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。
  4 P6 H0 a2 |- j8 y+ k: G- B+ O6 q" Y& o0 G' ]$ T% y \/ `/ ~5 ^6 l. l5 Y/ O

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。 + b4 R5 b4 l3 C* Y2 u/ G. Z6 H

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。 6 @0 B2 A' n8 U! l; G" `

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。
  * R# i( ^, A4 u1 v, L. A8 W$ F. S7 B1 H4 s/ u6 M( i# v2 ?$ Y/ o+ T

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 ( ~/ m" T+ M" W; a* R% B" v; a+ {" ?7 o+ Z; ^7 S& S7 ?4 p; v* I" o0 ]" x X8 T% m% U( [ D/ w2 k& w+ J3 \- g7 u' ]1 J( P, ]* H9 R' ^1 @5 S4 Z3 K% z$ S, Q3 H& L7 R: C9 ~( u0 Z3 K* N( G( j9 I' l. {+ W7 y6 O* Z0 r: N* J2 t. L u% p, N

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

而电动机恒功率调整范围为 J7 a$ x; C: _" D; k; o6 Y; S2 s7 [: b$ s, @# ]& R- _7 P6 p6 I; z- l% u' b8 t$ N( m, A# L+ |8 O/ ?! d- |+ i) c' E9 s

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： , T' ^% M( K2 E/ [5 g9 Z- g" f, z8 ^) n! T1 ]. ~9 V0 `) j W, q/ I9 @3 x. {/ @4 e. N! b5 |5 c* b' \3 u1 m/ j3 d2 F9 q# Q* J8 p7 W5 G" e9 c! c( X6 A5 ?7 M( n* f+ A O% Z1 b1 W" b. B* o- O( `1 E1 d. Q% E: h6 D) z2 f5 K: }, q, @8 y

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

% S" k5 D7 ?/ d( ^: P e+ E, W# o2 Q, R# E4 Q' I" }

令K′=	K′1	=3.4
	—
	K′2

% \4 |0 Q4 N' b4 R

求出两组齿轮传动分别为 9 s0 E% v' O2 G& CK′₁=1.32=50/38
K′₂=1/2.6=21/54 9 k5 Y; H3 y `

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。 , n( g6 n# I- @8 z6 Y, 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：

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。
 

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。 L) `8 s! z4 u" o9 x5 \* j

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。

4 V; M6 J: u) Z/ q