摘要：通過實例分析了主運動採用交流變頻電機的經濟型數控車床，必須增加兩組齒輪變速實現機床主軸與交流變頻電機的恆功率匹配，以滿足機床加工的需要。
CKA6140數控車床是我廠自行設計的經濟型數控車床，主運動是由交流調頻電機經皮帶輪、齒輪傳動至主軸。鑒於車床的特點，圖1是本機床主軸要求的功率P、轉矩T與轉速n
主的特性曲線，這個特性是以主軸的計算轉速n
計為分界的。從n
計至最高轉速nmax的區域a為恆功率區；從最低轉速n
min至n
計的區域b為恆轉矩區。
圖1 主軸功率轉距與轉速的特性曲線
在區域a內，任意轉速下的主軸都可以輸出額定功率，但主軸輸出的轉矩將隨著主軸轉速的下降而上升。在區域b內，任意轉速下的主軸都可輸出最大的轉矩，但主軸可能輸出的最大功率將隨著主軸轉速的下降而下降。
本機床採用交流調頻電動機，型號為YP132M-4，圖2為該電動機的轉矩T、功率P和轉速n
電的特性曲線。由圖2可見，該電動機的額定轉速為1500r/min。從額定轉速n
額(電)到最高轉速n
max(電)的區域a′為恆功率區；從最低轉速n
min(電)至額定轉速n
額(電)的區域b′為恆轉矩區。
圖2 YP132M-4交流調頻電機功率轉矩與轉速的特性曲線
從圖1、圖2可見：調頻電動機的恆功率變速範圍為5040/1500=3.56，而主軸要求的恆功率變速範圍為2400/210=11.43，顯然電動機不能滿足主軸所要求恆功率段的變速範圍。所以在設計時不能依據總變速範圍(最高轉速和最低轉速之比)來設計主運動系統，而應該考慮電動機和主軸性能的匹配。
在我廠的CKA6140數控車床中，已知：主軸的最高轉速為n
max=2400r/min；主軸的最低轉速為n
min=40r/min；計算轉速n
計=210r/min；調頻電動機的n
max(電)=5040r/min(168Hz)；調頻電動機的n
額(電)=1500r/min。
現主軸恆功率調速範圍為
K = nmax/n計 = 2400/210 = 11.43
而電動機恆功率調整範圍為
K電= nmax(電)/n額(電) = 5040/1500 =3.36
為了使主軸和電動機的恆功率匹配，現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恆功率調速。具體如下：
K = K/K電 = 11.43/3.36 = 3.4(K′為齒輪擴大組的範圍)
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恆功率區得到匹配。
圖3 CKA6140數控車床轉速分布圖
由圖3可見，當主軸從n
計(主)→n
max(主)時(恆功率運行)要分段變速使用。具體如下：
從210r/min→718r/min採用變速齒輪組為K′2=1/2.6=21/54的一組齒輪嚙合。
從718r/min→nmax(主)(2400r/min)採用變速齒輪為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數控車床主傳動系統圖
在nmin(主)→n計(主)時(恆轉矩運行)，一般就用21/54這組齒輪嚙合。
通過上述分析可知，用機械結構來實現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構要複雜一些。
