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。
. f! E/ L7 I% ~6 h- K
图1 主轴功率转距与转速的特性曲线

6 P, I: m; I1 }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。
2 D; }' E4 {: r5 Q2 g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。
% v* U! A. y! S, q* D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
2 P$ U/ A. s; p2 ~: d
图4 CKA6140数控车床主传动系统图
% G  p5 n4 s1 X5 d5 X现主轴恒功率调速范围为
1 u, {8 a& Z9 U. ?) T: n& i( cK=
& A. Q0 T. X7 o" D8 M1 ~& Anmax
=
7 p2 [/ T9 ]' h( ~4 v2400
- w5 z; }7 U/ h6 i& Y: C=11.43
) S* p5 k3 S. _3 v' c9 w——
——
n计
210
而电动机恒功率调整范围为
" N9 w- H7 j/ I6 a, j  t* MK电=
nmax(电)
=
) A" Q4 d8 L( {" q' ]/ c: P+ P/ U5040
=3.36
———
——
n额(电)
1500
& L+ c* p3 o" l+ _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：
5 a3 s) c3 I: ]/ P: MK′=
0 h$ w8 @! ]! X; T* O' T! _K
=
/ U) W! |4 K. j" {: e; Y8 H1 ^11.43
=3.4(K′为齿轮扩大组的范围)
$ Z7 `' q7 C  r; c——
% s8 K: y# n1 m1 b. `$ C) ?7 h——
5 _) U  }: y; m0 S/ n- OK电
3.36
令K′=
K′1
=3.4
—
K′2
8 ?7 L" B6 Z. ?* b6 o! d求出两组齿轮传动分别为
; k2 T" o  a9 k4 Y& z( FK′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。
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：
( v: A0 D# ^* {' Q9 T! ]6 r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。
( w) F9 J0 J2 k6 E+ }) |3 \. Y+ I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。
; |8 m* X7 P7 D& _( H2 c+ K5 ~两组齿轮的传动可参见图4。
2 b- F) z5 E5 D  R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。
6 A) {' {: e4 ~5 Q. S8 T% [! @- }! j0 x文章关键词：