CA6140/BQ無(wú)級(jí)變速車(chē)床主傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

閆占輝 張達(dá)巍

(長(zhǎng)春工程學(xué)院機(jī)電學(xué)院，吉林長(zhǎng)春130012)

變速車(chē)削可以提高工件端面加工質(zhì)量。因?yàn)檐?chē)削速度為

式中:v為切削線(xiàn)速度，m/s;d為切削直徑，mm;n為工件轉(zhuǎn)速，r/min。當(dāng)采用普通車(chē)床車(chē)削端面時(shí)，由于加工過(guò)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(dāng)v不斷減小時(shí)，不但會(huì)使車(chē)削端面粗糙度值增大，而且會(huì)加劇刀具的磨損，增加制造成本。在切削加工過(guò)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(zhì)量。但欲使v不變，必須使dn值不變。而加工回轉(zhuǎn)體零件的端面時(shí)，d是不斷變化的，因此只有n與d值按相反規(guī)律變化才能保證dn值不變，即進(jìn)行變速切削加工。

1 主傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

變速車(chē)削的主傳動(dòng)系統(tǒng)是在CA6140車(chē)床傳動(dòng)系統(tǒng)基礎(chǔ)上改造成的。圖1是該車(chē)床的主軸轉(zhuǎn)速—轉(zhuǎn)矩(功率)特性，轉(zhuǎn)速在10～50 r/min區(qū)段為恒轉(zhuǎn)矩區(qū)，機(jī)床主軸最大輸出轉(zhuǎn)矩為1246 N·m;轉(zhuǎn)速在50～1450 r/min區(qū)段為恒功率區(qū)，其輸出功率為6.53 kW。圖2為交流變頻調(diào)速系統(tǒng)當(dāng)電壓補(bǔ)償量為5%時(shí)的電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速—轉(zhuǎn)矩(功率)特性圖，電動(dòng)機(jī)恒功率變速范圍為3360/1450=2.32，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速在450～1450 r/min區(qū)段為恒轉(zhuǎn)矩區(qū)，其最大輸出轉(zhuǎn)矩為46.4 N·m。

分析圖1及圖2的轉(zhuǎn)速—轉(zhuǎn)矩特性曲線(xiàn)的恒功率區(qū)可知，在采用交流變頻調(diào)速方法調(diào)整機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速時(shí)，為使機(jī)床主軸在低轉(zhuǎn)速區(qū)段(10～50 r/min)獲得較大輸出轉(zhuǎn)矩1246 N·m，必須使電動(dòng)機(jī)以450 r/min以上轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)，然后再通過(guò)機(jī)械減速裝置降速。同樣，機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速在50 r/min以上為恒功率輸出，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速在1450 r/min以上為恒功率輸出，為使電動(dòng)機(jī)的功率特性與機(jī)床主軸的功率特性相匹配，電動(dòng)機(jī)軸與機(jī)床主軸之間也必須串聯(lián)一套機(jī)械減速裝置。根據(jù)無(wú)級(jí)變速傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則，取降速裝置的公比Φf等于電動(dòng)機(jī)的恒功率調(diào)速范圍Rd，則電動(dòng)機(jī)主軸的恒功率范圍Rn=ΦfZ-1Rd=ΦfZ，其中Z為減速裝置的變速級(jí)速。Z=lg Rn/lgΦf=lg Rn/lg Rd=lg(1450/50)/lg2.32=4，取Z=4，則電動(dòng)機(jī)的實(shí)際恒功率變數(shù)范圍Rd=10lg(1450/50)/4=2.3。由 Z=4，Φf=Rd=2.3 所設(shè)計(jì)的主軸轉(zhuǎn)速分布圖及機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速—轉(zhuǎn)矩(功率)特性分別如圖3及圖4所示。在圖4中Ⅰ軸為電動(dòng)機(jī)軸，Ⅱ軸為輸入軸，Ⅲ、Ⅳ軸為傳動(dòng)軸，Ⅴ軸為主軸，圖中數(shù)字為各傳動(dòng)軸的轉(zhuǎn)速。分析圖3、圖4可知，該機(jī)床在低速時(shí)主軸輸出轉(zhuǎn)矩較大，高速時(shí)輸出功率較大，恒功率范圍寬，且無(wú)功率缺口，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

2 變頻器的應(yīng)用

本文選用日本SAN KEN公司生產(chǎn)的型號(hào)為SVF-113的變頻器與CA6140/BQ車(chē)床7.5 kW電動(dòng)機(jī)配接。

為保證無(wú)級(jí)變速切削車(chē)床CA6140/BQ在10～1400 r/min間實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)變速，必須對(duì)變頻調(diào)速器的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。具體如下:頻率范圍設(shè)定為6～120 Hz，設(shè)定檔次為 0.5 Hz。

3 控制系統(tǒng)硬件及程序

控制裝置選用西門(mén)子S7-200系列PLC CPU224XPCN，這種型號(hào)的PLC除了帶有輸入輸出點(diǎn)外，還有模擬量輸入點(diǎn)和模擬量輸出點(diǎn)，這一型號(hào)PLC所具有的模擬量模塊，能夠滿(mǎn)足控制電動(dòng)機(jī)的需要。

選用富士UG330H-SS 7.7英寸觸摸屏，觸摸屏是人機(jī)對(duì)話(huà)接口，最初的指令信息要從這里輸入。輸入的信息通過(guò)通訊端口傳送到PLC，經(jīng)運(yùn)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(duì)接收到的模擬量進(jìn)行內(nèi)部運(yùn)算，而后驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)達(dá)到相應(yīng)的轉(zhuǎn)速。程序如下。

TITLE= Network 1//選型 //CPU:226

//MICROMASTER drive(s)and motor(s):MM4 //USS control//電動(dòng)機(jī)極數(shù):2

//變頻器地址:1 //波特率:19200 //轉(zhuǎn)差率系數(shù):0.98

//人機(jī)界面:170B plc端口1 //USS端口:0 // //

Network 2//初始化地址1及參數(shù)

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(shù)整定/根據(jù)變比轉(zhuǎn)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(cuò)誤參數(shù)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(shù)

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(shù)

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(diǎn)參數(shù)

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(xiě)入字參數(shù)

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(xiě)入雙字參數(shù)

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(xiě)入浮點(diǎn)參數(shù)

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(chē)削應(yīng)用實(shí)例

為驗(yàn)證變速車(chē)削方法對(duì)提高零件表面質(zhì)量的作用，本文對(duì)一批某液壓站缸體的端面進(jìn)行了試切，缸體端面的外徑為φ215 mm，內(nèi)徑為φ90H8 mm，表面粗糙度值為1.6μm。由于接近內(nèi)孔處與接近外圓處各點(diǎn)的線(xiàn)速度差異較大，表面粗糙度值不穩(wěn)定，接近內(nèi)孔處常常超差，不能滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。現(xiàn)采用變頻調(diào)速器控制的CA6140/BQ車(chē)床進(jìn)行加工，表面粗糙度值穩(wěn)定，完全滿(mǎn)足了設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié)語(yǔ)

(1)采用變頻調(diào)速器實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)變速是一種調(diào)速優(yōu)良，易于和機(jī)械部分組合，價(jià)格低廉的方法。

(2)采用變頻調(diào)速器控制的無(wú)級(jí)變速切削車(chē)床CA6140/BQ，可明顯提高零件的加工質(zhì)量，降低加工成本。

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