CKA6140數(shù)控車床主運動系統(tǒng)的設(shè)計

        摘要：通過實例分析了主運動采用交流變頻電機的經(jīng)濟型數(shù)控車床，必須增加兩組齒輪變速實現(xiàn)機床主軸與交流變頻電機的恒功率匹配，以滿足機床加工的需要。
        CKA6140數(shù)控車床是我廠自行設(shè)計的經(jīng)濟型數(shù)控車床，主運動是由交流調(diào)頻電機經(jīng)皮帶輪、齒輪傳動至主軸。鑒于車床的特點，圖1是本機床主軸要求的功率P、轉(zhuǎn)矩T與轉(zhuǎn)速n_主的特性曲線，這個特性是以主軸的計算轉(zhuǎn)速n_計為分界的。從n_計至最高轉(zhuǎn)速nmax的區(qū)域a為恒功率區(qū)；從最低轉(zhuǎn)速n_min至n_計的區(qū)域b為恒轉(zhuǎn)矩區(qū)。

圖1 主軸功率轉(zhuǎn)距與轉(zhuǎn)速的特性曲線

    在區(qū)域a內(nèi)，任意轉(zhuǎn)速下的主軸都可以輸出額定功率，但主軸輸出的轉(zhuǎn)矩將隨著主軸轉(zhuǎn)速的下降而上升。在區(qū)域b內(nèi)，任意轉(zhuǎn)速下的主軸都可輸出最大的轉(zhuǎn)矩，但主軸可能輸出的最大功率將隨著主軸轉(zhuǎn)速的下降而下降。 
    本機床采用交流調(diào)頻電動機，型號為YP132M-4，圖2為該電動機的轉(zhuǎn)矩T、功率P和轉(zhuǎn)速n_電的特性曲線。由圖2可見，該電動機的額定轉(zhuǎn)速為1500r/min。從額定轉(zhuǎn)速n_額(電)到最高轉(zhuǎn)速n_max(電)的區(qū)域a′為恒功率區(qū)；從最低轉(zhuǎn)速n_min(電)至額定轉(zhuǎn)速n_額(電)的區(qū)域b′為恒轉(zhuǎn)矩區(qū)。

圖2 YP132M-4交流調(diào)頻電機功率轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的特性曲線

    從圖1、圖2可見：調(diào)頻電動機的恒功率變速范圍為5040/1500=3.56，而主軸要求的恒功率變速范圍為2400/210=11.43，顯然電動機不能滿足主軸所要求恒功率段的變速范圍。所以在設(shè)計時不能依據(jù)總變速范圍(最高轉(zhuǎn)速和最低轉(zhuǎn)速之比)來設(shè)計主運動系統(tǒng)，而應(yīng)該考慮電動機和主軸性能的匹配。
    在我廠的CKA6140數(shù)控車床中，已知：主軸的最高轉(zhuǎn)速為n_max=2400r/min；主軸的最低轉(zhuǎn)速為n_min=40r/min；計算轉(zhuǎn)速n_計=210r/min；調(diào)頻電動機的n_max(電)=5040r/min(168Hz)；調(diào)頻電動機的n_額(電)=1500r/min。
現(xiàn)主軸恒功率調(diào)速范圍為
K = nmax/n計 = 2400/210 = 11.43
而電動機恒功率調(diào)整范圍為
K電= nmax(電)/n額(電) = 5040/1500 =3.36
為了使主軸和電動機的恒功率匹配，現(xiàn)通過增加兩組齒輪變速來滿足。該兩組齒輪即擴大了電動機恒功率調(diào)速。具體如下：
K' = K/K電 = 11.43/3.36 = 3.4(K′為齒輪擴大組的范圍)
令K′= K′1/K′2 =3.4
求出兩組齒輪傳動分別為
K′1=1.32=50/38
K′2=1/2.6=21/54
至此，可得在第二傳動軸與主軸間，增加兩組齒輪就可使主軸和電動機的恒功率區(qū)得到匹配。

圖3 CKA6140數(shù)控車床轉(zhuǎn)速分布圖

由圖3可見，當(dāng)主軸從n_計(主)→n_max(主)時(恒功率運行)要分段變速使用。具體如下：
從210r/min→718r/min采用變速齒輪組為K′2=1/2.6=21/54的一組齒輪嚙合。
從718r/min→nmax(主)(2400r/min)采用變速齒輪為K′1=1.32=50/38的一組齒輪嚙合。
兩組齒輪的傳動可參見圖4。

圖4 CKA6140數(shù)控車床主傳動系統(tǒng)圖

    在nmin(主)→n計(主)時(恒轉(zhuǎn)矩運行)，一般就用21/54這組齒輪嚙合。
    通過上述分析可知，用機械結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)主軸與電動機的匹配，在實際中是可行的，但帶來的缺點是主軸變速箱的結(jié)構(gòu)要復(fù)雜一些。