CKA6140数控车床主运动系统的设计

HEATS

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。
  % w) t/ u2 P8 W: h; } y ?/ m1 y. e" Z* ^

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

9 s) l! i W9 m/ }4 I' {

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 t# ^' Q% {, H9 ~

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。 6 o: W! y# V7 @% y

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。
  ! j* i9 D# ^& @5 k; k/ ?1 m" T: l% B8 ~6 `4 O. Q9 L6 G0 D+ T j( k

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

4 u6 e& U0 G1 n; J

现主轴恒功率调速范围为 - P, n' |8 Z4 n5 _" g5 s; w9 q7 A8 T( X( u9 ~; p% i8 a4 x p& Y$ m$ `) L1 k E4 Q: v- D9 Q E. I6 J. e# g4 z9 F6 w4 x+ p2 W- ~, W' {' r* k) d( w ]1 G% ~7 @) R' z( Z2 U0 v5 k s& g" {, }0 x; W, }6 d! x) w/ m, b1 Q; e6 B* }# }: K9 F, ~

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

, g4 T3 W& O/ T- b0 E

而电动机恒功率调整范围为 3 F. B) ~$ S4 P8 N, N: e! T: h- o2 x$ R* G$ J/ G P9 l( v- u2 N6 e3 S$ e% p1 J9 w/ D9 b' @6 }4 t( h5 @5 b* ]4 `1 n& ? } d% b9 [ ^8 K( S5 q" _ U% G C7 S1 R! j. c- R

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： $ J) T+ i/ x! f; L3 v8 E; O N5 |' {2 X( S k, B1 v, a; O% n3 b/ t: K" M: Y$ R R- J% }. L2 A; i+ [) K, c% A0 @# ]6 _! U, D2 H- |8 H! Y# {, l3 [8 u. D9 m& A6 n$ |! h, v P' z" A4 s- }2 r3 C0 S! L5 M1 T w" a. B/ c) \5 h( T2 y5 t( d; u

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

3 c& v) U3 O9 Q3 R/ w P- W$ A7 S# p: V0 W. c1 b+ y Y e0 `3 Z1 v! `$ J

令K′=	K′1	=3.4
	—
	K′2

6 i# X' Y" r8 a

求出两组齿轮传动分别为 ' }2 e% X4 s! z6 e4 B4 OK′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： " _2 g" ?) j8 N# Q2 K: W ?

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。 $ q' J' [$ t+ {6 Q. G

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。 ) l& u: V' N5 a0 c4 P

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。