CA6140/BQ無級變速車床主傳動系統設計

閆占輝 張達巍

(長春工程學院機電學院，吉林長春130012)

變速車削可以提高工件端面加工質量。因為車削速度為

式中:v為切削線速度，m/s;d為切削直徑，mm;n為工件轉速，r/min。當采用普通車床車削端面時，由于加工過程中n值恒定不變，而d值在不斷變化，所以v的大小在不斷變化，當v不斷減小時，不但會使車削端面粗糙度值增大，而且會加劇刀具的磨損，增加制造成本。在切削加工過程中，如果使切削速度v保持恒定，由金屬切削原理可知，可以提高工件表面加工質量。但欲使v不變，必須使dn值不變。而加工回轉體零件的端面時，d是不斷變化的，因此只有n與d值按相反規律變化才能保證dn值不變，即進行變速切削加工。

1 主傳動系統設計

變速車削的主傳動系統是在CA6140車床傳動系統基礎上改造成的。圖1是該車床的主軸轉速—轉矩(功率)特性，轉速在10～50 r/min區段為恒轉矩區，機床主軸最大輸出轉矩為1246 N·m;轉速在50～1450 r/min區段為恒功率區，其輸出功率為6.53 kW。圖2為交流變頻調速系統當電壓補償量為5%時的電動機轉速—轉矩(功率)特性圖，電動機恒功率變速范圍為3360/1450=2.32，電動機轉速在450～1450 r/min區段為恒轉矩區，其最大輸出轉矩為46.4 N·m。

分析圖1及圖2的轉速—轉矩特性曲線的恒功率區可知，在采用交流變頻調速方法調整機床主軸轉速時，為使機床主軸在低轉速區段(10～50 r/min)獲得較大輸出轉矩1246 N·m，必須使電動機以450 r/min以上轉速運轉，然后再通過機械減速裝置降速。同樣，機床主軸轉速在50 r/min以上為恒功率輸出，電動機轉速在1450 r/min以上為恒功率輸出，為使電動機的功率特性與機床主軸的功率特性相匹配，電動機軸與機床主軸之間也必須串聯一套機械減速裝置。根據無級變速傳動系統的設計原則，取降速裝置的公比Φf等于電動機的恒功率調速范圍Rd，則電動機主軸的恒功率范圍Rn=ΦfZ-1Rd=ΦfZ，其中Z為減速裝置的變速級速。Z=lg Rn/lgΦf=lg Rn/lg Rd=lg(1450/50)/lg2.32=4，取Z=4，則電動機的實際恒功率變數范圍Rd=10lg(1450/50)/4=2.3。由 Z=4，Φf=Rd=2.3 所設計的主軸轉速分布圖及機床主軸轉速—轉矩(功率)特性分別如圖3及圖4所示。在圖4中Ⅰ軸為電動機軸，Ⅱ軸為輸入軸，Ⅲ、Ⅳ軸為傳動軸，Ⅴ軸為主軸，圖中數字為各傳動軸的轉速。分析圖3、圖4可知，該機床在低速時主軸輸出轉矩較大，高速時輸出功率較大，恒功率范圍寬，且無功率缺口，滿足設計要求。

2 變頻器的應用

本文選用日本SAN KEN公司生產的型號為SVF-113的變頻器與CA6140/BQ車床7.5 kW電動機配接。

為保證無級變速切削車床CA6140/BQ在10～1400 r/min間實現無級變速，必須對變頻調速器的相關參數進行設置。具體如下:頻率范圍設定為6～120 Hz，設定檔次為 0.5 Hz。

3 控制系統硬件及程序

控制裝置選用西門子S7-200系列PLC CPU224XPCN，這種型號的PLC除了帶有輸入輸出點外，還有模擬量輸入點和模擬量輸出點，這一型號PLC所具有的模擬量模塊，能夠滿足控制電動機的需要。

選用富士UG330H-SS 7.7英寸觸摸屏，觸摸屏是人機對話接口，最初的指令信息要從這里輸入。輸入的信息通過通訊端口傳送到PLC，經運算后PLC輸出模擬量，并連接到變頻器的模擬量輸入端口。變頻器對接收到的模擬量進行內部運算，而后驅動電動機達到相應的轉速。程序如下。

TITLE= Network 1//選型 //CPU:226

//MICROMASTER drive(s)and motor(s):MM4 //USS control//電動機極數:2

//變頻器地址:1 //波特率:19200 //轉差率系數:0.98

//人機界面:170B plc端口1 //USS端口:0 // //

Network 2//初始化地址1及參數

LD SM0.1 CALL SBR50，1，19200，16#02，Q0.0，VB0

MOVR 0.0，VD160 MOVR 0.0，VD164 MOVR 0.0，VD170

MOVR 0.0，VD174 Network 3//參數整定/根據變比轉換頻率

LD SM0.0 A M0.0 EU AN I0.0

MOVR VD150，VD160 MOVR VD154，VD164 MOVR VD164，VD170

/R VD160，VD170 MOVR VD170，VD174 /R 29.4，VD174

Network 4//錯誤參數濾除

LDR＜ =VD174，150.0 AR ＞ =VD174，2.0 MOVR VD174，VD100 /R 29.4，VD100

Network 5

LD SM0.0 =L60.0 LD I0.0 =L63.7 LD M0.5 =L63.6 LD M0.6 =L63.5

LD I0.3 =L63.4 LD I0.4 =L63.3 LD L60.0

CALL SBR51，L63.7，L63.6，L63.5，L63.4，L63.3，0，VD100，V50.0，VB1，VW2，VD4，M0.4，M0.1，M0.2，M0.3

Network 6//讀取字參數

LD M1.5 =L60.0 LD M1.5 EU =L63.7 LD L60.0

CALL SBR52，L63.7，1，VW202，VW204，＆VB1000，V51.0，VB60，VW300

Network 7//讀取雙字參數

LD M1.6 =L60.0 LD M1.6 EU =L63.7 LD L60.0

CALL SBR53，L63.7，1，VW202，VW204，＆VB1050，V51.1，VB61，VD302

Network 8//讀取浮點參數

LD M1.7 =L60.0 LD M1.7 EU =L63.7 LD L60.0

CALL SBR54，L63.7，1，VW202，VW204，＆VB1100，V51.2，VB62，VD306

Network 9//寫入字參數

LD M2.5 =L60.0 LD M2.5 EU =L63.7 LD L60.0

CALL SBR55，L63.7，1，VW202，VW204，VW310，＆VB1150，V51.3，VB63

Network 10//寫入雙字參數

LD M2.6 = L60.0 LD M2.6 EU =L63.7 LD L60.0

CALL SBR56，L63.7，1，VW202，VW204，VD312，＆VB1200，V51.4，VB64

Network 11//寫入浮點參數

LD M2.7 =L60.0 LD M2.7 EU =L63.7 LD L60.0

CALL SBR57，L63.7，1，VW202，VW204，VD316，＆VB1250，V51.5，VB65

4 變速車削應用實例

為驗證變速車削方法對提高零件表面質量的作用，本文對一批某液壓站缸體的端面進行了試切，缸體端面的外徑為φ215 mm，內徑為φ90H8 mm，表面粗糙度值為1.6μm。由于接近內孔處與接近外圓處各點的線速度差異較大，表面粗糙度值不穩定，接近內孔處常常超差，不能滿足設計要求。現采用變頻調速器控制的CA6140/BQ車床進行加工，表面粗糙度值穩定，完全滿足了設計要求。

5 結語

(1)采用變頻調速器實現無級變速是一種調速優良，易于和機械部分組合，價格低廉的方法。

(2)采用變頻調速器控制的無級變速切削車床CA6140/BQ，可明顯提高零件的加工質量，降低加工成本。

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