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。
! q9 _* r) `$ [' X
# l' P6 L. X) b0 Q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。
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。
+ ?  I6 g9 P( }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。

图3 CKA6140数控车床转速分布图

, x" X: T( ]% D% _2 X9 e5 L图4 CKA6140数控车床主传动系统图
3 z& r6 y) \9 ]. L* H现主轴恒功率调速范围为
K=
& @% F: ^) N* n: I9 O- w6 Enmax
=
2400
=11.43
——
——
n计
210
( P) W3 e) X( B- M% M1 v: U  G而电动机恒功率调整范围为
K电=
nmax(电)
=
2 S+ e/ |0 b2 T* r5040
=3.36
———
9 G: _2 k. t  n' H; r' i——
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：
  y' E7 S+ b: w" lK′=
! n; Y( t: `5 W! i0 i9 mK
. T) U; v: t4 b. H& c/ Z=
) l0 O4 a2 n% J5 k/ D11.43
=3.4(K′为齿轮扩大组的范围)
% c% C! j" |* H) I. c5 w——
6 |# p  ?& a' r; o. a7 \8 n——
K电
/ Z1 K/ }# @! b( j3 M% f# l3.36
令K′=
+ I$ x, I5 R' p+ o( A# t, A7 ?4 pK′1
=3.4
" T" p& c! X9 L2 G—
K′2
3 }( E7 C4 D0 D5 V9 j3 L# b3 r# ]求出两组齿轮传动分别为
K′1=1.32=50/38
K′2=1/2.6=21/54
& [* [- y# d: `. Y2 C& b: C' K7 d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：
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。
+ R1 t- C) Q  k. P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。
9 S5 f. O% w. @6 N  L两组齿轮的传动可参见图4。
8 w7 Y& A2 A/ R: j5 |在nmin(主)→n计(主)时(恒转矩运行)，一般就用21/54这组齿轮啮合。
$ F, F+ F" L8 @( [, \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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