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。
 

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。 " O7 s4 r3 N" a+ G( H Z

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。 8 [4 G, V/ x+ T) |9 Q

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。 ( j( e3 z( c( e9 O3 z# W$ h

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。
  + D, F) f' t) R/ i Y/ B7 j' A+ 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

现主轴恒功率调速范围为 . b6 y: ~$ ~6 c! ` i* M+ B4 o/ x7 K9 n! |% i+ X1 U8 n1 n6 m4 s1 M6 n" Q+ R3 X$ @$ w, R8 c4 _; E- B. _4 l6 `* v+ `* L- U3 ?( }. i! f+ X7 D" ]$ ~

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

3 C% d+ }" q2 k* T

而电动机恒功率调整范围为 ) m; ]: Z. c1 L! A& {' p: f2 q4 e0 d" l/ F/ o, w$ h6 v" m4 Z2 T3 X) X1 F% ^$ b y

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

) U9 c- ~1 s; e {* f+ B$ {5 \9 N8 v

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： ! o( q P# z8 w% s c3 g8 S7 m! T, R W- o& W: u& ~9 Q1 l' s+ ~4 Q! b4 |2 g) ?( v0 |* [+ H" t; L0 D" f0 J, _6 |7 |4 C* ]2 }9 z- l2 y

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

! V, u/ o% a. g4 n! R$ j7 g! s) h0 L: Y+ H2 R, o$ Y# }7 ^- m# V8 R2 Q. s" J+ ~- F, |0 M( {. M# s( l

令K′=	K′1	=3.4
	—
	K′2

$ d$ w0 @& X# g' b

求出两组齿轮传动分别为 9 v2 p! A2 F% C9 Q$ e; \0 qK′₁=1.32=50/38
K′₂=1/2.6=21/54 ' ]* A' K: A v1 c

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。 6 l% u; z1 \# C

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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