大型筒体焊口加工夹紧机构设计-本科毕业论文

哈尔滨石油学院本科生毕业论文（设计） 摘 要 本 设 计 中 所 加 工 的 大 型 筒 体 为 潜 艇 上 的 零 件 。 筒 体 内 径 范 围 2600mm2800mm，高度范围 600mm2400mm，筒体厚度 60mm。专机用于坡口的加 工，以便后续的焊接加工。 结构总体设计的阶段必须遵守明确、简单、安全、可靠的四项基本原则。所 选择的结构应能明确无误的，可靠的实现预期的功能，被设计的产品所处的工作 状况必须明确。设计结构时所依据的工作原理必须明确，才能可靠的实现能量 流，物料流和信号流的转换和传导。由于筒体用于军事设备，属于单件小批量生 产，且结构尺寸较大，基于筒件的加工难点和加工技术要求，选择占地面积小， 装卸容易的立式母线定位加工方案。该方案采用筒体由中心支撑固定，旋转的加 工头由母线定位，旋转一周完成一端坡口加工。 为了方便后续加工，坡口切割采用等离子切割方式进行坡口和端面的加工， 并选取切割速度快、切缝窄、切口光洁、体积小、重量轻、高速节能的 LGK 系列 空气等离子切割机加工，既能保证加工效率，又能保证其加工质量。此外，根据 内外割炬角度调整装置即刻度盘角度调节机构调整等离子切割头的倾斜角度可以 实现不同坡口角度的加工，可以保证加工技术所要求的坡口加工角度范围。 关键词关键词：坡口；等离子；切割 哈尔滨石油学院本科生毕业论文（设计） Abstract Numeric control aluminous-winding machine is an automatic machine used to produce aluminous swing piece tube utilizing electromotor, hydraulic pressure equipment. Aluminous swing piece tube is a heat-exchanging component exchanging heat utilizing the aluminous piece which is enwound on the surface of a metal tube. It is admitted nationally and internationally nowadays that the swing piece tube is the most advanced power-saving product in heat-exchanging area, and a high efficient heat- exchanging component. Based on the basic situation of its producing equipment nationally and internationally, designed a numeric control aluminous-winding machine, in this paper, and mainly introduced the working principle of this equipment, the structure design and the 3D modeling of winding mechanism of the aluminous-winding machine. It briefly introduced the background of the product in prolegomenon, and then stated the overall design, and the part design, the design of 3D model assembling, mechanism movement simulation of numeric control aluminous-winding machine based on CATIA.Combined the main characteristics of CATIA and the introduction of CATIA V5 all a looks, it simply introduce typical model spare parts ,organization of 3D design set up mold ,assemblication and application CATIA to carry on NC numeric control aluminous-winding machine With the CAD (computer aided design) of numeric control aluminous-winding machine utilizing CATIA, and through modeling, assembling, we can valuate and judge the overall layout and architecture of the system, and can also change the scale and shape of parts conveniently. Keywords：groove; Plasma; Cutting 哈尔滨石油学院本科生毕业论文（设计） 目 录 第第 1 1 章章 绪绪 论论.1 1.1 课题背景1 1.2 现在切割技术及其在工程机械制造中的应用.2 1.3 本文研究的主要内容.5 第第 2 2 章章 机构总体设计机构总体设计.12 2.1 机构总体结构设计12 2.2 方案的选择.14 2.2 坡口切割方式与节筒定位支撑方式16 2.3 机构工作原理17 2.4 本章小结17 第第 3 3 章章 机构各部分装置和机构的结构设计机构各部分装置和机构的结构设计.18 3.1 工件定位夹紧装置结构设计18 3.2 割炬横向进给装置结构设计18 3.3 割炬纵向升降装置结构设计20 3.4 液压动力系统结构设计21 3.5 回转支架和底座结构设计22 3.6 坡口割炬角度及靠背轮调整装置结构设计23 3.7 本章小结23 第第 4 4 章章 机构关键装置的计算与分析机构关键装置的计算与分析.24 4.1 定位夹紧装置杆类构件的受力计算与稳定性分析24 4.2 液压系统压强的计算26 4.3 中央立柱的强度分析27 4.4 节筒加工误差分析28 4.5 相关关键外购件的选取29 4.6 本章小结29 结 论.30 哈尔滨石油学院本科生毕业论文（设计） 参考文献.31 致 谢.32 哈尔滨石油学院本科生毕业论文（设计） 1 第 1 章 绪 论 1.1 课题背景 海洋国家的海军是一个战略军种，而拥有海上核打击力量，是海军作为战略 军种的标志。中国第一艘攻击型核潜艇服役后，加快了研制战略导弹核潜艇的步 伐。因为，随着科学技术的日新月异，太空中的大量侦察卫星，加上其它侦察手 段，陆上固定的导弹发射基地和较大的导弹机动车队很难不被对方的间谍发现和 受到监视，在这种情况下，海上核力量就显示出其生存上的优势。战略导弹核潜 艇可以航行在茫茫大海的水下，来无影，去无踪，造成敌方战略防御的困难，一 艘战略导弹核潜艇就是一座浮动、隐蔽的导弹基地，可以后发制人，对敌方实施 外科手术式的打击。中国只有拥有了战略导弹核潜艇，才真正具备海上核反击的 能力。 1983 年 8 月，中国自行研制、建造的第一艘战略导弹核潜艇正式服役。1988 年 9 月 27 日，中国的战略导弹核潜艇水下发射运载火箭获得圆满成功，震动了 世界。这意味着中国的战略导弹可以在任何海域、任何时刻，打到世界的任何角 落。中国从此拥有了自己的海上核反击力量。美联社对此评论说：“中国核潜艇 水下发射运载火箭成功，表明中国海军起了质的变化，已经拥有发动海上进攻的 能力。“法新社援引一位军事观察家的评论说：“中国已成为世界上第 5 个拥有核 潜艇水下发射战略导弹能力的国家，中国海军已不再是一支只能在近海巡逻的海 岸警备队。中国的军事实力有了明显的加强。 中国核潜艇从无到有，不断发展壮大，是和中共三代领导核心的十分关心、 重视分不开的。中共的开国元勋们为核潜艇的研制倾注了大量心血。核反应堆在 陆上第一次运行正式开始发电曾用专线向周恩来总理报告，周总理下达了“严密 组织，确保安全，万无一失“的指示。朱德元帅在第一艘核潜艇服役后，亲自观 看了核潜艇的海上演练。邓小平任军委主席期间，对中国的核潜艇部队的中长期 发展规划，作了一系列具体、明确的指示。 以江泽民为核心的中共第三代领导集体，更是十分关心和重视中国海军核潜 艇部队的建设。江泽民担任中央军委主席后，先后两次到核潜艇基地视察，并欣 然为潜艇部队题词：“加强核潜艇部队建设，壮我国威，壮我军威。“李鹏委员长 在任总理期间，也曾于 1988 年的 8 月兴致勃勃地登上了准备进行发射运载火箭 试验的导弹核潜艇参观。他走遍了每个舱室，详细地询问了艇员们的工作和身体 情况，并高兴地为核潜艇部队题词：“壮大海上核威慑力量，利国利民。“ 中国完全依靠自己的力量，建设了一支能够有效地巩固海防，捍卫国家主 哈尔滨石油学院本科生毕业论文（设计） 2 权、领土完整与统一的核潜艇部队，举世瞩目。据不完全统计，已有数十国家的 海军首脑参观过中国海军的攻击型核潜艇，这其中包括美国的前“核潜艇之父“里 科弗，美国海军的作战部长、英国、法国的海军参谋长及俄罗斯海军总司令等。 1.2 现在切割技术及其在工程机械制造中的应用 在现代工业制造领域中，切割是应用量很大，应用面广泛的基础工艺之一， 尤其是在工程机械制造行业，切割工作量占有很大的比重，切割的效率和质量将 直接影响生产的效率和质量。 下面根据当前现代切割技术的现状，并结合重型厂切割技术在生产中的具体 应用，对切割技术在工程机械中的选择应用中要点作一些简单介绍。 1.2.1 切割技术的现状、应用形式及技术经济性 近年来，国内外切割技术取得了突破性进展，从单一的氧乙炔火焰气切割发 展成为新型工业燃气火焰切割、等离子弧切割、激光切割、水射流切割等多能 源，多种工艺方法在内的现代化切割技术，与此同时又将现代化控制技术与切割 技术相结合，研究开发出新一代的全自动切割设备。 技术发展现状 (1)氧-乙炔/新型燃气火焰切割自 1985 年法国人 LeChatelier 发明氧-乙炔 火焰，到 1900 年 Fouch 和 Picart 制造出第一把氧-乙炔切割炬，氧-乙炔火焰切 割作为最古老的热切割技术至今仍是机械制造行业中的一种加工方法。由于乙炔 生产的原料为电石，生产过程中会排出大量电石渣（1t 电石生成 3.3t 电石渣） 及 HS、SO 等有毒有害气体，严重污染环境，在制取溶解乙炔气时又消耗大量重 要化工原料丙酮，增加了生产成本。因此，近 20 年来国内外有关研究机构及企 业相继投入大量资金，用于开发研究成本低、安全、低污染的新型燃气。目前国 内已经自主开发和引进了多种新型工业燃气代替乙炔用于工业火焰加工。手工割 炬切割厚度可达到 350mm，机用割炬切割厚度可达到 1800mm。 (2)等离子弧切割等离子弧切割是上世纪 80 年代中期发展起来的一种加工 方法，当时主要是为解决不锈钢和有色金属的切割，先后开发了氩、氢、氮、氧 及压缩空气等多种气体，一般等离子弧切割及水再压缩等离子切割等多种工艺方 法，以适应不同的需求。 普通等离子电源输出电流为 20200A，切割厚度为 30mm 以下；精细等离子电 源输出电流最高可达 100A，切割厚度为 12mm 以下，其中精细等离子割缝宽为 0.65mm0.75mm，与数控切割机配合可以达到0.2mm 的切割精度；水再压缩等离子 电源输出电流可达 1000A，切割厚度可达到 130mm。 目前，等离子弧切割机的割炬正朝着割缝精度接近激光精度的方向发展；小 功率切割电源向逆变方向发展，以提高电源效率及电弧的收缩性；大功率切割电 哈尔滨石油学院本科生毕业论文（设计） 3 源向闸管方向发展，并采用一定的补偿措施以提高效率，从而提高切割速度，改 善切割质量。近年来，随着等离子弧技术的发展，切割 20mm 以下的碳钢和低合 金钢，因其切割速度快，综合效益好，在工程机械制造业的应用有增长趋势。 (3)激光切割激光切割的工业应用始于上世纪 70 年代初期。由于其切割尺 寸质量好、速度快、精度高、效率高等优点，在多种行业得到广泛应用。随着激 光器件功率等级、稳定性及可靠性的提高和加工技术的进步，其应用领域逐步扩 大到各种金属和非金属板材的切割。据 2002 年的统计表明：在世界激光工业应 用范围内，激光切割所占的比例最大，约 24%。 (4)水射流切割谁射流作为工业产品的精密加工手段，其特点是没有或很少 有热量释放，无热变形，无气体或蒸汽排出。该项切割技术的研究是从 20 世纪 60 年代开始的。国外经过 20 多年的研究和开发，制造出第一台高压水射流切割 设备，使之能切割各种金属和陶瓷等材料。我国于 20 世纪 90 年代开发研制出国 产化的高压加磨料型水射流切割设备用于生产。目前大部分水射流切割设备只要 应用于非金属板材的切割。 应用形式 无论哪种切割技术，均有不同的应用形式，火焰、等离子、激光均有小型切 割机械产品和数控坐标式切割机械产品。其中，火焰切割的小型切割机械最多， 从通用的半自动气割机、仿形气割机、光电跟踪气割机到专用的型钢气割机、马 鞍形气割机约 20 多种类型，价格适宜，大、中、小型企业均有条件配备，完全 可以适合切割人员各种条件下切割生产。另外，还在小型切割机基础上加以改 进，以完成 U、V、Y、K 型坡口及球瓣坡口切割和相贯线切割等工艺要求。 坐标式数控切割机是我国切割行业发展最快的现代化切割设备之一，坐标式 数控切割机以其良好的人机对话操作界面及强大的辅助支持功能，并配有自动编 程、套料等软件系统的支持，使数控切割机在生产中发挥了重要作用，并以成为 我国生产制造企业切割加工的首选。 技术经济性比较 目前，热切割在工程机械行业应用广泛，而火焰、等离子、激光三种切割技 术均属于热切割，其技术经济性如下： 火焰切割变形大、切割速度较慢、切割前需要预热，花费时间长，也采用多 割炬同时切割，但易耗零件的使用寿命。等离子切割虽可切割一切已知金属板材 和许多非金属材料，最高切割速度可达 10m/min，是火焰切割的 10 倍，但其切口 宽度较大，除薄板外，切割面易“塌边” ，对中厚度板能够经济地进行切割。激 光切割机价格虽然昂贵，但对薄板及中厚度板可实现高速度、高精度切割，同时 能够实现无人化操作。 哈尔滨石油学院本科生毕业论文（设计） 4 1.2.2工程机械的制造工艺要求 工程机械在生产过程中，切割与焊接工件有其固定的特点： 工程用低碳钢、低合金高强度钢焊接件较多，装饰性不锈钢次之，有色金属 和非金属很少； 其状况有如下特点: (1)年消耗钢材量大，以重型厂为例，最高吞吐量近 10000T/月。 (2)碳钢焊接件多集合采用中厚板，例如 20mm 以内的板材占重型厂钢材总消 耗量的 80%以上。 工程机械制造工件具有特殊性： (1)工件品种多，材料种类相对集中；长条件占一定分量； (2)工件批量大，坡口形式 U、V、Y、K 各异，没有规律性； (3)部分工件形状复杂、精度要求高。 1.2.3 切割技术在工程机械的应用情况 针对工程机械的对象的工艺要求，结合各种切割技术的特点，使工程机械制 造叶在选用各种切割技术、切割设备时有了目的性： 谁射流切割因首次投资大、建造烦琐，且为精密加工手段，目前不适合工程 机械的金属切割外，其余三种切割技术均可以在工程机械制造业。工程机械制造 业的切割设备主要采用机械化、自动化的门架式数控切割设备，辅以小型切割设 备。为提高切割效率、材料利用率、满足年钢材量的切割需求，工程机械制造业 主要采用机械化、自动化的坐标式数控设备下料手段，这样既节省人力，又大大 减少了二次加工。近年来，重型厂因持续发展，工艺改造加快，加工手段也经历 着跨越式发展，由原来落后的二次加工、多头火焰切割向数控切割技术发展。同 时辅以少量的小型气割和剪切割设备，以消化料头、料边，以提高材料利用率、 解决小零件的下料。 等离子与激光切割设备应用在机械制造业中占有一定比例。因工程机械中板 厚应用较多、长条形工件易变形，为提高效率和质量，提高生产综合效益，再加 上部分工件外形复杂、精度要求高，工程机械制造业对切割技术的选用将需要加 大等离子切割、激光切割设备配置比例。为适应切割对象的工艺要求，重型厂近 年来大力推广等离子、激光切割技术，等离子与激光切割设备比例已达 70%左 右。另外，还针对国内外切割技术的成熟程度，对所选设备有选择地确定国内采 购或者进口。 工程机械制造中应该选用一定量的小型火焰切割和等离子切割设备，以便坡 口加工及薄板的整形工作。同时，在坐标式数控切割机上考虑增加坡口切割功 能。在火焰切割的应用方面应大力推广采用国家推荐使用的新型工业燃气，并应 用液氧代替瓶装氧。 哈尔滨石油学院本科生毕业论文（设计） 5 徐州重型厂早在上世纪 90 年代初就以氧丙烷气切割代替了氧乙炔气割，近 年来又进行了罐装液氧和罐装丙烷的技术改造，大大提高了切割质量和效益，减 少了安全隐患，节约成本。 1.2.4 等离子弧切割的特点 等离子弧切割使用非常热的高速离子流来进行的，电弧和惰性气体强行穿过 小孔产生各种高速射流。电弧能量集中在很小的区域使石板融化，高速射流将熔 融金属吹出切口。等离子弧切割方法具有切割厚度大、可切割曲线等优点。与 氧-乙炔火焰切割相比，等离子弧能量集中、切割变形小、能切割几乎所有金 属，但由于切口较宽，被融化掉的金属较多，板材较厚时切口不如氧-乙炔切割 得那样光滑平整。为了保证切口的侧面平行，需要用专门的割嘴。等离子切割的 主要特点有： (1)能切割氧气难以切割的各种金属材料，还能切割某些非金属材料； (2)切割厚度不大的金属时，切割速度快，切割碳素钢薄板时速度可达气割的 56 倍； (3)切割面光滑整洁，热变形小，尤其适合加工成型零件； (4)切口宽度和切割面斜角较大，切割薄板时采用特种割炬可获得接近垂直的 割面。 等离子弧切割的缺点是：切割空间大，切割过程中产生弧光辐射、烟尘及噪 音等。等离子弧切割设备贵，切割用电源空载电压高，不仅耗电量大，而且在割 枪绝缘不好的情况下易对操作人员造成电击。 切割用等离子弧是利用特种割炬对电弧进行压缩形成的，需要有高空载电压 的专用电源。根据被切割材料的厚度，电源功率为 25200KW，切割电流为 301000A。通常使用氩或氮与氢的混合气体，切割需用水冷却。手工等离子弧切 割的技术要求与氧-乙炔切割相似，但工艺参数多，需要更多的训练。自动等离 子弧切割用的割炬和附件与手工等离子弧切割所用的相同，但行走系统是自动化 的。割炬移动机构与氧-乙炔切割时所用的相似，要求有较高的移动速度。多割 炬设备需要为各个割炬附加电源和控制箱。切割用等离子电弧温度一般在 1000014000之间，远远超过所有金属及非金属的熔点，能够切割绝大多数金 属和非金属材料。这种方法最初用于切割氧-乙炔火焰无法切割的金属材料，如 铝合金及不锈钢等，现在应用范围已经扩大到碳钢和低合金钢。 1.3 本文研究的主要内容 在切割技术形形色色的今天，工程机械制造业的切割设备也将不在“一支独 秀” 。近年来，已经形成小型切割设备与门架式数控切割设备兼备，火焰切割技 术与等离子、激光切割技术兼容的格局。 哈尔滨石油学院本科生毕业论文（设计） 6 1.3.1 设备特点 从重型厂的切割技术的应用情况可看出，工程机械在选用切割技术、切割设 备时应注意以下几个方面： (1)需明确加工对象。比如：切割材料、厚度、工件的工艺特殊性等，另外还 需要了解公司对所选用设备的效率要求； (2)需了解国内外的切割技术发展情况、成熟程度，了解各种切割技术的优缺 点，分析综合效益； (3)选定切割技术，提出特殊要求； (4)在先进切割技术推广应用的同时应做到环保、安全、节能、节材等，加大 相关新技术、新工艺的推广应用。 焊接接头的坡口加工包括焊前成型加工及焊缝根部的碳弧气刨清理焊根部 等。对焊件的坡口进行边缘加工，常采用气焊、砂轮打磨以及刨削、铣削等机械 加工方法。可利用改变割醉的倾斜角度来气割加工焊接坡口，一般多采用半自动 化气割机。坡口机械加工多采用刨边机或铣边机，能加工形状复杂的坡口，以获 得较好的质量。圆形结构的端面加工在立式车床或卧式机床上进行。 对接头双面焊接时，为保证焊缝质量，特别是根部熔透，需对根部进行清 理，以清除焊缝根部的夹杂，裂缝等缺陷。清理焊根可采用砂轮打磨的方法，但 目前应用较多的是采用碳弧刨清理根部，特别是在返修有焊接缺陷的焊缝时采用 碳弧气刨容易发现焊根部各种细小的缺陷。 1.3.2 工作内容 大型圆筒端面坡口加工机床是专门用于加工坡口的，以便焊接。根据要求， 并结合一些新技术和客户的意见，进行了该课题的研究工作。所作的工作有以下 几方面的内容： (1)通过广泛的查阅和调研，根据客户的要求定性设计。 (2)对机械系统的主要零、部件进行必要的分析和计算，并进行了主要的 零、部件的选择。 1.3.3在制造业的计算器控制和动作控制 (1)计算机数控结构 CNC 系统的一个典型结构有三个层次。在最低的层次是轴向的伺服控制回路 和主轴控制器。这些伺服控制回路在高度取样率下被关闭。校对机对控制回路提 供了轴向的位指令是在这一个结构中间层次上。在最高的层次是错误的机械硬件 缺陷的补偿运算法则，例如机器几何学错误和机器结构的热变形。这一个层次也 包括机器对切削工具进给速度和工件材料硬切削和高精度切削的最大切削力的适 应的合适的控制运算法则。 (2)CNC 部件程序 哈尔滨石油学院本科生毕业论文（设计） 7 CNC 软件由控制程序和部件程序组成。CNC 机床产生一个特定部件所需要的 大量数据叫做部件程序。部件程序信息以区块的形式被安排，每个区块含有大量 数据必需的生产工件的一个片段。每个区块以编码的形式存在，处理工作件的一 个片段所需要的全部的信息包括: 片段形和长度，切削速度，进给量等等。空间 的信息(圆的长度，宽度和半径)和轮廓形状(直线，圆或其他) 可从一张工程图 获取。在NC中，尺寸各自由每个轴向运动(X ，Y等)来完成 。 切削条件如切削 速度，进给率和附助功能(冷却剂的通和断，主轴方向，夹紧，齿轮变化，等等) 可根据表面粗糙度和公差要求来设定。 (3)传感器的应用 部件程序含有每个轴向的必需位，运动和速度的方向，和继电器的附助，控 制信号。控制器产生一个内部的讯号表明先前的片段已经完成而且部件程序新块 应该被读取。控制器也操作对机床丝杠的磁盘附件和接收在实际位置和每个轴向 速度的反馈信号。 在 CNC 系统中，部件尺寸用部件程序中整数来表达。每个单位相当于轴运动 的位置解析度而且被称为基本的长度-单位(BLU).BLU 也即是“增量尺寸“ 或者“ 位元 - 重量“ ，而且事实上它近似反映系统的准确度。对于那些计算机输送 CNC 机床的位指令的计算，实际的长度由 BLU 数值划分。举例来说,为了要移动 0.7 英寸，在一个系统的正 X 方向 BLU=0.001 英寸，位指令是 X+700。 在 CNC 系统的第一代中，在部件程序中尺寸由 BLUs 给出，像 NC。在新的 CNCs 中，然而，尺寸，或理想的切割位置在一台普通计算机中以正常的方式给 出。指令 X-0.705，举例来说，在 X 轴负方向上将会移动 0.705 英寸。被给的尺 寸指令的 解析度依赖于系统 BLU。 除了刀具位置之外，部件编程必须编入切削参数，例如刀具直径，切削速率 (n)，进给量(s)和切削深度(d)。 部件编程的任务是切削参数 n 和 s 转变成主轴 速度(N) 和进给率(s)，如图 1-1 所示。 图 1-1 (4)运动轴的点位控制和轮廓控制 CNC系统由二种功能类型组成: 点位(如，钻床)和轮廓或连续路径控制(如， 铣床)。 点位控制系统:点位控制(PTP) CNC 加工机床的最简单例是一个钻孔床。 在钻床中工件沿着运动轴移动直到被钻孔中心完全地在钻头之下为止。然后钻头 哈尔滨石油学院本科生毕业论文（设计） 8 自动地向工件移动(以能被控制或确定的主轴和进给速度)，孔被钻好后，钻头以 迅速的反向进给速度迅速的移出。工件移动到一个新的点，重复上述系列程序。 在一个PTP系统，这个系统需要用位置计数器来控制最终的刀具接触到被钻 点的位置。从起始点到终止位置的路径并没有被控制。每个要求位置的数据由坐 标值给出。然而，在高速钻削应用中，如发动机块单轴钻削，一个控制回路需要 控制加速和减速运动。数字信号处理技术已经被用于运动系统对非常快速的 PTP 运动轮廓 (1到4g)的时间设定，以便主轴可以执行那些没有被钻坏孔的操作。线 性电动机加工机床已经被 Anorad公司 (Hauppauge，NY)为福特电动机发动机生 产线所设计模拟示范。 轮廓控制系统:在轮廓控制或连续路径系统中，运动轴移动时，刀具进行 切削，例如铣床，所有运动轴可能以各自不同的速度同时地移动。当需要非线性 路径时，甚至在这一部分轴的速度将发生变化。例如，切一个圆周时，在某一轴 需要正弦的速度变化，然而其他轴的速度可以以一余弦速度变化。 在轮廓加工方面，切削刀具的位置在伴随轴速之间某一速率的每个片段结束 时决定着工件所需要的轮廓，同时这种合成的进给速度也影响表面光洁度。因此, 在这情况，一个某一轴的速度发生误差将引起刀具路径位置错误，系统必须含有 连续位置控制回路和终点位置计数器。结果每个运动轴被配置一个位置回路和一 个位置计数器。每个对各轴和被进给到适当位置的计数器的零件程序将给出相应 的空间信息。然后，控制器的内插器决定着各轴为了要获得要求的刀具进给率所 需要的适当的速度指令。 插补:在轮廓控制系统中，加工路径通常由线和圆部分结合而成。在编写 零件程序时，各部分的初始和终点坐标以及进给率的指定是必须的。 基于这个 信息的加工所需要的形状的操作被称为插补，CNC的对应的软件运算法则是插补 法。插补坐标沿着各自驱动的机床轴向运动去生成所需的加工路径。二种最普遍 的插补类型是直线和圆弧插补。抛物线插补可以被用于航空业领域的一些CNC系 统中。 直线插补:能控制沿给定的起始和终点坐标之间的直线运动的方法被称为 直线插补法。直线插补能在一个平面(二维空间)二轴运动执行或在需要三轴的组 合运动的空间 (三维空间)执行。在这一个章节中，只队唯一的二维直线插补给 予讨论。为了说明插补功能,考虑一个直线切割的二轴系统。假定X桥移动p单 位，那么同时 Y轴移动q单位，这种由于轴的移动而形成的轮廓已经以一定的进 给速度被切割。(如毫米/秒)p，q 和V的大量数据被包含在零件程序和被进给到 插补器中。插补器然后产生二个速度信号 Vx 和 Vy,其中 哈尔滨石油学院本科生毕业论文（设计） 9 位置参数输入到轴向的控制回路中为 可见，二维空间直线插补提供了二机床轴的速度指令及维持在要求的步进距离之 间的速率。 圆弧插补：CNC 系统最普遍的两种插补方式是直线和圆弧。圆弧插补排除 了对沿着一个圆弧定义许多点的需要。生成圆弧需要圆弧的起始点，终止点和半 径。圆弧插补将圆弧分解成轮廓误差小于一个BLU的若干直线段。它以反复的方 式对给定点X(i)，Y(i)进行操作, 一个小的逐渐增加的角度被增加来计算下一个 点,如图1-2所示。 图 1-2 直线和圆弧插补都是基于生成的渐增的每t秒的位移来实现的，这个t 是CNC 系统的采样周期。典型地，CNC系统是在普遍的采样周期上对插补和控制回路进 行操作的。在这些系统中，典型的t可能在1和10msec之间取值。其他的一些CNC 系统利用一台独立的计算机来进行插补和用其他一个或多个微处理机来关闭控制 回路。 (5)运动控制系统 Figure 1-3 通常地，电动机通过一个驱动机构而机械地被加载。例如，自动机械的链接 哈尔滨石油学院本科生毕业论文（设计） 10 和定位台是负载。做一个很好的假设,在电流反馈回路中,我们忽视掉这种动力学 而认为指令电流为实际电流。设定转距并输入系统的机械部分。注意，惯性和电 动机的轴承磨擦应该被认为是运动控制系统的机械部分的一部份,这严重地影响 速度和定位回路反馈控制器的设计。这些控制器能以任何模拟数字形式被运行。 近几年来，在微处理机和或DSP 上，数字操作已经很普遍，而且数字的速度和 定位控制被时常称为数字伺服。 电流反馈通常建立在“驱动器“(功率放大系统) 中。 速度和定位控制器的反馈信号通常可从电机中得到，负载的速度和定位， 如一个定位工作台，在驱动装置的反端是我们最终关心的量。以电机的速度和定 位为基础的闭环控制设计有时被称为半闭环控制设计。负载的速度和定位必须被 反作用给全闭环控制回路。典型的驱动机构是滚珠丝杠和各种不同类型的齿轮。 一些制造厂商提供所谓的直接驱动(DD) 电动机，这种电机能够传递大的转矩而 且不可思议的降低了最高速率。DD 电动机可以去除驱动机构，然而，他们是笨 重的，或许在应用中这不是最好解决方案。普通的定位感应器是电位计和译码 器，这些对于速度速度来说是转速表传感器和频率- 电压变换器(FVC)，输入到 译码器脉冲。在数字伺服系统中，译码器普遍用于位置测定，而且速度可以通过 译码器脉冲来估算或从 FVCs 中获得。 传统的速度和定位回路反馈控制器是 PID 型号。PID 控制器的输出 e(t)是误差，u(t)是控制输入量，kp，ki 和 kd 分别是比例的，积分的和引出的 控制增量。上述的反应式表现 PID 控制在连续-时间(类比)形式上的规律。在数 字控制中，PID 控制规律以离散形式被实现。一典型的离散-时间 (数字) PID 控 制规律是 k 表示第 k 个样本实例，而且 t 是取样周期。在位置回路反馈控制中，e 和 u 中 相当于定位误差和速度指令。对于速度回路控制器，他们是速度误差和电流指 令。另外的常用的直线控制器是提前/ 滞后补偿器。输入-输出(I/O)接口包括模 拟-数字变换器(A/D)，处理译码器脉冲的解码器和数字-模拟变换器(D/A)。运动 控制系统可以从传统软件的成分和程序中建立，他们能够控制各式汽车的插入板 或者包装系统。立，他们能够控制各式汽车的插入板或者包装系统。 由于 PID 和超前/ 滞后补偿器很简易，因此被许多应用程序所利用。 然 而，他们各自未必适合于需要执行要求的迫切问题，在闭环控制系统的设计中， 我们必须作一些极端考虑。由于反馈信号数量的增加(如丝杠旋转一周的单位脉 冲)，回路将更加敏捷。那即是增加开环增益过度地增加开环增益可能导致闭合 哈尔滨石油学院本科生毕业论文（设计） 11 回路系统的不稳定，这种情况明显是应该避免的。“反馈“控制的基本性质是控制 动作，它是以误差为基础的。当输入给位置回路的参数确定时，整体的动作可能 在稳定状态下保证零误差。在轨迹控制方面，然而，位置指令正在连续地改变, 这和闭合回路系统的动力学结合来维持一定的轨迹误差。例如，在加工圆周的轮 廓时，每个运动控制轴的指令位置信号是正弦的。如此操作本质上是一个运动控 制轴的频率响应的一种测试。控制器正常调谐，以便频率响应增益在动作范围内 接近但是不能完全精确到 1。在轮廓的高速加工中，对应的频率很高，而且增益 正常地是在一之下。然后，实际直径略微地比被需要的直径要小些。这种结果时 常被称为放射状的还原反应误差。如此的误差可能由于给位置回路应用扰动观察 器设计而减少。然而，扰动观察器仍然是一个反馈控制器,而且在进一步减小其 影响的数字操作中采样时间将延长。 哈尔滨石油学院本科生毕业论文（设计） 12 第 2 章 机构总体设计 2.1 机构总体结构设计 基于节筒的加工难点和加工技术要求，本机床设计采用立式母线定位加工方 案，该方案采用节筒由中心支撑固定，旋转的加工头由母线定位，旋转一周完成 一端坡口加工。机床总体结构示意图如图 2-1 所示。 图 2-1 加工机床总体结构图 1. 节筒 2. 下拉杆机构3. 外割炬角度调整装置 4. 外割炬靠背轮装置 5. 外割炬等离 子切割机 6.外割炬纵向升降装置 7. 外割炬防护罩 8. 外割炬横向进给装置 9. 外割炬 步进电机 10. 回转支架 11. 底座支撑调节座12. 工件定位夹紧装置 13. 内割炬靠背 轮装置 14. 内割炬角度调整装置 15. 内割炬等离子切割机 16. 内割炬纵向升降装置 17. 内割炬横向进给装置 18. 内割炬防护罩 19. 内割炬步进电机 20.液压动力系统21. 中 央立柱 22. 回转支撑 23. 底座 该机床按照功能实现的不同可以分为工件定位夹紧装置、回转支架总成、底 座、中央立柱、内外割炬角度调整装置、内外割炬横向进给装置、内外割炬纵向 升降装置、靠背轮机构总成、液压动力系统装置、控制驱动装置以及空气等离子 切割机等组成部分。 大型节筒端面坡口加工机床所采用的立式母线定位加工布置方式存在以下几 个方面的特点： (1)加工精度容易保证采用这种加工布置方式，定位与夹紧装置连为一体， 一次装夹即可完成一端平端面、内坡口加工和外坡口加工，避免多次抓取造成的 定位误差。此外，节筒竖直放在机床上，重力方向竖直向下，工件受到的磨削扭 哈尔滨石油学院本科生毕业论文（设计） 13 力将会大大减少，有利于减小工件的扭曲变形和外形误差，因而加工精度容易保 证。 (2)结构简单紧凑该加工布置方式将节筒定位和夹紧装置合为一体，工件不 动，刀具装置放置在回转台上，回转台回转进行工件加工，结构简单紧凑，便于 节筒吊装和加工。而卧式加工布置方式则需要有其他的附属装置，占地面积大， 结构较复杂，并且不利于工件的吊装和加工。 (3)运动容易实现和控制该加工布置方式在加工过程中，回转台回转，而工 件不动，动力系统功率小，运动容易实现并容易控制，有利于确保工件的加工精 度和加工质量。 2.1.1 总体布置设计 总体布置设计就是确定机械系统中个子系统之间的相互位置关系及相对运动 关系，并使总系统具有一个协调完善的造型。不同的功能原理方案对应不同技术 物理效应和物理学原理；不同的效应和原理决定了机械系统的总体布置、性能、 产品质量、生产效率和成本。同一效应和原理应采用不同的总体布置时，又会对 机械系统本身的设计制造和使用产生很大的影响，因此，总体布置设计是机构设 计阶段的重要环节。 机械系统的总体布置设计是带有全局性的一个重要问题，不但要考虑系统本 身的设计内容，还应考虑系统与外部环境之间的关系，即人机关系、系统对环境 的适应性、系统对外界环境的影响等因素，如系统的性能、操作、观察、调整、 控制、防护等都对总体布置产生一定的影响。 总体布置设计一般是先布置执行系统，即总系统的总功能载体系统，然后再 布置传动系统、动力系统、操控系统和支撑形式等，从粗到细，从简到繁，反复 多次，最终确定出合理的方案。 2.1.2 方案选择的原则 明确、安全、简单、可靠是结构总体设计阶段必须遵守的三项基本的原则。 由于这三项基本原则的共同目标都是为了保证实现产品的预期功能、降低成本及 保障人和环境的安全。所以，在整个设计阶段应将三项基本贯彻到底。 明确原则主要包括：功能原则、工作情况明确、结构的工作原理明确。所选 择的结构应能明确无误的、可靠的实现预期的效果。对于可实现的功能来说，要 做到既不疏漏又不冗余。被设计的产品所处的工作状况必须明确。若设计时缺少 准确的使用工况说明，且不得不做出一些假设的情况，应随即检查有关假设的正 确性。设计结构时所依据的工作原理必须明确，才能可靠的实现能量流、物料流 和信号流的转换或传导。 简单原则是指要在满足总功能的前提下尽量使整体、部件、零件的结构简 单，且数目少；同时还要求与操纵与监控简单；制造与测量容易、快速、准确； 哈尔滨石油学院本科生毕业论文（设计） 14 安装与调试简单而快捷。这里所说的简单即同时具有简化、简便、简明、简易、 简少等多重含义。 安全可靠原则是指构件的可靠性、功能的可靠性、工作的安全性、环境安全 性。在规定外载荷下，在规定的时间内，结构不发生断裂、过度变形、过度磨损 且不丧失稳定性。功能的可靠性主要的指总体的可靠性，既保证在规定条件下能 实现总系统的总功能。工作安全性主要指对操作者的防护，保证人的安全。不造 成环境污染，同时也保证这个产品对环境的适应性。 在保证上述各种安全可靠性，应在设计过程中充分给予重视并落实到具体设 计中。出对重要构件、零部件进行必要的各种计算外，还应设置防护系统和保护 装置及在危险发生前的报警系统。 2.2 方案的选择 大型圆筒的加工，其加工方案氛围卧式加工方案和立式加工方案。下面将对 两种方案进行比较。 2.2.1 卧式方案卧式方案 卧式加工方案如图 2-1。 卧式加工方案采用转轮支撑，压轮压紧的夹紧方式，割炬不动，由滚轮带动 节筒转动，从而实现筒件的加工。本方案直观，结构简单，便于理解机构的各部 件的运行情况。但在现实应用中，机构整体进行运动时的空间太大，不便于配合 其他机构的安装和运行。 图 2-1 卧式加工方案示意图 哈尔滨石油学院本科生毕业论文（设计） 15 2.2.2 立式方案 立式加工方案如图 2-2 所示。 图 2-2 立式加工机床结构示意图 立式方案采用母线定位，专用夹具夹紧，旋转的加工头由母线定位，割炬随 回转工作台旋转，旋转一周完成一端平端面坡口的加工。这种方案由于其定位与 夹紧装置连为一体，一次装夹即可完成一段平端面，内外坡口的加工，避免了多 次抓取造成的定位误差。因此，圆筒多竖直放在机床上，重力方向竖直向下，工 件受到的磨削扭力将会大大减小，有利于减小扭曲变形和外形误差，因而加工精 度容易保证。又因该加工布置方式在加工过程中，回转台回转，而工件不动，动 力系统功率小，运动容易控制，有利于确保工件的加工精度和加工质量。 2.2.3 方案比较 卧式方案和立式方案的比较见表 2-1。 从表 2-1 我们可以看出卧式方案虽然尺寸和加工所需运动空间较小，但其对 机床损害较大，所需装夹空间也较大，并且从装夹方式、加工方式和专机装卸难 度各方面来看，立式方案要优于卧式方案。因此我们在本次设计中采用立式浇灌 内方案，母线定位原理。该加工布置方式将圆筒定位和夹紧装置和为一体，工件 不动，刀具装置放置在回转台上，回转台回转进行工件加工，结构简单紧凑，便 于圆筒吊装和加工。而卧式加工布置式则需要有其他的附属装置，占地面积大， 结构较复杂，并不利于工件的吊装和加工。 表 2-1 卧式方案与立式方案的比较 卧式方案立式方案评价 哈尔滨石油学院本科生毕业论文（设计） 16 机床尺寸3.63.7卧式方案机床占用 空间较小 吊装方式 压轮升起，圆筒避过压轮装 置，横向吊装，安放在滚回 转轮上 拉杆降下，圆筒自上而下吊 装，安放在预先放置好的平 台上 立式方案对机床损 害小，但所需径向 空间较大 装夹方式 两对滚轮转轮支撑，一对压 轮压紧，须承受一定的翻倒 力矩 中心支撑固定，靠摩 擦力和平台的支撑使圆筒夹 紧 立式方案比较安全 可靠 加工方式 割炬不动，圆筒靠滚轮的转 动带动，两组滚轮保持较高 的平行度 圆筒不动，割炬固定在回转 台上 立式方案比较容易 实现 加工所须 运动空间 6.53卧式方案较小，但 占用大量空间 专机装卸 难度 为保证滚轮的平行度，滑动 论的平行移动需用导轨限制 专机直接安放在工作场地， 不需固定 立式方案比较容易 拆装 2.2 坡口切割方式与节筒定位支撑方式 2.2.1 坡口切割方式 采用等离子切割方式进行坡口和端面的加工，并选取切割速度快、切缝窄、 切口光洁、体积小、重量轻、高速节能的 LGK 系列空气等离子切割机，既能够保 证加工速度，又能够保证加工表面粗糙度要求。 此外，根据内外割炬角度调整装置即由刻盘角度调整机构调整等离子切割头 的倾斜角度可以实现坡口加工角度，能够保证加工技术所要求的坡口加工角度的 范围。 2.2.2 节筒定位支撑方式 采用母线定位原理，并用靠背轮进行实现：靠背轮以节筒成型后的内表面母 线进行定位，并驱动内外割炬头实现径向运动，从而使得加工后的坡口形状不会 因节筒的变形而改变，减少了节筒变形对其加工精度的影响。 工件由 8 个定位块进行定位，采用如图 1-1 所示的总体结构。夹紧装置由上 下摆杆、下支臂和摆动臂组成的 8 个异形平面连杆机构构成。机构上下摆杆的一 端和中央立柱铰接，另一端和摆动臂铰接，下支臂一端和摆动臂铰接，另一端与 下拉杆铰接，液压动力系统通过下拉杆带动下支臂来驱动摆动臂工作，摆动臂中 放置臂垫板，根据加工节筒的直径的不同，可以调整接触状态。这种夹紧装置既 便于节筒的夹紧定位，又能够保证已成型的节筒在加工过程中不易在力的作用下 哈尔滨石油学院本科生毕业论文（设计） 17 变形，保证加工精度。 2.3 机构工作原理 大型节筒端面坡口加工机床对不同规格的节筒进行加工时，其工作原理及加 工过程可以概述如下： 首先，进行不同规格的节筒吊装工作，并通过底座调整机构调整大型节筒端 面坡口加工机床底座支承件的水平度，使其达到加工技术的要求；机床工件定位 夹紧装置通过液压动力装置驱动 8 个异形平面连杆机构（由上摆杆、下摆杆、下 支臂和摆动臂组成）对工件进行定位夹紧。 其次，根据被加工的节筒的直径和高度的不同，调整机床内外割炬横向进给 装置的进给量以及内外割炬纵向升降装置的升降量，使其进给或者升降的距离满 足被加工节筒的要求，并使内外割炬纵的靠背轮紧贴被加工节筒的内表面，保证 靠背轮以节筒成型后的内表面母线进行定位，并驱动内外割炬头实现径向运动； 同时并根据所要加工的坡口角度的不同，由机床角度调整机构调整等离子切割机 的等离子头倾斜角度，使其满足平端面或者坡口削斜的要求。 然后，机床的驱动装置（步进电机）驱动回转支撑进行回转运动，带动回转 支撑上的内外割炬横向进给装置和内外割炬纵向升降装置也进行相同的回转运 动，内外割炬回转的同时进行空气等离子切割工作，回转支撑回转一周，完成被 加工节筒一端的平端面或者坡口削斜工作。 最后，重复上述工作过程，完成被加工节筒另一端的平端面和坡口削斜工 作。 2.4本章小结 本章主要讲述机构总体的总体设计，其中包括结构设计、布置设计、方案 选择，在讲述坡口切割方式和节筒定位支撑方式的同时，阐述了机构的工作原 理。 哈尔滨石油学院本科生毕业论文（设计） 18 第第 3 章章 机构各部分装置和机构的结构设计 3.1 工件定位夹紧装置结构设计 工件定位夹紧装置是由包括上摆杆、下摆杆、下支臂和摆动臂等组成的 8 个 异形平面连杆机构构成，其功能是通过液压动力装置驱动 8 个异形平面连杆机构 对被加工节筒进行定位夹紧，机构上下摆杆的一端和中央立柱铰接，另一端和摆 动臂铰接，下支臂一端和摆动臂铰接，另一端与下拉杆铰接，液压动力系统通过 下拉杆带动下支臂来驱动摆动