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。
* O2 q  a* q! b1 }
图1 主轴功率转距与转速的特性曲线

! C5 {- v1 n& w1 C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。
& ?) Z/ g6 @7 C8 X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。
* w5 n, o/ F! W. @
图3 CKA6140数控车床转速分布图
$ C0 ~# c, K! w- G6 ?( T- B
$ l  K$ h+ J2 x; g  K, Z4 E$ ~图4 CKA6140数控车床主传动系统图
* k  V& B+ U. z, ^2 l7 p' l现主轴恒功率调速范围为
5 C" Q5 k  ~4 Y$ b8 FK=
nmax
=
2400
, H3 z* T; h) W8 o=11.43
6 x4 {5 r4 r0 D——
8 ]9 z, V$ T  c——
& ~3 g7 f. M& ~$ k$ s2 Vn计
210
: t6 h; B4 U, o而电动机恒功率调整范围为
- H3 c; e0 D  \9 RK电=
nmax(电)
/ C9 `: z! t, o- ]. y: d7 L=
6 h2 i: |6 b5 k! x/ P/ v. }& T5040
=3.36
———
# y) Q5 ~/ r1 T% K; K. y1 W9 ^2 D) R& C——
* D4 E7 ?) h+ }. ln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：
' _* l+ p6 W5 LK′=
  \+ C1 f2 k4 b. O. k  RK
6 ^8 h2 l: m+ Z( F3 s5 s0 E% }* `) q=
" K, Z$ Z3 O3 P3 u9 z# A; ~3 b# t11.43
=3.4(K′为齿轮扩大组的范围)
, l' ~1 F5 }4 A4 ]) {——
3 {4 @# D; q+ B8 o——
$ a/ T4 {  n4 ?- KK电
3.36
9 E7 ]) O6 }$ l2 o3 h令K′=
K′1
: u8 Q* C7 ~7 O6 ~! p: d7 n=3.4
- r& d0 v& l& V- l—
# C/ Q) d! _8 m( v4 r# l9 d2 VK′2
求出两组齿轮传动分别为
1 \5 Z" K4 E' Q$ }0 }K′1=1.32=50/38
  `8 w9 R! h6 g7 w: A! m8 F- DK′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。
9 `+ D& N9 }* I) E. V& p) p7 y! Z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：
9 G$ y! D3 n0 G) q! C  [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。
+ m! L2 t  i  c5 f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。
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