0002-立式高速火焰噴涂機床設(shè)計（全套CAD圖+翻譯）,立式,高速,火焰,噴涂,機床,設(shè)計,全套,cad,翻譯
馬夫年會在福井。8月4日外文翻譯至6日,2003年
福井大學(xué)、日本
通過試驗臺實施跨車輛通信系統(tǒng)為車輛排實驗
跆拳道Min Kim Jae Weon崔
學(xué)校的機械工程和機械技術(shù)研究所
釜山國立大學(xué),609 - 735年,韓國釜山
文摘:本研究認為通過試驗臺實現(xiàn)問題的跨車輛通信系統(tǒng)的車輛排實驗。這個試驗臺,包括三個車輛和一個RCS規(guī)模(遠程控制sbation),在前面是作為一種工具來評價仿真功能和全尺寸的車輛之間的研究。合作通信的車輛,車輛或路車輛保持相對間距小的車輛排扮演一個關(guān)鍵角色。然后:交通容量會增大。靜態(tài)排控制,汽車的數(shù)量保持不變,他在適當?shù)墓潭ㄩg隔傳播的信息就足夠了,而動態(tài)排控制如合并或者分立需要更靈活的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的動態(tài)協(xié)調(diào)的通信序列。在這項研究中,無線通信設(shè)備和可靠的協(xié)議實現(xiàn)了靈活的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu),6位單片機收發(fā)信機使用在近距離、低成本情況。
關(guān)鍵詞:車輛排、無線通信系統(tǒng)、試驗臺
1. 介紹
在大多數(shù)主要城市城市道路變得擁擠,因為越來越多的旅行需求超過公路通行能力。擁塞等問題導(dǎo)致許多其他問題:浪費時間和精力,交通事故,污染等等。作為一個SD智能Tkansportation系統(tǒng)積極開發(fā)成為這些問題的全局最優(yōu)解。特別是,臺灣(智能車輛和公路系統(tǒng))是主要的主題，它在臺灣的目的是通過自動化車輛和自動公路改善安全作為增加highvmy能力。在臺灣,一個模范高效的車輛控制的方法通過提出了oons在路徑程序在平臺分組。車輛排是一組車輛在一個高速度與相對較小的間距一起旅行。車輛為什么在近地層排反饋控制規(guī)律是動態(tài)耦合的。根據(jù)信息反饋和取決于這種a11信息是一個自動加工合成的嗎。車輛跟蹤控制律,在一個車輛字符串內(nèi)動態(tài)之間的相互作用會引起車輛不穩(wěn)定?？刂婆c信息鉛的車輛在一個排這是第一輛車,前面的車輛只能保證穩(wěn)定在一個汽車。
測距雷達可以得到相對靠前的車輛的信息。但這信息是不能作為所有在一排的車輛使用。無線通信只允許獲得所有車輛中最靠前車輛的信息。
對于靜態(tài)排控制的車輛來說這是足夠的，雷達獲取的信息保持不變,,因為信息到他傳播在適當固定間隔內(nèi),每個車輛不需要頻繁的更新的控制輸入。這個方案可以保證每個汽車在一排有一個支持系統(tǒng)、統(tǒng)一發(fā)送每一個周期的信息。如果為動態(tài)排控制,如合并或分裂,更靈活網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)是必需的。在這種情況下,因為機動車輛為合并或分割需要頻繁?？刂戚斎氲母聲剐畔⒈粋魉偷綑C動車輛應(yīng)該比其他人多。因此,來傳輸這個信息更多機會是給領(lǐng)導(dǎo)車輛和操縱車輛的。在這個方案中,cominunicat.ion應(yīng)該協(xié)調(diào)有效的序列，因為協(xié)調(diào)的通信序列可能會實現(xiàn)容易被RCS(遠程控制站)控制。
在這項研究中,無線通信系統(tǒng),可以通過“RCS”協(xié)調(diào)通信序列實現(xiàn)車輛縱向排實驗。
2. 系統(tǒng)需求
能力是直接影響交通流的車輛排控制策略。需要在實時實現(xiàn)戰(zhàn)略時，控制策略可以衡量最大流量的流能力,衰減的間距錯誤，它可以保證一個排的有效性和信息的數(shù)量,。在臺灣:恒間距和持續(xù)的進展已被研究過是主要的控制手段。恒間距控制,在車輛跟蹤的基礎(chǔ)上而不斷進展的控制,所需的控制間距期望的進展是除了維護車輛本身增加車輛覆蓋之間的距離。恒間距使用的優(yōu)越性是在不斷進展增加控制高速公路車輛的吞吐量,雖然常數(shù)進展控制更優(yōu)惠但外部信息是必需的。在恒間距控制、外部信息是穩(wěn)定所需的字符串。無線通信系統(tǒng)可以利用這個外部信息傳遞。
在車輛排系統(tǒng)恒間距策略中,可以通過前面的車輛和車輛的信息獲得后面需要的車輛信息。這些信息包括位置、速度,加速度,和特定的命令的車輛，同時,由于指定的緊急事件可能需要命令RCS獲得每個車輛的信息。在前面的研究中測試床上的車輛縱向排實驗是發(fā)達的。試驗臺的圖1顯示的包含三個量表車和RCS。在圖2中顯示每個車輛傳感器的數(shù)據(jù)采集的可用的信息包括操作系統(tǒng)的計算的控制命令,執(zhí)行機構(gòu)的驅(qū)動和轉(zhuǎn)向為最有效的操縱,無線通信系統(tǒng)外部信息的交換,界面合成等基本功能。
圖1:測試平臺的配置
圖2:一個試驗臺的配置工具的規(guī)模
在前面的研究中,433 MHz射頻模塊,BIM-433,用于實現(xiàn)求解無線通信系統(tǒng)的構(gòu)架這個TDMA(時分多址)。數(shù)據(jù)傳輸速率為38 kbps，這模塊是載波監(jiān)聽算法不受支持的。因此,通信系統(tǒng)的性能對于調(diào)度序列控制同步和車輛是不足夠的。 對于每輛車穩(wěn)定運動測試,抽樣期的車輛應(yīng)低于40ms。傳感器用于試驗臺可以滿意抽樣段30 ms。 傳輸數(shù)據(jù)(12個字節(jié))和導(dǎo)言(上圖3 ms)在38 kbps這則需要高于5 ms。至于提高性能和穩(wěn)健性的通信系統(tǒng),因為開銷的增加更多的時間是必要的。此外,想要驗證各種網(wǎng)絡(luò)序列調(diào)度算法需要更靈活的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。這個無線通信系統(tǒng)是由雙方的硬件和軟件組成的。硬件提供了連接各種電臺(車輛或RCS)網(wǎng)絡(luò)硬件組件。軟件不僅提供了智能控制組件，該軟件還將提供一個靈活和可靠的交換協(xié)議通信數(shù)據(jù)。
3. 硬件實現(xiàn)
硬件的無線通信系統(tǒng)由以下組件組成:射頻前端模塊,接口芯片留給射頻前端模塊和MCU(microcontrol1er單位)。 這個圖3演示了配置的無線通信系統(tǒng)。硬件的架構(gòu)分為四層,如下所示：
·PHY層(物理層)
·PHY-MAC層(物理到MAC層）
·MAC層(介質(zhì)訪問控制層）
·MAC應(yīng)用程序?qū)?MAC應(yīng)用程序?qū)?
PHY層的實現(xiàn)是通過射頻前端模塊,RFW102收發(fā)器(發(fā)射機/接收機)芯片研制的RFWaves有限公司)。PHY-MAC層由接口芯片,I/O(輸入/輸出)口的MCU,I/O驅(qū)動在單片機里。獨家接口芯片,RFW-D100 RFWaves有限公司開發(fā)的用于接口的rfw - 102.8)MAC層,它的使用是維持秩序的一個共享的介質(zhì),是在AICU的軟件。Mac層是在以后的一章討論,因為它是軟件組件。在MAC應(yīng)用程序?qū)邮墙涌跓o線通信系統(tǒng)之間的部分,車輛RCS。
圖3:無線通信系統(tǒng)的配置
表1:RFW - 102的規(guī)格
物理媒介
DSSS,ISM波段(2.4 Ghz)
傳輸速率
高達1 mbps
帶寬
在-20分貝 30 Mhz
輸出功率峰值
2dBm
誤碼率
-80dBm
3.1 PHY層
PHY層實際處理的是一個無線通信系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)傳輸。在這一層,RFW -102收發(fā)器芯片用作射頻前端模塊。
RFW - 102的動機是其高數(shù)據(jù)傳輸速率,減輕在連接到外部設(shè)備,對載波監(jiān)聽算法的可用性。 表1顯示了規(guī)范的RFW - 102。
因為收發(fā)器芯片提供的最大輸出2dbm和靈敏度是-80 dbm.當誤碼率(誤比特率)是在開放傳輸可用于的30米。這個范圍適用于測試平臺車輛的使用規(guī)模的大小約為0.3米。
3.2 PHY-MAC 層
PHY-MAC層之間的接口是射頻前端模塊和MAC協(xié)議。層構(gòu)造以下組件:接口對射頻前端模塊預(yù)留芯片組,I/O端口利用單片機的單位驅(qū)動I/O端口。
這個RFW-D100,RFIVaves有限公司開發(fā)的作為接口芯片的。RFW-D100中芯片到RFW- 102芯片組是免費的。它提供一個并行接口RFW - 102,使一個協(xié)議適合無線通信更容易實現(xiàn)。在這項研究中,MCU是負責MAC層協(xié)議和驅(qū)動I/O控制的。接口芯片降低MCU實時要求處理的MAC協(xié)議。這個接口芯片類似于內(nèi)存訪問,容易給MCU并行接口與射頻前端模塊。接口芯片轉(zhuǎn)換快串行輸入從射頻前端芯片到8打文字,然后適合一個8位MCU一起工作。此外,接口芯片要求一個更低的利率振蕩器的閑置模式.在空閑模式下,功耗RFW-102和RFW-D100大大減小了。這個接口芯片緩沖區(qū)數(shù)據(jù)通過第一字節(jié)FIFO(先入先出緩沖),這是可以給MCU訪問RFW - DlOO更有效率。而不是閱讀1字節(jié)/中斷,MCU可以讀到在每一個中斷16字節(jié)。每個傳入字節(jié)中斷的情況,這減少了單片機在閱讀傳入的話說的開銷，因為省去了堆棧填料和管道排空。當使用先進先出,MCU支付所有的FIFO字節(jié)相同的開銷,而它不支付一個FIFO字節(jié)。
表2：Atmega 161L的規(guī)格
可操作的頻率
3.6864 MHz
UART串行
2EA（最高1Mbps）
內(nèi)存
16K字節(jié)（閃） 1K字節(jié)（SRAM）
外部中斷
3EA
定時器/計數(shù)器
8-bit(2EA) 16-bit（1EA）
這個MCU實際由AIAC RFIV-D100處理協(xié)議和應(yīng)用D的。這個ATmega161L,由ATMEL Corp發(fā)展來用作MCU .表2顯示ATmega161L的規(guī)范。
在這項研究中,ATmega161L允許兩個外部中斷調(diào)用RFW-D100。 國家MAC層的變更中斷調(diào)用RFW-D100的事件。 根據(jù)變化的狀態(tài),執(zhí)行特定功能的MAC層,如接收、傳送、誤差檢驗,確認,和其他的數(shù)據(jù)處理。
3.3 MAC應(yīng)用程序?qū)?
MAC應(yīng)用程序?qū)邮荕AC層和用程序(應(yīng)用程序)層之間接口。在這項研究中,應(yīng)用程序?qū)邮强刂泼枯v車的回路。這個應(yīng)用程序?qū)舆B接到可編程串行UART,這有一個中斷向量。因此,中斷調(diào)用的應(yīng)用程序?qū)幼鴺耸怯蓢业腗AC層和特定的功能實現(xiàn)。此外,冗余的內(nèi)部SRAM是分配給接收和發(fā)送緩沖,它在FIFO中擴展了RFW-D100。 然后就可以在FIFO中不斷發(fā)送和接收比RFW - D1OO長尺寸的數(shù)據(jù) 。
4.軟件實現(xiàn)
圖4說明了在這項研究中框圖的軟件配置。軟件配置分為三個層次，分類如下:
·PHY-MAC層
·MAC-APP層
·MAC層
MAC層的MAC也分為MAC狀態(tài)和MAC數(shù)據(jù)。一般程序的MAC協(xié)議如下:
1.外部中斷調(diào)用的PHY層或者UART中斷調(diào)用的應(yīng)用程序?qū)蛹せ盍薓AC狀態(tài)管理。
2.MAC狀態(tài)管理檢查地位試用層,國家依照它的結(jié)果修改MAC。
3.根據(jù)最新對MAC狀態(tài)的修改,MAC數(shù)據(jù)管理控制數(shù)據(jù)流和RX / TX緩沖區(qū)。
4.然后,根據(jù)MAC的數(shù)據(jù)管理結(jié)果,MAC狀態(tài)管理設(shè)置新的MAC狀態(tài)
圖4 軟件配置的圖塊
兩個外部中斷的MCU是分配給分配層PHY的和UART中斷是分配給應(yīng)用程序?qū)?。MAC的過渡狀態(tài)是由這些中斷和8位定時器執(zhí)行控制時間的。因此,協(xié)議是保證配置邏輯是有效地改善和實時執(zhí)行的。此外,RX緩沖和TX緩沖區(qū)中MAC層有64字節(jié)的SRAM，RFW-D100的大小在主要約束在FIFO。
4.1可靠的協(xié)議
通常,通信是通過是一組很有效率、方便的數(shù)據(jù)包交流的。在這項研究中,數(shù)據(jù)包,見圖5,包括以下字段：
·前言:同步接收端
·網(wǎng)絡(luò)ID:過濾數(shù)據(jù)包從其他網(wǎng)絡(luò)
·目的地：ID目的地
·資料來源:ID資料來源
·類型/ Seq:數(shù)據(jù)包類型/ Numher的序列
·尺寸:整個數(shù)據(jù)包的大小
·數(shù)據(jù):實際的數(shù)據(jù)傳輸
·CRC:16位CRC檢查數(shù)據(jù)包的有效性
圖5:車輛與車輛間數(shù)據(jù)包的配置
數(shù)據(jù)域包含傳播的每一臺車輛的位置,速度,加速度數(shù)據(jù)。對于命令數(shù)據(jù)包的RCS;包括命令數(shù)據(jù)字段的RCS.
在這項研究中,射頻收發(fā)器是利用ISM波段。因為是一個波段之間的共享資源網(wǎng)會經(jīng)歷許多無線應(yīng)用程序(如IEEE 802.11和藍牙,一個重疊在時間、頻率和空間域可能會干擾其他網(wǎng)絡(luò)狀況的。每個標準IEEE等802.11和藍牙使用包只有片段時間有定向協(xié)議和利用共享通道。一個協(xié)議的應(yīng)用程序會有ISM的使用時間，在秩序轉(zhuǎn)移所需的數(shù)據(jù)間隔的通道是免費的或相對自由(干擾是弱)。當一個節(jié)點想傳輸,節(jié)點聽通道和檢查
通道是免費的。機制RFW-DlOO支持CS(載波監(jiān)聽)這樣做。
為了確保一個數(shù)據(jù)包成功到達目的地(接收機),源(發(fā)射機)需要在某一固定時間從接收機的一面得到一些驗證。傳輸器將得到這個驗證,從接收端獲得一個承認包。如果發(fā)射機不得到一個承認包,發(fā)射機嘗試重新發(fā)送數(shù)據(jù)分組。
4.2協(xié)議的行為
對于靜態(tài)排控制,因為每一輛車不需要頻繁的更新控制輸入的劑量,傳輸數(shù)據(jù)包的機會均勻分配到每輛車。動態(tài)排控制,由于機動車輛為合并或分割要求頻繁更新的控制輸入,信息越多應(yīng)該傳給的數(shù)據(jù)包比其他機動車輛多。這也是為什么通信序列動態(tài)協(xié)調(diào)。該序列曾在崔和方舟子的工作算法中找到共通。這個協(xié)調(diào)通信序列通過RCS來實現(xiàn)。
圖6:協(xié)議行為的例子
圖6顯示了示例協(xié)議對一個周期無線通信系統(tǒng)之間的行為的研究。通信序列{ #1,# 2,# 3 }。RCS廣播主要的功能是,,每一個周期其他通信序列命令數(shù)據(jù)包和數(shù)據(jù)更新命令數(shù)據(jù)包。起初,RCS廣播命令通信序列
包。然后,每個車輛根據(jù)序列命令試圖傳播1.0通信數(shù)據(jù)包。對于同步的車輛控制,RCS廣播數(shù)據(jù)更新命令數(shù)據(jù)包，在最后的車輛(本研究在第三車)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包。通信系統(tǒng)的每輛車已收到數(shù)據(jù)更新命令發(fā)送接收到其他車輛的數(shù)據(jù)并從其車輛獲取新數(shù)據(jù)。此外,因為通信系統(tǒng),每輛車的嘗試將認定為播放包同時承認作為CSMA傳播。這個區(qū)間數(shù)據(jù)包的交流和確認不到1毫秒。在這個階段的發(fā)展,因為UART的轉(zhuǎn)移率將是115.2 kbps,更多的時間是疲憊比之間的無線通信系統(tǒng)。自每輛車的取樣時間是40米的時間,期間的一個周期溝通是不到20 ms和兩個周期的溝通是疲憊比在每輛車的采樣時間。
4.3性能的協(xié)議
圖7顯示了在這項研究中實現(xiàn)無線通信系統(tǒng)。無線通信是安裝在每個規(guī)模車輛和試驗臺的RCS。
圖8展示了驗證無線通信系統(tǒng)的性能的裝置。作為d0或d1,32字節(jié)的數(shù)據(jù)包傳送在每個節(jié)點的固定順序。當d0小于30米和dl是少于15米,在固定通信序列的案件包中沒有發(fā)現(xiàn)錯誤。車輛規(guī)模大小是0.3米,兩個規(guī)模汽車所需的距離不到l.O m,結(jié)果是合理的。否則,對于通信序列的命令就會改變。任意時間,它驗證的通信序列是到底是什么改變了。溝通序列修改的結(jié)果,見圖8,從源字段收到的數(shù)據(jù)包在RCS檢查。它表明,溝通序列在沒有錯誤情況下也改變了。
圖7:無線通信系統(tǒng)的實現(xiàn)
圖8:驗證過程的設(shè)置
5. 結(jié) 論
在這項研究中,無線通信系統(tǒng)車輛排實驗通過試驗臺實現(xiàn)。使用低投短程和大規(guī)?；旌霞蓭漕l收發(fā)器和一個%位單片機,無線通信系統(tǒng)它在適合條件的實驗中,現(xiàn)實和性能已被確認的。使用可中斷單片機的定時器,保證了有效地實時操作。事實上,通信序列命令應(yīng)根據(jù)對車輛的傳輸狀態(tài)來變化。在未來的工作中RCS保持監(jiān)控車輛的狀態(tài)的功能。在這項研究中無線通信系統(tǒng)他會安裝在每個車輛和RCS的試驗臺實現(xiàn),并將有 效用于開發(fā)和驗證的一個品種車輛排控制策略和序列調(diào)度算法。
圖9:命令改變序列的結(jié)果
引 用
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10
立式高速火焰噴涂機床設(shè)計
Design Of Vertical HVOF Machine
學(xué) 院：機械工程學(xué)院
專 業(yè) 班 級：機械設(shè)計制造及其自動化
摘 要
高速火焰噴涂技術(shù)（HOVF）是一種可在零部件表面高效率地形成涂層的工藝方法，該方法具有火焰速度高、涂層結(jié)合強度高、致密性好、耐磨等優(yōu)點。
本課題主要是對立式高速火焰噴涂機床進行機械結(jié)構(gòu)設(shè)計，依據(jù)技術(shù)要求，給出機床的總體設(shè)計方案，并完成包括進給機構(gòu)及主要零部件等的繪制。整機主要包括橫縱向進給機構(gòu)、立柱、底座、工作臺等主要部件。其中所有進給機構(gòu)均采用滾珠絲杠螺母副進行傳動，并由伺服電機進行驅(qū)動。噴槍安裝在縱向工作臺上，并采用重錘平衡機構(gòu)保持平衡，使其升降輕便。
本文介紹了高速火焰噴涂機床的組成，全面闡述了高速火焰噴涂機床的結(jié)構(gòu)及設(shè)計特點，論述了采用伺服電機和滾珠絲杠螺母副的優(yōu)點。詳細介紹了高速火焰噴涂機床的結(jié)構(gòu)設(shè)計及其校核，另外匯總了有關(guān)技術(shù)參數(shù)。其中著重介紹了滾珠絲杠的原理及其選用原則，系統(tǒng)地對滾珠絲杠生產(chǎn)、應(yīng)用等環(huán)節(jié)進行了介紹。包括種類選擇、參數(shù)選擇、精度選擇、循環(huán)方式選擇、與主機匹配的原則等。
關(guān)鍵詞：熱噴涂；高速火焰噴涂；滾珠絲杠；伺服電機
Abstract
High velocity oxy-fuel (HOVF) technologyis is a process method in the surface of parts efficiently forming coating, the method has the advantages of high flame speed, high strength, high density, good abrasion resistance, etc.
This topic is mainly on vertical HVOF machine tool mechanical structure design, based on technical requirements, given the machine's overall design, and complete including drawing feeding mechanism and major components and the like. Entire machine including horizontal and vertical feed mechanism, column, base, table and other major components. Wherein all feed mechanism are ball screw drive nut carried by the servo motor drive. Gun mounted on the longitudinal table and lifting of weights balancing mechanism to make it light.
This article describes the composition of the high-speed flame spraying machine, a comprehensive exposition of the structure and design features of the high-speed flame spraying machine, discusses the advantages of using servo motor and ball screw nut pairs. Details of the HVOF structural design and verification tools, in addition to a summary of the technical parameters. Which focuses on the principles and selection principles of the ball screw, ball screw system to production, application and other aspects were introduced. Including species selection, parameter selection, precision selection, circulation mode selection, principles and host matches and the like.
Keywords：Thermal Spray;HVOF;Ball screw; Servo motor
目錄
摘 要 I
Abstract II
第1章 緒論 1
1.1 高速火焰噴涂簡介 1
1.2 高速火焰噴涂的發(fā)展現(xiàn)狀 1
1.3 立式高速火焰噴涂機床設(shè)計的選題意義 5
1.4 課題研究內(nèi)容 6
1.5 本章小節(jié) 6
第2章 立式高速火焰噴涂機床的總體機械設(shè)計 7
2.1 機床的設(shè)計要求 7
2.2 設(shè)計方案 7
2.3 本章小節(jié) 9
第3章 進給伺服系統(tǒng)的設(shè)計與計算 10
3.1 進給伺服系統(tǒng)的設(shè)計要求 10
3.2 滾珠絲杠的特點 11
3.3 絲杠的計算 12
3.3.1 滾珠絲杠副的導(dǎo)程計算 12
3.3.2 滾珠絲杠副的載荷計算 13
3.3.3 確定允許最小螺紋低經(jīng) 14
3.3.4 確定滾珠絲杠副得規(guī)格代號 15
3.4 伺服電機的選擇 15
3.4.1 基本原則 15
3.4.2 額定轉(zhuǎn)速的選擇 16
3.4.3 慣量匹配 16
3.4.4 電機選擇 17
3.3.5 慣量匹配驗算 17
3.3.6 速度的驗算 17
3.5 滾珠絲杠副的安全使用 18
3.5.1 潤滑 18
3.5.2 防塵 18
3.5.3 使用 18
3.5.4 安裝 18
3.6 聯(lián)軸器的選擇 19
3.7 Y軸和Z軸滾珠絲杠及伺服電機的選擇 19
3.8 伺服進給系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖的設(shè)計 20
3.9 本章小節(jié) 22
第4章 主要零部件設(shè)計 23
4.1 床身結(jié)構(gòu)的設(shè)計 23
4.1.1 床身設(shè)計的基本要求 23
4.1.2 床身的結(jié)構(gòu)設(shè)計 24
4.2 導(dǎo)軌的設(shè)計 25
4.2.1 導(dǎo)軌的設(shè)計要求 25
4.2.2 導(dǎo)軌的結(jié)構(gòu)設(shè)計 25
4.2.3 導(dǎo)軌的防護及潤滑 28
4.3 工作臺的設(shè)計 29
4.4 本章小節(jié) 29
第5章 結(jié)論 30
參考文獻 31
致謝 33
V
本科生畢業(yè)設(shè)計（論文）
第1章 緒論
1.1 高速火焰噴涂簡介
高速火焰噴涂(high velocity oxy-fuel，簡稱HOVF)是在火焰噴涂的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的熱噴涂技術(shù)[1]，其出現(xiàn)促進了熱噴涂技術(shù)的發(fā)展，擴大了熱噴涂的應(yīng)用范圍[2,3]，與其他技術(shù)相比，有許多優(yōu)越性[4]。它是利用丙烯、天然氣、煤油[5]等燃料和氧氣在燃燒室或特殊噴嘴中燃燒產(chǎn)生高溫，將涂料融化或半融化，經(jīng)加速撞擊在被加工體表面沉積形成涂層。從表1-1可以看出，高速火焰噴涂較其它表面噴涂工藝擁有更高的結(jié)合強度和硬度，孔隙率及氧化物含量較低等特點。由于HVOF噴槍所產(chǎn)生的粉末顆粒速度相對于其他熱噴涂方法的顆粒速度有明顯提高,使得粉末顆粒從進入噴槍到噴涂至工件表面，進而撞擊基體表面形成涂層的整個過程得到改善[6]。
表1-1 高速火焰噴涂涂層與其它表面噴涂工藝涂層性能比較[7]
工藝
結(jié)合強度
厚度
孔隙率
氧化物含量
硬度
應(yīng)力
電弧線材噴涂
20~40 Mpa
<5 mm
>5%
>3%
中
低
火焰線材噴涂
10~30 Mpa
<3 mm
>10%
>5%
低
中
火焰粉末噴涂
10~30 Mpa
<2 mm
>10%
>5%
低
中
等離子噴涂
30~50 Mpa
<1 mm
>3%
>1%
中
高
HOVF
70~100 Mpa
<5 mm
<1%
<1%
高
中
冷噴涂
30~50 Mpa
<10 mm
<1%
<1%
高
高
HOVF技術(shù)的主要特點有:
(1) 火焰速度高，可達1500/s以上[8,9,10]，可將噴涂粒子加速到300~500/s [11]；
(2) 溫度比等離子噴涂低很多，約2760℃[12]，可有效防止噴涂過程中粒子的氧化，特別適合噴涂加熱后易于分解的金屬陶瓷涂層；
(3) 涂層的致密性好，結(jié)合強度高(大于70MPa)[13,14]，耐磨性能優(yōu)越。
1.2 高速火焰噴涂的發(fā)展現(xiàn)狀
HVOF技術(shù)是在上世紀80年代初期，由美國Borwning公司開發(fā)成功，并且先以JET-KOTE（圖1-1）為商品推出。經(jīng)過幾年的系統(tǒng)開發(fā)，該技術(shù)的優(yōu)點逐漸被接受和認識。由此，世界上發(fā)達國家，投入了大量的財力對高速火焰噴涂技術(shù)進行研究開發(fā)。于上世紀八十年代末九十年代初期，先后又有數(shù)種高速火焰噴涂系統(tǒng)開發(fā)成功，并投放入市場。如射流槍(J-Gun)，沖鋒槍(Top-Gun)，金剛石射流(Diamond-Jet)，高速空氣燃料系統(tǒng)(HVAF,HighveloeityAir-Fue)，連續(xù)爆炸噴涂(CDS，ContinuouSDetonation Spraying)，等。如圖1-2是目前國際上流行的主要超音速火焰噴槍結(jié)構(gòu)示意圖，其結(jié)構(gòu)是參照火箭發(fā)動機的原理設(shè)計的[15]。
燃氣
5
3
2
1
4
1—噴涂槍；2—冷卻水；3—控制箱；4—送粉器；5—氣體供給
圖1-1 JET-KOTE 高速燃氣噴涂系統(tǒng)示意圖
a—擴散型噴嘴；b—收劍型噴嘴；c—前端細圓筒噴嘴；
d—多段噴嘴；e—無噴嘴；f—前端細圓筒噴嘴
圖1-2 目前國際上流行的主要超音速火焰噴槍結(jié)構(gòu)示意圖[16]
1994年,這種設(shè)備日本有60多套，歐洲大約有120套，其中德國大約有30套，1995年在日本神戶召開的第14屆熱噴涂國際會議上，以HVOF為主題的論文就達到40篇[17]。在九十年代初期，高速火焰噴涂設(shè)備在熱噴涂市場中所占的比例約為3%，到了2000年，該比例達到約25%[18]。據(jù)英國Metallisatio有限公司稱，高速火焰噴涂設(shè)備在熱噴涂市場上越來越熱銷。Metallisatio公司認為高速火焰噴設(shè)備越來越受到那些尋求耐磨性能更好或耐腐蝕性能的涂層的工程師們的歡迎，因為相對于那些采用較熟悉的常規(guī)噴涂工藝，如: 等離于噴涂、火焰噴涂和電弧噴涂等制成的涂層來說，高速火焰噴涂制成的涂層硬度更高、致密度會更好一些[19]。
Fusion公司現(xiàn)已關(guān)閉電鍍Cr生產(chǎn)線而轉(zhuǎn)向HVOF噴涂，因為這種涂層具有高韌性和高結(jié)合強度，完全可以適應(yīng)部件服役時的彎曲情況。公司總裁Stratton Gillis稱，高速火焰噴涂的費用可與電鍍鉻的價格相競爭，尤其對于大型部件或外形復(fù)雜的部件是十分經(jīng)濟的方法。該公司的其它應(yīng)用還包括化工廠軸承密封區(qū)域聯(lián)接配合件、離心壓縮機轉(zhuǎn)子和推進軸承配合件等的修復(fù)[20]。
到目前為止，我國己陸續(xù)從國外購進了幾臺HVOF設(shè)備，如上海的司太立公司引進了美國Stelhte公司的Jet-Kote高速火焰噴涂設(shè)備，中國有色金屬研究總院引進了Diamond-Jet系統(tǒng)，鞍山鋼鐵公司引進了Top-Gun系統(tǒng)。此外,西安交通大學(xué)于1995年已研制成功了我國自己的HVOF系統(tǒng)(CH-2000)，長安大學(xué)、沈陽工業(yè)大學(xué)、裝甲兵工程學(xué)院、武漢材料保護研究院、北京鋼鐵研究總院、北京欽得新工藝材料有限公司等幾家單位也都在進行這方面研究[21]。
美國近年來在航空發(fā)動機部件如壓縮機葉片，軸承套等上使用HVOF技術(shù)已經(jīng)基本實現(xiàn)了標準化，可完全取代以前使用的爆炸噴涂層，旨在降低成本[22]。英國在氣輪機使用HVOF技術(shù)在第一級靜葉片上效果很好，可取代昂貴的電子束物理氣相沉積和低壓等離子噴涂層。美國、德國、法國等國家在冶金行業(yè)中大量使用熱浸鍍鋅槽、擠壓輥輪中的有色金屬及沉沒輥二次加工軋輥等應(yīng)用高速火焰噴涂技術(shù)，使其壽命明顯提高[23]。日本鋼鐵工業(yè)應(yīng)用HVOF噴涂修復(fù)退火爐輥，修復(fù)率從80年代中期的30%上升到90年代后期的80%，而帶鋼因結(jié)瘤等引起的次品率則由85%下降到零[24]。
國際上著名的熱噴涂設(shè)備生產(chǎn)公司普萊克斯表面技術(shù)公司推出的JP-5000、JP-8000型高壓HVOF系統(tǒng)是當前國際上最為暢銷的HOVF系統(tǒng),目前在國際上已有超過500臺的在役量，這是其他HVOF系統(tǒng)無法比擬的[25]。其中JP-5000系統(tǒng)的5100型CORNOA控制臺，是一閉環(huán)、全自動控制的控制臺,其外形如下圖1-3所示。
1- 冷卻水回路； 2-液體燃料回路；3-氧氣回路；4-送載氣回路
圖1-3 JP-8000系統(tǒng)的8100型HVOF系統(tǒng)控制臺外形圖
1.3 立式高速火焰噴涂機床設(shè)計的選題意義
高速火焰噴涂機床作為火焰噴涂工藝的載體，其主要功能是在高速火焰噴涂生產(chǎn)過程中，控制整個噴涂過程，同時還可以通過控制噴槍的速度和噴槍到工件表面距離，從而實現(xiàn)對噴涂寬度和厚度的控制，達到滿足不同性能材料的噴涂要求，最終噴涂出滿足簡單或者極端條件應(yīng)用需求的涂層。高速火焰噴涂技術(shù)是一種比較新型技術(shù)，而高速火焰噴涂設(shè)備也隨著微控制技術(shù)的不斷革新，在不斷地發(fā)生變化。研究和設(shè)計出穩(wěn)定性好、快速性好、可靠性高和易操作的高速火焰噴涂機床是生產(chǎn)和發(fā)展的需要。
1.4 課題研究內(nèi)容
本課題主要是對立式高速火焰噴涂機床進行機械結(jié)構(gòu)設(shè)計，依據(jù)技術(shù)要求，確定機床的總體設(shè)計方案，并對其主要結(jié)構(gòu)進行設(shè)計,完成橫縱向進給機構(gòu)及床身、滑座、立柱、工作臺等主要零部件的繪制。
1.5 本章小節(jié)
本章主要講述了高速火焰噴涂技術(shù)發(fā)展趨勢及其相關(guān)知識，包括熱噴涂的類型，高速火焰噴涂設(shè)備的組成部分和工作原理。
第2章 立式高速火焰噴涂機床的總體機械設(shè)計
2.1 機床的設(shè)計要求
根據(jù)設(shè)計要求及常用機床性能，列出以下立式高速火焰噴涂機床主要參數(shù)，用于方案擬定。
工作臺尺寸：600
橫向X軸加工范圍Lx=300，工件線速度0~30m/min
橫向Y軸加工范圍Ly=500
要求性能穩(wěn)定，精度較高，高速高效，結(jié)構(gòu)簡單可靠，可用于噴涂板材以及多種工件。
2.2 設(shè)計方案
整機分為床身、基座、立柱、滑座、主軸箱、工作臺、三軸進給驅(qū)動機構(gòu)機械部分?？傃b圖如圖2-1所示。
圖2-1 立式高速火焰噴涂機總裝圖
床身是機床設(shè)計的基礎(chǔ)，床身的尺寸設(shè)計影響著機床的設(shè)計，而且設(shè)計的合理性直接影響到機床的剛度。床身用來固定和支撐機床上的各個部件，頂面有供滑座移動的導(dǎo)軌?；脑O(shè)計是在床身完成后完成的，而立柱安裝在床身一側(cè)，按照主軸的中心盡量貼近橫梁上的導(dǎo)軌面為原則，并把Z軸驅(qū)動安裝位置設(shè)計在立柱上，有效地減輕滑座的重量。
因滾珠絲杠傳動效率高，摩擦力小，精度高，三軸進給驅(qū)動機構(gòu)均采用滾珠絲杠螺母副將。這樣設(shè)計使可以機床的整體進給性能得以協(xié)調(diào)，各軸的進給力和進給速度得到了最佳匹配。驅(qū)動電機采用永磁同步交流伺服電機，其特點是可以通過軟件簡單精準的對速度、轉(zhuǎn)矩進行控制，將伺服系統(tǒng)的性能發(fā)揮到最大，其伺服驅(qū)動器連接圖如圖2-1。
圖2-2 伺服驅(qū)動器連接圖
噴槍的上下垂直運動Z軸同樣采用滾珠絲杠副傳動。關(guān)于Z 軸的安全問題，首先選用帶電磁剎車的伺服電動機，其次為防止?jié)L珠螺母自轉(zhuǎn)引起噴槍機械式下垂，使噴槍升降更輕便，采用了重錘平衡機構(gòu)。
2.3 本章小節(jié)
本章主要講解了立式高速火焰噴涂機床的總體方案設(shè)計，其主要內(nèi)容為機械部分的設(shè)計，根據(jù)所給要求制定出了總體設(shè)計方案。
第3章 進給伺服系統(tǒng)的設(shè)計與計算
3.1 進給伺服系統(tǒng)的設(shè)計要求
機床的位置調(diào)節(jié)對進給伺服系統(tǒng)提出了很高的要求。其中在靜態(tài)設(shè)計方面有：
(1)能夠克服摩擦力和負載；
(2)很小的進給位移量；
(3)高的靜態(tài)扭轉(zhuǎn)剛度；
(4)足夠的調(diào)速范圍，滿足快進和工進的需要；
(5)進給速度均勻，在速度很低時，無爬行現(xiàn)象。
在動態(tài)設(shè)計方面的要求有：
(1)具有足夠的加速和制動轉(zhuǎn)距，以便快速地完成啟動和制動過程。
(2)具有良好的動態(tài)傳遞性能，以保證在加工中獲得高的軌跡精度和滿意地表面質(zhì)量；
(3)負載引起的軌跡誤差盡可能小。
對于數(shù)控機床機械傳動部件則有以下要求：
(1)被加速的運動部件具有較小的慣量；
(2)高的剛度；
(3)良好的阻尼；
(4)傳動部件在拉壓剛度、扭轉(zhuǎn)剛度、摩擦阻尼特性和間隙等方面具有盡可能小的非線性。
伺服系統(tǒng)總體設(shè)計方案如圖3-1。
圖3-1 伺服系統(tǒng)總體設(shè)計方案
3.2 滾珠絲杠的特點
在機床的設(shè)計中，滾珠絲杠是將回轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為直線運動，或?qū)⒅本€運動轉(zhuǎn)化為回轉(zhuǎn)運動的理想的產(chǎn)品。滾珠絲杠由螺桿、螺母和滾珠組成。它的功能是將旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化成直線運動，這是滾珠螺絲的進一步延伸和發(fā)展，這項發(fā)展的重要意義就是將軸承從滾動動作變成滑動動作。由于具有很小的摩擦阻力，滾珠絲杠被廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)設(shè)備和精密儀器[26]。
滾珠絲杠是工具機和精密機械上最常使用的傳動元件，其主要功能是將旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換成線性運動，或?qū)⑴ぞ剞D(zhuǎn)換成軸向反覆作用力，同時兼具高精度、可逆性和高效率的特點。
滾珠絲杠的特點：
(1)與滑動絲杠副相比驅(qū)動力矩為1/3
由于滾珠絲杠副的絲杠軸與絲杠螺母之間有很多滾珠在做滾動運動，所以能得到較高的運動效率。與過去的滑動絲杠副相比驅(qū)動力矩達到1/3以下，即達到同樣運動結(jié)果所需的動力為使用滾動絲杠副的1/3。在省電方面很有幫助。
(2)高精度的保證
滾珠絲杠副是用世界最高水平的機械設(shè)備連貫生產(chǎn)出來的，特別是在研削、組裝、檢查各工序的工廠環(huán)境方面，對溫度、濕度進行了嚴格的控制，由于完善的品質(zhì)管理體制使精度得以充分保證。
(3)微進給可能
滾珠絲杠副由于是利用滾珠運動，所以啟動力矩極小，不會出現(xiàn)滑動運動那樣的爬行現(xiàn)象，能保證實現(xiàn)精確的微進給。
(4)無側(cè)隙、剛性高
滾珠絲杠副可以加預(yù)壓，由于預(yù)壓力可使軸向間隙達到負值，進而得到較高的剛性(滾珠絲杠內(nèi)通過給滾珠加預(yù)壓力，在實際用于機械裝置等時，由于滾珠的斥力可使絲母部的剛性增強)。
(5)高速進給可能
滾珠絲杠由于運動效率高、發(fā)熱小、所以可實現(xiàn)高速進給(運動)。
滾珠絲杠副的精度是影響機床的定位精度及重復(fù)定位精度的最主要的因素。為了在機床的設(shè)計中更合理的選用滾珠絲杠副，使其充分發(fā)揮效能，必須進行一系列的計算。
3.3 絲杠的計算
3.3.1 滾珠絲杠副的導(dǎo)程計算
工作臺橫向X軸行程300mm，速度為0~30m/min，伺服電機最大轉(zhuǎn)速為3000r/min,，算得其導(dǎo)程為：
(3-1)
式中: Ph——絲杠導(dǎo)程，mm；
vmax——工件最大速度，m/min；
inmax——電機最大轉(zhuǎn)速，r/min。
3.3.2 滾珠絲杠副的載荷計算
(1)最小載荷
機床空載時滾珠絲杠副的傳動力，如工作臺重量引起的摩擦力
(3-2)
式中: Fmin——最小載荷，N；
f——摩擦力系數(shù)；
G——滑座及工作臺重力，N。
(2)最大載荷
選機床承受最大負荷時滾珠絲杠的傳動力。如機床切削時，切削力在滾珠絲杠副軸向的分力與導(dǎo)軌摩擦力之和即為Fmax（這時導(dǎo)軌摩擦力是由工作臺、工件、夾具三者總的重量以及切削力在垂直導(dǎo)軌方向的分量共同引起的）。
(3-3)
式中: Fmax——最大載荷，N；
Fc——夾具重量，N；
Fp——工件重量，N。
(3)平均載荷
平均載荷為：
(3-4)
(4)當量載荷
工作臺進給速度為0~30m/min，故平均轉(zhuǎn)速為：
(3-5)
絲杠的工作壽命取為10000h。故：
(3-6)
當量動載荷
(3-7)
式中:fw——負荷系數(shù)；
fa——精度系數(shù)。
3.3.3 確定允許最小螺紋低經(jīng)
絲杠要求預(yù)拉伸，取兩端固定的支承形式
(3-8)
式中:——最大軸向形變量，um；
L——行程，mm；
F0——靜摩擦力，N。
3.3.4 確定滾珠絲杠副得規(guī)格代號
查《機械設(shè)計師手冊》，選型號為JCS3210-4的絲杠。額定動載荷為。符合要求。絲杠直徑為32mm，導(dǎo)程10mm。滾珠絲桿及螺母副結(jié)構(gòu)如圖4-1。
圖4-1滾珠絲桿及螺母副結(jié)構(gòu)圖
3.4 伺服電機的選擇
3.4.1 基本原則
(1) 考慮電動機的主要性能（啟動、過載及調(diào)速等）、額定功率大小、額定轉(zhuǎn)速及結(jié)構(gòu)形式等方面要滿足生產(chǎn)機械的要求。
(2) 在以上前提下，優(yōu)先選用結(jié)構(gòu)簡單、運行可靠、維護方便又價格合理的電動機。
(3)安裝方式：立式和臥式
(4)防護方式：開啟式、封閉式、防護式、防暴式。
(5)額定電壓 交流380～220V，或根據(jù)需要配變壓器。
3.4.2 額定轉(zhuǎn)速的選擇
根據(jù)生產(chǎn)機械的具體情況來選擇要求重復(fù)、短時、正反轉(zhuǎn)工作的生產(chǎn)機械，除應(yīng)選擇滿足工藝要求的電動機額定轉(zhuǎn)速外，還要保證生產(chǎn)機械達到最大的加、減速度的要求而選擇最恰當?shù)貍鲃友b置，以達到最大生產(chǎn)率或最小損耗的目標。一般都是直接傳動，而不是減速器。
3.4.3 慣量匹配
工件和工作臺的最大質(zhì)量為3000kg,折算到電動機軸，其慣量為
(3-9)
式中:m——工件和工作臺的重量，kg；
v——速度，m/s；
w——角速度，rad。
絲杠慣量：絲杠直徑32mm，決定長度為920mm。
(3-10)
式中:d0——絲杠直徑，mm；
l——絲杠長度，mm；
——密度，取7.85103kg/m3。
負載慣量為：
(3-11)
最大切削負載轉(zhuǎn)矩：
(3-12)
3.4.4 電機選擇
選伺服電機SM110-040-30LFB：
最高轉(zhuǎn)速：3000；
額定轉(zhuǎn)距：4；
轉(zhuǎn)子慣量：0.6510-3；
功率：1.2kw；
重量：5.2kg。
3.3.5 慣量匹配驗算
(3-13)
(3-14)
慣量滿足匹配要求。
3.3.6 速度的驗算
高速長絲杠工作時可能發(fā)生共振，因此驗算其不會發(fā)生共振的最高轉(zhuǎn)速ncr。
(3-15)
絲杠平均轉(zhuǎn)速nav
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