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。

( {" L9 Y% V2 s/ e) _6 O+ e图1 主轴功率转距与转速的特性曲线
6 [' f- n& K5 K0 C" p6 M2 E
图2 YP132M-4交流调频电机功率转矩与转速的特性曲线
' s( X9 u9 s8 X& a0 t# ]+ `, ?! \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。
5 L( @5 y  ^( n1 s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。
, E& ?' n5 n9 K4 F( n: O; B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。
1 K' H! F& ]7 n/ G# n( Q" Z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。

( \' t) Z/ X) Q: K! U7 M# D: a3 U0 C5 v图3 CKA6140数控车床转速分布图

0 _. w0 L& P( }- I2 }  L图4 CKA6140数控车床主传动系统图
7 j% M* J5 Y- ^  ?/ s# t现主轴恒功率调速范围为
K=
$ E5 W% ]' c& l4 vnmax
. S# O6 g1 n( c4 S=
2400
=11.43
——
——
n计
9 {& E4 `3 S" L* C2 p210
而电动机恒功率调整范围为
+ t1 J- H5 b0 j8 n( B1 I' Z' UK电=
0 f% z& U  M! O& _+ S4 |1 gnmax(电)
=
5040
' M! S6 l. t. c9 P=3.36
———
' t2 N) N' y; A  c——
, G& V6 F3 `# n9 s6 Kn额(电)
; Q" ~/ L* V1 D  `4 l' J' r1500
& G) Z9 r( y2 F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
=
( l  p2 R+ D# S, o5 H( f11.43
" g( ~2 X  C4 F, a  I/ p=3.4(K′为齿轮扩大组的范围)
——
2 n0 F* W2 l- A3 C0 L7 _——
K电
3.36
5 N2 t$ p) N) s/ s9 H- x: y令K′=
K′1
=3.4
—
K′2
求出两组齿轮传动分别为
K′1=1.32=50/38
) e: S; k6 I$ M. j- iK′2=1/2.6=21/54
4 y" n  A4 h% `# q) _) J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：
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。
7 x9 l; q1 w% Q' ]& J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。
; b. g% E- `* ^1 d  A0 E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。
# F, ?6 j( K+ }( K; w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。
% ~/ t8 W; }- g2 T0 q" o文章关键词：