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nmin至n计的区域b为恒转矩区。

+ g9 J7 e% ^# A: E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
% A+ d8 K4 J' k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nmax(电)的区域a′为恒功率区；从最低转速nmin(电)至额定转速n额(电)的区域b′为恒转矩区。
! ?" p( F, r2 a) ?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。
8 T! R0 H& g( H! T在我厂的CKA6140数控车床中，已知：主轴的最高转速为nmax=2400r/min；主轴的最低转速为nmin=40r/min；计算转速n计=210r/min；调频电动机的nmax(电)=5040r/min(168Hz)；调频电动机的n额(电)=1500r/min。

图3 CKA6140数控车床转速分布图
% N' K! _" {5 }5 ?& F6 P
图4 CKA6140数控车床主传动系统图
现主轴恒功率调速范围为
K=
- B( m2 x) y& w4 ^' dnmax
) @- {9 H1 H" t5 a=
2400
7 A' F' c$ C4 ~: S=11.43
——
——
n计
210
而电动机恒功率调整范围为
3 q! ]8 I) ]- c/ qK电=
! j) f' I" B) w: _8 q: C2 |nmax(电)
6 q6 E( R& u) l- o4 X% u=
4 }  ]4 I+ h& J7 v8 x5040
=3.36
———
——
n额(电)
1500
# K/ m3 }" J. d2 h7 a( c! e; R( Z) ~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：
9 ]* [: S! U6 y* L1 sK′=
K
2 W3 L5 h1 U- g9 {) `=
11.43
$ b7 m# S4 k8 g. K* i+ U=3.4(K′为齿轮扩大组的范围)
——
——
6 k$ m% F$ }# g) a( x) Q* _. O4 IK电
/ ~$ F6 h; V" T3.36
令K′=
& u0 D1 o- f9 ^& R2 ]K′1
. r. Q# ]& T" v+ _$ b=3.4
6 X" N! M; y: I/ u6 V. Q6 l—
K′2
* k; C  y- x: y( \求出两组齿轮传动分别为
0 m& I: p7 O& S. c8 V9 F, O; NK′1=1.32=50/38
0 V$ D, {* g' h. fK′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)→nmax(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。
; j, m  Z" m& ^7 i, W+ k6 \! ^从718r/min→nmax(主)(2400r/min)采用变速齿轮为K′1=1.32=50/38的一组齿轮啮合。
: I4 |4 X$ Q+ X. L3 l7 g两组齿轮的传动可参见图4。
在nmin(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。
4 X6 d: ^2 J. _/ C  J文章关键词：