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

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。 , {% s$ F% N1 w1 m$ c

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

现主轴恒功率调速范围为 ) @0 U% } ~: ?5 W/ w5 v) p8 A5 l0 j! O( P+ D& i" e( w& L( ?) z) E7 f [( K! B3 N6 h" T8 c# t; K4 r+ S& z5 J. r; _2 F* h, ~

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

而电动机恒功率调整范围为 / C& s! A. r/ e* c2 D5 X) |% C! O" g' P5 z/ |* Y/ ^. }# H9 }: T. z9 k$ R* t) _7 @% @7 [8 X, K+ n. h5 Q% i' Q4 g2 E; y7 z" U$ K" q! C5 t/ a# L- p

K电=	nmax(电)	=	5040	=3.36
	———		——
	n额(电)		1500

9 `9 j# a- z# D+ C3 [0 T q

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： % w; D+ n0 M1 Z3 a8 B {1 i7 e4 v4 ~' V+ }! T8 t9 i1 O: L, ?- {* B3 X& i' G2 L; P' z" R, e/ w% D! F8 ?, a5 a- i/ u2 O, ]9 R. [& _2 _- w1 q' N. [

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

1 s" K2 `* N% y9 c |- `& I# J! C7 R$ M6 d9 X0 V$ y5 X2 C: F7 U/ m5 c! J7 T* r" c& A; b# m2 B0 v7 c& ?

令K′=	K′1	=3.4
	—
	K′2

* I9 s, f2 F7 [# H) v4 c# f" t

求出两组齿轮传动分别为 K′₁=1.32=50/38
K′₂=1/2.6=21/54 + b' h& I" M8 {/ [1 _2 P) P

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：

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。 " K/ Y. I8 L% @5 ?

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。
  7 L& U# ^3 s c: D# D

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。