【文章內(nèi)容簡介】 數(shù)控液壓技術(shù)，誰就有足夠的發(fā)言權(quán)，這是永恒不變的事實(shí)。 液壓行業(yè)在中國的統(tǒng)一組織開始于 1963 年，為了滿足當(dāng)時(shí)的中、 高壓液壓元件 的需 7 求 ， 我國 通過引進(jìn)國外技術(shù) 建設(shè)液壓元件生產(chǎn)廠家，并通過測繪、仿制、 共同設(shè) 計(jì)和開發(fā)了大量的液壓產(chǎn)品，從此液壓行業(yè)在中國 進(jìn)入 的高速發(fā)展 時(shí)期 。 更讓人振奮的是，經(jīng)過幾代人不懈的努力，通過對國外先進(jìn)技術(shù)的消化吸收，我們能夠?yàn)樽约旱墓こ虣C(jī)械，工程設(shè)備進(jìn)行自行組裝，這為我國液壓行業(yè)來說是一個(gè)不小的進(jìn)步，至少在代替進(jìn)口貨中起到一定的作用 。 就目前來說 與先進(jìn)國家， 在整體水平仍存在一定的差距，尤其是在高、新、 尖技術(shù)和設(shè)備相比，我國尚處于 引入 期，尚未能實(shí)現(xiàn)完全的消化和吸收。 至于引起這類結(jié)果的原因 ， 中國目前的液壓控制技術(shù)可以說是 ： （ 1 ） 對液壓產(chǎn)品的一些技術(shù)指標(biāo)如動態(tài)性能不是很重視 ，執(zhí)行力 不達(dá)標(biāo) 。 （ 2 ）間隙傳感器的性能 差 和落后的加工 條件 （ 3 ）加工設(shè)備 老化 （ 4 ） 知識 更新?lián)Q代緩慢 和缺乏科學(xué)和技術(shù)人才。 目前， 中國面臨的問題是如何在較短的時(shí)間里，能充分發(fā)揮現(xiàn)有的實(shí)力和技術(shù)，縮小與世界先進(jìn)技術(shù)之間的差距。我們知道，中國在改革開放實(shí)施以來，大量引進(jìn)國外先進(jìn)的技術(shù)和裝備，這在某種程度上是改善了國內(nèi)落后的技術(shù)現(xiàn)狀，也使我們的設(shè)計(jì)、制造和使用水平有了一定提高，但我覺得這只是短暫的，不是長遠(yuǎn)之計(jì)。我們應(yīng)該利用國外的先進(jìn)元部件、數(shù)控系統(tǒng)，開始自行設(shè)計(jì)及制造屬于中國自己的 技術(shù)，這在很大程度上依賴國家的大 力扶植這一大環(huán)境，但更重要的是我們這些高新技術(shù)人員能抱著中華民族的優(yōu)秀傳統(tǒng)，不怕苦，不怕累的精神，全身心的投入到工作中去，為祖國的社會主義現(xiàn)代化建設(shè)盡心盡力。 更難能可貴的是，有一大批個(gè)人和企業(yè)走在了時(shí)代的前列，充分發(fā)揮他們的聰明才智，正在迎頭趕上，相信不久的將來，我們國家的技術(shù)水平一定能屹立于世界先進(jìn)水平之林！ 小結(jié) 本論文所使用的軟件有 CAD2021 和 野火版等軟件。通過這些仿真軟件的配合使用，結(jié)合 模塊化的設(shè)計(jì)思路，將液壓鉆動力頭的整體設(shè)計(jì)分為機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)不同方案的比較、主傳動機(jī)構(gòu)的 設(shè)計(jì)計(jì)算、液壓控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算、液壓進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及選型等四個(gè)不同部分來展開分析比較，達(dá)到設(shè)計(jì)目的。 8 二 機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)不同方案的比較 液壓鉆動力頭系統(tǒng)運(yùn)動方案的具體要求 由于設(shè)計(jì)的多樣性， 滿足機(jī)械運(yùn)動系統(tǒng)的某一個(gè)功能要求可能有不只一個(gè)，所以，出于對機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)動方案的設(shè)計(jì)， 在滿足基本的功能要求前提下，還應(yīng)遵循以下幾點(diǎn)原理： ① 機(jī)械系統(tǒng)盡可能簡單易行 如何才能實(shí)現(xiàn)機(jī)械系統(tǒng)的簡短，要從機(jī)構(gòu)運(yùn)動鏈這一點(diǎn)來看，在確保既定功能的要求下，盡可能的選用那些運(yùn)動副較少 的機(jī)構(gòu)，這樣的話，不僅有效的降低了制造成本，簡化了機(jī)構(gòu) ，還可以減少因零件的制造誤差帶來的累計(jì)誤差。 選擇運(yùn)動副：高副機(jī)構(gòu)可減少構(gòu)建數(shù)的運(yùn)動副數(shù)目，且 設(shè)計(jì)簡單。但低副運(yùn)動機(jī)構(gòu)的運(yùn)動副加工簡單，且容易保證配合精度以及有較高的承載能力。 在正常情況下，應(yīng)優(yōu)先考慮低級的運(yùn)動機(jī)構(gòu)，并盡量避免移動副的使用。 選擇原動機(jī)：機(jī)械系統(tǒng)的運(yùn)動與原動機(jī)的形式關(guān)系密切。應(yīng)結(jié)合具體情況合理選擇。 ② 機(jī)構(gòu)應(yīng)具有比較不錯(cuò)的動力特性 機(jī)構(gòu)在機(jī)械系統(tǒng)中不僅要傳遞動力，同時(shí)還要傳動動力，因此要選擇不錯(cuò)的動力特性的機(jī) 構(gòu)。 ③ 盡量減小裝配尺寸 有大小和不同類型的機(jī)構(gòu)類型在重量上差別也較大 。本設(shè)計(jì)選擇三相異步電動機(jī)來提供主運(yùn)動動力，從而使動力頭的尺寸有所減小，其制造成本也相應(yīng)的降低。 ④ 機(jī)械系統(tǒng)要充分考慮人機(jī)性能 我們知道，任何機(jī)械系統(tǒng)都是由人類設(shè)計(jì)，并被用于服務(wù)人類，而且大多數(shù)機(jī)械系統(tǒng)都是要靠人來操作和使用的，因此在設(shè)計(jì)機(jī)械時(shí)，必須考慮人的特點(diǎn)，來達(dá)到人與機(jī)械的和諧統(tǒng)一。本設(shè)計(jì)采用 PLC 控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)工作的自控，這在很大程度上減輕了工人的勞動強(qiáng)度。 方案的確定 方案的選擇 對于整個(gè)方案的設(shè)計(jì)，我綜合了不同的方案設(shè)計(jì)思想，最后采用了最合適的設(shè)計(jì)思想，即模塊化的設(shè)計(jì)方法。通過化整為零的思想，將動力頭的結(jié)構(gòu)細(xì)分為控制系統(tǒng)，傳動系統(tǒng)和進(jìn)給系統(tǒng)三個(gè)主體部分。 （ 1） 主運(yùn)動方案設(shè)計(jì) 通常液壓鉆動力頭的動力源為電動機(jī)，他將電能轉(zhuǎn)換成動力頭的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，其主 9 運(yùn)動 。傳統(tǒng)的 普通鉆床一般 使用電動機(jī)作為動力源的主要運(yùn)動，然后通過電機(jī)的運(yùn)動和動力主軸通過齒輪傳動，傳動功率 。這里我們來比較下下列兩個(gè)方案 : 方案 ① 主運(yùn)動采用電動機(jī)作為動力源，后經(jīng)齒 輪吧運(yùn)動和動力傳遞給主軸，如下圖 21 所示 圖 21 方案 ① 其工作原理是，電機(jī) 將耦合傳輸?shù)揭粚X輪，齒輪軸通過嚙合傳動功率，完成主軸的旋轉(zhuǎn)主運(yùn)動 。 該傳動的特點(diǎn)是傳動平穩(wěn)，工作可靠性高，且經(jīng)久耐用，這也造就了他的速度和 須用尺寸范圍較廣。 方案 ② 還是采用電動機(jī)作為動力源，但 這里注意不是用 齒輪把運(yùn)動和動力傳遞給主軸，而是采用變頻器作為電動機(jī)的電源， 進(jìn)一步 通過變頻器調(diào)速來 實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié) 主軸的運(yùn)動，接下來經(jīng)過帶輪把變頻電機(jī)的運(yùn)動與 動力傳遞給主軸，實(shí)現(xiàn)主軸的主運(yùn)動。如下圖 22 所示 圖 22 方案 ② 10 該機(jī)構(gòu)采用了帶傳動， 使得傳動更加平穩(wěn)，主要優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，成本低，但正是這樣才使得他的傳動比不是很準(zhǔn)確，壽命也沒有齒輪傳動高，更重要的一點(diǎn)不足時(shí)軸向力大，傳遞效率也低 。 （ 2） 進(jìn)給運(yùn)動方案的選擇 液壓鉆動力頭的進(jìn)給方式是本方案的核心 。 有關(guān)資料表明，傳統(tǒng)的液壓動力頭有內(nèi)部和外部兩種分布方式 。 內(nèi)置 從表明上看，就是將液壓缸放置在內(nèi)部，這樣的話，可以與主軸的套筒融為一體的同時(shí)為動力頭提供進(jìn)給運(yùn) 動 。這種結(jié)構(gòu)的有點(diǎn)是動力頭體積較小，鉆削平穩(wěn)，且精度有保證，但是缺點(diǎn)是工作行程比外置式的小。一般多用于普通機(jī)加工。如圖 23所示 圖 23 內(nèi)置式 外置 也就是說將液壓缸安裝在外面，在給動力頭提供工作進(jìn)給的時(shí)候，通過機(jī)械滑動配合來實(shí)現(xiàn)移動副的進(jìn)給運(yùn)動 。 它的優(yōu)點(diǎn)是工作行程大，可用于鉆井，鉆深孔，石油采礦等 。但是缺點(diǎn)也很明顯，那就是動力頭的體積較大，機(jī)構(gòu)相對較復(fù)雜，制造起來相對困難。如圖 24 所示。 圖 24 外置式 11 本次設(shè)計(jì)，我結(jié)合了內(nèi)外置液壓缸兩種傳統(tǒng)鉆削動 力頭的優(yōu)缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)出來第三種方案。 內(nèi)外結(jié)合式 即液壓缸置于主軸外部，當(dāng)活塞桿固定時(shí)，液壓缸的移動帶動滑板的移動，動力頭固定在滑板上，當(dāng)進(jìn)給油箱帶動滑板在導(dǎo)軌上移動時(shí)，動力頭通過通過套筒與滑板的焊接傳遞動力，實(shí)現(xiàn)自動進(jìn)給。其主要優(yōu)點(diǎn)是 剛性較大、導(dǎo)向性好且間隙可以實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)。 經(jīng)過對比分析 ，可以確定第三種方案最為合理，因?yàn)樗饶軠p小鉆削動力頭的體積，又能提高工作行程。所以本論文選用第三種液壓缸內(nèi)外結(jié)合的組合方式，為液壓鉆動力頭的主軸進(jìn)給提供動力。如圖 25 所示。 圖 25 內(nèi)外 結(jié)合式 （ 3） 控制系統(tǒng)的方案選型 本論文采用 PLC 控制系統(tǒng)。 這是基于 PLC 控制系統(tǒng)以下幾點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)： ① 實(shí)時(shí)性 可以 滿足各個(gè)領(lǐng)域 在 大、中、小型 的 控制項(xiàng)目。 ② 高可靠性 各模塊均采用屏蔽措施，且元器件都進(jìn)行了嚴(yán)格的篩選。 出色的自我診斷功能，一旦出現(xiàn)特殊狀況時(shí)， CPU能立即行動起來，防止故障的進(jìn)一步擴(kuò)大 。 ③ 系統(tǒng)配置簡單靈活 這主要是因?yàn)榭刂破鞣N類的多樣性 。 I/O 也同樣是豐富多彩，功能的不同，其進(jìn)行的配置也不太一樣。 ④ 控制系統(tǒng)采用了模塊化 機(jī)構(gòu) 現(xiàn)在的話，大部分控制器都采用了模塊化的設(shè)計(jì)，這是一種適應(yīng)如今日新月異的工業(yè)控制的需要。 ⑤ 價(jià)格優(yōu)勢 質(zhì)優(yōu)價(jià)廉，性價(jià)比高。 ⑥ 安裝 容易 ，維修方便 可以運(yùn)行于不同的工業(yè)環(huán)境 。 在即將投入使用時(shí)，只需將設(shè)備與 PLC 對應(yīng)的端口連接即可 。 為了使用戶實(shí)時(shí)了解運(yùn)行情況和故障排查，我們均安裝了故障指示裝置。 12 最終方案的確定 根據(jù)對以上幾個(gè)方案的分析，基本確定數(shù)控液壓鉆動力頭的設(shè)計(jì)方案為：如圖 26 所示。 圖 26 總體方案 三相異步電動機(jī)為主運(yùn)動提供動力，變頻器調(diào)節(jié)主軸的轉(zhuǎn)速 ； 運(yùn)動和動力同聯(lián)軸器傳遞給一對齒輪，齒輪再將電機(jī)輸出的這些準(zhǔn)確無誤的傳導(dǎo)給主軸 ；進(jìn)給運(yùn)動為 當(dāng)進(jìn)給油箱帶動滑板在導(dǎo)軌上移動時(shí)，動力頭通過通過套筒與滑板的焊接傳遞動力，實(shí)現(xiàn)自動進(jìn)給。由 PLC 控制 的數(shù)控系統(tǒng) ，其工作原理為： 快進(jìn) — 工進(jìn)（限位計(jì)碰到工件時(shí)，感應(yīng)器發(fā)出信號給 PLC 控制液壓回路） — 快退（暫停 一定 時(shí)間后，延時(shí)開關(guān)閉合，主軸快退） — 停止（退到起始位置，碰到位置擋塊， 使 主軸停止進(jìn)給）。 13 三 傳動機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 與計(jì)算 設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)： 1．最大進(jìn)給行程 250mm。 2. 進(jìn)給位置精度 。 4. 空進(jìn)給速度 。 5．鉆頭轉(zhuǎn)速 150— 2800r/m 傳動機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 主要包括了電機(jī)的選型，傳動比的計(jì)算，及運(yùn)動和驅(qū)動裝置的動態(tài)參數(shù)，這些都是為設(shè)計(jì)傳輸設(shè)備做的準(zhǔn)備工作。 本 設(shè)計(jì) 以 3040 鉆 機(jī)為原型， 加以 液壓控制。單個(gè)傳動比齒輪替換使用異步電機(jī)的速度調(diào)節(jié)，因此 要進(jìn)行 主軸的計(jì)算 校核 ，電動機(jī)的選擇，以及主要部分的 設(shè)計(jì)與校核 。 確定傳動方案是在設(shè)計(jì)傳動裝置時(shí)要首先考慮的，主要是以運(yùn)動簡圖的形式表達(dá) 。用一些簡單的 機(jī)構(gòu)、構(gòu)件和運(yùn)動副的代表符號來表示某些運(yùn)動的特性的圖形，我們叫做運(yùn)動簡圖，這是我們在設(shè)計(jì)和計(jì)算電動機(jī)、傳動裝置和工作機(jī)構(gòu)之間的力和運(yùn)動傳遞關(guān)系的理論依據(jù) 。傳動方案的好壞，關(guān)系到設(shè)計(jì)的優(yōu)劣，因此，在擬定傳動方案時(shí)應(yīng)從多方面考慮 。首先要充分了解設(shè)計(jì)任務(wù)，并根據(jù)各類傳動的特點(diǎn)，考慮制造、應(yīng)力、規(guī)模、經(jīng)濟(jì)、使用和維修方便等各種方面，選擇合理的方案和適當(dāng)?shù)呐渲?， 在能夠?qū)崿F(xiàn)工作可靠、結(jié)構(gòu)簡單、尺寸合理、加工方便、成本可控、傳動效率高和使用維護(hù)方便的前提下，能夠很好的實(shí)現(xiàn)既定功能 。 電機(jī)的選型 電動機(jī)是系列化的 標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品。 一般我們在設(shè)計(jì)時(shí)，要綜合多方面的內(nèi)容來考量，有工作載荷（它的大小、變化規(guī)律和具體特性等），有工作要求（轉(zhuǎn)速、許用誤差、 啟動和反轉(zhuǎn)頻繁程度等的要求 ） ，有對工作環(huán)境（例如油溫，液體，氣體等），還有安裝要求及對尺寸的要求等等，最終去確定具體的型號。 選擇電機(jī)的類型和結(jié)構(gòu) 電流種類還有工作條件以及載荷特點(diǎn)這三個(gè)方面是我們選擇電動機(jī)類型的關(guān)鍵依據(jù) 。而我的設(shè)計(jì)時(shí)采用了三相鼠籠異步電動機(jī)，這是出于對 Y 系統(tǒng)電機(jī)高效、節(jié)能和它的啟動制動平穩(wěn)，噪音可控，及其不錯(cuò)的可靠性等優(yōu)點(diǎn)的考慮 。 14 確定 電機(jī)的容量 我們知道，電機(jī)容量（也就是功率）是否選擇恰當(dāng)，不僅影響電機(jī)的給工作方式，也對經(jīng)濟(jì)性產(chǎn)生影響 ，容量小的話肯定不能滿足工作要求，或者因?yàn)殡姍C(jī)長期處于過載保護(hù)狀態(tài)而影響它的壽命 。 反而當(dāng)容量過大時(shí)，又會產(chǎn)生諸如電機(jī)價(jià)格偏高，能力未得到充分利用，而且若經(jīng)常不在滿負(fù)載工作狀態(tài)下，效率和功率因素低，不經(jīng)濟(jì) 。 若我們選擇的 電動機(jī)功率 Pe等于或略大于所需電動機(jī)功率 Pd， 這樣的話我們就 不必作發(fā)熱計(jì)算。 因此 所需電動機(jī)功率為 ： aWd pp ?? Wp —— 工作機(jī)構(gòu)所需功率（ KW） a? —— 由電機(jī)至工作機(jī)構(gòu)的總效率。 WWW nTp ?9550?? W? —— 工作機(jī)構(gòu)的效率 W? = nW ????? .. .. ..321 ??? 上 式中 n???? ......321 ?? 分別為 傳動裝置中每 一 個(gè)聯(lián)軸器、每對軸承和每一個(gè)傳動機(jī)構(gòu)的效率。 彈性 聯(lián)軸器 1? = 滾動軸承（稀油潤滑） 2? = 無極變變速器 3? = 滑動軸承（潤滑正常） 4? = 4321 ????? ????W = ???? ????? WWW nTp ?= 15 確定電機(jī)的轉(zhuǎn)速 同類型的容量相同的電動機(jī)，有不同的轉(zhuǎn)速。在確定電動機(jī)轉(zhuǎn)速時(shí)，應(yīng)考慮綜合因素，進(jìn)行分析比較，是整個(gè)設(shè) 計(jì)既合理，又較經(jīng)濟(jì)。 因此，電動機(jī)的轉(zhuǎn)速范圍可根據(jù)我們前面計(jì)算出來的工作機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)速和傳動機(jī)構(gòu)的傳動比范圍來確定 ，即 Wad nin ?