（机械制造及其自动化专业论文）串励电机转轴全自动校直机的研制.pdf

浙江大学硕十学位论文 摘要 在电机转轴加工过程中，热处理后进行校直，使其跳动度控制在允许的范围是一 道非常关键的工序。本论文结合我国电动工具生产行业对串励电机转轴校直技术落后 的现状，在充分调研国内外轴类零件校直行业状况和大量理论与实验分析的基础上， 研制了种串励电机转轴全自动校直机。本项目的开展，对于促进我国电机行业发展 具有积极意义。 第章通过对国内外校直技术的研究现状和我国电机行业特别是电动工具行业 现状的调研，分析了自动校直机开发与应用的背景和意义；对现有的校直方法进行分 类研究，提出了适合串励电机转轴的校直方法，并确定了本论文的主要研究任务。 第二章从弹塑性力学的角度对轴类零件的反弯校真过程进行了理论分析，探讨了 轴类零件校直工艺过程中压点与支点的选择和校直行程的计算等技术要点，提出了一 种基于最小二乘法的自学习校直行程算法；在理论分析的基础上，根据校直过程的工 艺流程和要求，完成了自动校直机的机械设计，主要包括检测与定位系统设计、加载 校直系统设计、自动上下料系统设计。 第三章结合校直机的机械结构、工作原理和校直工艺流程设计了以a t 8 9 c 5 1 单 片机为核心的自动校直机控制系统硬件电路，并对硬件电路进行了详细分析；设计过 程中，考虑干扰因素对校直过程的影响，从抑制干扰源、切断干扰传播途径、提高敏 感元件的抗干扰性能等方面进行分析，以提高系统的稳定性和可靠性。 第四章在自动校直机的机械设计和控制系统硬件设计的基础上，采用结构化编程 的方式，完成了自动校直机控制软件的编制和调试。按照自动校直机的功能，控制软 件主要可分为主程序、初始化程序、自学习程序和自动校直程序等几部分进行设计。 第五章通过实验验证了校直理论分析和校直行程算法的正确性与可行性。压点与 支点的组合实验，分析了支点分布和压点位置选择对校直效果的影响；校直载荷和变 形实验，分析了校直载荷一校直行程一残余变形三者之间的关系；结合实验数据采用 最小二乘法拟合得出校直行程计算参数，并按照拟合的校直行程计算参数进行校直达 到了预期的效果。 第六章概括了本论文的主要工作，并展望了今后需要进一步开展的工作。 关键字：串励电机，转轴，自动校直，弹塑性力学，最小二乘法，校直算法 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t i nt h ep r o c e s so fe l e c t r o m o t o rr o t o rm a n u f a c t u r i n gp r o c e s s ，s t r m g h t e n i n ga f t e r h e a tt r e a t m e n tt om a k ei ti na na l l o w a b l ee x t e n s i o ni sak e yw o r k i n gp r o c e d u r e b e c a u s eo ft h ep o o rt e c h n o l o g yi na x i ss t r a i g h t e n i n gi n d u s t r yi nc h i n a , i nt h i s d i s s e r t a t i o nas t r a i g h t e n i n gm a c h i n ef o rt h er o t o ro f s e r i e sm o t o rw a sd e v e l o p e dw h i c h w a sb a s e do nt h er e s e a r c ho ft h es t r a i g h t e n i n gt h e o r ya n de x p e r i m e n t s t h i sp r o j e c t h a sa v e r yi m p o r t a n ts i g n i f i c a n c et ot h ed e v e l o p m e n to f e l e c t r o m o t o ri n d u s t r y i nc h a p t e r1 ，t h es i g n i f i c a n c et os t u d yo nt h ep r o j e c tw a sa n a l y z e db y i n v e s t i g a t i n gt h es t a t u sq u oo f t h ea x i ss t r a i g h t e n i n gi n d u s t r yh o m e & a b o a r da n dt h e b a c k g r o u n do fp o w e rt o o li n d u s t r y i nt h i sc h a p t e r , b a s e do nt h er e s e a r c ho ft h e s t r a i g h t e n i n gm e t h o d si nb e i n g , as t r a i g h t e nm e t h o d st h a ta d a p tt ot h ep r o j e c tw a s p r o p o s e d f i n a l l yt h ed e s i g no b j e c t i v ea n dc h i e fa s s i g n m e n to ft h es t r a i g h t e n i n g m a c h i n ei sd e t e r m i n e db yt h es t r a i g h t e n i n gp r o c e s sa n dr e q u i r e m e n t s i nc h a p t e r2 ，t h ek e yt e c h n o l o g yi na n t i - b e n ds t r a i g h t e n i n gf o ra x i sw a sa n a l y z e d b ye l a s t i c p l a s t i cm e c h a n i c st h e o r y , t h ee o m b i n 撕o no fp r e s sp o i n ta n dp i v o tw a s d i s c u s s e d as t r a i g h t e ni n t e r v a la r i t h m e t i cb a s e do nl e a s ts q u a r e sw a sb r o u g h to u t t h e m e c h a n i c a ls t r u c t u r eo f t h es t r a i g h t e n i n gm a c h i n ew a sd e s i g n e d ，i n c l u d i n gt h ed e t e c t a n dl o c a t es y s t e m ，t h es t r a i g h t e ns y s t e m ，t h ea u t o m a t i cl o a d i n ga n dd i s c h a r g es y s t e m a n ds o o n i nc h a p t e r3 ，b a s e do nt h em e c h a n i c a ld e s i g n , t h es t r a i g h t e np r i n c i p l ea n dt h e s 仃a i g h t e n m gp r o c e s s , t h em c s - 5 1c e n t e r e da u t o m a t i cc o n t r o ls y s t e mw a sd e s i g n e d ， a n dt h ep r i n c i p l eo ft h ec i r c u i tw a si n t r o d u c e di ng r e a td e t a i l c o n s i d e r i n go nt h e e f f e c tb yt h ei n t e r f e r e n t i a ls i g n a l s ，s o m em e a s u r g sw e r ed o n et or e s t r a i nt h es o u r c eo f i n t e f f e r e n t i a is i g n a l s ，c u to f ft h es p r e a d i n gr o a da n dh n p m v et h eq u a l i t yo ft h e s e n s i t i v i t yc o m p o n e n t t h e r e f o r et h er e l i a b i l i t y , t h es a f e t y , a n dt h es t a b i l i t yo ft h e s y s t e mw 哦i m p r o v e da v a i l a b l y i nc h a p t e r4 ，t h es o f t w a r eo f t h ea u t o m a t i cs t r a i g h t e n i n gm a c h i n ew a sd e s i g n e d a c c o r d i n gt ot h ef u n c t i o no ft h ea u t o m a t i cs t r a i g h t e n i n gm a c h i n e ，t h es o t h v a r ew a s c o m p o s e db yt h em a i np r o g r a m ，t h ei n i t i a l i z a t i o np r o g r a m ，s e l f - s t u d yp r o g r a ma n d a u t o m a t i cs t r a i g h t e np r o g r a ma n ds oo n i nc h a p t e r5 ，e x p e r i m e n t sv a l i d a t e dc o e s sa n df e a s i b i l i t yo ft h et h e o r y a n a l y s i sa n dt h es t r a i g h t e ni n t e r v a la r i t h m e t i c n ec o m b i n a t i o no fp r e s sp o i n ta n d p i v o te x p e r i m e n ts h o w e dt h ee f f e c to n t h el o c a t i o nc h o i c eo f t h ep r e s s p o i n ta n dp i v o t ； t h es t r a i g h t e n i n gl o a da n ds t r a i ne x p e r i m e n ta n a l y z e dt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h e l o a d , s t r a i g h t e ni n t e r v a la n ds t r a i n ；t h es t r a i g h t e ni n t e r v a la r i t h m e t i cb a s e do nl e a s t s q u a r e s t og e tt h ep a r a m e t e r sw a sa p p l i e d , a n da ne x p e c t a n te f f e c tw a so b t a i n e d i nc h a p t e r6 ，t h ew o r ko ft h i sd i s s e r t a t i o nw a ss u m m a r i z e da n df u t u r er e s e a r c h w o r kw a sp u tf o r w a r d k e y w o r d s ：s e r i e sm o t o r ，r o t o r ，a u t o m a t i cs t r a i g h t e n i n g ，e l a s t i c - p l a s t i c t h e o r y ，l e a s ts q u a r e s ，s t r a i g h t e na r i t h m e t i c n 学号2 q 垒q 墨q 2 垒 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得堑鎏盘堂或其他教育机 构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献 均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 糊一躲m 罨柳期：沙6 年二月7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盘鎏盘堂有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和 借阅。本人授权澎鎏盘鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 签字日期：加挥 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 电话： 邮编： 一罗薮“撼缸 彳日 多了 于謦 月 呵， 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题研究的背景与意义 1 1 1 本课题研究的背景 电机行业是一个传统的行业，经过两百多年的历程，现已取得前所未有的 发展，电机行业作为工业装备业的重要基础产品，具有广阔的市场领域。随着生 产现代化程度的不断提高和人们对家用电器、汽车等消费的不断增加，以及技术 的进步，产品的快速更新换代，市场对电机的需求空间也将越来越大。 近几年来随着我国经济的快速发展，带动了交直流电机制造业，特别是电动 工具、汽车电机制造业的迅猛发展l j j 。目前，我国电机厂近2 0 0 0 家，从业人员 逾l o 万人，工业年产值超过1 0 0 亿元。尽管数量庞大，但相当一批是小型企业， 独资、民营、乡镇企业数量约占整个微特电机行业的8 0 左右，主要集中在广东、 浙江和江苏三省。据统计，1 9 9 8 年全国电动工具出口的数量已高达3 7 8 0 万台， 金额接近6 亿美元；2 0 0 0 年，我国电动工具的年外贸出口数量增长至8 5 0 0 多万 台，出口金额从上一年的7 8 5 亿美元提高到1 2 2 5 亿美元；2 0 0 4 年，我国的电 动工具产量已达到1 5 5 亿台，同比增长8 5 ，约占全球电动工具总产量的8 0 ， 占当年世界销售总量的约7 0 ，销售额达2 6 8 亿美元，同比增长高达3 2 2 1 2 1 。 海关统计数据表明，我国电动工具出口额已超过出口量居全球第二位的德国一倍 以上，稳居世界第一位例。 目i j i f 世界制造业重心正在向中国转移，中国已成为世界小功率电机制造基 地，我国已经发展成为电动工具的生产大国和外贸出口大国，小功率电机产量占 世界总量的7 0 0 6 以上【2 】。抓住有利发展时机，打造具有民族品牌的电机产品，增 强国际竞争力，已成为我国电机工业界的重要课题。 自动校直技术是一种先进的机械制造技术，热处理后校直是轴类零件加工 过程中保证产品质量的重要工序，广泛应用于汽车制造、纺织机械制造、电机生 产等机械制造行业。在机械、汽车、电机等行业大量使用着各种轴类零件，然而 这些零件在加工制造过程中不可避免地出现不同程度的弯曲变形，据统计我国年 产轴的总量约为l o 亿件，需要经过校直后才能使用的约7 0 1 7 l 。如果轴类零件 的弯曲变形不能得到有效的校正，在后续过程中将会引起各种各样的问题，影响 产品质量，甚至直接导致废品率上升。普通电动工具中用的小型电机转子是在转 轴上压入绕漆包线的硅钢片、风叶和换向环等零件而组成，而转轴在加工及热处 理过程中会出现不同程度的弯曲，转动过程中容易造成转轴与硅钢片之间的绝缘 层的不均匀性，影响电机运动的平稳性及电机的正常寿命。在电机转轴加工过程 浙江大学硕士学位论文 中，热处理后对转轴进行校直，使其跳动度控制在允许的范围是电机转轴加工过 程中的一道重要工序，校直精度与稳定性直接影响电机的质量。 1 1 2 本课题研究的意义 目前，我国的校直行业仍处于低水平阶段，国内电机生产厂家多数采用人 工测量与校直的方法，有的采用以普通压力机改造而成的简易设备进行校直【4 】。 人工校直的方法通常是先在简易设备上用百分表目测出转轴的最大跳动度和相 位，再在另一简易支架上人工加力实施校直，通常一根轴需要进行三四次反复检 测与校直过程才能达到要求。人工校直的方法对操作工人的技术要求很高，劳动 强度大，且由于人为因素的影响使得校直精度不高且不稳定，效率低。随着企业 电机订单的大幅增多及对产品精度和生产自动化要求的逐渐提高，人工校直方法 的精度和效率已经不能满足自动化程度日益提高的电机生产过程。 在工业发达国家，他们研制的校直机都有着相当高的水平，如德国的m a e 公司、美国的e i t e l 公司、意大利的g a l d a b i n i 公司、日本精机株式会社等。 国外的这些校直设备一般都配备有专用数控系统、校直工艺决策系统、轴类零件 数据库、自动检测系统，良好的人机对话功能和故障检测功能等，集中表现在智 能化、柔性化、自动化等方面1 5 l 。然而引进设备所需的昂贵费用令国内一些企业， 特别是些中小企业望而却步。尽管国内一些科研机构已经与国外合作，在校直 机国产化研制上有了较大的进展，如合肥工业大学校直研究所研制的y h 2 4 0 型精 密液压校直机和长春试验机床研究所和日本国际计测量器株式会社( k o k 公司) 合作生产的a s c 系列校直机，但是这类设备大多数都是针对汽车和纺织机械中使 用的轴类零件校直而开发的专用测控系统，成本高、维修困难，且开发与维修周 期长、费用高。 经过对浙江地区的电动工具生产厂家进行调研发现，目前市场上没有针对 电动工具行业中小型电机转轴校直的自动校直设备，绝大部分的厂家依然采用人 工校直的方式。针对小型串励电机转轴校直，开发出一种自动校直机，让众多的 中小电机生产厂家在价格上能接受，对推动我国电机生产行业的自动化程度，提 高电机生产质量有着十分重大的意义。 本项目是经过对我国小型电机行业校直技术现状进行充分调研和分析后，根 据电机生产厂家的实际情况和需求与企业联合开发的。本项目的实施将会很好地 满足国内小型电机生产企业对串励电机转轴的自动校直需求，促进中小企业电机 生产的质量和产量的提高，特别是对浙江地区众多的小型电动工具生产企业的发 展将有很大的促进作用。 浙江大学硕士学位论文 1 2 国内外研究现状和发展趋势 i 2 1 国外轴类零件校直行业研究现状 随着现代科学技术的不断发展，计算机科学技术广泛应用于机械加工、机 电控制、机械设计等领域，在工业发达国家轴类零件的自动校直技术是机械行业 的一个先进的技术领域。由于自动校直设备能有效提高产品质量、提高生产效率， 发达国家十分重视此项技术的研究，并投入大量的人力、物力开展此项技术的研 究工作。鉴于校直技术在轴类零件加工过程中的重要性，发达国家对校直技术采 取对外封锁保密的措施。许多发达国家都有专门的自动校直设备的研究机构和生 产厂家，全自动精密液压校直机发展已经比较完备。意大利、美国、德国和日本 等工业发达国家先后开发出具有本国特色的自动校直设备产品，其中知名度较高 的有德国的m a e 公司、美国的e i t e l 公司、意大利的g a l d a b i n i 公司、日本精 机株式会社等，他们生产的校直机都有着较高技术水平，集中体现在智能化、自 动化，测量和校直精度高、生产节拍快等特点1 5 1 。 如图1 1 所示的德国m a e 公司生产的自动校直机 4 1 。该公司生产的校直机能 对待校轴进行多处检测，对待校轴不同部位进行校直，在每一次校直完成后，残 余跳动量被实时检测，如工件精度未达到设计要求，则重新计算校直行程，继续 实施校直工艺。校直行程计算过程中采用了一定的优化算法，根据校直进程和状 态，修改对应的参数实现控制与调整校直行程。该设备的校直决策程序可根据被 校工件的弯曲程度，按照用户要求的不同精度要求，采取不同的校直策略，大大 提高校直效率。用户还可以通过屏幕显示直观地观测待校轴的相关数据信息，并 有大量的统计数据可供用户参考使用。该校直机上海大众汽车公司已引进。 图1 1 德国m a e 公司生产的自动校直机 日本精机株式会社生产的a s p 型智能精密校直机【4 j ，根据轴的特征将轴的 变形规律、下压量和校直后的反弹情况等存储而形成一个庞大的专家系统。校直 过程中，系统根据检测到的数据从轴的材料、轴径、热处理工艺等方面从校直专 家系统中进行搜索，找出相应的下压量，确定压头的合理行程。该设备还带有自 动上下料装置，自动化程度较高，克服了经验型校直机的许多弊病。 浙江大学硕士学位论文 美国埃特公司( e i t e lp r e s s e s ，i n c ) 生产的自动校直机【2 6 l ，其产品主要 用于汽车业、摩托车和其他动力传动产品中轴类零件的校直，其技术在该领域内 处于领先水平。用户能通过友好的人机对话方式选择和调整校直参数，从而很好 地改善了轴类零件的校直加工水平。同时，该设备在校直过程中考虑到了由于对 被校工件加压可能产生裂纹而对轴的质量的影响，配备有先进的裂纹检测装置； 在行程计算的过程中，考虑了裂纹扩展约束的影响，是传统的经验型校直机的一 个新的发展。图1 2 所示为美国埃特公司生产的自动校直机。 图1 2 美国埃特( e i t e l ) 公司生产的自动校直机 此外詹j e o e n n y ) 删产的校直设备【2 八，其校直力选择范围从1 1 0 0 t ， 并且可选择适合于各种工件几何尺寸的校直点和测量点；意大利的g a l d a b i n l 公司生产的自动校直设各具有操作灵活、校直速度快等优点，设备采用高精度高 可靠性的p l c 控制系统，检测系统能检测出与形状误差无关而至于弯曲产生的 零件径向跳动误差，校直精度能达到0 0 1 r a m 。 1 2 2 国内轴类零件校直行业研究现状 我国在自动校直领域起步较晚，明显落后于发达国家，校直行业处于低水 平阶段。目前我国除上海大众汽车厂引进一台德国m a e 公司研制的精密液压校 直机、重庆某军工企业引进一台日本精机株式会社生产的a s p 型智能精密校直 机外，大多数轴类零件生产厂家采取人工校直的方式，由人工测量、校直，再由 检验人员检验。早期校直过程中采用的压力校直设备主要为手动螺旋式压力机、 通用型的压力机和由压力机改造而成的校直机。人工检测与校直的方式，在轴类 零件的生产质量和生产效率上无法适应大规模生产的需要，而且对工人的技术要 求和熟练程度要求较高、随机性强、工人劳动强度大，操作者的熟练程度直接影 响产品的质量和数量。根据机电部的统计数据，我国汽车、拖拉机、机床行业每 年生产轴类零件1 0 0 0 万根以上，其中7 0 需要校直，完成这一任务至少需要5 0 0 0 台自动校直机；国内大部分生产滚珠丝杠的专业厂，因无合适的校直设备，丝杠 校直精度也一直都难以提高，在此情况下，不少生产厂家纷纷申请引进这类设备， 但此设备价格十分昂贵【6 1 随着技术的发展和生产需要，我国也自行设计出了具有行程小、支点位置 浙江大学硕士学位论文 可调等校直工艺特点的专用压力校直机，主要有曲柄连杆式的机动压力校直机和 普通液压压力校直机，机架一般采用c 形开式结构或门形闭式结构。但是，这 些设备在使用过程中仍需要凭经验估计校直行程，由人工测量并反复试校，劳动 强度大、校直效率低且精度不易保证。 近年来，由于市场需求增加，在校直设备研制上的投入也随之增加，国内 的校直设备的技术水平也有了较大的发展。其中最有代表性的有合肥工业大学自 动校直研究所自行研制的y h 2 4 0 1 0 型、y h 2 4 0 2 5 型自动液压校直机和长春试 验机研究所和日本国际计测器株式会社( k o k 公司) 合作研制的a s c 系列自动 校直设备。 图i 3y h 2 4 0 型精密液压校直机 经专家鉴定，合肥工业大学自动校直研究所研制的y h 2 4 0 1 0 型、y h 2 4 0 - 2 5 型精校机技术水平达到国际八十年代中期同类产品先进水平。y h 2 4 0 - 1 0 型、 y h 2 4 0 - 2 5 型精校机，如图1 3 所示，采用压头行程精密控制技术，可保证工件 不被压过头而报废；采用伺服阀对压头行程进行精确控制，不仅可实现压头全行 程控制，而且在校直行程范围内可实现压头位置的精确调整，精度达o 0 1 m m ； 对压头行程位置进行监控，精度高、速度快、抗干扰能力强；配备的轴用校直辅 具，能使零件的装夹、打表、校直、残余变形测量等工作简便而高效地完成；全 部采用国产元器件和材料，使成本大大降低1 7 j 。 图1 4 a s c 轴类自动校直机 图1 4 所示的长春试验机研究所与日本国际计测量器株式会社( k o k 公司) 浙江大学硕士学位论文 合作研制的a s c 系列产品，该设备在吸收国外技术的同时，针对国内市场状况， 在测量方式、人机交互提示、中文操作界面、在线帮助等方面作了大量的完善和 改进，更符合中国人的使用习惯和现场条件。该设备具有声发射裂纹检测装置， 以防止工件因过压而断裂；配备有实现全自动生产的自动送料装置，提高了生产 的自动化程度和效率；所采用的元器件经过严格筛选，关键器件仍选用日本、德 国等著名公司的产品，以保证自动校直机的整体质量和可靠型”。 1 2 3 轴类零件校直行业的发展趋势 近年来，随着生产需求的不断扩大和技术投入的不断增加，轴类零件自动 校直设备的技术水平也有了较大的提高，校直设备也正朝数控化、自动化、智能 化、柔性化的方向不断发展1 6 】。 校直设备的品种不断丰富，能满足不同规格的轴类零件校直；通过计算机 控制系统实现对工件的自动检测，测量精度和行程精度越来越高，有的配置有裂 纹检测装置，以防止过压而造成断裂；品种多样的附件与校直机配合可满足各种 轴类零件校直，目前开发出的附件不仅可满足光轴、台阶轴、齿轮轴、花键轴、 凸轮轴和曲轴的校直工艺需要，而且还可以满足板料的扭曲校直要求。由于新的 附件不断出现，校直工艺范围也在不断扩大；人机交互性越来越好，用户能通过 屏幕显示很直观地了解到被校工件的有关信息，并能根据需要通过键盘设定相应 的参数使校直过程达到最佳效果p j 。 随着电子技术和计算机技术的不断发展，开发高技术附加值的自动校直机 系列产品及其配套附件，完善测控手段和装置，增强产品的功能，提高产品的性 价比，对我国电机生产企业提高经济效益，增强市场竞争力具有重要意义。 1 3 轴类零件校直方法 1 3 1 矫直与校直 矫直【2 9 】是使挠曲的板料、型材和管料变为平直状态的塑性加工方法，常用 的矫直方法有辊式矫直和拉伸矫直等。矫直原理主要有反弯矫直、拉伸矫直、拉 弯矫直及旋转矫直等，矫直机分为压力矫直机、辊式矫直机、拉伸矫直机、拉弯 矫直机等。旋转矫直主要用于棒料的矫直，最常见的方法是多斜辊矫直法，其矫 直质量取决于辊子数和辊子的配置。旋转矫直的方式中，辊子的转速难以提高， 矫直速度较低，生产效率不高，而且通常只适用于单截面的轴类零件矫直，对于 有台阶的轴类零件一般不适合进行旋转矫直。 校直是消除材料或制件弯曲的加工方法，主要针对轴、管、棒类零件的径 向弯曲，减小其不直度 3 4 1 3 5 1 。常见的校直方法主要有压点式校直、辊式校直、 滚压校直等。与校直相比，矫直的概念要更广一些，它消除材料的弯曲、翘曲、 浙江大学硕士学位论文 凸凹不平等缺陷，更多地应用于冶金行业；而校直则是仅针对弯曲条材的加工方 法，多用于零件的生产制造中或零件的修复，在轴类零件中使用最多。校直是矫 直的方法之一。 1 - 3 2 校直方法分类 对于轴类零件的校直方法，根据不同的使用条件和待校轴类型，应采用不同 的校直方法。根据校直过程中是否加热可分为热校直和冷校直，其中热校直主要 用于工作环境恶劣、大直径大跨距、形状尺寸比较复杂的轴的校直，如大型气轮 机转子采用的高温蠕变法h ”1 校直。根据校直原理，常见的校直方法有如下几 种：1 压点式校直2 辊式校直3 高温蠕变校直4 滚压校直。 l 、压点式校直 在中小型轴、管类零件的校直加工中，压点式校直使用比较普遍，主要采用 三点式压力校直加工方法。压点式校直方式中，工件在冷态下实现校直，它具有 原理简单、实现容易、适用于复杂零件等特点，普遍应用于轴类零件的校直生产 工艺中。手工校直方法的校直原理为压点式校直，采用的基本工具为压力机、百 分表、校直铁砧、校直平台等。经过对浙江地区的一些电动工具生产企业调研发 现，这些电动工具生产厂家在生产电动工具中使用的小型串励电机转子过程中， 全部采用手工的三点式加压方法进行校直，校直示意图如图1 5 所示。 a b 1 顶针2 百分表3 待校轴4 压头5 v 型块 图i 5 三点式校直示意图 校直过程如下：对待校轴进行校直前，在如图1 5 a 所示的检测装置工作台上， 用一根标准轴( 通常用芯棒) 由两顶针夹持后转动将百分表调零。百分表调零后， 将待校轴用图1 5 a 所示的两顶针夹持定位，然后用手将待校轴缓慢旋转，眼睛观 察百分表示数的变化，如果示数在允许范围内则为合格，若超出范围则视为不合 格。对于不合格的轴，在旋转过程中，用粉笔标记出百分表最大跳动度的大概位 置，然后将待校轴从图1 5 a 取出，放入如图1 5b 所示的v 型块支架中，使有粉笔 标记的方向朝上，旋转压头对待校轴进行加压校直，此过程中下压量完全由工人 凭经验决定。加压过程完成后，将待校轴取出，再一次放入图1 5 a 所示的检测装 置中进行检测，合格则进行下一根轴的检测，不合格则重新放入1 5 b 所示的v 型 块中进行加压校直，重复以上操作过程，直到待校轴符合要求。 浙江大学硕士学位论文 这种手工的三点式加压校直方法完全靠工人凭经验进行检测和加压校直，随 机性强，稳定性、校直精度和效率不高，产品质量和生产效率完全依赖于工人的 熟练程度，劳动强度大，不能适应大规模和自动化生产的要求。 合肥工业大学自动校直研究所研制的y h 2 4 0 1 0 型、y h 2 4 0 - 2 5 型精密校直机 和长春试验机研究所研制的a s c 系列校直机，其校直原理均采用压点式校直。在 这些产品中，用计算机代替人对待校轴的跳动度进行检测和加压，并对检测的数 据进行优化计算，然后再根据经验数据确定下压行程，仍属经验型校直设备。 本论文是针对我国轴类零件校直技术落后的现状，根据电机生产厂家的要求 开发的小型串励电机转轴校直专用设备。开发过程中既要保证校直的精度和效 率，同时也必须要考虑到我国电动工具生产厂家绝大多数为小型企业，在目前我 国劳动力水平相对廉价的情况下，考虑生产厂家愿意为此类设备付出的成本。 轴类零件的变形方式【刀一般有三种：1 弓形2 s 形3 麻花形，如图1 6 所示。 图1 6 a 所示的弓形变形和图1 6 b 所示的s 形变形属于弯曲变形，可通过压点式校 直的方式进行校直。对弓形变形的轴类零件只需要进行单点校直即可，而对s 形 变形的轴类零件则需要进行多点检测与校直；图1 6 c 所示的麻花形则为复杂的空 间变形，属于弯扭组合的复杂变形，很难实施校直。经过对某电机生产厂家生产 的串励电机转轴进行测量与分析发现，串励电机转轴的变形方式以图1 6 a 所示的 弓形变形方式为主，9 6 以上的待校轴采用手工单点校直的方式可以达到校直精 度要求。 八 一 “，少 a 弓形b s 形c 麻花形 图1 6 串激电机转轴的变形方式 本项目所开发的设备在设计过程中，结合小型串励电机转子的变形特点， 拟采用压点式单点校直的方法进行校直。 2 、辊式校直1 8 l 1 9 1 1o 】1 1 0 4 1 辊式校直是一种旋转校直的方法，通过两组辊轮相对运动对轴类零件进行扭 曲挤压达到校直目的，是一种比较成熟的校直技术。辊式校直机床校直精度高、 操作简便，适用于纺织、汽车等行业轴类零件的精密校直，但通常只适用于形状 简单的光轴，不能应用于复杂形状台阶轴。辊式校直机中，根据校直需要有两辊 和多辊式，根据辊轮的形状有直辊和斜辊式，校直的精度和质量与辊轮的精度和 质量密切相关。辊式校直机主要应用在钢铁行业对钢材扎制后由于扎制温度不 均、变形不均、冷却不均等因素造成的弯曲缺陷进行校正，消除形状上的残余缺 陷和内部残余应力，对型钢、板材、管棒材料都有不同的辊式校直机。 3 、高温蠕变法校直【l l j 【1 2 1 1 1 3 1 1 0 2 1 1 0 4 1 高温蠕变法校直是一种利用金属材料的高温蠕变特性对弯曲的转轴实行校 浙江大学硕士学位论文 直的方法，利用高压旋转的金属材料在高温下的松弛特性，即在一定的应变条件 下，作用于零件的应力总是存在逐渐下降的趋势，而在应力降低的同时，零件的 弹性变形部分转变为塑性变形( 永久变形) 。这种校直方式主要应用于一些批量较 小的精密大型转轴上，如气轮机上的转子大轴的校直，工件通过反复加热、加压 实现校直，具有残余应力小、加载力小等优点，但加工时间长，且温度控制困难。 多年来，大型汽轮机转轴弯曲校直的技术方式，基本上都是采用高温蠕变法 进行校直。高温蠕变法校直的基本工艺流程为： 冷态试压升温直轴前退火加压直轴热态测量稳定回 ：j ( 降温 校直过程中，将弯曲的转轴安景在专用的直轴台架上，转轴的凸面朝上，根 据转轴弯曲轴向部位的不同和允许的加压应力，支点位置可给以调整；转轴弯曲 区采用工频5 0 h z 电感应加热，加热线圈个数和每个线圈的匝数根据所加热轴段 质量、加热速度、要求的最高加热温度等计算确定。加热过程中为了防止转轴截 面内出现过大的温差，在加热过程中须定期地盘动转轴。校直载荷采用大型的油 压千斤顶，在对轮上实行加力，载荷的大小和速度，并在千斤顶上安装压力计对 载荷进行监测，防止“压过头”和“校直量不足”。 4 滚压校直i ”l , - 1 1 7 1 2 0 世纪9 0 年代出现的曲轴滚压校直技术，是将圆角滚压强化、曲轴不直度 测量和滚压校直三道工序整合在一台专用柔性智能设备上。此类设备系统机构复 杂，集机、电、液、计算机、专家系统于一体，国外将这种具有圆角滚压、自动 测量不直度和校直三种综合功能、带有校直专家系统的专用设备称为曲轴圆角滚 压智能柔性加工系统。 由于在对曲轴主轴颈和连杆颈处的圆角进行滚压强化过程中，会造成曲轴自 身的弯曲变形，曲轴的滚压校直主要是对圆角滚压强化过程产生的曲轴自身弯曲 进行校直。在目前国内设计的曲轴滚压校直系统中，由机内测量系统在线测量中 间轴对两端支承轴颈的跳动量和跳动方向，并由计算机管理系统获得曲轴的变形 规律；如果产品不合格，由计算机管理系统计算出加载位置和所需要的校直载荷。 控制系统接受计算机管理系统的信息后，发出滚压校直指令；再针对被校直曲轴 工件的具体变形情况，在计算机专家系统指导下，用适当的压力对工件的某些部 位继续进行滚压，使工件产生塑性变形，从而达到校直的目的。 从国外曲轴滚压技术的发展过程可看出，曲轴圆角滚压工艺设备及相关技术 的研究已成为当前发展汽车工业，尤其是轿车工业必不可少的关键技术之一。 1 4 本论文的主要研究内容 为了提高小型串励电机转轴的校直效率和精度，在轴类零件校直技术理论和 实验分析的基础上，本论文根据电机生产厂家的需求与企业联合开发了一种自动 浙江大学硕士学位论文 校直设备。根据厂家的要求，本论文研制的自动校直机需要达到以下技术指标： - r 件的跳动度检测与校直过程实现自动化； 上料和下料过程实现自动化； 校直精度：- o 0 5 m m ； 被校工件长度：6 0 - 2 0 0 r a m ； 被校工件直径：8 - 2 0 m m ； 生产节拍：- 2 0 s ； 本论文所开发的设备以电动工具中广泛使用的5 5 0 w - 1 2 0 0 w 串励电机转轴 为校直对象进行设计，设计过程中主要完成以下内容： l 、从弹塑性力学的角度对轴类零件的反弯校直过程进行理论分析，对轴类 零件校直过程中压点与支点的组合和校直行程的计算等技术要点进行分析。在理 论分析的基础上，提出适合于校直对象、且易于实现计算机控制的校直行程算法， 为自动校直机的设计提供理论基础。 2 、在理论分析的基础上，根据校直过程的工艺流程和要求，结合机械结构、 气动控制、电气控制等因素，按照机械设计的基本原则设计自动校直机的总体结 构方案与运动过程。完成自动校直机的机械设计，主要包括检测与定位系统设计、 加载校直系统设计、自动上下料系统设计。 3 、结合校直机的机械结构、工作原理和校直工艺流程设计自动校直机的控 制系统的总体方案，并在此基础上设计控制系统的硬件电路。控制系统以 a t 8 9 c 5 1 单片机为核心，实现对校直过程中跳动度和校直载荷等参数的检测与 控制，并对校直过程中步进电机、气缸、上下料机构的动作进行自动控制。设计 过程中，考虑干扰因素对控制系统的影响，以提高系统的可靠性和稳定性。 4 、在自动校直机的机械设计和控制系统硬件设计的基础上，按照校直工艺 流程和控制要求，采用结构化编程完成自动校直机的控制软件设计与调试。按照 自动校直机的功能，软件设计主要分为主程序、初始化程序、自学习程序和自动 校直程序等几部分进行设计。主程序实现对系统各功能模块的管理，并从整体上 实现对功能模块子程序的调用以完成相应的操作；自动校直程序根据预定的校直 参数和工作流程进行自动校直；自学习程序在对待校轴的试校直过程中，采集跳 动度和载荷等信息，通过最小二乘法拟合确定校直行程计算参数。 5 、通过实验验证校直理论分析和校直行程算法的正确性与可行性。压点与 支点组合实验，分析校直过程中支点的分布和压点的位置选择对校直效果的影 响；校直载荷和变形实验，分析校直载荷一校直行程一残余变形三者之间的关系， 并用m a t l a b 对实验数据进行分析；结合最小二乘法理论原理与校直实验数据 得出校直行程计算参数，并按照拟合的参数进行校直实验，检验校直效果。 浙江大学硕士学位论文 第二章校直工艺理论分析与机械结构设计 2 1 校直工艺理论基础 校直工艺理论是实现零件精密校直的基础，主要研究零件通过何种方式和步 骤实现弹塑性变形，以消除或减少零部件在机械加工和热处理过程中产生的弯曲 变形。自动校直设备是根据校直工艺理论进行设计开发的，因此对校直工艺理论 的研究显得十分重要，拥有完善合理的工艺理论才能设计出精密的校直设备。目 前，校直工艺理论研究已经不仅局限于弹性力学理论领域，对于校直过程的控制 理论研究也是校直工艺理论的重要研究方向。 2 1 1 反弯校直过程中金属材料的弹塑性性质 轴类零件的校直过程是弹塑性变形过程，通过使轴类零件发生弹塑性变形 而达到减少机械加工和热处理过程中产生的弯曲变形的目的1 1 叫 1 0 7 l 。 d b 斗一g 一 图2 14 5 钢拉伸的应力一应变曲线 图2 1 为4 5 钢拉伸的应力一应变曲线，图中口，6 ，c 三点对应的应力分别 为材料的比例极限、弹性极限吒、屈服极限q 。应力在以下，材料在弹 性变形区，应力和应变服从胡克定律；应力超过以后，将出现明显的塑性变形。 当材料过了屈服极限以后，应力和应变呈非线性关系，应交中应包括弹性应变乞 和塑性应变占。两部分。如图2 1 所示，对材料进行加载超过屈服极限后，再将 外力逐渐解除，在卸载过程中，根据卸载定律，应力将沿着搬变化，而且d d 近 浙江大学硕士学位论文 似平行于o a 。当载荷完全卸除，应力变为0 时，将有一部分变形恢复，即图2 1 中的d g 所示的弹性应变，而材料的实际变形量为o d 所示的塑性应变 。哪哪。 在加载和卸载的过程中，材料的应力一应变关系遵循不同的变形规律，弹 性变形是可以恢复的，而塑性变形是永久变形。轴类零件校直过程中，对待校轴 进行加压( 即加载) ，材料首先发生弹性变形，进一步加载达到材料的屈服极限 后，将发生塑性变形，而当压头抬起( 即卸载) 后，原来发生的变形中弹性变形 部分将会恢复，而塑性变形部分即为残余的永久性变形，也就是轴类零件被校正 的变形量，当该变形量等于初始弯曲量时，待校轴就被校直。 校直过程中，当应力超过屈服极限后，轴类零件在最大受载处的表面首先 进入塑性变形区，但是其它各部分仍存在弹性变形。如图2 2 所示，区域l 为弹 塑性压缩，区域2 和4 做刚性转动，区域3 为弹性变形区，区域5 为弹塑性拉伸 区川。 i 、毛! ；7 2 ) ( 3 ii叁4 图2 2 弹塑性变形区域划分 处于弹性变形区的金属应力应变关系满足胡克定律，而处于弹塑性变形阶 段的金属应力应变关系不再遵循胡克定律，而是根据材料的性能表现为某种曲线 关系。 金属材料的塑性变形是一个非常复杂的变形过程，为了减少问题的复杂性， 通常根据材料的不同特性将应力一应变关系做必要的简化，从而得到不同的力学 模型1 5 2 j 。 若材料有较长的屈服流动阶段，且应变没有超出这一阶段，或材料的强化 程度不明显，可简化为理想的弹塑性材料模型，应力应变关系如图2 3 a 所示， 其应力应变关系可表达为 盯制加 如。夏聒巳( 2 - 1 ) 其中：e 为材料的弹性模量；吒为屈服极限；乞为最大弹性变形，乞= 暑； 对强化比较明显的材料，可简化为线性强化弹塑