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。
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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

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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。

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。
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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

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现主轴恒功率调速范围为 / Y7 Z- U5 x0 J, V; `( q# v d6 _& V# Z0 V. s/ ?. w4 L& M0 I; ^- y& i% V9 D* T4 b# w, `2 L% [% @. ]# {* Q- H! b7 N" v

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

" n5 v' R. X' |* p

而电动机恒功率调整范围为 5 O1 l3 J$ L2 a* I j4 b% M; B; w( y9 W, b: o, @( g3 p6 p F1 I1 g# t* a/ I, ^* ?# |4 x% r7 n( z$ s1 p& D1 Z# Y& ^. ?8 _0 Q$ l8 a8 Y* }4 U3 Z2 b6 c) ]. _

K电=	nmax(电)	=	5040	=3.36
	———		——
	n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： * ]! g' P1 \* F* a9 x/ f( Y: z3 L1 B. d# T% {: w2 u" l; I, y/ g& ], Q: t- e9 e3 K. X: o% g9 L6 E. _8 u2 K- K' k4 w2 {1 Q% b6 G* X; Z2 E3 _" x: C% U, ^0 d; w7 i4 l# p& G0 |5 ^

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

$ |+ M/ w3 R* |1 k9 n; U* j ^' R4 g! Y0 N6 z! y, w9 _2 x: T1 V# N& |# V' z- a' r( E M2 Z8 T9 [- O5 h6 Q5 b

令K′=	K′1	=3.4
	—
	K′2

求出两组齿轮传动分别为 8 k# ~9 F* o' }: y0 ^' X* QK′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。

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： 5 k5 O2 h6 w+ r G1 z0 S% N* Y

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。 $ {3 o3 X, l2 u& }/ i; A% t

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。
  ( {; L! Z: g, J, ]; @/ [1 I1 N6 w

两组齿轮的传动可参见图4。

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。

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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