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。
  2 w z5 o" \: v7 i; R( R W* C1 q. ^7 U1 S5 Q& K" |$ j' j. K J

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

B+ _0 X1 X' P/ R# z2 S/ ^ C

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。 4 V& g0 f' |* M5 P' F$ P$ f/ g, y. D

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。 . E3 S& ^2 S* b* L7 H( b8 m' I

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。
  + S- `% E1 k3 {2 K6 u8 _/ q. N+ A: ?8 @' F! @3 q6 ]' V4 @% `1 O+ M. \! t, A( r: @

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 ) d0 O0 E% R1 f* \# Q R) u6 H2 M; I4 [2 S8 t# c( _7 {3 X% b9 O! n5 \/ B! m' U F2 h9 Z6 u7 A: f) x/ ^/ a/ d& u( ?/ x% Q7 x, U6 {* a; m7 p" R% v$ Z; B1 y& i

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

4 {2 @+ Y# F6 S3 [% Q+ }& K: N% u. H- X

而电动机恒功率调整范围为 8 I' J" p4 _. a6 |+ M* T+ ~! `$ O) M! H! N0 r+ x8 P$ C# K! @. R+ ?! E) r4 c( X8 i" s ^* r* Y* k. i1 D7 E$ b0 a- s: f4 L

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

7 l; n+ g [2 J0 R: I2 n

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： & t6 _& a$ d+ C! t- j) Y0 W) M6 E. G2 t+ M; d. C4 f4 K$ e" p$ y: [5 K# {" z9 D% N) ]1 ` V. n3 D. m8 j* z" ~' b% W/ e7 T) Y; y& V/ h# V9 @1 U, `2 R' i5 q- ?/ M; _

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

: J5 P5 s h8 f1 [1 @9 s7 D: T7 t. f* n8 Q& p% [: c, b9 r; d4 d4 e$ r8 |: P, d$ G7 q' r: ?# Y- _& q) i& ]& E$ g$ _" x4 U6 n6 H& r* |. v$ i/ q! K. _8 S5 Y) k* K+ s9 n& M8 q' C/ d" k* V

令K′=	K′1	=3.4
	—
	K′2

, _( S" b: v. K9 J( s

求出两组齿轮传动分别为 , a& h/ ?0 S4 D4 [4 j/ _K′₁=1.32=50/38
K′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。

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。
 

两组齿轮的传动可参见图4。 & D4 |) d2 f3 j+ l

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。

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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