半自動鉆床設計及運動學分析,半自動,鉆床,設計,運動學,分析 夾具及工件 夾具體夾緊桿與油缸連接處運動位置曲線 加速度曲線 速度曲線 半自動化鉆床刀具每個工作過程的推桿位置曲線 進給機構連接點加速度曲線 刀具進給介個切削力變化曲線 遼寧工程技術大學畢業(yè)論文 1 緒論 1.1 課題選擇的意義 液壓傳動與其他類型的傳動相比較具有許多突出的優(yōu)點，液壓傳動技術在工程中，特別是在高效率的自動化和半自動化機械中，應用十分廣泛。本文主要利用鉆床液壓系統(tǒng)設計來實現(xiàn)鉆床的半自動化控制是工業(yè)中經(jīng)常用到的一種控制方式，它采用液壓完成傳遞能量的過程。因為液壓傳動控制方式的靈活性和便捷性，液壓控制在工業(yè)上受到廣泛的重視。液壓傳動是研究以有壓流體為能源介質，來實現(xiàn)各種機械和自動控制的學科。液壓傳動利用這種元件來組成所需要的各種控制回路，再由若干回路有機組合成為完成一定控制功能的傳動系統(tǒng)來完成能量的傳遞、轉換和控制。 圖1-1 液壓傳動能量傳遞過程 Fig.1-1 hydraulic transmission energy transfer process 從原理上來說，液壓傳動所基于的最基本的原理就是帕斯卡原理，就是說，液體各處的壓強是一致的，這樣，在平衡的系統(tǒng)中，比較小的活塞上面施加的壓力比較小，而大的活塞上施加的壓力也比較大，這樣能夠保持液體的靜止。所以通過液體的傳遞，可以得到不同端上的不同的壓力，這樣就可以達到一個變換的目的。我們所常見到的液壓千斤頂就是利用了這個原理來達到力的傳遞[2]。 圖1-2 液壓傳動基本原理 Fig.1-2 hydraulic transmission basic principle 液壓作為一個廣泛應用的技術，在未來更是有廣闊的前景。隨著計算機的深入發(fā)展，液壓控制系統(tǒng)可以和智能控制的技術、計算機控制的技術等技術結合起來，這樣就能夠更多的場合中發(fā)揮作用，也可以更加精巧的、更加靈活地完成預期的控制任務。 1.2 液壓系統(tǒng)在工程中的應用 液壓傳動相對于機械傳動來說，是一門新技術。自1795年制成第一臺水壓機起，液壓技術就進入了工程領域，1906年開始應用于國防戰(zhàn)備武器。第二次世界大戰(zhàn)期間，由于軍事工業(yè)迫切需要反應快和精度高的自動控制系統(tǒng)，因而出現(xiàn)了液壓伺服系統(tǒng)。20世紀60年代以后，由于原子能、空間技術、大型船艦及計算機技術的發(fā)展，不斷地對液壓技術提出新的要求，液壓技術相應也得到了很大發(fā)展，滲透到國民經(jīng)濟的各個領域中。在工程機械、冶金、軍工、農(nóng)機、汽車、輕紡、船舶、石油、航空、和機床工業(yè)中，液壓技術得到普遍應用。近年來液壓技術已廣泛應用于智能機器人、海洋開發(fā)、宇宙航行、地震預測及各種電液伺服系統(tǒng)，使液壓技術的應用提高到一個嶄新的高度。目前，液壓技術正向高壓、高速、大功率、高效率、低噪聲和高度集成話等方向發(fā)展；同時，減小元件的重量和體積，提高元件壽命，研制新的傳動介質以及液壓傳動系統(tǒng)的計算機輔助設計、計算機仿真和優(yōu)化設計、微機控制等工作，也日益取得顯著成果。 解放前，我國經(jīng)濟落后，液壓工業(yè)完全是空白。解放后，我國經(jīng)濟獲得迅速發(fā)展，液壓工業(yè)也和其它工業(yè)一樣，發(fā)展很快。20世紀50年代就開始生產(chǎn)各種通用液壓元件。當前，我國已生產(chǎn)出許多新型和自行設計的系列產(chǎn)品，如插裝式錐閥、電液比例閥、電液伺服閥、電液脈沖馬達以及其它新型液壓元件等。但由于過去基礎薄弱，所生產(chǎn)的液壓元件，在品種與質量等方面和國外先進水平相比，還存在一定差距，我國液壓技術也將獲得進一步發(fā)展，它在各個工業(yè)技術的發(fā)展，可以預見，液壓技術也將獲得進一步發(fā)展，它在各個工業(yè)部門中的用應，也將會越來越廣泛。 現(xiàn)代機械一般多是機械、電氣、液壓三者緊密聯(lián)系，結合的一個綜合體。液壓傳動與機械傳動、電氣傳動并列為三大傳統(tǒng)形式，液壓傳動系統(tǒng)的設計在現(xiàn)代機械的設計工作中占有重要的地位。 1.3 液壓傳動系統(tǒng)的優(yōu)缺點 液壓傳動中所需要的元件主要有動力元件、執(zhí)行元件、控制元件、輔助元件等。其中液壓動力元件是為液壓系統(tǒng)產(chǎn)生動力的部件，主要包括各種液壓泵。液壓泵依靠容積變化原理來工作，所以一般也稱為容積液壓泵。齒輪泵是最常見的一種液壓泵，它通過兩個嚙合的齒輪的轉動使得液體進行運動。其他的液壓泵還有葉片泵、柱塞泵，在選擇液壓泵的時候主要需要注意的問題包括消耗的能量、效率、降低噪音。 　　除了上述的元件以外，液壓控制系統(tǒng)還需要液壓輔助元件。這些元件包括管路和管接頭、油箱、過濾器、蓄能器和密封裝置。通過以上的各個器件，我們就能夠建設出一個液壓回路。所謂液壓回路就是通過各種液壓器件構成的相應的控制回路。根據(jù)不同的控制目標，我們能夠設計不同的回路，比如壓力控制回路、速度控制回路、多缸工作控制回路等。 液壓傳動的應用性是很強的，比如裝卸堆碼機液壓系統(tǒng)，它作為一種倉儲機械，在現(xiàn)代化的倉庫里利用它實現(xiàn)紡織品包、油桶、木桶等貨物的裝卸機械化工作。也可以應用在萬能外圓磨床液壓系統(tǒng)等生產(chǎn)實踐中。這些系統(tǒng)的特點是功率比較大，生產(chǎn)的效率比較高，平穩(wěn)性比較好。 1.3.1 優(yōu)點 1) 傳動平穩(wěn) 在液壓傳動裝置中，由于油液的壓縮量非常小，在通常壓力下可以認為不可壓縮，依靠油液的連續(xù)流動進行傳動。油液有吸振能力，在油路中還可以設置液壓緩沖裝置，故不像機械機構因加工和裝配誤差會引起振動扣撞擊，使傳動十分平穩(wěn)，便于實現(xiàn)頻繁的換向；因此它廣泛地應用在要求傳動平穩(wěn)的機械上，例如磨床幾乎全都采用了液壓傳動。 2) 質量輕體積小 液壓傳動與機械、電力等傳動方式相比，在輸出同樣功率的條件下，體積和質量可以減少很多，因此慣性小、動作靈敏；這對液壓仿形、液壓自動控制和要求減輕質量的機器來說，是特別重要的。例如我國生產(chǎn)的1m3挖掘機在采用液壓傳動后，比采用機械傳動時的質量減輕了1t。 3) 承載能力大 液壓傳動易于獲得很大的力和轉矩，因此廣泛用于壓制機、隧道掘進機、萬噸輪船操舵機和萬噸水壓機等。 4) 容易實現(xiàn)無級調速 在液壓傳動中，調節(jié)液體的流量就可實現(xiàn)無級凋速，并且調速范圍很大，可達2000：1，很容易獲得極低的速度。 5) 易于實現(xiàn)過載保護 液壓系統(tǒng)中采取了很多安全保護措施，能夠自動防止過載，避免發(fā)生事故。 6) 液壓元件能夠自動潤滑 由于采用液壓油作為工作介質，使液壓傳動裝置能自動潤滑，因此元件的使用壽命較長。 7) 容易實現(xiàn)復雜的動作 采用液壓傳動能獲得各種復雜的機械動作，如仿形車床的液壓仿形刀架、數(shù)控銑床的液壓工作臺，可加工出不規(guī)則形狀的零件． 8) 簡化機構 采用液壓傳動可大大地簡化機械結構，從而減少了機械零部件數(shù)目。 9) 便于實現(xiàn)自動化 液壓系統(tǒng)中，液體的壓力、流量和方向是非常容易控制的，再加上電氣裝置的配合，很容易實現(xiàn)復雜的自動工作循環(huán)。目前，液壓傳動在組合機床和自動線上應用得很普遍。 10) 便于實現(xiàn)“三化” 液壓元件易于實現(xiàn)系列比、標準化和通用化．也易于設計和組織專業(yè)性大批量生產(chǎn)，從而可提高生產(chǎn)率、提高產(chǎn)品質量、降低成本[3]。 1.3.2 缺點 1) 液壓元件制造精度要求高 由于元件的技術要求高和裝配比較困難，使用維護比較嚴格。 2) 實現(xiàn)定比傳動困難 液壓傳動是以液壓油為工作介質，在相對運動表面間不可避免的要有泄漏，同時油液也不是絕對不可壓縮的。因此不宜應用在在傳動比要求嚴格的場合，例如螺紋和齒輪加工機床的傳動系統(tǒng)。 3) 油液受溫度的影響 由于油的粘度隨溫度的改變而改變，故不宜在高溫或低溫的環(huán)境下工作。 4) 不適宜遠距離輸送動力 由于采用油管傳輸壓力油，壓力損失較大，故不宜遠距離輸送動力。 5) 油液中混入空氣易影響工作性能 油液中混入空氣后，容易引起爬行、振動和噪聲，使系統(tǒng)的工作性能受到影響。 6) 油液容易污染 油液污染后，會影響系統(tǒng)工作的可靠性。 7) 發(fā)生故障不易檢查和排除。 2 液壓系統(tǒng)的初步設計 液壓系統(tǒng)是機械伺服裝置中的經(jīng)典結構。即使在機電類元件獲得長足進步的今天，液壓系統(tǒng)仍以其高功率/重量比，響應快，低速特性好等特點而在不少系統(tǒng)當中扮演舉足輕重的角色。在現(xiàn)代電子和控制技術推動下涌現(xiàn)出了一些原理新穎，物美價廉的液壓元器件，給這一傳統(tǒng)的技術帶來了新的生機。液壓傳動系統(tǒng)是液壓機械的一個組成部分，液壓傳動系統(tǒng)的設計要同主機的總體設計同時進行。著手設計時，必須從實際情況出發(fā)，有機地結合各種傳動形式，充分發(fā)揮液壓傳動的優(yōu)點，力求設計出結構簡單、工作可靠、成本低、效率高、操作簡單、維修方便的液壓傳動系統(tǒng)。 2.1 液壓系統(tǒng)的設計步驟 1) 明確設計方案； 2) 確定液壓執(zhí)行元件的形式； 3) 進行工況分析，確定系統(tǒng)的主要參數(shù)； 4) 制定基本方案，擬定液壓系統(tǒng)原理圖； 5) 選擇液壓元件； 6) 液壓系統(tǒng)的性能驗算； 7) 繪制工作圖，編制技術文件[4]。 2.2 設計要求 設計要求是進行每項工程設計的依據(jù)，在制定基本方案并進一步著手液壓系統(tǒng)各部分設計之前，必須把設計要求以及與該設計內容有關的其他方面了解清楚。 目前，大部分的鉆床機床的卡盤，鉆頭等都是由液壓來控制的。而他們的基本工作原理都是：通過液壓系統(tǒng)回路，來實現(xiàn)控制卡盤的卡緊，松開及對不同的零件類型來實現(xiàn)正鉆，反鉆的控制。而它們的工作循環(huán)大都為： 快進卡緊保壓鉆孔松開 其中快進和卡緊并不是通過高低壓的換向來控制，而是通過負載的增加來實現(xiàn)的，而保壓過程是通過換向閥來實現(xiàn)的，而它是保證卡緊力在突然斷電等事故發(fā)生時保護設備和人員安全的必要設備。 2.3 鉆床對液壓系統(tǒng)的要求 1) 卡盤卡緊，松開時動作要求平穩(wěn)，在進行動做換向時不應有沖擊； 2) 當卡盤卡緊后，液壓缸機構應具有足夠的保壓能力，以防止因系統(tǒng)內瀉而造成工件的脫落或當數(shù)控機床在加工零件是因為卡緊力不夠而使工件軸向不垂直，加工零件尺寸出現(xiàn)偏差。 3) 系統(tǒng)中要有減壓裝置，其作用為當卡盤接觸工件時，系統(tǒng)壓力忽然升高，為防止因壓力過大而造成加上工件的事故發(fā)生，該系統(tǒng)在工作過程中因為恒壓。 4) 鉆頭工作時應沒有沖擊，爬行等不良現(xiàn)象。所以對系統(tǒng)的密封應有較高的標準。 5) 為保證安全生產(chǎn)，避免忽然斷電以及電機損壞等突發(fā)事件的發(fā)生，系統(tǒng)中應有連鎖保壓裝置。 3 液壓系統(tǒng)方案設計 3.1 制定調速方案 液壓執(zhí)行元件確定之后，其運動方向和運動速度的控制是擬定液壓回路的核心問題。 方向控制用換向閥或邏輯控制單元來實現(xiàn)。對于一般中小流量的液壓系統(tǒng)，大多通過換向閥的有機組合實現(xiàn)所要求的動作。對高壓大流量的液壓系統(tǒng)，現(xiàn)多采用插裝閥與先導控制閥的邏輯組合來實現(xiàn)。 ??? 速度控制通過改變液壓執(zhí)行元件輸入或輸出的流量或者利用密封空間的容積變化來實現(xiàn)。相應的調整方式有節(jié)流調速、容積調速以及二者的結合——容積節(jié)流調速。 節(jié)流調速一般采用定量泵供油，用流量控制閥改變輸入或輸出液壓執(zhí)行元件的流量來調節(jié)速度。此種調速方式結構簡單，由于這種系統(tǒng)必須用閃流閥，故效率低，發(fā)熱量大，多用于功率不大的場合。 容積調速是靠改變液壓泵或液壓馬達的排量來達到調速的目的。其優(yōu)點是沒有溢流損失和節(jié)流損失，效率較高。但為了散熱和補充泄漏，需要有輔助泵。此種調速方式適用于功率大、運動速度高的液壓系統(tǒng)。 容積節(jié)流調速一般是用變量泵供油，用流量控制閥調節(jié)輸入或輸出液壓執(zhí)行元件的流量，并使其供油量與需油量相適應。此種調速回路效率也較高，速度穩(wěn)定性較好，但其結構比較復雜。 節(jié)流調速又分別有進油節(jié)流、回油節(jié)流和旁路節(jié)流三種形式。進油節(jié)流起動沖擊較小，回油節(jié)流常用于有負載荷的場合，旁路節(jié)流多用于高速。 ??? 調速回路一經(jīng)確定，回路的循環(huán)形式也就隨之確定了。 ??? 節(jié)流調速一般采用開式循環(huán)形式。在開式系統(tǒng)中，液壓泵從油箱吸油，壓力油流經(jīng)系統(tǒng)釋放能量后，再排回油箱。開式回路結構簡單，散熱性好，但油箱體積大，容易混入空氣。 ??? 容積調速大多采用閉式循環(huán)形式。閉式系統(tǒng)中，液壓泵的吸油口直接與執(zhí)行元件的排油口相通，形成一個封閉的循環(huán)回路。其結構緊湊，但散熱條件差[5]。 3.2 制定壓力控制方案 液壓執(zhí)行元件工作時，要求系統(tǒng)保持一定的工作壓力或在一定壓力范圍內工作，也有的需要多級或無級調節(jié)壓力，一般在節(jié)流調速系統(tǒng)中，通常由定量泵供油，用溢流閥調節(jié)所需壓力，并保持恒定。在容積調速系統(tǒng)中，用變量泵供油，用安全閥起安全保護作用。 ??? 在有些液壓系統(tǒng)中，有時需要流量不大的高壓油，這時可考慮用增壓回路得到高壓，而不用單設高壓泵。液壓執(zhí)行元件在工作循環(huán)中，某段時間不需要供油，而又不便停泵的情況下，需考慮選擇卸荷回路。 ??? 在系統(tǒng)的某個局部，工作壓力需低于主油源壓力時，要考慮采用減壓回路來獲得所需的工作壓力。 3.3 制定順序動作方案 主機各執(zhí)行機構的順序動作，根據(jù)設備類型不同，有的按固定程序運行，有的則是隨機的或人為的。工程機械的操縱機構多為手動，一般用手動的多路換向閥控制。加工機械的各執(zhí)行機構的順序動作多采用行程控制，當工作部件移動到一定位置時，通過電氣行程開關發(fā)出電信號給電磁鐵推動電磁閥或直接壓下行程閥來控制接續(xù)的動作。行程開關安裝比較方便，而用行程閥需連接相應的油路，因此只適用于管路聯(lián)接比較方便的場合。 ???? 另外還有時間控制、壓力控制等。例如液壓泵無載啟動，經(jīng)過一段時間，當泵正常運轉后，延時繼電器發(fā)出電信號使卸荷閥關閉，建立起正常的工作壓力。壓力控制多用在帶有液壓夾具的機床、擠壓機壓力機等場合。當某一執(zhí)行元件完成預定動作時，回路中的壓力達到一定的數(shù)值，通過壓力繼電器發(fā)出電信號或打開順序閥使壓力油通過，來啟動下一個動作。 3.4 選擇液壓動力源 液壓系統(tǒng)的工作介質完全由液壓源來提供，液壓源的核心是液壓泵。節(jié)流調速系統(tǒng)一般用定量泵供油，在無其他輔助油源的情況下，液壓泵的供油量要大于系統(tǒng)的需油量，多余的油經(jīng)溢流閥流回油箱，溢流閥同時起到控制并穩(wěn)定油源壓力的作用。容積調速系統(tǒng)多數(shù)是用變量泵供油，用安全閥限定系統(tǒng)的最高壓力。 為節(jié)省能源提高效率，液壓泵的供油量要盡量與系統(tǒng)所需流量相匹配。對在工作循環(huán)各階段中系統(tǒng)所需油量相差較大的情況，一般采用多泵供油或變量泵供油。對長時間所需流量較小的情況，可增設蓄能器做輔助油源。 油液的凈化裝置是液壓源中不可缺少的。一般泵的入口要裝有粗過濾器，進入系統(tǒng)的油液根據(jù)被保護元件的要求，通過相應的精過濾器再次過濾。為防止系統(tǒng)中雜質流回油箱，可在回油路上設置磁性過濾器或其他型式的過濾器。根據(jù)液壓設備所處環(huán)境及對溫升的要求，還要考慮加熱、冷卻等措施[6]。 3.5 繪制液壓系統(tǒng)圖 根據(jù)上述分析，可以基本擬訂本次所設計的數(shù)控機床液壓控制系統(tǒng)的原理圖及電磁鐵動作表： 表3-1 電磁鐵動作 Tab.3-1 electro-magnet movement YV1 YV2 YV3 YV4 缸進給 + - 缸返回 - + 馬達正轉 + - 馬達反轉 - + 圖3-1 液壓原理圖 Fig.3-1 hydraulic schematic diagram 整機的液壓系統(tǒng)圖由擬定好的控制回路及液壓源組合而成。各回路相互組合時要去掉重復多余的元件，力求系統(tǒng)結構簡單。注意各元件間的聯(lián)鎖關系，避免誤動作發(fā)生。要盡量減少能量損失環(huán)節(jié)。提高系統(tǒng)的工作效率[7]。 ??? 為便于液壓系統(tǒng)的維護和監(jiān)測，在系統(tǒng)中的主要路段要裝設必要的檢測元件（如壓力表、溫度計等）。 ??? 大型設備的關鍵部位，要附設備用件，以便意外事件發(fā)生時能迅速更換，保證主要連續(xù)工作。 ??? 各液壓元件盡量采用國產(chǎn)標準件，在圖中要按國家標準規(guī)定的液壓元件職能符號的常態(tài)位置繪制。對于自行設計的非標準元件可用結構原理圖繪制。 ??? 系統(tǒng)圖中應注明各液壓執(zhí)行元件的名稱和動作，注明各液壓元件的序號以及各電磁鐵的代號，并附有電磁鐵、行程閥及其他控制元件的動作表。 4 液壓執(zhí)行元件的設計計算與選用 4.1 確定液壓系統(tǒng)的主要參數(shù) 液壓系統(tǒng)的主要參數(shù)就是壓力和流量，他們是設計液壓系統(tǒng)，選擇液壓元件的主要依據(jù)。壓力決定與外載荷。流量取決于液壓執(zhí)行元件的運動速度和結構尺寸。 4.1.1 鉆床機床控制液壓系統(tǒng)的主要設計參數(shù) 系統(tǒng)工作壓力：2.5-3Mpa 系統(tǒng)流量 16.7L/Min 馬達工作壓力 1.5Mpa 馬達轉數(shù)范圍 100-2000r/min 液壓油缸工作壓力 1Mpa 4.1.2 初步估算系統(tǒng)工作壓力 此鉆床液壓控制系統(tǒng)，壓力最大時是在馬達全速運轉時，此時，油壓是由泵提供的，其它工況時，載荷都沒有此時大，所以系統(tǒng)的工作壓力暫定為此時的工作壓力1.5Mpa. 而液壓系統(tǒng)的最大工作壓力應按下式計算： PP = Pg +?P （4-1） 式中 PP－系統(tǒng)最大工作壓力 －液壓缸或液壓馬達最大工作壓力 －從液壓泵到液壓馬達或液壓缸之間總的管路損失，可按經(jīng)驗數(shù)據(jù)選?。汗苈泛唵?，流速不大的取。也可選取高于0.5Mpa的壓力。 由本設計系統(tǒng)求得：該系統(tǒng)的最大工作壓力取。 4.1.3 系統(tǒng)工作流量的選擇 由于在工況中已經(jīng)給出系統(tǒng)的最大流量所以在這里就不對系統(tǒng)的最大流量進行計算。用工況中給出的系統(tǒng)最大流量： 。 4.2 管道尺寸的確定 （4-2） 式中 －系統(tǒng)流量 V－系統(tǒng)流速 表4-1 流速推薦值 Tab.4-1 speed of flow recommendation value 管道 推薦流速（m/s） 液壓泵吸油管路 0.5－1.5 液壓系統(tǒng)壓油管路 3－6 液壓系統(tǒng)回油管路 1.5－2.6 由上式及相關資料可求得下表： 表4-2 各油管內外徑實取值 Tab.4-2 various drill tubing’s outer diameter solid value 管路名稱 流量 流速 內徑 實取 外徑 吸油管 16.7L/min 1m/s 18.825mm 20mm 28mm 壓油管 16.7L/min 4m/s 9.41mm 10mm 14mm 回油管 16.7L/min 2m/s 13.31mm 14mm 18mm 4.3 各種閥類的選擇 根據(jù)本系統(tǒng)的設計技術要求，選擇一個有電磁換向閥，疊加式雙單向節(jié)流閥，疊加式壓力計電器，疊加式減壓閥組成液壓回路。實現(xiàn)卡盤的卡緊，松開和退回，鉆頭的正轉反轉等動作。閥的規(guī)格根據(jù)系統(tǒng)的工作壓力和工作年限來通過樣本的選取決定[8]。 4.3.1 換向閥的選取 一般來說，流量在190L/min以上的適宜用二通插裝閥；190L/min以下時可采用滑閥式換向閥。70L/min以下時通常用電磁換向閥。 控制閥的流量一般要選得比實際通過的流量大一些，必要時也可以有20％以內的短時間過流量。 根據(jù)以上要求，本系統(tǒng)選擇的換向閥為電磁換向閥，具體的型號和尺寸由相關廠家的樣本中查得。 其中電磁換向閥的產(chǎn)品型號為：4WE6E6X/EG24NZ5L/B10。 4.3.2 單向閥的選擇 應選擇開啟壓力小的單向閥，開啟壓力較大的單向閥可作為背壓閥使用。所以，本系統(tǒng)選擇疊加式雙單向節(jié)流閥，具體型號和尺寸可由相關廠家樣本中查得。其中疊加式雙單向節(jié)流閥的型號為：Z2FS6-3-L4X/2Q。 4.3.3 減壓閥的選擇 減壓閥根據(jù)不同的需要，可將液壓系統(tǒng)區(qū)分成不同的壓力油路，例如控制機構的控制油路或其他輔助油路，以使不同的執(zhí)行機構產(chǎn)生不同的工作力；減壓閥也可用作穩(wěn)定油路工作壓力的調節(jié)裝置，使油路不受壓力源壓力變化及其他閥門工作時引起壓力波動的影響。 根據(jù)以上要求，本系統(tǒng)選擇的減壓閥為疊加式P口減壓閥，具體型號和尺寸可由相關廠家樣本中查得。 本系統(tǒng)中的疊加式減壓閥型號為：ZDR6DP3-30/2.5YM。 4.3.4 壓力繼電器的選擇 壓力繼電器是利用液體壓力信號來啟動或關閉電器觸點的液壓電器轉換元件。它在油液壓力達到其設定壓力時，發(fā)出電信號，控制電器元件動作，實現(xiàn)泵的加載和卸荷。其設定值通常是比系統(tǒng)正常工作壓力高出約0.5Mpa，所以本系統(tǒng)的壓力繼電器預先調定壓力為3.5Mpa。 根據(jù)以上要求，本系統(tǒng)選擇的壓力繼電器為疊加式壓力繼電器，具體型號和尺寸可由相關廠家樣本中查得[9]。 疊加式壓力繼電器的型號為：HED40H10/5Z14/2。 表4-3 系統(tǒng)中所用到的元件現(xiàn)總結 Table.4-3 system uses the part presently summarizes 序號 名稱 數(shù)量 規(guī)格 1 減壓閥 2 ZDR6DP3-30/2.5YM 2 壓力繼電器 1 HED4OH10/5Z14/2 3 雙單向節(jié)流閥 2 Z2FS6-3-L4X/2Q 4 電磁換向閥 2 4WE6E6X/EG24NZ5L/B10 5 WU型網(wǎng)式過濾器 1 WU-40180 6 空氣濾清器 1 QUQ1-200.4 7 液位計 1 YWZ-80T 4.4 液壓泵的選擇 1) 確定液壓泵的最大工作壓力： （4-3） 式中 －額定壓力 －從液壓泵出口到液壓缸或液壓馬達入口之間總的管路損失。的準確計算要待元件選定并會出管路圖時才能進行，初算時可按經(jīng)驗數(shù)據(jù)選取：管路簡單，流速不大的，取 2) 確定液壓泵的流量： （4-4） 式中 K－泄露系數(shù) 一般取1.1-1.3； －系統(tǒng)最大流量 發(fā)生在馬達全速運轉時: 3) 選擇泵的規(guī)格 根據(jù)以上求得的和值，按系統(tǒng)中擬定的液壓泵的形式，從產(chǎn)品樣本或手冊中選擇相應的液壓泵。為使液壓泵有一定的壓力儲備，所以選擇的泵的額定壓力一般要比最大工作壓力大。 泵取YBX-16限壓式變量泵，排量調節(jié)為，額定壓力6.3Mpa，調節(jié)范圍，轉速，驅動功率為2.6Kw 效率。 4.5 液壓泵驅動電機的選擇 液壓泵在額定壓力和額定流量下工作時，其驅動電機的功率一般可直接從產(chǎn)品樣本或技術手冊中查得，但其數(shù)值在實際中往往偏大。因此，也可以根據(jù)具體工況用下述方法計算出來[10]。 整個系統(tǒng)中所需功率最大的工況是發(fā)生在馬達最大轉速的情況下。 （4-5） 式中 －泵的最大工作壓力 －泵的流量 －泵的總效率 P= 綜上所述，由廠家樣本中查出本系統(tǒng)所選擇的電機型號為Y90L-4B35 額定功率1.5kw 轉速1440r/min 4.6 液壓馬達的選取 由系統(tǒng)所給定的馬達排量為16.3ml/r，正常工作時轉矩為,工作壓力為1.5Mpa。選用YM-A19B，理論排量 19ml/r額定壓力6.0Mpa，調速范圍100-2000r/min\，最高轉矩 10-80Nm，機械效率大于[11]。 馬達的載荷轉矩 （4-6） 取馬達的機械效率0.95，則理論轉矩為 （4-7） 4.7 確定油箱的有效容積 按公式4-8初步確定油箱的有效容積 （4-8） 式中 －泵每分鐘排出的容積； －經(jīng)驗系數(shù) ?。? 取V=100L 4.8 液壓缸的載荷力計算 液壓缸尺寸（由系統(tǒng)給出） D=50mm,d=28mm 行程為35mm （4-9） 式中 d－油缸內經(jīng)； P－油缸壓力； 進給時 返回時 （4-10） 表4-3 液壓油缸的載荷力 Tab.4-3 hydraulic ram loading force 名稱 工況 活塞上的載荷力 卡緊油缸 進給 1.96KN 返回 1.35KN 5 系統(tǒng)性能驗算 本系統(tǒng)比較簡單，執(zhí)行元件較少并且動作簡單。管路損失很小，故主要驗算各元件的壓力損失對系統(tǒng)造成的影響[12]。 5.1 沿程壓力損失 主要是壓油管的壓力損失，管長0.5m，內徑0.01m，流量16.7L/min 選用L-HL 礦物油型液壓油，正常運轉時的運動粘度V=35.2，油液的密度。 油在管中實際的流速為 （5-1） （5-2） 油在管路中呈亂流流動狀態(tài)，其沿程阻力系數(shù)為： （5-3） （5-4） 5.2 局部壓力損失 局部壓力損失包括通過管路中折管和管接頭等處的管路局部壓力損失，以及通過控制閥的局部壓力損失，其中管路局部壓力損失相對來說小得多，故主要計算通過控制閥的局部壓力損失。 參看系統(tǒng)原理圖可知從泵口到執(zhí)行元件要經(jīng)過減壓閥，節(jié)流閥，換向閥各閥的性能如下表5-1所示： 表5-1 各閥額定壓力損失 Tab.5-1 various valves rated pressure loss 名稱 額定流量 額定壓力損失 減壓閥 30L/min 0.21Mpa 節(jié)流閥 80L/min 0.315Mpa 換向閥 80L/min 0.35Mpa 所以通過各閥的局部壓力損失之和為： （5-5） 由以上計算結果可求得此系統(tǒng)總的壓力損失為： 泵的出口壓力距泵的額定壓力有一定的壓力裕度，所以泵的選取是合適的[13]。 6 系統(tǒng)發(fā)熱量的計算 6.1 計算發(fā)熱功率 液壓系統(tǒng)的功率損失全部轉化為熱量。按下式計算其發(fā)熱功率： （6-1） 式中 －系統(tǒng)發(fā)熱功率 －系統(tǒng)發(fā)出總功率 －系統(tǒng)有用功率 對于本系統(tǒng)來說，是整個工作循環(huán)中泵的平均輸入功率。 （6-2） 式中 －系統(tǒng)周期； －泵的輸入功率； －第i臺泵工作時間； Z－泵的臺數(shù)； －泵的總效率； ； 6.2 計算散熱功率 前面求得有效容積為0.1，按求各邊之積： （6-3） 圖 6-1 油箱示意圖 Fig 6-1 tank Map 選各邊均為0.5m。 式中 －有效散熱面積 （6-4） 式中 散熱功率； －散熱系數(shù)；取=； －溫差取； 油箱散熱功率滿足系統(tǒng)發(fā)熱功率的需要[14]。 7夾具設計 7.1概述 零件在工藝規(guī)格制定以后，就要按工藝規(guī)格順序進行加工。加工中除了需要機床，刀具，量具之外，成批生產(chǎn)時還需要用機床夾具。它們是機床和工件之間的連接裝置，是將工件進行定位、加緊；將刀具進行導向或對刀，以保證工件和刀具間的相對位置關系的附加裝置，使工件相對于機床或刀具獲得正確位置。機床夾具的好壞直接影響工件加工表面的位置精度，所以機床夾具設計是裝配設計中一項重要的工作，是加工過程中最活躍的因素之一。 一．一般夾具的組成 定位元件 起定位作用，保證工件相對夾具的位置，可以用六點定位原理來分析其所受限制的自由度。 加緊裝置 將工件加緊，以保證在加工時保持所限制的自由度。 導向元件和對刀裝置 用來保證刀具相對于夾具的位置。本設計為擴鉸孔，需要夾具具有導向作用。 連接元件 是用來保證夾具和機床工作臺之間的相對位置。對于鉆床夾具，由于孔加工刀具加工時只是沿軸向進給就可完成，用導向元件就可以保證相對位置，因此在將夾具安裝在工作臺上時，用導向元件直接對刀具進行定位，不必再用連接元件定位了，所以一般鉆床夾具沒有連接元件。 二．夾緊機構的功能 保證加工精度； 提高生產(chǎn)率； 擴大機床的使用范圍； 減輕工人的勞動強度，保證生產(chǎn)安全。 加緊機構應滿足的要求 保證加工精度； 夾具的總體方案應與年生產(chǎn)綱領相適應； 安全，方便，減輕勞動強度； 排屑順暢； 機床夾具應有良好的強度，剛度和結構工藝性。 機構的夾緊過程 消除間隙階段：從原動操作部分開始動作起，到各傳動構件之間，以及夾緊元件與被夾緊部件之間完全消除間隙，開始接觸為止； 加力與變形階段：夾緊元件被夾緊部位的壓力從零開始逐漸增加，同時各傳動軸構件也由于受力而發(fā)生彈性變形，直到夾緊元件對被夾緊部位的夾緊力達到預定值為止。 7.2夾緊機構的設計 設計機床的加緊機構前，應明確該部件的工作條件： 作用于部件上切削力的大小，方向和作用點的坐標位置； 部件的支承情況，即有關導軌以及部件與導軌接觸處的各項幾何尺寸； 部件的重量以及重心的坐標位置。 以上工作條件，本設計在機床總體設計與布局情況下已求得，現(xiàn)選擇夾緊力作用點，夾緊力作用點選擇的原則為： 盡可能以最小夾緊力取得防止機床部件滑移，顛覆和回轉的最大效果； 夾緊點布置在被夾緊零部件上剛度較大的部位，減少夾緊力引起的變形； 盡量減少夾緊機構在夾緊、松開機床部件時的位移，保證定位精度。 本設計夾緊點選在六個圓周孔的外邊緣位置。此處離要加工孔的位置較近，可以用較小的夾緊力達到預期的夾緊效果，且此處剛度較大，受夾緊力所產(chǎn)生的變形較小。夾具的結構如下圖： 7.2.1定位方案 工件以Φ40圓柱結構及下端面為定位基準，采用平面和V型塊組合定位方案，在定位平面及V型塊與Φ40的外圓柱面上定位，其中平面限制Z方向的移動自由度，V型塊限制了X和Y方向上的平移和旋轉4個自由度，共限制了5個自由度。 定位誤差的計算：由于定位基準與工序基準一致，所以基準不重合誤差Δb為0。由于V型塊與定位平面存在垂直度誤差，經(jīng)計算最小偏差為0.03mm,最大為0.19mm。 7.2.2夾緊機構 根據(jù)生產(chǎn)綱領的要求，需要大批量生產(chǎn)，為了提高生產(chǎn)效率，故采用液動夾緊方案。具體原理是采用液壓缸推動杠桿的一端，使杠桿的另一端壓在工件的表面，可根據(jù)對液壓回路的設計來調整壓緊力的大小，其壓緊的主要作用是防止工件在鉆孔過程中，切削力的作用下產(chǎn)生轉動和震動。 圖 7-1壓桿 Fig7-1 preaching gune 其夾緊力的計算根據(jù)杠桿原理：F1×L1=F2×L2，F(xiàn)2和F3是用力與反作用力的關系所以F3=F2, 則已知液壓力，就可以求出壓緊力。L1=76mm,L2=80mm?；钊酌嬗行娣e為256。設液壓缸的入口壓力為390625Pa。則液壓力為100N，壓緊力為95N。 7.2.3導向裝置 采用可換鉆套（JB/T 8045.2-1999）作為導向裝置，孔徑為15mm。鉆套高度H=(1～2.5)×d,這里取H=36mm，排削間隙h=(0.3～0.7)d,這里取h=10mm。6.4夾具與機床連接元件 在夾具體上的兩側設計座耳，用T形螺栓固定。由于Z525型立式鉆床工作臺槽寬a=14H11，所以T形螺栓的直徑d取12，夾具體兩側座耳槽寬取14。 7.2.4夾具體 由于被加工零件的孔有同軸度要求，所以定位平面與V型塊在安裝時垂直度在一點范圍內范圍內允差0.02mm。 圖 7-2 夾具裝配體三維效果圖 Fig7-2 the picture of the skin 圖 7-3 V型塊的三維效果圖 Fig7-3 V type of the three skin 8運動學分析 8.1概述 建立正確的運動學模型是半自動鉆床運動學分析工作的基礎。 虛擬裝配技術是利用計算機工具,而不需產(chǎn)品或者支持過程的物理實現(xiàn),通過分析、預建模、可視化等進行或者輔助進行裝配,根據(jù)產(chǎn)品設計的形狀特征和精度特性,真實地模擬產(chǎn)品三維裝配過程。Pro/E軟件中的機構模塊Mechanism,能夠對設計進行模擬、仿真、校驗,如運動仿真顯示、運動干涉檢驗、運動軌跡、位移、速度和加速度計算等。本文利用Pro/E進行了半自動鉆床機構的虛擬裝配和運動仿真,分析了裝配中的干涉情況以及機構運動過程中的位移、速度和加速度情況,為半自動鉆床的開發(fā)設計提供參考。 一．機構和運動學位置正反解 機構的位置分析是求解機構的驅動輸入和動平臺之間的位置關系，這是機構運動分析的最基本的任務，也是機構速度、加速度、受力分析、誤差分析、工作空間分析、動力學分析和機構綜合等的基礎。已知機構主動件的位置，求解機構的動平臺的位置和姿態(tài)位置的分析稱正解;若己知動平臺的位置和姿態(tài)，求解機構驅動輸入的位置稱為機構位置的反解。同串聯(lián)構分析相比，并聯(lián)機構的位置反解容易，正解相當困難。關于正向運動學的解法主要分為兩大類:數(shù)值法和解析法。由于并聯(lián)機構結構復雜，位置正解的難度較大，其中一種比較有效的方法是采用數(shù)值方法求解一組非線性方程，從而求的與輸入對應的動平臺的位置和姿態(tài)。數(shù)值法的優(yōu)點是它可以應用于任何結構的并聯(lián)機構，計算方法簡單，但是該方法計算速度較慢，不能保證獲得全部解，并且最終的結果與初值的選取有關。解析法是通過消元法消去機構約束方程中的未知數(shù)，從而獲得輸入輸出方程中僅含一個未知數(shù)的多項式，這種方法的優(yōu)點是可以求解機構中所有可能解并能區(qū)分不同連續(xù)工作空間中的解，但是推導過程相對復雜。 二．Pro/E中運動仿真的實現(xiàn)方法 在Pro/E中,用戶可以通過對機構添加運動副、驅動器使其運動起來,以實現(xiàn)機構的運動仿真。而機構又是由構件組合而成的,其中每個構件都是以一定的方式至少與另一個構件相連接,這種連接不僅使2個構件直接接觸,又使2個構件產(chǎn)生一定的相對運動。要使組件運動,在裝配時就不能對其完全約束,而只能部分約束。即根據(jù)各組件之間的相對運動,通過“連接”設定限制組件的運動自由度?！斑B接”能夠限制主體的自由度,僅保留所需的自由度,以產(chǎn)生機構所需的運動類型。 虛擬裝配設計是在計算機上完成所設計零部件的裝配模型,將不同的零件組裝成一個裝配體,并進行零件之間的靜、動態(tài)干涉檢查,發(fā)現(xiàn)零部件設計上的不合理結構部分,以改進設計。而通過機構仿真,可以在進行整體設計和零件設計后,對各種零件進行裝配后模擬機構的運動,從而檢查機構的運動是否達到設計的要求,可以檢查機構運動中各種運動構件之間是否發(fā)生干涉。同時,可直接分析各運動副與構件在某一時刻的位置、運動量以及各運動副之問的相互運動關系。隨著計算機技術的發(fā)展,目前主流的CAD/CAM/CAE集成軟件Pro/E、UG等都具備虛擬裝配和運動仿真兩大功能。半自動鉆床由多個零件組成,零件之間是否滿足裝配要求和運動要求則可通過CAD/CAM/CAE集成軟件來進行檢驗,從而達到優(yōu)化零件設計的目的 8.2夾具體運動學分析 基于上述運動學分析理論，首先建立系統(tǒng)的模型。 在此，主要以PRO/E三維實體軟件為依托，以傳統(tǒng)的系統(tǒng)設計手段為基礎，分別建立模型有：壓緊杠桿零件圖、工件、夾具體底座（底座上帶有梯形圖塊結構，其目的是與半自動化鉆床的集體底座的梯形槽相配合實現(xiàn)夾具體的槽配合并且移動實現(xiàn)刀具與工件相對位置的對準）、油缸外鋼體、油缸內剛體、油缸連接耳環(huán)、用于與油缸和壓緊杠桿的銷釘鏈接副、V形塊、定位板、連接螺栓。 圖8-2夾具及工件 Fig8-2the gon of the skaded 建立系統(tǒng)模型后，進入設備的模擬裝配環(huán)境，在該環(huán)境下，將油缸的內外缸體采取圓柱鏈接方式進行連接，油缸外缸體和銷孔材組銷釘鏈接，壓緊杠桿和銷孔以及油缸內缸體分別采取銷釘鏈接方式，將v形塊玉工件設置為平面鏈接，將工件與定位板設定為平面鏈接，同時通過螺栓連接定位板和底座，此時，夾具體裝配完畢。 夾具體裝配完畢，進入系統(tǒng)運動學分析與結構仿真分析環(huán)節(jié)：在裝配完畢的設備中分別添加動力裝置于油缸內外缸體、設置質量屬性（通過零件的幾何尺寸計算機計算出其體積，通過定義不同零部件的密度或等效密度來計算整機質量）、重力加速度屬性為10N/kg，將油缸的伸縮設置為彈簧、阻尼、質量塊組成的系統(tǒng)，彈簧剛度、阻尼系數(shù)通過經(jīng)驗確定同時查機械設計手冊校正。 確定關鍵零部件的運動學性能，關鍵要素有夾具體夾緊桿與油缸連接處運動的位置、速度、加速度等。 顯示運動仿真分析的結果：顯示方式有動畫顯示、數(shù)據(jù)表格顯示、圖像曲線顯示，其中夾具體夾緊桿與油缸連接處運動位置曲線如圖8-3所示 圖8-3夾具體夾緊桿與油缸連接處運動位置曲線 Fig8-3 the picture of the line of the disability 油缸連接處運動加速度變化曲線如圖8-4所示 圖8-4加速度曲線 Fig8-4the line of the asaed 油缸連接處運動速度變化曲線如圖8-5所示 圖8-5速度曲線 Fig8-5 victure line 8.3半自動化鉆床整機工作運動學分析 在半自動化鉆床整機工作運動學分析中，分別建立模型有：半自動鉆床底座、夾具體底座、夾具體夾緊油缸、夾具壓桿、定位座底盤、工件、定位V形塊、螺栓、升降柱基座、升降柱密封圈、升降柱、升降柱定位手柄、搖臂、升降電機減速器、升降驅動電機、絲杠、滑槽、搖臂加強筋、刀具驅動電機、減速器2、刀具進給手輪、電控手柄、刀具卡盤、麻花鉆、橫向控制手柄、液壓系統(tǒng)箱等。 建立系統(tǒng)模型后，進入設備的模擬裝配環(huán)境，在該環(huán)境下，將夾具體子裝配、半自動化鉆床底座、升降柱機器相關配合零部件、電動機、首輪、刀具等裝配于一體按照一定的規(guī)則，并且檢查干涉理論，其裝配后模型以下圖形描述。 初始裝配位置圖如8-6所示 圖8-6初始裝配位置圖 Fig8-6 star line of the maded 夾具體在滑槽內移動后裝配位置圖如8-7所示 圖8-7移動后裝配位置 Fig8-7the picture of the added type 圖8-8移動后裝配位置 Fig8-8 after linged of the type 搖臂在升降柱上移動后位置關系如圖x8-9所示： 8-9搖臂在升降柱上移動后位置關系 Fig8-9the picture of the linde lind emed Z軸方向正向旋轉調節(jié)圖如圖8-10所示 圖8-10Z軸方向正向旋轉調節(jié) Fig8-10Z diturely of chargement Z軸方向負向旋轉調節(jié)圖如圖8-11所示 圖8-11Z軸方向正向旋轉調節(jié) Fig8-11Zdictum of the picture of niuded 半自動化鉆床刀具每個工作過程的推桿位置關系曲線如圖8-12所示 圖8-12推桿位置曲線 Fig8-12 nads lasd fdended 通過分析曲線走勢，首先上升，然后隨著時間的推移上升到最高峰之后開始下降趨勢，當時間處于20s的時候曲線處于回歸零的狀態(tài)，分別表示凸輪傳動進給系統(tǒng)的升程、回程、休止過程，從理論說明到實踐經(jīng)驗分析確定該系統(tǒng)的運動學分析的模型建立、裝配關系以及動力系統(tǒng)參數(shù)的添加趨于合理，屬于可信系統(tǒng) 通過系統(tǒng)模型可行性的驗證，下面分別提取進給機構連接點加速度變化曲線、刀具進給介個切削力變化曲線。 進給機構連接點加速度曲線如圖8-13所示 圖8-13進給機構連接點加速度曲線 Fig8-13the jankded of the nubded 刀具進給介個切削力變化曲線如圖8-14所示 8-14刀具進給介個切削力變化曲線 Fig8-14the unseded of the picture 9 結論 本液壓站是搖臂鉆床的控制系統(tǒng) 它通過對液壓油的壓力及流量控制來完成對鉆床夾盤的加緊與松開，力的大小，鉆頭的轉動與停止，轉速的大小等相關控制。 1) 系統(tǒng)采用了液壓缸來完成對夾盤的夾緊松開的動作，保證了慢進快退的性能要求，并使得系統(tǒng)占地空間小。 2) 系統(tǒng)采用了電磁換向閥來實現(xiàn)換向動作，結構緊湊，操縱方便，換向精度和換向平穩(wěn)性都較高。 3) 系統(tǒng)設置了壓力繼電器，是系統(tǒng)工作時有著一定的保護和自動調節(jié)作用，有理由系統(tǒng)長時間的工作。 4) 系統(tǒng)采用了進口節(jié)流調速回路，功率損失小，這對調速范圍不需很大，負載較小且基本恒定的鉆床來說是很合適的。此外，進口節(jié)流調速的形式在液壓缸回路中不易造成較大的背壓，工作臺運動平穩(wěn)，使質量較小的鉆床工作是的加速制動，也有助于防止空氣的滲入。 本系統(tǒng)的壓力及流量都比較小，所以對系統(tǒng)的控制較靈敏，不容易出現(xiàn)大的泄露。并且它的散熱是通過油箱來完成不但節(jié)省空間而且節(jié)省資金。它相對與以前的液壓控制系統(tǒng)來說更具有空間小，能耗低，無污染，無噪音。與電器相配合使得操縱、控制簡，方便，省力。是搖臂鉆床理想的控制元件。 5）該設計的哦運動仿真和結構分析時，以proe軟件為依托，分別從模型建立——裝配組合體——對組合體施加動力——對完整的機構組件仿真分析、運動分析，分別從檢測干涉、彈簧、質量、阻尼系數(shù)的參數(shù)化角度加以論證，充分說明該設計的可行性和先進性與新穎性 參考文獻 [1] 陳嘉上.2006版實用液壓氣動技術手冊[M].北京:中國知識出版社 2006. 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