（机械工程专业论文）半自动定尺磨管机的研制.pdf

摘要随着世界科技进步和机床工业的发展，数控机床已经成为实现装备制造业现代化的关键设备，而目前我国中高档机床还主要依赖进口，因此，我们有必要生产具有自主知识产权的中高档数控机床。本文根据我公司玻璃钢增强塑料复合管锥型接口的磨削加工需要，设计研制出一台数控机床。机械设计部分主要设计了机床夹具、传动机构、定尺机构等。电控系统部分选择了以p l c 为核心控制器的系统，采用了步进电机、变频器、光电开关、触摸屏等现代化电气元件。初步研制出了一台可以自动定尺、精确磨削的数控磨床。关键词：磨削；p l c ；自动定尺；步进电机；变频器a bs t r a c tw i t ht h ed e v e l o p m e n to fs c i e n t i f i ct e c h n o l o g ya n dm a c h i n et o o li n d u s t r y ，t h ec n cm a c h i n et o o lh a sb e c o m et h ep i v o t a le q u i p m e n ti nr e a l i z i n gt h em o d e r n i z a t i o no fm a n u f a c t u r i n gi n d u s t r y b u t ，a tp r e s e n tt h em i d d l ea n dh i g hp r e c i s i o nt y p e so fc n cm a c h i n et o o l sa l em a i nd e p e n d e n to ni m p o r t i n g t h e r e f o r e ，i t sn e c e s s a r yf o ro u rc o u n t r yt op r o d u c et h et 1 5 l g hp r e c i s i o nc n cm a c h i n et o o l sw h i c hh a v eo u ro w ni n t e l l e c t u a lp r o p e r t yr i g h t s t h i sa r t i c l ea c c o r d i n gt ot h en e e do fg r i n d i n gp r o c e s so fg l a s sf i b e rr e i n f o r c e dp l a s t i c sm u l t i p l e - u n i tt u b e ，w h i c hi sp r o d u c t e db ye n t e r p r i s eo fo i lf i e l de q u i p m e n t t h eg o a li st od e v e l o pac n cm a c h i n e t h em a c h i n ed e s i g np a r tm a i n l ys t u d i e dm a c h i n et o o lf u c t u r e ，t r a n s m i s s i o ne q u i p m e n t ，s i z i n ge q u i p m e n ta n ds oo n t h ee l e c t r i c a l l yc o n t r o l l e ds y s t e mp a r th a sc h o s e np l ca st h ec o r ec o n t r o l l e r ss y s t e m ，u s i n gs t e pm o t o r ，t r a n s d u c e r ，l i g h tb a t t e r ys w i t c h ，t o u c h i n gs c r e e na n ds oo ne l e c t r i c a lm a c h i n e r y p r e l i m i n a r i l yd e v e l o pan u m e r i c a lc o n t r o l l i n gg r i n d e r ，c a nd e f i n i t el e n g t ha u t o m a t i c a l l ya n dg r i n d sp r e c i s e l y k e y w o r d s ：g r i n d i n g ，p l c ，f i x e d l e n g t h ，a u t o m a t i cp o s i t i o nc o n t r o lo fl e n g t h ，s t e pm o t o r ，t r a n s d u c e r独创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外，本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得中国石油大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对研究所做的任何贡献均已在论文中作出了明确的说明。若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。学位论文作者签名：日期：年月日关于学位论文使用授权的声明本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印刷版和电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部门( 机构) 送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被查阅、借阅和复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用影印、缩印或其他复制手段保存学位论文。保密学位论文在解密后的使用授权同上。学位论文作者签名：幺互受翌指导教师签名：孕客毒江l日期：日期：年月日年月日中国石油大学( 华东) 工程硕士论文第1 章绪论1 1 新工艺、新装备在发展现代化机械制造工业中的作用在我国的工业、农业、交通运输业等生产部门，在科研和国防等领域，使用着大量的机械、仪器和工具。机械制造工业的任务，就是为国民经济各部门、科研和国防领域提供现代化的技术装备。如果没有现代化的机械制造工业，我国的国民经济就不可能独立而迅速地发展。机械制造工业是重要的基础工业，是国民经济发展的重要支柱产业和先导部门。根据对各工业国家的统计，制造业( 包含机械制造) 创造其国民经济总收入的3 0 4 0 ，没有机械制造工业提供质量优良、技术先进的技术装备，信息技术，新材料技术、海洋工程技术、生物工程技术以及空间技术等新技术的发展就会受到制约。一个国家机械制造工业发展的水平，在很大程度上标志着这个国家工业生产能力和科学技术发展水平。显然，机械制造工业在国民经济现代化建设中起着重要的作用。随着现代科学技术的发展，特别是微电子技术、电子计算机技术的迅猛发展，机械制造工业发生了并且还在发生着极为深刻的变化，使机械制造工业焕发出新的活力。在传统的机械制造中，一个零件的加工周期，用于切削加工的时间仅为5 左右，而且机床的利用率很低。随着数控技术的推广，使机械制造有了突破性的发展，不仅提高了机械加工的生产率，也保证了产品的质量，降低了生产成本。随着加工设备的不断完善，机械加工工艺也在不断变革，从而导致机械制造的精度和效率不断提高。近年来新材料不断出现，对机械加工提出新的挑战，迫使普通机加工方法要改变刀具材料、改进所用的设备。在一般材料的加工方法中，机械加工仍然占着重要地位。传统的机械加工方法，随着采用新技术、新工艺、新设备和新的测量技术，其加工精度和效率不断提高。提高机械加工精度和效率的主要措施有：1 、开发新的机械加工工艺方法；2 、新型刀具材料的研制和应用；3 、研制超精密加工机床高效专用设备3 。其中开发新工艺和新设备是重要的发展方向。随着计算机、自动控制、电气传动、测量、机械制造等技术的进步，数字控制技术越来越多地应用于生产中。数控机床的出现，使机械制造业进入了一个新阶段。从第一台数控机床问世到现在的几十年中，数控技术的发展非常迅速，几乎所有品种的机床都实现了数控化。数控机床的应用领域也从航空部门逐步扩大到汽车、造船、机第1 章绪论床、建筑等民用机械制造行业。现在，数控机床己经成为现代化的基本设备。用数控机床加工零件具有以下优点：1 适应性强；2 加工精度高；3 加工生产率高，经济效益好；4 减轻劳动者的劳动强度，实现加工自动化和操作简单化；5 有利于生产管理的现代化；6 具有故障诊断的能力；7 监控功能强。由于以上显著的优点，所以数控机床特别适用于加工零件形状比较复杂或精度要求高的场合，以及产品更新换代频繁，生产周期短的场合。而在研制开发新型机床的时候，采用数控也成为一个重要的考虑因素。1 2 我国的工艺装备状况我国机械制造工业己具有一定的实力。机床工业高速发展，机床产品除满足国内需要外，还有部分产品远销国外。机床产量不断提高，机床性能已接近世界水平，机床产量不断上升。我国机械制造工业己经取得了巨大的成就，但是与世界先进水平比，还有很多差距口我国机械工业劳动生产率只有美、日、德国的1 2 5 1 1 5 ，这主要是管理落后，专业化生产水平低，工艺落后也是主要因素h 1 。根据1 0 0 个工厂产品调研的结果表明，因为工艺水平落后，使产品研制出来后，不能迅速转化为商品；或从国外引进机电产品技术，也不能形成批量生产。发展机械制造工业，必须提高工业技术水平、装备水平、检测水平和工艺管理水平。而提高工艺水平的核心是装备水平的提高，工艺技术最终体现在装备上，操作水平也随着装备水平的高低而变化，装备水平越高对工人操作水平的依赖程度就越低。工业发达国家积极采用数控机床，以解决熟练工人的缺乏；先进的技术装备可以促进技术水平的提高。我国目前对数控技术的要求日益增加，我们要尽快开发自己的数控产品，增加数控机床的产量、品种，提高技术性能，满足现代化生产的需求，从而较快地缩短我国与先进国家的差距。中国石油大学( 华东) 工程硕士论文1 3 普通车床数控化改造的研究现状1 3 1 数控系统的类型在普通机床的数控改造中，应根据不同的工况和用户要求，来确定是自行开发数控系统还是选用市场上现有的数控系统。自行开发数控系统大多采用m c s 5 1 系列的单片机组成的应用系统。在现有数控系统的选用上，首先选用较为成热的c n c 系统。如即n u c 数控系统，它以高质量、低成木、高性能、较全面的功能，适用于各种机床和生产机械，在市场的占有率远远超过其它的数控系统。s i e m e n s 数控系统，以较好的稳定性和较优的性能价格比，在我国数控机床行业被广泛应用7 1 。近年来国产数控系统发展迅速，如华中i 型c n c 系统，是由北京机床研究所和北京航空航天大学联合开发的一种通用的高性能c n c 系统平台，在这个系统平台上毋需改变系统任何软、硬件结构，即可配置各种实用的c n c 系统，适用不同类型数控的应用要求。类似的国产系统还有航人i 型、蓝天i 型等 引。综合目前市场上所用的数控系统，归纳为四种类型【9 】，改造时应根据具体情况进行选择。1 ) 传统数控系统如n u c0 系统、m i t s u b i s h im 5 0 系统、s i e m e n s8 1 0 系统等。这是一种专用的封闭体系结构的数控系统。尽管也可以由用户做人机界面，但必须使用专门的开发工具( 如s i e m e n s 的w s 8 0 0 a ) 耗费较多的人力，而对它的功能扩展、改变和维修，都必须求助于系统供应商。目前，这类系统还是占领了制造业的大部分市场。但由于开放体系结构数控系统的发展，传统数控系统的市场正在逐渐减小。2 ) “p c 嵌入n c ”结构的开放式数控系统如f a n u c l8 j 、】6 j 系统、s i e m e n s8 4 0 d 系统、n u m l 0 6 0 系统。这是由于一些数控系统制造商不愿放弃多年来积累的数控软件技术，又想利用计算机丰富的软件资源而开发的产品。它也具有一定的开放性，但由于它的n c 部分仍然是传统的数控系统，其体系结构还是不开放的。因此，用户无法介入数控系统的核心。这类系统结构复杂、功能强大，但价格昂贵。3 ) “n c 嵌入p c ”结构的开放式数控系统第1 章绪论它由开放体系结构运动控制卡+ p c 机构成。这种运动控制卡通常选用高速d s p作为c p u ，具有很强的运动控制和p l c 控制能力。它本身就是一个数控系统，可以单独使用。它开放的函数库供用户在w i n d o w s 平台下自行开发构造所需的控制系统。因而这种开放结构运动控制卡被广泛应用于自动化控制各个领域。如美国d e l t at a u 公司用p m a c 多轴运动控制卡构造的p m a c n c 数控系统、日本m a z a k 公司用三菱电机的m e l d a s m a g i c6 4 构造的m a z a t r o l6 4 0c n c 等。4 ) s o f t 型开放式数控系统这是一种最新开放体系结构的数控系统。它提供给用户最大的选择和灵活性，它的c n c 软件全部装在计算机中，而硬件部分仅是计算机与伺服驱动和外部i o 之间的标准化通用接口。就像计算机中可以安装各种品牌的声卡、c d r o m 和相应的驱动程序一样。用户可以在w i n d o w sn t 平台上，利用开放的c n c 内核，开发所需的各种功能，构成各种类型的高性能数控系统，与前几种数控系统相比，s o f t 型开放式数控系统具有最高的性能价格比，因而最有生命力。其典型产品有美国m d s i公司的o p e nc n c 、德国p o w e r a u t o m a t i o n 公司的p a 8 0 0 0n t 等。1 3 2 数控改造的类型普通车床数控化改造大致可分为下列三种类型：1 ) 普通车床所有功能部件保留型这种结构是由数控系统、伺服驱动、伺服电机、原有普通车床各功能部件及电动刀架等组成。该结构横向、纵向均采用伺服电机驱动。横向的伺服电机用电机座固定在床鞍的后端面上，通过一对同步带轮将运动传给普车原有横向丝杆副，实现横向快移和进给。纵向的伺服电机用电机座固定在进给箱的左端，通过联轴器将运动传给普通车床进给箱，变换普车进给箱上的手柄，使运动传给普车原有纵向丝杆，这时闭合开合螺母，实现纵向快移和迸给。这种数控化改造结构保留了原普通车床的所有功能。如要还原普通车床，只须拆下纵向电机座和电动刀架，装上挂轮部件和普通刀架即可。此结构因利用了普通车床原有功能部件，新增零件较少，改造费用低廉，改机工作量较小。改造后，不仅能保持原有机床的精度，而且能大大提高所加工零件尺寸的一致性。因未更换丝杆，车床中国石油大学( 华东) 工程硕士论文的各项精度取决于原有车床的精度，适用于对零件进行粗加工f l0 | 。这种改造形式在普通车床数控化改造初期曾被采用，现因精度难以保证，较少采用。2 ) 普通车床部分功能部件保留型这种普车数控化改造是将普车的挂轮、进给箱、溜板箱、三杆、托架及横向丝杆副等尽皆拆除，然后安装纵向、横向滚珠丝杆组件、数控系统、驱动装置和驱动电机，根据用户要求可以加装全防护或半防护装置。因更换了滚珠丝杆，如果床身导轨磨损了，则必须重新磨削导轨，这样才能保证纵向丝杆与导轨的平行以及纵向滑板运动的顺畅。但因为每台机床外形各异，在改造时，要对每台机床的有关尺寸仔细测量，然后才能设计横向、纵向丝杆装配图以及防护装配图。这样改机，机床的精度可以得到保证。但设计工作量较大，改机周期较长。适合于距离较近、能较长时间停机的用户改造【1 1 】。3 ) 采用g s k c t l 系列数控滑台机构改造型g s k c t l 系列数控滑台，是广州数控针对多种规格的卧式车床，在积累了多年的机床数控化改造的基础上，设计出的一种新型的用于车床数控化改造的机构，并经过多次改进，追求精益求精的设计及工艺方案。并申请了国家专利，受专利法保护。该机构只需借助原机床导轨作为基础，配上广州数控生产的数控系统、驱动装置及电机便可方便地完成机床的数控化改造工作。它的主要特点是：积多年数控机床改造之经验，突破了传统机床改造之观念，方便、快捷、可靠。吸收了斜床身式数控车床的优点，并采用贴塑导轨，z 向导轨全防护，进一步提高了机床的精度保持性及刚性。克服了传统机床改造精度较低、可靠性较差、不耐用、周期相对较长的缺点；能快速、大规模地到现场改造，且不受距离远近的限制。适合于对盘、套类零件进行加工。1 4 课题的研究目的及主要内容1 4 1 课题研究目的本课题的目的是将玻璃钢增强塑料复合管锥型接口的磨削加工的磨床改造成数控磨床，目前使用的是普通的磨床，加工精度不够，对于不同的尺寸加工需要人工的机械调节。同时每加工一根管材都需要用人工拉皮尺测量，而且加工完一头还要调头，人工操作的稳定性和准确性差，工作量大，条件差，投入成本过高。另外生产效率极第1 章绪论低，目前加工速度每班1 2 小时两个工人只能加工7 0 根左右。由此就有必要提出一个新的研究课题，即半自动定尺磨管机的研制。本课题的研究目标是研制出一个可以自动测长、自动磨削数字操作的磨管机，以解决生产中遇到的问题。随着油田玻璃钢增强塑料复合管需求量不断增大和生产效率上不去之间的矛盾日渐激化，使得油田机械生产企业不得不把自动化生产和数字化操作的贯穿到生产的全过程。1 4 2 课题研究内容应用机电液一体化技术，将普通磨床改造成数控磨床，提高精度与效率，降低劳动强度。研究计划安排：该项目由胜利高原管业公司完成，改造投资费用1 0 万元。本人在项目中为技术总负责人，负责系统的整体设计，方案选择，现场安装、调试等。中国石油大学( 华东) 工程硕士论文第2 章半自动定尺磨管机的结构设计半自动定尺磨，管机是典型的机电一体化产品，由机械机构和电气控制两大部分构成。机械是基础，电子是“灵魂”，“机”和“电”有机地融为一体，两者相互依存，缺一不可，两者相互配合，才能实现切割磨削过程的自动化。2 1 机床的总体要求随着空间科学技术的飞速发展，近年来对空间光学系统对非球面零件的需求越来越大，精度要求也越来越高。1 加工工件材料及尺寸要求：本机床主要加工材料为玻璃钢增强塑料，零件口径要求4 0 4 0 0 m m ，长度8 1 m m 。2 机床的主轴转速越高，刀具的线速度越大，磨削效率越高，加工表面凸凹层越均匀，所以机床设计要考虑主轴转速的大小。本机床由于只探讨原理的可行性，暂不考虑机床的高转速对精度的影响，暂定磨削主轴转速为2 0 0 0 r m i n ，工件自转速度为3 0 r m i n 。2 2 机床总体结构为了适应切割磨削长工件的要求，半自动定尺磨管机与以往台式结构的小磨管机不同，采用了长导轨结构。该型磨管机机械部分主要由机体、传动装置、进给机构、夹具、定尺系统五大部分组成。其中，机体包括底座、导轨、外壳；传动装置包括电机、传动轴、皮带、带轮、齿形皮带、齿形皮带轮；进给机构包括工作台和丝杠螺母机构；夹具为多功能快速内孔夹具。机械结构示意图如2 1 所示。第2 章半自动定尺磨管机的结构设计p卅替电l 亭1-。沫母i开冰时忾嚣营淌通pp陆馥j交毒蒂a丌姊饥沫电逍淋pp时晦苘1陆嵌河稚蒂团旧_1谰娟耋摘翻己：虱团西谰垩电i_j支：诮翅蔼d廿障电孓14峙障电警15帮净p仍如垫中国石油大学( 华东) 工程硕士论文图2 - 2 床头部分放大图f i 9 2 2h e a d s t o c ke n l a r g e dd i a g r a m9 第3 章机床主要零部件的设计第3 章机床主要零部件的设计3 1 床身材料的选择机架按材料分为金属机架和非金属机架。金属机架常用的材料有铸铁、铸造碳钢、铸造铝合金及压铸铝合金等。非金属机架常用的材料有花岗岩及混凝土、工程塑料等。表3 1是铸铁等常用材料的主要性能哺1 。表3 1 铸铁等材料的主要性能t a b l e 3 - 1 m a i nc h a r a c t e r i s t i c so fm a t e r i a l s u c ha sc a s ti r o n氧化铝陶树脂混凝零膨胀玻材料铸铁钢股钢花岗岩瓷土璃拉伸弹性模量2 4 01 0 02 1 01 4 04 03 39 1( g p a )密度3 47 37 88 23 02 52 5p ( k n m )比刚性71 42 71 71 51 33 6( e r ) 1 0 m 3对数减衰率0 6l 3o 562 06 1 0 3线膨胀系数71 21 1o 65 61 2o 0 5a 1 06 k导热率165 3 54 41 0 53 80 4 71 6 4w m k温度传导率6 21 21 12 82o 3o 8x 1 0 6 m 书s，】0 中国石油大学( 华东) 工程硕士论文通过对表3 1 中材料的性能的对比，同时本机床也是精密加工机床，花岗岩和铸铁是制造机架比较理想的材料。但考虑花岗岩价格昂贵等因素，而且本设计是以验证为主，因此不选用花岗岩作为机架材料。多数机架形状较复杂，故一般采用铸造。目前铸铁是机架使用最多的一种材料，它的流动性好，体收缩和线收缩小，容易获得形状复杂的铸件。在铸造中加入少量合金元素可提高耐磨性能。铸铁的内摩擦大、阻尼作用强，故动态刚性好。铸铁还具有切削性能好、价格便宜等优点。因此选用h t 3 0 铸铁为机架的材料。3 2 导轨的设计机床导轨的精度直接影响加工工件的直线度、圆柱度等误差。数控机床的导轨形式有滑动导轨、滚动导轨、静压导轨，导轨的材料和结构与普通机床有着显著的不同。数控机床的导轨对导向精度、精度保持性、摩擦特性、运动平稳性和灵敏性，都有更高的要求。导轨形式的优缺点如下：( 1 ) 滑动导轨。承载能力强，刚度高，抗振性好；导轨导向精度高、保持性好；数控机床中应用比较普遍。但滑动导轨存在摩擦系数大、磨损快、使用寿命短、有低速爬行现象、对润滑油的供油量要求较高等缺陷。( 2 ) 滚动导轨。最大优点是摩擦系数小，运动轻便灵活，低速运动平稳性好，位移精度和定位精度高，耐磨性好，且润滑简单。缺点是抗振性差、结构复杂、成本高，对脏物比较敏感，必须有良好的防护。( 3 ) 静压导轨。主要用于大重型数控机床，优点是摩擦系数极小，运动灵敏，位移精度和定位精度高，导轨精度保持性好，寿命长。导轨油膜具有误差均化作用，导向精度高；油膜承载能力高，刚度高，吸振性好。缺点是结构复杂，需相应的液压设备。本文选择滑动导轨，具体参数如图3 1 所示。图3 一l 导轨横截面f i 9 3 1s l i d e w a yc r o s ss e c t i o n第3 章机床主要零部件的设计3 3 进给机构中的驱动在精密机床中，应用较多的驱动方式有摩擦驱动、静压丝杠副驱动和滚珠丝杠副驱动。摩擦驱动可以实现无反向间隙传动、传动噪声小的优点。但是摩擦传动的不足之处是传动力小，同时容易产生打滑，由于这是非线性因素，使得摩擦传动在位置控制上有一定的难度，限制了它的应用。静压丝杠包括液体静压丝杠和空气静压丝杠。前者用油压，间隙大些；后者用压缩空气，f 、b j 隙较小。静压丝杠由于螺母与丝杠不接触，所以没有摩擦引起的爬行与反向间隙，可以长期保持精度，进给分辨率高。而且油膜或气膜具有均化效应，可以提高进给精度。同时静压丝杠还具有抗衰减性好的特点。静压丝杠的缺点是轴向刚性与承载能力小，这主要是受体积限制，难以保证足够的承载面积。为了增加承载面积，静压丝杠导程不能太小，体积也要相应增大而且丝杠与螺母加工精度要求极其严格。滚珠丝杠是现在较为通用的回转一直线转换机构，传动效率可达9 5 ，而且由于滚珠丝杠在螺母与丝杠之间一次有几个滚珠同时接触，各构件的几何精度不直接影响运动精度，其误差被均化了，综合精度得到提高。现在高精度的滚珠丝杠副相邻的螺距误差可以做到o 5 1 u m ，任意3 0 m m 上的累积误差可达3 - 5 u m 。如果伺服进给系统采用全闭环反馈控制，系统运动分辨率可以做得很高，从而降低对滚珠丝杠的轴向综合精度的要求。而且滚珠丝杠由专业厂家进行生产和系列化，其标准化程度高，性能稳定，价格相对低廉。故本文选用滚珠丝杠副作为进给驱动机构。根据用途的不同。滚珠丝杠传动分为两类：( 1 ) 定位滚动螺旋鬲j j ( p 类)通过转角或导程用以控制轴向位移量的滚动螺旋副( 2 ) 传力滚动螺旋副( t 类)用于传递动力的滚动螺旋副，与转角无关。由于本机床采用滚动螺旋副是为了实现加工中的进给量，根据滚动螺旋副按用途的分类，选用定位滚动螺旋副。一1 2 中国石油大学( 华东) 工程硕士论文图3 - 2 单螺母外循环滚动螺旋副f i 9 3 2o u t e rc i r c u l a t i o nr o l l i n gs c r e wp a i rw i t hs i n g l en u t如图3 2 所示，1 是螺杆，2 是螺母，3 是套，4 是钢球，5 是螺旋槽返回通道，6 是挡球器。通过考虑横梁的重量，其重量为3 0 0 n ，并通过查手册，选定螺杆的2 0 材料为2 0 c r m o ，通过渗碳、高频淬火硬度可达到h r c 6 0 士2 ，螺母的材料为2 0 c r m n t i ，渗碳、淬火硬度h r e 6 0 + 2 0 。螺母的厚度为5 0 衄。螺杆长度三总= i i + 1 2 + 1 3 + l( 3 一1 )式中，h 机床需要的行程1 2 一螺母的高度h 满足机床需要的行程要求以外的余量( 5 1 0 姗)因此取三总= 5 0 0 m m螺杆长度还应满足刚度的要求，根据刚度的要求确定螺杆的直径，一般应满足等 1 0 r m i n 工作时，其主要失效形式是滚道或滚珠表面疲劳点蚀，按基本额定动载荷计算。基本额定动载荷值：c 二= 乒o c 。s 口) o z d st a n 口= 1 2 3 7 7 n( 3 2 )通过与设计手册对比，c 口的值为9 6 5 0 n 1 2 3 7 7 n ，满足承载能力要求。9 3 2 f l f 2 i11l 一2 石p ( 甜f l = 1 0 ( 一半 = 5 2 9f 2 = 掣喾= o 7 1 5 5( 】+ 厂涉万= ( 针，乩5，1z 一，永，1体，：堡c o s 日- u u 4 2，= 日= d o0 4 1= 0 8 6 5 40 3= 2 3 3 0 4 5 4( 3 - 3 )1 4 ( 3 - 4 )陀生mi l垒口55oo=旦眈旦眈=粕瓜中国石油大学( 华东) 工程硕士论文z ：一n d o ：5 2 ( 取整数)d w式中z 一圈螺纹滚道内的钢球数量i 螺母的总工作圈数? f ，有效工作行程( n l l l l )厢工作行程系数向螺母的适应度庙螺杆的适应度无额定动载荷特征值( 3 - 5 )3 4 减速器的选择减速器是原动机和工作机之间的独立的闭式传动装置，用来降低转速和增大转矩，以满足工作需要。减速器的种类很多，按照传动类型可分为齿轮减速器、蜗杆减速器和行星减速器以及它们相互组合来的减速器；按照传动的级数可分为单级和多级减速器；按照齿轮形状可分为圆柱齿轮减速器、圆锥齿轮减速器和圆锥一圆柱齿轮减速器：按照传动的布置形式又可分为展开式、分流式和同轴式减速器。图3 3 单级蜗杆减速器f i 9 3 3s i n g l ew o r m d r i v e nr e d u c e r由于本机床的进给是通过电机带动螺旋传动来实现，螺旋传动必须有自锁装置。蜗杆传动就可以实现自锁，这样就可以减少螺旋传动的自锁装置，同时蜗杆减速器传动比大。传动平稳，噪声低的优点，还具有交错轴间传递动力的特点，这样就可以减少机床部件占用过多的空间，缩小了机床的体积，因此选用蜗杆减速器。第3 章机床主要零部件的设计3 5 夹具的设计该工件的通身需在数控车床上一次加工到预定尺寸，所以夹持内孔成了唯一可行的方案。该夹具的基本结构如图3 4 所示。该夹具通过法兰盘1 与车床夹盘头部联接。利用气缸控制芯轴6 左右移动，当工件装上后，气缸带动芯轴向左移动，三个夹爪：在芯轴的斜面作用下沿槽向外运动，涨紧内孔，准确夹持工件；当工件加工完毕，气缸控制芯轴向右运动，夹爪向着轴心方向运动，从而松开工件。由于该工件的轴向尺寸相对径向尺寸比例较大，在加工过程中为防止轴线变形，一端为内孔夹持的同时，另一端要用顶尖5 顶住阳1 。该工件轴向尺寸比较大，在夹持工件时为防止轴线偏斜，要先加工出左边内孔及左端面，作为粗基准。磨床用此内涨夹具夹持左内孔并将左端面靠紧定位圈8 。薹嚼一1 2 0 芝t 臻ii 薹汇尊宅三翱“姒_图3 5 心轴1 6 中国石油大学( 华东) 工程硕士论文夹爪设计成矩形块状如图3 - 6 所示。安装时将芯轴插入本体，放置矩形夹爪，然后用橡皮圈将三个夹爪紧固住，以防止夹爪从槽中掉出。为防止夹爪掉出，在本体上需加工出阶梯孔，夹爪设计成阶梯形；而在本体上加工出这些阶梯孔则需在孔对面设计工艺孔，其加工工艺比较繁杂，装配比较困难。一翥，、i o 8图3 - 6 夹爪f i 9 3 6c l a m p i n gj a w由于工件和夹具一起随着主轴旋转，工件除受切削力作用外，还受到离心力作用，故要求夹紧装置产生的夹紧力足够。在该夹具设计中特意将夹爪设计成长方形块状，与管状零件的轴向接触长度为4 0 m m ，以保证比较长的接触长度；其次在夹爪上设计出夹角为6 0 0的沟槽，增大夹爪表面与工件接触表面之间的摩擦系数，从而增大夹持力。图3 7 夹爪整体加工图f i 9 3 - 7c l a m p i n gj a wh o l i s t i cp r o c e s sd i a g r a m夹爪三个为组，一组夹爪中高度必须一致。所以加工时先由钳工在圆棒料上划线，1 7 一学，口怒第3 章机床主要零部件的设计标出三个夹爪的矩形凸起部位，如图3 7 所示。然后用铣刀铣掉不必要的材料，保留夹爪的矩形凸起部分，但不把矩形夹爪切割下来，而是仍然保留在棒料上。加工出夹爪表面的6 0 0 沟槽后进行热处理，上磨床加工o5 9 m m 外圆，最后把夹爪切割下来。然后完成4 0 5 的斜面的加工以及各配合面的磨削加工。该夹具可以针对所涨内孔的大小更换适当尺寸的芯轴及本体，其余零部件不作改动，便可方便成为新的内涨夹具，大大节约了工装的成本，提高了工装中其它零部件的利用率。3 6 带传动系统的设计电机额定功率尸电= 7 5 k w ，转速1 1 1 = 2 9 8 0 d m i n ，砂轮轴转速1 1 2 = 2 0 0 0 f f m i n 。( 1 ) 设计功率尸p e a = 忍尸电= 1 ix7 5 = 8 2 5( 3 6 )式中乜为工况系数，按每天工作8 个小时计算，查表得尼= 1 1( 2 ) 确定带型根据尸。= 8 2 5功= 2 9 8 0 r m i n 查表确定带型为a 型。( 3 ) 传动比f = 旦n = 塑= 1 4 9(37)22 0 0 0l j lj( 4 ) 小轮基准直径参考设计手册，取主动轮基准直径d 1 = 8 0m m从动轮基准直径d 2 = i dj ( 1 一占) = 1 4 9 x8 0 ( 1 0 0 2 ) = 11 6 8查表，取d 2 = 11 2m m 。验算带的速度v ：塑一：zxs 0 x 2 9 8 0 ：1 2 4 8 f 所j 1 3 5 川s6 0 1 0 0 06 0 x 1 0 0 0、7( 3 8 )( 5 ) 确定v 带的基准长度和传动中心距根据o 7 ( d l + d 2 ) 口o 2 ( d ，+ d 2 ) ，初步确定中心距a o = 3 0 0 m m 。计算所需带的基准长度n 砌+ 弘m ) + 掣= 2 3 。+ 三( 8 0 + 11 2 ) + 垒 等18 ( 3 - 9 )中国石油大学( 华东) 工程硕士论文= 9 0 2 3查表选择带的基准长度l d = 9 0 0i i i i l l计算实际中心距口：口。+ l a - lr d ：3 0 0 + 9 0 0 - 9 0 2 3 ：2 9 8 922安装时所需最小间距三d 一三d2：2 9 8 9 一9 0 2 3 - 9 0 02= 2 9 7 7张紧或补偿伸长所需最大轴间距a 。= a + 0 0 3 l a= 2 9 8 9 + 0 0 3 9 0= 3 2 5 9( 6 ) 小带轮包脚口1 ：1 8 0 。一, d 2 - d i 5 7 3 。口：1 8 0 。一型5 7 3 。2 9 8 9= 1 7 3 9 0( 7 ) 计算v 带的根数由船i = 2 9 8 0 r r a i n ，d 1 = 8 0 m m ，查表得p o = 1 6 4 k w ：由f i = 2 9 8 0 r m i n ，i = 1 5 ，查表得a p o = 0 2 6 k w ：由o j = 1 7 3 9 0 ，查表得k o = 0 9 9 ：由基准长度l d = 9 0 0 m m ，查表得七f = 】0 31 9 ( 3 - 1 0 )( 3 - 1 1 )( 3 - 1 2 )( 3 - 1 3 )第3 章机床主要零部件的设计p 。a8 2 5= - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 一1 1 6 4 + 0 。2 6 ) 0 9 9 1 0 3= 4 2 5( 3 1 4 )取z = 5( 8 ) 带轮的结构和尺寸小带轮的轴孔直径d l = 3 0 m m ，小带轮为实心轮大带轮的轴孔直径d 2 = 4 0 m m 。3 7 定尺结构的设计图3 8 为定长机构示意图，如图所示，光电开光l 装于磨管机砂轮左端边缘直线，即磨削断面，光电开关2 位于导轨上距1 光电开光l 长度，光电开光2 可以移动，即l 的长度可以选择。定长过程：系统运行时，如图3 8 a 所示，管子位于导轨右端，管子放在导轨滚轮上后，由步进电机带动滚轮。如图3 8 b 所示，牵引管子在导轨上移动，当管子移动到光电开关2处，光电开光2 信号为高电平。滚轮继续转动，当管子移动到光电开关1 时，如果此时光电开关2 已经为低电平，则说明管子长度不合适，p l c 将由触摸屏显示错误；如果此时光电开关2 也处于高电平状态，如图3 8 c 所示，可以说明管子长度大于定尺长度，可以磨削切割。此时p l c 发出指令到步进电机，继续带动滚轮转动。管子继续向左移动当光电开关2 由高电平到低电平的瞬间，如图3 8 d 所示，即说明管子要切割的长度已经确定。此时由p l c 控制步进电机停止，同时夹具汽缸开启，管子被内孔夹爪固定，开始磨削过程。光电开关1图a2 0 滚轮光电开关2中国石油大学( 华东) 工程硕士论文光电开关l图b滚轮光电开关2管子光电开关1图c滚轮光电开关2光电开关l图d图3 - 8 定尺机构t ：作图滚轮光电开关2f i 9 3 8s i z i n gm e c h a n i s ms e r v i c ed i a g r a m一2 1 第4 章电控系统设计第4 章电控系统的设计4 1 方案选定半自动定尺磨管机在设计之初就以机电一体化系统的设计思想进行设计，机械部分结构非常简洁，虽然没有复杂的传动系统，但是其性能却远高于普通的磨管机，整个机器的关键就是电控系统。4 1 1 方案讨论针对上述功能要求，提出以下两种控制方案7 】：方案一：双单片机系统。由于需要输入输出的开关量比较多，需要设定和显示的控制信息比较多，因此系统采用双单片机构架。其中一个单片机作为主控制器，主要完成输入输出设备的集中控制功能。另一个单片机作为系统的人机交互界面，完成显示和信息输入功能，两个单片机通过串口进行通信实现整机系统控制。方案二：以p l c 为核心控制器的系统。丰富的i 0 口解决了开关量输入、输出比较多的难题，对输入输出信号集中控制。设定和显示的多参数信息采用触摸屏编辑人机界面来完成。通过核心p l c 控制器和触摸屏通信的方式来完成对整机系统的控制。方案评价：方案一单片机控制系统：单片机具有结构简单、使用方便、成本低廉等优点，一般用于数字采集和仪器仪表控制。与p l c 相比，单片机更擅长于数据采集和数据处理，通用性和适应性较强单片机用于工业设备控制抗干扰能力差，用单片机实现自动控制，需要在输入输出接口上做大量工作。需要考虑现场设备与主机的连接、接口的扩展、输入输出信号的处理、接口工作方式、驱动能力、隔离问题等，除了要设计控制程序，还要在外围做很多软件和硬件方面的工作。磨管机工作环境恶劣，磨削过程中有较强的振动、噪声、电磁辐射产生，工作环境潮湿。该方案的关键问题是：单片机系统的稳定性差、抗干扰性能弱，维护调试不方便。方案二p l c 控制系统：可编程控制器( 简称p l c ) 以其功能完备、组合灵活、编程方便、同时可靠性高、开发周期短而广泛应用于工业生产与控制的各个领域中。p l c 有以下的有突出特点：( 1 ) 编程简单p l c 用于编程的梯形图与传统的继电接触控制线路图有许多的相似之处，便于熟悉机电控制的工程技术人员上手。大缩短整个系统设计、生产、调试周期，节约系统投资。( 2 ) 可靠性高p l c 是专门应用于工程现场设备和自动控制装置，在系统的硬件和软件2 2 中国石油大学( 华东) 工程硕士论文上都采用了抗干扰措施例如光电藕合、自诊断、多个c p u 并操作、冗余控制技术等。具有较好较高的可靠性，能在恶劣的工业环境下正常运行，一般平均无故障时间可达几万小时以上。( 3 ) 功能强大p l c 能进行逻辑、定时、计数和步进等控制，能完成a d 与d a 转换、数据处理和互联网等任务，具有很强的功能。( 4 ) 便于维护p l c 具有较完善的自诊断、自测试功能，可迅速方便地检查判断出故障，缩短检修时间。它以软件编程取代硬件接线，使其构成的控制系统结构简单，安装方便，维护方便。在自动化生产与控制中，需要一种人机交互设备实现人与系统的数据和命令的交换。作为与p l c 的配套产品触摸屏，它与p l c 的结合不仅进一步提高了系统的可靠性和抗干扰能力，而且可以方便的修改控制参数及显示数据，并能以动画和曲线的方式描述自动控制的过程。但是相对于单片机控制系统成本显著提高了。综上所述，本系统采用p l c 为核心控制器，触摸屏作为监控显示模块，两者通过串口进行通信来控制系统的执行部件，实现整机的自动控制。变频器作为进给电动机的驱动器，而螺母进给量传感器选择光电编码器，系统原理框图如图4 1 所示：图4 1 控制系统原理框图f i 9 4 1c o n t r o l l i n g - s y s t e mf r a m e w o r k4 1 2 系统功能实现原理选择如图3 1 所示控制系统，利用变频调速原理，通过改变进给系统电机的速度实现丝杠变加速进给运动，系统中由旋转编码器作为丝杠转角传感器，旋转编码器产生的脉冲数与丝杠转角一对应。螺母进给量y 的函数，丝杠选定后，旋转编码器检测丝杠转角产2 3 第4 章电控系统设计生的脉冲数与丝杠转角一一对应，旋转编码器产生的脉冲，通过p l c 的脉冲i 0 模块输入到p l c ，p l c 按照一定的算法处理输入脉冲数，变成新的数字量，通过m o d b u s n e t o r k 通讯协议，将计算值输出到变频器，变频器按照给定频率进行调速，从而实现对丝杠进给的数控。动作设计：当按下“起动”按钮时，系统起动，执行“起动”子程序，等待管子直径选择开关打开，如果直径没有重新设定，则自动按照上次选择的直径参数等待磨削开始，“磨削开始”按钮产生的开关量信号到p l c 后高速计数器开始接收旋转编码器产生的脉冲，每一个调速周期脉冲数经p l c 设定算法处理加工，变成新的数字量，由i 0 模块输出到变频器，p l c 接收到上限位开关信号时候磨削结束，反转继电器接通，进给电动机反转，驱动丝杠回到初始位置后触动下限位开关，进给电动机停止，等待下次磨削。4 2 可编程控制器的选择4 2 1p l c 技术概述( 1 ) p l c 的定义哺1可编程序控制器( p r o g r a m m a b l e lo g i c co n t r o l l e r ) 是以微处理器为基础，综合了计算机技术、自动控制技术和通信技术的一种新型通用工业自动控制装置。它具有体积小、功能强、编程方便、可靠性高、耐恶劣环境能力强等优点，已广泛应用于工业自动化生产的各个领域，成为工业控制的主要手段和重要的基础设备之一，与机器人技术、c a d c a m 并列称为工业生产自动化的三大支柱。国际电工委员会o e c ) 对p l c 定义如下：p l c 是专为在工业环境下应用而设计的一种数字运算操作的电子装置，是带有存储器、可以编制程序的控制器。它能够存储和执行指令，进行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作，并通过数字式和模拟式的输入输出，控制各种类型的机械和生产过程。p l c 及其有关的外围设备，都应按易于与工业控制系统形成一体、易于扩展其功能的原则设计。( 2 ) 可编程序控制器的基本结构从广义上讲，p l c 是一种计算机系统，只不过它比一般的计算机具有更强的与工业过程相连接的输入输出接口，具有更适用于控制的编程语占，具有更适应工业环境的抗干扰性能。其结构和计算机控制系统十分相似，一般由中央处理器( c p u ) 、存储器、输入输出( i o ) 接口、电源等部分组成。由于p l c 的中央处理器都是由微处理器、单片机或位片计算机组成，存储器和i 0 部2 4 中国石油大学( 华东) 工程硕士论文件也形式多样，因此也可将p l c 的组成以微机控制系统常用的总线的结构形式表示，如图4 2 所示。：主机i图4 - 2p l c 的单总线结构框图f i 9 4 - 2p l cm o n o b u ss t r u c t u r ed i a g r a m由图可见p l c 采用了典型的计算机结构，主要由c p u 、存储器和i o 单元等三大部分组成，其内部采用总线结构，进行数据和指令的传输。按照结构形式的不同，p l c 还可以分为整体式结构和单元式结构。区别在于整体式的结构将c p u 、r a m 、r o m ，、i o 单元等组装成一个主体，构成主机。单元式的结构组成p l c 的各个部分都是高度集中的单元，分别做成相应的电路板或模块，模块之间通过底板上的总线相互连接。无论是哪种结构类型的p l c ，外部的各种开关信号、模拟信号、传感器检测的各种信号均作为p l c 的输入变量，它们经p l c 外部输入端子输入到内部寄存器中，经p l c 内部逻辑运算或其他各种运算、处理后送到输出端子，它们是p l c 的输出变量。p l c 的系统程序和用户程序都存