CKA6140数控车床主运动系统的设计

www751123

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。
+ p- z  y4 k0 P, p! v& r' Z
: \  j9 A. Q2 A3 }/ ]5 a7 L1 F图1 主轴功率转距与转速的特性曲线

/ K% l3 R- u, Z5 k% h4 j% Z! Q4 s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。
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。
: J- j& L, M* H2 m$ J& K
6 J. g! V4 I+ f图3 CKA6140数控车床转速分布图

4 _; F4 O6 O3 o9 M6 D图4 CKA6140数控车床主传动系统图
: H8 K8 E5 v( l; \现主轴恒功率调速范围为
K=
7 {6 ~( m9 g/ X- qnmax
0 b$ I- I( Z" r; i6 P=
/ I& J2 f- e5 N$ k* S% A' a9 H2400
5 Z) b, R5 K0 R& k=11.43
——
——
n计
) ~- M2 |7 {' {4 [* c210
而电动机恒功率调整范围为
- r3 z4 `, b& P) @6 v3 D# Z' N' XK电=
, ]7 I, ], @; ?6 h* nnmax(电)
=
5040
, I1 Q0 I# m( R; P% Y=3.36
———
——
& y# c! v7 [2 pn额(电)
1 `0 R7 F* U* g) N1500
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：
* {- u0 M4 W, @+ {7 tK′=
K
1 i" F7 r+ t3 L2 D( _% g, j=
11.43
=3.4(K′为齿轮扩大组的范围)
& v+ D8 T; s& t6 O. @——
; K4 c) ?1 A% K" r3 n3 \——
$ ~  o9 P, u! b) z; A; E+ H+ KK电
3.36
, r  R1 F3 V$ z7 J! o; I令K′=
K′1
=3.4
/ z4 \" w& d% H; {: c: a—
2 W, p* C7 V' ]: U5 h: PK′2
5 z1 o, o; I0 J" r: S( }求出两组齿轮传动分别为
K′1=1.32=50/38
* r' j! ?. c. v1 wK′2=1/2.6=21/54
4 o% |! R* w( Z' F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。
7 D" y! q* @9 I$ i* |7 ~% _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：
" n* d6 @" J: h- H- M0 V" z  \1 C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。
1 ~8 M1 N- ^6 Q7 l) o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。
; f" h; `9 f1 n, v5 L/ z# [- _两组齿轮的传动可参见图4。
2 ^0 m. {2 H& ~  ?" U在nmin(主)→n计(主)时(恒转矩运行)，一般就用21/54这组齿轮啮合。
0 d! ]( B2 v8 l/ u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。
文章关键词：