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高档数控珩磨机多级进给压力自适应控制 摘要 数控珩磨机是汽车、航空航天、船舶等行业中关键零部件精密加工不可缺少 的加工装备，其技术水平的高低对国民经济发展具有极为重要的影响。目前，国 产珩磨机难于满足高精度、高效率、高表面质量等方面的需求，且国内市场上精 密高档数控珩磨机床几乎全部为国外品牌所垄断。 本文以高档数控珩磨机多级压力进给系统高响应性、高稳定性和高鲁棒性为 综合研究目标，针对液压进给系统电磁阀动作迟缓、工作过程不可控等问题，在 分析和总结国内外高档数控珩磨机关键技术的基础上，进行了基于模糊神经网络 控制的高档数控珩磨机多级进给压力自适应控制的深入研究。 本文的主要研究工作包括以下几个方面： 针对目前珩磨机进给系统电磁换向阀换向动作迟缓、换向过程不可控及进给 压力单一难以实现多级压力进给的问题，计算选取了适合珩磨加工要求的比例减 压阀、比例换向阀，并与其它液压元件组成进给系统专用控制阀组。 深入研究了进给系统液压元件的动态特性，推导了主要元件及液压系统的数 学模型和传递函数，为进给系统的模糊神经网络控制提供了理论依据。 为实现珩磨加工过程中进给量的自适应控制这一难点，构建了基于b p 算法 的模糊神经网络控制器，通过m a t l a b s i m u l i n k 的模拟仿真，结果表明可提高 系统的响应性和稳定性，从而提高珩磨加工的精度。 在上述研究的基础上，基于v b m a t l a b 混合编程方法，开发了基于b p 算 法的模糊神经网络控制器系统，能够快速进行模糊神经网络的训练，最终输出比 例阀的精确电压。 关键词：珩磨机；进给系统：模糊神经网络：v b 硕士学位论文 a b s t r a c t n ch o n i n gm a c h i n e sa r ei n d i s p e n s a b l ee q u i p m e n t si nm a n u f a c t u r i n gi n d u s t r i e s s u c ha sc a r s ，a e r o s p a c e ，s h i p sa n ds oo n ，i t sp r o c e s s i n gp r e c i s i o nw i l l i n n u e n c et h e d e v e l o p m e n to fm a n u f a c t u r i n gi n d u s t r i e s n o w h o n i n gm a c h i n e sa th o m ec a n n o tm e e t h i g hp r e c i s i o n ，h i g he f ! f i c i e n c ya n dh i g hs u r f - a c eq u a l i t y ，a n da l m o s to ft h eh i g h g r a d e n ch o n i n gm a c h i n e sa td o m e s t i cm a r k e ta r em o n p o l i z e db yf o r e i g nb r a n d s h i g hr e s p o n s e ，h i g hs t a b i l i t ya n dh i g hr o b u s tw e r es e ta s t h er e s e a r c ht a r g e t si n m u l t i 1 e v e lf e e d i n gs y s t e mo fn ch o n i n gm a c h i n e s o nt h eb a s i so fa n a l y s i sa n d s u m m a r yt h ek e yt e c h n o l o g yo fh o n i n g m a c h i n e sa ta b r o a d ，m u l t i - l e v e lf e e d i n g p r e s s u r ea d a p t i v ec o n t r o li nh i g h - g r a d en ch o n i n gm a c h i n e sb a s e do nf u z z yn e u r a l n e t w o r kc o n t r o l l e rw a ss t u d i e d ，i n o r d e rt o i m p r o v e t h es l o wm o v e m e n ta n d u n c o n t r o n e dp r o c e s so fs o l e n o i dv a l v e t h i sa r t i c l ep u t ss t r e s so nt h ef 0 l l o w i n ga s p e c t s ： a c c o r d i n gt oe i e c t r o m a g n e t i c v a l v ei n f e e d i n gs y s t e mr e v e r s i n g s l o wa n d u n c o n t r o l l e da n dt h es i n g l ef e e d i n gp r e s s u r e ，t h ep r o p o r t i o np r e s s u r er e d u c i n gv a l v e s a n d p r o p o r t i o nr e v e r s i n g v a l v e sw e r ec a l c u l a t e da n dc h o s e n a l l t h e h y d r a u l i c c o m p o n e n t sf o r mas p e c i a lc o n t r o l - v a l v e sg r o u p d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so fh y d r a u l i cc o m p o n e n t sw e r es t u d i e di n t e n s i v e l ya n d m a t h e m a t i c a lm o d e la n dt r a n s f e rf u n c t i o nw e r ei n f e r e d ，w h i c hp r o v i d e st h et h e o r y b a s i sf o rt h en e x tc h a p t e r i no r d e rt or e a l i z et h ed i m c u l tp r o b l e mt h a tf l e e d i n ga d a p t i v ec o n t r o li nh o n i n g p r o c e s s ，t h ef u z z yn e u r a ln e t w o r kc o n t r o l l e rw i t hb pa l g o r i t h mw a sd e s i g n e d ，a n dt h e s i m u l a t i o nr e s u l t si nm a t l a b s i m u l i n ks h o wt h a ts t a b i l i t y a n dr e s p o n s i b i l i t yo f f e e d i n gs y s t e ma r ei m p r o v e d ，a n dt h ep r o c e s s i n gp r e c i s i o ni sa l s oi m p r o v e d a b o v ea l l ，as y s t e mo ff u z z yn e u r a ln e t w o r kc o n t r o l l e rw i t hb pa l g o r i t h mw a s d e v e l o p e db a s e do nv ba n dm a t l a bm i x i n gp r o g r a m m ，w h i c hc a nt r a i nt h e f h z z y n e u r a ln e t w o r kq u i c k l ya n de x p o r tt h ea c c u r a t ec o n t r o l l e dv o l t a g eo fp r o p o r t i o n a l v a l v e k e yw o r d s ：h o n i n gm a c h i n e s ；f e e d i n gs y s t e m ；f u z z yn e u r a ln e t w o r k ；v b v 硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题研究背景及意义 1 1 1 课题研究背景 近年来，珩磨加工成为汽车发动机制造业及工程机械行业中重要精密偶件加 工过程中不可缺少的一道工序。经过良好的珩磨加工，可缩短发动机的跑合时间， 减少燃料消耗，避免孔件因表面粗糙而造成的拉毛划伤：良好的珩磨加工还可以 均匀液压偶件表面的油膜，提高液压偶件间的配合精度，增强系统密封性能，从 而提高液压系统的稳定性。珩磨加工质量将直接影响汽车零部件等关键基础件的 使用寿命1 1 1 。目前国内现有的数控珩磨机难以达到和满足高尺寸精度、高形状精 度和高自动化的要求，高档数控珩磨机已成为制约制造行业关键零部件精密加工 的“瓶颈 。而且随着汽车工业、航天工业等装备制造业的发展，国内对数控珩磨 机的需求量越来越大。 数控珩磨机的核心运动主要有主轴往复运动及珩磨头进给运动，液压进给系 统电液比例控制质量直接决定着珩磨加工水平的高低【2 1 。传统的液压进给系统主 要存在如下问题： 1 ) 没有专门的进给系统比例阀组。液压进给机构主要采用电磁阀，动作迟缓、 过程不可控。近年开始采用电液比例技术，但目前市场上的电液比例阀都没有针 对珩磨加工工况专门设计，不能满足要求。而且高性能的比例阀在国外属于限售 产品，无法从市场上获取。 2 ) 加工精度低。传统的珩磨加工还是采用主轴相对运动过程中进给量保持不 变的静态加工模式【3 】，工件表面网纹混乱。 3 ) 自动化程度低。液压进给系统缺少先进的控制策略，不能实现多级压力进 给，珩磨加工过程中必须先采用区域珩磨减小形状误差，才能进行粗珩磨、精珩 磨加工，降低了加工效率和加工精度。而珩磨头多级压力进给充分利用了电液比 例调节本身的无级性，采用边测量边加工的方式，使进给过程更加连贯，珩磨工 艺得到改善。 1 1 2 课题目的意义 针对珩磨加工过程中液压进给系统的关键问题，以提高珩磨加工精度、效率 和自动化程度为综合目标，结合珩磨加工技术、液压原理、现代控制理论和计算 机技术，对珩磨机进给系统液压元件的动态特性、传递函数、数学模型、控制策 略及软件开发等进行研究，为高档数控珩磨机向高精度、高效率、高自动化发展 高档数控珩磨机多级进给压力自适应控制 提供理论依据。 本课题的研究意义在于： ( 1 ) 珩磨加工是一种提高工件表面质量、几何形状精度、尺寸精度的高效、 低成本的加工方法。国内发动机汽缸套、汽缸体以及工程机械液压元件等制造业 中，普遍采用珩磨加工技术。因此，高档数控绗磨机进给系统的自动化水平，将 直接影响我国制造业的发展。 ( 2 ) 国内现有的珩磨机难以达到和满足高尺寸精度、高形状精度和高自动化 的要求，在汽车工业、航天工业等制造业中主要依赖于进口高精度珩磨机进行最 后一道工序的高精度珩磨。且进口的高档数控珩磨机价格十分昂贵，中小企业很 难支付这么高的费用，通过本课题的研究并以此为基础开发的高档数控珩磨机， 其价格将只有国外价格的5 0 一7 0 ，可降低制造业的成本，提高国际竞争能力。 ( 3 ) 本课题对高档数控珩磨机液压进给系统模糊神经网络控制的研究，将现 代控制方法的最新发展与具体的工程相结合，以解决具体问题为目标，收到良好 的效果，其相关理论可以推广到其它方面。 ( 4 ) 通过本课题的研究，将v b 与m a t l a b 混合编程应用到珩磨机进给系 统的软件开发中，实现了理论知识的软件化，增强了数控珩磨机进给系统自适应 控制的实用性，可提高珩磨加工的精度和效率，实现珩磨机进给系统高精度、高 自动化的统一。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 珩磨机总体发展现状 在国外，珩磨加工起源于二十世纪初期，能代表国外珩磨机和珩磨工艺水平 的公司主要有：德国的g e h r i n g 公司、n a g e l 公司、k a d l a 公司，美国的善能公 司，日本的日进制作所等公司【4 】。珩磨机床的发展大致经历了以下阶段： l9 2 4 年，珩磨头的油石液压扩展机构开始出现，自动测量也得到发展，珩磨 机床开始向自动化方向发展。 1 9 3 8 年，进一步改善了珩磨液压进给机构，油石进给速度开始得到控制，并 能补偿油石的磨损，进一步提高了珩磨加工精度。 1 9 5 2 年，具有电子补偿的电子油石扩张机构开始出现，珩磨机床开始向机电 一体化的方向发展。 经过半个世纪的发展，国外在珩磨机床生产方面发展迅速，生产的主要类型 有立式机床和卧式机床两大类，品种、规格繁多。比较典型的珩磨机有：美国善 能公司生产的m b c 18 0 4 卧式珩磨机，磨削技术强、切削余量大，生产效率比普 2 硕十学位论文 通珩磨机高3 5 倍，加工精度可控制在o 0 0 1 0 0 0 2 m m 之间；英国j o n e s 和s h i p m a n 公司生产的f a 7 3 8 立式珩磨机，由自动检测、自动装夹等自动机构组成，可运用 到自动生产线；德国的西德n a g e l 公司生产的v s 6 3 0 立式珩磨机，采用数字进给 控制系统，可精确地控制进给量；德国的g e h r i n g 公司近期成功研制一项珩磨加工 自动测量装置一一c y i i n d r o m n a t i k 控制仪，在加工过程中对被加工件的上、中、下 三个面进行连续测量，将测得数据与输入数据进行比较，从而不断的修正珩磨行 程。为了提高珩磨加工的精度、效率和表面粗糙度，国外珩磨机制造厂不仅在机 床控制系统方面采用先进技术，而且在机床进给方面也十分重视，研制并应用了 许多进给装置，如定压定量进给，机械步进进给等【5 l 。 国内是在新中国成立后珩磨加工应用行业逐渐增大，才开始生产自己的珩磨 机床。1 9 5 9 年北京第三机床厂建立，是机械部重点骨干企业，主要生产机电一体 化产品、组合机床、珩磨机床等。19 6 5 年生产了第一台m 4 2 5 珩磨机床，1 9 7 1 年 生产了m 4 2 2 机床，此后m 4 2 5 b 、2 m k 2 2 5 等型号的珩磨机相继出现。1 9 6 5 年宁 夏大河数控机床厂建立，1 9 6 6 年宁夏大河机床厂结合我国国情第一次自行设计制 造了适合修配行业、小批量生产用的m 4 2 1 5 珩磨机，之后又相继生产了缸体珩磨 机、缸套珩磨机、多轴珩磨机等。国内还有德州机床厂、芜湖重型机床厂等机床 厂家也相继生产了一些立式和卧式珩磨机床。近年来还有一些公司生产简易的卧 式珩磨机床，但珩磨加工水平与国外相比还较低。 1 2 2 国内外珩磨加工技术研究 珩磨加工与其它机械加工方法相比，是一种比较新型的机械加工方法，国外 珩磨加工起源于2 0 世纪初期。珩磨加工的优越性最早是在发动机行业中为人们所 认识，那时仅是手电钻式的人工珩削，油石为弹簧式自由扩张，珩磨只能提高工 件内孔表面的粗糙度。 随着工程领域对发动机运行机理的研究，对珩磨加工提出了更高要求， 7 0 年代国外出现了强力珩磨技术，由以前单纯追求加工件内壁的高形状精度和高尺 寸精度到现在的在注重尺寸和形状精度的同时，更注重加工件表面的网纹微观结 构。 当前，发达国家对珩磨技术的研究，主要侧重于新型珩磨加工技术，像激光 珩磨、挤压珩磨、超声波振动珩磨等新的珩磨工艺【6 】。涮珩是当今世界上最先进 的珩磨技术，涮珩加工是使工件表面的顶部变成圆形，这样可增加工件表面的储 油量，切削深度小，与平项结构相似。但涮珩技术对机床性能要求高，珩磨头的 材质正处在试验研制阶段。 国内珩磨加工是2 0 世纪4 0 年代开始应用的，当时只有少数几家工厂有为数 高档数控珩磨机多级进给压力自适应控制 很少的珩磨机床，或用电钻来珩磨【7 1 。我国珩磨机床制造技术和传统工艺都影响 了珩磨技术的发展，在一些缸套、缸体制造业中，还采用粗珩、精珩的加工方式， 加工精度低、表面粗糙度大。近年来，国外珩磨技术的飞速发展，推动了中国制 造业的发展，目前国内在汽车零部件制造业及工程机械液压件制造业中，普遍采 用珩磨加工技术，但主要依赖于进口国外高档数控珩磨机进行最后一道工序的高 精度珩磨。 1 2 3 国内外电液比例技术研究 国外电液比例技术的研究始于二次大战时期，2 0 世纪4 0 年代，飞机上首次 出现了电液伺服系统；2 0 世纪5 0 年代后期，又出现了先导式电液伺服阀，使当 时的电液伺服系统成为高响应、高精度的液压系统；6 0 年代后期，由于传统的电 液伺服阀，难以清洗维护、耗能大且控制精度不能满足要求，电液比例技术就是 在这种背景下迅速发展起来【引。 1 9 7 5 1 9 8 0 年间，电液比例技术的发展进入第二阶段，具有内反馈装置的比 例元件大量问世，比例电磁铁和比例放大器的研究技术也日趋成熟，并投入工业 应用。 8 0 年代以来，电液比例技术进入第三个发展阶段，比例元件的设计进一步完 善，采用了位移、压力、流量等内反馈及电压校正等技术。 8 0 年代末9 0 年代初，电子技术的高速发展，使比例技术有了质的飞跃，除 了由于制造成本的限制，比例阀在中位时还保留死区之外，它的动态、稳态性能 已赶上甚至超过工业伺服阀。 目前，液压技术和微电子技术的发展，促进电液比例控制技术向高精度、高 动态性能方向发展，如德国博世公司开发的农用拖拉机液压系统中，引入了电液 比例阀等。液压工业己向全球化发展，国际一些著名公司如德国的力士乐公司、 美国的派克汉尼汾公司等居世界领先地位【9 1 。电液比例控制理论的研究及技术的 发展是液压工业领域今后发展的一大趋势。 国内电液比例控制技术于2 0 世纪7 0 年代中期开始发展，但由于国内的制造 技术相对落后，电液比例技术的应用、尤其在工程机械上的应用才刚起步。液压 伺服技术发展较快，在伺服组件方面，自6 0 年代开始研制电液伺服阀，7 0 年代 初，开始批量生产q d y 系列和d y 系列电液伺服阀。此外，压力控制和特殊用 途的压力流量伺服阀，动压反馈伺服阀及电液步进电机也研制成功并投入使用。 近年来，国内液压研究机构及液压组件厂正加快开发、研制和生产国产化组件并 取得了很大的进展f l o ，1 1 1 。 总体来说，国内电液比例技术与国际水平相比有很大差距，主要表现在以下 4 硕士学位论文 几个方面：一、各类比例阀、比例泵等，国内设计生产的品种单一，缺乏主导产 品，现有产品规格、型号杂乱，品种不全，缺乏工业性试验研究。二、在控制技 术方面，自动化程度低，性能水平不高，可靠性较差等，都阻碍了电液比例技术 的发展和应用。 1 2 4 模糊神经网络控制技术发展 2 0 世纪5 0 年代，现代控制理论已经应用到许多领域。由于现代控制技术的 发展，高稳定性、高精度、高响应性系统对控制技术提出了更高要求。以高等数 学为基础的现代控制理论，针对非线性、多参数的问题建立精确的数学模型更加 困难，而经验丰富的操作人员，依据自己的经验所取得的成果甚至比传统的控制 方法要好，但对于自然语言所表达的模糊信息，操作人员应用以往的经验和积累 很难进行定量控制，这推动了新的控制理论的发展【1 2 。14 1 。 1 9 6 5 年美国伯克莱加州大学控制理论专家l a z a d e h 创立了模糊集理论，这 一理论将没有确切界限的模糊现象和隶属度函数进行一一对应，这样自然界中的 许多模糊现象就可以用数学工具进行分析。紧接着他又提出了模糊控制理论。 1 9 7 4 年英国教授e h m a m d a n i 提出了模糊控制论，并将模糊控制应用到锅炉 和蒸汽机控制中，取得良好的效果。 1 9 8 7 年b a r t k o s k o 首次对模糊控制理论和神经网络结合的控制方式进行比较 系统的研究。在此之后模糊神经网络控制理论得到飞速发展，一些学习算法的提 出，加速了模糊神经网络控制理论的完善。 1 9 9 3 年j a n e 提出了基于网络结构的模糊推理概念，并设计了神经网络的最 初结构模型。 19 9 3 年以后，很多关于模糊神经网络的结构和学习算法被研究并提出，如 m a m d a n i 模糊模型与b p 网络结构相结合的新型模糊神经网络，t - s 模糊模型与五 层神经网络组成的模糊神经网络等。 目前模糊神经网络在理论和应用方面还存在如下问题： ( 1 ) 知识的获取困难从众多复杂的规则中提取出若干个能有效反映控制对 象特征的模糊规则是比较困难的，目前还没有什么有效的方法。 ( 2 ) 模糊神经网络结构难以确定在模糊神经网络中模糊化层、模糊推理层中 神经元的节点数的选取及反模糊化问题的计算算法在学术界还没有形成共识。 将模糊神经网络与传统的控制策略相结合，探索合适的控制方法仍是目前最 重要的研究方向。 高档数控珩磨机多级进给压力自适应控制 1 3 本课题来源 本课题来源于“高档数控机床与基础制造装备 科技重大专项( 编号： 2 0 1 0 z x 0 4 0 0 0 l 一1 8 1 ) 1 4 主要研究内容 本课题以高档数控珩磨机进给系统为研究对象，在分析总结国内外研究成果 的基础上，针对珩磨加工的要求，以珩磨加工的高精度、高效率为综合目标出发， 开展对进给系统控制技术及软件开发的研究： ( 1 ) 根据珩磨头压力进给系统不同工况下的速度、压力要求，通过计算选取 满足工况要求的高性能比例方向阀、比例流量阀，并与其它液压元件组成专门的 珩磨头进给系统控制阀组。 ( 2 ) 建立珩磨头压力进给系统的数学模型，将数学模型转换成能被计算机接 受的仿真模型，运用m a t l a b s i m u l i n k 对不同工况进行仿真，得到珩磨头进给 系统的压力、速度等曲线。在仿真的基础上对系统的动、静态特性进行分析，并 根据仿真结果对系统进行优化设计。 ( 3 ) 选取实现珩磨头多级压力进给的最佳控制方法，将该控制算法引入到珩磨 头压力进给系统中，建立其仿真模型，并运用m a t l a b s i m u l i n k 进行仿真，对 所得仿真结果进行分析。 ( 4 ) 采用v b 与m a t l a b 混合编程的方法，对基于模糊神经网络控制的数控 珩磨机液压进给系统控制平台进行软件开发，在控制平台中输入控制参数即可得 到比例阀的控制电压，实现进给系统的可视化控制。 1 5 本章小结 本章简单地介绍了本课题的研究背景、目的和意义，并阐述了国内外在数控 珩磨机床、珩磨加工工艺、电液比例技术及模糊神经网络控制技术方面的发展， 最后详细介绍了本课题的研究内容。 6 硕十学位论文 2 1 系统要求 第2 章液压进给系统特性分析 根据珩磨加工工况及加工精度要求，液压进给系统应考虑以下几方面： 1 ) 为避免单进给珩磨划伤工件，采用双进给机构。而多级进给压力主要由比 例减压阀调压达到，系统的调压范围：0 2 4 m p a ，因此计算选取比例减压阀是决 定珩磨加工质量的关键。 2 ) 珩磨加工分为予珩、粗珩、光珩三个阶段，在加工时由粗珩油缸和精珩油 缸来分别执行。为满足各阶段的压力要求，进给油缸也要进行设计计算。 3 ) 为实现珩磨头工作过程中油石进给压力与主轴往复运动的协调控制，选取 满足珩磨工况要求的液压系统关键元件，组成珩磨专用控制阀组。 4 ) 要求液压迸给系统具有良好的工作平稳性，可靠的位置准确度，更低的能 耗以及更高的效率。 5 ) 液压系统的工作环境和工作条件方面的要求，在周围介质、环境温度、湿 度、尘埃情况、外界冲击等因素的轻微变化下能保证系统正常运行。 2 2 动力和运动分析 动力分析和运动分析是确定液压系统主要参数的基本依据，包括液压系统每 个执行元件的动力分析( 负载循环图) 和运动分析( 运动循环图) 1 1 5 】。对于动作简单 的机械设备，这两种分析可以省略。但对于一些专用的、动作比较复杂的机器设 备，则必须绘制负载循环图和运动循环图，以了解动作过程的本质，查明每个执 行元件在其工作中的负载、位移及速度的变化规律，并找出最大负载点和最大速 度点。珩磨加工时工件情况及珩磨机进给运动的已知参数如下表2 1 所示。 表2 1 工件情况和进给运动参数 工件情况进给系统 切削量 珩孔直径行程速度运动部件 启动制动 主轴转速进给量 工况 m mm mm s 1重力g n时间，s 门r m i n 。1副m m r 1 d l ：8 0订l ：2 5 0s l ：o 1 2 快速 1 0 0 n ：o 1 d 2 ：1 8 0 疗2 ：2 5 ：0 2 6 工进 6 0 2 5 0 0 00 5 材料为铸铁快退 1 6 0 ：o 1 7 高档数控珩磨机多级进给压力自适应控制 2 2 1 配置执行元件并做出动作周期时间表 根据粗珩磨加工的上述要求，选择柱塞液压缸作为液压执行元件驱动珩磨机 实现切削进给运动，选择单杆活塞液压缸作为精珩( 光珩) 液压缸。 由于快进快退的速度已知，只要得出工进速度，即可用所给各行程和速度算 得各工况动作时间，从而做出动作周期时间表。 工迸速度圪= 一l s l - 2 5 0o 1 2 6 0m m s = 0 5 m m s = 0 5l od m s 计算可得各工况的动作时间如表2 2 所示。 表2 2 工况动作时间表 工况计算式动作时间s 快速 f l _ 三l n = 1 0 01 0 。3 o 1 l 工进 如= 三2 = 6 01 0 。3 o 51 0 。3 1 2 0 快退 ，3 = 三3 蚝= 1 6 01 0 3 o 1 1 6 2 2 2 负载循环图和运动循环图 液压缸的工作负载为珩磨头磨削阻力负载，由铸铁工件磨削阻力经验公式1 6 】 疋= 2 5 5 尉8 册o 6 ( 2 1 ) 式中凡轴向磨削阻力，n ； d _ 工件孔径，m m ； s 进给量，m m r ： 枷铸件硬度。 计算得工作负载 凡= 2 5 5 d l s lo 8 枷o 6 + 2 5 5 仍o 8 f 册o 6j 乙= 2 5 5 d l s lu 。6 枷u o + 2 5 5 d 2 仉6 h 巾 = 2 5 58 0o 1 2 o 8 2 4 0o 6 + 2 5 51 8 00 2 6 o 8 2 4 0 o 6 = 5 1 6 6 5 n 动摩擦负载： 铆“g + 凡) 静摩擦负载： 砀= ，( g + 凡) 惯性负载：r ：里坐 g t 式中g 运动部件重力，n ； ( 2 2 ) ( 2 3 ) ( 2 4 ) 凡工作负载在导轨上的垂直分力，n ； d 静、动摩擦因数，据摩擦表面的材料及性质选定，通常肌= 0 1 1 ， o 2 ，旷o 0 5 0 1 2 出平均加速度，m s 2 由公式( 2 2 ) ( 2 4 ) 得到进给系统液压缸外负载力计算结果，如表2 3 所示 8 硕士学位论文 表2 3 进给系统液压缸外负载力计算结果 工况计算公式外负载力n 启动 f f s 5 0 0 0 g ， 加速 驴i 石 3 0 1 0 快迸 f f d 2 5 0 0 工进 f e + f f d 5 4 1 6 5 反向启动 f f s 5 0 0 0 加速 缈詈詈 3 0 l o 快退 2 5 0 0 f f d 由表2 1 表2 3 可绘制出图2 1 图2 3 所示液压缸的l t 图、v t 图和f t t l t 图2 1 液压缸的l t 图 图2 3 液压缸的f t 图 s 9 图2 2 液压缸的v t 图 高档数控珩磨机多级进给压力白适应控制 2 3 液压缸参数确定 为实现粗珩、精珩双进给运动，珩磨液压缸采用普通单杆活塞式液压缸和缸 体固定柱塞式液压缸，组合成珩磨加工进给增压缸。此增压缸的活塞有效面积大 于柱塞有效面积使柱塞缸的输出压力大于输入压力，且柱塞缸能适应长行程的场 合，主要用于粗珩磨加工。 粗珩磨时系统最高压力易= 4 m p a ，精珩时系统最高压力为2 m p a ，则执行元 件的工作压力p 应小于易。选取易= 1 1 p ，即初选粗珩磨液压缸的设计压力 尸2 = 3 6 m p a 。 同理可选择精珩磨液压缸的设计压力尸l - 1 8 2 m p a 。 2 3 1 精珩液压缸参数确定 为了满足工作台快进、进退速度相等并减小液压泵的流量，将液压缸的无杆 腔作为主工作腔，则液压缸无杆腔与有杆腔的有效面积彳l 与彳2 应满足：彳l = 2 彳2 ， 即液压缸内径d i 与活塞杆直径d l 间应满足d i = 2d l 为防止工进结束时发生前冲，液压缸需保持一定的回油背压。参考液压设计 手册，选取回油背压p 名0 2 m p a ，并取液压缸机械效率呀l = o 9 由液压缸无杆腔计算公式 彳2 专 ( 2 5 ) 7 7 ( p 一寻) 式中卜工进时液压缸的外负载力，n ； 叩液压缸机械效率； 尸液压缸无杆腔工作压力，m p a ； 尸l 回油背压，m p a ； 计算得液压缸无杆腔的有效面积 。 f5 4 1 6 5 加一磊了一忑五两刁l ( 尸l 一寻) o 9 ( 1 8 2 一等) 1 0 6 0 0 3 4 m 2 = 3 4 0 c m 2 液压缸内径 即俘刮等8 m 按g b t2 3 4 8 1 9 9 3 ，取标准值d l = 2 2 0 m m ； 活塞杆直径d 1 = d 1 2 1 5 0 m m ( 标准直径) 1 0 硕士学位论文 液压缸的实际有效面积 舻= 半蚴0 2 = 37 9 9 4 m m 2 = 37 9 9 4 c m 2 有杆腔有效面积 舻和2 嘶2 ) = 半( 2 2 0 2 - 1 5 0 2 ) = 2 0 3 31 5 m m 2 2 0 3 3 2 c m 2 彳= 彳l 一彳2 = 3 7 9 9 4 - 2 0 3 3 2 = 1 7 6 6 2 c m 2 快进时，液压缸有杆腔压力尸l7 必须大于无杆腔压力p i 其差值估取p = 尸i ，- p l = o 5 m p a 。启动瞬间液压缸未移动，此时p = o ，选取快退时回油压力损失为 o 6 m p a 。 据上述假设条件经计算得到精珩液压缸工作循环中各阶段的压力、流量和功 率如表2 4 所示。 表2 4 精珩液压缸工作循环中各阶段的压力、流量和功率 负载回油腔压 工作腔压力输入流输入功 工作阶段计算公式 f 澈 力p l ，m p a p l m p a 量g l s 。1 率尸k w 5 0 0 00 2 8 快启动 一+ 刀2 卸 进 加速 尸l 一7 7 1 3 0 l o1 1 l0 6 l 彳 恒速 2 5 0 01 0 8o 5 81 7 71 1 6 6 q 2 叫y lp = p l g 一+ 月2 p 尸l 一仂彳l 1 9 010 2o 0 3 2工进5 4 1 6 50 21 6 8 g 利1 尸= p l g 5 0 0 0o 3l 启动 一+ 以l p p 快 尸一彳： 3 0 1 00 6 1 4 6 加速 退 恒速 q 利2 np 2 p i g 2 5 0 0o 61 4 3 1 7 92 5 6 2 3 2 粗珩液压缸参数确定 增压缸中，柱塞杆直径疵与活塞杆直径函尺寸相同，即吨= 15 0 m m ( 标准直 高档数控珩磨机多级进给压力自适应控制 径) 。选定增压缸的增压比为5 ，回油背压p = 0 5 m p a ，液压缸机械效率伊0 9 。 柱塞缸的有效工作面积 柱塞缸的内径 彳3 = f5 4 1 6 5 5 m 一詈) d 2 = 5 0 9 ( 3 6 - 等1 0 6 0 0 0 3 5 9 3 m 2 = 3 5 9 3 c m 2 o 1 0 8 m = 1 1 0 m m ( 标准直径) 。 液压缸实际工作压力肛磊= 羔矾0 m p a 粗珩液压缸工作循环中各阶段流量，如表2 5 所示。 表2 5 粗珩液压缸各阶段流量 工作阶段计算公式 流量q l l s 。1 快进 g l = 2( 万4 ) ( d 2 2 d 2 2 ) n 2 3 工进 g l = 2( 万4 ) ( d 2 2 d 2 2 ) 圪 1 1l o 2 快退 g l = 2( 石4 ) ( d 2 2 d 2 2 ) 玛 2 3 2 4 拟定液压系统原理图 拟定液压系统图是液压系统设计过程中一个重要的步骤，液压系统原理图对 系统设计方案的经济性与合理性具有决定性的影响。这一步的基本工作包括：一： 选择和拟定基本回路；二：将选定的基本回路组成一个液压系统【1 7 l 。 2 4 1 制定液压回路方案 1 调压方式及油源方案 珩磨加工时，进给系统各阶段的压力各不相同且稳定性要求较高，加工期间 负载变化较大，故采用限压式变量泵供油和比例减压阀联合的调压方案。快进时 液压缸差动连接以满足高压小流量和低压大流量的工况特点，从而提高系统的效 率，实现节能。 2 方向控制方案 机床进给运动在快进、快退时系统流量较大，工进时流量最小，故选用三位 四通比例方向阀作主换向阀，停机时换向阀处于中位，使液压泵卸荷。电液比例 1 2 硕士学位论文 换向阀能按输入电信号极性和幅值大小，同时对液压系统液流方向和流量进行控 制，从而实现对执行元件运动方向和速度的控制。 3 背压与安全保护 为了提高液压缸驱动珩磨头运动的平稳性，在工进时的回油路上设置一溢流 阀，以使液压缸在一定的背压下运行。为防止珩磨头在下降过程中由于自重而出 现速度失控现象，在液压缸回油路上设置一单向顺序阀。 4 辅助回路方案 在液压泵入口处设置吸油过滤器，以保证油液的清洁度；在液压泵出口设置 压力表及多点压力表开关以便于各压力阀调压时的压力观测。 2 4 2 拟定液压系统图 1 1 1 小泵2 溢流阀3 2 位4 通换向阀4 高压比例减压阀5 低压比例减压阀6 3 位4 通比例 换向阀7 2 位3 通电磁阀8 ，9 单向阀l o 粗珩油缸1 1 精珩油缸 图2 4 高档数控珩磨机进给系统液压原理简图 在选定各种回路基础上，经整理所组成的液压系统原理图如图2 4 所示 从小泵l 输出的压力油经电磁阀3 进入4 高压比例减压阀和低压比例减压阀 5 ，获得两级压力后进入三位四通比例换向阀6 。粗珩时：比例换向阀6 右侧得电， 粗珩油缸活塞右移，通过连杆、顶杆推动磨头粗珩锥体下移，实现粗珩进给；精 珩时：比例换向阀6 左侧得电，精珩油缸活塞右移，通过连杆、顶杆推动磨头精 高档数控珩磨机多级进给压力自适应控制 珩锥体下移，实现精珩进给。粗珩或精珩涨出后都有自动收缩功能，电磁阀3 得 电时为高压，反之为低压f 1 引。 2 5 液压元件选型 2 5 1 液压泵选型 由表2 4 可以查得精珩液压缸的最高压力出现在工进阶段，即尸l = 1 6 8 m p a ， 此时液压缸的输入流量较小，泵至进油路压力损失估取为尸= o 3 m p a ，则泵的最 高工作压力p p 为：p p = 1 6 8 + 0 3 = 1 9 8 m p a 珩磨头快进时，液压缸的最大输入流量g = 1 7 9 l s 。取泄露系数肛1 2 ，液压 泵最小供油流量g 定局= 1 21 7 9 = 2 1 4 8l s 初选液压泵的转速为刀l = 1 5 0 0 r m i n ，泵的容积效率j 1 7 v = 0 8 5 据排量计算公式 圪l - 塑堕 ( 2 6 ) y 口l 一一 二u ， 。 玎l 玑 得液压泵的排量参考值 圪l = 塑塑生：塑旦兰兰竺兰鱼皇1 0 1 1 m l r ，口_v 1 l o ， 。 胛l 珍 1 5 0 0 0 8 5 根据以上计算结果，查阅样品，选用规格相近的z z b 1 10 2 5 柱塞泵，泵的额 定压力为砟= 2 5 m p a ，排量为n _ 1 1 0 m l r ，泵的额定转速为1 5 0 0 r m i n ，容积效率 即v = o 9 可推算泵的额定流量为 劬= n 玎l j 7 ，= 1 10 l5 0 0 0 9 = 2 4 7 5 l s 2 5 2 确定液压泵驱动功率及电动机规格 由表2 4 可知最大功率出现在快退阶段，取液压泵的总效率粕= 0 8 ，则液压泵 快退时所需的驱动功率为： b ，- 垫：! ：2 坠! q ! 掣! 型q ：5 3 k w 珈0 8 1 0 3 查阅设计手册，选用y 1 3 2 s 4 型三相异步电动机，其额定功率5 5 k w ，转速 1 4 4 0 r m i n 。用此转速驱动液压泵时实际输出流量2 3 7 6 l s ，仍能满足系统对流量 的要求。 2 5 3 液压控制阀选择 1 比例换向阀选择 取精珩磨加工工况分析，忽略管道损失时，液压缸作用力为： 1 4 硕十学位论文 f 号彳l ( 尸s 一尸1 ) - 彳2 p i( 2 7 ) 由式( 2 7 ) 得 p l ：兰! 堡二兰( 2 8 ) 彳i + 彳2 式中卜液压缸作用力，n ； 尸s 系统油源压力，m p a ； p l 比例阀p 一彳口压力降，m p a ； p 2 比例阀b 一丁口压力降，m p a ； 精珩加工时系统压力尸s = 2 m p a ，由公式( 2 8 ) 可算得各运动过程中阀压降，如 表2 6 所示。 表2 6 各工况下比例换向阀的压降 工况 p _ 彳口压降p l阀压降p 加速1 2 72 5 4 快进 1 3 22 6 4 2 p l 减速 1 2 72 5 4 工进 o 3 9 0 7 8 快进时所需的流量g l _ n 彳l _ 0 1 3 7 9 9 4l o4s m 3 = 3 7 9 9 4 1 0 2s l 工进时所需的流量9 2 = 圪彳l = 0 5 1 0 。3 3 7 9 9 41 0 刁 = 1 8 9 9 7 1 0 。6 m 3 s = 1 8 9 9 7 l o 。3s l 根据比例方向阀的选择原则，并查比例方向阀样品后，选用通径为6 ，额定 流量为4 3 l m i n ，额定电流1 5 a ，只一= 1 6 m p a 的4 腓么型比例方向阀。 2 比例减压阀选择 珩磨加工多级进给压力是由高压减压阀和低压减压阀来分别控制的，低压精 珩时系统压力范围o 2 m p a 2 m p a ，高压粗珩时系统调压范围2 m p a 4 m p a 。根 据比例压力阀的选择原则，比例阀的压力等级在系统最高压力的1 o 1 2 倍之间， 故理论上选取高压比例减压阀的压力为4 4 m p a ，低压比例减压阀的压力为 2 2 m p a 比例压力阀通径的选择，一方面要考虑尽量减小偏差；另一方面要考虑最低 设定压力，便于扩大调压范围，根据经验选取比例压力阀的额定流量为系统最大 流量的1 2 1 5 倍。由表2 4 、表2 5 可知精珩时系统最大流量为1 7 7 l s ，粗珩 时系统最大流量为2 3 l s ，故选择低压减压阀的额定流量约为2 6 l s ，高压减压 阀的额定流量约为3 l s 。查相关样品手册，高压减压阀选取d r e 型比例减压阀， 通径选择1 0 ，最高压力5 m p a ，最大流量2 0 0 l m i n ；低压减压阀选取z d r 型比例 减压阀，通径1 0 ，最高压力2 5 ，最大流量15 0 l m i n 高档数控珩磨机多级进给压力自适应控制 3 油箱容积计算 油箱容积计算公式： 胪a 劬( 2 9 ) 式中口与主机类型及系统压力有关的经验系数：行走机械6 【= 1 2 ，低压系统 a = 2 4 中压系统仅= 5 7 ，锻压机械吐= 6 1 2 ，冶金机械仅= 1 0 g p 小泵的流量，l m i n ； 本系统属于低压系统，取经验系数6 【= 3 ，得油箱容量为 肛a g p = 32 14 86 0 = 38 6 6 4 l 据j b t7 9 3 8 1 9 9 9 选取油箱的标准容积4 0 0 l 。 2 6 液压系统固有频率校核 上述计算中机床的进给速度都是预先设定好的，据系统加、减速度的要求， 加、减速度值越大越好。但对于小功率系统液压缸运动速度不高，而加速度值设 置过大并不合理。 系统加、减速度的大小，除了受系统压力、液压缸面积、运动部分质量等因 素的影响外，还受到液压系统固有频率的制约，因此必须校核系统的固有频率， 看是否满足设定加速度的要求。 2 6 1 系统固有频率o 计算 系统无阻尼振荡的固有频率 d = 鱼 ( 2 1 0 ) 式中七系统弹簧刚度，n m ； 聊运动部分质量，k g ； 对精珩磨液压缸，由于单出液压缸前后面积不同，因而两腔刚度要分别计算， 总冈0 度肛七l + 娩。 鲁每 ( 2 1 1 ) 彳1 s l + 玩l 、7 舰：丽熊 ( 2 1 2 ) 。彳2 ( s s 1 ) + 圪2 、7 式中彳l 无杆腔