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。
; q, l8 a* z0 D& j% ~: e
图1 主轴功率转距与转速的特性曲线
1 S4 a; t. ~1 R8 V
  X( h0 D! t/ ^4 w$ Y图2 YP132M-4交流调频电机功率转矩与转速的特性曲线
1 B1 D5 {: 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。
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。
: O! t  L$ ~" D- U5 N; X4 O, C  X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。

6 f9 B3 w0 h7 y) K$ K' H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
, e- x& F. r' b6 `现主轴恒功率调速范围为
K=
nmax
6 H! O4 n- z( {3 N9 J. f' Q=
2400
$ C; Z6 T* b; e: i- @! D/ Y=11.43
——
——
: n6 r3 ?) k* k6 |, }* c4 w0 yn计
210
: _  W% C, T9 d3 C! x而电动机恒功率调整范围为
K电=
* H" }4 r7 x* l) ^# R4 \$ Enmax(电)
=
& d- p3 t: N. f1 `* N9 E5040
0 r' [" H0 b- Q# V=3.36
+ v8 R7 b4 s, e$ z' V———
——
) Z, {+ t+ e- `/ ]6 t1 Pn额(电)
/ @6 r7 n) R' H7 [6 q0 U1500
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
" W1 Z- j( W) s! o=
7 M7 e9 r) J8 w! R11.43
0 {: j; W& e: u5 ]4 r5 n9 O8 ?  a=3.4(K′为齿轮扩大组的范围)
——
( x, s/ m! P! M4 Q- ]! e# O+ R——
K电
3.36
0 k2 |3 ]- z1 x5 m0 K' W+ y令K′=
8 ^: C# q4 w0 _0 k$ fK′1
=3.4
7 r6 Y. d. h( f/ [& m* F—
K′2
( Q+ \% S* [' W' G& m求出两组齿轮传动分别为
K′1=1.32=50/38
0 N$ G) T" L  \4 w, EK′2=1/2.6=21/54
) ~% r; c+ b8 p2 M7 ^! h7 g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。
" ^) U0 d+ k- R6 @' n; K$ j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：
1 K9 Q2 a. i. S1 x$ \5 c! m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。
两组齿轮的传动可参见图4。
# u" F* G* q/ P/ U) }0 o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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