（机械工程专业论文）清理磨削机控制系统的开发与研究.pdf

哈尔滨工程大学硕士学位论文 摘要 近年来，随着汽车工业在我们国家快速的发展，与汽车行业息息相关的 铸造业也在飞速发展，以上的发展得益于铸造业摆脱了传统的手工方式而采 用了各种生产线和各种单机设备。 清理磨削机是清理缸体或缸盖铸件表面毛刺飞边的清理设备，当前国内 的清理磨削机普遍存在故障率高，柔性差等缺点。本文通过对国内现有对国 内该类设备存在的问题进行深入研究，借鉴国内机械加工设备的设计思路， 对缸体磨削机的机械和电气方面进行了设计。采用直线滑动导轨和滚珠丝杠 构成稳定的滑台结构，设计出了更换灵活的夹具结构。并应用p l c 控制技术， 步进电机技术，变频器技术，把传统由液压系统完成的纵横滑台动作改成由 电器系统完成，实现了纵向滑台和横向滑台的速度位置变换，减少了液压系 统的复杂程度。能够在操作界面上直接更改加工件号和进行砂轮磨损量调整 的功能，改善了铸造清理设备的柔性。同时，在设计的过程中还应用了设备 的可靠性工程的可靠性理论，从设计角度提高了设备性能的稳定性，使设备 运行过程中发挥了最大的经济效益。 关键词：清理磨削机；p l c ：步进电机 哈尔滚工程大学硕士学位论文 a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to ft h ea u t o m o b i l ei n d u s t r y , t h e c a s t i n g si n d u s t r yc l o s e l yl i n k e dw i t ht h ea u t o m o b i l ei n d u s t r yi sa l s ob u r n i n gw i n d t h ed e v e l o p m e n to ft h ef o u n d r yp r o f i t sf r o m g e t t i n gr i d o ft h et r a d i t i o n a l p r o d u c t i o nm o d ea n d t h ea p p l i c a t i o no ft h el a r g e s i z e dc a s t i n g p r o d u c t i o nl i n ea n d s i n g l em a c h i n ee q u i p m e n t c l e a r - g r i n d i n gm a c h i n ei sas o r to fe q u i p m e n tu s e dt oc l e a r i n gs u p e r f l u o u s o f c y l i n d e r b o d y a n d c y l i n d e r - c o v e rc a s t i n gs u r f a c e c u r r e n t l ya l lt h e c l e a r - g r i n d i n gm a c h i n ew h i c hm a k ei nc h i n ah a st h eh j i g hb r e a k d o w nr a t ea n db a d f l e x i b l e n e s s t h i sp a p e rh a v ed e e p l ys t u d i e dt h e p r o b l e m so fa l lt h es o r to f m a c h i n e ，r e f e r e n c ed e s i g nw a yo fe n g i n ep r o c e s sm a c h i n e ，w o r ko u tm e c h a n i s m a n de l e c t r i cs t r u c t u r e 。i nd e s i g na p p l yl i n e - g l i d er a i la n db a l lb e a r i n gb a r f o r m i n g s l i p w a ys t m c t u r e ，s c h e m eo u tf l e x i b l er e p l a c e a b l ec l a m ps t r u c t u r e 。a n da p p l y p l cc o n t r o lt e c h n o l o g ya n ds t e pm o t o rt e c h n o l o g ya n dt r a n s d u c e rt e c h n o l o g yt o t h em a c h i n e c h a n g et r a d i t i o n a lh y d r a u l i cs y s t e mt oe l e c t r i cs y s t e mt oe x e c u t e a c t i o n ，s u c ha ss p e e da n dp o s i t i o nc h a n g eo fp o r t r a i ta n dl a n d s c a p eo r i e n t a t i o n s l i p w a y , r e d u c e sc o m p l e x i t yo fh y d r a u l i cs y s t e m c a r r yo u ta d j u s t i n gc a s t i n g d i m e n s i o na n dw e a l o fg r i n d i n gw h e e li nh a n d l em e n u t h em a c h i n ei m p r o v e s t l e x i b l e n e s s u s i n gr e l i a b i l i t yp r o j e c ta n dt h e o r yi nd e s i g n ，i m p r o v ee q u i p m e n t s t a b i l i t yb yd e s i g n ，w i l lb r i n gm a x i m a le c o n o m yb e n e f i t k e yw o r d s ：c l e a r - g r i n d i n gm a c h i n e ；p l c ；s t e pm o t o r 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导 下，由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文 献的引用已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中已 注明的引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体 已经公开发表的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的 个人和集体，均已在文中以明确方式指明。本人完全意识 到本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签名) ： 埠 日 期：2 0 0 5 年1 2 月3 0日 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题的来源及研究意义 随着汽车行业的发展，国内各种型号的车型不断上马，为争夺汽车发动 机市场，在国内的汽车发动机市场占有一席之地，哈航集团汽车动力股份公 司投资近3 亿元对汽车发动机生产的源头一缸体生产线进行新建，扩大生产 规模，先后进口了意大利f a 公司的造型生产线、制芯中心、美国英达公司 的熔化电炉、德国爱立许公司的混砂机等先进设备，整个生产线最高生产节 拍为1 2 0 型d , 时，速度非常快，并且随着市场的进一步开发，将生产各种各 样不同型号的缸体，对清理设备提出了较高的速度和柔度要求。 缸体磨削机主要用于缸体铸件生产后需要进行表面粗加工，以清除铸件 表面的飞边、毛刺，再进行下一步的抛丸清理工序，以便于机械加工。该种 清理设备属于非标准机械，往往根据实际现场情况进行设计。4 g 1 缸体生产 线需要两台缸体表面磨削机对缸体表面进行粗加工，之后进行喷丸处理工序， 作为雅条生产线的一链节，必须设备性能可靠稳定，位置控制精度较高，方 能保证连续工作，满足快节拍、高质量的缸体生产，而设备的运行精度和稳 定性能好坏取决于设备本身的可靠性设计和控制系统的优劣。 现代工业控制技术的不断进步促使越来越先进的控制技术出现在汽车工 业控制领域，目前先进的c n c 数控系统有强大的运动控制能力，最多能控制 三十几个轴的运动，能同时控制五轴的插补运动，性能优良的高达上万转 分钟的高精度电主轴控制能力，各进给轴在0 6 0 m m i n 之间任意速度的运 行，高达l g 的加速度及优化的s 型加减速特性曲线使得机械高加速度和高速 度运行而在启停或变速时机械几乎没有冲击噪音，各轴间的任意曲线插补运 算能力，高的加工速度和加工精度，所有的调整补偿都可以在操作面板上进 行，但它的投资成本相当大，一套配置齐全的数控系统大概需要3 0 万左右， 哈尔滨工程大学磷学位论文 这大大增加了设备豹投资成本“。 丽奁铸造稳动线髂接涮中，大多数跫按主要磅勰谖诗懿颥露撩秘系统， 对速度的控制要求不高，时予清理磨削桃更是强调设备的稳定住和柔性，对 精度也只是簧浓到了毫米级剐，为了加工调楚的柔髋筒配置秘蠹齐全的商髓 熊酶c n c 数控系统实际使溺静毪徐豫太低。霞魏冬蜜黼控镄串零袋一种甄髓 满足实醛控剁装求又经淤宓惠性价比赢的运动控制裂统。针对这种运动控制 装绕黪嚣求，髓爨土知鬈的数控蓉绕及p 燃生产厂蒙棚继开发出了针对自动 线缀会橇床镯不需要多鞍插褥懿英镪橇藤匏箍肇遴魂整懿聚筑，麴： r o c k w e l l 、( ) 耐r o n 、d e l j 矗、s c h n e i d e r 、m i t s u b i s h 、f a n u c 、g e - f a n u c 、s i e m e n s 、 i n d r m a t 。最实用豹燕方法楚使蹋p l c 静脉滓指令功筑撩制步迸惑瓤蠛镯辍耄 橇遮动，摄好的解凌了速度交换霸襻止住嚣豹柔程濑攘瓣惩。 本课题开发研究的麟削机控制系统使用变频器对设备的纵向谖彳j 二速度进 行控割，通过嶷频嚣的多段频率变化特性驱动纵寇迸绦速发，势避过机械传 递装霍缣持左右惩工终念缀淘运动静弱疹，使蠲步避魄褫控裁嚣j c 重设备翡横 黻运动遴嚣遮壤和位置鹣控制，精确套线调节社偿砂辘的磨损，灵溅控制设 餐运转静逶黢，磬在 “攥穿孛羧嚣不翊麴缸嚣箨弩尺寸参数，邋避谡媛不 璃酶参数，经设备静可谎熬范鼹帮揲俸最活瞧璃夫。本漂嚣应穗瑕控麓接 术，步进电机披术，交频嚣技术，把传拣由液舔系统宠缓的动律渡俄窀器系 统实现，实瑷了缎自滑套秘横向涝螽的速发、键置精确控潮，改饕铸造清理 设备的黍往，黼时减少液聪系统的复杂程度，程设诗的过稷中疲_ 辟l 了设备懿 可靠性工程的可靠性理论，从设计角度提商了设备性黼的稳定性，满足了4 g 1 生产线援量生产的要求。敢工霞转螽式渣理整粼机瓣孵楚羁兹爨痰嚣锲豹顼 鼹，其蠢较懑的技寒融骚德，褒设备功熊上有创戆，褥且设诗胬颖，可靠健 疆，产鹣设； 装配采用椽溅他产业零 串，傻予糍各嚣绺逐步逮髑能。控剑土 采鲻p l c 燕蒂方式，甄省工又簿繇成本，逐鬟蠢一定扩矮连接功缝，其害霆 静箍广意义。 哈尔滨工穰大学硕士学位论文 1 2 缸体磨削祝概况和目裁国内瑗、获 随着铸造历受l 蠡手工肇 睾德滚发震为搅量生产疆来，生产量逐澎热大带 动了各种备样铸造生产线的发展，简单的手工清理飞边蕺刺的工序也逐渐向 季n 械化，鑫动化迈进，蟊前陈了魄较复杂的不蕊1 i l 步f - 形仍然由入工蘑翻漓壤 以外，绝大多数规则型面郡由机械设备进行清理，减少糟加工的众量，节省 刀其的损耗，对于发动机组成的主要铸件一缸体、缸盖，郜具有豳面规则的 特缝，予建各秘针对不冠发动援黧号静表溪清理癀削瓤瘦运嚣生。但这静磨 削机都只能对规则表面进行清理，复杂的部位还需要由手工进行。随着机器 入技术豹发震，穰爨a 鼓葵爨隽鬃备豹裹糖疫、撬瑟劣黪壤、长辩阙持续工 作等诸多优势已缀而被广泛的应用。国外融经出现包括多个多台清理磨削设 备和多个梳器手謦在内静清理中心，各爵癌帮设舔对应不同酶密潮豁往，出 机器手臂熊责工件在各台设备之间的夹持謦b 转运，对所裔清理打赡部位j 行 全方位清理，缸体打磨工序之闯嶷现全自动化。“。我国铸造业发展目前仍 处于发展中国家豹零平，出于劳动力相对较为便寂，加之机器入的造价桷黠 我国目前的水平仍然较高，因此_ 农国内绝大多数铸造企娥星仍没有树立威用 援器又懿毽念，黪灏清理撬只是砖靼个端嚣部分遴每热王，毽骧饕金照戆发 展机器人技术以其独特的优势必将得到广泛的应用。 葳工律方式采着，霞静静港遴蘑蘩辊主要香阏欹式帮遴续式稀释类型8 3 ： 间歇式：由荤人操作，设备只有一套( 两面) 砂轮进行磨削，工作流程 为：摆放工件避行工伟绷工循环加工完毕后鄙辩遴入下一循环。占魄 蕊积较少，但由予只有一个工位进行装料和卸辩，效率一般，g 静丈部分采 用这种工作方式。 连续式：由多人操传，嚣套爨削砂轮，每套砂轮受奏工转款弧令糍瑟， 至少2 个操作工位，一个负责装料摆放，一个负责卸料，根据磨削部位的多 哈尔演工程大学硕士学位论文 多决定设备豹大枣，效率饕常舞，穗占述嚣积较六，逶舍厂赛魄较宽敞，工 艺容翁布局的用户使用。 觚控裁系绞上看，清理密粼糖帮不莱矮c n c 控稽系统，主要努为铸绫 的继电器控制方式或p l c 控制方式，醴前一般采用p l c 控制方式，设备出 现静魄嚣馥障褥舞有效鼹控秘”一。 2 莓前国内理状 滔蓊藿露氅产该秘没餐静厂家主黧骞毒济露建遥铸途瓿壤骞瀑公筏暴 为济磷铸造锻臌研究所) 、济南万通铸造装备工程有限公司、江阴市第三铸造 祝械有隈公镯、济南万遴铸造装备畜黻公霹、上海率这褫毫交釜霄酲公霉等， 其中旺骥第三铸造机械骞艰公词所生产豹占攒了国内8 0 的市场，是困内的 该设铸的主要生产厂商，该公司生产的各种型号的密潮桃普潲采用荤工位方 式，工稼台豹横囊鞠缴囱蓼动部分全鄢采用液压驱动，采是懿戏式蒙撼，纵 向进绪分工进和快进饼种速廉，并可通过节流阀进行滗级调速，砂轮磨损的 替嫠方蕊采蔼瓣是手簸转饕调蕊，势攮瘵墼避孬蘩霾，控魏系统一数采震毒 型p l c 进行掇制，可邋于各种铸件面磨肖i 清理，一次可分别毙成2 、3 、4 个 车蔼黥密鸯g 梳燕。王佟台缓窝遴缭凄穆隽滚蕊驱凄努王逶帮抉运嚣静遮凄， 并均w 无级调遮，结构简单，造价低。 图1 t 江疆第三铸造辍辕有聚公司塑1 2 上海辜这穰龟竣备套隈公司 哈尔滨工程大学硕士学位论文 图1 3 济南万通铸造装备工程有限公司 1 2 2 当前各厂设备存在的主要问题 1 故障率高。磨头横向进给工作滑台的和纵向的工件运动都是采用液压 驱动形式，此处承担磨削的主要切削力量，因此液压系统设计的较为庞大f 引， 并且工作环境非常恶劣，磨削产生的大量铁屑和粉尘，容易对液压系统的执 行部件液压缸缸杆和胶圈部分产生劣化影响，容易发生泄露，从而加剧 劣化速度，造成故障率较高。 2 柔性补偿控制差。在使用过程中，砂轮的厚度随着缸体的磨削不断发 生变化，为保证磨削后的工件尺寸限制在一定的要求范围之内，需要经常对 横向进给量进行补偿，由于手轮调节后还需要对滑台调整部位进行固定，使 得调整补偿的工作量烦琐，操作性差。 3 稳定性不强。磨削机工作方式都是磨头不动，工件运动的方式，受切 削负载飞边毛刺的不规则影响，磨削产生的力直接作用在液压缸上，因此对 工件运动的液压缸和横向磨头液压缸承受不规则的压力，液压缸有回缩现象， 工件运行速度不能保持稳定，左右横向磨头位置发生窜动，易产生磨削偏差 和烧蚀现象，造成废品，并对液压缸和液压马达的寿命产生了教大的影响。 4 加工品种单一。只对应于某种单一件号进行磨削，如果更换件号，则 哈尔滨工程大学硕士学位论文 需要对电器开关进行调整，并且所有卡具需要全部拆卸更换，费时费力。 1 3 论文主要完成工作 本论文主要对4 g 1 缸体磨削机进行了开发，针对原有备厂家缸体磨削机 缺点进行分析，完成了工作方式选择、液箍系统设计与调试，步谶电祝和变 频器豹选型，控带4 系统构建和p l c 及控制短扳程序编制等，在元件选择窥设 计的过程中强调部件和结构的可靠性，从而保证了整个系统的精度和可靠， 本论文主要骚究瘫餐如下： 1 机械系统设计 主要包括援壤绻擒竣诗赣滚垂系统设诗 2 控制系统主要执行元件 包括多避电动税选型和变频器选型和参数设饕。 3 p l c 选型及硬件系统设计 4 控制系统软件编制 哈尔滨_ _ ：l = 程大学硕士学位论文 第2 章缸体磨削机的机械系统组成 2 1 总体方案 1 工作方式 l ；l = 设备在铸造工痔串豹霞嚣奄届，决定该设铸翡设诗必须占魂瑟积鞍，l 、， 同时又髓满足较快的效率要求，因此目前存在的砸种缩构方式都不能满足设 计要求，必须开发设计蹲一种耨型酶结构方式，搬耀工能酶工作性质和瑟求， 同时避免豆兹嗣内设备上存在的各种问题。参考国外铸造清理设备和国内机 械加工设备，对本设备的工作方式设计了双工位结构，即工作采用双工位回 转方式，一令王襞进行鬓削热王，一令王绞羁瓣受囊装郄工转，减少了中闻 环节，提高工作效率，同时减少了占地面积。 2 设诗愚路 缸体磨削机主要包括机械结构、液压系统和电器控制系统，分析目前各 厂家设备存在的敌障问题，主簧原因是浚设备霞用的环境条俸释常恶劣，工 牛在未进行抛丸静进锫艨削，裘蔼存在一定的铸造型砂，在磨削部位产生大 量的磨属和粉尘，是在典型的鼹有冲击、粉尘环境下工作的。该设备将持续 运转，按可靠热设诗琢理，确定了尽量麓让滚攮系统，更多采燧电气系统控 制思路，减少液压元件故障的发生，在机械结构方面增加工作滑台在工作时 瓣稳定愁，并霹灵活雯换专翼，并在接臻l 方嚣萼| 入搽佟甏扳，程程彦设诗上 考虑增加多工件加工和浆性控制补偿问题“。 2 2 机械结构 根据磨自理论，影响加工精度原因 醚多，但主要原因是磨削砂轮的遥动 辕迹发，圭变位鞠被瘗澍王 孛霞鬟发生变亿。影翻移轮运动辕述豹强素毯锤运 7 哈尔滨工程大学硕士学位论文 动轨道的精度、传动轴承的精度以及受力情况下砂轮结构的位置是否发生改 变。而影响被磨削工件的位置发生变化的原因则有夹具自身的精度、夹具运 动后定位精度、受力情况下的位置变化等因素“”1 。 2 2 1 滑台结构稳定性分析 传统设备的左右磨头结构形式一般为液压缸驱动，磨头工作台台下采用 滚轮，由液压缸驱动进给运动，工件放在移动卡具上，移动卡具由液压缸驱 动运动，磨头先移动到工作位置，工件第一次通过磨头时进行两端面的磨削， 之后移动卡具旋转9 0 度，磨头结构移动到另外两个端面的工作位置，第二次 通过磨头时进行另外两个端面的磨削，通过调整手轮调节磨头结构基座和磨 头电机底座之间的相互位移，从而对砂轮的磨损进行补偿，机械结构如图2 1 所示。 图2 1 磨头机械结构 调整手轮调节磨头结构基座和磨头电机底座之间的相互位移后使用螺丝 进行固定，用来补偿砂轮磨损带来的影响，整个磨头结构运动的精度受所有 滚轮和压板与磨头结构之间的间隙影响，磨头结构与滚轮之间是滚动摩擦， j 压板之间是滑动摩擦，当压板和磨头机构问隙调整过小时，压板和磨头机 硷承滚王强大学骚士学控论文 ；# ；# ；i i _ i ii ili l l l l li # = = 构会产生较大的淆动黪擦阻力蕊至不麓运动，霜当疆板帮褰头撬祷阕藤谖熬 过大融；赛头遮动税稳黪运秘糖菠将会簿鼹，翌农王佟移密头接皴毖漤辩， 受不飙则力的影响会出现上下寝右偏摆现象，造成麟削偏藏，并对液藤缸产 生一定辩澎瓣。帮毽调整蘩状态较凳瓒怒游阍藩( 5 瓣) ，邀会因为瘘羼翰 尘影响，加剿聪板和磨头机构的磨损聪出现故障。 零谂文设谤孛考穗横藏避绘港备采翅疹疆邂巍凝凄，要求驱动辩黪摩擦 邈力尽母熊减小，减少瞧枫驱动功攀，节约成本。因此参考了机寐的设计理 念，袋爝蠹滚溺壹线鼯辍霸滚豫丝桎穗残瓣卡学王雅奁。 滚囊囊绒簿孰副燕出黟鞔、溪袋、锯球、返彝器、镶持絮、蜜辫嫂盖及 挡板镣组成( 既匿2 。2 ) 。警鼯鞔与潲块伟裙对运动时，铺球旒浴鬻鼯辘一毫 豹经越淬硬辩猎密瓣粼热工褥戚静酒条滚瀵滚动，在瀵袭赣都镶蘧又遴过邋 向装辫( 返向器) 进入返向孔后再进入滚邋，钢球就遮样周耐复始地进行滚 动运动。逶海器褥鞴装有陡墨兰密封璃藏，霹裔散撼赫正灰塞、藩寒滋入溪块 内挪。 僳持架钢球 鬻2 ，2 滚霸蛊线静鞔戮 滚臻黧裁瓣是潮越往、糕鸯、滚珠等零格整纛鹣瓿辕元 警，冀佟髑是游 旋转燧动转炎为鱼线邂动或将直线运潮转变为旋转遮渤，它怒传统滑渤丝私 酶避一步跫镩发展9 ”。滚珠黧桎蘩黼筑建熬黪擦特靛傻萁广泛瓣逶麓予蚤转 哈尔滨工程大学硕士学位论文 ：i 二盟设餐、糖密纹器、精密数控枫床。尤其是邋年来，滚珠丝投戮据为数控 机床直线驱动执行单元，在机床行业得到广泛运用，极大的推动了机床行业 熬数控囊：发震。 滚动直线导轨和滚珠丝杠构成的十字工作台由于滚动直线导轨副在滑块 与导轨之间放入适当的钢球，使滑块与导轨之间的滑动摩擦变为滚动摩擦， 滚珠丝枉也将螺母和丝杠之间的滑动摩擦变为滚动摩擦，大大降低工作台的 运动摩擦阻力，从而使整体工作台获得以下优点： 1 动、静摩擦力之差很小，随动性极好，即驱动信号与机械动作滞后的时间 间隔极短，有益于提高数控系统的响应速度和灵敏度。 2 驱动功率大幅度下降，只相当于普通机械的十分之一。 3 与v 型十字交叉滚子导轨相比，摩擦阻力可下降约4 0 倍。 4 适应高速直线运动，其瞬时速度比滑动导轨提高约l o 倍。 5 能实现高定位精度和重复定位精度。 6 能实现无间隙运动，提高机械系统的运动刚度。 7 成对使用导轨副时，具有“误差均化效应”，从而降低基础件( 导轨安装 面) 的加工精度要求，降低基础件的机械制造成本与难度。 8 导轨副滚道截面采用合理比值的圆弧沟槽，接触应力小，承接能力及刚度 比平面与钢球点接触时大大提高，滚动摩擦力比双圆弧滚道有明显降低。 9 简化了机械结构的设计和制造。 此外，由于滚动直线导轨副的特殊结构，使其具有垂直向上、向下和左 右水平四方向额定载荷相等( 见图2 3 ) ，且额定载荷大，刚性好，刚度高， 三个方向抗颠覆力矩能力大，并且目前滚动直线导轨副和滚珠丝枉已经形成 了系列化的产品，通用性和实用性都比较强，适用于本论文设计所需。 1 0 哈尔滨二e 程大学硕士学位论文 j ! ：= 下 承平受 妻妻 前后受力 ， 一“一、。、? 一、 厂 ，! 澹块 l 一 、 l | 导轨 图2 3 滚动直线导轨副受力图 2 2 ，2 夹具快换结构实现 整个夹具分为两个部分，一部分为闽定部分，一部分为活动部分，固定 帮分籁滋渤部分黯连接主要采瘸定经镑结构避行连蓑。蒸奉愚爨妇下： 固定夹具采用焊接的形式固定在床身上，在每个工饭上，固定卡具上部 裔以托焱摆动漓缸的摇动中心为麟心均布的四个大定位套，这圈个定位糍隘 螺栓形式紧固在阉定夹具上，蘑损后不能达到定位精度射可进行更换。 活动卡具部分称之为随型卡舆，这部分卡具上部是搬据不同工件而设计 静不弱形式工 牛定经卡舆，下郝分是和瓣定位鬟连接斡定位销缀掬，不阉转 号活动卡具的所有下部分都相同，活动卡具的一i ：下部分念成一体后，与固定 酃分只鸯定整镌套进努定位连蔹，蜀鼓 害方餐豹帑起遴嚣更换。在活劝卡 舆的下部，设计肖两对个小定位销结构，分别与回转上料装置上和回转托盘 绪梅上对应静镑孑0 进行销套配合，都是戳话盘摆动漓缸簸摆动中心为孱心， 邀两对定位销套结构位爨不在同一半径麟周上，方位相藏9 0 度，且与嗣定 夹其的定位销相麓4 5 度。 工作鼹，首先回转上料装霹挎起浊奴捡起，嬲转上料装置与髓型卡舆豹 对定位销套结构配合到一起( 两个工位同时进行) ，同时固定夹其和随型夹 其之瓤酌翅个大定位销襄结拣驻_ 歼，噩艺对嚣转上辩装置与疆型套嚣送行秘转 i|；、，一l，j 一 一块轨 一 羔导 ， r ，l 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1 8 0 度后，回转上料装置抬起油缸落下，回转上料装置与随型卡具脱开，固 定卡具和随型卡具通过四个大定位销套结构又配合到了一起。 进行磨削时，尤其是越贴近工件端面时，飞边毛刺的量越大，由于磨削 力量的不均匀性，工件可能会产生上下跳动，因此在工作工位的上部增设了 工件夹紧油缸，夹紧油缸与床身固定在一起，这样作用在工件上的磨削力下 部通过销套结构传递到了床身，上部通过夹紧油缸传递到了床身，其摆动升 降油缸仅起到完成动作作用，磨削时不会对油缸产生任何影响。回转托盘的 9 0 度运动与回转上料装置的运动相同，并且由于定位销套所在的半径不同， 二者不能产生干涉。 回转上料装置定位孔 f 乡 书斗一争r 一 鹗嘉眨 随型卡具下半部底视图 图2 4 卡具定位销套图 通过这种简洁的销套结构，可以非常方便的实现更换随型卡具，更换不 同种类的加工工件时只需用吊车把活动夹具吊下，换上另一件号的随型夹具 即可，从而避免了拆卸复杂的螺栓结构的紧配装置，当随型央具的精度发生 哈尔滨工程大学硕士学位论文 变化时，也只需更换销套结构的定位销，同时这种结构也避免了随型卡具下 面的油缸直接受到磨削时不规则力量的冲击，减少了液压油缸故障发生的可 能，解决了国内设备存在的第3 类问题。 2 2 3 驱动方式 ( 1 ) 液压驱动液压驱动系统的功率质量比大，驱动平稳，且系统的固 有效率高，快速性好，同时液压系统驱动调速比较简单，能在很大范围内实 现无级调速，同时执行元件体积相对较小，容易设计紧凑的床身；但缺点是 容易漏油，影响工作稳定性，并影响环境“1 。针对此特点和动作特性，本 论文对回转上料装置驱动和回转托盘驱动以及夹具的定位驱动采用了液压驱 动方式。 ( 2 ) 电气驱动电气驱动是利用各种电机产生的力和转距，直接或经过 减速机构去驱动负载，以获得所要求的运动，有易于控制，运动精度高，使 用方便，成本低廉，驱动效率高，不污染环境等诸多优点，电气驱动是最普 遍，应用最多的驱动方式“”1 。本论文由于对磨削精度提出一定要求，因此 对该设备的两个横向滑台结构采用步进电机驱动丝杠方式，对纵向滑台采用 普通三相电机通过机械皮带传动进行驱动，为完成纵向滑台分段速度的平稳 控制，选择了变频器进行速度的控制。 2 2 4 主要结构组成 由以上分析，本磨削机设计机械结构包括： ( 1 ) 床身 采用整体焊接结构床身，这种结构形式增加了设备的整体刚性，目前一般 设备都采用这种结构方式。 ( 2 ) 央具 眙尔滨二【：程大学硕士学位论文 # ；= = ii , i i nl i ； 分固定夹具_ 静】回转托盘上隧溅夹具，固定夹具采用c 型结构固定在设备 床身本盛，工作时采用压紧油缸将随型必具上的工件夹紧，随溅夹具圃定在 题转援救上，邋避更换邋型夹其霹班实鼹工转多燕季中静糖工，较好熬越决了 多品种工件加工的问题。 ( 3 ) 圜转筵鑫 回转托盘通过9 0 度嘲转，可以实现工件四个面的磨削，采用定位销定位 结掏摄离了定佼精度，定位销采精拖欧气装置翁止粉尘避入，戳保证窥霞的 可靠性。 ( 4 ) 回转上料装置 回转土料装疑通过疆反t 8 0 度回转，实现一边搬工边装卸工 孛，缀短期 工节拍。 ( 5 ) 横缴淘潺螽结搀 横纵r e 滑台结构分为左右结构致滑台，采用崖线滚幼道轨副和滚珠丝杠 副传动，分魏遴避步述激橇和善遴三程躐笼电瓿送牙驱确。 ( 6 ) 磨头装置 该装麓由砂轮，砂轮盘，平衡块，主轴承座电机缀戒，电机通过皮带轮传 动给主轴。砂轮号砂轮擞用螺丝连接，通过调整妙轮盘上躲乎德块进弦幼平 衡。 ( 7 ) 其它装置 为防此粉尘磨屑乱溅，配有防护装置，并在砂轮外部配有砂轮安全防护罩 镶诞砂轮爆裂辩不臻人秘撰环设罄，防护装萋分蠹舞嚣滋茨护并鬻存导鞔静 丝杠防护套。 箨藤装簧采蹋撩旋捧稻器将瓣稿辩到磨屑籍。 自动润滑装爨苗丁以对母轨进行自动润滑。 除尘装黄与，+ 房除尘系统连按保证设备通风。 起吊装置甥来撼装工件，城少工人劳动强度。 j 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 2 2 5 工作流程 图2 5 磨削机原理简图 动作顺序：放置工件到装卸工位1 的回转托盘上一回转上料装置升起 工件转至工作位置回转上料装置下降工件夹紧装置夹紧左右工 作台横进至磨削位置左右工作台纵向快进按工作速度工进到位 左右工作台横向退回( 夹紧装置松开、工作台快速后退) 回转托盘回转 9 0 度一夹紧装置央紧左右工作台横进至磨削位置左右工作台纵 向快进按工作速度工进到位快退到位后夹紧装置松开工件 回转9 0 度回转上料装置将工件放置到装卸工位，完成个循环，同时另 一工位在工作位置进行下一循环，依次交替。 2 3 液压系统 2 3 1 液压系统负载分析 1 执行元件类型的确定 本设计中考虑磨削部位空间限制，对随型夹具的动作驱动使用液压进行 控制，包括回转上料装置的凹转和升降动作，控制随型夹具的托盘的回转和 嗡尔滨 稷大学鞭士学位谂艾 羚降动撵，以及为保持衣磨削过程巾工件稳定的工件压紧油缸的上下动作。 执行元件由逡动形式分为回转和升降两种运动，其巾圈转上辩装蓬和托 盘鲦舅酶运萄戮致蓬紧油艇采簿篮线渡压缸箨为执撂元绺，回转上辩装疑静 嘲转运动采用齿絷液压缸。托盘的回转采用9 0 度摆动缸作为执行元件。 2 。渡器系统麓 筝过程 在工作过程中，首先将工件救在随型夹具上，之后熬个回转上料装鼹托 藩随型夹篡及工律牾起，露转上辩装蚕捺淫嚣缱嚣，莠鬻工箨、麓鋈夹蒸 起旋转1 8 0 度到工作位鼷，回转犍置下降，工作位置上部的工件爽紧油锻压 綮工件，时工辞避 行灞瑟磨酗，端面磨削完成焉z 律夹紧滴缸秘开，托藏托 潜随型夹是舞起，丹起至q 位嚣湛稼9 。度翻转，撼魅落下厝工辞夹紧油缸褥次 将工件压紧，进行上下面的磨削。四面磨削完毕后夹紧油缸松开，随型杰其 秀起爱趣醒转送幸予璺一工锭豹瘗粼遂翟。 本系统中各液压缸的动作是猩不同时间发生的，因她在设计时只考虑负 簸大熬滚簸缸强转土辩装嚣罄转溃瓣霹舞辫渡眭斡工佟情况佟为选择蓑 它液压元件的依据即可。 2 3 2 确定液压系统原理图 1 液压系统性能分析 ( 1 ) 液压系统的形式按液流循环方式不同可以分为开式系统和闭式系统 n 8 ，。液压系统采用何种形式，取决于该液压系统工作所处的环境。磨削机大 部分工作都是在带载情况下完成的，因此回转、升降运动对液压系统的功率 损失比较大，必然造成整个系统的发热多，要求缸体磨削机液压系统应具有 良好的散热性能。闭式系统中的油液自成循环，执行元件的回油直接回油泵 的入口，此种形式结构紧凑，自重轻，但散热条件不好，开式系统结构简荤， 山于有一个较大的油箱，所以能够起到良好的自然散热作用，同时油液中的 晗尔滨工程大学硕士学位论文 污物可在油箱中沉淀“州。根据上述原因，缸体磨削机选用开式液压系统。 ( 2 ) 校系统中主供油油泵的数量分，可分为单泵系统、双泵系统和多浆系 统。单泵系统结构简单，造价便宜，维修方便。但在系统中有几个执行元件 时，油泵压力必须满足工作压力最高的执行元件的要求，流量也必须满足流 量最大的执行元件的要求，因而不能充分发挥油泵的作用。单泵开式系统用 于不需要几个执行元件同时做复合动作的机器，或者虽然机器的几个机构需 做复合动作，但总功率和压力不超过油泵能力的工况。而双泵或多泵系统的 优点是各泵可单独为某机构供油，各机构能互不干扰地同时动作、完成复杂 的复合动作，提高作业效率：各泵可按对应机构的需要进行选择，因而能充分 发挥液压泵的作用：当不需要做复合动作，几个泵可同时并联或者串联起来为 某一个机构执行元件供油，扩大该机构的调速范围或者提高承载能力，充分 发挥液压泵和原动机功率的作用。“。根据上述单泵和双泵或者多泵系统比较， 结合缸体磨削机动作的特点，该磨削机采用开式单泵系统即可。 ( 3 ) 调速回路按功用可分为节流调速、容积调速、和容积节流调速回路。 调速回路是液压系统的核心，对回路和液压系统有较大的影响，节流调速回 路适用于调速范围大，允许有较大温升的小功率系统。窑积调速回路一般用 在高压大功率系统中，可以提高效率，对温升比较敏感的小功率系统可一般 采用容积节流调速回路0 1 。本设计中只有小托盘存在定位问题，并且托盘加 上工件的回转惯量较大，需要增加减速缓冲回路，根据上述各种回路比较， 采用节流调速回路。 ( 4 ) 压力控制回路主要利用压力控制阀来控制整个液压系统的压力，本 系统实现简化设计，采用溢流阀实现其功能，使系统始终保持在溢流阀调定 压力附近“。 由以上性能分析，确定液压系统原理图如图2 6 ： 哈尔滨工程大学硕士学位论文 f f ) 、 j 、1 曩f 一 _ 0 蟛 h l d j 、嗣 酹 吲 l 三爿 二i j 4 ， 锤牛 l 副 ，牛爿。 占 掣 蘑 l 占j 一、牛爿一 酹 吲 峭p 砖 荟囱 n 。7 一、h 一丘 且， 时l 冈一曰譬 一 _ 勇 一一一伺 剧 ：冒一 r u e 翻l i ；剿 岗l e 一一1 南一 1 了j 一、1 虿 | 二四 j。 、i 一，牛li j 1 8 囫 剐 隧 螺 垛 趟 燃 o “ 匝 耳襄甜驻； 塔最骝靼翎靼 增爨辨吲 耳震啦臣翎辩、f， 哈尔滨工程大学硕士学位论文 2 根据动作顺序，确定液压系统电磁阀线圈动作顺序如表2 1 所示 表2 1电磁阀线圈动作顺序表 动作 wy vwy vy vwwwwwwws ps p 12 34567891 0l l1 2l2 夹紧油缸夹紧 夹紧油缸松开 托盘抬起 托盘下降 回转上料抬起 回转上料下降 回转上料回转 回转上料返回 托盘回转 托盘回转缓冲 托盘返回 托盘返回缓冲 原位 2 3 3 液压元件配置形式 液压元件配置形式分集成油路板式、集成块式和叠加阀式。集成油路板 式和集成块式都需要进行设计专门的油路连接块，叠加阀式是自成系列的元 件，每个叠加阀既起到控制阀的作用，又起到通道体的作用，具有结构紧凑、 油管少、体积小、质量小的优点。“。本设计采用叠加阀式设计，减少了空 间体积，并采用标准化和系列化的器件，减少设计周期并降低了制造成本。 2 4 本章小结 本章主要对缸体磨削机的机械结构进行了设计，对滑台的稳定性和夹具 快换装置进行了分析，采用了滚动直线导轨和滚珠丝杠构成的十字滑台结构， 并设计了液压系统和控制方案。 哈尔滨工程丈学硕士学位论文 ；i ；黼z i i ；茹# ；# ；i 简i ；= ；i ；i i h l l1it 、 i 警；= 嗣 第3 肇控制系统主要执行元件 3 。1 痧迸电机 3 。1 1 步进魍机驱动特点 步进电机避种能将数字输入脉冲转换成旋转或赢线增量避动的电磁执 行嚣终t 每输入一个黥渖毫辗转辘步迸一令步题囊增爨。逮捉戆翡鹜转爨与 输入脉冲数成磁比例，相应的转速取决于输入脉冲频率，脉冲频率越商，则 步迸魄极戆旋转速囊藏离，反之藏诋，分配熬湾翡籀序菠变嚣，步避魄蘸戆 转向墩随之改燮，步进电机的运动状态和通常匀速旋转的屯动机有一定的差 掰，它是瑷步避形式运动酶，敌也称之为步进电动祝黼。 步进电动机有其独特的优点，归纳起来主要有： ( 1 ) 步距值不受各种干扰因素的影响，简而言之，转子的运动速度主要 取决于脉冲信号的频率，而转子运动的总位移量取决于总的脉冲个数。 ( 2 ) 位移与输入脉冲信号相对应，步距误差不长期积累。因此可以组成 结构较为简单而又具有一定精度的开环控制系统，也可以在要求更高精度时 组成闭环控制系统。 ( 3 ) 可以用数字信号直接进行开环控制，整个结构简单廉价。 ( 4 ) 无电刷，电动机本体部件少，可靠性高。 ( 5 ) 控制性能好，启动、停车、反转及其它运行方式的改变，都在少数 脉冲内完成，在一定的频率范围内运行时，任何运行方式都不会丢步。 ( 6 ) 停止时有一定的自锁能力。 ( 7 ) 步距角选择范围大，可在几角分至1 8 0 度大范围内选择。在小步距 情况下，通常可以在超低速下高转距稳定的运行。 晗尔滨工稔大学硕士学位论文 3 1 2 参进毫梳的主要参数波性畿捂标嘲 1 。褪数m 电器上独立成系统而存在的网路个数即是相数。步j 电机的相数可以是 任意数，邋常m 为2 、3 、4 、5 、6 。 2 步距角1 3 在不带任何减速装置的情况下，输入个脉冲信号，步进电机所转过的 机城竟位移霹步距角。 3 距角特性 步进电机静转距和失调角的关系称为距角特性。静转距是指步进电机转 子静止时，控制绕组通以直流电，由失调角( 定转子齿中心线夹角) 的存在 而引起的电磁转距。当绕组内电流不变时，静转距随失调角在一个齿距角范 围内变化一个周期，在近似分析中视距角特性为正弦曲线。 4 最大静转距t h 即距角特性上最大电磁转距值。它的值取决于绕组内电流的值及通电相 数。 3 1 3 百格拉公司三相混合式步进电机性能介绍 步进电机经历了两相步进电机一五相混合式步进电机一三相混合式步进 电机的发展过程，五相混合式步进电机，克服了两相步进电机振动噪音大、 只能用于简单应用场合的缺点，可胜任更高要求的任务，适合进行微步控制， 但五相步进电机的接线和相电流切换技术比较复杂，生产成本又很高，为了 追求高效益、低成本，达到壤佳的性能价格比，百格拉公司把交流伺服原理 应用到步进电机系统