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CKA6140数控车床主运动系统的设计

CKA6140数控车床是我厂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的特性曲线,这个特性是以主轴的计算转速n为分界的。从n至最高转速nmax的区域a为恒功率区;从最低转速nmin至n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。
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。
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=210r/min;调频电动机的nmax(电)=5040r/min(168Hz);调频电动机的n额(电)=1500r/min。

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
K= nmax = 2400 =11.43
—— ——
n 210
而电动机恒功率调整范围为
K= 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:
K′= K = 11.43 =3.4(K′为齿轮扩大组的范围)
—— ——
K 3.36
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
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:
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→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。
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。


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