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。
3 X# _* X+ D( F0 B. C- g4 ?+ P
8 {2 C. i2 ]" h. z9 I3 x! c, p图1 主轴功率转距与转速的特性曲线
$ N- k2 `- ^! K. r2 d
* m( Z. G/ H' G# I, q5 t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。
' _. N3 \% P8 f* s) r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。
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。
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图3 CKA6140数控车床转速分布图

! O! s3 Q* q1 W% s4 J图4 CKA6140数控车床主传动系统图
4 y, R. z2 j  ?& g/ C+ m* b2 Y现主轴恒功率调速范围为
5 Y- x2 s6 B" k% V2 JK=
$ ~% Q& J1 y- A$ ^1 inmax
9 _2 v  b9 m1 F" L6 b=
2400
; q1 N: n  G! y! v; I- D: _=11.43
' V  v# E. K; ^, s6 Y% i——
0 K- [- J* h% E. W+ t& v& d——
' V; K" r: Q* m) _( Un计
210
而电动机恒功率调整范围为
K电=
$ q0 B5 _' J! l" ^) T  O1 m% tnmax(电)
; R+ a  |2 M2 s2 X& |$ D=
5040
=3.36
———
8 D3 t7 @1 `# N4 P——
  Z# b' A$ U7 o8 c  U6 Z3 v! o  kn额(电)
1500
6 x/ N) ]+ }) P0 r0 U! S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：
K′=
K
=
" E, L, I' O2 d5 ~11.43
=3.4(K′为齿轮扩大组的范围)
# }4 R8 v% ]! K——
0 X7 X0 }2 L2 W# |5 L- J; U; U, r——
K电
& r8 q' I% r% b+ ~! w# E  Y2 E& A3.36
令K′=
K′1
* O# t9 N( J5 |1 f9 @/ {% Z=3.4
—
, c4 |/ s5 F" }  I& g7 |K′2
. ?  \* Y/ {0 ]) ~+ @( ^9 h* f# O求出两组齿轮传动分别为
+ w; Q7 E' `( b( f" jK′1=1.32=50/38
9 b' C' D3 l0 M& ^9 LK′2=1/2.6=21/54
% L1 h; u' N; [5 D3 K! M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。
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。
; K+ r' s- q( D' C* 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。
6 E8 V$ R9 N" x6 H" u2 G; @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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