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。
  . L) z: y# E8 C9 n7 A/ x% M9 S% y/ _7 q! g3 a% U8 d6 m1 Z

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。 / i# U+ I# W, ]" r9 e( g: G: ~

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。 7 s- g2 ]- A$ i3 @& k/ L0 k

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。 & _) F# r" ~6 U4 ~

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。
  2 u: A! o+ W2 K3 }5 a; W, c' P$ U+ r u$ V

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 ' I+ t5 l- w- f" ~* d! u2 s' }, J& s. u! d# q M( ^" ?: c- Z1 ?$ o0 y# D) \$ V. |/ Z8 d& C3 R9 I/ d

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

9 K% w$ l. w( Y' Q

而电动机恒功率调整范围为 5 h, H& Q; Y o" q3 v; T7 r, d8 z$ f4 p) y& ^, i' ] `7 }' E R: h( q/ n0 u2 z Q( D% k4 E3 v3 U: w0 E! d' G, l# L" |/ Y8 R( j: T# g% A+ o) L' \; _9 x2 S3 p4 b. }: ]/ G# u+ V) w! [8 w- v/ ~) a) W% U, m; {( P& f( ^: S) G: I9 y5 Y ~' N

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

+ O& }4 ^8 G, a. l: ^+ P

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： m8 H. T4 T9 k) i" I% R Q% Z+ F. ?7 b" U7 ?) C' O6 I8 x0 x; ^5 V9 c. L! _# D! _0 q9 P+ [8 s( ^ S$ b' c2 n" {: {, C6 ]$ l& D8 T* G% N) ]9 B+ a$ z* J" `7 S! R$ ~- s9 L! l7 P, W; k. b, w5 t* f8 g3 X, R* t5 J) y- B- }* g

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

& j' e5 C$ Q& ]9 j& o7 V0 s8 X( S9 J) j. E! @3 i. Y# K. B- O4 ^5 N) [8 Q8 x* G t4 H6 G6 v# ~+ [) \) g* t7 V9 y# F3 Z9 y8 w, q- j$ {2 i$ E1 Y1 J% b# p' ]5 t, x* P: l7 y" W5 L" c

令K′=	K′1	=3.4
	—
	K′2

5 _% j" o# n2 M3 |2 o

求出两组齿轮传动分别为 4 _ _) c8 C( c- D& |K′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。 ; Q+ P M1 N8 ~! b# V

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： ; s! d6 B: I k8 O' I8 Y5 E; c+ h

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。 ( C1 R2 S* `2 i! M/ {# A

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。 $ b" j& q9 t# R0 ~; |7 a

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。

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