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nmin至n计的区域b为恒转矩区。
" ^0 H1 I' E2 s" B
9 Y! K$ F4 B& L图1 主轴功率转距与转速的特性曲线

4 C0 a2 u% G* W- r9 F5 I图2 YP132M-4交流调频电机功率转矩与转速的特性曲线
% W7 u8 I( b: p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。
* E+ s0 E: H) q/ c! z5 A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。
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。
  a7 R) C% f. S" q, C% z- [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。

* |" O& o) H8 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
. L3 L/ B  p4 t6 Y0 c( O现主轴恒功率调速范围为
K=
5 t3 t9 ~( q7 J  W5 R6 l+ nnmax
=
! {1 |6 ^: Q$ a( f2400
=11.43
3 |2 u& V5 V- m" q——
——
% a6 g$ b9 K0 y2 D2 l& [n计
5 S; y- \& s3 P- @4 l  m. ~$ @210
而电动机恒功率调整范围为
K电=
& H( j) v7 H5 L3 a0 e: |nmax(电)
& m: k6 N, T. X% Y5 P* `& F" ?=
5040
=3.36
———
——
( w7 q' m) v3 P4 {n额(电)
1500
! q% `0 \5 H$ E. X5 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：
: b5 o! k+ K4 j8 y! iK′=
% P& r3 j! o5 R) M6 VK
=
11.43
& ?+ M2 b: _* q, s1 U=3.4(K′为齿轮扩大组的范围)
——
/ s2 e9 r% |) }- e- |——
# q. F2 K/ m3 n/ `K电
! M1 u: R4 r/ W1 r3.36
令K′=
: C# p& w5 j" T" `4 HK′1
) X& b3 [& s/ X& B& ]" s=3.4
—
& o/ V! q$ r4 }) r! I& M  n" aK′2
求出两组齿轮传动分别为
! x7 ?3 v* ^$ d/ EK′1=1.32=50/38
2 A2 x0 g4 I2 z+ j. g9 Y5 X( OK′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。
# z6 f! t0 h1 U, v, s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：
! M, E. [8 s1 @3 ^8 d/ k) T" l6 o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 D2 }$ x* f& c: }; H% R6 S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。
' S; U# ?& o# M. B+ f# ^两组齿轮的传动可参见图4。
在nmin(主)→n计(主)时(恒转矩运行)，一般就用21/54这组齿轮啮合。
$ ?* z. q. e& F# G* b, m4 _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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