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。
  , `( R8 R, T) `; l, R$ S* E4 u `$ O) ] q4 O. f2 \! I9 l7 v6 a8 m9 L4 t3 W, b$ k% A. {6 s. F

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。

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。
  + ^6 R z" z5 c1 x$ _9 P) K: w& C1 x( |$ e. A6 C. v& p6 Q7 k; ]3 U8 N1 q, m. F; J

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

现主轴恒功率调速范围为 4 }# q8 H9 `/ o2 P o9 x$ K6 S+ d! I6 S& E: t6 U7 f/ g) W! K, l, ]# z5 X X7 |6 ^0 R" j( D* G! j# o1 C0 F. c) O/ T* I# {2 r# S8 s" o" T+ Z7 }4 b: I ~# p- H4 c% `' e4 y8 c; V/ B2 B/ v

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

& C: n- ~. a- {7 ?% g3 @

而电动机恒功率调整范围为 * `- S- _ z4 p& W$ u3 H: m2 P( Z- c" O: I6 v6 Z' _" A/ l8 {# C, l3 K, V5 m. r$ P% v M( Y3 y$ M/ c O) n( d r+ f

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： 6 z2 H6 p2 v- A: S. w$ h7 \; t1 e* t5 \$ A1 C/ K1 k* Z5 ~; a4 v/ R Q6 T" h9 m( b' j1 O5 M! I1 D8 Y( e# R7 m8 t, T* o$ M9 P0 o. [7 Y4 U% Y! c/ o/ q6 ~: d" u& r* y6 _

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

+ f% ]. w1 |( D" n/ u% o- O" k7 o; e# k, z( v1 q+ J( f* J0 Q! U( ?5 m! j# S8 d3 Q" @

令K′=	K′1	=3.4
	—
	K′2

. S6 c3 ^" P: C3 D) d

求出两组齿轮传动分别为 K′₁=1.32=50/38
K′₂=1/2.6=21/54 + D3 ^! v$ p% j

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： , _4 S* _5 K% D- h8 u# N

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→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。
  " K) z9 ~; d# L

两组齿轮的传动可参见图4。 1 W( Y0 K+ @/ A. b2 Z

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。 9 N, K3 x, z# W7 b+ S+ I

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。