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。

7 q9 b9 B* p  ^! {+ T7 v图1 主轴功率转距与转速的特性曲线
: R5 }7 M2 h+ ~& L
! g& Y3 M( _- [- U0 V9 E1 s' b! Z* F! o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。
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。
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。
/ w4 ?0 q8 Y/ i+ V$ N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。
7 l$ C2 V5 B" A& Y/ Y, U
图3 CKA6140数控车床转速分布图

; ?2 H$ [: y8 L7 n7 I" F图4 CKA6140数控车床主传动系统图
现主轴恒功率调速范围为
! D, F8 B* n8 L0 @9 |" B8 pK=
nmax
=
: }2 U, z3 A4 p* A8 `# f' f2 {2400
, N6 n0 \+ l- ?7 G; m=11.43
——
——
8 Y: g  o( G! _  o6 Cn计
210
而电动机恒功率调整范围为
" T+ r: _7 P& e6 CK电=
nmax(电)
7 Z% }! A1 `& o$ ~! ?+ `=
5040
: x( d; S. a- @+ w=3.36
; G6 f4 a% G, N' D1 A———
5 X) A- Z$ ~. h) Y6 {* m1 K——
$ I8 k" a4 ?8 y" V% C: o( Y9 en额(电)
! j3 e! e9 I! q% M9 S, v/ D5 L1500
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：
  C9 Q' h$ x4 ~+ AK′=
' ~. y" D0 z1 AK
' g* O; W/ [2 f$ H% t=
11.43
3 m2 o% Q1 j' s) b& K" k. [=3.4(K′为齿轮扩大组的范围)
——
——
K电
6 z! @. W+ |0 _8 }6 S3.36
令K′=
K′1
. J. j8 t& F' G) U: d=3.4
/ l1 z( X* f2 ^—
6 u9 W( Y: N) u6 L5 H8 s. AK′2
* s4 J7 P; N( C$ J求出两组齿轮传动分别为
9 u: i& H$ \# o( JK′1=1.32=50/38
K′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。
! \" Y6 `! s+ ?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：
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。
' I( u3 l/ X  n. W3 F3 c' P; E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。
6 P7 {* h( ]# d在nmin(主)→n计(主)时(恒转矩运行)，一般就用21/54这组齿轮啮合。
! R, q& g, |  q& K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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