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n_min至n_计的区域b为恒转矩区。
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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

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n_max(电)的区域a′为恒功率区；从最低转速n_min(电)至额定转速n_额(电)的区域b′为恒转矩区。 * n( z: y8 K# M3 w4 v7 ?; |

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n_max=2400r/min；主轴的最低转速为n_min=40r/min；计算转速n_计=210r/min；调频电动机的n_max(电)=5040r/min(168Hz)；调频电动机的n_额(电)=1500r/min。
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图3 CKA6140数控车床转速分布图

图4 CKA6140数控车床主传动系统图

现主轴恒功率调速范围为 " U- R/ Z9 G" a+ j6 u3 R/ y. q% o6 k6 h4 ~( H/ y- ~5 R$ @: g: |& _* C, O, F% `7 V1 J' G. D G0 h% G7 P4 ^" ?' P9 M1 ^$ n( y) q/ D- r9 d, y' u( h, l+ M4 {, S

K=	nmax	=	2400	=11.43
	——		——
	n计		210

& Y) E( A0 k; B. t+ Q( U

而电动机恒功率调整范围为 * W. g( T% k- N4 O% R# v P' ]( h8 W& x( n w/ R4 R, ]3 Y/ A6 t6 i5 v$ {4 s a" W% V, W/ R4 E8 @6 L: |, u. @- O) ~, }1 ]7 H0 `

K电=	nmax(电)	=	5040	=3.36
	———		——
	n额(电)		1500

4 X+ K0 u. |& c- v% b

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： , D$ e( O) j, p' ^/ M5 b) {" j D3 U% u4 i a% d; Y+ W1 W) t+ K$ Z" y( h1 X( t0 U- H6 i9 G0 _# O9 b$ H5 _. c, }% M, d, Z" F: n( Q5 m! }5 B7 z3 d% W: D+ n4 I9 {" b3 X

K′=	K	=	11.43	=3.4(K′为齿轮扩大组的范围)
	——		——
	K电		3.36

3 _1 T$ F* L8 y! p8 B# Q4 X. ]! y9 c6 P$ Q! W$ O# m; n. z5 ?6 ]( U5 w. y: M. I+ V1 \) k9 O! C ^7 O6 J+ Y# ]0 q D2 Y/ ~$ D4 r/ w; L1 Z2 t) l. F- h/ L1 C3 z

令K′=	K′1	=3.4
	—
	K′2

/ Q6 Y4 E- j3 v/ c0 P' H. m

求出两组齿轮传动分别为 V. y9 l4 x3 MK′₁=1.32=50/38
K′₂=1/2.6=21/54 4 T* l4 @: P0 q# f6 W$ U4 ^

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)→n_max(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→n_max(主)(2400r/min)采用变速齿轮为K′₁=1.32=50/38的一组齿轮啮合。
  O5 w& c$ I7 q- W" L6 D+ j0 J

两组齿轮的传动可参见图4。

在n_min(主)→n_计(主)时(恒转矩运行)，一般就用21/54这组齿轮啮合。 ' A6 H$ F- \" f0 s

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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