（电气工程专业论文）cy8011不落轮车床研究.pdf

a b s t r a c t a b s t r a c t ：、矾t l lt h ed e v e l o p m e n tt r e n do fh i g h - s p e e d i n ga n do v e r l o a d i n g , w h e e lt r e a dr e p a i r i n gn e e dm u c hm o r ew o r k i n gc a p a c i t y a n dt h ea c c u r a c ya n d g e o m e t r i c a ls h a p ed om u c ht ot h et r a i n sm o v i n gs t a t u sa n ds a f e t y s ot h er e p a i r i n go f w b e e ln e a dn e e dt ob em u c hb e t t e r , n o w a d a y s ，f i x e dw h e e ll a t h e sa n df i x e dn o n - p u l l i n gw h e e ll a t h e sa r et h em a i n r e p a i r i n gt o o l si nc h i n a f i x e dw h e e ll a t h e sh a v et h ec h a r a c t e r i s t i c so fh i 曲a c c u r a c y a n dh i f g he f f i c i e n c y , b u tc o s tm o r es t a n d i n gt i m eu n d e rr e p a i r s i m u l t a n e o u s l y , t h e i n s t a l l a t i o no ff i x e dn o n - p u l f i n gw h e e ll a t h e sc o v e r st o ol a r g ea r e aa n dn e e d sh i 【g h a c c u r a c y b e s i d e s i tc o s t st o om u c hm o n e ya n dt h e yb o t l lh a v eh i g hp r i c e sa n dc o s t h i g h l yo nm a i n t e n a n c e t h e r e f o r e ，i t se s s e n t i a lt od e v e l o pc y 8 0 11f i x e dn o n - p u l l i n gw h e e ll a t h ea n dt h e f e a s i b i l i t yi sd e f i n e d f i r s tt h ep r o g r a mo fl a t h ed e v e l o p m e n ti sd e t e r m i n e d t h e nt h e c o m p o s i t i o no f c y 8 0 1 1i si n t r o d u c e d a n dt h ep l cb a s e do ns 72 0 0 i sa n a l y z e d a tt h e s a n l et i m e ，t h eh a r d w a r ec o n t r o lc i r c u i ti se x p l a i n e da n dt h ep o w e rp a r tp a r a m e t e r sa r e c o n f i r m e d b e s i d e s ，t h ep r o g r a ma n ds t e p 7 一m i c r o w i na r ed i s c o u r s e di nd e t a i l a tl a s t , t h ed e v e l o p m e n to fc y 9 0 11i sp r o v e dt ob es u c c e s s f u lt h r o u g he x p e r i m e n t s i th a s i m p o r t a n ts o c i a lc o n s e q u e n c e sa n dg r e a te c o n o m i cb e n e f i t s k e y w o r d s ：m o b i l e ；n o n - p u l l i n g ；w h e e ll a t h e ；p l c ；s t e p 7 一m ic r o w i n c l a s s n o ： 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通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， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：沈泓 导师签名： 签字日期：2 0 0 7 年1 1 月2 7 日签字日期：年月 日 韭塞銮道丕堂童些亟堂焦迨塞丝剑挂巨盟 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和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学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：沈泓签字日期：2 0 0 7 年1 1 月2 7 日 致谢 本论文的工作是在我的导师王毅教授的悉心指导下完成的，王毅教授严谨的 治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢三年来王毅 老师对我的关心和指导。 王毅教授悉心指导我们完成了该课题的科研工作，在学习上和生活上都给予 了我很大的关心和帮助，在此向王毅老师表示衷心的谢意。 王毅教授对于我的科研工作和论文都提出了许多的宝贵意见，在此表示衷心 的感谢。 在研制工作及撰写论文期间，许多同学、老师对我研究工作中的困难和论文 中的问题给予了热情帮助，在此向他们表达我的感澈之情。 另外也感谢家人，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学业。 j e 鏖 銮道盍 堂主 些 亟堂焦迨塞 序 机车轮对踏面的几何形状和精度，对机车运行品质和安全而言至关重要：而机 车轮对的踏面旋修是机车检修的最经常、最重要工作之一。随着列车高速化、重 载化趋势的不断发展，轮对踏面检修工作量也越来越大，要求也越来越高。 机务段担当的货物列车的牵引任务，在区段弯道多，曲线半径小时( 最小曲 线半径3 5 0 米) ，机车轮缘磨耗较重，待修轮对多。检修规模为小修段单位，没有 配属轮对旋修设备，所有需旋修轮对，均需解体落轮后，送外段检修，由此造成 了机车库停时间长，机车供应紧张，检修成本高等问题。 由于大部分轮对磨耗后实际需旋修加工量不大的特点( 主要是轮缘超高，厚 度减小，多数情况下踏面并不需要旋修至原型) 。1 9 9 7 年我们和四方机车车辆研究 所合作研制了减磨型机车轮对薄轮缘踏面模型，大大减少了轮对加工的切削量， 提高了机车使用轮对的寿命( 该项目获得铁道部科技成果三等奖) ，也给我们研制 修复机车轮对踏面提供了基本的模板。本着投资省，不占用检修车间面积的原则 和全国类似机务段诸多，问题带有普遍性，解决这一问题有一定推广价值的设想， 提出了研制移动式轮对踏面旋修工装的科研项目。基本设想是借助机车自身动力 或牵车电源动力，轮对自转，在检修地沟内安装一简易工装，对东风4 机车有磨 耗超限等缺陷的轮对轮缘、踏面进行修复。 c y 8 0 1 l 移动式不落轮车轮车床的研制开发成功，是该类设备的首创，完善了机 车轮对加工设备的型普。对普及机车轮对加工设备，缩短机车检修停时，提高机 车周转率，推动机车检修手段的现代化，有着积极的经济效益和显著的社会效益。 第一章绪论 1 1 课题来源 机车轮对踏面的几何形状和精度，对机车运行品质和安全而言至关重要；而机 车轮对的踏面旋修是机车检修的最经常、最重要工作之一。随着列车高速化、重 载化趋势的不断发展，轮对踏面检修工作量也越来越大，要求也越来越高。 机务段担当的货物列车的牵引任务，在区段弯道多，曲线半径小时( 最小曲 线半径3 5 0 米) ，机车轮缘磨耗较重，待修轮对多。检修规模为小修段单位，没有 配属轮对旋修设备，所有需旋修轮对，均需解体落轮后，送外段检修，由此造成 了机车库停时间长，机车供应紧张，检修成本高等问题。 由于大部分轮对磨耗后实际需旋修加工量不大的特点( 主要是轮缘超高，厚 度减小，多数情况下踏面并不需要重新旋修至原型) 。结合薄轮缘样板我们可以以 很小的切削量来完成踏面的修复，本着投资省，不占用检修车间面积的原则和全 国类似机务段诸多，问题带有普遍性，解决这一问题有一定推广价值的设想，提 出了研制移动式轮对踏面旋修工装的科研项目。基本设想是借助机车自身动力或 牵车电源动力，轮对自转，在检修地沟内安装一简易工装，对东风4 机车有磨耗 超限等缺陷的轮对轮缘、踏面进行修复。 在进行反复科学论证之后，我们研制了移动式不落轮车轮车床，型号为 c y 8 0 1 1 ，“c ”为车床汉语拼音第一个字母，“y ”代表移动式，“8 0 ”在国家机床型 号命名中为车轮车床，“1 l ”代表最大加工直1 1 0 0 咖。 1 2 课题必要性和可行性 针对目前轮对旋修存在的问题，移动式不落轮车轮车床的研制对这一普遍问 题提供了较好的解决途径。经过研究分析，我们得出目前车轮对修复中存在的诸 多问题，并提出研制不落轮车轮车床的必要性和可行性： ( i ) 随着铁路运输向着高速、重载的发展，轮对踏面磨耗加剧，机车检修工 作量逐步增加。市场竞争的残酷也要求压缩机车在段停留时间，提高机车利用率， 降低修车成本。据统计，落轮旋修一条轮对平均要一个检修台日。 ( 2 ) 固定式不落轮车床占用机车检修台位，使机务段减少一个定修台位，缩 小了检修通过能力，对能力紧张的机务段尤为重要旋修台位的固定还增加了库 内调车作业工作量，给机车检修生产布局加大了难度。 ( 3 ) 受资金、场地等限制，小修机务段等单位无条件配备大型不落轮车床甚 至车轮车床，他们轮对旋修工作只能委托架修段进行，费工费时。增加运输成本 的同时，也带来了汽车运输的不安全因素无轮对加工设备的单位急需一种物美 价廉的轮对踏面加工设备。 ( 4 ) 通过对机车空间结构和固定式车轮车床结构的研究分析后我们认为，普 通机床大部分结构功能是用来支撑轮对定位、动力传动用的。如改变机车轮对定 位方式，充分利用机车传动系统，以地面作床身，巧妙设计刀架传动系统，实现 车轮车床小型化是可行的。 ( 5 ) 先进刀具的引进，零部件市场的日渐丰富，为改进机床设计提供了良好 的物质条件。 ( 6 ) 计算机三维设计的应用，可快速进行多方案比选、修改，电子样机模拟 运行试验，为设计提供了先进技术手段。 综上所述，研制一种结构相对简单，重量轻，可移动的机车不落轮加工设备 不仅必要，也是完全可行的。 1 3 课题意义 c y 8 0 1 1 移动式不落轮车轮车床的研制，是该类设备的首创，完善了机车轮对加 工设备的型普。对普及机车轮对加工设备，缩短机车检修停时，提高机车周转率， 推动机车检修手段的现代化，有着积极的经济效益和显著的社会效益。 1 3 1 经济效益 设备投资减少。 固定式大型不落轮车床目前国内只有青海重型机床厂等极少数生产，设备单 价目前约1 2 0 万元左右，占地面积约4 0 平方米，基础造价约1 0 万元，总投资在 1 3 0 万元以上。由于投资巨大，目前只在少数中修以上规模机务段配备，大部分中 小型机务段无能力购置。而移动式不落轮车床试制成本约1 5 万元，加工质量和效 率不低于固定设备，投资效益显而易见。 机车检修停时缩短，利用率提高。 对于没有大型不落轮车床的单位，单独落轮旋修是件很麻烦的事，一条轮对 大约要一天时间，实际轮对车床加工时间一般不超过两个小时。频繁的拆装费工 费时，有时还易造成拆装错误因而给安全运输生产带来不安全因素。可移动式不 落轮车床的研制与应用，将大大缩短机车检修停时，提高工作效率。 1 3 2 社会效益 目前我国经济建设高速发展，轨道运输所具有的高效率、低能耗性能越来越 受到人们重视，铁路建设正处在一个方兴未艾时期。国铁、地铁、大型厂矿自备 铁路建设均须形成一定规模的机车检修能力，但他们往往受建设规模、建设资金， 场地厂房等条件限制，不宜建设大型设备。移动式不落轮车床，相比于大型固定 式车轮车床具有更大的灵活性，因而更适合他们的建设规模和使用要求，迎合了 2 j e瘟窑堡盔堂童些亟 堂 僮 途 童 他们的需要，为他们提供了一个更大的市场选择空间。 1 4 本章小结 本章分析了课题研究的背景，并对研制移动式不落轮车轮车床进行了可行性 和必要性进行了深入探讨，确信课题的研究，解决目前我国机车轮对旋修存在问 题。 第二章c y 8 0 11 移动式不落轮车床设计方案 目前国外已实现自动加工系统与自动测量系统组成的全自动加工循环数控 系统，大致分为不落轮车床和不落轮铣床两类。这两类车床都具有高智能、高精 度、高加工能力。我国近期开发生产的c k a 8 0 1 3 a 数控不落轮车床，在原c a 8 0 1 3 基础上将刀架进给部分由液压仿形改为数控仿形，常见的c 8 0 1 1 b 车床精度较高， 而且对其缺点，目前已有许多改进措施。但这些车床，不论是哪种类型，都是固 定式的，真正移动式的不落轮车轮车床还没有进行开发。 随着科技的不断进步，传统车轮车床在轮对旋修上，已经存在了明显的局限 性。我们通过与传统固定式车轮车床和传统不落轮车床进行比较，在结构形式和 仿形方式上进行优化比选，最终确定了研制c y 8 0 1 1 的基本技术方案。 2 1 传统车轮车床的局限性 传统车轮车床主要有固定式车轮车床和不落轮车床。这两种车床在使用中都 有一定局限性，主要表现在： ( 1 ) 固定式车轮车床虽然有加工精度好，效率高等优点，但必须将机车轮对拆 下，所需机车检修停时长。对只需进行轮缘、踏面局部旋修的机车造成多余的机 车拆解工作量。一般多用于具有机车大修、中修能力的铁路机务段和大修厂。 ( 2 ) 现有固定式不落轮车床为轨道下沉式安装，占地面积大，基础复杂，安装 精度要求高，投资大。 ( 3 ) 固定式不落轮车床需有较好的安装位置( 如需室内、防雨等) ，一般要占 用一个定修台位，降低了检修台位的使用能力。安装了不落轮车床的股道要限速 运行和不能长久停留机车，影响轨道的使用和通行能力。 ( 4 ) 大型机床价格高、投资大，不利于设备的普及。 ( 5 ) 大型机床使用维护费用高，对维修人员技术要求相对也要高些。 ( 6 ) 许多在运用机车轮缘、踏面实际并不需要全面旋修，只需对超限部分做局 部旋修即可，相对加工量较小。落轮旋修停时浪费较大。 2 2 技术要求 根据机车轮对检修工艺要求和机务段实际情况，我们提出了方案的技术要求 如下： 1 依照机车轮对轮缘、踏面检修工艺技术要求，可对轮对直径由1 0 5 0 m m 的 d f 4 系列机车踏面进行全踏面仿形加工。修改设计参数后，可对轮对直径由1 2 5 0 m m 的s s 系列的电力机车踏面进行全踏面仿形加工。 2 机车不解体落轮，不对机车任何部位改动，不拆卸主要零部件。 3 以机车牵引电机为主驱动元件，利用机车自身动力为主驱动力，也可以外 部电源供电。 4 j e立窑耍盔堂童些亟堂僮i 金塞 4 设备可移动，灵活设置，利用现有检修地沟车下作业。 5 仿形自动加工时，精度误差轮缘顶部1 o m m ，其它0 5 0 r a m ，粗糙度 1 2 7 i j - i n 。 6 有手动操作功能。 2 3 结构形式选择 依据以上技术要求，经过设计研究，我们对主要结构形式进行了多方案论证 比选。 ( 1 ) 整体式地沟内置方案 将设备做成单一件整体放入地沟内。优点是设备紧凑成本低。缺点是结构复 杂，重量大不便于移动，设备不好与机车联系定位，刀具距被加工面远，系统整 体刚度差，加工精度难于保证。 ( 2 ) 分体式地面机车轮下方案 将设备做成左、右对称分体形式，分别置于左、右车轮之下，除具有与整体 地沟式正好相反特点外，还有单机重量轻便于移动，地面作业条件好于地沟内， 机体兼做轮对支撑体等系列优点。 综上所述，对于结构形式我们选第二种方案。 2 4 仿形方式选择 依据2 3 技术要求，经过设计研究，我们也对仿形方式进行了多方案论证比 选 目前常用的有以下三种形式： ( 1 ) 液压模板仿形 采用模板产生踏面曲线信息，液压传动。优点是进给力大，能强力加工。缺 点是系统复杂庞大，仿形精度差，不适合本系统使用。 ( 2 ) 传统继电器模板仿形 采用模板产生踏面曲线信息，电气传动。电器系统复杂，设备庞大，故障率 高，仿形精度一般。 ( 3 ) 全数字控制仿形 采用计算机产生踏面曲线信息，数字传动。技术先进，精度好，可靠性高。 但技术复杂，对机械传动系统要求高，成本高，踏面曲线为数字信号，一般单位 不能自行处理。不便换型。 经以上分析，以上三种传统方案均不适合本系统要求。综合它们的优点，采 用机械模板产生踏面曲线信息，通过数字传动技术进行数据处理、放大、驱动步 进电机进行仿形加工型的技术方案，创造性的解决了这一技术难题。经实践检验， j e丞窑 道太堂主 些 亟堂焦盗塞 方案是成功的，得到了满意的效果。 2 5 总体设计方案 本设计是对c y 8 0 1 1 可移动式轮对车床的设计与研究，电路采用p l c 控制，x ，y 轴驱动元件均采用步进电机：利用先进的数字传动技术，带动执行部件完成旋修 切削，保证了切削工作的精确性：采用专门高质量刀具设计，确保旋修质量；配备 辅助电源，能够保证车床的正常准确工作。 。 本车床由机械系统、电控系统、伺服电机、传动系统、刀架系统和辅助设备 构成，如图2 - 1 所示。 图2 1 车床组成 2 6 本章小结 c y 8 0 1 1 移动式不落轮车轮车床，是全新独创设计。在研制过程中，专门制作 了模拟试验台架，在台架上进行了各种参数试验、设计修改。并按照车床组成， 对车床机械系统、电控系统、伺服步进电机系统、传动系统、刀架系统和车床辅 助电源设备等进行了设计制造，对车床各系统的性能不断优化，确保了车床电气 工作的稳定性和可靠性。 j e基銮适盍芏主些亟堂焦丝塞 第三章车床构造与基本工作原理 移动式不落轮车床，是针对不解体轮对修理而研制的。它自动进行直径测量， 轮形的摩擦测量，自动完成轮形踏面的仿形切削，自动显示、打印轮对各有关测 量、加工数据等等。对于不解体轮对修理设备要完成上述功能，难度是相当大的， 其机械结构、液压系统、电气控制的设计，机、电、液性能的综合，电气控制过 程的实现，与传统的不落轮对车床有很大差别。 3 1o y 8 0 11 概况 c y 8 0 ll 移动式不落轮车轮车床，是借助任一机车检修地沟，在机车轮对不解 体下车情况下，以机车牵引电机为主动力，以机车轮对轴箱轴承为回转中心，对 机车轮缘、踏面进行仿形车削加工，达到恢复机车轮缘、踏面几何精度，保证机 车运行品质的目的。 机床设计使用范围是车轮直径巾1 0 5 0 m m 的d f 4 型系列机车，修改设计参数后， 也可用于其他类型内燃、电力机车。 它具有以下功能特点： ( 1 )设备无需安装，可移动使用，不用解体落轮，有检修地沟即可 工作。 ( 2 )全踏面自动任意仿形加工，精度好，可达到大型固定式车轮车 床加工水平。 ( 3 ) 靠模仿形，操作简单，更换轮缘踏面样板容易，无需专门培训。 ( 4 ) 自备叉式运输车，移动、就位方便。 ( 5 ) 西门子可编程控制器、步进电机及驱动器性能稳定，工作可靠。 ( 6 ) 控制系统2 2 0 v 供电，功耗低，节能，使用方便。 c y 8 0 1l 移动式不落论车床的基本性能参数如表3 1 所示。 表3 1c y 8 0 1l 基本性能和技术指标 c y 8 0 11 移动式不落轮车轮车床 加工轮对直径范9 0 0 一 仿形给进速度5 7 6 7 9 9 1 4 4 围1 1 0 mm 分 加工轮对最大宽1 5 0 m刀架移动速度1 5 0 r a m 分 度 轮对工作转速范3 - 3 6 辕?纵向进给最小0 0 2 r a m 格 围分分度 全踏面仿形时间 3 0 食1横向进给最小0 0 2 r a m 格 次 分度 仿形精度 o 5 m m 控制系统电源3 o k w ，单向2 2 0 v j e立窑亟盔堂童些：亟堂焦监塞 加工后踏面径向 o 2 舢 主驱动系统电 3 0 k w ，三相3 8 0 v 跳动 源 加工后踏面粗糙 牛 主机外型尺寸 1 2 5 0 1 2 9 5 术4 3 0 咖 度 r a l 2 7 um 最大切削深度 0 5 m m 重量约1 0 0 0 k g 3 2 不落轮车床工作原理 不落轮车床是机务段机车轮对加工专用设备，用于机车轮对不解体车削加工。 不落轮车床由数控系统、机械传动机构、垂直顶轮机构、液压系统和防窜装置、 整流电源、机床电控系统等部分组成。数控系统根据加工程序和操作指令控制刀 具的运行轨迹，完成轮缘曲线的加工：机械传动机构由齿轮变速箱、滚珠丝杆传 动装置构成，将两个垂直方向的由数控系统的电机动力传递给刀具：垂直轮机构 由蜗轮蜗杆构成，将被加工轮对顶起，使之悬空转动；整流电源作为机床的辅助 设备，为被加工机车轮对牵引电机提供动力，驱动轮对转动；液压系统为4 5 度斜 向液压顶轮装置提供动力，斜向顶轮装置在加工中对被加工轮对水平方向定位， 防止车削加工时轮对产生横向窜动；机床电控系统对以上各部分进行电气控制， 并实行安全联锁。 3 3 车床系统构成 c y 8 0 1 l 移动式不落轮车床，主要由主机、叉式运输车、电控箱以及轮对外部 驱动电源组成。 3 3 1 主机 主机共2 台。分左右各一台，主要分别由床身、刀架系统、仿形模板系统、 传动系统，轮对支撑定位系统和电控系统组成。主机是机床的主体，它的功能是 按照模板轮廓完成轮对踏面的仿形加工。图3 1 为主机的详细结构图。 j e塞窑望盔堂童些亟堂焦盈塞 图3 - i 主机构造 3 3 2 叉式运输车 叉式运输车具有升降、仰角变化、万向移动功能，用来完成主机短距离运输， 机车轮对下就位功能。车上装有电气设备从而形成一套完整移动设备。 3 3 3 电控箱 电控箱是整个车床的核心部件。电气控制系统由德国西门子可编程控制器、 步进电机驱动器和其它辅助电路组成。来自仿形仪的模板模拟信号，经加工处理 变成数字信号驱动步进电机进行仿形运动，推动刀架完成所需加工形状。 控箱及c y 8 0 1 1 整体图 3 3 4 轮对驱动外部电源 轮对驱动外部电源是整个车床的配套设施。轮对转动可以由机车自身动力驱 动，也可以由外部电源驱动，最初设计是利用机车自身动力驱动。但经实际试验， 机车驱动调速性能差，特别是旋轮加工要求轮对最佳转速仅为6 一1 5 转分，机车 调速不能完全适应轮对旋修的转速要求。因此，对车床配置了专用电源。该电源 采用电压闭路反馈自动调节，可满足切削时负载变化大，低速稳定的要求，较好 的解决了轮对驱动问题。 3 4 轮对回转与机床几何关系的正确建立 固定式机床都是机床固定不动，被加工件以一定定位基准和方式装夹于机床 之上。移动式不落轮车床车削轮对时，机车是固定不动的，必须机床移动去适应 机车。使机床与机车轮对建立正确的几何关系( 即定位) 是保证加工质量的基础。 本设计采用被加工轮对以机车轴箱轴承为主运动回转中心，轨道两钢轨顶面 为水平基准。床身置于轮对下钢轨上( 床身兼做轮对支撑平台) ，用v 形块支撑轴 箱外部，将轮对水平架起。水平方向由四个与轮对内侧面相切的滚轮确定床身纵 向位置和限定轮对轴箱窜动的定位方式，如下图3 6 ( a ) ( b ) ( c ) 所示。 0 j e夏窑亟盍堂童些亟 堂焦诠塞 图3 - 6 ( a )图3 - 6 ( b ) 图3 - 6 ( c ) 3 5 仿形系统工作原理 本仿形设计的信息处理采用了模、数混合方式，基本工作原理是：仿形模板 提供一标准轮对轮缘、踏面曲线信息( 模板制作误差忽略不计) ，仿形仪触指在沿 模板移动时，将模板曲线信息转换成具有x ，y 两个方向信息的向量开关信号，送 入可编程控制器( p l c ) ，在可编程控制器内，刀架x ，y 方向运动参数受到仿形信 号调制，所输出的带有仿形信息的数字脉冲经功率放大后直接驱动步进电机运动， 通过机械减速放大扭矩后，传递给车刀，加工出满足精度要求的轮廓形状。 韭塞窑塑盔堂主些亟堂焦 丝 塞 图3 - 7c y 8 0 1 1 仿形原理 该设计的优点是系统简单，系统总误差随时受到仿形仪修正，不产生积累误 差。刀具只跟随模板运动，不受机床安装绝对位置影响，不用建立绝对坐标系统。 经实际应用，精度高于轮对加工工艺要求。同时，c y s 0 1 1 移动式不落轮车床选用 了电气仿形中成熟的模板、仿形仪技术。该技术具有技术简单，成熟可靠，信号 处理容易，与机务段现用技术兼容，操作、维修人员易于接受等特点。 1 2 第四章车床电气控制硬件部分 整个车床的电气控制是通过电控箱来实现的。c y 8 0 1 1 的电气控制系统由德国 西门子p l c 可编程控制器、步迸电机驱动器和其它辅助电路组成。电气控制的软 件部分主要是梯形图编程，编程环境为西门子的s t e p 7 一m i c r o w i n 。车床工作时， 控制器对程序逐个扫描，当整个扫描完成时，便重复进行循环扫描，从而对监控 变量的变化进行捕捉。 4 1 控制方式的选择 车床控制系统的控制方式按其伺服驱动方式基本上分为开环控制( o p e n l o o p ) 、半闭环控制( s e m ic l o s e dl o o p ) 、闭环控制( c l o s e dl o o p ) 三种。三种控 制方式的特点如下表所示。 表4 - 1 伺服系统三种控制方式比较 伺服系统控 开环控制系半闭环控制闭环控制系 制方式统 系统 统 驱动系统步进电机、电电液伺服阀一液动机，宽调速直流 液脉冲马达、电液伺服电机，宽调速交流伺服电机 脉冲液压缸 检测元件圆光栅，旋转光栅，感应同 变压器，圆感应同步器，磁光栅 步器， 优点简单，容易掌具有良好的定位精度高 握，易于调试 调速性能，过载能 力强 缺点过载能力差， 精度低于闭因系统复杂， 有噪音，受功率和环控制系统，但是故调试困难 有限转矩限制，速易于调试 度和精度受限 补偿方式机械补偿旋转式检测直线式检测 元件元件 适用范围小型机车，线中小型数控高精度，大型 切割机 机床 机床 成本价格低廉价格适中价格昂贵 应用情况应用广泛，技目前大多数要求精密型 术成熟车床所采用的车床 伺服系统是由伺服驱动电机和伺服驱动装置组成，它是车床系统的执行部分， 其作用是把来自车床控制装置的各种指令，转换成车床移动部件的运动速度、运 动方向和位移量。两个移动部件都有各自的伺服系统。开环伺服系统在传统固定 式车轮车床中广泛应用。开环系统不对控制的结果进行任何检测，只是根据输入 信号进行控制，在控制过程中，对控制结果可能出现的偏差没有进行修正的能力， 系统中的各部分误差折合为系统的位移误差，因此精度较差。但由于它不对被控 量进行检测，因此系统结构简单，易于调整，设备投资少。但随着计算机的应用， 误差等都可以用软件实现补偿，从而提高了系统的传动精度，并使硬件更为简单 根据c y 8 0 1 i 的具体要求，我们选择开环系统即可满足要求。 4 2 车床电气控制构成 车床控制回路图见附录图l ，车床电控单元的基本控制简图如图4 一l 所示。 图4 1c y 8 0 1 1 移动式车轮车床电控图 c y 8 0 1 1 借助机车电源提供驱动力，也可利用自身配置的辅助电源设备对车床 进行供电，控制回路电源单向2 2 0 v 。车床设计有人机接口，即控制盒部分，它可 以实现手动操作，满足设计需求；车床控制采用可编程程序控制，即p l c 控制方 式，c y 8 0 1 l 采用的是西门子公司s 7 2 0 0 系列的c p u ，电控单元完成p l c 外围控制 电路的设计，总电源、控制电源和开关电源电路的设计。电机控制回路部分是对 伺服系统工作电路的设计，步进电机从接收指令，利用数字传动技术，经过传动 系统到达刀架系统，对列车轮对实施切削 4 3 控制盒 4 a e 夏 銮适太堂主些亟堂焦 边 塞 捌幽窭6 鐾孽罐 ；并氍：誓：磨各t 一一一曩- ； t 7 一1 “；：；一醴：嚣寸。一 强至孥；：蕊互 ，曼 尊翠鼍堆= 撕：建；# 蔷譬 一 t e 擐磷一t 1 ： ： l 万力丹争牙 誓 傣鳓劂 一i 辍 群j j ， 1 t _ i 。 ： j 曼习雁行l l ， 1 r | j 。一1 1 一一丁 in ! i i ，啤l 琮i ； ； 二 e i ；i1 l lj i jy i j #草 辑坫f 蝌 鼓# 黼 - t 一斗 1 i 、，汀_ 了j 卞 j j 图4 2 车床控制盒 这是c y 8 0 1 1 的实现手动操作的入口。控制盒在车床控制中的功能是强大的， 控制盒的设计相对比较简单，十分明了。作为人机接口，移动式车轮车床的启动、 运行、停止，x 、y 轴两个步进电机的给进、给退，以及进给档次的选择，操作模 式的改变，都可以通过控制盒界面进行操作实现。c y 8 0 1 1 控制盒界面如图4 - 2 所 示。控制盒的对刀旋钮与控制器单元的连接如图4 3 所示 善矧。扯 h ! ：；：j ： i 嗣。 嚣 j t c p u 忽2 ， ：黼m 卿7 一1 mt ：。+ ：m1 十一 g 将b 4 7 厦钮p 一 l t 一+ 虽d 0 8 s b 5 ， 嚣 i - ，。 q o d ， m 寻：一：! q o i 里： ：西2 g n d l 1 4 j i - f 并“ l ； 一- - ：i 6 ；i ：uj q 0 3 l 。，ll ：一礤士 j t 9 9 j ：z 一 a 8 1 0 5 一 阑 j ；：、，1 0 五 一 t 皇蚰 2 0 一一一t - tj ! ，i 、一 一 ；# “：l = 丰 ，m j i ，二 t ! 丁1 t ，i 一? j 1 终 麟 g i r d ji fj ”1 再 丑： i 上磁 薛 捌 抖 十，。 耳耳1 盯丑! 矍= - - f 1 f l + + 十f + 十 一j ：。j o。j l l 一 ，十1t _ p 二刘 i h 1 汁 f r + t ， 1 什 jl 图4 3 对刀旋钮与c p u 的连接 4 4p l o 控制器与控制电路 c y 8 0 0 1 1 可移动式不落轮车床选用的是西门子2 0 0 系列的p l c 控制器，中央处 理器为c p u 2 2 2 ，这是整个p l c 的控制中枢，它控制着整个车床的性能。西门子 s 7 2 0 0 系列p l c 是专门针对小型工业系统而开发的，可提供4 种不同的基本单元 和6 种型号的扩展单元。其系统构成包括基本单元、扩展单元、编程器、存储卡、 写入器、文本显示器等。它已经可以满足c y 8 0 1 l 的性能需求。 4 4 1 车床系统c p u c p u 2 2 2 ，是s 7 2 0 0 系列之一，其管脚如图4 4 所示。 这一系列的p l c 具有以下特点： ( 1 ) 它结构紧凑； ( 2 ) 扩展性良好； ( 3 ) 指令功能强大； ( 4 ) 价格低廉。 s 7 2 0 0 系列p l c 中可提供4 种不同的基本型号的8 种c p u 供选择使用，其输 入输出点数的分配见表3 - i 所示。可移动式车轮车床根据输出点数和输入点数的 要求，选择了c p u 2 2 2 。这一型号的c p u 具有8 个输入点和6 个输出点数，同时带 有2 个扩展模块，7 8 路数字量i o 点，1 0 路模拟量i 0 点。 同时，c y 8 0 1 1 的p l c 可以提供6 种扩展单元，与基本单元连接，用于扩展车 床的i 0 点数，如表4 2 所示。 i ! l 三 j j j ! ：j 一一j jn 4 一斟抖 t c p u 2 2 2 。： 甜d ， m 。 1 一+ m i 一 r ， 一g j 目d b 1 0 d + 上j 二j ：l +：一t + 5 糟 1 0 l l = q 0 田 4 m 引i n q d j 7 一 j 一十二 卵7 讲d _ i 上i 羔。 肿3 4 - 7 一一一- ，加一 1 8 ，r帕j 书r 碍0 斗 4 1 - i ；i j ；并鼬_ 5 。- 年 b ， ? ! j 1 1 + ； t 0 31 _ 1 1 ；+ j ： - j +1 g 杆d r l 矗 ； i jh +制_ r 。j 二 斗二一- ? ：1 耳 - 。4；hh +”一l ；t o 捌砘 一 lf f 一， 卜+ 一刊 一一i i 1 h h 斗1ih“州h 一广 #h * 卜h 图4 - 4 车床c p u 管脚图 表4 - 2 $ 7 - 2 0 0 系列c p u 2 2 x 基本单元 输入 输出 型号可带扩展模块数 点点 s 7 2 0 0 c p u 2 2 1 6 4 2 个扩展模块，7 8 路数字量f o $ 7 - 2 0 0 c p u 2 2 286 点， 或1 0 路模拟量i o 点 7 个扩展模块，1 6 8 路数字量y o s 7 2 0 0 c p u 2 2 4 1 41 0 点， 或3 5 路模拟量i o 点 2 个扩展模块，2 4 8 路数字量i o s 7 2 0 0 c p u 2 2 6 2 41 6 点， 或3 5 路模拟量i o 点 2 个扩展模块，2 4 8 路数字量i 0 s 7 2 0 0 c p u 2 2 62 41 6 点， 或3 5 路模拟量i o 点 j e夏窑重盔堂主些亟堂焦途塞 表4 3 扩展单元型号与输入输出点数 类型型号 输入点输出点 e m 2 2 18 无 数字量扩展e m 2 2 2 无 8 模块e m 2 2 3 4 8 1 64 8 1 6 e m 2 3 13 无 模拟量扩展e m 2 3 2无2 模块e m 2 3 53 l 车床工作时，控制器按照p l c 系统程序进行接收并存储从编程器键入的用户 程序和数据：检查电源、存储器、i o 以及警戒定时器的状态，并诊断车床程序中 的语法错误。当c y 8 0 0 1 1 对火车轮对进行旋修时，p l c 首先以扫描的方式接收旋修 过程中各输入装置的状态和数据，并分别存入i o 映象区，然后从用户程序存储 器中逐条读取用户程序，经过命令解释后按指令的规定将运算的结果送入i o 映 象区或数据寄存器内。等这个操作程序执行完毕之后，车床p l c 将i o 映象区的 各输出状态或输出寄存器内的数据传送到相应的输出装置。 4 4 2 电气控制回路 车床控制回路包括控制部分回路和动力部分控制回路。控制主回路电路 图见附录图2 。控制回路是整个移动式车床的核心部分，它实现对c y 8 0 1 l 的整体 控制。车床动力部分控制回路包括，电源控制电路、电压转换电路、a c d c 转换电 路、稳速稳压控制模块、辅助电源照明电路等。 1 8 1l ；雕；：i，i ， j l 一 矬i + ：一 ：矧! 善 -曩譬 ； 引砖 s c5 一 ： ： i 越 ，、二 k 2 ； _ 。辱 曲 磊。垮 ： 4 孑 ；j 一 ： j ，：r i ；：叠 诌 。；j ； 茹 圈谛 ； r 。 ! 纠：， j 一崩 l ； 叶t 。 蹦 。： l 拜。艘。 对 i 拜i ：型姥 菇 s 。i ： t 阳：l： i r - 。，、 ： 椰，- 1 + ，： j譬t ； 、 ：一 j 一 + 1 l 。l 抖 i，l ! 一卜。 王i f 。 + 寸一h 弘 幽： 一 r i 冒 夕+ 十十 l i ；毪；撵融 ：j ；：j j r ： l i 萋 示器护措，咐一? f 鳟 j f 一 抖 o h l 一再 一 十 ”f 。1l。j + l - 一- 件辅鞲 ；一日千 li 上 + 。l l 卜+ + - # 一 汁t 1 丁_ f j | l 卅 十+卅 匕葺斗h 寸斗_ 卜 _ + 斗 ， ，土：陆 。t 。r ； 剥丰：# - 寺5 瑚v 。 + i 一o - ： 鞣； 氟l ：毒_ 二 何蛩1 _ + 。 螽鞫i 、。 r l 广十 十j f h 齐卜一 十卜h 一 嚆蛩一：o 阱h hj 一 拦丰# 丰黪i 钵 1 1 外辱蚌靛。h + 撅护傅音：! ! 卜卅 图4 - 5 车床控制器 控制器是动力部分控制电路的核心，c 1 ，8 0 1 l 采用3 p n 2 型控制器，它具有闭环 指示、电路保护指示的功能，对控制电路实施限流保护和保护调节，并能实现内 外环的转换工作的功能。c y 8 0 1 1 移动式车轮车床的控制器如图4 5 所示。 电源控制电路通过继电器j l ，控制整个车床的启动和停止，同时电路还配有 电路工作指示灯，便于操作人员的操作。电源控制启动部分如图4 6 所示。 电压转换，为控制回路提供可靠电压等级。控制电路不能直接使用2 2 0 v 或3 8 0 v 交流电，必须经过降压电路的降压，整流电路整流后，将2 4 v 低压传给控制部分， 确保控制电路的安全性。控制电路电压转换如图4 7 所示。 鉴于机车自身电源的不稳定性，为了保证控制电路能够正常工作不出故障， 系统设置了稳压电路，实现电机运行速度的稳定性，如图4 8 所示。 韭壶童道叁堂童些亟堂焦 监塞 图4 - 6 电源启动控制 + 手 斗 + 。1 牛 h f + 。+ 十 _ 七 一h + h 1h + h 1 汁汁j + 1 一+ 1 + 阡叶片_ - 什 1 针十叶_ 十 + 件hh * h 针抖h 一 1 夸。一ii争hhi + h + r h 1 、h + l + h i j i h 抖+ _ 卜 + 【ii 【f i j l l _ | + l1 阡：? 一十+ 抖 + j - 一 i i i - i 一 k h iil 、；i 斟+ 件i ；t ，、 l ；i f j ，t l 。、 _ 广 阡h j 十h j + 1 舟、_ 阡 + h + 斗爿刊 + h “ 毗 h+ + + 十一什_ i 卜 1h 0 + h 十抖“o 一 + 1 、廿卅 l ；缶=“ _ ；二 斗 - 卜 十h 蹦 峭一r 十h h 刊 hqhl i 卜；1 一h ； -抖h 一 l ! 。_一 ；ii i jl ；抖 h 1 + f 件h 妇b 十h 抖+ h 十t 铂b 一 十卜 + l l 十制 i ! jl ：- 倒h 伸时+ !ll l j i i ! l i i_ li【il_i 、h 譬j ! 垲# 斟；s ij 斟嫩主挂搿描 h 七篝嘲 辩南蕊赫瞵辩 卅j 图4 - 7 控制电路电压转换 图4 8 稳压电路 4 4 3 动力部分主回路 c y 8 0 1 1 的动力控制主回路见附录图3 。动力控制回路采用三相交流电输入， 输入电压等级为3 8 0 v ，三路电流分别通过a 、b 、c 三相电线流入，每相线路均接 有保险丝，实现过流保护，同时接有指示灯，以显示各相电路的通断情况。经过 变压电路( 图4 9 ) ，a 1 、b 1 、c 1 三个变压器，将3 8 0 v 交流电转变成2 0 或4 0 v 交 流电，并经过晶闸管整流电路整流后传输给步进电机，实现切削旋修工作。 其中，图4 9 与图4 一1 0 电气相连即为c y 8 0 11 移动式不落轮车床的动力控制 电路图。 图4 _ 9 变压电路 2 l 一 i1i：o：t，十；4；4+ “竹啊讨。卦舞廿塑 皿倪船船 h 6 一 6 。： 一 扣 ：d ll i = l 三 ： 馏y 。 n p ” 。 呻 。叩 l 一： a i - l t1 ” p l “t q 。 l 1 一 _ - - 讲 ：，一r 口 图4 1 0 整流电路与电机连接图 4 4 4 动力部分控制原理 动力部分是采用外部电源带动机车本身牵引直流电机进行匀速旋转，直 流电源是在速度调节器和电流调节器的双闭环控制原