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。
  # V7 }8 T i" h- V. g C5 F8 ~! K8 D, @1 @# A/ f/ E8 V/ }, n h* X9 \& Z8 Z; X

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

8 A F) _2 n4 g3 M

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 ^% |, Q3 `+ E) g( j" c

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。

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。
  - ?7 N) s# ^% Q3 ?4 H C# |% |, X+ y1 o0 K W

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

! W" U6 n8 U! ^1 x/ f) M* L

现主轴恒功率调速范围为 & v9 b( L( B$ e& C' {( A* \) I6 o" d, C2 D2 s0 L2 U! O5 e M! J& @ U1 X3 O! b' ^ j, L4 c% N$ c# c# f8 l/ x

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

6 g' k; N. o2 l' U

而电动机恒功率调整范围为 & ?$ @2 Z# q ?( @7 K5 D! F& I. g4 S. o; x& ^5 U" P1 @/ X5 r5 o- S3 f h. s$ ^* Q0 v) k3 A, x3 i7 ]: Z0 J6 ?& J! W. |3 y4 y1 B4 r& f' O+ D& e* j7 W) N/ M, S. j V4 j: [

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

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： * H7 I6 G' ` w4 n! Y2 w$ v8 Q0 w0 v. f4 m& `9 P, G8 T9 u' [+ e' t/ k. Z2 n& y- F3 B, Q7 e& |' {. g& M( A* g$ h6 a6 B y

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

f+ {9 r$ r: g- j8 s# q0 M# l- h6 M: C2 g3 c) t. n& e5 b) w' M% o" r# ~8 K3 [- K% |. j& E" y; A* {- _) x8 k% _# E# g

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
K′₂=1/2.6=21/54 & L1 M( d$ {* g

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。 ! R( H( K' a* m% S! D; f

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： 5 J7 }0 s4 c' b4 S0 H7 d8 m g) |' l

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。 4 M, ~" G1 v/ p0 I) n0 R

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。
  # ?* v, u* w! y- c! S0 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。 - J. P, c+ A) v3 ]. \" v& _; \$ x

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。