（机械工程专业论文）核电高压容器强力高效砂带磨削方法及应用研究.pdf

中文摘要 摘要 核电高压容器材料本身的难加工特性导致其磨削效率低，成本高，另外加工 过程不能添加冷却润滑的特殊要求使得加工过程极易引起表面烧伤及其它表面损 伤等不良现象产生，同时这些容器构件体积与重量巨大，磨具需要适应不同空间姿 态调整和进给，加之工业发达国家对研发高效砂带磨削装备完成上述核电容器多 道磨削工序的方法及其相关工艺参数严格保密与技术垄断，导致我国对核电容器 制造过程中涉及上述关键磨削工序均采用人工进行砂轮修磨与抛光，其加工效率 和精度都极低，且工人的工作环境极端恶劣和危险程度极大，这些难点严重制约 了我国核电装各国产化制造进程。本文从这种现状出发，基于砂带磨削的“万能” 和“冷态”特性思路，提出了一种核电高压容器高效磨削工艺方法，研制了新型强力 高效砂带磨削自动化加工装备，创新性地提出了基于b p 神经网络的核电容器材料 高效强力砂带磨削工艺参数预测与优化方法，并将其应用于核电高压容器的高性 能磨削，对实现我国核电高压容器国产化制造瓶颈的突破起到了重要作用。 本文主要完成了以下几项工作： 1 阐明了核电高压容器高效磨削所涉及的关键基础问题，搭建了高效强力砂带 磨削工艺基础试验平台。同时利用有限元方法建立了强力砂带磨削过程中接触轮 与工件接触模型；确立了砂带单颗磨粒切刃切除材料理论模型并开展了强力砂带 磨削去除材料试验，探讨了不同磨削参数对核电容器材料去除率的影响，为实现现 场磨削参数工艺优选调控提供理论及应用的研究依据。 2 利用现代理化测试分析手段，率先完成了对两种国产核电高压容器典型材料 因科镍6 9 0 合金钢和2 0 c r - 1 0 n i 高效砂带磨削的综合测试分析研究工作。首次明确 提出在砂带磨削核电容器材料进入稳定磨损期内磨具磨损形式是磨耗磨损和部分 的破碎磨损并存的新观点，这一新观点对正确认识强力砂带磨削过程磨粒磨损的 本质及其形成机理具有重要的启示作用。 3 研制了实现核电高压容器强力磨削用的多功能高效磨削自动化装备样机， 结合相关单元及辅助装置研制，并利用c a d c a e 手段进行该机系统化结构优化设 计。同时为确保该新型磨削加工装备复杂控制功能，开展了高效强力砂带磨削加 工装备的相关数控系统开发研究，为后续项目研究实现多坐标联动的高效强力砂 带磨削智能控制奠定了完备的机电硬件基础。 4 完成了基于b p 神经网络的核电容器材料高效强力砂带磨削工艺参数预测 模型建立，重点对因科镍6 9 0 合金钢的磨削工艺参数进行了预测分析，砂带粒度、 砂带速度预、磨头进给速度、磨头施加压力预测值与实测值间的误差均在可接受 重庆大学博士学位论文 范围，大大缩短了装备样机进行现场应用磨削调试的时间，其b p 工艺预测模型的 建立对解决国产核电高压容器磨削工艺现场应用具有重要的指导意义。 关键词：核电高压容器，砂带磨削，强力磨削，磨削机理，磨削性能 英文摘要 a b s t r a c t n u c l e a rp o w e rh i 曲一p r e s s u r ev e s s e lm a t e r i a l sh a v et h ec h a r a c t e r i s t i co fd i f f i c u l t p r o c e s s ，w h i c hl e a d st ol o wg r i n d i n ge f f i c i e n c ya n dh i 曲c o s t ，a n da n o t h e rs p e c i a l r e q u i r e m e n to ft h ep r o c e s sc a l ln o ta d dt h ec o o l i n gl u b r i c a n t ，w h i c hw o u l dm a k et h e s u r f a c eo ft h ew o r k p i e c et ob eb u r n e da n dg e n e r a t eo t h e rn e g a t i v ep h e n o m e n ae a s i l y , s u c ha st h es u r f a c ed a m a g ea n ds oo n a tt h es a m et i m e ，t h en u c l e a rp o w e r h i g h - p r e s s u r ev e s s e l ss i z ei sv e r yb i ga n di t sw e i g h ti sh u g e ，s oi tn e e d st oa d a p tt o d i f f e r e n ts p a t i a la t t i t u d ea d j u s t m e n ta n dt h ef e e dt og r i n d i n gt o o l ，c o m b i n e dw i t ht h e i n d u s t r i a ld e v e l o p e dc o u n t r i e sm o n o p o l i z et h et e c h n o l o g yw h i c hc o u l de f f i c i e n t l y c o m p l e t et h eg r i n d i n gv e s s e li n c l u d i n gt h ea b r a s i v eb e l tg r i n d i n ge q u i p m e n ta n dt h e p r o c e s sp a r a m e t e r s t h e s ef a c t o r sr e s u l t e di nt h ec h i n a sn u c l e a rv e s s e l sp r o c e s sb y m a n u a lg r i n d i n ga n dp o l i s h i n gw h i c hi n v o l v e di nt h ea b o v ek e yg r i n d i n gp r o c e s s e sw i t h g r i n d i n gw h e e l ，a n ds i m u l t a n e o u s l yt h ep r o c e s s i n ge f f i c i e n c ya n da c c u r a c ya r ev e r yl o w , a n dt h ew o r k i n ge n v i r o n m e n ti se x t r e m e l yp o o ra n dd a n g e r o u s ，t h e s ed i f f i c u l t i e s s e r i o u s l yr e s t r i c tt h el o c a l i z a t i o no fc h i n a sn u c l e a rp o w e re q u i p m e n tm a n u f a c t u r i n g p r o c e s s i nt h i sp a p e r , i tp r e s e n t e dah i g h e f f i c i e n tg r i n d i n gm e t h o dt ot h en u c l e a rp o w e r l l i g h p r e s s u r ev e s s e l ，a n ds i m u l t a n e o u s l yi td e v e l o p e dan e wt y p eo fh e a v ya n d h i g h e f f i c i e n ta u t o m a t e dp r o c e s s i n go ft h ea b r a s i v eb e l tg r i n d i n ge q u i p m e n t w h i c hi s b a s e do nt h ec h a r a c t e r i s t i c so fa b r a s i v eb e l tg r i n d i n g ”u n i v e r s a l ”a n d ”c o l ds t a t e ， c r e a t i v e l yp r e s e n t e da e f f i c i e n tf o r e c a s t i n gp a r a m e t e r sa n do p t i m i z a t i o nm e t h o d st ot h e h e a v ya b r a s i v e b e l tg r i n d i n gp r o c e s sf o rt h en u c l e a rp o w e rh i g h - p r e s s u r ev e s s e l m a t e r i a l sw h i c hb a s e do nb pn e u r a ln e t w o r k , a l s oi ta p p l i e st ot h eh i g h - p e r f o r m a n c e g r i n d i n gf o rn u c l e a rp o w e rh i g h - p r e s s u r ev e s s e l s ，p l a y sa l li m p o r t a n tr o l ei nt h e b r e a k t h r o u g h o ft h ec h i n a sn u c l e a rp o w e r h i g h - p r e s s u r e v e s s e ll o c a l i z a t i o n m a n u f a c t u r eb o t t l e n e c k s i nt h i sp a p e r , c o m p l e t e dt h ef o l l o w i n gt a s k s ： 1 c l a r i f i e dt h ec r i t i c a li n f r a s t r u c t u r ei s s u e st ot h en u c l e a rp o w e rh i 曲一p r e s s u r e v e s s e lw h i c hi n v o l v e si nh i 曲一e f f i c i e n tg r i n d i n g ；b u i l tah e a v ya n dh i g h - e f f i c i e n tt e s t p l a t f o r mf o rt h eb a s i sr e s e a r c ho ft h ea b r a s i v eb e l tg r i n d i n gp r o c e s s s i m u l t a n e o u s l y , e s t a b l i s h e dac o n t a c tm o d e l 、析t 1 1c o n t a c tw h e e la n dt h ew o r k p i e c ei nt h ep r o c e s so f a b r a s i v eb e l tg r i n d i n gw h i c hb a s e do nt h ef i n i t ee l e m e n tm e t h o d ；e s t a b l i s h e dt h e c u r i n g - e d g et h e o r e t i c a lo ft h er e m o v a lo fm a t e r i a lt oas i n g l ea b r a s i v eg r a i na n d i i i 重庆大学博士学位论文 c o n d u c t e dah e a v ya b r a s i v eb e l tg r i n d i n gt ot h er e m o v a lo fm a t e r i a lt e s t i n g ，a n dt h e n d i s c u s s e dt h ei m p a c to ft h en u c l e a rv e s s e lm a t e r i a lr e m o v a lr a t et ot h ed i f f e r e n tg r i n d i n g p a r a m e t e r s ，p r o v i d e dt h e o r e t i c a la n da p p l i e dr e s e a r c ht o t h eo p t i m i z a t i o nc o n t r o l p a r a m e t e r sf o rt h er e a l i z a t i o no fg r i n d i n gp r o c e s si ni n d u s t r i a lf i e l d 2 b yu s i n g o fm o d e mp h y s i c a la n dc h e m i c a lt e s t a n a l y s i sm e t h o d s ，f i r s t c o m p l e t e dc o m p r e h e n s i v et e s ta n da n a l y s i sr e s e a r c hw o r ko fh i g h e f f i c i e n ta b r a s i v eb e l t g r i n d i n gt ot h en u c l e a rp o w e rh i g h - p r e s s u r ev e s s e lm a d eo ft w ok i n d so ft y p i c a l m a t e r i a l si n c o n e l6 9 0a l l o ya n d2 0 c r - 10 n i f o rt h ef a s tt i m e ，e x p l i c i t l yp r e s e n t e dt h e n e wi d e at h a tt h ef o r mo fa b r a s i v eb e l tw e a ra r em a d ef r o mb o mg r i n d i n ga b r a s i o na n d p a r t so fg r a i nb r o k e nw e a rw h e na b r a s i v eb e l tg r i n d sn u c l e a rp o w e rv e s s e lm a t e r i a l si n t o t h es t e a d yw e a rp e r i o d t h en e wi d e ap l a y sa ni m p o r t a n tr o l ei nc o r r e c tt m d e r s t a n d i n g t h en a t u r eo fa b r a s i v eg r a i nw e a ra n df o r m a t i o nm e c h a n i s mi nt h eh e a v ya b r a s i v eb e l t g r i n d i n gp r o c e s s 3 d e v e l o p e d m u l t i - f u n c t i o n h i g h - e f f i c i e n tg r i n d i n ga u t o m a t i o ne q u i p m e n t p r o t o t y p et og r i n dn u c l e a rp o w e rh i g h - p r e s s u r ev e s s e l ，c o m b i n e dw i t ht h er e l e v a n tu n i t s a n da u x i l i a r ye q u i p m e n t ，u s i n gc a d c a et om a k et h eg r i n d e rs y s t e m a t i cd e s i g na n d s t r u c t u r eo p t i m i z a t i o n a tt h es a m et i m e ，t oe n s u r et h en e wt y p eo fg r i n d i n ge q u i p m e n t c o m p l e xc o n t r o lf u n c t i o n s ，d e v e l o p e dt h en u m e r i c a lc o n t r o ls y s t e mf o rh i g h e f f i c i e n t h e a v ya b r a s i v eb e l tg r i n d i n ge q u i p m e n t t ol a yac o m p l e t eh a r d w a r eb a s i sf o rf o l l o w s t u d ym u l t i - a x i sh i g h - e f f i c i e n th e a v ya b r a s i v eb e l tg r i n d i n gb yi n t e l l i g e n tc o n t r 0 1 4 e s t a b l i s h e dt h en u c l e a rp o w e rv e s s e lm a t e r i a l sh i g h - e f f i c i e n th e a v ya b r a s i v e b e l tg r i n d i n gp r o c e s s i n gp a r a m e t e r sp r e d i c t i o nm o d e lb a s e do nb pn e u r a ln e t w o r kw i t h e m p h a s i so ng r i n d i n gp r o c e s s i n gp a r a m e t e r sp r e d i c t i o na n a l y s i so f t h ei n c o n e l6 9 0 a l l o y t h ed e v i a t i o nb e t w e e nt h ep r e d i c t e da n dm e a s u r e dr e s u l t so fa b r a s i v eb e l tg r a i ns i z e ， a b r a s i v eb e l tv e l o c i t y , 酣n d i n gh e a df e e dv e l o c i t ya n dg r i n d i n gh e a dp r e s s u r ea r ew i t h i n a na c c e p t a b l er a n g e ，g r e a t l yr e d u c e dt h eg r i n d e rd e b u gt i m ei ni n d u s t r i a lg r i n d i n gf i e l d t h ee s t a b l i s h m e n to fb pp r e d i c t i o nm o d e lh a si m p o r t a n tg u i d i n gs i g n i f i c a n c et os o l v e n u c l e a rp o w e rh i g h - p r e s s u r ev e s s e lg r i n d i n gf i e l da p p l i c a t i o n k e y w o r d s ：n u c l e a rp o w e rh i g h p r e s s u r ev e s s e l ，a b r a s i v e b e l tg r i n d i n g ，h e a v y g r i n d i n g ，g r i n d i n gm e c h a n i s m ，g r i n d i n gp e r f o r m a n c e i v j 憋 注释表 彳面积 a m 单颗磨粒作用在材料表面的磨痕断面面积 4 磨粒端部小平面面积。 口。磨削深度 口舶实际磨削深度 曰砂带宽度 吃磨削宽度 c 切除单位材料所耗成本 c 。临界阻尼 q 劳动成本和管理费用 d 接触轮直径 口驱动轮直径 见当量圆直径 口导轮直径 珥张紧轮和驱动轮之间的中心距 丸工件外径 p 偏心距；零件不平衡重心对转动轴线的剩余偏移量 ，张紧力 毋砂带的驱动拉力( 有效圆周力) c 法向磨削力 e 。滑擦停止，切削开始时法向力的临界值；不考虑砂带磨损情况的法向磨削力 z 切向磨削力 c o 不考虑砂带磨损情况的切向磨削力 振动频率，轴向窜动 z 轴向进给量 z 径向进给 g 重量 q 单位面积上的砂带重量 g ( x ) 磨粒沿砂带厚度方向的分布密度函数 峨邵氏橡胶硬度 ，电流密度 i x 一重壅奎兰堕主堂垡鲨茎 厶热功当量 以导电面积 k 弹性系数 疋磨削刚度 心比磨削能系数 上砂带周长 ，磨削长度 乞接触长度 电机功率；加工工件数 札砂带磨削的功率 虬接触面积上的磨粒总数 拧。驱动轮转速 工件转速 p 接触轮接触应力；静压力；超声频率交变力 尸( 6 ) 在深度为6 的切刃参与磨削活动的概率 q 热容量 q ，不平衡值 兄加工表面粗糙度( 轮廓算术平均偏差) 尼加工表面粗糙度( 显微不平度十点高度) 氐切向磨削力与法向磨削力之比值 勘磨削热传入工件的比例 t i 件温度 f 磨削时间 如砂带经济寿命 0 砂带有效寿命 单位切削形成能 单位耕犁能 玑比磨性能 单位滑擦能 圪工作电压 k 径向进给速度 圪砂带磨削速度 圪工件运动速度 形稳定磨损期间的磨损率 x 注释表 形磨损率 j 振幅 x 接触轮槽棱比 耳砂带有效寿命期内材料切除总量( 即累计材料切除量) z 开槽数 磊磨粒钝化速率 乙材料切除率 乞单位宽度材料切除率 q 砂带绕驱动轮的有效包角；接头砂带断面坡度 b 沟槽导角；砂带接头角 6 磨损高度；磨料磨损后的高度( 量) 6 。初期磨损高度( 量) 6 h 砂带厚度 e 切向力与切向力之比值 i l 机械效率 r l 。临界磨损面积 n 。磨损面积比率；切削刃比 i l 。磨削效率 人w 工件切除参数 剪切能传入工件的比例 | i 摩擦系数 。残余应力；标准偏差 o 。被磨材料屈服强度 o 。橡胶与金属粘结强度 ( 1 ) 角速度 工件系统固有频率 x i 学位论文独创性声明 文 研究 ，论 文中不包含其他人己经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同志对本研究 所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名 导师签名： 黝目 签字日期：33 、，2 ，乡 签字日期：参哆，z ， ，i e - | ，：。：参：；： s ，对同样的切深a p 。l 叫样的进给速度，小( 虚) 圆所需的压力要小， 由公式也町| 兑明问题，即 旷s f g p = s t g 专 b b l 圈中咿b ，冉滢触线s - s 。时，a p a p 。即对直径大小不同的接触轮旋加川 苹的 力，直径小者可以得到更大的切深。 一 削31 3 接触轮直径对接触面积的影响 f i g31 3 e f f e c t o f c o n t a c t w h e e ld i a m e t e r o f fc o i l t a c t a r e a 以卜是从切削理论角度柬确定接触轮直径。实际上，接触直径的选择还受到 其他些方而的限制如接触轮直径的大小还受整个工艺结构k 寸的限制，它包 括砂带规格，磨头允许占用的窄问以及主轴转速等条件，另外为保证砂带运行平 稳不跑偏、对中性岛的技术措施都是将张紧轮和驱动轮设计为中凸形，接触轮硬 度的选择为适应强力磨削我选择了 j 【f 氏硬度( h s ) 为6 5 的橡胶轮，橡胶接触轮硬 度越硬，切除率越大，反之越小，但轮的硬度太大也不好，它会加剧砂带磨损， 降低砂带的累秘切除艟，见恻31 4 所示。另外为加大材料击除率我这单选择了在 轮匕丌_ | 竹的方式，冈为接触轮的沟槽对砂带具有自锐作用这有利于磨粒以小问 的角度和丁件接触并切入t 件，可使砂带寿命巫长，切除能力也史强，见幽31 5 所示。同时，在抛光容器简体表丽时候我选掸4 5 h s 表面光滑的接触轮适j 蚓地光处 3 核电高压容器的新型强力高敛砂带磨自力l i 【装备的研制 理。设计的具体接触轮实物如图31 6 所示。 孳! p 7 目v 图31 4 接触轮硬度对材料去除率影响 f i g31 4 e f f e c t o f c o n t a c t w h e e lh 3 1 d n e s $ o n i i i a l e a lt e w i o v a lr a l c l ! i31 5 接触轮齿形对去除率影响 f i g ：31 5 e f f e c to f c a s t e l l a t e d0 呻雠1 w h e e l o nm a t e h a lr e m o v a l 呲e ，。? 1 ( a ) 平精掣( b ) 锯齿型( c ) x 锯齿型 图3 1 6 接触轮形式 f i g3 1 6 t h e f o r mo f o o n t a c t w h e e l 张譬轮、驱动轮的结构设计 强力磨头的张紧轮、驱动轮以铝、锅或铸铁等材料做成的，外部张紧的张紧轮 由铸铁制成，也可以外层做成橡胶，以增大摩擦减小轮缘表面与砂带的相对运 动，达到减小磨损的目的。对于整体金属材料的张紧轮和驱动轮沿其周向我开了 些沟槽，作为消气槽，具体如图31 7 所示。开梢后可避免砂带与轮接触时产生 蹩气现象，以免造成砂带局部起泡而影响寿命，或引起较大的运行噪音。 破胰大学肺i 学竹沦立 ) 1 】j 一 蚓31 7 张紧轮、驰动轮消7 ( 槽示意 f i g31 7 g e n e rs l o td i a g r a mo f t e n s i o n e r a n dd r i v i n g w h e e l 多功能强力砂带磨头其他功能部件的设计 多功能砂带磨头除具自丝本的驰础轮、张紧轮和接触轮外，还须有许多与磨 削戚戚删天的功能部件，这螳助能部件的合理设计或选择对砂带磨床的上作性能 亦有定的影响。例如，砂带张紧及抬刀机构影响加i ：辅助时间，影响总的效率： 胁跑偏机构影i 响砂带寿命及安全性等等。这监功能部件对于有效地实现强力砂带 磨削整个过程都是不可缺少的。廓头助能部件示意如罔31 8 所示 偏摆轮2 偏拦电机3 捕川气4 蚵h l b 机5 1 7 少带6 同转立捧7 支撑架8 同步带轮9 卡轴1 0 接触轮 l 刳31 8 多功能j f f 头功能部件珂 愈 f i g31 8 m u l t i f u n c t i o n a lb e l tg r i n d i n gh e a ds u b s y s t e m 3 饮电高压窬器的新窄强力高敛砂带麝 0 血：装备的研制 32s 磨削装备结构动态特性分析 枉完成该瓣削装稀的钥始设计以后为保i l ：了一衙效强力j f f 削豹低阶频率范凼 的精度，在商品化软件f f a n s y s 上建盘了帆眯檀机的有跟元模砷4 并对其进行 了动志特性的分析，并运用浚f e a 方法来进行结构的性能预测1 7 l ，判别薄弱环 节，提出设计修改方向和建议并用于 厂对磨n 装备结构故进设汁中。 下而将整机丰钉关结构柯限元分析和模态分析过摇发结构阐述如下： 整机相犬结构静力学有限元分析 在建奇相关重受f | ；件和靖削装备整机的实体模型并经过合理模型简化后，通 过定义了材料特性、蹦格划分、施加薮荷及边界条件之后进行有限冗求解，其计 算结果通过节点等效应力、节点结构总变形、尊元应力偏差等值线图加以直观反 映笄部件和镌机的心力及何移的分咖情况。 通过对横桨在滑板的极端位置处受力最大的极端情况分析为例此捌横粱左 端除所受廓头n 身的重力还有蘑头在极限位霄时候的丰f l 矩，并h 作用在横粱上 的埘剪麻力柬简化代替粟用5 0 m m 的s o l i d 4 5 单元is o l i d 9 5 单元。通过扫略 和r f 山划分结合的方式划分实体模型，横粱变彤, t 搏结粜如幽31 9 所示，其占：端 垃大变形位移为42 6 1 r a m ，横梁受力情况如| 璺| 32 0 所示，在i 。字滑板约束处的受 力为3 0 6 5 m p a ，计算结果均在设计要求范1 j 内。 ( 哆毋- _ _ - o = 。! 一 图31 9 横粱娈形云煳 f i g31 9 b e a md e f o r m a t i o nn c p h o 掣a m ，o ， 2 2 1 。? 。1 _ o 削32 0 横粱成力幽 f i g32 0 b e a ms u 髓s d i s t r i b u t i o nc h a n 保证强力麝削装备靠柱应力的均匀分靠，即使存在应力集中的情况，也尽t 4 能 的使其小于许用应力值，以确保磨削过程的安全性及磨削装备产品寿命。通过对 于立柱的受力午变形分析，根据嘲3 2 1 敷嘲3 2 2 的所示，可以看出，量朴根豁的 应力和变形较大，枉苴；际加工中可以通过增加筋扳的方式束改善两种状态的施 力均为超过许川鹰山值。 户 再从入学博 学位论文 ；i 。 青 n _ 槲3 2 i 立_ f = 变形云蚓 f i 9 3 2 ic o l u m n d e f o r m a t i o nn e p h o g r a m 蚓32 2 立 1 1 向力云削 f i g3 2 2 c o l u m ns t l i e $ s d i s t r i b u t i o nc h a r i 对该新型强力妙带蟛削装备进仃枷荚的静力学分析首先埘整机模型做台理 简化以便于计算，计以单儿尺寸1 0 0 ( m m ) 进行自“州格划分，施加与部件结构 分析相同的约束如在模型的磨头部分分别施加法向力和明向力，并考虑到大型 商效磨削装备本身自重所户= ，t 的影响，将横粱处在极限位胤添加约康并将约束 点的位胃设定为固定值，约束漆加如削32 3 所示。从整机变形忙移云图32 4 巾， 町以看出：柑比横梁的挠度，整机的磨头受力最大变形值比横粱最大变形值多 2i s m m ，从而对整机挠度的产隹较大影响，困此应垓改进磨头结构设计并提高支 撑板的刚度。 ! ：1 一二j - o o o 。o = r ? ，_ 凹32 3 粘机蛮体摸l o 约粜添加示意蝌32 4 舡机变彤云蚓 f i g3 2 3 i i ) u s t r a t i o n o f o v e r a l m o d e l sf i g3 2 4 d e f o r m a t i o nn e p h o g r a mo f o v e r a l m o d e l s 整机模惑分析分析 a 核电容器新型强力腑削装备结构的设计过程q 一，首先考虑的是结构的静强 度和剐度其结果难免会使磨削装备的局部结构存存小合理。麝削装备结构振动特 性的优劣对整个新型强力摩削装备的性能自晕要的影响，振动不仉可能造成新犁 似 _小 - ，：- 3 核电高压容器的新型强力高教砂带厝削加l ：装备的研制 强力磨削装备结构的疲劳破坏，还会产g 拱振和噪声，当所受激振力的频率与新型 磨削装各结构的某固有频率接近时，就l j 丁能引起结构共振，产生较高的动应力 造成结构强度破坏或产生不允许的大变形，破坏厝削装备性能。因此，具有足够的 刚度是新型强力磨削装备设计的基本要求，必须对该样机结构进行模态分析。 整机的模态分析将在两种状态下进行，即横粱位于立柱底部和横粱位_ 市柱的 极限位置，与静力学分析类似。整机的约束位置与忘柱的约束相同，属于求解约 束模态，下表是两种状态下前六阶计算的模态分析结果比较。 表3l 整机横态分析结果 t a b3 i m o d a la n a l y s i sr e s u l t s o f o v e r a l i m o d e l s 横粱位于立柱底部横桨位于立柱的极限证置 阶次撷率( h z )振型阶敞频率( h z )振型 11 8 8 1横粱y 方向摆动l】4 0 6横桨y 方向摆动 21 9 2 2 横粱z 方向摆功 2l9 1 i 横粱z 方向摆动 33 2 4 3路头y 方向摆动328 1 2磨头y 方向摆动 4 31 4 3磨头z 打向摆动432 5 5磨头z 方向摆动 51 0 2 1 3矗柱x 方向摆动582 7 3 立杜x 方向拦动 6 1 0 6 8 2矗柱z 方向摆动689 9 立杜z 冉向摆动 n 一 c ) _ i 阶振 一一一 d ) 四阶振型( e ) 再阶拒魁 ( oa 阶振喇 幽32 5 整机模态振玳幽( 横辩位下立杜底部) f i g32 5 m o d a lv i b r a l i o n m o d eg r a p h s o f c o m p l e t ea p p l i a n c e ( b e 帅i s l o c a t e d a t t h eb o l t o m o f c o l u m n ) 重庆大学博士学位论文 ( 1 ) 从固有频率的计算结果看，由于新型强力磨削装备结构十字架构型，所以横 梁在不同立柱位置自振频率数值非常相近； ( 2 ) 表中数据意味着当外部激励的频率接近表中数值时，有可能产生较大振幅， 使结构受到损害，因此可通过修改设计，改变整机振动出现的频率范围，以提高磨 床操作者的安全性； ( 3 ) 第1 阶固有振型反映了磨削装备横梁的横向水平振动，可由立柱驱动电机 起、制动等原因激励起振；第2 阶固有振型反映了磨削装备横梁的纵向水平振动， 可由磨头纵向移动电机起、制动等原因激励起振：第3 、4 、5 、6 阶固有振型反映 了磨头和立柱的横向、纵向、垂直方向摆动。 3 3 新型磨削装备控制系统设计 3 3 1 新型磨削装备控制系统总体方案设计 为实现多坐标联动磨削控制要求，保证可靠的插补精度，尤其是在六轴控制 中，数据运算量很大，可以利用p m a c 的附件双端口内存来完成数据的交互和高速 传输，因此我选择采用工业计算机p c + d e l t at a up m a c 运动控制卡+ s y n t r o n 森创交 流伺服电机的控制方式瞵。其总体结构框图如图3 2 6 示 图3 2 6 控制系统总体结构 f i g3 2 6o v e r a l ls t r u c t u r eo f t h ec o n t r o ls y s t e m 该磨削控制系统是以工业p c 机为中心，放射状的分出运动控制部分、逻辑控 制部分、驱动器状态监控部分和a d d a 部分四大模块。其中以运动控制部分，即 p m a c l 型运动控制卡控制各电机驱动器部分为最重要部分，工业p c 机通过p c i 3 核电高压容器的新型强力高效砂带磨削加工装备的研制 系统总线将人机交互软件控制系统计算出的指令传送给p m a c 卡进行插补计算和 运动控制，p m a c 卡输出各轴模拟速度指令给电机驱动器，而驱动器反馈编码器 信号给p m a c 。逻辑控制部分由p l c 完成，它接受伺服驱动器和p m a c 的状态反 馈，并结合其他逻辑开关量输入，在p c 机指令的指示下，计算逻辑输出给伺服驱 动器等，并反馈逻辑开关状态给p c 机。驱动器状态监控部分是指对电机驱动器参 数的监控，由于所选驱动器品牌的特点，只能通过串口进行监控和设置。另外该 控制系统还包括a d d a 模块，来完成模拟量的直接输入输出【8 2 】【8 3 1 。 ( d 硬件选型 采用了d e l t a t a u 公司的p m a c 多轴运动控制卡，并针对控制的电机轴数多和 数据量大的问题，分别选配了p m a c 附件中的附加4 轴通道和双端口内存，同时 选购了两块a c c s p 转接卡，电机选用s y n t r o n 森创的交流伺服电机及配套驱动器。 工控机为了满足控制系统的硬件需求( 包括内存需求、基本的c p u 运算速度 需求、显卡对f r a m e b u f f e r 技术的支持以及p c i 插口数量的要求) ，选择了a d v a n t e c h 研华公司的a w s 8 2 5 9 一体机，并配有p c a 6 0 0 3 主板，奔腾i i l 8 0 0 m h z 的c p u 等。 其他设备选择包括： 1 ) 模拟量的输入输出采用a d v a n t e c h 研华p c i l 7 1 1 多功能a d d a 卡； 2 ) 逻辑控制采用o m r o n 欧姆龙的c q m l h 系列p l c 控制； 3 ) 与伺服驱动器的通信利用r s 2 3 2 端口通过m o x a 的多串口卡跟工业p c 连 接。 电路设计 主要包括动力电路、p l c 逻辑电路、伺服电机和p m a c 连接电路三大主要部分， 具体如下： 1 ) 动力电路 动力电路包括电柜电路分为强动力电路、弱电开关逻辑控制电路和弱电器件供 电电路，电路简图如图3 2 7 所示。强动力电由于电机伺服驱动器的需要分为三相 2 2 0 v 和单相2 2 0 v 两部分；弱电开关逻辑控制电路有继电器和p l c 输入输出的 2 4 v 、p m a c 卡所需的正负1 2 v 两部分，另外还包括单独的2 4 v 的抱闸释放电源； 弱电器件供电电路主要为工控机、p l c 以及电源供电，采用单相2 2 0 v 电。 重庆大学博士学位论文 图3 2 7 动力电电路简图 f i g3 2 7c i r c u i td i a g r a mo f p o w e r 这部分电路还包括急停、上电、下电等开关的逻辑电路，这些开关通过控制自 锁的继电器和接触器完成总电路上电和断电的控制，在图3 2 7 中可以看到。 2 ) p l c 逻辑电路 p l c 逻辑电路主要控制系统的使能、抱闸、回零和限位等的逻辑控制顺序，并 与p c 机进行交互，p l c 的连接框图可由图3 2 8 来表示。 图3 2 8p l c 连接 f i g3 2 8p l cc o n n e c t i o n 6 0 3 核电高压容器的新型强力高效砂带磨削加工装备的研制 3 ) p m a c 卡和电机接线 对于p m a c 卡部分，采用p c i 插槽的p m a c l 型板卡，因此，它与p c 机之间 的通讯可以通过p c i 总线完成【8 3 】。而p m a c 与电机伺服的连接，需要通过排线连 接a c c 8 p 转接卡与电控柜电路相连。p m a c 主要输入输出信号包括电机模拟速度 指令信号输出，增量式旋转编码器信号输入，限位回零信号以及供电线路，这里 要注意，p m a c 输出给电机驱动器的模拟量地必须和p m a c 输入输出电源的模拟 量地相同，不然无法保证输出模拟量信号的准确性，具体连接如图3 2 9 示意所示。 a l 一a o !aw c h “e 呐 c c l m x 舞$ e r v o 激 。办n o x 。诹。 嘲 u s p “v !ch8l v 啪 飓w a 翻 c h c * i 冲 o 帕t l p m a g 2 v ，c 1 “d c a - 4 2 vj ”s o u 嘲 ia岫 、n o 黾气气 三 号尊 色 ： “ 图3 2 9p m a c 卡和电机连接示意 f i g3 2 9s c h e m a t i cp l a nc o n n e c t e dp m a cc a r da n de l e c t r i c a lm o t o r 3 3 2 新型磨削装备的控制系统软件设计 该磨削装备的控制系统软件分为两大部分：控制系统，硬件及板卡驱动程序模 块，构建好的磨削控制系统结构如图3 3 0 所示。 图3 3 0 控制系统硬件结构 f 谵3 3 0h a r d w a r es t r u c t u r eo f c o n l r o ls y s t e m 6 1 重庆大学博士学位论文 控制系统的总体功能设计 设计的磨削控制系统功能结构以总控模块为核心，控制诸多子功能的调度【州 p 引，如图3 3 1 所示，具体包括： a 、人机界面管理模块。包括人机对话，刀具轨迹仿真和加工状态实时显示等 子模块； b 、预处理模块。包括n c 代码获取，刀位轨迹、速度、加速度规划，刀位补 偿，插补计算等子模块，最后生成内部指令： c 、指令解释执行模块。完成内部指令的分析和执行，它完成对轴控制模块， 辅助控制模块和控制面板管理模块的协调，具体包括用于多轴控制的p m a c 运动 程序生成，p m a c 通讯管理等子模块