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。

/ U* d. y4 x) Y5 {图1 主轴功率转距与转速的特性曲线
- d5 f( B5 Q6 ^* B+ [# z
2 i' d  `' |+ G/ ?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。
/ O7 ]$ l7 f( H, |" H9 @9 y5 ]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。
; d0 R8 {  N: K  [/ @5 o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。
9 A' w9 c5 k) r- ]5 J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。
  d1 e( @: \: X# `- A
图3 CKA6140数控车床转速分布图
8 b: K: }# _- D. m
/ `- f# h( K' `( S1 @图4 CKA6140数控车床主传动系统图
3 f; O: G. d' H" ~- k5 @现主轴恒功率调速范围为
9 G0 l" p! P  e& \, R" GK=
nmax
=
2400
=11.43
——
——
5 T" f$ H# O1 s2 b6 Jn计
# H* o: {1 _5 _210
而电动机恒功率调整范围为
K电=
nmax(电)
, h( ?! F) w* J=
5040
" `) B$ j' C+ _5 ]2 L=3.36
7 |: S3 d5 F$ M1 i# h/ n; H———
* }& l# S; f" C/ }+ @8 a$ e——
n额(电)
  l  l: ?1 ]0 z3 b- a+ A: x1500
5 ]4 A, P5 b/ N9 \1 a; _* G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′=
: B  ?; N* g" Z8 m8 _) ]' G# q6 ]K
=
11.43
: @3 }7 `! e! Y! b=3.4(K′为齿轮扩大组的范围)
——
0 o: f- g3 o3 P5 X, q- l——
K电
- M0 H6 S$ W4 J8 O  ~3.36
令K′=
K′1
=3.4
& a- J9 y0 C( t/ R8 D- G( P—
K′2
+ p2 y5 l8 ]; z- W3 M/ j求出两组齿轮传动分别为
& k& |0 n8 ~9 h- F9 K! lK′1=1.32=50/38
/ U& k% C5 n, C; I6 k" ~$ D# A+ q0 KK′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。
, X8 C- ?" d) j# X! A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。
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。
$ p  M) |' b0 @) W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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