第1章 CA6140卧式车床机电传动与控制 本章要点： CA6140卧式车床电气控制的实现。 CA6140卧式车床主轴箱机械传动的实现。 　　 技能目标：　　 熟知各电气元件在控制电路中的作用。 会设计车床电气控制柜。 会进行车床电气故障的诊断与维修。 会拆卸、清洗、组装主轴箱。 　　 项目案例导入　　 　　CA6140卧式车床是典型的机械加工设备之一，可以实现多种转速的输出，可以车削内外圆柱面、圆锥面、环形槽、回转体成形面和各种螺纹，还可以进行钻中心孔、钻孔、扩孔、铰孔、攻螺纹、套螺纹和滚花等工作。那么 CA6140卧式车床怎样实现其机械运动呢？又通过怎样的电气电路来进行运动控制呢？下面通过本章的项目逐步进行剖析。 1.1 CA6140卧式车床机电传动与控制项目说明 1. 项目目的 　　(1) 掌握各电气元件在控制电路中的作用。 　　(2) 掌握车床电气故障的诊断及维修方法与技巧。 　　(3) 掌握主轴箱结构。 　　(4) 掌握设计电气控制柜的基本思路和设计要点。 2. 项目条件 　　(1) 能拆卸和组装的CA6140卧式车床裸机。 　　(2) 与CA6140卧式车床配套的电气控制柜或实验电气控制柜。 3. 项目内容及要求 　　根据所学知识，首先进行电气控制柜的设计，然后制作电气控制柜，实现电气控制柜与机床的对接，并调试成功。 1.2 基 础 知 识 　　CA6140卧式车床是机械制造业中金属切削机床的装备之一，车床的运动部分决定了车削加工功能的实现。车床的运动部分包括执行件、运动源和传动装置三个基本部分。执行件是车床运动的执行部件，其作用是带动工件和刀具，使之完成一定形式的运动并保持正确的轨迹，如车床主轴、刀架等；运动源是车床运动的来源，它向运动部分提供动力，如交流电动机；传动装置是传递运动和动力的装置，它将运动源的运动和动力传给执行件，并完成运动形式、方向、速度的转换等工作，从而在运动源和执行件之间建立起运动联系，使执行件获得一定的运动，如车床主轴箱。 1.2.1 CA6140卧式车床的机械结构 　　CA6140卧式车床的主要结构如图1-1所示，主要由床身、主轴变速箱(主轴箱)、挂轮箱、进给箱、溜板箱、溜板与刀架、尾座、光杠和丝杠等部分组成。 图1-1 CA6140卧式车床结构 1-进给箱；2-挂轮箱；3-主轴变速箱；4-溜板与刀架； 5-尾座；6-丝杠；7-光杠；8-床身；9-溜板箱 1. 主轴箱 　　CA6140卧式车床的主轴箱是一个比较复杂的运动部件，其结构如图1-2所示。包括箱体、主轴部件、传动机构、操纵机构、换向装置、制动装置和润滑装置等，其功用在于支承主轴部件和传递运动。 　　1) 主轴部件 　　主轴部件是主轴箱最重要的部分，由主轴、主轴轴承和主轴上的传动件、密封件等 组成。 图1-2 CA6140卧式车床主轴箱结构 1-花键套；2-带轮；3-法兰；4-主轴箱体；5-钢球；6、10-齿轮； 7-销；8、9-螺母； 11-滑套；12-羊角摆块；13-制动盘；14-制动带； 15-齿条；16-拉杆；17-拨叉；18-扇形齿轮；19-键 　　 　　主轴前端可安装卡盘，用以夹持工件，并由其带动旋转。主轴的旋转精度、刚度和抗震性等对工件的加工精度和表面粗糙度有直接影响，因此对主轴部件的要求较高。 　　CA6140卧式车床的主轴是一个空心阶梯轴，其内孔用于通过棒料或卸下顶尖时所用的铁棒，也可用于通过气动、液压或电动夹紧驱动装置的传动杆。主轴前端有精密的莫氏6号锥孔，用来安装顶尖或心轴，利用锥面配合的摩擦力直接带动心轴和工件转动。主轴后端的锥孔是工艺孔。 　　主轴轴承的润滑由润滑油泵供油，润滑油通过进油孔进入轴承，并带走轴承运转所产生的热量。为了避免漏油，前后轴承均采用了油沟式密封装置。主轴旋转时，依靠离心力作用，将经过轴承向外流出的润滑油甩到轴承端盖的接油槽里，然后经过回油孔流回主轴箱。 　　主轴上装有三个齿轮，前端为斜齿圆柱齿轮，可使主轴传动平稳，传动时齿轮作用在主轴上的轴向力与进给力方向相反，因此可以减少主轴前支承所承受的轴向力。主轴前端安装卡盘。 　　2) 开停、换向及制动操纵机构 　　CA6140卧式车床采用双向多片式摩擦离合器实现主轴的开停和换向，如图1-3所示。离合器由结构相同的左右两部分组成，左离合器传动主轴正转，右离合器传动主轴反转。摩擦片有内外之分，且相间安装。如果将内外摩擦片压紧，产生摩擦力，则轴的运动就通过内外摩擦片带动空套齿轮旋转；反之，如果松开，则轴的运动与空套齿轮的运动不相干，内外摩擦片之间处于打滑状态。正转用于切削，需传递的扭矩较大，而反转主要用于退刀，所以左离合器摩擦片数较多，右离合器摩擦片数较少。 图1-3 CA6140卧式车床开停、换向及制动操纵机构 1-双联齿轮；2-齿轮；3-羊角摆块；4-滑套；5-制动杠杆；6-钢带；7-手柄；8-操纵杆； 9-杠杆；10-连杆；11-摆杆；12-转轴；13-扇形齿轮；14-齿条轴；15-拨叉；16-拉杆 　　 　　内外摩擦片之间的间隙可以调整，如果间隙过大，则压不紧，摩擦片打滑，车床动力显得不足，工作时易产生闷车现象，且摩擦片易磨损；反之，如果间隙过小，则启动时费力，停车或换向时，摩擦片又不易脱开，严重时会导致摩擦片被烧坏。由此也可看出，摩擦离合器除了可传递动力外，还能起过载保险的作用。当机床超载时，摩擦片会打滑，于是主轴就停止转动，从而避免机床损坏。所以,摩擦片之间的压紧力是根据离合器应传递的额定扭矩来确定的，并可用拧在压套上的螺母4和7来调整，如图1-4所示。 　　3) 制动装置 　　制动装置的作用是克服车床停车过程中主轴箱内各运动件的惯性，使主轴迅速停止转动，以缩短辅助时间。CA6140卧式车床采用闸带式制动器进行制动，如图1-5所示，调节螺钉5用来调整制动带6的松紧程度。注意调整松紧要合适，以使停车时主轴能迅速停止、而开车时制动带能完全松开为宜。 　　4) 六速操纵机构 　　六速操纵机构如图1-6所示，它用一个手柄同时操纵传动Ⅱ轴上的双联滑移齿轮和传动轴Ⅲ上的三联滑移齿轮。转动操作手柄9，通过链条8使轴7上的曲柄5和凸轮6转动，曲柄5上装有拨销4，在拨销4的伸出端上装有滚子，此滚子嵌入在拨叉3的长槽中。曲柄带着拨销做偏心运动时，可带动拨叉使传动轴Ⅲ上的三联滑移齿轮2做轴向位移。凸轮6的曲线槽经圆销10通过杠杆11和拨叉12，可使传动轴Ⅱ上的双联滑移齿轮发生位移，即曲柄5和凸轮6可以形成六种变速位置。 图1-4 CA6140卧式车床双向多片式摩擦离合器装置 1-双联齿轮；2-内摩擦片；3-外摩擦片；4、7-螺母；5-套；6-长销； 8-齿轮；9-拉杆；10-滑套；11-销轴；12-羊角摆块；13-拨叉 图1-5 CA6140卧式车床制动装置 1-箱体；2-齿条轴；3-杠杆支承轴；4-杠杆；5-调节螺钉；6-制动带；7-制动轮；8-制动轴 图1-6 CA6140卧式车床六速操纵机构 1-双联齿轮；2-三联滑移齿轮；3、12-拨叉；4-拨销；5-曲柄；6-凸轮； 7-轴；8-链条；9-操作手柄；10-圆销；11-杠杆；Ⅱ、Ⅲ-传动轴 2. 溜板箱 　　溜板箱的作用是将丝杠或光杠传来的旋转运动转变为直线运动并带动刀架进给；控制刀架运动的接通、断开和换向；机床过载时控制刀架停止进给；手动操纵刀架移动和实现快速移动。 　　溜板箱中设有以下机构：接通丝杠传动的开合螺母机构；将光杠的运动传至纵向齿轮齿条和横向进给丝杠的传动机构；接通、断开和转换纵、横向进给的转换机构；保证机床工作安全的过载保险装置和互锁机构；控制刀架运动的操纵机构；改变纵、横向机动进给运动方向的换向机构；快速空行程传动机构。 　　1) 纵、横向进给操纵机构 　　纵、横向进给操纵机构如图1-7所示，它用一个手柄集中操纵纵、横向进给运动的接通、断开和换向，手柄拨动方向与刀架移动方向一致。当向左或向右拨动手柄1时，手柄座3绕销轴2转动，手柄座下端的开口槽通过球头销4使轴5做轴向移动，经过杠杆11和连杆12使凸轮13转动，凸轮上的曲线槽通过圆销14使拨叉轴15及拨叉16做前后移动，进而使离合器M8发生位移，从而与轴XXII上的任一空套齿轮啮合，于是纵向进给运动连通，刀架相应地向左或向右移动。 　　2) 开合螺母机构 　　开合螺母机构如图1-8所示，它由上下两个半螺母4、5组成，装在溜板箱体后壁的燕尾导轨中，可以上下移动。上下半螺母背面各装有一个圆柱销6，其伸出部分分别嵌在圆盘7的曲线槽中。扳动手柄1，通过轴2使得圆盘7逆时针旋转时，曲线槽使两圆柱销靠近，带动上下螺母合拢与丝杠啮合，刀架便由丝杆螺母经溜板箱传递进给；当圆盘7顺时针旋转时，两个半螺母分开，与丝杠脱离啮合，刀架停止进给。 图1-7 CA6140卧式车床纵、横向进给操纵机构 1、6-手柄；2、21-销轴；3-手柄座；4、9-球头销；5、7、23-轴；8-弹簧销； 10、15-拨叉轴；11、20-杠杆；12-连杆；13、22-凸轮；14、18、19-圆销； 16、17-拨叉；M8、M9-离合器；a-凸骨；XXII、XXV-轴 　　 　　3) 互锁机构 　　车床工作时，为避免因操作失误引起丝杠传动和纵、横向进给机构同时接通，在溜板箱中设有互锁机构，即保证开合螺母合上时，纵、横向进给运动不能接通。互锁机构通过开合螺母操纵轴7上的凸肩a、轴5上的球头销与弹簧销8、支承套24等来实现功能，如图1-9所示。当没有互锁时，图1-7中手柄1可以在前、后、左、右任意位置接通相应的进给运动。在图1-7中，当扳动手柄6使开合螺母合上时，轴7顺时针转过一个角度，凸肩a嵌入轴23的槽中，将轴23卡住，不能运动。同时，凸肩a又将装在支承套24横向孔中的球头销9压下，使其下端插入轴5的孔中，将轴5卡住，使得不能左右移动，即此时，纵、横向进给运动都被锁住；反之，接上纵、横向进给运动后，侧开合螺母不能 合上。 图1-8 CA6140卧式车床开合螺母机构 1-手柄；2-轴；3-轴承套；4-下半螺母；5-上半螺母； 6-圆柱销；7-圆盘；8-定位钢球；9-销钉；10、12-螺钉；11-平镶条 图1-9 CA6140卧式车床互锁机构 图1-9 CA6140卧式车床互锁机构(续) 5-轴；7-操纵轴；8-弹簧销；9-球头销；23-轴；24-支承套 　　 1.2.2 CA6140卧式车床运动形式及传动系统分析 　　为了便于了解和分析车床的传动情况，通常利用车床的传动系统图来论述。车床的传动系统图是表示车床全部运动传动关系的示意图。 1．CA6140卧式车床运动形式 　　CA6140卧式车床的主运动是指主轴通过卡盘或顶尖带动工件旋转，主轴承受车削时的主要切削力；进给运动是溜板带动刀架直线移动，使刀具移动以切削金属。进给运动消耗的功率很小，主运动和进给运动都由主轴电动机拖动。主轴电动机的动力由三角皮带、主轴变速箱传递到主轴，实现主轴的旋转，通过挂轮箱传递给进给箱来实现刀具的纵向和横向进给。 　　主轴一般只要求做单向旋转，加工螺纹时要求的主轴反转是由操作手柄通过机械的方法来实现的，所以主轴电动机只需要单方向旋转。主轴的转速通过手柄调节主轴变速箱实现，电动机不需要调速。 　　辅助运动中，刀架的快速移动由一台电动机拖动，冷却泵由一台电动机带动实现刀具切削时的冷却，尾座的移动和工件的装配的由人工来操作。 2．CA6140卧式车床传动系统分析 　　车床加工过程中，一个运动对应一条传动链，所有这些传动链与它们之间的相互联系组成了一台车床的传动系统。CA6140卧式车床的传动系统如图1-10所示。 　　CA6140卧式车床传动系统的传动链有：实现主运动的主传动链，实现螺纹进给运动的螺纹进给传动链，实现纵向进给运动的纵向进给传动链，实现横向进给运动的横向进给传动链，实现刀架快速退离或趋近工件的快速空行程传动链。 图1-10 CA6140卧式车床的传动系统 　　1) 主传动链 　　(1) 传动路线。如图1-10所示，CA6140卧式车床的主运动是由主电动机经三角皮带传至主轴箱中的轴Ⅰ，轴Ⅰ上装有一个双向多片式摩擦离合器M1，用以控制主轴的启动、停止和换向。轴Ⅰ的运动经离合器M1和轴Ⅱ-Ⅲ间的变速齿轮传至轴Ⅲ，然后分两路传递给主轴。 　　① 高速传动路线。主轴Ⅵ上的滑移齿轮Z50处于左边位置，运动经齿轮副直接传给主轴。 　　② 中低速传动路线。主轴Ⅵ上的滑移齿轮Z50处于右边位置，且使齿式离合器M2接合，运动经轴Ⅲ-Ⅳ-Ⅴ间的背轮机构和齿轮副传给主轴。 　　(2) 主轴的转速级数与转速计算。根据传动系统图和传动路线表达式，主轴正转可获得24级不同转速，主轴反转可获得12级不同转速。 　　主轴反转一般不用来进行车削，而是为了在车螺纹时使刀架在主轴与刀架之间的传动链不脱开的情况下退回至起始位置，以免下次走刀发生"乱扣"现象。同时，为了节省退刀时间，主轴反转转速高于正转转速。 　　传动路线表达式如下： 　　2) 螺纹进给传动链 　　如图1-10所示，CA6140卧式车床的螺纹进给运动传动链可以保证机床车削公制、英制、模数制和径节制四种标准螺纹。 　　车削公制螺纹时，进给箱中的离合器M3、M4脱开，M5接合。其运动由主轴Ⅵ经齿轮副，轴Ⅸ-Ⅺ间的左右螺纹换向机构，挂轮，传至进给箱的轴Ⅻ，然后再经齿轮副，轴XIII -ⅪⅤ间的滑移齿轮变速机构(基本螺距机构)，齿轮副传至轴ⅩⅤ ，接下去再经轴 ⅩⅤ -ⅩⅦ 间的两组滑移齿轮变速机构(增倍机构)和离合器M5传动丝杠XVIII 旋转。合上溜板箱中的开合螺母，使其与丝杠啮合，便带动刀架纵向移动。 　　螺纹进给运动传动路线表达式如下。 　　其中：为轴XIII -ⅪⅤ间变速机构的可变传动比，共8种：26/28、28/28、32/28、36/28、19/14、20/14、33/21、36/21，即6.5/7、7/7、8/7、9/7、9.5/7、10/7、11/7、12/7，它们近似按等差数列规律排列，是获得各种螺纹导程的基本机构，故通常称为基本螺距机构或基本组；为轴ⅩⅤ -ⅩⅦ 间变速机构的可变传动比，共四种：28/35×(35/28)、28/35× (15/48)、18/45×(35/28)、18/45×(15/48)，即1、1/2、1/4、1/8，它们按倍数关系排列，用于扩大机床车削螺纹导程的种数，一般称为增倍机构或增倍组。 　　3) 机动进给传动链(纵向进给传动链和横向进给传动链) 　　实现一般车削时刀架机动进给的纵向和横向进给传动链，由主轴至进给箱中轴ⅩⅦ 的传动路线与车公制或英制常用螺纹的传动路线相同，其后运动经齿轮副传至光杠ⅪⅩ (此时离合器M5脱开，齿轮Z28与轴ⅪⅩ 上的齿轮Z56啮合)，再由光杠经溜板箱中的传动机构分别传至光杠齿轮齿条机构和横向进给丝杠ⅩⅩⅦ ，使刀架做纵向或横向机动进给。 　　纵向机动进给传动路线表达式如下。 　　 　　溜板箱中双向牙嵌式离合器M8、M9和齿轮传动副组成的两个换向机构，分别用于变换纵向和横向进给运动的方向。利用进给箱中的基本螺距机构和增倍机构以及进给传动链的不同传动路线，可获得纵向和横向进给量各64种。 　　纵向和横向进给传动链的两端件的计算位移如下。 　　纵向进给：主轴转一转→刀架纵向移动f纵(单位：mm)。 　　横向进给：主轴转一转→刀架横向移动f横(单位：mm)。 　　4) 刀架快速空行程传动路线 　　刀架快速移动是使刀具机动地快速退离或接近加工部位，以减轻工人的劳动强度并缩短辅助时间。当需要快速移动时，可按下快速移动按钮，装在溜板箱中的快速电动机(0.25kW，2800r/min)的运动便经齿轮副传至轴ⅩⅩ ，然后再经溜板箱中与机动进给相同的传动路线传至刀架，以实现纵向和横向的快速移动。 　　为了节省辅助时间及简化操作，在刀架快速移动过程中光杠仍可继续传动，不必脱开进给传动链。这时，为了避免光杠和快速电动机同时传动，导致轴ⅩⅩ 损坏，在齿轮Z56 及轴ⅩⅩ 之间装有超越离合器，以避免二者发生的矛盾。