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nmin至n计的区域b为恒转矩区。
% G  D) a/ P$ y
图1 主轴功率转距与转速的特性曲线
$ j& N1 {) N4 d' N2 c) A9 q
图2 YP132M-4交流调频电机功率转矩与转速的特性曲线
3 d" u* ~) e+ [+ w2 F( N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nmax(电)的区域a′为恒功率区；从最低转速nmin(电)至额定转速n额(电)的区域b′为恒转矩区。
6 E9 X/ I1 i! M! O  D/ h- y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。
' ]; \  y/ E; c6 T6 E+ @5 m# O在我厂的CKA6140数控车床中，已知：主轴的最高转速为nmax=2400r/min；主轴的最低转速为nmin=40r/min；计算转速n计=210r/min；调频电动机的nmax(电)=5040r/min(168Hz)；调频电动机的n额(电)=1500r/min。
' o! J0 Q6 R5 {4 h
图3 CKA6140数控车床转速分布图
, e6 E' L8 o8 Q2 H) c* {
图4 CKA6140数控车床主传动系统图
$ ]6 K9 O1 S7 Q3 V+ X! a, t现主轴恒功率调速范围为
K=
nmax
=
2400
, {# J5 ^5 o3 W# Y: f( A& O  N( Z=11.43
——
$ o1 N5 o' G9 y/ p——
n计
210
而电动机恒功率调整范围为
K电=
nmax(电)
=
0 f, l3 \) R: m6 j5040
( H: U- I# o% W1 j. J2 H+ Z=3.36
6 J, G4 h1 I- `  Y———
——
+ X; \' E9 r, N" C1 q" i4 i* m' j: kn额(电)
0 T; ]1 r2 M  F  q( y5 c6 z; [1500
. B! Z& X1 |5 m2 ?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：
K′=
- L, M, D  H7 I: u" o2 M) u" pK
=
2 C; J: [2 p4 G, M11.43
=3.4(K′为齿轮扩大组的范围)
' j; e# I  k1 e3 D$ W& O——
——
2 R# [3 J/ }5 WK电
% r. R3 g  h% c, o7 a4 R. x3.36
令K′=
1 B$ f1 b; ]3 U4 \5 [  m; R: gK′1
=3.4
—
K′2
求出两组齿轮传动分别为
K′1=1.32=50/38
1 L9 D/ P9 W* a$ rK′2=1/2.6=21/54
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)→nmax(主)时(恒功率运行)要分段变速使用。具体如下：
0 B6 h# [8 x- l  w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。
: B/ a9 v. `/ b+ m" L9 J2 ^0 f从718r/min→nmax(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。
- w0 i$ f. N& B在nmin(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。
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