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。
  2 p3 ^0 i8 D5 r* g0 C! I3 d t0 G$ _7 g! w( P2 E0 z& _ @( y' d' e+ R4 u8 P1 [9 p9 p4 ~! v! v0 B# e/ o$ i

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

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。 ; W- p2 D5 V/ S) q

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。
  ! X( h* }& o* ?% y7 e5 ?! }( m/ f! K* w5 [' U

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

8 N$ _0 B p0 W1 N: A

现主轴恒功率调速范围为 9 Q, L4 b4 I& w" x- u, X! a1 o( @. c. O1 g/ d1 t% B; h0 K( E% R- g1 K$ c/ T8 Q3 g6 B- \9 r; J3 J$ ?( m0 n8 h5 D6 f: U; T- L* @$ c5 l( V+ ]) f; ~& |/ w1 G9 o1 @! [8 x) y. ^7 {, M3 V; T0 S) r" Y3 i4 A6 G& i- Y$ |) Y$ R& g) J8 Q. ]( l$ f

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

, X* H5 S8 @0 U5 i3 S6 ?& ~* N: d

而电动机恒功率调整范围为 # ?1 ~% M) i+ u; a; _+ M4 H. o7 M$ q F; _- p5 o9 l2 r& l5 I! n; N% N6 u0 V& }# }+ ^# P- \# M- v

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： - F% f v' b, V5 a, |. X7 e! M2 ^$ ^2 l# y F, K! j- X, x# H* S( N! S/ O6 K. Y; U, t$ C1 [" f( H( x/ P3 S1 p) L- }- m5 |" j/ R. A9 S# C- Z$ y2 T" g+ }3 q1 c/ m( M& k! }, q" c8 n* p3 L7 n; B: A% |- B0 ]9 S- |4 i) V/ p- a; I. l1 m5 s) p) S* _% W2 l/ S$ A9 Q

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

4 w% ^6 |# N: d; G, E2 C) l3 x, t$ |% f0 z7 J0 H0 C5 E! d7 A5 \) x8 R! A# p

令K′=	K′1	=3.4
	—
	K′2

求出两组齿轮传动分别为 K′₁=1.32=50/38
K′₂=1/2.6=21/54 * c/ b" l7 q" l; `' G* d; K' `

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。 ( O. @! W$ m/ }: z1 I. ~

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： 6 ~4 q+ M: b# @5 B% Q: ]1 g: @# L+ Z% ]

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。 ! p5 U4 P0 i( I) O: d% q

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。
  9 r* c6 j1 \8 m n

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。 + b4 q* Z6 V& b6 O; h

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。