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In to a of we of in C of A/ D of 3 , in 2 a on in it in 1 :(1) (2) to a in is of to to is a We 2 4 , 2 , 998of in we of we on we on of we of is to We in of 1 T S , , R T. in 1997 , 4 (13) : 95 2 , . 1997 , (13) : 273 L , X , J . 1977 , (8) : 2714 B , Q , . 1995 , (6) : 535 P , K , . 1996 , (26) : 956 J L , W A. 1996 , (29) : 159 7 L , H. of 1995 , (10) : 36 8 D. 19909 , . 1995 ,(10) : 20810 S , , . 1996 ,(12) : 26611 A , 1988 , 37 (1) :39312 C , . 1995 , (6) :389 966 , in 993. is in a 32“ . MS in 03 4 , 2 , 998 1 基于微机的在线循环检测系统研究 哈尔滨工业大学 刘晓胜 周爽 王 浩宇 马玉林 摘要 在一个简短评论 普通 检测 系统的方法之后 , 这篇论文 描 述了一种计算机和数控加工中心之间通讯的方法。基于这些，这篇论文着 重说明在线循环测量为加工精度的方法， 提供一种改进机械加工工序的方法以达到按照加工过程来随即控制改变参数，并且探讨执行进程中相应的误差补偿给在线循环检测的技术。实验的结果显示这种构架设计是成功的，操作是可行的。今天这种系统非常流行。 关键 词 : 检测 检测器 补偿 在线循环检测 在线 质量控制 加工过程 1、引言 在许多先进的加工系统中，加工过程的在线质量控制被认为是必要的，例如，柔性加工系统（ 计算机综合加工系统（ 敏捷加工系统（ 等。并且在不久的将来这些都将依赖整体加工系统的技术基础 。为了能进行在线质量控制，在过去的几十年里人们为机械加工过程发明 了许多检测系统和进行了一些补偿的设计，其中一些达到了工业产品的要求。当然， 一些仅仅是在实验室中得到的，很少能实现 坐标误差补偿。 像一些新的先进的技术的出现，比如网络技术，模糊控制，混乱理论，微波理论等等，一些新型的检测系统蕴 含了那些在实际加工过程中发展和表现作用较好的技术，这些系统通常是由探测子系统，检测子系统和错误诊断子系统组成。在这篇论文中，由探测子系统，检测系统，诊断系统，补偿系统所完整构成的框架在磨削 /钻床加工中心中引导程序，我们称之为基于微机的智能检测补偿系统（ ,并且其中详细的工具都已给出。正像这个系统的一部分，在线循环检测子系统是极其重要的子系统，并且基于高精度测头和线性光栅传感器的在线循环检测子系统是在现在技术条件下对加工过程一种行之有效的方法。在这篇论文中，我们着重描述在线循环检测装置对质量控制 的作用。首先，给出检测计算机和加工中心之间的一种通讯方式，这是以后工作的硬件基础。在这些基础之上，我们着重注意实施坐标误差补偿的特定作用和改进随即控制参数的操作条件，比如主轴转速（切削速度），进给速度和切削深度，这些都与刀具磨损有密切关系以及对零件表面质量和坐标精度都有很大的影响。这些系统的基本框架如图 1 所示。 2 图 1 镗铣加工中心的在线质量控制系统原理图 2、 微 机与加工中心的通讯 随着软硬件技术的快速发展，微机在各种工业生产中得到广泛应用。在 柔性加工系统（ 计算 机综合加工系统（ 敏捷加工系统（ 或类 似的系统中，计算机之间的通讯是最基础的，通讯技术相对成熟。然而 计算机与加工中心 (或数控机床 )的通讯却并不容易， 因为绝大部分加工中心并不是为网络通讯而设计的。尽管大部分加工中心都有一个与计算机数字控制器 (连的串行 口 (但此接 口 只能用于传输加工程序代码，绝大多数情况下不能传输控制指令。因此，为实现计算机与加工中心通讯，必须开发专用的通讯接 口 单元。我们的实验是在 0L 加工中心上完成的，其原理如图 2 所示。针对这台加工中心开发的专用通讯接 口 单元 (以下两部分组成。 图 2 计算机与加工中心的并行和串行通讯 高性能、多功能数据采集卡 (研华， ， 100 A/ D 转换频率，16 路单端输入或 8 路差分输入， 32 通道 数字 输入输出 ):它主 要用来 收集加工中心在整个加工过程中的传感器信号， 传输 32 位数字 输入 /输出信号，并能接收触发测头的中断信号。 专用通讯接口单元 :这是我们自己开发的通讯接口单元，它能实现诸 如信号隔离、信号传递、信号变换等 功能 。 3 微机通过专用通讯接口单元和加工中心的串行口 ( C)，可以实现如下功能 : 仿真加工中心控制台 ； 加载工件加工程序 ； 启动和停止加工中心运行 ； 动态设置加工控制参数 ； 驱动测头运行，实现循环检测 ； 驱动刀具切削实施坐标误差补偿。 一般地，基于加工中心控制台的控制码是可以转换成计算机能 识别的码，同时可以仿效机械操作台，并且程序可以控制加工步骤。尽管机床一般不能让计算机的 专用通讯接口单元所彻底控制，但是其中绝大多数重要的操作均是由计算机管理的。 3、 在线循环 测量 和补偿 系统 测量是产品加工过程中质量控制的关键一环。 虽然在自动系统中，许多方法均达到了在线或随时检测，但是一些缺陷通常在这些系统中存在。例如，在应用有一个触头触发的坐标测量仪探测坐标检查中限制了部分部件要用硬质材料制成，比如钢，然而在在线检测是很难令人满意的，因为检测部件必须固定在加工刀具上。间接测量法意味着基于综合激光或者负载连接装置，这在实际的加工条件下，通常是不适应的和困难的。虽然先进的加工中心都装备了接触性测量系统，但是这在连接计算机的加工中心中不容易把刀具转换成零件的长度信息。 动测 头或刀具运行 为了能使计算机去管理驱动测头或刀具运行，我们设计出一个专门通讯接口卡（ ,其基础是执行在线循环检测和随时随即补偿坐标误差，它包括以下几个方面： 为测头或刀具选择改变 x/y/z 坐标。 驱动测头或刀具以先前设定的坐标系的方向快速移动。 驱动测头或刀具在先前设定的坐标系方向上以最小的脉冲信号缓慢进给。 获得 到换向信号后，改变测头运行的方向，并且在相反的方向上运行一小段距离，以防止测头远离检测部件而损坏。 改变主轴转速以提高加工条件。 改变进给速度以达到上步骤的效果。 专门通讯接口卡的硬件结 构如图 3 所示。 4 图 3 专门通讯接口卡的硬件结构 长度检测 基于 循环测量 (指当工件装夹于工作台上 ，数控机床在完成某项加工工序后，自动进行相关尺寸测量，并将测量结果反馈给控制器 。 这种自动测量 包括自动工件安装定位，刀具安装和刀具状态监控。 基于微机的循环测量系统 (由以下 几 个部分组成 ： a 接触测头传感器 :当它与工件接触时，发出一开关信号 ； b X/ Y 方向直线位移光栅传感器及相关一次仪表 ( ， 中国科学院制 ):用于记录 X/ Y 方向坐标值，并以 形式传递给计算机 ； c 光栅传感器并行接 口 (研华， 32 路 接 口 板 )： 用于将来自光栅的尺寸信息传输给控制计算机 ； d 专用通讯接 口 (自动设计与开发 )： 根据控制计算机的指令，驱动测头运动，完成计算机与加工中心之 间 的信号传递 ； e 微机及相关测量用软件 :用来模拟加工中心控制台并控制加工中心运行。它是基下微机的智能检测监控系统的核心。整个循环检测系统的结构原理如 图 4 所示。 5 图 4 数控机床上的循环测量和补偿系统 从图 4 我们可以很容易看出， 当测头移动过程中遇到工件时，测头就会发出一个触发信号给测头接 口 电路，该电路通过 从触发器滤掉机械抖动噪声信号，并将信号传递给专用通讯接 口 卡 (通过该接 口 ，计算机收到测头触发信号，并立即从光栅传感器接 口 读取此刻坐标 (产品尺寸 )信息。同时，专用通讯接口 卡自动驱动测头反向运动一微小距离，使测头与工件分离，避免移动测头时划伤测头。在驱动测头移动时，通过该卡，计算机可以指定测头运动路径，并能根据测头当前位置和工件位置 之 间 的距离动态确定测头移动速度。因此通过该系统，可以实现产品的两坐标尺寸自动测量、公差偏离检查、精加工进给量的决定等。 3. 3 长度补偿 在当前的技术条件下，实施随时随即的长度误差补偿是很困难的，是因为运行中 的 数控机床是很难准确检测到长度误差和更改加工程序的。 当发现长度误差超出了在线循环检测菜单所规定的限度， 我们必须决定是否去除。如果先前去除的材料太大，长度误差不能被任何操作所补偿，因此我们只能抛弃这个零件以减少浪费的时间。假如不是这种情况，系统会依据检测的结果和零件的几何形状，自动地建立加工参数和生成长度误差补偿程序。之后，系统重新执行补偿程序。当我们仿制合适的夹具，并且评定夹具的可行性，则对夹具的即时补偿也会得到合适的补偿。当然，补偿的方式仅仅是在某些程序起作用。 4、 在线检测系统 加工过程中 ，总体加工过程中的每一步都有许多因素影响零件的最终质量。在进行无数次的产品质量的实验研究之后，我们发现刀具磨损，噪音 和工件温度对零件的表面粗糙度和长度误差有很大的影响。因此，继续深入评估刀具磨损，鉴定噪音和检测工具温度是一项重要的大工程。在线检测系统如图 5 所示。它们是建立在长度误差补偿和改变控制参数的基础之上。 6 图 5 数控加工中心的在线检测系统 重信号的综合 一方面，电流传感器可以很容易地挑选出主轴驱动电流信号和进给驱动电流信号。通常这些信号都与刀具磨损和工件振动有联系，并且被振动传感器挑选的振动信号也包含刀具磨损和噪音。使用这两种不同的信号评定刀具磨损和噪音的错误率就会很快的减少。因此，在我们的实验 系统中，我们使用三个电流传感器（一个用作主轴驱动电流，另外两个用作 x 轴与 y 轴的进给驱动电流）和两个振动传感器（ 工件的 x 轴与 y 轴方向 ）。另一方面，很高的切削 速度产生的热变形有时使工件在一定程度上变成有缺陷的零件。为了保持稳定的进程条件和调整加工过程的参数，我们检测整个过程中加工中心油箱内油温的变化。将所有的三个信号是被成功地转换到过滤器、放大器、 A/D 转换器和计算机 ， 并且微波转换从传感器的信号中获得这些信号，这些都建立在实际的进程之上。在另一篇论文中我们详细介绍这些软件。 音控制 噪音在表面粗糙度和 工件的长度精度方面有很大的作用，并且在一些极端情况，它可能导致破坏刀具和工件。传统的噪音控制进程包括以下步骤： （ 1） 检测噪音之后立即停止进给和主轴转动。 （ 2） 改变进程参数以促进带来有利的运转情况。 当人工智能诊 断系统在我们的实验系统中检测到一个不可描述的噪音存在在加工进程中 ，系统通过专门通讯接口卡立即结束了这个异常的切削进程，这就意味着原来的主轴转速是不可改变的。之后，人工智能诊断系统重新设置了新的进程控制参数（切削速度、进给量、切削深度），依据进给的动力学模型经过计算后，优化运转情况。 5、 结束语 7 这主要是一个复杂的实验系统。我们进行研究，并且在 1996 年早期建立了初步的框架，我们充分查看了 系统的结构和功能之后，为检测建立了基础硬件系统。之后，我们集中力量研究进程控制和误差补偿。接着我们进 行了刀具磨损和噪音的模拟，并且确立了人工智能诊断系统的结构。尽管我们已经开发了 在线质量控制系统的框架，我们在人工智能诊断系统方面的研究刚刚开始，而且我们还有很多工作要做，然而我们没有足够的经济实力。我们希望通过我们的研究，在不久的将来新的理论和技术能够成熟，能在实际的工业生产中应用。 参考文献 1 T S， ， R T. 1997， 4(13):95 2E， F. by 1997， (13):27 3 L， Y X， J 测系统，智能机械加工期刊， 1997，（ 8）： 271 4 B， Q， . 1995， (6):53 5 P， K， 1996， (26):95 6 J L, W A. 1996， (29):159 7 L， 计算机化组件监控系统对软质材料零件的空间检测，中国高等机械加工期刊 ， 1995，（ 10）： 36 8S 1990 9， 1995， (10):208 10 S， ， . 基于 即时误差补偿的热误差模型，中国高等机械加工技术期刊，1996，（ 12）： 266 11 1988， 37(1) :393 12 C， . 1995， (6) :389 刘晓胜 ，生于 1966 年，于 1993 年获得哈尔滨工业大学 发动机专业博士学位。目前从事了三年 博士教育工作，“ 对外军贸的 在线质量控制 检测”。他在自动化产品生产，总体控制系统，和特殊军品质量检测等方面都有研究。 1 基于微机的在线循环检测系统研究 哈尔滨工业大学 刘晓胜 周爽 王 浩宇 马玉林 摘要 在一个简短评论 普通 检测 系统的方法之后 , 这篇论文 描 述了一种计算机和数控加工中心之间通讯的方法。基于这些，这篇论文着 重说明在线循环测量为加工精度的方法， 提供一种改进机械加工工序的方法以达到按照加工过程来随即控制改变参数，并且探讨执行进程中相应的误差补偿给在线循环检测的技术。实验的结果显示这种构架设计是成功的，操作是可行的。今天这种系统非常流行。 关键 词 : 检测 检测器 补偿 在线循环检测 在线 质量控制 加工过程 1、引言 在许多先进的加工系统中，加工过程的在线质量控制被认为是必要的，例如，柔性加工系统（ 计算机综合加工系统（ 敏捷加工系统（ 等。并且在不久的将来这些都将依赖整体加工系统的技术基础 。为了能进行在线质量控制，在过去的几十年里人们为机械加工过程发明 了许多检测系统和进行了一些补偿的设计，其中一些达到了工业产品的要求。当然， 一些仅仅是在实验室中得到的，很少能实现 坐标误差补偿。 像一些新的先进的技术的出现，比如网络技术，模糊控制，混乱理论，微波理论等等，一些新型的检测系统蕴 含了那些在实际加工过程中发展和表现作用较好的技术，这些系统通常是由探测子系统，检测子系统和错误诊断子系统组成。在这篇论文中，由探测子系统，检测系统，诊断系统，补偿系统所完整构成的框架在磨削 /钻床加工中心中引导程序，我们称之为基于微机的智能检测补偿系统（ ,并且其中详细的工具都已给出。正像这个系统的一部分，在线循环检测子系统是极其重要的子系统，并且基于高精度测头和线性光栅传感器的在线循环检测子系统是在现在技术条件下对加工过程一种行之有效的方法。在这篇论文中，我们着重描述在线循环检测装置对质量控制 的作用。首先，给出检测计算机和加工中心之间的一种通讯方式，这是以后工作的硬件基础。在这些基础之上，我们着重注意实施坐标误差补偿的特定作用和改进随即控制参数的操作条件，比如主轴转速（切削速度），进给速度和切削深度，这些都与刀具磨损有密切关系以及对零件表面质量和坐标精度都有很大的影响。这些系统的基本框架如图 1 所示。 2 图 1 镗铣加工中心的在线质量控制系统原理图 2、 微 机与加工中心的通讯 随着软硬件技术的快速发展，微机在各种工业生产中得到广泛应用。在 柔性加工系统（ 计算 机综合加工系统（ 敏捷加工系统（ 或类 似的系统中，计算机之间的通讯是最基础的，通讯技术相对成熟。然而 计算机与加工中心 (或数控机床 )的通讯却并不容易， 因为绝大部分加工中心并不是为网络通讯而设计的。尽管大部分加工中心都有一个与计算机数字控制器 (连的串行 口 (但此接 口 只能用于传输加工程序代码，绝大多数情况下不能传输控制指令。因此，为实现计算机与加工中心通讯，必须开发专用的通讯接 口 单元。我们的实验是在 0L 加工中心上完成的，其原理如图 2 所示。针对这台加工中心开发的专用通讯接 口 单元 (以下两部分组成。 图 2 计算机与加工中心的并行和串行通讯 高性能、多功能数据采集卡 (研华， ， 100 A/ D 转换频率，16 路单端输入或 8 路差分输入， 32 通道 数字 输入输出 ):它主 要用来 收集加工中心在整个加工过程中的传感器信号， 传输 32 位数字 输入 /输出信号，并能接收触发测头的中断信号。 专用通讯接口单元 :这是我们自己开发的通讯接口单元，它能实现诸 如信号隔离、信号传递、信号变换等 功能 。 3 微机通过专用通讯接口单元和加工中心的串行口 ( C)，可以实现如下功能 : 仿真加工中心控制台 ； 加载工件加工程序 ； 启动和停止加工中心运行 ； 动态设置加工控制参数 ； 驱动测头运行，实现循环检测 ； 驱动刀具切削实施坐标误差补偿。 一般地，基于加工中心控制台的控制码是可以转换成计算机能 识别的码，同时可以仿效机械操作台，并且程序可以控制加工步骤。尽管机床一般不能让计算机的 专用通讯接口单元所彻底控制，但是其中绝大多数重要的操作均是由计算机管理的。 3、 在线循环 测量 和补偿 系统 测量是产品加工过程中质量控制的关键一环。 虽然在自动系统中，许多方法均达到了在线或随时检测，但是一些缺陷通常在这些系统中存在。例如，在应用有一个触头触发的坐标测量仪探测坐标检查中限制了部分部件要用硬质材料制成，比如钢，然而在在线检测是很难令人满意的，因为检测部件必须固定在加工刀具上。间接测量法意味着基于综合激光或者负载连接装置，这在实际的加工条件下，通常是不适应的和困难的。虽然先进的加工中心都装备了接触性测量系统，但是这在连接计算机的加工中心中不容易把刀具转换成零件的长度信息。 动测 头或刀具运行 为了能使计算机去管理驱动测头或刀具运行，我们设计出一个专门通讯接口卡（ ,其基础是执行在线循环检测和随时随即补偿坐标误差，它包括以下几个方面： 为测头或刀具选择改变 x/y/z 坐标。 驱动测头或刀具以先前设定的坐标系的方向快速移动。 驱动测头或刀具在先前设定的坐标系方向上以最小的脉冲信号缓慢进给。 获得 到换向信号后，改变测头运行的方向，并且在相反的方向上运行一小段距离，以防止测头远离检测部件而损坏。 改变主轴转速以提高加工条件。 改变进给速度以达到上步骤的效果。 专门通讯接口卡的硬件结 构如图 3 所示。 4 图 3 专门通讯接口卡的硬件结构 长度检测 基于 循环测量 (指当工件装夹于工作台上 ，数控机床在完成某项加工工序后，自动进行相关尺寸测量，并将测量结果反馈给控制器 。 这种自动测量 包括自动工件安装定位，刀具安装和刀具状态监控。 基于微机的循环测量系统 (由以下 几 个部分组成 ： a 接触测头传感器 :当它与工件接触时，发出一开关信号 ； b X/ Y 方向直线位移光栅传感器及相关一次仪表 ( ， 中国科学院制 ):用于记录 X/ Y 方向坐标值，并以 形式传递给计算机 ； c 光栅传感器并行接 口 (研华， 32 路 接 口 板 )： 用于将来自光栅的尺寸信息传输给控制计算机 ； d 专用通讯接 口 (自动设计与开发 )： 根据控制计算机的指令，驱动测头运动，完成计算机与加工中心之 间 的信号传递 ； e 微机及相关测量用软件 :用来模拟加工中心控制台并控制加工中心运行。它是基下微机的智能检测监控系统的核心。整个循环检测系统的结构原理如 图 4 所示。 5 图 4 数控机床上的循环测量和补偿系统 从图 4 我们可以很容易看出， 当测头移动过程中遇到工件时，测头就会发出一个触发信号给测头接 口 电路，该电路通过 从触发器滤掉机械抖动噪声信号，并将信号传递给专用通讯接 口 卡 (通过该接 口 ，计算机收到测头触发信号，并立即从光栅传感器接 口 读取此刻坐标 (产品尺寸 )信息。同时，专用通讯接口 卡自动驱动测头反向运动一微小距离，使测头与工件分离，避免移动测头时划伤测头。在驱动测头移动时，通过该卡，计算机可以指定测头运动路径，并能根据测头当前位置和工件位置 之 间 的距离动态确定测头移动速度。因此通过该系统，可以实现产品的两坐标尺寸自动测量、公差偏离检查、精加工进给量的决定等。 3. 3 长度补偿 在当前的技术条件下，实施随时随即的长度误差补偿是很困难的，是因为运行中 的 数控机床是很难准确检测到长度误差和更改加工程序的。 当发现长度误差超出了在线循环检测菜单所规定的限度， 我们必须决定是否去除。如果先前去除的材料太大，长度误差不能被任何操作所补偿，因此我们只能抛弃这个零件以减少浪费的时间。假如不是这种情况，系统会依据检测的结果和零件的几何形状，自动地建立加工参数和生成长度误差补偿程序。之后，系统重新执行补偿程序。当我们仿制合适的夹具，并且评定夹具的可行性，则对夹具的即时补偿也会得到合适的补偿。当然，补偿的方式仅仅是在某些程序起作用。 4、 在线检测系统 加工过程中 ，总体加工过程中的每一步都有许多因素影响零件的最终质量。在进行无数次的产品质量的实验研究之后，我们发现刀具磨损，噪音 和工件温度对零件的表面粗糙度和长度误差有很大的影响。因此，继续深入评估刀具磨损，鉴定噪音和检测工具温度是一项重要的大工程。在线检测系统如图 5 所示。它们是建立在长度误差补偿和改变控制参数的基础之上。 6 图 5 数控加工中心的在线检测系统 重信号的综合 一方面，电流传感器可以很容易地挑选出主轴驱动电流信号和进给驱动电流信号。通常这些信号都与刀具磨损和工件振动有联系，并且被振动传感器挑选的振动信号也包含刀具磨损和噪音。使用这两种不同的信号评定刀具磨损和噪音的错误率就会很快的减少。因此，在我们的实验 系统中，我们使用三个电流传感器（一个用作主轴驱动电流，另外两个用作 x 轴与 y 轴的进给驱动电流）和两个振动传感器（ 工件的 x 轴与 y 轴方向 ）。另一方面，很高的切削 速度产生的热变形有时使工件在一定程度上变成有缺陷的零件。为了保持稳定的进程条件和调整加工过程的参数，我们检测整个过程中加工中心油箱内油温的变化。将所有的三个信号是被成功地转换到过滤器、放大器、 A/D 转换器和计算机 ， 并且微波转换从传感器的信号中获得这些信号，这些都建立在实际的进程之上。在另一篇论文中我们详细介绍这些软件。 音控制 噪音在表面粗糙度和 工件的长度精度方面有很大的作用，并且在一些极端情况，它可能导致破坏刀具和工件。传统的噪音控制进程包括以下步骤： （ 1） 检测噪音之后立即停止进给和主轴转动。 （ 2） 改变进程参数以促进带来有利的运转情况。 当人工智能诊 断系统在我们的实验系统中检测到一个不可描述的噪音存在在加工进程中 ，系统通过专门通讯接口卡立即结束了这个异常的切削进程，这就意味着原来的主轴转速是不可改变的。之后，人工智能诊断系统重新设置了新的进程控制参数（切削速度、进给量、切削深度），依据进给的动力学模型经过计算后，优化运转情况。 5、 结束语 7 这主要是一个复杂的实验系统。我们进行研究，并且在 1996 年早期建立了初步的框架，我们充分查看了 系统的结构和功能之后，为检测建立了基础硬件系统。之后，我们集中力量研究进程控制和误差补偿。接着我们进 行了刀具磨损和噪音的模拟，并且确立了人工智能诊断系统的结构。尽管我们已经开发了 在线质量控制系统的框架，我们在人工智能诊断系统方面的研究刚刚开始，而且我们还有很多工作要做，然而我们没有足够的经济实力。我们希望通过我们的研究，在不久的将来新的理论和技术能够成熟，能在实际的工业生产中应用。 参考文献 1 T S， ， R T. 1997， 4(13):95 2E， F. by 1997， (13):27 3 L， Y X， J 测系统，智能机械加工期刊， 1997，（ 8）： 271 4 B， Q， . 1995， (6):53 5 P， K， 1996， (26):95 6 J L, W A. 1996， (29):159 7 L， 计算机化组件监控系统对软质材料零件的空间检测，中国高等机械加工期刊 ， 1995，（ 10）： 36 8S 1990 9， 1995， (10):208 10 S， ， . 基于 即时误差补偿的热误差模型，中国高等机械加工技术期刊，1996，（ 12）： 266 11 1988， 37(1) :393 12 C， . 1995， (6) :389 刘晓胜 ，生于 1966 年，于 1993 年获得哈尔滨工业大学 发动机专业博士学位。目前从事了三年 博士教育工作，“ 对外军贸的 在线质量控制 检测”。他在自动化产品生产，总体控制系统，和特殊军品质量检测等方面都有研究。 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 振动压路机总体设计 振动压路机总体设计 摘要 振动压路机是一种高效的压实机械，广泛应用于道路建设施工中。目前国产振动压路机以中小吨位和机械传动方式为主，而性能优良的全液压重型振动压路机主要依赖于进口。为彻底改变这种现状，必须研制和生产具有自主知识产权的高性能重型振动压路机。 本文本论文简述了国内外压实设备和压实技术的发展概况、振动压实的原理、振动轮的结构和工作原理、振动压路机的压实特性与压实效果 ,动力学特性和振动压实机理进行了研究与分析，建立了振动轮的数学模型，明确了振幅、加速度、激振力、对地面作用力与振动频率之间 的动态响应关系，以此作为参数的设计依据 ,计算出了 机工作质量、振动频率、振幅、激振力、发动机功率等压路机压实作业中重要的振动性能参数及振动轮等关键技术结构进行研究及确定， 最大功率。 本文在理论分析和计算的基础上，完成了 液振动压路机传动系统设计 、振动轮总成等主要部件的设计 。 关键词 : 振动压路机 ； 总体参数；功率计算；爬坡校核； 液压系统 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 振动压路机总体设计 is a of is in of or at on To an be of is in of of of In of a of is on to of as of so on of 买后包含有 纸和说明书 ,咨询 振动压路机总体设计 录 摘要 . . 1 章 绪论 . 1 究的背景 . 3 究的意义 . 1 内外相关研究现状 . 1 内研究情况 . 1 外研究情况 . 2 究的主要内容 . 3 第 2 章 振动压路机设计综述 . 5 动压路机 . 5 动压路机的种类 . 5 动压路 机的基本结构和特点 . 6 动压实的基本原理 . 6 动压实的性能特点 . 7 动压实的结构特点 . 7 振动压路机总体设计 . 8 动轮 . 8 压驱动系统 . 9 压振动系统 . 10 压制动系统 . 10 气及操纵系统 . 10 振系统 . 10 第 3 章 总体参数确定及部件设计计算 . 11 动压路机总体参数的确定 . 11 动压路机总体参数的选择依据 . 11 义振幅的选择 . 11 动压路机工作频率的选择 . 12 动压路机部分质量的确定 . 13 动压路机振动加速度的校核 . 16 动压路机工作速度的确定 . 16 振力 振动压路机对地面的作用力 . 18 动轮宽度和直径的确定 . 18 动压路机发动机功率的计算 . 20 驶功率 . 20 向功率 . 20 V 向功率 . 21 动压路机的爬坡功率 . 22 动压路机的振动功率 . 23 动压路机的功率组合 . 23 动功率 研究讨论 . 24 第 4 章 振动压路机爬坡能力校核 . 31 坡能力的概述 . 31 牵引力决定的 压路机爬坡能力 . 31 附着力决定的压路机爬坡能力 . 32 第 5 章 压路机数学模型和运动方程的建立 . 35 动压路机数 学模型的建立原则 . 35 个自由度系统振动压路机的运动方程 . 35 动方程中各个参数的取值 . 38 第 6 章 振动压路机 的动态响应 . 41 移 x ）和加速度 a ）曲线 . 41 振力 0F ) 曲 线和振动压路机对土的作用力 ) 曲线 . 42 车质量 2m 对 x 曲线、 0F 曲线和 曲线的影响 . 43 振器刚度 1K 对 x 曲线的影响 . 44 的刚度和阻尼对 x 曲线的影响 . 44 第 7 章 振动压路机液压系统 . 45 压传动性能特点分析 . 45 动压路机行走液压系统 . 46 动液压系统 . 47 向液压系统 . 47 8 结论 . 48 参考文献 . 49 致 谢 . 50 毕业设计（论文）知识产权声明 . 51 毕业设计（论文）独创性声明 . 52 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 振动压路机总体设计 1 2 3 第 1 章 绪论 究的背景 我国公路建设正处于高速发展的阶段，交通建设一直作为我国国民经济建设的重点投资领域，随着公路总里程的增加和出口量增多，需求量将逐年增长。公路建设的投资为开发面向国内中、高档用户的超重型振动压路机提供了极其广阔的市场空间。目前国内年产量 6000台压路机中，振动压路机不到总产量的 70%，而发达国家为 90%以上，并且国内振动压路机产量中 14 吨以下的中小吨位压路机仍占有相当比例，按国家有关要求规定，高 等级公路建设必须采用 14 吨以上超重型压路机才 能获得施工资格。根据近年来高等级公路建设中使用的压路机已向 20吨发展的情况，开发 20吨超重型压路机市场前景较好阁。 现代公路都是在原始地面基础上，自下而上由自然土石方和各种混合料逐层铺筑起来的各种结构层。这些结构层除了承受上层的重量载荷和车辆的流动变载荷外，还要遭受日晒、雨淋、冰雪、洪水、地震等自然气候灾害的侵蚀与破坏。如果各层材料压实不足，将直接导致道路面层出现沉陷、波浪、裂纹等缺陷。路基和路面的早期破坏，将降低运输效率、提高运输成本、诱发交通事故、危及行车安全 、大幅增加道路养护成本。随着交通流量与大吨位车辆的与日俱增，对道路强度、刚度、平整度和气候稳定性要求越来越高。为了适应这些要求，必须对各铺层材料运用重型压实机械进行逐层压实以达到高标准的密实度。经过良好均匀压实的铺层，材料颗粒间摩擦阻力和内聚力增大，道路强度、刚度和承载能力大大提高；材料内部的空隙减少，颗粒之间结合更加紧密，能抵抗水的渗透，改善道路的水稳定性和抗冰冻的能力；路面获得好的平整度，车辆行驶更舒适、平稳 。工程实践证明，将筑路料的密实度增加 1%，道路的承载能力会增加 10%15%。尽管压实所需 的费用只占总施工预算的 1% 4%，但压实结果对道路的使用寿命是至关重要的。 我国公路建设正逐步采用高的压实标准，为达到这样的标准，国家建设部门规定，只有装备 16 吨级以上重型振动压路机的施工单位才具备参与高等级公路建设的资质。因此，随着每年大量高速公路的开工建设，市场对于重型振动压路机的需求量不断增加。目前国产振动压路机在压实性能、可靠性、液压传动、电器控制等方面与国外产品相比还存在一定的差距，产品系列以中小吨位机械传动方式为主，而性能优良的全液压重型振动压路机主要依赖于进口。要彻底改变这购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 振动压路机总体设计 1 种现 状，就必须研制和生产具有自主知识产权的高性能重型振动压路机，既能满足市场需求，又能为我国高等级公路建设提供现代化的高效压实装备，确保公路建设的质量。 究的意义 振动压路机是施工工程的重要设备之一，用来压实各种土壤，碎石料，各种沥青混凝土等。在公路施工中，多用在路基，路面的压实，是筑路施工中不可缺少的压实设备。根据压路机工作原理，结构特点，操作方法和用途等的不同，有不同的分类方法。 振动压路机是利用机械自重和激振器产生的激振力，迫使土壤产生垂直振动，急剧减小土颗粒间的内摩擦力，达到压实土壤的目的。振动 压实可以根据不同的铺筑材料和铺层厚度，合理地选则振动频率的振幅，提高压实效果，减少压实遍数。振动压路机的压实深度和压实生产率均高于静力压路机，是一种理想的压实设备。振动压路机最适宜压实各种非粘性土（砂、碎石、碎石混和料）及各种沥青混凝土等。是公路、机场、海港、堤坝、铁道等建筑和筑路工程必备的压实设备。 沙中联重工科技发展股份有限公司以建设部长沙建设机械研究院为依托，充分发挥其科技创新优势，瞄准国外压路机先进技术，高起点研制成功 最新推出的单钢轮全液压自行式压路机。该机采用现代工业设 计方法设计，选用原装进口的优质配置，是一种高品质，高可靠性，环保型的产品。它可广泛用于各种等级的公路，铁路，机场，港口及各种工业场地基础层和中间层的压实施工，特别适宜砾石，碎石，沙石混合料等非粘性土壤的高效压实。 内外相关研究现状 内研究情况 我国工程机械行业起步较晚， 振动压路机的发展源于 1961年西安公路交通学院与西安筑路机械厂联合开发的 3前，国内已初步形成以徐州工程机械厂、洛阳建筑机械厂为主 的二十余家压路机生产厂家，能够生产数十种型号规格的压路机产品。 国内压路机生产企业应充分认识到自身产品在技术性能上与国外先进产品存在的 差距，找出自己的不足，认真借鉴和学习国外产品的先进技术，并结合国内市场的需要不断创新。只有奋起直追，才能为提高国产振动压路机 竞争力。 长沙建设机械研究院以及中联重工业科技发展股份有限公司一直致力于振动压路 2 机的开发与实验工作并取得了显著的成绩。其中， 1999年， 长沙中联重工科技发展股份有限公司以建设部长沙建设机械研究院为依托，充分发挥其科技 创新优势，瞄准国外压路机先进技术，高起点研制成功了 这 是长沙中联重工科技发展股份有限公司凭籍建设部长沙建设机械研究院几十年从事压路机研究所取得的科研成果和丰富的设计经验 ,在充分吸收借鉴九十年代未国内外最先进的压路机技术的基础上而开发的压路机产品 ,是目前国内作用力最大 ,压实效果最佳的超重型振动压路机 。 该机采用全液压双驱动，驱动桥内装了防止轮胎打滑的差速锁，无级变速，钢轮振动，双频双幅，三级减震，发动机、液压系统和振动轴承等关键零部件选用世界著名品牌，确保使用可靠。 我国压路机 行业生产研制水平与我国经济建设仍不相适应，尤其是重型和超重型振动压路机生产数量和品种依然较少，产品的可靠陛和外观质量等综合技术经济指标和自动控制技术方面仍低于国外先进水平闹。积极引进国外先进技术，加强技术创新，开发出具有自主知识产权和独特技术的产品，缩小与国外先进生产企业的差距，对国内压路机生产厂家来说迫在眉睫。 设计技术的整体水平还处于经验设计时期，近十多年的压路机技术发展，大部分是通过技术引进实现的。以技术模仿，降低零部件的成本为主；加强科学实验，进行技术测试，建设高水平的实验室的进程还处于起步阶段； 限元分析，机电液一体化，动态设计，仿真等现代设计技术还处于应用入门或水平较低的普及阶段。这种状况是导致企业自主开发能力不强，技术创新能力不足，难以与世界先进水平的工程机械企业展开强有力竞争的原因之一。 外研究情况 1930年德国人最先使用了振动压实技术，并于 1940年成功发明了拖式振动压路机， 彻底改变了压实效果简单依靠重量或增大线压力的方式。随着振动压实理论研究的不断深入，振动压路机产品的规格品种也越来越多，尤其是 20 世纪70 年代静液压传动和液压控制技术在振动压路机上得到应用，出现了采 用调频调幅机构的振动压路机，为压实工作参数的优化调节奠定了基础，使得振动压路机迅速成为世界压路机市场的主导者。 国外超高级路面的振动压实技术，双钢轮自动控制压实系统，水平振动压实技术，增强了压实效果 。为了 提高了压实效率， 国外一些产品还普遍采用超高频振动技术，振动频率超过 4000r/压路机迅速达到所需密实度的高输出力， 3 可有效提高压实的速度 。 此外，建立在冲击技术理论上的冲击式压路机由于具有制造简单、成本低廉、作用力均匀、压实效果较好的特点也被国内外越来越多的企业所采用，其压实深度可达 2 近 来国外振动技术更是向着自动化、智能化的方向发展美国 D 一 130 双钢轮串联式振动压路机，在每个振动轮中都有自动反向的偏向装置，可实现 7225 一 16330 吨八种不同的激振力输出，基本上可以满足所有土壤类型路面的碾压需要。 目前在国外全液压传动、全轮驱动振动压路机成为主流，铰接式转向、三级制动、调频调幅、故障自动报警与调控、静液压传动与控制、压实度随机检测，振动压实动态特性仿真与分析等技术被充分运用到压路机上同。除上述技术特点之外，国外压实技术在多频率复合振动或混沌振动、超声波技术促 使土壤“液化”原理以及新传动技术上也有新的发展。 驾驶室有逐渐向汽车驾驶室标准靠近的趋势 ,整体布置舒适合理，并根据压路机经常需要前后行驶作业的特点，特别注意追求丰裂野宽阔、 1等韧捉巨效果，配备有换气、空调、暖风、电视监测等设施。计算机、智能化技术在整机的设计中 也 被广泛采用。在德国 典 电脑技术已经在各工作系统中被广泛应用，如工作系统的监控、驱动系统的防滑转装置，整机的故障自动检测系统等。 究的主要内容 根据对压路机的主要参数的确定和发动 机功率的计算来确定总体设计的参数，校核其爬坡能力。并建立振动压路机的数学模型和运动方程，对其动态响应进行分析研究。结合其他某型号的振动压路机，对 要包括： 1. 设计概述（设计的目的，内容和方法）； 2. 总体设计参数的确定与计算； 1）主要技术参数的确定； 2）发动机功率计算； 3. 爬坡能力校核； 4. 建立振动压路机的数学模型及运动方程； 5. 振动压路机的动态响应； 6. 振动压路机液压系统介绍； 7. 绘制图纸，其中包括 ： (1)压路机总体结构图； (2)前车架； (3)后车架； (4)振动轮及其它结构图纸。其中，至少有一张 3号图纸应用 件绘 4 出。 8. 编写设计说明书一份； 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 振动压路机总体设计 5 第 2 章 振动压路机设计综述 动压路机 动压路机的种类 振动压路机的类型和特性主要由振动机构决定。因此，可以从振动机构来分 类：常见的振动机构有圆周振动机构、扭矩振动机构、由垂直、水平、倾斜的组 合机构统称为智能振动和复式振动机构。 1. 圆周振动 中型和大型振动压路机的振动机构多采用圆周振动。在一个振动轮内有一个 振动轴，轴上装有偏心块，振动轴带着偏心块旋转，产生离心力，从而产生振 动。 由于离心力（也称激振力）绕圆周旋转，所以称作圆周振动。振动轴每秒钟的转 动次数即为振动频率。这种机构结构简单、工作可靠、压实深度大、压实效果好， 所以得到广泛应用。 2. 扭转振动 在一个振动轮内有两个振动轴，两个振动轴转速、转向相同，但两个振动轴 上的振动块相位差 180，产生的离心力形成一对力矩，从而形成扭矩振动即扭 转振动。这就是通常所说的振荡机构。 振荡压路机产生的扭转振动不会产生冲击，振荡轮也不会离开地面，这样行 驶时可改善对地面的附着力和表面压实质量。对周围建筑物影响小，可在市内、 桥梁 上施工。其主要缺点压实深度小。所以，在双钢轮压路机中与圆周振动组合 使用可获得不同的压实组合作业方式，满足不同的压实工作的需要。 3. 智能振动 德国（ 马公司研制的智多星压实控制系统，其中一项就是通过一 油缸改变两偏心块的相位差实现垂直，水平（扭振），倾斜不同振动方向的需要， 这种振动组合机构是实现压实作业过程智能化的基础，因此也称为智能振动。 4. 复式振动 这是日本酒井公司首创的振动方式，这种方式一改过去在圆周方向、径向上 做文章，而是在轴向产生振动。对多孔性沥青混凝土压实效果好。 5. 混沌振动 混沌振动即主频附近的宽频激振。 6. 冲击振动 3 总体参数确定及部件设计计算 6 利用多边凸轮转动时，势能的变化对压实材料有夯碾作用。 动压路机的基本结构和特点 见图 轮胎驱动单钢轮振动压路机的结构简图。振动轮是主要的工作部件，内部设置有高速旋转的偏心轴或偏心块，产生圆周方向的巨大离心力，迫使振动轮产生机械振动，并利用其自身重量，完成对路面的振动压实。振动轮与后轮又是行走部件，在传动系统的作用下，驱动压路机前后行驶。当后轮是主动轮时，则为单驱动；当后轮与振动轮均为主动轮时，则为全驱动。后轮采用低压宽基轮 胎，外形尺寸大，弹性好，能增大接地面积，减小比压，适合在松软的路基上行走，同时滚动阻力小，附着系数大，爬坡能力强，减振性能好。前车架通过两侧的减振器悬挂在振动轮上，以隔离和缓冲高频振动。 图 动压路机外形结构简图 1振动轮（下车）； 2前车架（上车）； 3驾驶室； 4后轮； 5后车架 动压实的基本原理 振动使被压实材料内产生振动冲击。被压实材料的颗粒在振动冲击的作用 下，由静止的初始状态过渡到运动状态，被压实材料之间的摩擦力也由初始的静摩擦状态逐渐进入到动摩擦状态。同时，由于材料 中水分的离析作用，使材料颗粒的外层包围一层水膜，形成了颗粒运动的润滑剂，为颗粒的运动提供了十分有利的条件。被压实材料颗粒之间在非密实状态下存在许多大小不等的间隙，被压实材料在振动冲击的作用下，其颗粒间的相对位置发生变化出现了相互填充现 7 象，即大颗粒形成的间隙由较小颗粒来填充，较小颗粒形成的间隙由水分来填充。被压实材料中空气的含量也在振动冲击过程中减少了。被压实材料颗粒间隙的减少，意味着密实度的增加；被压实材料之间间隙的减少使其颗粒间接触面增大，导致被压使材料内摩擦阻力增大，意味着其承载能力的提高。无论是水平振 动还是垂直振动，压实材料在振动作用下减少空隙率，使其变得更加密实的原理是一致的。 动压实的性能特点 与静作用压路机相比，振动压路机具有以下性能特点： 1. 同样质量的振动压路机比静作用压路机的压实效果好，压实后的基础压 实度高，稳定性好。 2. 振动压路机的生产效率高。当所要求的压实度相同时，压实遍数少。 3. 压实沥青混凝土面层时，由于振动作用，当使面层的沥青材料能与其他集料充分渗透、揉合，故路面耐磨性好，返修率低。 4. 机载压实度计在振动压路机上的应用，使驾驶员可及时发现施工道路中 的薄弱 点，随时采取补救措施，大大减少质量隐患。 5. 可压实大粒径的回填石等静作用压路机难以压实的物料。 6. 压实沥青混凝土时，允许沥青混凝土的温度较低。 7. 由于其振动作用，可压实干硬性水泥混凝土（即 料）。 8. 在压实效果相同的情况下，振动压路机的结构质量为静作用压路机的一半，发动机的功率可降低 30%左右。但是，由于振动压路机的振动作用，给周围环境及人体带来一定公害，限制了它的使用范围。在人口密集地区、危房区、靠近装有精密仪器的建筑物以及公路桥梁的桥面等处都不宜使用振动压路机进行压实作业。另 外，由于振动对人体健康的影响，减振效果不好的振动压路机是不受欢迎的。 动压实的结构特点 不论振动压路机在结构上的差异有多大，任何振动压路机都装有振动器。当振动压路机工作时，振动器产生引起振动的干扰力。在干扰力的作用下，振动压路机的工作部件（振动轮）将产生具有一定振幅和频率的振动。这就是振动压路机在原理上与静作用压路机的根本区别。 通常振动压路机的振动器是由振动轴和安装在振动轴上的偏心块组成。当今，有些公司将液压振动器在振动压路机上使用，由于液压振动器机构较为复杂， 8 尽管具有可以无机调频和调幅的优点 ，但并未广泛使用。当振动压路机作业时，振动轴带动偏心块高速旋转。因此偏心块产生的离心力形成了“压路机 振动系统的干扰力，振动压路机的下车（振动轮）在这个干扰力的作用下产生强迫振动，强迫振动的频率等于干扰力的频率。此时，振动轮将其振动作用传递到土或其他被压实材料上。压路机的振动轮连同其接触的被压实材料一起产生受迫振动，这就是“压路 振动系统。 振动压路机总体设计 振动压路机主要分为结构件、动力系统、传动系统 (桥箱及液压系统 )、控制系统 (液压及电气系统 )和振动轮等五大部分 。 图 动轮 振动轮采用内外圆筒相套结构，内圆筒作为润滑油室，结构受力合理，油室润滑和散热空间大。振动轴承和行走轴承采用进口的单列圆柱滚子轴承。具有激振力超大，工作可靠，轴承使用寿命长等优点。 9 图 振动轮总示意图 1 振动轮 2 悬架 3 偏心块 4 连接座 5 联轴器 6 中间轴 7振动轮行走轴承 8减振器 9振动马达 压驱动系统 如图 压 驱动系统由驱动泵，液压差速及冲洗组合阀，制动阀，驱动马达，调速阀等元件构成。 图 10 1 行走液压泵 2 振动液压泵 3 转向泵 4 桥驱动马达 5钢轮驱动马达 6振动马达 7转向器 8转向油缸 9液压油箱 压振动系统 通过仪表板上的自动 /手动开关，可实现振动的手动操作或自动操作。选择自动操作状态后，当压路机行走速度达到一定值时，振动就自动开始，在压路机行走速度下降到一 定值时，振动将自动停止。 压制动系统 采用工作制动、停车制动和紧急制动三级常闭式制动系统，常闭式制动器内藏于低速大扭矩驱动马达之中。当换向操纵杆移到中间“停止”位置时，驱动泵摆角为零，驱动泵停止向驱动马达供油，常闭式制动器制动，实现工作制动 ;当压路机在坡道上停车，柴油机停止转动后，常闭磨擦片式停车制动器便自动实现停车制动 ;当液压驱动系统出现工作油渗漏或胶管破裂等情况时，紧急制动器便 会自动实现紧急制动。 气及操纵系统 电气系统主要由发电及起动系统、控制系统、照明系统、讯号系统四个 部分组成。电气系统与液压系统紧密相关，振动、驱动、制动液压系统皆是通过电气系统的电液控制来实现的，压路机的关键部件采用电子元件进行监控。在驾驶台的后壁上，集中有液压系统主要压力的测压接