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。
  3 U3 n% M% h3 k. l; {; J( R1 D# ]) F/ X. ]0 P8 c; T

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

9 t0 w: F* ?6 C0 v

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。
  7 _2 O; v) i, ]2 _5 d7 V4 i# E R7 Z' I: n& U. Q; z$ G7 m" V# I$ y' o* b( L1 ^; ]) y4 N# o8 z2 N' K6 g) W& S

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 7 w z# Q4 \/ u# d+ m' B$ _8 m5 J! f+ l; f6 o" q8 a: f$ J; t3 r4 W1 W X( [1 a2 F3 s. R7 G9 |' l6 s0 ]- n7 r; P! [% L/ ]/ ]0 L! J* A( {8 r* A4 J' i( r8 t! K* s" B+ T! c! _% `5 ~2 h) h! \* N& c" y7 q* @% `! k! s+ S9 l7 t3 P/ x3 e! P/ }$ n* J

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

而电动机恒功率调整范围为 - B6 O. j$ z2 I% h; p" b! C* U* F' \. B' ~+ k7 O8 q' [6 d( ?9 o- ^/ R2 P+ {+ _2 i n) ], ?( P1 m/ f, y# @2 {: k. Z! v T( g# c' z( d9 ^. Q% [) I+ s9 t

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： 1 g6 J6 ^& R8 e6 d* V, C% |! N9 Q% [( D: t3 y& _# F' ?6 G9 \8 J4 V3 @' @/ y! k4 z, V: s: _) d6 r$ t1 H0 X3 V; R7 z" ^

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

" u6 @; S! h$ ]2 b5 Y$ [; B" n, h; K1 l7 y% k; N* _3 ?0 i2 ]$ g4 d7 L" `" [7 n6 u4 ^3 n6 E" d1 T* s2 F9 b, F- ^4 _3 x" w7 h4 c$ a/ n7 G- Y# v0 F3 k3 R

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 ! d9 f! F# a1 K3 H5 |3 i" A

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： ; J6 p0 l5 J# Y* ?" M7 b

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。 9 P, C5 e* g# l" j& K" t6 l5 x( s

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。 ( }7 C/ N1 J) O/ t! N2 j" 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。

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。