（机械制造及其自动化专业论文）前混合磨料射流数控切割系统设计及切割参数的研究.pdf

摘要 本文以前混合磨料射流数控系统为研究方向，详细沦述了数控系统总体方 案。剥数控系统中的硬件部分进行了设计和研究，从理论上叙述了数控系统的 控制软件。在对前混合磨料射流的相关机理进行研究基础上，重点阐述了前混 食磨料射流切割脆性材料和塑性材料时的切割机理，对前混合磨料射流切割技 术的推广和应用提供了理论支持。同时，本文采用理论与经验相结合的方法， 将切割深度同前混合磨料射流截面内部能量分布联系起来，建立了前混合磨料 射流切割参数方程。通过实验获得了有关数据，并采用高斯算法，推导出在实 验条件下，钢板切割深度的参数方程。 关键词：前混合磨料荆流；数控系统；切割机理；高斯；切割参数方程 a b s t r a c t l h ep a p e ra t t a c h e sm u c hi m p o r t a n c et ot h en u m e r i c a lc o n t r o ls y s t e mo ft h e p r e m i x e da b r a s i v ej e ta n dd i s c u s s e st h eo v e r a l lp r o j e c ti n t h en u m e r i c a lc o n t r o l s y s t e mi nd e t a i l t h ep a p e rd e s i g n sa n ds t u d i e st h eh a r d w a r ep a r ti nt h en u m e r i c a l c o n t r o ls y s t e ma sw e l la sd e s c r i b e st h ec o n t r o ls o f t w a r eo ft h en u m e r i c a lc o n t r o l s y s t e mt h e o r e t i c a l l y b a s e do i lp r e c e d i n gt h er e l a t e dm e c h a n i s mo ft h ep r e m i x e da b r a s i v ej e t ， t h ep a p e re x p a t i a t e st h em e c h a n i s mo ft h ep r e m i x e da b r a s i v ej e ti nc u t t i n gt h ep l a s t i c m a t e r i a la n dt h ep l a s t i c i t ym a t e r i a l t h i sp r o v i d e st h et h e o r ys u p p o r tf o rt h e e x p a n s i o na n da p p l i c a t i o no ft h ep r e m i x e da b r a s i v ej e t a tt h es a m et i m e ，t h ep a p e r c o m b i n e st h e o r yw i t hp r a c t i c ea n dl i n k st h ec u t t i n gd e p t hw i t ht h e s p a t i a l d i s t r i b u t i o no fp o w e rd e n s i t yi n s i d et h ep r e m i x e da b r a s i v ej e t ，a n dt h e no f f e r sa c u t t i n gp a r a m e t r i ce q u a t i o na b o u tt h ep r e m i x e da b r a s i v ej e t w i t ht h er e l e v a n td a t a b yt h ee x p e r i m e n ta n dg a u s s sa l g o r i t h m ，t h ep a p e rd e d u c e sac u t t i n gp a r a m e t e r e q u a t i o na b o u tt h ed e p t ho f t h es t e e lp l a t ei nt h ee x p e r i m e n t k e yw o r d s ：p r e m i x e da b r a s i v ej e h n u m e r i c a lc o n t r o ls y s t e m c u t t i n g m e c h a n i s mg a u s sp a r a m e t e re q u a t i o nf o rc u t t i n g 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 方以外，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 含为获得塞徽堡三盍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。 学位论文作者签名：为吁签字日期：西年r 月河日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解塞微堡王太堂有保留、使用学 位论文的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单 位属于安徽理工大学。学校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。本人授权塞徽堡王 大学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：冬吁 导师签名 j 侈尊杉 签字日期：以年r 月西日签字日期：西年期硝滔 藏爨台瘀蛰瓣滚数控韬裁系统设许及切割参数强究 第一章绪论 1 1国内夕| 、研究概况及发麟趋势 很久以前，人们就认识划水的威力，“水滴石穿”即是人类经潋长期观察樗 出的结论。在工程中，水的冲蚀作用随处可见。例如，高速飞行器穿越雨区时， 公受赘东滚懿游毒。这磐臻黎癌发了入翻对毫压承瓣漉黪骚究霸瘛蘧。 最早人们j l 利刚7 k 甜瀛做一些破碎的糨加工，如成功地利用水射流采煤。 1 9 世纪中叶，在北美洲第次使用了商膳水射流丌浆q 固结的矿床。本世纪5 0 年代初，苏联嗣我国的水力采煤就是利周水射流的冲击和输送作耀。随着水力 采煤技术静撵j “，天弱嚣娥砖离歪隶鸯孛浚援求产生了兴趣。1 9 7 2 年，麦卡褥公 司制造并安装了第一台商聪水射流设备。高压水射流技术既能切割软材料如木 材和皮革，也能切割硬材料如花岗岩和大理石等建筑材料。 经过多每鼹发展，高愿水射流( w a t e rj e t ) 切割技术和没每商了长足进步， 葵波嗣遮及工渡生产稻入鞋j 生添各个方镒，辅如涛浚、除锈、皱璐、锈蘩、镰 孔、降尘等领域。目前已有3 0 0 0 多套高腥水射流切割设备在数十个国家几十个 行业应用，尤矮是在航天航空、舰船、攀工、核能等商、尖、难领域更显优势， 瓣蘧承暂流( w a t e rj e t ) 1 切裁没备在各鬻靛盛矮年增妖率趣过2 e 。诤多大学、 公司和工厂+ 竞稽在这个领域进行开发鞫研究。耨愚维、新理论、断技术不断涌 观。 为了改善离压水射流技术对物料的切割效果，备国研究人员进行了大量的 戮变。摆继凄瑗了躲跨袈滚、空证象浚、摆强瓣滚、共振辩漉、聚戆藜滚窝瘸 举 射流( a b r a s i v ew a t e rj e t ) 等新的射流技术尤戬黪料射流技术发展最为迅遮。 磨料射流技术是在二十世纪8 0 年代中期发展起米的，具有许多独特的优点， 出予磨料射流技术是以窝联水射流为载体，将磨料粒子与永射溅混合加速后实 筏黠秘懿懿 睾磺，滏筵它辩锡瓣戆羚毒力移塞聚力簧跑高压缝窳辩滚大褥多， 猩同等工作祭件下，系统需鬻的工作压力也远远小于纯水射流的服力。 磨料射流按水与磨料的混合方式可分为后混合式磨料射流和前混合式磨料 瓣瀛嚣秘类裂。 盾潺合式瓣瓣襄幸滤系统舔瑾翔图l l 藩示。离聪窳放喷臻囔爨，箕辘商速 度很高，靠抽吸作用吸入的磨料很难谶入射流的中心弁仁分，射流能量的利用率 锻低，磨料得不到很好的加速，且与水的混合效果较差，这种磨料射流的使用 压力壤裹，射浚熬能量表褥剿克分的发撵。铡如在切测金属霹识嚣2 0 0 l p a 以上 的魇力，这靛限制了其应用范围。 根据后混合磨料射流技术的工作原理，美国首先研制了第一裔商业用途的 麟料射流切割机器，并在美陶投入使用。该机器有进给速度快、切割质量好、 前溺台蘑料射流数控切割系统设计投切割参数研究 可切割树料厚度大铃优点。 鞫1 - 1嚣游合式壤辩莺于瀛系统辗理謦 l 斟内外己有许多生产厂家利用后混合磨料射流技术、数控技术和 c a d c a m 技术成功缝开发出癌瓣射滚数控举露、数控蘑徕及麓王中，捡。溪终 的厂家镪括荚鬻酌转壬 r 有限责任公司、美翟豹t e c h n i c u t 公司和j e t e d g e 公司；图内的生产厂家有广州华臻机械设备脊限公司和南求大地水刀有限公司 等。为丁推广后混合腾料射流技术的应用，研究人员对磨料粒子的加速机理、 喷嘴缝枣对封滚鼹影骥、套穆参数( 魏工终题力、流量、鼗鼯、送绘速瘦、瘗 辩) 对切韵或清洗瞧缝的影晌、不同材质的切副祝理进行形f 究，并获得了不少 成果。 由于后混合磨料射流具有很离的轴向速度，而磨料粒子进入混合室时速度 疆蠹蠢，瓣嚣瘗辩粒予蘧渡送入裂黎浚懿中心赘分，霉致强帮效率较纛，羚盈察 易导致堵塞。为了提高切割效率，降低泵压人们又提出了前混合式癌料射流。 r 。 t 篡卜 1 一黼雁泵2 一单向阀3 一磨料罐4 供砂阀s 一雁力表 6 一喷嘴 7 一溉台室8 一越流阀9 一安全阀 圈1 2 襄蓍溅台式塞瓣蔚溅系统鹜 翦淹合蹬辩懿藏数控甥副窳统设谤及静j 粼参数研究 1 9 8 2 年安徽理工大学高压水射流研究所刘本囊教授等人，酋先设计出了 静混合式磨料射流试验台1 7 1 ，如图l 一2 所示，其工作特点是：从浆站出来的离 暴隶，一羧遴径褒瓣疆蕊童都；一羧逶经混合室。蠲达塞秘疆主帮懿毫压承， 由于磨料向下流的速度很陵，因此基本：以静压形式作用在磨料上，磨料在静 水压力和白重的联合作用下通过供料阀进入混合宣。经节流阀流入混合室的高 原水流，在混合室与磨料均匀混合后，经管路至磨料喷嘴喷出，形成具有极离 逸菠兹密瓣簸予流一褒瓣袈流强l 9 1 “。蘑瓣供给量逶遗供辩闲避锷 l 霉繁。与缝 水射流相比，磨料射流将绒水射流对物料的静压连续作用改变为膳料粒子流对 物料的高频撞击与冲蚀作用，其作用效果大为改观。前混合磨料射流与届混合 瘸翱射流楣比，因磨料与墩混合豹均匀、充分、磨料粒子豹加速对闻长、获褥 瀚能量赢、对耢辩翡俘甬效莱雯鸯蟊突爨，馥萁工佟舔力可瑷大大洚 琏。试验表 明，对同样的物体进行切剐绒除锈，前混合磨料射流所需的工作聪力仅为后混 台摩料射流工作压力的l 7 l i o 。如袭l l 所示，在相同的切割条件下，时 溅畲壤撼射流掰嚣的工作压力要低 勺多。 表i l翦滢台式磨辩射流与纯瘩辩流和后溃台式瘸辩射流留割特髓静对玩裘 i 眶力( m p a )纯水射流后混合磨料射流前混合磨料射流 f切割钢板 l ( 韬深2 0 猫 n 7 0 03 5 03 5 钢板除锈 1 5 07 5 1 0 但是图1 2 的系统邂很不完善，该系统存在一个明显的缺点，随着磨料磁 肉嬷辩的减少，其流动阻力拔少，流量增大，造成射流中磨料浓度不凝增大， 不麓实珑蘩鞭鼢臻匀供给。 1 9 8 2 年，英国b h r a ( 藻囡流体力学研究协会) 也同时研制出了引射注入式前 混含磨料射流系统，如图l 3 所示。供麟料装鼹主黉出高压磨料罐、引射器、 按澍耀穗攥窳系统等组成。铁裹惩泵趱激熬毫压拳分为三毁：一黢瘩经阕阙嚣 蹲经节流阂适到离压磨料罐的顶端，对瓣辩产生一个向下压注静疆压力；一般 水到闸阔后缀节流阀通往高压磨料罐的锥底部，使麟料流态化，以便注入到高 压水管路中去；另一股水经节流阀至引射器。三股水的流量出各支路上的节流 溺柬溺节。蘸趱承姨雩l 袈嚣骥出对，导敲混合室麴暴力簿稳，嚣瓣，瘗褥疆锻 底处被流态他的摩料，在上丽的压力作用下注入引射嚣的混合室，并被卷入到 高速水流中，与水均匀混合，夹带着磨料的高速水经输送管道至磨料喷嘴，缀 瓣料喷i 嬲喷出，形成翦混食糖料射流。 夫羹静试验表餮，上述谣耱蓊潺合焱藏瓣瓣流系绕都存在蕾瓣瓣供绘不均 匀的问题。磨料罐上方的供水系统，不可能实现磨料的均匀供给。磨料供给囊 不仅与时间有关，而且与磨料罐内的装料量有关。邀是由于：在系统开始工作 前混合磨料射流数控叨割系统漫计及切割参数研究 之前磨料罐内的磨料处于静压状念，速度为零。当射流开始喷射之后，磨料 罐内的磨料在上下压差的作用开始作加速流动，很快就达到一个相对稳定的给 料量，这就是磨料供料供给的启动过程。磨料罐中的磨料量越多，这个启动过 程就越长。随后，由于磨料罐中磨料量的减小，其流动阻力逐步减小，流入到 磨料罐内的水流昂：增加。磨判供给最也就不断增大。 一= “【“ 卜一 _ ：。i _ l ：4 一”j 一， l 厂7 c 4 j ：。l 。 4 l 一水箱；2 一高胜泵；3 一压力表：4 一节流阀： 5 一引射器；6 一闸阀 7 一流最计；8 一单向阐：9 一安会阀；l o 一磨料罐： 1 1 一喷嘴 图1 3引射注入式前混合磨料射流系统 基于上述思想，设计出圈1 4 所示新型前混合式磨料射流系统。其主要改 进是取消磨料罐上方的高压水进口，从根本上改变了磨料供给原理。磨料罐完 全脱离了流路，其内部各点压力的差异仅是由高度差造成的静水力压力。也就 l 一高压泵：2 一截止阎：3 一节流阀 4 一喷嘴；5 一磨料罐；6 一混合腔 图1 4 新型的磨料供给系统 是说，磨料间隙内的流体所承受的压力梯度恒定，为p g ，并在( _ p + 一o ) g 作用 下作向上渗流运动与磨料罐内的磨料的高度无关( p + 是磨料与水的混合密 囊 _ _ 谆刽 藩澎台蘑瓣辩筑数控切割系统蹬及铭嗣参数磺究 度) 。换句话说，磨判罐内的磨料量的黟少并不会对磨料产生影响。 丽混合式滕料射流切割与后混合式磨料射流切割相比，具有射流压力低： 动力溃耗少，鬈缓簿肇霹纛，藏奉低等臻点，困魏雯鸯裁于接广疲建。鑫予毳誊 溉合磨料射流具有品质好、效率商和能髓低等特点因此近年来这项技术褥 刹了k 足的发腿。 前混合磨料射流是安徽理工大学机械系高压水射流研究所的专利技术( 发 骥专羁号：8 8 1 0 9 1 4 9 。9 ) 。经不鞭努力，毽蓊毫墓零上瓣凌了舞瓣戆浚集、薅分 及灌装等配套技术i 3 题，使该项技术具备了实用性1 5 i1 6 】。前混台磨料射流技术 怒近年来引人关注的种新型射流技术，但由于前混含磨料射流技术的切割机 溅秘过程还没肖被人们所宠全了解，使这项新技术 。潜力碍不到充分地发挥， 穗影溺了巍l 酾应用藉暴。瓣舔本文姆馥藏混台蘑耱瓣流数控弼澍_ 秘床秀基磷。 税这一领域谶行深入的研究，以进一步推动这项目的产业化，使这一新产晶 早日能走向备行各业 i 1 2 1 1 3 1 1 4 1 。 2 蘑搴萼麓流羧术酌疲焉瓣获 麝剩划流切割技术具村商能、冷态、点切割的特点，对材料麒有极强的冲 蚀作用，它可以切割几乎所有金属材料、非会属材料和复合材料川2 1 1 3 j ，磨料 瓣泼穗割鼓零与传绞瓣飙城鸯h 王技术、火焰韬裁按拳以及近年发鼹瓣等离子秘 激光切裁技术对磁，有班下独特的优点： ( 1 ) 磨料射流是一种非热源的高能量射流束加工技术。出于水的冷却作用， 被加工材料的潺升很小，不会产生热应力，一般不会改变材料的力学、物理和 魏擎夔薤。 ( 2 ) 加工藤爨商，切口端掰平整、光洁、垂直。 ( 3 ) 磨料射流的喷嘴直径为1 2 2 5 黼，切口宽度较小，有利于提高材料的 利用率 ( 4 ) 翻工辩辩鞯境无污染，安全牲囊。蒸辩瓣滚热王不产生鸯毒气薅帮耪尘， 并可在油、气危险作业区内安全切割加工。 ( 5 ) 加工时反作用力小。工件装夹简单或不需夹紧，有利于缩短辅助加工时 潮，提岗生产效率。 譬藩夭类融知秘耩静静樊越过了5 0 0 0 0 耱，灌羲瓣学援术及褥瓣秘学麓不 断发展，材料的种类还在j 热速地增加，而且多数新材料都是人工合成的，科学 家设计专门的新材料以获得特定的性能，来满足社会的需求。许多新村料的组 艘元素聱多予一耪，爨魏壤予臻砖统熬方法蕊王，铡妻籍金矮合戏纾维。羁裁蠛 群各国都强调程工厂、大学和研究枫芙之闻期强合佟莘拜加快发矮掰材辩领域懿 i 挂展。新材料领域的迅猛发展使得制造嫩面临新的挑战，针对种必繁多的新材 料，发展现礴赍勺加工技术戒全新的加工技术已成为必然。磨料射流切割技术很 藏嚣金藏辩越滤鼗控坜剡系统波嚣吸韬寿g 参数礤宠 好地符合了遮4 趋势。 摩料别流切割技术适合切割热敏、愿敏、脆性、嬲性和复合材料。在汽车、 飞雾l 割造盘中，翅宅翅裁玻璃镪、簇纾绦等复合耪耱，疑霹竣爱遗缘整齐燕漆， 又不会造成粉曩兰污染；在化工、石油行渡，用它留副有陶瓷衬鼙的钢管，既不 会破坏陶瓷衬腿，又不会引起火患：用它切割金属板村，不会破坏表面镀层。 不会产主应力变形；当用它切割塑料薄膜时，多层摞在一起不会商牯连；切割 玻璃、石褪等矮耱秘秘露，港藤数控控麓落嫠跨线纂l 骥房，爨l 可戳糖确建穑割 各种形状，并授臻求拼成嚣种复杂图形，这己广泛用予装饰行业中。 磨料射流加工技术适合与数控技术柏结合，又有环保上的优瓣，近年来， 它避成为新兴的特种加工技术中发展最快的产业之一。8 0 年代中期，瘗料射流 韬裁菠蘩己形成产赫，1 9 9 3 年我鹜溪蠢繁一台嚣混食渣瓣瓣流设餐耢裁成臻。 i i l 于縻料射流切割技术对于某些材料切割的特殊优势例如钛台会、芳纶 ( k e v l a r ) 等，它是这些材料的最佳切割方法，甚至赵唯的切割手段，因此摩 糕射流鞠割技术在靛空、航天部门得到广泛地采用。 表；蕊娃疆怒磨辩辩流技本绱另一个主鬟掰途之一f 1 5 豫截，这令方藩往 羔 被我们忽视，诋是因为传统的喷砂表面处理技术的粉尘污染，使磨料射流表面 处理技术异军突起，无论对新旧钢板都适用。而且磨料射流除锈工芑的发展已 经捷褥鞠关瓠潦残熟。 1 3 课题来源 本课题来源于导师张东遴教授的安徽省自然科学撼金项目( 磨料射流冷切 割藏鼙援拳熬骖究) 帮援城系翊力红戮教授瓣安徽签教寅孑自然零墨学基袅矮嚣 ( = 维数控前溉合磨料射流仍割技术的研究与开发) 本课题是这两个项目研究 中的部分内容。 作者在项蹰中以前混合麟料射流的切割技术为研究方向，探讨新型豹磨1 辩 瓣浚秘翁技零鹃波焉、窃裁撬疆雾鳙惑瓣藿疆参数。零文是终蠹缝台上述漾嚣 进行研究的理论成果和工作总结。 。4 漂题磺究童要内容及意义 + 4 。 漂驻酶生葵悫饔： ( 1 ) 对前混禽磨料射流切割系统进行研究，使之可以在平面上进行二维数控 切割。 2 ) 鼹懿混合癌粉射藏裁甥粼氯理、甥裁芏艺参数等逡学疆究；黪扶切割能 耗及叨割效搴等方面送行分析。 ( 3 ) 在非淹没状态下。喷射压力、流擞、喷嘴直径、喷射靶距、横移速度、 联料浓度、魔料品质等参数将影响各种材料的切割效果及切割能糕。本文通过 6 前溉台摩料射流数控切割系统殴讨殿切荆参数研究 叨割性能的实验，对切割的基础参数中的喷射压力及横移逡度进行研究鞠分析 瑟羹镪参数寿德a _ i 褥专门簪 究。 1 4 2 课题研究的意义： ( 1 ) 在实际应用i = p ，水射流切割技术具有广泛的用途且缎大的潜力，以施温 会囊翳辩漉韬裁数羧技术秀疆变方彝，探讨耨麓豹瘗矮菇滚秘裁技零鹣数控方 法，以假进该技术的产q k 化1 二程。 ( 2 ) 本文针对前混合糜料射流探讨其切割机理对前混合鹰料射流切割技术 的推广皮j i 提供了理论指导。 3 ) 对翦混合落籽射流麓囊割蘩确参数遴 亍研究，搀警爨薷莓混台露辩射流切 割参数方程。陔参数方程为前混合腑料射流的生产、工艺和科研提供了依据。 荔滗台蹙$ l 渡数控绣剿系统澄诗及甥潮参数辑究 2 1 前混合摩料射流发生装置的设计 2 1 1 发生装覆应具有的功能 蒺誊毒瓣浚笈玺装置跫坊裁撬庆酌攘心技术瑟在( 免强2 3 ) 。蘩令装嚣囱纛 料罐、局部浆化及浓度控制装鬣、革向分流管路、黪料截止阀以及混合腔等组 成。该装置具有以下功能： 图2 一磨料射 流袭懋装置 ( 1 ) 该装置可以在低于4 0 m p a 工作压力的范围之内， 使赢瓜罐内鹣露糕稳定、均匀、流杨壤送入滢台茨， 并与高压水充分混合形成液同两相流。 ( 2 ) 谁常工作时，磨料不会沉积在混合腚至喷嘴之m 静管道巾。 ( 3 ) 舞耱静毒 ! 绘量( 磨瓣浓浚) 哥瑷方穗缝送行灞节、 控制。 ( 4 ) 可以随时黻止磨料形成纯水射流。 ( 5 ) 其有一定麴容积，可绦涯一定豹述续往业时间。 瘗髓蘧袋蠲离亟容器专l 厂家生产静蓄靛嚣 外壳，材料为3 5 c r m o ，容积为1 0 0 升。罐口采用 热滚一次成魁工艺，没商焊封，耐压强度高。磨料 罐豹藏郝没诗累弱了缀溷缝秘，将黪精浓度调节 阀、磨料截止阔以及旁路阀等各薜功能的阀集予一 体，便于装配和盟换。 2 1 2 磨料的涟入及浓度调带 舞何在裹毯状惫下将纛凝罐蠹魏蘑凝注入系统熬管路中著戆怼戆籽粒注入 蘼进行调控蹙形成前混合脯料射流的关键。对此采用了局部浆他的方法。首先， 从廊料罐底部通过分流管路引入部分高压水进入罐内的局部浆化靛管，与罐底 粼的磨料进行濑台；由此形成磨料与水的塌郝浆化。幽于磨料粒予的比重较大， 穆在罐痰 乍蠢下泷海运馥，褥承鞠逶过瓣褥粒子之瓣豹窆豫蠢上 肇渗流运囊， 两脊之间的体积流量相同。向下运动的磨料将进入混合腔与主回路的高压水再 次混合，形成一定浓度的麟料与水介质的两相流，并在管内流动的过程中进一 步宠成壤籽与水的混合。 磨謇幸浓凌的调节是稳瘸节流阀调整主豳路帮分流管潞静零豹流鏊篦来实蕊 的。分流管路巾水流量的多少决定了磨料浓度的大小。为防止刁i 二( = 作时磨料罐 内的水或磨料从分流管路中返流，在分流管路上设鼹u 单向阀，形成单向分流 水憝；这群可以像涯箨泵嚣爨动裁出分流农路。 2 ，1 3 卸压装鬟酌设计 由于磨料罐是一密闭的高压容器，游工作前罐内存留空气，在工作时存留 的空气将受到愿缩从而储存大量的压力熊，系统停l l 二工作后这些压缩空气将膨 9 蓥堡垒篓篓墼鎏墼堡望黧壅篓篓茎墨望墅叁墼鉴塞 胀成为新的动力源。这一方丽会使磨料罐长期处于离压状态，另方面会对麟 料罐上箨种阀的操作带来不便，使密封件损伤造成密封失效。为此从磨料罐顶 襻0 l 崮一手魂鼯疆装置，当窟葫亵莲承蒙建罐蠹注隶瓣，开寝手凌秘压装饕； 在卸压装簧出水后即可关闭，此时寝明罐内已无存南空气。 试验表明：所没计的廉料射流发生装置可随时谰制出浓度合适、供给均匀 的蘑料浆液，井可将磨料浆液通过高压胶管输送至喷嘴，经喷嘴加速惹喷出形 艘蘸鞋瓣滚。 2 2 淹没式筛分装置的设计 戆分装鼹躲功用足将疑割_ 二锻：时所羽的藏料进萼予筛分、存德，供灌装使用。 薅分装黉匏浚泞应满足三点鏊本要求； ( i ) 能够对膳料进行严格的筛分过滤，确保可复_ = 付磨料内不能夹带较大的颗 粒杂质，已防工作时堵塞喷嘴。 ( 2 ) 麓对濑瀑的瘗料避行筛分，这撵溪以盏接复臻赎辩出载磨料，减羝切裁 成奉。 ( 3 ) 要有一定的筛分效率，能满足正常工作时对磨料量的需求。 为满足可埘潮湿磨料进行高效、严格筛分的要求，采用了淹没湿式筛分方 式。薅嬲瑟嚣于承中，爨熬瓣挂复运动越蟋赣：减速嚣减速嚣荣动熬旗港块爨擒 束实现。筛校的往复次数强考虑筛分效率和动载荷大小等困素的情况下，根掭 多次试验的结柴，选取为2 4 次秒。根据以往多次的实验测定，鲋于一定的喷 嘴巍径d 。麟料的粒径约为d 1 3 时即可保证正常喷射时磨料不会堵塞喷嘴。幽 魏哥竣定毒终瓣藐径貔大小，梵懿爨下黪瓣豹粒经一般缘咖予d 3 。 筛分装鬣外观如一方形漏斗，筛梃廉在滚轮辅上，筛框的底部为不锈钢的 筛网。筛网以一定的深度淹没在水中，以保证能够娥行湿式筛分。斗内的水位 礴鹰用溢流翻控制。为防业杂物落入筛砂斗内，在赡分装嚣的顶鄢设置了防护 攀，筛分露只嚣将褥稼势瓣癣瓣送入魏轳犟静鸯器辩疆辩霹傈 歪豁部杂籍不藩入 筛砂斗内。 2 3 瘗褥灌装系绞憨设计 2 ，3 1 灌装方法的研究 由图2 1 町知，磨料罐本身是一个与系统压力相同的高压容器。在一定的 聪力下，磨料罐的壁厚与赢径成正比，因而为了制嫩方便，其容积的大小一般 不建瑷减鬟镣嚣采舞壤躐悫痉寒实瑷。为了增热撵北辩阕，黪瓣罐兹裹度不 能太小，但商度的增加使褥人工装辩十分困难。同时，考虑副离聪容器使用安 全的原因，戴顶部的装料朋也不能太大，这样，采用般的诸如螺旋式输送机、 弹簧输送机等机械进行磨料的装加，其装料效率很低。再则，在罐磨料用完 0 兹灌台瘗辩瓣瀛数茬翅裁系统瑷 及留划参鼗矮究 聪，罐内充满了水，如直接采用机械的方法装料，罐内的水必然外溢给装加麟 料造成困难。针对上述情况，经研究和多次实验，决定采用浆体灌装方式来实 残壤瓣蕊装秘。秘先鼗蘩瓣与拳浚裁残浆蒋，凌砂浆聚涛浆毒摹辕遴至瘗粒罐溪 部，通过一中心管注入罐内，浆体存罐内的上部利用臼重将水与磨料分离，磨 料下沉分离出来的载带水通过另一通道溢出，返【圃磨料斗中对臌料再次进行 浆化，从而形成， ：式循环翘路豹浆体输送、分离的系统。灌装系统运行时，在 瘀耱薯秘密鼹疆之瓣髟袋承与蠹瓣的位嚣交接。 2 3 2 主要结构设计 为了便予操作，将濑黻装胃与筛分裟置组合谯一起，形成了筛分与灌敞 装爨，该装嚣桷，e 部可实现糖分磨料黝功能，下部w 实现灌装骚糕的功能，织 聪套装霞可醴分巅苹耱运行。 使采用静水浆化是摩料灌装系统的技术创新点。在进行浆化时，无需在磨 料斗内进行动力搅拌，仅设立导水管，借助砂浆浆的抽吸作用，便可进行自 麓巍浆，囊浓度可调。为貉皮输送管路壤塞，在薅辩嗣下部设嚣一瑟逶蓉与工 作台撩连，利用工俸台内静存永，在砂浆泵扇魂或停止时清洗蛰邋。连接磨耩 q 出厂 和砂浆浆入口的是专门设计的水。砂输送两用阀。此闽为两位三通转 阀，阀的工位有两个，一能为供砂位，用于向砂浆裂供放砂浆：男位为供放 瀵承篷，曩撵漾装系统静瀵理。该阕黠承要毒一定驰整嚣健，瞧又是灌装装鬟 与筛分装置的连接部件，强设计上有定的难度。通过几次结构改透，成霸蛾 克服了阀芯易被磨料颗粒研住，转动困难的问题，使用情况良好。 在进行喷射b 寸，磨料罐承受压力，浠要在灌装镣路上安装截j 匕阑( 往返舒 爨鑫一) 鼹辍将罐内戆褰藤与癸赛豹低藤透露疆寒。该藏壹藤要浓在截丘菝态 时能承受商膳，低压导通时能输送砂浆，既要有密掰性又要有耐黪性。研究缡 聚采用了角式滑阀结构形式，通路的高臌端安排在阀芯的径向方向，且阀芯为 冤轴璃形式。因此，阕在美潮( 即截止状态) 对，闽巷不受径向釉轴岛液压力。 为减少操佟露闽，润蕊匏遮秘采矮了黢燕螺绞。设计麓定，我阙在蘑瓣罐鄄藤 后进行操作。 2 4 甥裁t 譬套 切割梳滤箱翡留截乎卺楚喷头移鞠翡龙门式络稿，工佟念箍的尺寸海 1 2 0 0 m m 1 2 0 0 r a m 。工件围定在工作台上，喷头在横向导轨上移动，横向导轨 两端架在两条纵向导轨上，该结构受力较好，横梁跨距较大，工作平稳，承栽 黪力好，哥戳锈誊重羹工移。 2 ，4 1视黎 机架用于擞撑y 向导向机构、传动机构和y 轴电机润整机构，保证之问的 棚对位霄，以实现横梁在避动过程中稳定的进给运幼。它主要出机架体、直线 兹援含鬻辩瓣漉数燕甥剡豢绞瑗诗及甥剿参数骚究 姆轨副、滚珠趱杠传动系统、机床调节机构、机架防护部分等缎成。机架体是 二维数控平台的基础机构，承载着机床的所有重量：机架体下面连接着机床调 繁爹稳，翅以瀵苇辊疼整嚣翘东乎；瓿繁俸土嚣边有蠲予安装囊线导孰瑙零羹滚 珠照枉传动系统的一对安鼗菰，以保证熊相对平行震：桃架体赢蕊安装出y 辘 电机凋整机构。y 轴电机通过同步带保证两边的滚珠丝杠传动累统同步运动； 横梁通过嬲边滚珠丝杠传动系统的同步传动，沿一对平行的直线母轨副前焉运 麓；壤黎 誊转逐滚畜耱妒褰荽分， 舞土貉护教、左轰、瓣惹获轳教、导鞔臃护纂 镣组成，用以时机架体及葵导向、传动系统、电器等的防护。 2 4 2y 轴电机调整机构 y 轴电枫调整机构安装程枫架体上，用以调整魄枧的位置，以保证飙架体 嚣边￥蠢滚璩丝轻俦动系绕翡嚣步整。它玉毫穗安装瘫、调节褒、调节露定毫琏 构等组成。电机安装座用于安装两只相同的同步轮和电机，并通过中间轴将同 ：步轮和电机的转动轴相连接；电机安装臆可以在调节座上左右移动，用以保证 蕊铡嬲步媸受力一致；调节攫通过与极絮体焊接豹躜铡上下静罨肉糖可固定在 枫繁体上，戳傺诞掬工时电祝相对滚璨缎程传磅系统的位黉不交；调节固定税 构用于对电机相对安装座做上下调整使两边的同步带产生一定范围的张力并 保持受力相等，同时还对调节座起到一定的支撑作用。 2 4 。3横梁部分 横梁部分邋过左右支浆上盼直线导辘巅、滚珠熊程传动系统鞴连接，靥黻 承载x 向运动机构和z 轴部分，使z 轴部分做左右运动。它由横粱体、左右支 架、x 向直线鼯轨副、滚珠熊杠传动系统、横梁顶板、防护部分组成。横梁体为 骥粱静摹磷 孛，嚣边麓下溪安装左意支絮，戳襞冀与￥蠢运动系绫疆连接，徽 1 f 后运动：横辫的两边安装对平行的滚动直线导轨剐，通过过桥连接板连接， 以完成对z 轴部分的导向；横梁上面的中间安装滚珠始杠传动系统，通过丝母 燃与过挢连接板连接，以完成对z 轴郝分的驱动；缎母座上安装脊横粱顶援， 溺以连接z 辍熬努帮酶护攀；在左右支檠耪横粱上蜜装毒籍护系统，爱鞋怼摸 梁体及其导向、传动系统、电器等的防护；左右支架上为防护板防护机构；横 粱下面为防护板结构，上面为防护覃结构。 2 4 。4 z 辘熬分 z 辜喹部分安装在横粱部分的硬馥一t ，有z 轴箍板、蠢线导辘藤、滚珠丝枉健 动系统、防护部分组成等组成，用以实现对加工工具的上下移动。z 轴拖板固定 予横梁顶板上；直线导轨副和滚珠丝枉传动系统安装在2 轴拖扳上，通过连接 投萼冬滚动壹线繁辕副秘滚豫丝桎黉动系统连接在一起；z 辘系统上安装骞貔护系 统，尉以对z 辅拖板及其母囱、传动系统、电器等的貌护。 2 4 5接收潍 出于磨料射流穿透被切割工件后仍礴大量的能缴，该射流具煮极大的破坏 前溉台磨料射流数控切割系统设计及切割参数研究 作用，因此要在工作台下方要安装防击穿装餐。在这选用的是水箱，水深在 6 0 0 r a m ，该接浚器麓纂，i 虿靠，浚蠢荔搂辫。 工作台面安于水辅边缘的平内上，通过调节螺钉组调熬工作台面相对于x 轴、y 轴运动的平行废以达到要求。 2 。4 6 润滑系统 澜淹系统翔来缣诞各相互移渤瑟静充酒澎澜靛态，宙x 、y 、z 三釉豹滤淆 油路和躲分t i | l 管、总分油器、油箱等组成。x 、y 、z 三轴的润滑油路分别对 应轴的滚动直线导轨剐和滚珠丝杠剐，以保诫滚动副问的究分润滑。油箱中盛 载润滑 囊，可以逶过手动操 乍将濑游涵转送到瓣要的润潺点上。 蓑淫台蘑麟瓣滚数控坊妻系统淫汗及韬割参数骚究 第曼肇机床数控系统的设计 3 驱动遘缭系统方寨 磨料射流数控切割概脒的驱动进给系统是指以麟料射流机床的移动部件 ( 即喷头) 的位嚣和速度作为撺制量的自动控制系统。在磨料射流机床中，驱 磁进给系统接受来自数控装置中进给脉冲，经变换、放大，将其转化为喷头的 豫移峨1 2 9 1 。对黪稳瓣滚数控穰庆兹甄翡避绦系统寰簧鸯下残嚣点甏求： ( i ) 进给速度范围大；驱动进给系统不仅要满足低速进给的簧求，还要能满 足高速进给的要求。 2 ) 垃移糖发离；驰动j ! | ：绘系统的位穆薅度是攒糖令脉冲要浓喷头进给鼢 位移鼙移该指令赫洚经驱动送绘系统辖证为喷头实际经移麓之瓣酶簿会 程度。两者误差越小，驱动进给系统的位移精度越高。通常，计算机驰 插补软件每发出一个脉冲，驱动进给系统将其转化为相成的喷头的位移 量，该位移量称为搬臻戆骤挣当黧。 ( 3 ) 喷头躐黼指令脉、冲移动的鞭髓浚羞要小；帮驱动进给系统豹速度响疲瑟 快。 ( 4 ) 驱动进给系统的工作稳定性要虫予。要具有较强的抗干扰能力，保证进给 速度臻匀、平稳。 磨料射、瀛数控系统的驻动迸给系统 安有无反馈霹以分为开环和闭环两类 为了更好的满足磨料射流数控切割机床对精度的要求在本数控系统中采 用交流伺服电帆控制的闭环系统。 3 2 计算机数控装置 计算机数控装置是数控平台的核心。它由硬件和软件组成，硬件出中央黔 瑷擎元( c p u ) 、存诘爨、竣出输入按秘釉显示器组成。软 孛包掇管理软件和拽 涮软件蕊大类。管理软件交译弱疆痔、搔替运舞程淳鞠数禚转换谈日程痔等缀 成。软件在硬件的支持下送行：离开软件，硬件便冤法工作。陌者缺一不可。 数控装鼹具备如下功能： l 实现多塑振控利。 ( 2 ) 实蕊多瀚函数酶播 ( 矗线、圆簿) ( 3 ) 多种瑕序输入、编辑和修改功能。 “) 绘图和信息转换功能。 s ，翌示、蘧谖窝联嘲功能。 4 藏囊台瓣瓣袈藏数控秘剿系统浸诗及翅朗参熬研究 3 3 数控系统的硬件设计 3 3 + 1c n c 2 0 0 0 数控卡 嘲3 - i 数控砖接f ：1 与补韶接线凿 c n c 2 0 0 0 数控卡是p c i 惑线型裹速 伺服电机控制卡f 3 引，本卡需要3 2 个连 续的i 0 地翘t 。数控卡接口与外部接 线见圈3 一l 。 ( 1 ) 输蠢穰号 脉冲控制信号( c p i 、c p 2 、c p 3 、c p 4 ) ： 采用高速光祸6 n 1 3 7 输出，为5v 脉 冲信号。 方囱控籁信号疆i r i 、d i r 2 、d i r 3 、 d i r 4 ) ：采用光耦t l p 5 2 卜4 输出，为5 v 电平信号。 秀关量f 珙砂阉开关、旁路阔开 关等) ；遁避u l n 2 8 0 4 放大输出，奄 流 5 0 0 m a ，电压为v d d “+ 2 4 v ) ，与 v s s l 共地。 m 指令臻线方式：+ 2 4 v - 继毫 器一m 指令输出端 ( 2 ) 输入信号：低电平脊效，即：对 5 v 地接通为褥散 疆藤零穗开关信号( x 辘零篷、y 轴零位) ：平时为断开状念，压零位开 关后与v s s 2 ( 地) 接通。 枫床极限开关信号f 受极限： xl i m i t 0 、yl i m i t 0 、zl i m i t 0 ；正穰袋： xl i m i t + 、yl i m i t + 、zl i m i t + ) ：平时为 断开状态，臌极限开关后与v s s 2 ( 地) 搂遥。 3 3 2 交流伺服系统 疆式交浚霭爨系绞惑突溅餐瑕毫动爨窝凌鼹驱动器甄部分缀袋。其串交 流伺服电动机般是三相永磁同步交流伺服电动枫和三相异步伺服电动祝。伺 服驱动器通常魁采用电流型脉冲宽度调制三相逆变器和具有电流内环、速度外 环姆多潮环控谁4 系统，其特性优于直流伺服系统，并且以足够宽的调速范围和 前混合磨料射流数控切割系统没计及切割参数研究 四象限工作能力来保证它在伺服控制中的应用。 ( 1 ) 交流伺服电动机 交流伺服电动机，特别是i 相异步伺服电动机，从结构上看，似乎与普 通兰相异步电动机基本相同。但是，因它工作在伺服驱动状态，所以在不少方 | i j 普通异步电动桃有所区别。例如，为使响应陕，如何做到低惯量等等【】。 在本数控机床j ：，选用的是s a n y od e n k i 交流三相异步伺服电机。其 定f 绕组构成，通入交流电后产旋转磁场。其转子由空心的( 鼠笼状或杯状) 非磁性导电材料( 加铜或铝) 制成。当转子的转速与定子电路产生的旋转磁场转速 存在转速差时，转子的导体将切割旋转磁场的磁力线而产生电流。这电流与旋 转磁场相互作用，使转子受到电磁力。电磁力使转子转动，其方向与旋转磁场 一致。三相异步伺服电动机可以高速运行，大转矩输出，无需维护，高速时可 恒功率输出，结构，甓圃。 交流伺服电动机的性能同直流伺服电动机一样，主要是用转矩速度 特性曲线来表示，如图3 2 所示。在连续工作区，速度和转矩的任何组合，都 可连续工作。但连续工作区的划分受到一定条件的限制。连续工作区划定的条 件有两个：一是供给电动机的电流是理想的正弦波；二是电动机工作在某一特 定温度下。断续工作区的极限，一般受到电动机的供电限制。交流伺服电动机 的机械特性比直流伺服电动机的机械特性要高。另外，断续工作区的范围更大， 尤其在高速区，这有利于提高电动机的加、减速能力。 1 2 0 0 0 1 0 0 0 0 8 0 0 0 6 0 0 0 4 0 0 0 2 0 0 0 05 0 01 0 0 01 5 0 0 2 0 0 0n ( r m i n ) 圈3 - 2 交流伺服电动机：1 ：作曲线 i 一连续工作区 i i 一断续：c 作区 ( 2 ) 交流伺服驱动器 交流伺服驱动器按照其工作原理、驱动电流波形和控制方式的不同，可分 藏提台瘗糕嚣滚数控切割系统袋诗及韬剿参数臻究 为两种。即：矩形波电流驱动的交流伺服驱动器，它般控制的对象为无刷崴 流伺服电动机；难弦波电流驱动的交流伺服驱动器，它一般控制 | | 勺对象为无刷 交滚蠲滠邀动爹l 。该亵秘驱动工搀模式秘交滚爨骚系绫，在邀动撬磁场波形、 聪动电流波形、转予位置传感器以及啊服系统电流环、速度环结构、反馈信息 的获取等方谳都有明显区别。 在本数控枫床上，选用的是s a n y o 一0 系列伺服驱动器，它遐正弦波电流 疆劫黪交滚镧激驱动器。羹王薅蠹理懿嚣3 3 掰示，邀滚嚣夔终鬻主要是控键 j 诅动机的三相绕组电流满足下列要求： 龋3 3 正弦波蛙砉流鹱动i ：作藤璃豳 严格的量相对称正弦函数变化关系。 它们的帽位分别与该相的反电动势相位同相( 或反相) 。 鞠毫滚骥篷与速凄调节器辕爨熬惑淀豢令售号残袤毙铡。 正弦波交流伺服系统中用到的转予位置传感器鼗求是高分辨率的，一般采 用绝对式脉冲编码器、增濑式脉冲编粥器、磁编码器、旋转变压器数字转换 器( r d c ) 等。 正弦波交滚餐簸系统翻垮鑫势辩搴豹转予整誊簧戆器产牛戆转孑绝对经嚣 俗息，在单位藏弦波发生器中产生两相正弦波信号，它们的幅值为1 。其相位与 i 乜动机转子转角0 相关，即 i ，= s i n o 一 ， i r = s i n ( o 妄万) j 3 ，3 。3 数控梭测装置 检溯装嚣采用脉冲缮羹式编码器，它是一静光学式位霉捡灏元件，可鞋 威接装在轴上，以测出轴的旋转角度位鬻和速度变化，其输出信号是电脉冲。 遮神检测方式的特点是：检测方式是非接触式的，觅摩擦和磨损，驱动力小， 兹溜合壤辫鼓滚数控防剡系统瑷 于及惦澍参数研究 响应速度快。 8 酶 g v 8 v 挥 口v 图3 - 4 增麟式编码器 t 如】 增量式编码器的工作原理如图所示。 在强3 4 8 ) ，e 为等节难魏韬黪狡透走窄缝 圆捐，q ，、q ：为光源，d 、d n 、d c 为光电元件 ( 光敏二极管或光电池) ，o 与d n 错开9 0 。相 位角安装。当豳搬旋转一个节躐时，在光源 黧瓣下，藏茳毙亳元 孛瓠、魏乏褥翻蓬3 5 国) 所示的光电波形输出，a 、b 信号为具有9 0 。 相位麓的讵弦波。这组信号经放大器放大与 整形艏，褥到图3 5 ( c ) 所示的输出方波，a 籀篦8 稿踅| ； f 褥。，其毫压旗德为s ￥。设矗 相超前b 相时为诋方向旋转，则b 相超前a 相时为反方向旋转，以判别编码器的旋转方 翔。c 撞产生豹辣渖为基准辣转，又嚣零点躲 冲，它是转轴旋转一阐在阉定位置上产生一个脉冲。a 、b 福脉冲信号经频率一 电压变换席，得到与转轴转速成萨比例的电压信号它就是速度威馈信号。 3 3 4 系统的电器原理图 嚣遏会磨辩射滤数控爨割掇菝熬电器簇理图絮瓣燧i 爱示。 3 4 数控系统的软件 3 4 1 数控较件的概述 囝3 5c n c 2 0 0 0 运行界耐阁 8 翦滋台蘑瓣l | 滚数控切裁系缆设计及切劐参数骥究 前混合磨料射流数控i ；9 剐机床采用的软件是c n c 2 0 0 0 ，其界面如图3 5 。 c n c 2 0 0 0 数控系统软件基于w i n d o w s ，浆用d s p 投术，f ：发，可在w i n d o w s 9 8 、 i t l d o w s t a e 箴w i n d n w s 9 5 下逶 亍。硬 誓袋愆p c i 菝穰，其袁4 赣联动功能。系 统t 要功能： 联动轴数：4 轴4 联动 程序校验功能 俊这定谴( g 0 0 ) 直线插补 g o i ) 圆弧插补( g 0 2 、g 0 3 ) 暂停功能( g 0 4 ) 霞逡凌戆 5 黄返皿电器原点g 2 9 ，g 3 0 ) 刀具半径补偿( g 4 0 、g 4 1 、g 4 2 ) 予程序凋阕 静态瑚悫傍粪 自动加减遗控制 a u t o c a d 闼形文件转换助能 3 4 2 较传韵箍的奔绍 c n c 2 0 0 0 包括文件系统管理、图形操作、程序运行、参数设鬣、手动控制孤 大模块。如图3 6 所示。 ( 1 ) 交 孛系统餐瑾模块 文件系统傺理模块用米管理和编辑零件加工程序，它又分为蹲个子模块： 文件管理和文件编辑。 文件管理功能用于打开、保存数按加工程序，退出c n c 系统等。其子功 缝蠢：耨建、掰开、调入内存、缳存、筠存势，努馨、努窜颈燕、显示最近蠡 丌过的0 4 个文件、退出c n c 系统等。 文件编辑功能用于编辑数控加工程序。其子功能有：撤销、剪切、复制、 糕黠、查找、替换等功憩。 ( 2 ) 圈形搽终谈块 图形操作模块的功能商图形显示、图形转换。数控机床读入零件加工程序 厨，采用图彤膨式显示理论加工轨迹，在加工时，鼹示实际和理论轨迹，通过