（机械工程专业论文）铜电解阳极自动生产线中铣耳机组控制系统设计、建模及仿真研究.pdf

西南交通大学工程硕士研究生学位论文第1 i 页 a b s r r a c t h y d r a u h c c o n t f o la n dt r a n s m i s s i o n t c c h n o i o g yh a sb e c o m e a n i m p o r t a n t t e c h n o l o g y o fi n d u s t r i a l a u t o m a t i s m ， a n di ti s t h e k e yc o m p o n e n t o f m e c h a n i c _ e i e c t r o n i c t h ee i e c t r o h y d r a u i i cc o n t r 0 ii so n e0 ft h em o s tv i v i db r a l l c h e s o ft h i st e c l l l l d l o g y p t o p o n i o n a lu n i td dn o tn e e dah i 酶r c q u i r e m e mo ft h ed e 哪e s s o fm e d i ab u tr a t h e rc h e a p e r ，a n dm es t a t i ca i l dd ”a m i cr e s p o n 曲玛s u p p l i e dc a n m e e tt h eu s h gr e q u i r e m e n t si nm o s ti n d u s t r i a lf i e l d s ，a n di ns o m ef i e l d si sn dw o i s e t h a ns e r v ov a l v e s t h ep r o p o r t i o n a lc o n t r o lt e c l l n 0 1 0 9 yh a sab r o a dp r o s p e c ti n i 1 1 d u s t r i a la p p l i c a t i o n s o ，t h er e s e 8 曲t o 蠲sp r o p o n i o n 乱d o s e dl o o pc o n 缸ds y s t e m h a sa ni 瑚p o n a n tt h e o r yv a l u ea i l da p p l i c a t i o nm e a n i g t h i sp a p e it a k st ne a f p h o n ed 钾i c e ，w h i c hi st h em a i ne q u i p m e n ti nc o p p e r e l e c t r i o a n o d ea u t o m a t i cp r o d u c tl i n e ，a sr e s e a r c h e do b j e c t ，b yr e f e r e n c i n gs o m e f o r e i g na d v a n c e dt e c h n o l o g i e s ，d e s i 弘sa n dt e s t i f i e st h er e s u nt h r o u g l lt l l e o r e t i c a l a n a l y s e s ，a n df i n ds o m en i l e s b a s 。d0 nt h e 卸a l y s i so fe a c hc o m p o s i t e so ft i n e a r p h o n ed e v i c e ，i ta n a l y s i sf i r s tt h ek e yp a r tm i l l i n gt o o l sg e o m e 埘c a lp a r 锄c t e r s ， s t m c l u r ea n dm a n u f a c l u r i n ga b i l j t i e s a l l da i le x p e r i m e i l ti sa l s ot a k c w i n lt h e e l e c 仃0 - h y d r a u l i cp r o p o r t i o n a l d i r e c t i o n a l r e s t r i c t j n gn o w i i i g v a l v e ， p r e s s u r e _ r e d u c i n gv a l v e ，d cl i n es p e e dm e a s u r i n gs e n s o re t c ，t h ee l c c t r o - h y d m u l i c p r o p o r t i o n a lc l o s e dl o o ps p e e dc o n n o ls y s t e mi sd e s i g n e d ，a n dt h es p e e do ft h e l o n g i t u d ef e e d i n ge q u i p m e n t so f1 l ne a r p h o n ec a nb ec o n t r o u e d 1 h i sp a p e ra n a l y z e s t h e c o m p o s t i n gu s a g eo fs e v e r a lh y d r a u l i cv a l v e st h o r o u g h l y ； c o n s t n l c tw i t h e m p h a s i st h em a t h e m a t i c 功o d e lo fe l e c t r o | h y d r a u l i cp r o p o n i o n a lc l o s c dl o o ps p e e d c o n t r 0 1 s y s t e m w i t h p r e s s u r e d i f f c r e n c e c o m p e n s a t i o n u s i n g血ec o r n p u t e r e n 西n e 甜n gs o 蝻a r e ，i ta n a l y z e st b es y s t e ma n dh sc o m p o n 锄t s is t a t i ca n dd y n a m i c p e r f o 衄a n c e ，a i l dd e s i g n s ar e a s o n a b l ec 0 “e c t o r ，s ot h a tt h ep e m ) 肌a n c eo ft h e s y s t e md e s i g n e dc a i lf i tt h ea p p l i c a t i o n 弘o d u c i n g 他q 醢i r e m e d t sb e 址舡， t h ep r a c t i c es h o w st h a td e v e l o p e dc o p p e re l e c t r i c a n o d ea u t o m a t i cp r o d u c t l i n eh a so b t a i n e dt h ea n t i c i p a t e do b j e d ，w h i c hh a sc r e a t e dh u g ee c o n o m i cb e n e m s k e y w o r d s ：e 1 e c t r o - h y d i a u l i cp r o p o r t i o n a ls p e e dc l o s e dl o o pc o n t r 0 1s y s t e m ； 西南交通大学工程硕士研究生学位论文 第h i 页 p r e s s u r ec o m p e s a t i o n it i ne a r p h o n ed e v i c e ；d y n 撼i cp e f 幻蕊a n c e 张a l y s i s ； c o m p u t e is i m u l a t j o n 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第2 页 1 2 电液比例控制技术及其在工程中的应用 1 2 3 1 2 1 电液比例控制系统的构成 尽管工程实际中电液比例控制系统实现的功能繁多，但其结构都是大同小 异，可以归纳为如图1 2 1 所示的典型方框图。 图1 2 1 电液比例控制系统的典型方框图 一般情况下，把机械一液压反馈称为内反馈回路，把由输出引回到输入端 的反馈称为外反馈回路，只有包含了后者的电液比例控制系统，才称为闭坏控 制系统。 组成电液比例控制系统的基本单元有：指令元件及放大器件( 输入元件) 、 电一机械转换器件、比较元件、液压转换及放大器件、液压执行器件、液压动力 源。 在电液比例控制系统中，液压控制元件( 比例阀) 、执行器件、控制对象联 系十分密切，为了系统建模以及动态分析的方便，常把这三者组合成一种液压 装置，称为液压动力机构。为进一步改善系统的静、动态特性，常在系统中加 上各种校正装置。 1 2 2 电液比例控制系统的特点 2 电液比例控制系统的关键元件电液比例阀是介于开关型液压阀和伺服 阀之间的一种液压元件，与电液伺服阀相比较，价廉、功率损失小、抗污染： 在控制特性上，除控制精度及响应快速性方面不如伺服阀外，其他方面的性能 和控制水平与伺服阎相当，其静、动态性能足以满足大多数工业应用的要求。 比例阀的可靠性和经济性的特点与开关阀相接近。比例阀与其他各种液压阀的 性能比较如表卜1 所示。 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第3 页 表卜1 电液比例阀和其他液压阀性能比较 类别 特性 伺服阀比例阀 开关阀数字阀 介质过滤精度( um ) 32 52 52 5 阀内压力降( m p a ) 70 5 2o 2 5 0 5o 5 2 稳态滞环( ) l 31 3 重复精度( )0 5 1o 5 1 0 1 频宽( h z ) 2 0 2 0 07 0 1 05 中位死区无有有有 价格因子 310 51 控制功率 0 0 5 51 0 2 51 5 4 05 1 0 备注此表中的电液比例f 困不包括闭环比例阀的数据 综合起来，电液比例控制系统有如下特点： 兼备了电气或电子技术的快速性、灵活性和液压技术输出功率大的双重 优势，控制性能好，传动能力强。 连续、比例地实现流量、压力与方向三者之间的多种复合控制功能，便 于计算机控制。利用先进的现场总线技术，实现系统的智能化。 简化了系统回路，减少或避免液压系统的泄漏，节省能耗。 便于建立故障诊断的专家系统，易于维护。 缺点是与开关控制相比，其技术实现较复杂，与伺服系统相比，其控制精 度低、响应慢，组成的闭环系统易出现不稳定状态。 1 3 组合机床技术在阳极自动生产线上的应用蜘 生产线上的机加工设备一般是采用组合机床或专用机床技术来组织，组合 机床是用标准化、系列化的通用部件和少量专用部件组成。它们针对某一种或 某一组零件的加工工艺而设计、制造的。组合起来的加工设备按工件的加工工 艺顺序依次排列， 自动化程度和生产率都很高。常用的加工设备有：铣床、车 床、镗床、钻床和整形机等。通用的机床主要部件如表卜2 所示。 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第8 页 一y口舒洙彗 渣崤i赫_i差彗监 u 睡诔彗 簿捌詈监 u出丰斗彗凿 圜-2-_蕊母鞲丑4瑟心罄恃飞潞摧蒋篮爵圜 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第9 页 出料机组。由翻板机( 二) 、出料输送机、升降车组成。翻板机( 二) 把 卧式的阳极板翻成立式，并由出料输送机送到升降车，再把成垛阳极板升至吊 装位置。整个机组完成阳极板整形铣削后的离线工作。 该生产线的工作原理是：受板升降车接受行车和专用吊具运来的阳极板， 进行左右对齐后，将阳极板送至储板链运机并卸载到链板上，再由分片和翻板 机把单个阳极板由立式变成卧式。步进输送机拖杆上的抓钩将阳极板送到对中 工位，完成对中后再送到立式整形机，整形机对阳极板板面整形，并对推耳进 行矫正。完成整形后的阳极板被再一次的对中，然后送至铣削机，经定位夹紧 后，由垂直安装的两把铣刀同时对两个挂耳导电面铣削。铣削完毕后把阳极板 送至翻板机( 二) ，翻板机( 二) 把卧式阳极板翻成立式后送到出口输送机，等 待吊走。按照士述原理r 整条生产线酶王差过程妇表 七 2 3 控制技术、机械设计及理论在钢电解阳极 自动生产线上的应用 昂贵的液压伺服系统非一般企业生产实际情况所允许。针对生产线主要的 技术指标( 压力控制精度 5 ，位置伺服控制精度 l 册，同步控制精度 o 5 砌，速度控制精度 2 ) ，对关键设备和环节采用电液比例控制，其它非 主要环节采用电磁开关阀控制动作。电液比例技术所提供的动态性能可大大满 足自动生产线系统的要求，而价格低廉，企业易于承受。 在2 2 节中所述工艺环节共3 1 个执行机构的液压传动回路中，有1 4 个 位置、速度、压力四路采用电液比例控制技术。电液比例阂的输入信号由p l c 程序给定。在每个动作的到位和复位设有检测发讯元件，以准确实现动作的连 续和互锁。关键工序，如铣耳机滑台的纵向进给均采用比例阀控制液压缸控制 位置和速度。整形机的施力动作由比例阀控制液压缸进行力控制。链式输送机 的步进送板，则由比例阀控制液压马达实现位置和速度的控制。 自动生产线关键的机加工设备，如整形机、铣耳机、铣削刀具的机械设计 思路是整形机设计成立式整体大面，方便阳极板的输送，压块联接采用大曲面 铜基球轴承，使压块自动找正，受力状况良好，结构简单。铣耳机组采用立式 铣削结构。铣刀是自行设计的成形圆弧铣刀，刀片镶嵌在刀盘上，考虑到切自0 对象为铜，采用交错分屑式结构，以利于切削成形，使排屑更容易，减少或避 免粘刀现象，减少打刀芳降低刀具磨损。镶嵌式结构也利于刀片的拆装和调 整，降低生产成本，提高劳动生产率。 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第1 0 页 第3 章铣耳机组的结构设计 铣耳机组的结构设计参数直接影响到其工作性能的优劣，合理的结构设计 会使铣耳机组工作稳定、可靠，提高切削效率，有利于控制系统的设计和实现， 同时又可降低生产制造成本，具有良好的经济性。 3 1铣耳机组机械结构设计嘲( 1 5 3 【衢 旧 从冶炼厂采 购或自制的阳极 板，浇铸出模后， 挂耳导电面存在 拔模斜度，毛刺、 荡边及鼓包等， 这些缺陷如 2 1 中所述不 利于阳极板在电 解槽中垂直悬 挂。故在阳极自 动生产线中考虑 设计铣肖4 装置， 对挂耳的拔模斜 度和导电接触面 进行铣削处理， 以改善阳极板在 电解槽内的悬垂 状态和挂耳与导 电板之间的接触 状态。另外，铣 耳装置作为自动 1 电机2 皮带及减速装置 3 立铣头 5 压板装置 6 铣刀组件7 ，对刀调整装置 4 立柱 8 工作台 9 液压滑台 1 0 侧底座l l ，中间底座 圈3 卜1 铣耳机组总体结构俩圈 生产线的关键主机之一，它的加工节拍必须符合整条生产线的工作节拍，机械 结构也应和整条生产线结构相匹配。相比较生产线的其它主机，铣耳机结构复 杂，动作多，占用生产时间长，是影响生产线生产节拍的关键和难点。 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第1 1 页 整个铣耳机组分为：底座、工作台、定位压紧装置、进给装置和铣削装置。 总体结构如图3 卜1 所示。 铣耳机组结构及设计原理如下： ( 1 ) 铣耳机床身分为：工作台、中间底座和两个侧底座。 ( 2 ) 定位压紧机构分为： 耳定位由定位油缸、耳定位销、安装底座等组成。整个定位过程油缸并不传递 大的动力，几乎不承受外负载，该定位是假定位，待压紧机构压紧板面时，定 位缸退回，在铣削中不起定位的作用。 耳压紧 由耳压紧油缸、耳定位压紧装置和支座、耳压紧摆杆、连杆机构 等组成。当耳定位油缸动作完成后，耳压紧油缸动作，压紧阳极挂耳。为保证 压紧的可靠，同时不致使挂耳变形，不宜选择大的工作压力。 板压紧由板压紧油缸、压扳机架、压板压头和压板防转板等组成。当耳 压紧动作完成后，板压紧油缸动作，驱动三脚压头将阳极板紧紧压在铣耳机铣 削工作台上，为防止三角压头偏转，导致压紧不可靠，特设置了压板防转装置。 ( 3 ) 进给装置分为： 液压滑台液压滑台由上滑台( 滑台体) 、下滑台( 滑座) 和滑台液压缸 组成。下滑台固接在铣耳机组侧底座上，上滑台与下滑台之间通过导轨相接， 液压缸驱动上滑台在导 轨上产生切削进给运动。 下滑台的导轨形式有两 种：a 型一一双矩形导 轨，它能够承受较大的颠 覆力，多用于粗加工；b 型山矩形，其导向性 好，便于位置和速度控 制矗；合考虑滑台的工作 7 1 座体 2 溜板3 丝杆4 螺母 5 轴承组件6 手轮7 刻度盘 图3 卜2 铣耳机组对刀调整装置结构简圈 稳定性、工作速度进给、推动力等指标参数，结合铣耳机铣削力并不大的实际 情况，选用重庆第三机床厂的h y 系列液压滑台h y 5 0 i b ( 导轨面为山矩型) 。 对刀调整装置由上调整块和下调整块组成。下调整块与液压滑台的上滑 台相固接，上下滑块之间通过螺母和丝杠相连。手动调节转轮，转动丝杆螺母 副，可使上下调整块在与滑台进给方向相垂直的方向上产生2 0 m m 的调整量， 方便铣刀的对刀和调整。其结构如图3 1 2 所示。 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第1 2 页 铣削头立柱该件是一个铸件，中空，固接在纵向调整滑台的上滑台上， 作为铣销头的连接件。 床身底座由中间底座和侧底座组成。其中，侧底座是组合机床的主要支 承部件。其顶面安装滑台，端面与中间底座联接。侧底座的长度由液压滑台的 长度决定。例底座的周围有收集润滑油的槽，内部可安装回收油液的贮存箱和 设有供安装电气元件的壁龛。 铣削装置铣削装置由完全相同的两部 分组成，对称地布置于工作台两侧。立铣头 固接在立柱上，电机驱动立铣头主轴带动铣 刀旋转，左右两把铣刀同时分别对阳极的长 短挂耳导电面铣削。铣削挂耳的示意图如图 3 1 3 所示。 铣削装置电动机功率7 5 k w ，主轴转速 6 0 0 r m i n 1 2 5 0r m i n ，立铣头垂直调整量 o 8 0 m m ( 实际对刀调整量为+ 6 0 m m 一2 0 m m ) 。 铣刀设计在下一小节中对之进行论述。 由上述结构以及生产线的工作要求；得 出铣耳机组的工艺流程，如图3 1 4 所示。 步进机步进一个工位，送 阳极板到铣耳机工作台 1 阳强挂耳2 j e 刀 图3 卜3 镜削阳极板挂耳示意图 鼍囊售鎏舞鎏备鉴鏊i 1 步进机复位 耳铣削面处垂直穿出l， l 匝至堕瑚叫耍囵圃 图3 1 4 铣耳机组的工艺流程图 铣耳机组动作节拍时间分配如图3 1 5 所示：尽管组合机床技术成功应用 于自动生产线的例子己经比较多见，但对所引进生产线来讲，应用组合机床技 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第1 3 页 耳定位铣削装置铣削装置 图3 卜5 铣耳机组动作节拍时间分配图 术构建铣耳机组在结构设计上具有自身的特殊性： 陕速性由于生产节拍的限制，对本铣耳机快进、快退和切削的要求均 比一般机床高得多，铣削装置的速度控制要满足快速、平稳的要求，因此，应 配置高质量的液压滑台并辅以先进的控制系统。 附加对刀调整装置除立铣头垂直方向的调整外，附加的对刀调整装置 可实现刀具的横向调整。 自行设计成形铣刀，并与标准立铣头匹配。 动作协调性一是铣耳机要和整条生产线节奏一致，同生产线其他设备 有机衔接；另外，铣耳机两个压紧动作和铣削动作要有机协调。 工作稳定可靠性。 3 2 铣刀机械结构设计 3 2 1 前言 铣刀是铣耳机铣削加工中最重要的工具之一，它直接影响生产效率和加工 质量。生产线是连续性作业，如果刀具使用不当，不能正常工作就可能使全线 停工而影响生产。 铣刀的种类很多，按刀齿齿背的制造方法分为尖齿铣刀和铲齿铣刀两类。 尖齿铣刀的齿背经铣制而成，铣刀用钝后只刃磨后刀面。铲齿铣刀的齿背经铲 制而成，铣刀用钝后只刃磨前刀面。当加工复杂工件表面或铣削复杂廓形时， 常用自行设计的成型铣刀来完成，成型铣刀多做成铲齿。刀具设计的侧重点 根据生产实际情况而各有不同，该自动生产线所用的刀具应达到以下要求： 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第1 4 页 铣削性能稳定可靠，以避免刀具突然损坏而造成停机。 刀具应有较高的尺寸耐用度( 即两次调整更换切削刃之间所能加工出的 合格工件数量较多，耐用度可用相应的切削时间表示) 。 刀具或刀夹的结构应能实现快速更换，刀具的安装尺寸应能迅速准确地 调整。 刀具应能可靠的断屑和排屑。 依据这些特点决定铣刀铣削方式，工作部分的形状和尺寸以及合理的刀具 材料、适宜的几何参数、正确的刃形、足够大的容屑空间或合适的排屑沟槽、 必要的刚度和强度、并决定得当的工作角度。 刀具夹持部分的作用是将刀具夹固在机床上，保证刀具正确的工作位置， 同时它也传递切削运动和动力。夹持部分有刀柄( 或刀杆) 和套装孔两类。为 保证刀具的正常工作，夹持部分必须具有足够的强度和刚度，正确的形状与尺 寸，合适的表面光洁度，并且夹固可靠，装卸方便迅速。 3 2 2 铣刀设计 3 2 2 1 切削方式 的选择 铣削方式有两种， 即顺铣和逆铣。所 谓的顺铣是铣刀的 旋转方向和工件的 进给方向相同，逆 铣指铣刀的旋转方向 厂、 k 八翻 v唰 1 w p 一 i 逆铣 图3 2 2 一l 铣削方式示意图 顺铣 和工件的进给方向相反，如图3 2 2 一l 所示。顺铣时平均切削厚度较大，切削 表面质量好：逆铣时，切入切削厚度为零，加工效率高，适于高速切削，但加 工表面质量不高。生产线的铣削精度要求不高，刀具的设计应考虑生产线的生 产效率的要求。另外，逆铣时刀具除初次切削外，其余的铣削接触面都是已加 工面，可避免毛刺、飞边等对刀具的损害。生产线铣刀的铣削方式都设计成这 种逆铣的方式。 32 2 2 选择刀具材料 刀具工作部分的材料对其切削性能有决定性的作用，刀具材料必须满足的 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第1 5 页 基本要求是：硬度高、耐磨性和耐热性好、强度和韧性足够、便于机械加工， 并且价格便宜。为提高生产线的加工效率，考虑切削加工的特点和对生产效率 的要求以及刀具的制造条件，充分发挥各种材料的特性，刀具选用高速钢和硬 质合金。同时为节约贵重的刀具材料，大尺寸刀具常做成镶齿或装配式结构， 而刀体部分足用碳素钢或合金钢制造。铣耳机的铣刀，其加工的工件材料是铜， 硬度h b 6 5 ，铣刀属于大尺寸刀具，刀齿材料选用硬质含金y g 6 a ，刀齿材料选 用4 0 c r m o ，刀体材料选用4 5 ”钢。 3 2 2 3 选择刀具的几何参数 刀具的几何参数是刀具对切削变形、切削力、切削温度和刀具磨损都有显 著影响，并进一步影响加工效率、刀具耐用度和加工质量。刀具的几何参数包 括刀具的切削角度( 如：主偏角、副偏角、前角、后角、刃倾角) 、刀面的形式 ( 如：带卷屑槽的前刀面、波形刀面等) 以及切削刃的形状( 直线形、折线形、 圆弧形等) 。选择刀具合理几何参数主要取决于工件材料、刀具材料、刀具类型 有关，也与切削用量、工艺、系统刚性等因素有关删。 前角是刀具几何参数的核心，直接影响切削过程。刀具合理前角的选择主 要取决于刀具材料、工件材料的种类与性质，加工不同材料，在一定加工条件 下，存在一个耐用度为最大的前角。刀具材料的强度和韧性较高时可选择较大 的前角，本刀具的材料是硬质合金，脆性相比较高速钢大，怕冲击，易崩刃。 因此比较高速钢刀具的前角，可以适当选择在5 。l o 。侧。生产线加工的粗 铜硬度h b 6 5 ，在切削时切屑变形较大，刀屑之间的压力和摩擦力都很大，为 减少切削变形和摩擦，宜选较大的前角。同时，加工材料的强度、硬度较小， 切削力不大，对刀具强度的要求较低。为减小切屑变形，也适宜选较大前角。 综上所述，本铣刀前角选择1 0 。 3 2 2 4 选择铣削用量 铣削用量包括铣削速度、进给量、和铣削深度鼍矛诅铣削宽度国等 铣削深度指平行于铣刀轴线方向的切削层尺寸，它直接影响铣刀主 切削刃的工作长度。因为阳极板的厚度是3 8 4 2 m m ，故选择锡= 3 8 4 5 哪( 取 较大值) 。 铣削宽度是指垂直于铣刀轴线方向的切削层尺寸，参照成功经验 埽 初步选择国= 1 、1 5 、2 、2 5 姗 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第1 6 页 每齿进给量喂指铣刀每转过一个刀齿时，工件与铣刀的相对位移。借 鉴成功经验蚴啪，取驴 o 1 、0 1 5 、0 2 、o 2 5 、0 3 m m z 。 上述切削三要素如图3 2 2 2 所示。 铣削速度 n d o n o 矿2 一m m l n 1 0 0 0 式中 y 一铣削速度； 面一铣刀直径； 门口一铣刀转速； 每转进给量 q = q | - z n o 式中 z 一铣刀齿数。 图3 2 2 2 铣削用量示意图 3 2 2 5 铣削力的计算 铣刀所承受的铣削抗力厅沿切向、径向和轴向分解为三个铣削分力，如图 3 2 2 3 所示。 切向分力尼作用在铣刀圆周切线方向，是消耗功率的主要铣削力， 也称主铣削力或圆周铣削力。 径向分力乃作用在铣刀径向，与尼的合力使铣刀心轴弯曲和扭转。 轴向分力厅作用在铣刀轴线方 向。铣削工作台所承受的力，苁小相等， 方向相反，它可沿铣床工作台纵向、 横 向和垂直方向分解成三个铣削分力： 水平分力厅它与纵向进给方向平 行，作用在铣床纵向进给机构上，叉称进 给抗力。该力是作用在纵向进给装置速度 控制系统上的主要负载力。 垂赢分力厅在铣刀端截面上垂 直进给方向。 图3 2 2 3 铣削力分解示意图 轴向分力( 横向分力) 尼与b 大小相等，方向相反。 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第1 7 页 在主轴转速为n = 5 0 0 、7 2 5 、1 0 0 0 、1 4 5 0 r m i n 的情况下有 尼= 0 ob 6 掣7 2 d “8 6 绵z 嘲 另y 毋通常取2 2 2 ，其相应的铣削功率疡= k w l o o o 综上所述，设计如图 3 2 2 4 所示的铣刀结 构。 图中刀片焊接在小刀 体上，小刀体被压紧楔块 紧紧压在刀盘上。另外， 在小刀片和刀盘上的刀体 安装槽内开有相互咬合的 小槽，以进一步保证小刀 片的可靠定位。 1 刀盘2 刀片 3 小刀体 根据上述各设计环节，图3 2 2 4 铣刀结构简图 计算出铣削力，并将设计结果进行了实验。将理论计算和实验结果整理如表3 1 所示。 部分切削参数理论计算结果和实验记录 1 实验纪录 铣刀尺寸： d = 1 5 0 m m铣刀材料：硬质合金y g 6 a 铣刀齿数： z = 8铣削方式：逆铣 铣削深度：8 d = 4 0 m 工件材料： 铜 铣削长度：7 0 m机床刚性： 中等龙门铣床 主电机： 1 5 k w ，1 4 6 0r m i n 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第2 0 页 控制系统进行控制。选择油缸：公称压力；3 m p a ，油缸公称直径：中1 2 5 册，杆 径：巾9 0 岫，油缸最大行程：4 0 0 册，油缸工作行程：1 6 0 唧。 综上所述，在耳定位、耳压紧、板压紧油路中，液压传动有共同的特征， 液压系统的结构选择存在共同性，把这三者设计成液压开关控制口路；油缸驱 动纵向进给装置，其速度持制要求较高，设计成电液比例控制回路。 4 2 铣耳机组耳定位、耳压紧、板压紧液压回路 设计 4 2 1 液压传动系统油路设计 液压传动系统的回路分为开式和闭 式两种。开式系统结构简单，油箱容积较 大，散热情况好，杂质可在油箱中沉淀， 但空气易混入工作介质中，易造成冲击和 气蚀。闭式系统结构复杂，通常需要辅助 泵补油，但空气不易进入系统。油路循环 方式主要取决于执行机构的换向方式和 调速方式，本系统适合使用结构简单的节 流调速，采用换向阀来实现执行机构的图4 2 卜l 开式循环油路液压原理图 换向，故选择开式油路循环系统。其结构原理如图4 2 1 1 所示 1 4 。 4 2 2 液压系统调速回路的选择 由于本系统工作压力较低( 8 m p a ) ， 功率较小( 7 5 k w ) ，负载变化不大，适 合采用节流调速回路。在低速、负载较小 的情况下，进油口节流调速的速度刚性最 大，优于回油口节流和旁路节流调速。为 尽最大可能的提高速度稳定性能，同时降 低成本，在铣耳机组的耳定位、耳压紧、 板压紧油路中设计进油口节流调速，原理 如图4 2 2 1 所示。 圈2 2 - l 进油口节流调速液压原理图 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第2 1 页 4 2 3 液压系统缓冲设计 由于耳定位、耳压紧、板压紧油缸及其所连接的工作部件运动到行程的终 端时，容易造成活塞和缸底或缸盖的碰撞，或者连接工件和外界其他部件的撞 击，产生很大的机械冲击和噪声，损坏油缸，影响液压系统的其他元件。为此， 液压回路中要设计缓冲环节，为节约制造成本，考虑到耳定位、耳压紧、板压 紧动作工作压力不大，运动惯量较小，特在油缸结构中加缓冲装置，以消除油 缸在行程终端的冲击震动。铣削进给装置的缓冲问题由比例阀控制流量的方式 来解决，同时，在滑台油缸活塞上开通阻尼小孔，来解决由不对称油缸在往 复运动时所产生的压力跃变所带来的冲击。 4 2 4 电磁换向阀结构原理及其在本系统中的应用 电磁换向阀多为滑阀型，它借助于电磁铁的吸力推动阀芯在阀体内作相对 运动来改变阀的工作位置，实现液压执行机构的换向。根据电磁铁所用电源不 同，电磁换向阀又分为交流和直流两种。交流电磁铁工作时冲击和噪音较大， 铁芯吸不到位时，线圈易烧毁，寿命较低，切换频率一般不能高于1 0 次m i n ： 直流电磁铁切换特性软，对过载或低电压反应不敏感，工作可靠，切换频率较 高删。电磁换向阀的电磁铁又可按内部是否有油进入，分为干式和湿式两种。 湿式电磁铁内部与回油腔相通，这样衔铁在油里移动，可以减少磨损，并且能 提高散热性和使用寿命。在铣耳机耳定位、耳压紧、板压紧回路中要求电磁换 向阎满足高的切换频率和较高的使用寿命，故选用直流湿式电磁换向阀。 同时，铣耳机耳定位、耳压紧、板压紧回路都要求一定时间的动作保持： 耳定位油缸，因为其负载小，动作保持的要求不高，并且时间也不长，0 型滑阀中位机能足够满足其性能要求。 耳压紧、板压紧回路，液压缸负载相对较大，动作保持要求较高，要确 保阳极板在被铣削时处于压紧状态，在回路中用y 型滑阀中位机能和液压锁构 成液压锁紧回路。液压系统的压力由溢流阀保持恒定。 4 2 5 液压系统构成和工作原理 铣耳机组耳定位、耳压紧、板压紧回路的油源和液压系统原理图如图 4 2 5 1 和4 2 5 2 所示。 系统工作原理如下： 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第2 2 页 系统p l c 发信号控制电磁换向阀7 一l 左位工作，油液经减压阀3 一l 进入耳 定位油缸8 的无杆腔，驱动油缸上行，耳定位油缸到位后，光电开关发信号给 p l c ，p l c 接讯后，发信母控制电磁换向阀7 1 回中位，使耳定位油缸借助滑阀 图4 2 5 一l 铣耳机组定位、压紧机构液压油源原理图 的中位机能保持伸出动作。同时，p l c 再发信号给电磁换向阀7 2 ，使之左位工 作，液压油经减压阀3 2 进入耳压紧油缸9 的无杆腔，驱动耳压紧油缸上行， 活塞杆推动与之铰接的压块，压紧阳极板挂耳。耳压紧到位后，光电开关发信 号给p l c ，p l c 接讯后，发信号控制电磁换向阀7 2 回中位，耳压紧油缸借助换 向阀中位机能和油路中的液压锁6 1 ，保持压紧动作。同时，p l c 再发信号控制 电磁换向阀7 3 右位工作，液压油进入板压紧油缸1 0 的无杆腔，驱动压紧油缸 下行，压紧阳极板大面，板压紧到位后发信号给p l c 。p l c 接讯后，发信号控制 电磁换向阀7 3 恢复中位，板压紧油缸借助换向阀中位机能和油路中的液压锁 6 2 ，保持压紧动作。同时，p l c 再发信号控制电磁换向阀7 1 右位工作，液压 油经过减压阀进入耳定位油缸的有杆腔，驱动油缸下行复位。到位后发信号给 p l c 。铣削动作完成后，p l c 发信号给电磁换向阀7 2 和7 3 ，使阀7 3 左位工 作，油液进入压紧油缸有杆腔，驱动压紧缸上行；同时，阀7 2 右位工作，油 液经过减压阀3 2 进入耳压紧油缸有杆腔，驱动油缸下行复位。 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第2 3 页 1 截止阀2 压力表3 先导减压阀4 压力传感器 5 双单向节流阙6 双液控单向阀7 电磁换向阀 & 耳定位液压缸 9 耳压紧液压缸1 0 板压紧液压缸 图4 2 5 2 铣耳机耳定位、耳压紧、板压紧液压系统原理图 4 3 铣耳机组纵向进给装置电液比例控制系统设计 1 【2 3 6 9 1 6 嘲嘲嘲 3 l 】溯嘲咖嘲 翦 劬 铣耳机组纵向进给装置由滑台油缸驱动，实现往复运动。生产线对纵向进 给装置的往复运动要求响应快、动作快、运行和换向平稳。结合工程实际，该 系统采用控制性能较高的电液比例控制，而不使用控制精度较低的液压开关控 制或昂贵的液压伺服控制。 4 3 1 电液比例方向流量控制阀的结构原理及萁在_ 本系统中的应用 电液比例方向流量控制阀是能够同时实现液流方向控制和流量比例控制的 复合功能阀，它复合了方向与流量控制两种功能。电液比例方向流量控制阀按 其流量控制方式，可以分为节流控制型和流量控制型两大类。节流控制型多为 比例方向节流阀，其被控制量只是主阀芯的位移和节流阀口开度，其输入电流 信号与输出阀口开度成比例。在节流口开口一定的前提下，通过它的流量受工 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第2 4 页 作负载和供油压力变化的影响，不能保持执行元件运动速度的稳定，故节流阀 的刚性差，因此只适用于执行元件负载变化不大和速度稳定性要求不高的 场合。本论文中采用的电液比例方向节流阀的典型结构如图4 3 卜1 所示。该 阀是r e x r o t h 公司的4 w r t e v 系列产品，属于典型的位移一电反馈型比例方向节 流阀，它使用的是直流湿式比例电磁铁，接受直流模拟量 5 。 1 阀体2 主阀芯3 感应式电子转换器4 先导控制阀 5 先导控制阀阀套6 比例控制放大器7 8 湿式直流比例电磁铁 9 对中弹簧1 0 左控制腔1 1 右控制腔1 2 1 3 排气螺钉 图4 3 卜l 电液比例方向节流阀结构原理图 关 该阀是两级控制的、集机电液于一体的高响应方向流量控制阀，它的先导 级相当于一个负遮盖四控制边滑阀，组成四臂可控的液压全桥，用以控制相当 于双作用液压缸的主阀芯。 这种阀系列中的v 型阀芯的静、动态特性如图4 3 卜2 和图4 3 卜3 嘲所 示。由该阀的静态特性压力响应曲线可知，该阀响应灵敏度高，先导阀压力输 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第2 s 页 出平稳，无突跳和迟滞现象；其流量一电流特性曲线表明该阀流量特性 具有很好的直线性，滞环不大，在理论上可以在零点附近消除滞环的影响， 不用为零位死区和滞环而另设补偿电流。这些特性有利于铣耳机纵向进给速度 控制。但从其流量负载特性可以看出该阀的速度刚度不够，达不到理论上 的流量不随外载变化而变化的要求，故应在控制系统设计中另外加控制器，以 实现控制阀流量，既对应执行机构的运行速度不随外负载变化而变化。 从该阀的动态特性，阶跃信号响应函数和幅频特性可知，该阀动态响应速 度快，动态品质优良。 少夕 ，么 ， 歹 少 。；? 。；? 。， c o 衄a n dv a l u ei n 一 1 0 0 1 0 0 i 脚t i n g 咖鹊如e a 蛳da t1 0b 缸v a l v e 皿e s & 口ed i f f e r e n c eo r5 b a rp e rc o n t r o le d g e ) s p 0 0 1w i t hc u r v el 1 _ h i g hn o i n b lf l w 2 = l o _ n o m i n a lf l o _ p o s i t i v eo v e r l a pot oo 5 w i t hs p o o ls y m b o lv 图4 3 1 2 ( 1 ) 阀的流量特性曲线 柏 们 处 i 鬟口州to一 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第2 9 页 近的。传感器的输出与输入之间的关系通过建立数学模型来表示 是常系数线性微分方程瞄 ：y d ”1 y毋吼j 尹+ q ui 万 + + q 云+ y 吨等吨等+-叫鲁揶应用最多的式中y 一输出量石一输入量f - 一时间 半一输出量对时间t 的n 阶导数； 口：一常数。j=o，l，2，3，： 6广一常数。j=o，1，2，3，： 传感器数学模型的阶次和系数决定于传感器的各组成部分的特性。 传感器的频域指标通常为： 通频带甜。幅值衰减一3 d b 时所对应的频率范围。在实 际应用中，传感器的通频带应远远大于控制系统的，这样才不致 影响系统的动态特性。相位误差在工作频带范 围内，传感器的实际输出与无失 所示，采用阶跃输入研究传感器 时域动态特性时，传感器的时域指 标通常为： 上升时间亡r 。指输出指示 值从稳定值的5或10变化到最 时间。 响应时间亡s t 指从输入量 开始作用到输出指示值进入稳定(42) y 匣二二二二习 h厂y、广、，、一12 竺： la 。_ _ _ - _ _ 。_ _ _ _ - 。- i - _ - 。_ 。_ 。_ - 。_ 。_ 。一 图4 3 2 2 永磁式直流直线测速发 电机原理简图 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第3 0 页 值所规定的范围内所需要的时间。 4 3 2 2 速度传感器的类型和特点 常用的速度检测方法有机械检测、电气及电子检测。为和本论文中选用的 电磁换向阀、电液比例方向节流阀( 其输入信号和阀本身的感应式位移传感器 接收的信号都是直流模拟信号) 相匹配，选用永磁式直流直线测速发电机。它 的测量灵敏度高，测量结果不需要间接转换就可以供闭环系统使用，降低了误 差。其工作原理如图4 3 2 2 所示。 永磁体产生磁场，若线圈所匝连的磁场发生变化，则该线圈便感应出电动 势，其电动势的大小与变化的速度成正比，用该电压信号来表示速度信号。永 磁式直流直线测速发电机的输出信号电压u 和输入速度信号v 的关系如下： 式中 矿_ 直线速度： 血电动势系数： u = ( 4 - s ) i + r ， 尼一内电阻 见一负载电阻 其输出特性如图4 3 2 3 所示， 是一种输出直流电压信号的速 度传感器，它的输出电压与直线运动 速度成正比例，电压的极性由速度方 向决定。 尽管输出电压信号与输入速 度信号之间具有线性关系，但通常在 不同的负载下其线性输出特性的斜 率不一样。 它的特点如下： ，吼 馀。， 砀。 v 萏4 3 2 3 直流直线测速发电机输出特性 输出的直流电压存在波动分 量和不灵敏区，这些缺陷可以通过外部电路来减小，以满足高性能的使用要求。 实践证明，如果被测信号的波形和正弦波相差不大，则被测信号的谐波中 最高频率可以用其基频的2 3 倍代替，这样选用设计传感器时，保证传感器固 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第3 1 页 有频率不低于被测信号的基频的1 0 倍即可。 4 3 3 纵向进给装置电液比例速度控制系统的方案 由绪论1 2 节中所述，并考虑系统对该回路的要求，将该回路设计成比 例速度闭环控制回路。 4 3 。3 1 生产线对控制系统的技术要求及性能指标 速度控制频域动态指标 相位裕量y = 4 5 。7 0 。 增益裕量最8 抬 一3 d b 频宽8h z 速度控制时域动态指标( 在单位阶跃信号作用下) 上升时间乙d 1 占 超调量口。1 0 调整时间以锄2 占 技术经济指标 速度控制精度 2 工作噪声 8 5d 口 4 3 3 2 电液比例方向流量控制阀的选择 比较4 3 1 小节中对构建比例速度闭环控制回路的关键元件一电液比例 方向流量控制阀的论述，尽管电液比例方向流量阀的流量一负载压力特性非常 理想，其速度剐性大，可以使铣耳机纵向进给装置的速度控制只取决于给定输 入信号，而不受外载变化的影响，但是结合本系统的工程实际情况，使用电液 比例方向流量阀作为控制系统的关键元件存在以下不足之处： 由于组成方向流量阀压力补偿回路的减压阀或溢流阀本身的性能限制， 在负载剧烈变化或油源压力异常扰动时，其压力补偿功能降低，使整个阀的速 度抗干扰性明显下降，甚至无法正常工作。 对本系统而言，对称阀控制不对称油缸，并且在频繁换向时存在冲击， 在这样的工况下，并不能充分发挥方向流量阀的控制特性。 方向流量阀维护不方便，价格昂贵。 另外，文献表明，比例节流阀能控制的流量比公称流量大的多，而比例流 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第3 5 页 其输入电压信号至控制电流信号的传递函数可写成： r ， 垃：墨坠 u