【文章內容簡介】 數(shù)控液壓技術，誰就有足夠的發(fā)言權，這是永恒不變的事實。 液壓行業(yè)在中國的統(tǒng)一組織開始于 1963 年，為了滿足當時的中、 高壓液壓元件 的需 7 求 ， 我國 通過引進國外技術 建設液壓元件生產廠家，并通過測繪、仿制、 共同設 計和開發(fā)了大量的液壓產品，從此液壓行業(yè)在中國 進入 的高速發(fā)展 時期 。 更讓人振奮的是，經過幾代人不懈的努力，通過對國外先進技術的消化吸收，我們能夠為自己的工程機械，工程設備進行自行組裝，這為我國液壓行業(yè)來說是一個不小的進步，至少在代替進口貨中起到一定的作用 。 就目前來說 與先進國家， 在整體水平仍存在一定的差距，尤其是在高、新、 尖技術和設備相比，我國尚處于 引入 期，尚未能實現(xiàn)完全的消化和吸收。 至于引起這類結果的原因 ， 中國目前的液壓控制技術可以說是 ： （ 1 ） 對液壓產品的一些技術指標如動態(tài)性能不是很重視 ，執(zhí)行力 不達標 。 （ 2 ）間隙傳感器的性能 差 和落后的加工 條件 （ 3 ）加工設備 老化 （ 4 ） 知識 更新?lián)Q代緩慢 和缺乏科學和技術人才。 目前， 中國面臨的問題是如何在較短的時間里，能充分發(fā)揮現(xiàn)有的實力和技術，縮小與世界先進技術之間的差距。我們知道，中國在改革開放實施以來，大量引進國外先進的技術和裝備，這在某種程度上是改善了國內落后的技術現(xiàn)狀，也使我們的設計、制造和使用水平有了一定提高，但我覺得這只是短暫的，不是長遠之計。我們應該利用國外的先進元部件、數(shù)控系統(tǒng)，開始自行設計及制造屬于中國自己的 技術，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)代化建設盡心盡力。 更難能可貴的是，有一大批個人和企業(yè)走在了時代的前列，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，我們國家的技術水平一定能屹立于世界先進水平之林！ 小結 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，結合 模塊化的設計思路，將液壓鉆動力頭的整體設計分為機械結構系統(tǒng)不同方案的比較、主傳動機構的 設計計算、液壓控制系統(tǒng)的設計計算、液壓進給系統(tǒng)的設計及選型等四個不同部分來展開分析比較，達到設計目的。 8 二 機械結構系統(tǒng)不同方案的比較 液壓鉆動力頭系統(tǒng)運動方案的具體要求 由于設計的多樣性， 滿足機械運動系統(tǒng)的某一個功能要求可能有不只一個，所以，出于對機械系統(tǒng)運動方案的設計， 在滿足基本的功能要求前提下，還應遵循以下幾點原理： ① 機械系統(tǒng)盡可能簡單易行 如何才能實現(xiàn)機械系統(tǒng)的簡短，要從機構運動鏈這一點來看，在確保既定功能的要求下，盡可能的選用那些運動副較少 的機構，這樣的話，不僅有效的降低了制造成本，簡化了機構 ，還可以減少因零件的制造誤差帶來的累計誤差。 選擇運動副：高副機構可減少構建數(shù)的運動副數(shù)目，且 設計簡單。但低副運動機構的運動副加工簡單，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，應優(yōu)先考慮低級的運動機構，并盡量避免移動副的使用。 選擇原動機：機械系統(tǒng)的運動與原動機的形式關系密切。應結合具體情況合理選擇。 ② 機構應具有比較不錯的動力特性 機構在機械系統(tǒng)中不僅要傳遞動力，同時還要傳動動力，因此要選擇不錯的動力特性的機 構。 ③ 盡量減小裝配尺寸 有大小和不同類型的機構類型在重量上差別也較大 。本設計選擇三相異步電動機來提供主運動動力，從而使動力頭的尺寸有所減小，其制造成本也相應的降低。 ④ 機械系統(tǒng)要充分考慮人機性能 我們知道，任何機械系統(tǒng)都是由人類設計，并被用于服務人類，而且大多數(shù)機械系統(tǒng)都是要靠人來操作和使用的，因此在設計機械時，必須考慮人的特點，來達到人與機械的和諧統(tǒng)一。本設計采用 PLC 控制系統(tǒng)，實現(xiàn)工作的自控，這在很大程度上減輕了工人的勞動強度。 方案的確定 方案的選擇 對于整個方案的設計，我綜合了不同的方案設計思想，最后采用了最合適的設計思想，即模塊化的設計方法。通過化整為零的思想，將動力頭的結構細分為控制系統(tǒng)，傳動系統(tǒng)和進給系統(tǒng)三個主體部分。 （ 1） 主運動方案設計 通常液壓鉆動力頭的動力源為電動機，他將電能轉換成動力頭的旋轉運動，其主 9 運動 。傳統(tǒng)的 普通鉆床一般 使用電動機作為動力源的主要運動，然后通過電機的運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方案 : 方案 ① 主運動采用電動機作為動力源，后經齒 輪吧運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 將耦合傳輸?shù)揭粚X輪，齒輪軸通過嚙合傳動功率，完成主軸的旋轉主運動 。 該傳動的特點是傳動平穩(wěn)，工作可靠性高，且經久耐用，這也造就了他的速度和 須用尺寸范圍較廣。 方案 ② 還是采用電動機作為動力源，但 這里注意不是用 齒輪把運動和動力傳遞給主軸，而是采用變頻器作為電動機的電源， 進一步 通過變頻器調速來 實現(xiàn)調節(jié) 主軸的運動，接下來經過帶輪把變頻電機的運動與 動力傳遞給主軸，實現(xiàn)主軸的主運動。如下圖 22 所示 圖 22 方案 ② 10 該機構采用了帶傳動， 使得傳動更加平穩(wěn)，主要優(yōu)點是結構簡單，成本低，但正是這樣才使得他的傳動比不是很準確，壽命也沒有齒輪傳動高，更重要的一點不足時軸向力大，傳遞效率也低 。 （ 2） 進給運動方案的選擇 液壓鉆動力頭的進給方式是本方案的核心 。 有關資料表明，傳統(tǒng)的液壓動力頭有內部和外部兩種分布方式 。 內置 從表明上看，就是將液壓缸放置在內部，這樣的話，可以與主軸的套筒融為一體的同時為動力頭提供進給運 動 。這種結構的有點是動力頭體積較小，鉆削平穩(wěn)，且精度有保證，但是缺點是工作行程比外置式的小。一般多用于普通機加工。如圖 23所示 圖 23 內置式 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給的時候，通過機械滑動配合來實現(xiàn)移動副的進給運動 。 它的優(yōu)點是工作行程大，可用于鉆井，鉆深孔，石油采礦等 。但是缺點也很明顯，那就是動力頭的體積較大，機構相對較復雜，制造起來相對困難。如圖 24 所示。 圖 24 外置式 11 本次設計，我結合了內外置液壓缸兩種傳統(tǒng)鉆削動 力頭的優(yōu)缺點，設計出來第三種方案。 內外結合式 即液壓缸置于主軸外部，當活塞桿固定時，液壓缸的移動帶動滑板的移動，動力頭固定在滑板上，當進給油箱帶動滑板在導軌上移動時，動力頭通過通過套筒與滑板的焊接傳遞動力，實現(xiàn)自動進給。其主要優(yōu)點是 剛性較大、導向性好且間隙可以實現(xiàn)調節(jié)。 經過對比分析 ，可以確定第三種方案最為合理，因為他既能減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外結合的組合方式，為液壓鉆動力頭的主軸進給提供動力。如圖 25 所示。 圖 25 內外 結合式 （ 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)以下幾點優(yōu)點： ① 實時性 可以 滿足各個領域 在 大、中、小型 的 控制項目。 ② 高可靠性 各模塊均采用屏蔽措施，且元器件都進行了嚴格的篩選。 出色的自我診斷功能，一旦出現(xiàn)特殊狀況時， CPU能立即行動起來，防止故障的進一步擴大 。 ③ 系統(tǒng)配置簡單靈活 這主要是因為控制器種類的多樣性 。 I/O 也同樣是豐富多彩，功能的不同，其進行的配置也不太一樣。 ④ 控制系統(tǒng)采用了模塊化 機構 現(xiàn)在的話，大部分控制器都采用了模塊化的設計，這是一種適應如今日新月異的工業(yè)控制的需要。 ⑤ 價格優(yōu)勢 質優(yōu)價廉，性價比高。 ⑥ 安裝 容易 ，維修方便 可以運行于不同的工業(yè)環(huán)境 。 在即將投入使用時，只需將設備與 PLC 對應的端口連接即可 。 為了使用戶實時了解運行情況和故障排查，我們均安裝了故障指示裝置。 12 最終方案的確定 根據(jù)對以上幾個方案的分析，基本確定數(shù)控液壓鉆動力頭的設計方案為：如圖 26 所示。 圖 26 總體方案 三相異步電動機為主運動提供動力，變頻器調節(jié)主軸的轉速 ； 運動和動力同聯(lián)軸器傳遞給一對齒輪，齒輪再將電機輸出的這些準確無誤的傳導給主軸 ；進給運動為 當進給油箱帶動滑板在導軌上移動時，動力頭通過通過套筒與滑板的焊接傳遞動力，實現(xiàn)自動進給。由 PLC 控制 的數(shù)控系統(tǒng) ，其工作原理為： 快進 — 工進（限位計碰到工件時，感應器發(fā)出信號給 PLC 控制液壓回路） — 快退（暫停 一定 時間后，延時開關閉合，主軸快退） — 停止（退到起始位置，碰到位置擋塊， 使 主軸停止進給）。 13 三 傳動機構的設計 與計算 設計技術指標： 1．最大進給行程 250mm。 2. 進給位置精度 。 4. 空進給速度 。 5．鉆頭轉速 150— 2800r/m 傳動機構設計 主要包括了電機的選型，傳動比的計算，及運動和驅動裝置的動態(tài)參數(shù)，這些都是為設計傳輸設備做的準備工作。 本 設計 以 3040 鉆 機為原型， 加以 液壓控制。單個傳動比齒輪替換使用異步電機的速度調節(jié)，因此 要進行 主軸的計算 校核 ，電動機的選擇，以及主要部分的 設計與校核 。 確定傳動方案是在設計傳動裝置時要首先考慮的，主要是以運動簡圖的形式表達 。用一些簡單的 機構、構件和運動副的代表符號來表示某些運動的特性的圖形，我們叫做運動簡圖，這是我們在設計和計算電動機、傳動裝置和工作機構之間的力和運動傳遞關系的理論依據(jù) 。傳動方案的好壞，關系到設計的優(yōu)劣，因此，在擬定傳動方案時應從多方面考慮 。首先要充分了解設計任務，并根據(jù)各類傳動的特點，考慮制造、應力、規(guī)模、經濟、使用和維修方便等各種方面，選擇合理的方案和適當?shù)呐渲?， 在能夠實現(xiàn)工作可靠、結構簡單、尺寸合理、加工方便、成本可控、傳動效率高和使用維護方便的前提下，能夠很好的實現(xiàn)既定功能 。 電機的選型 電動機是系列化的 標準產品。 一般我們在設計時，要綜合多方面的內容來考量，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（轉速、許用誤差、 啟動和反轉頻繁程度等的要求 ） ，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。 選擇電機的類型和結構 電流種類還有工作條件以及載荷特點這三個方面是我們選擇電動機類型的關鍵依據(jù) 。而我的設計時采用了三相鼠籠異步電動機，這是出于對 Y 系統(tǒng)電機高效、節(jié)能和它的啟動制動平穩(wěn)，噪音可控，及其不錯的可靠性等優(yōu)點的考慮 。 14 確定 電機的容量 我們知道，電機容量（也就是功率）是否選擇恰當，不僅影響電機的給工作方式，也對經濟性產生影響 ，容量小的話肯定不能滿足工作要求，或者因為電機長期處于過載保護狀態(tài)而影響它的壽命 。 反而當容量過大時，又會產生諸如電機價格偏高，能力未得到充分利用，而且若經常不在滿負載工作狀態(tài)下，效率和功率因素低，不經濟 。 若我們選擇的 電動機功率 Pe等于或略大于所需電動機功率 Pd， 這樣的話我們就 不必作發(fā)熱計算。 因此 所需電動機功率為 ： aWd pp ?? Wp —— 工作機構所需功率（ KW） a? —— 由電機至工作機構的總效率。 WWW nTp ?9550?? W? —— 工作機構的效率 W? = nW ????? .. .. ..321 ??? 上 式中 n???? ......321 ?? 分別為 傳動裝置中每 一 個聯(lián)軸器、每對軸承和每一個傳動機構的效率。 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 確定電機的轉速 同類型的容量相同的電動機，有不同的轉速。在確定電動機轉速時，應考慮綜合因素，進行分析比較，是整個設 計既合理，又較經濟。 因此，電動機的轉速范圍可根據(jù)我們前面計算出來的工作機構的轉速和傳動機構的傳動比范圍來確定 ，即 Wad nin ?