CA6140/BQ无级变速车床主传动系统设计

2010-08-07闫占辉张达巍

制造技术与机床 2010年3期

闫占辉张达巍

(长春工程学院机电学院，吉林长春130012)

变速车削可以提高工件端面加工质量。因为车削速度为

式中:v为切削线速度，m/s;d为切削直径，mm;n为工件转速，r/min。当采用普通车床车削端面时，由于加工过程中n值恒定不变，而d值在不断变化，所以v的大小在不断变化，当v不断减小时，不但会使车削端面粗糙度值增大，而且会加剧刀具的磨损，增加制造成本。在切削加工过程中，如果使切削速度v保持恒定，由金属切削原理可知，可以提高工件表面加工质量。但欲使v不变，必须使dn值不变。而加工回转体零件的端面时，d是不断变化的，因此只有n与d值按相反规律变化才能保证dn值不变，即进行变速切削加工。

1 主传动系统设计

变速车削的主传动系统是在CA6140车床传动系统基础上改造成的。图1是该车床的主轴转速—转矩(功率)特性，转速在10～50 r/min区段为恒转矩区，机床主轴最大输出转矩为1246 N·m;转速在50～1450 r/min区段为恒功率区，其输出功率为6.53 kW。图2为交流变频调速系统当电压补偿量为5%时的电动机转速—转矩(功率)特性图，电动机恒功率变速范围为3360/1450=2.32，电动机转速在450～1450 r/min区段为恒转矩区，其最大输出转矩为46.4 N·m。

分析图1及图2的转速—转矩特性曲线的恒功率区可知，在采用交流变频调速方法调整机床主轴转速时，为使机床主轴在低转速区段(10～50 r/min)获得较大输出转矩1246 N·m，必须使电动机以450 r/min以上转速运转，然后再通过机械减速装置降速。同样，机床主轴转速在50 r/min以上为恒功率输出，电动机转速在1450 r/min以上为恒功率输出，为使电动机的功率特性与机床主轴的功率特性相匹配，电动机轴与机床主轴之间也必须串联一套机械减速装置。根据无级变速传动系统的设计原则，取降速装置的公比Φf等于电动机的恒功率调速范围Rd，则电动机主轴的恒功率范围Rn=ΦfZ-1Rd=ΦfZ，其中Z为减速装置的变速级速。Z=lg Rn/lgΦf=lg Rn/lg Rd=lg(1450/50)/lg2.32=4，取Z=4，则电动机的实际恒功率变数范围Rd=10lg(1450/50)/4=2.3。由 Z=4，Φf=Rd=2.3 所设计的主轴转速分布图及机床主轴转速—转矩(功率)特性分别如图3及图4所示。在图4中Ⅰ轴为电动机轴，Ⅱ轴为输入轴，Ⅲ、Ⅳ轴为传动轴，Ⅴ轴为主轴，图中数字为各传动轴的转速。分析图3、图4可知，该机床在低速时主轴输出转矩较大，高速时输出功率较大，恒功率范围宽，且无功率缺口，满足设计要求。

2 变频器的应用

本文选用日本SAN KEN公司生产的型号为SVF-113的变频器与CA6140/BQ车床7.5 kW电动机配接。

为保证无级变速切削车床CA6140/BQ在10～1400 r/min间实现无级变速，必须对变频调速器的相关参数进行设置。具体如下:频率范围设定为6～120 Hz，设定档次为 0.5 Hz。

3 控制系统硬件及程序

控制装置选用西门子S7-200系列PLC CPU224XPCN，这种型号的PLC除了带有输入输出点外，还有模拟量输入点和模拟量输出点，这一型号PLC所具有的模拟量模块，能够满足控制电动机的需要。

选用富士UG330H-SS 7.7英寸触摸屏，触摸屏是人机对话接口，最初的指令信息要从这里输入。输入的信息通过通讯端口传送到PLC，经运算后PLC输出模拟量，并连接到变频器的模拟量输入端口。变频器对接收到的模拟量进行内部运算，而后驱动电动机达到相应的转速。程序如下。

TITLE= Network 1//选型 //CPU:226

//MICROMASTER drive(s)and motor(s):MM4 //USS control//电动机极数:2

//变频器地址:1 //波特率:19200 //转差率系数:0.98

//人机界面:170B plc端口1 //USS端口:0 // //

Network 2//初始化地址1及参数

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//参数整定/根据变比转换频率

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//错误参数滤除

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//读取字参数

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//读取双字参数

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//读取浮点参数

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//写入字参数

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//写入双字参数

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//写入浮点参数

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 变速车削应用实例

为验证变速车削方法对提高零件表面质量的作用，本文对一批某液压站缸体的端面进行了试切，缸体端面的外径为φ215 mm，内径为φ90H8 mm，表面粗糙度值为1.6μm。由于接近内孔处与接近外圆处各点的线速度差异较大，表面粗糙度值不稳定，接近内孔处常常超差，不能满足设计要求。现采用变频调速器控制的CA6140/BQ车床进行加工，表面粗糙度值稳定，完全满足了设计要求。