设计与研究Ｄｅｓｉｇｎａｎｄ Ｒｅｓｅａｒｃｈ ＣＡ６１４０／ＢＱ无级变速车床主传动系统设计 闫占辉张达巍 （长春工程学院机电学院，吉林长春１３００１２） 摘要：详细论述了无级变速主传动系统设计和ＰＬＣ控制程序设计，变频器在ＣＡ６１４０／ＢＱ无级变速切削 车床中的控制方式、参数设置及与主传动系统的连接，最后结合实例应用阐明了无级变速车削方法 对提高零件表面加工质量的意义。 关键词：变频器；变速切削；零件表面质量 中图分类号：ＴＧ５０２．１ Ｄｅｓｉｇｎ ｆｏｒ Ｍａｉｎ Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍ ｏｆ Ｖａｒｉａｂｌｅ Ｓｐｅｅｄ Ｃｕｔｔｉｎｇ Ｌａｔｈｅ ＣＡ６ １ ４０／ＢＱ ＹＡＮ Ｚｈａｎｈｕｉ，ＺＨＡＮＧ Ｄａｗｅｉ （Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｍｅｃｈａｔｒｏｎｉｅｓ，Ｃｈａｎｇｃｈｕｎ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｃｈａｎｇｃｈｕｎ １３００１２，ＣＨＮ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｄｅｓｉｇｎ ｆｏｒ ｍａｉｎ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ ａｎｄ ＰＬＣ ｐｒｏｇｒａｍ ｏｆ ｓｔｅｐｌｅｓｓ ｖａｒｉａｂｌｅ ｓｐｅｅｄ ｉｓ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ，ａｎｄ ｈｏｗ ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ ｏｆ ＣＡ６ １４０／ＢＱ ｌａｔｈｅ ｉｓ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ，ｉｔｓ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ａｒｅ ｓｅｔ ｕｐ ａｎｄ ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ ｗｉｔｈ ｍａｉｎ ｄｒｉｖｅ ｓｙｓｔｅｍ．Ａｎ ｅｘａｍｐｌｅ ｉｓ ｇｉｖｅｎ ｔｏ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｓｔｅｐｌｅｓｓ ｖａｒｉａｂｌｅ ｓｐｅｅｄ ｃａｎ ｉｍｐｒｏｖｅ ｓｕｒｆａｃｅ ｑｕａｌｉｔｙ ｏｆ ｗｏｒｋｐｉｅｃｅｓ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ；Ｖａｒｉａｂｌｅ Ｓｐｅｅｄ Ｃｕｔｔｉｎｇ；Ｓｕｒｆａｃｅ Ｑｕａｌｉｔｙ ｏｆ Ｗｏｒｋｐｉｅｃｅｓ 变速车削可以提高工件端面加工质量。因为车削 速度为 ＝ｗｄｎ／（６０ Ｘ １ ０００） 大小在不断变化，当 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 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。 式中： 为切削线速度，ｍ／ｓ；ｄ为切削直径，ｍｍ； 为工 件转速，ｒ／ｒａｉｎ。当采用普通车床车削端面时，由于加 但欲使 不变，必须使 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 ｐａｒａｄｉｇｍｓ．Ｉｎｔ．Ｊ．Ｆｌｅｘ．Ｍａｎｕｆ．Ｓｙｓｔ．，２００６，１７：２６１—２７６ ３ Ａｈｍｅｄ Ｍ．Ｄｅｉｆ．Ｗａ￣ｉｈ Ｅ１Ｍａｒａｇｈｙ．Ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｎｇ ｏｐｔｉｍａｌ ｃａｐａｃｉｔｙ 工过程中ｒｔ值恒定不变，而ｄ值在不断变化，所以 的 时其功能的实用性相当于几套甚至十几套传统的单一 产品自动化生产的成套装备；而且还可根据产品及其 工艺的变化，在用户现场能快速重构或布局新的生产 ｓｅａｌａｂｉｌｉｔｙ ｓｃｈｅｄｕｌｉｎｇ ｉｎ ａ ｒｅｃｏｎｆｉｇｕｒａｂｌｅ ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ．Ｉｎｔ．Ｊ． Ａｄｖ．Ｍａｎｕｆ．Ｔｅｃｈｎｏｌ，２００７，３２：５５７—５６２ 线；投资少，维护费用低。 大力发展多功能可重构数控机床自动化成套装备 的设计和制造技术，可使我国机械零件及零部件装备 ４ ＬＡＮＤＥＲＳ Ｒ Ｇ，ＭＩＮ Ｂ Ｋ，Ｋｏｒｅｕ Ｙ．Ｒｅｅｏｎｆｉｇｕｒａｂｌｅ ｍａｃｈｉｎｅ ｔｏｏｌｓ［Ｊ］． ＣＩＲＰ Ａｎｎａｌｓ，２００１，５０（１）：２６９—２７４ ５王宝沛，翟鹏，王丽霞等．汽车零部件可重构自动化制造系统的研 究 制造技术与机床，２００７（３）：３１～３５ 制造业实现跨越式的发展，从制造大国到制造强国的 转变。我们要抓住机遇，依靠自己的力量，充分利用国 ６于捷，申桂香，贾亚洲．数控机床可靠性评价方法的研究．机床与液 压，２００７（１１）：１７４—１７６ 内外现有技术和资源，自主创新，不断探索和研究新的 设计理论，构建以高效率、高精度、高质量、低成本为特 征的自动化加工技术平台。这对增强我国机械零部件 及装备制造业的国际竞争力，有着十分重要的意义。 参考文献 ’ 第一作者：王宝沛，男，研究员，主要从事汽车零 部件加工专用加工技术及设备的研究。 （编辑蟑 号：１０３２３蔡云生） ｜ ｜ 毒 １ Ｓｃｈｕｌｚ．Ｈ．Ｎｅｕｅｒ Ｖｏｒｓｔａｓｓ Ｉｎ Ｄｅｎｖ０１ｅｍ朗ｍａｒｋｔ［Ｊ］．Ｗｅｒｋｓｔａｔｔ ｕｎｄ Ｂｅ— ｔｒｉｅｂ，１９９９，１３２（１２）：２２—２３ ２ Ｈｏｄａ Ａ．Ｅ１Ｍａｒａｇｈｙ．Ｆｌｅｘｉｂｌｅ ａｎｄ ｒｅｃｏｎｆｉｇｕｒａｂｌｅ ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍｓ （收修改稿日期：２００９～０８—０２） 如果您想发表对本文的看法’请将文章编号填入读者意见调查表中的相应位置ｏ～ 规律变化才能保证， 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一转矩 （功率）特性，转速在１０～５０ ｒ／ｒａｉｎ区段为恒转矩区， 机床主轴最大输出转矩为１ ２４６ Ｎ・ｍ；转速在５０～１ ４５０ 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 动机转速一转矩（功率）特性图，电动机恒功率变速范 围为３ ３６０／１ ４５０＝２．３２，电动机转速在４５０～１ ４５０ ｒ／ ａｒｉｎ区段为恒转矩区，其最大输出转矩为４６．４ Ｎ・ＩＴＩ。 至 ＼ ３蕃 罄 岛 臻 主轴转速ｎ／（ｒ／ｍｉｎ） 图１主轴转速一转矩（功率）特性曲线 ｇ ● Ｚ 蔓 ≥ 碍 辞 曼 暴 镰 电动机转速 ／（ ／ｒａｉｎ） 图２电动机转速一转矩（功率）特性图 分析图１及图２的转速一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／ｒａｉｎ）获得 较大输出转矩１ ２４６ Ｎ・Ｉｌｌ，必须使电动机以４５０ ｒ／ｒａｉｎ 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／ｒａｉｎ以上为恒功率输出，电动机 转速在１ ４５０ 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 ，等 于电动机的恒功率调速范围Ｒ ，则电动机主轴的恒功 率范围Ｒ ： ， Ｒ ＝ ， ，其中ｚ为减速装置的变速 ｉ 面： …ｌｕ平币。州喜 Ｄｅｓｌｇｎａｎｄ Ｒｅｓｅａｒｃｈ设计与研究 级速。Ｚ：ｌｇＲ ／ｌｇ ｒ：ｌｇＲ ／ｌｇＲｄ：ｌｇ（１ ４５０／５０）／ｌｇ２．３２ ＝４，取Ｚ＝４，则电动机的实际恒功率变数范围Ｒ ＝ １０ 。 ＝２．３。由ｚ＝４， ，＝ ＝２．３所设计的主 轴转速分布图及机床主轴转速一转矩（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。 宣 ● 至 Ｚ 料 督 簿 书 黎 薅 主轴转速”／（ｒ／ｍｉｎ） 图３主轴转速一转矩（功率）特性曲线 —～ ～—１ ８８６ ｊ 、、～ 、～ —＼ ＼ 曼 ——～ —～ 暑 ＼ ——～—～ ＼ ＼ ＼ ＼ 、 ＼Ⅱ Ⅲ Ⅳ ＼＼ 暴 ÷Ｈ Ｖ 图４轴转速分布图 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～ １ ４００ ｒ／ｒａｉｎ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 ・ ８７ ・ 设计与研究 外，还有模拟量输入点和模拟量输出点，这一型号ＰＬＣ ＬＤ Ｍ２．６ Ｉ ０．０ ＬＤ Ｍ２．６ ＥＵ ＝Ｉ ３．７ ＬＤ Ｉ Ｏ．Ｏ 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 ＣＡＬＬ ＳＢＲ５６，Ｌ６３．７，１，ＶＷ２０２，ＶＷ２０４，ＶＤ３１２，＆ＶＢ１２００ Ｖ５１．４，ＶＢ６４ Ｎｅｔｗｏｒｋ １ １／／写入浮点参数 Ｉ Ｄ 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 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 ／／ＭＩＣＲ０ＭＡＳＴＥＲ 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 ＳＢＲＳ０，１，１９２００，１６＃０２，Ｑｏ．ｏ，ＶＢ０ ＭＯＶＲ ０．０，ＶＤＩ６０ ＭＯＶＲ ０．０，ＶＤＩ６４ ＭＯＶＲ ０．０，ＶＤ１７０ ＭＯＶＲ ０．０，ＶＤ１ ７４ Ｎｅｔｗｏｒｋ ３／／参数整定／根据变比转换频率 Ｉ Ｄ ＳＭ０．０ Ａ Ｍ０．０ ＥＵ ＡＮ １０．０ ＭＯＶＲ ＶＤ１５０，ＶＤＩ６０ ＭＯＶＲ ＶＤ１５４，ＶＤ１６４ ＭＯＶＲ ＶＤ１６４， ＶＤ１７０ ／Ｒ ＶＤ１６０，ＶＤＩ７０ ＭＯＶＲ ＶＤ１７０，ＶＤＩ７４／Ｒ ２９．４，ＶＤＩ７４ Ｎｅｔｗｏｒｋ ４／／错误参数滤除 ＬＤＲ＜＝ＶＤ１７４，１５０．０ ＡＲ＞＝ＶＤＩ７４，２．０ ＭＯＶＲ ＶＤＩ７４， ＶＤ１００／Ｒ ２９．４，ＶＤ１００ Ｎｅｔｗｏｒｋ ５ Ｉ Ｄ ＳＭ０．０ ＝Ｌ６０．０ ＬＤ １０．０ ＝Ｌ６３．７ ＬＤ Ｍ０．５ ＝Ｌ６３．６ ＬＤ ＭＯ．６ ＝Ｌ６３．５ ＬＤ １０．３ ＝ＩＪ６３．４ ＬＤ １０．４ ＝Ｌ６３．３ ＬＤ Ｌ６０．０ ＣＡＬＬ ＳＢＲ５１，Ｌ６３．７，Ｉｆ３３．６，Ｌ６３．５，Ｌ６３．４，Ｌ６３．３，０，ＶＤ１００， Ｖ５０．０，ＶＢ］，ＶＷ２，ＶＤ４，Ｍ０．４，Ｍ０．Ｉ，Ｍ０．２，Ｍ０．３ Ｎｅｔｗｏｒｋ ６／／读取字参数 ＬＤ Ｍ１．５ ＝Ｌ６０．０ ＬＤ Ｍ１．５ ＥＵ ＝Ｉ ３．７ ＬＤ Ｌ６Ｏ．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，Ｌ／５３．７，１，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，Ｔ６３ ７，ｌ，ＶＷ２Ｏ２，ＶＷ２０４，＆ＶＢ１１００，Ｖ５１．２ ＶＢ６２，ＶＤ３０６ Ｎｅｔｗｏｒｋ ９／／写入字参数 ＬＤ Ｍ２．５ ＝Ｌ６０．０ ＬＤ Ｍ２．５ ＥＵ ：Ｅ６３．７ ＬＤ Ｌ６０．０ ＣＡＬＬ ＳＢＲ５５，Ｌ６３ ７，Ｉ，ＶＷ２０２，ＶＷ２０４，ＶＷ３１０，＆ＶＢ１１５０ Ｖ５１．３．ＶＢ６３ Ｎｅｔｗｏｒｋ １ ０／／写入双字参数 ・ ８８ ・ 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６２１５ ｍｍ，内径为￣ｂ９０Ｈ８ ｍｍ，表面粗糙 度值为１．６ ｍ。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。 ５ 结语 （１）采用变频调速器实现无级变速是一种调速优 良，易于和机械部分组合，价格低廉的方法。 （２）采用变频调速器控制的无级变速切削车床 ＣＡ６１４０／ＢＱ，可明显提高零件的加工质量，降低加工成 本。 参考文献 １赵春．车用三轴带式无级变速器的研究［Ｊ］．拖拉机与农用运输车， ２００９（２）：９７～９８ ２周美兰，王旭东，周永勤．无级变速汽车动力传动系统控制策略研究 ［Ｊ］．哈尔滨工业大学学报，２００９（３）：２１７ ２２０ ３杨冬生．无级调速在普通台钻上的研究与应用［Ｊ］．机械设计与制 造，２００７，（１０）：１１２～１１３ ４严人杰．数控机床主旋转运动无级调速传动设计［Ｊ］．科技咨询导 报，２００７（２９）：２２５ ５胡永红．遥控靶车无级调速控制系统的实现［Ｊ］．计算机测量与控 制，２００５（７）：６９１—６９２，７０９ 第一作者：闫占辉，男，１９６８年生，副教授，工学博 士，中国机械５－程学会高级会员，吉林省机械工程学会 理事，主要研究机械系统动力学与精密加工。公开发 表论文约３０篇，Ｅｌ Ｃｏｍｐｅｄｅｘ检索４篇，编写教材４ 本。 （编辑余捷） （收稿日期：２００９—０８—０３） 文章编普：１０３２４ 簟 。 如果您想发表对本文的看法，请将文章编号填入读者意见调查表中的相应位置 皂 鏊 ２０１０年第３期