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。
  % t2 N. v. v8 T5 R. u: k# u/ b/ g; |" R/ I' F+ O2 B: _$ w/ q* F: d( p7 t) H6 r% U

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

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。 2 h/ f2 m4 f( S' N2 M7 v1 i

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。
  % p6 [9 X" J: _; w# \$ W3 T) O( q( ^: q3 p8 Y+ @6 M( q: y8 e9 s% ]& |2 c) A' Z& K8 r. w2 N" L. P ]$ |' M4 ?3 O& ^5 B3 u

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

2 o4 p1 \+ c; y1 L

现主轴恒功率调速范围为 % k- t" X) k; I. I5 |! i W1 p1 @/ _" P6 G* X4 X) @. z; E K6 @- C8 R4 K: p, ]* ?6 [, P: c. j" U8 ?# A' s& L0 j% {( p( [( e2 `9 v9 D" ]( k( R2 r# p9 J Q; n$ ^7 B5 j3 r/ G7 c

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

而电动机恒功率调整范围为 % C; d0 F' W1 g, i4 h" r1 K J5 N6 B0 C. ^# X/ t% Z% b0 t# G- P8 T3 M& N9 A6 U6 U6 I1 o6 r; I; j$ @& f" k3 p* A! d; _* V/ _0 K# S" J) y+ O `, O, c: u A$ s& Q, Z6 @5 q3 p# s1 I$ S9 f% d8 }2 g

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： / Z1 M% u% d& ?8 n1 y4 v! l' R: I6 q# P1 X, }& ]0 T1 a* v" R# j( v/ N1 W M0 _1 w% L# P, H# a6 H6 x" y) B& ~. V0 ?6 G: c* H' @% J9 v" e7 z% D K! Z2 i7 Z% t. D

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

4 ~0 @$ Z% r: P) q5 {# q3 J4 l4 {; Q' B& t' u2 z7 i0 ^ X' k8 ]9 X) t9 b" r# O5 |- B5 f4 \2 X% p4 |, u4 l" n( q9 E# x8 l* q3 d5 i& U

令K′=	K′1	=3.4
	—
	K′2

求出两组齿轮传动分别为 K′₁=1.32=50/38
K′₂=1/2.6=21/54 . G L% m, c6 M. C5 N2 X/ ?

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： : n( M' J( e) J8 ^9 Q P: [

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。 2 v6 ^( F# ~. h' R! ^6 Y# h5 k( Q( s

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。
  * G1 g4 Y4 a9 D9 |

两组齿轮的传动可参见图4。 * K9 [1 V% G, ]/ |7 V

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。

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。