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。
3 J# a9 _9 d1 {0 q$ F: d0 P
1 ^5 o' D$ g. Y' |+ H( L图1 主轴功率转距与转速的特性曲线
( r  D' [% v: [3 ]! S2 l
* m" v- J2 V- @4 l* Z3 T0 ^6 E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。
2 J$ k) m% T& A/ X* 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。
( u# P4 _2 ~5 I- `6 y; [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
3 A0 I6 z5 N; a% @* W  U& ?1 `% Y
! O0 H' T: z. f* n. X图4 CKA6140数控车床主传动系统图
0 F3 i5 ^- o! v+ a; V/ U+ H  [现主轴恒功率调速范围为
, m" P$ @# n  o7 R% `6 pK=
. e" }$ y1 F8 H. Xnmax
- b4 _" O6 f* u$ x) z=
0 [; S0 p/ o" b) b) J& ^4 _% Y2400
8 H% Z: o1 \3 B0 _* u9 G8 E  G=11.43
# C6 {5 E6 M. P——
1 _8 S( n" `: l# i& h$ b; Y——
2 c/ {( k/ R5 U3 J2 W  xn计
# C0 S- p( j3 |+ _' I; k210
而电动机恒功率调整范围为
K电=
; E1 X$ G* n" w* g9 p7 F7 Gnmax(电)
=
5040
, m' j% i( w; Y1 b8 L# M: ^) y=3.36
———
% x; n/ `7 s$ w$ _4 q7 n——
/ F; Y8 m, O% E- [9 Rn额(电)
* m; U) i. t7 l, Y; j9 L) D; 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：
K′=
8 r- W# M' S! w* M! G, o& qK
=
11.43
=3.4(K′为齿轮扩大组的范围)
' g6 ^# M' l% Y; [( x. h——
$ ]9 b0 i/ V) H' l' c* f- `8 x6 d——
  V  L& F; u' E/ ]' U9 tK电
" _! J  z8 d. o3 }3 K3.36
' V* f4 D# u% p5 R+ t! ?令K′=
K′1
8 k# @- i$ u4 y=3.4
9 U! Y+ i& q  S2 G/ T—
K′2
求出两组齿轮传动分别为
K′1=1.32=50/38
! J+ A! h5 q/ fK′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。
4 n2 Q/ n$ S- p* |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：
1 k8 N8 Y: G! f, Z! G  l: g  _6 ?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。
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。
( u+ u, L, o6 ]4 ~' v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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