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。
  : w4 v M. b u" _( h+ o D

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. V. n5 @; Z) V' H; O9 {

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。 7 M. }3 L+ Y1 h4 W2 _

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。 5 V8 Z. y) G0 `8 S# ~* L

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。
  , _5 T) a/ f6 G4 E; J4 G9 A. w- ~; q) p1 M$ }" ]( k. X- R/ h# q1 y2 S: m0 }. ?2 f/ \0 X# f% W9 X2 N4 j& E$ M* P1 @# H% K6 ^- }5 q

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 a$ {" V0 N6 B T& h+ ^. u3 \- q: T9 n) N, x) z

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

* Z9 N" B" \: V9 r* |8 S: D% m# z/ i

而电动机恒功率调整范围为 & z3 a" w+ l, S8 @# Y9 n. j1 x2 S- G) R8 z# a+ }" T' U- r9 T" c8 i- y; ^( b6 k1 W3 t. Q: G* f' F: O- ?8 Y$ H' O0 \9 [7 h1 L! @5 q! K! z3 |' j$ t6 x9 {5 d. f( Q J' A/ J0 S, K h% R" W, D" T' k4 j0 W

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

0 V: e% }2 D& l+ m z( p7 C+ \

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： $ e$ Y0 u( E6 U0 P, U1 H9 K, X f! k! V. I3 C) y" z0 [- p7 L/ C3 ~4 F% B+ u1 y; Z$ g" R( G% _, y0 F# C5 v# K& ]9 `1 M; \! k7 B' I/ P2 M5 k$ o

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

! o7 E7 P1 G( |/ l8 S" ]+ A$ B X! z3 N4 n, o% R0 A* x- w \8 {5 ~! S$ d9 N! K4 E5 }# \& ^/ ~! B9 t

令K′=	K′1	=3.4
	—
	K′2

. N1 O1 S, R! d* S0 x% E

求出两组齿轮传动分别为 1 ?$ j2 s* j5 M4 G+ u9 |/ I, `K′₁=1.32=50/38
K′₂=1/2.6=21/54 o7 h. Z. c+ m6 I

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： ' E4 \: c. ~' Q0 }

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。

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。