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。

5 ]0 h: R* ]  P4 y; U6 C: @图1 主轴功率转距与转速的特性曲线
. E9 o- d" e. }6 e2 x2 X/ B1 O
5 \$ o$ l3 {% |" N" h, P5 }7 c& S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。
4 q5 b! m0 a& ?/ B* p+ \8 n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  t' I& _  h, ~
图3 CKA6140数控车床转速分布图

3 R1 C5 q% ~. e6 n图4 CKA6140数控车床主传动系统图
. R* v; l( H: |  |* n现主轴恒功率调速范围为
/ Y3 O5 w( V+ J% Z( wK=
nmax
=
2400
3 S' K0 o$ b7 l. ]* D4 u4 o5 I=11.43
——
——
( c3 o6 f" U9 f. r, g* |n计
210
" K6 c4 ~5 v, M' w而电动机恒功率调整范围为
5 E" m3 o: N' R3 u, _# c7 uK电=
nmax(电)
=
4 b& H) n) Y+ j0 }" E- x5040
=3.36
" r/ D4 l' i2 u$ q8 s) ^1 ~———
——
9 i, W+ Y5 k5 b* V) Y8 Jn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：
( M- b) C2 n3 S0 K' RK′=
K
=
11.43
2 {9 Q2 j- E3 v8 U! `2 K=3.4(K′为齿轮扩大组的范围)
——
——
K电
3.36
0 m( Y: p2 [5 o# P令K′=
K′1
=3.4
—
$ J% E$ T0 m& R4 A7 t  BK′2
求出两组齿轮传动分别为
; @: y/ ~1 s6 z3 T2 M) }7 _; dK′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)→nmax(主)时(恒功率运行)要分段变速使用。具体如下：
, o8 ^6 X% ^7 {5 q4 Q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。
6 r, R# z1 M  x" A( N5 M7 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。
两组齿轮的传动可参见图4。
) O* D3 `3 U" |& r在nmin(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。
! S" W0 g( ~3 l: h9 O6 F文章关键词：