输出额定功率，但主轴输出的转矩将随着主轴转速的下降而上升。在区域b内，任意转速下的主轴都可输出最大的转矩，但主轴可能输出的最大功率将随着主轴转速的下降而下降。

本机床采用交流调频电动机，型号为YP132M-4，图2为该电动机的转矩T、功率P和转速n_电的特性曲线。由图2可见，该电动机的额定转速为1500r/min。从额定转速n_额(电)到最高转速n_max(电)的区域a′为恒功率区；从最低转速n_min(电)至额定转速n_额(电)的区域b′为恒转矩区。

从图1、图2可见：调频电动机的恒功率变速范围为5040/1500=3.56，而主轴要求的恒功率变速范围为2400/210=11.43，显然电动机不能满足主轴所要求恒功率段的变速范围。所以在设计时不能依据总变速范围(最高转速和最低转速之比)来设计主运动系统，而应该考虑电动机和主轴性能的匹配。

在我厂的CKA6140数控车床中，已知：主轴的最高转速为n_max=2400r/min；主轴的最低转速为n_min=40r/min；计算转速n_计=210r/min；调频电动机的n_max(电)=5040r/min(168Hz)；调频电动机的n_额(电)=1500r/min。
  : \% ?- T, }! X2 m5 f( d- h6 T$ S1 P' `( S/ x! n8 b- ]/ {: s: ^3 W7 S+ x- @: A

图3 CKA6140数控车床转速分布图

图4 CKA6140数控车床主传动系统图

现主轴恒功率调速范围为 $ r/ e& P6 p4 L- A; V- @% N0 w* u8 Z6 D+ \, `5 I1 t1 p0 F) @# R2 ~% v/ F. T: w7 \) a+ h4 j! D- V& D% l+ C" e0 i$ e d$ y0 W% G* s$ {; M. p& ?, C

K=	nmax	=	2400	=11.43
	——		——
	n计		210

% K3 h& O7 H# l0 T

而电动机恒功率调整范围为 8 a) e% L7 \" K7 C% p8 r, t a9 e8 f% l1 W6 x F: y7 e2 E. f2 J% L2 a9 o) Y& k) {% F' _; C9 i- M2 O9 E( |) F6 A3 j5 Y" t! ]9 q) C0 k9 ^ H# Y' \0 q: e% u9 N0 a0 k }( y9 u0 }* y' ] M- K' d" v, \- s; e- r3 ^# [4 c* K4 ]6 P3 J( S( v- m/ @. F

K电=	nmax(电)	=	5040	=3.36
	———		——
	n额(电)		1500

为了使主轴和电动机的恒功率匹配，现通过增加两组齿轮变速来满足。该两组齿轮即扩大了电动机恒功率调速。具体如下： 1 x) L0 b# z r7 p7 D: O+ a; {$ N+ v1 H; w* }$ A0 k2 N7 M/ A( n& S! y+ I {& ~# C! G+ K c3 r/ b k9 G9 C" O% y5 ]! ~+ B) [8 `$ G' Y8 s( j3 }5 `* T# P% r* F7 v0 O. L P. J6 ^& G" u. H& V# y Z! ]6 R# a' ~/ y9 H: g9 B: ^7 d

K′=	K	=	11.43	=3.4(K′为齿轮扩大组的范围)
	——		——
	K电		3.36

! i7 w0 o( |3 D, Q, C+ }+ C1 E, t* g7 m) C: w5 Q7 E2 o. I3 r5 Y( Q1 F2 M' t6 L1 _4 A8 g8 P9 \+ N9 G5 g R

令K′=	K′1	=3.4
	—
	K′2

+ _; D. R9 o% ^7 x* x4 N

求出两组齿轮传动分别为 6 y: e6 ~$ a5 V+ g7 ]. f2 U: ZK′₁=1.32=50/38
K′₂=1/2.6=21/54

至此，可得在第二传动轴与主轴间，增加两组齿轮就可使主轴和电动机的恒功率区得到匹配。

由图3可见，当主轴从n_计(主)→n_max(主)时(恒功率运行)要分段变速使用。具体如下：

从210r/min→718r/min采用变速齿轮组为K′₂=1/2.6=21/54的一组齿轮啮合。

从718r/min→n_max(主)(2400r/min)采用变速齿轮为K′₁=1.32=50/38的一组齿轮啮合。
 

两组齿轮的传动可参见图4。 8 Y) O2 |5 U( A3 W2 O# q" L

在n_min(主)→n_计(主)时(恒转矩运行)，一般就用21/54这组齿轮啮合。 - f( m: f2 y! K8 Q9 Y6 p" M

通过上述分析可知，用机械结构来实现主轴与电动机的匹配，在实际中是可行的，但带来的缺点是主轴变速箱的结构要复杂一些。