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。

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
& r3 ^/ Q) d1 \2 I* b5 L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。
3 ?$ n& W# K+ T7 r0 R4 t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 J5 \6 I6 ?. r; t# T/ W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。
6 [7 p' J& Y+ S2 a, q% ^- q1 `
* F) w& ~6 H5 a图3 CKA6140数控车床转速分布图
0 V% z6 c) s8 Y  x; ?
: H! a# L) }/ P$ J8 `图4 CKA6140数控车床主传动系统图
现主轴恒功率调速范围为
K=
4 Q0 y* l% K  N7 Fnmax
) @3 t0 b( O7 ~=
$ K; d% {; s4 x6 {" d% G6 W2400
$ ~" z& F/ ]% u. a2 O8 Z4 M=11.43
——
——
n计
210
. R; h+ S  U/ x- K/ n4 N而电动机恒功率调整范围为
7 d- E2 o, N. F$ Q' mK电=
$ B& R% B) B8 r5 b  o# Dnmax(电)
=
5 l5 U- P  H" T/ y5040
6 b0 M' s. L/ W5 z) f=3.36
$ k; h& u6 Z, u8 X———
——
n额(电)
1500
. S, Z, ?1 D4 z  v, F) m- U$ }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′=
K
=
11.43
=3.4(K′为齿轮扩大组的范围)
——
0 I# V* \) G8 F- [5 H' ~——
6 _& G9 Z" b+ b$ ZK电
3.36
令K′=
) t7 X7 @( [3 b8 \- |- HK′1
- G3 j* f# P/ X' J=3.4
—
K′2
求出两组齿轮传动分别为
! I5 ~+ N+ o  YK′1=1.32=50/38
9 b0 K( j2 x( w6 w2 J$ L) N; eK′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。
5 n# v, T& F9 p$ G" U! j# H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：
+ Y1 d5 n( g- Y8 U* W  M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。
8 U" o* O! E- q0 j6 m  `- v/ t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。
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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