裝配圖半自動(dòng)鉆床設(shè)計(jì)及運(yùn)動(dòng)學(xué)分析
裝配圖半自動(dòng)鉆床設(shè)計(jì)及運(yùn)動(dòng)學(xué)分析,裝配,半自動(dòng),鉆床,設(shè)計(jì),運(yùn)動(dòng)學(xué),分析
遼寧工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)論文
1 緒論
1.1 課題選擇的意義
液壓傳動(dòng)與其他類型的傳動(dòng)相比較具有許多突出的優(yōu)點(diǎn)，液壓傳動(dòng)技術(shù)在工程中，特別是在高效率的自動(dòng)化和半自動(dòng)化機(jī)械中，應(yīng)用十分廣泛。本文主要利用鉆床液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)來(lái)實(shí)現(xiàn)鉆床的半自動(dòng)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(guò)程。因?yàn)橐簤簜鲃?dòng)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(dòng)是研究以有壓流體為能源介質(zhì)，來(lái)實(shí)現(xiàn)各種機(jī)械和自動(dòng)控制的學(xué)科。液壓傳動(dòng)利用這種元件來(lái)組成所需要的各種控制回路，再由若干回路有機(jī)組合成為完成一定控制功能的傳動(dòng)系統(tǒng)來(lái)完成能量的傳遞、轉(zhuǎn)換和控制。
圖1-1 液壓傳動(dòng)能量傳遞過(guò)程
Fig.1-1 hydraulic transmission energy transfer process
從原理上來(lái)說(shuō)，液壓傳動(dòng)所基于的最基本的原理就是帕斯卡原理，就是說(shuō)，液體各處的壓強(qiáng)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(guò)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(dá)到一個(gè)變換的目的。我們所常見(jiàn)到的液壓千斤頂就是利用了這個(gè)原理來(lái)達(dá)到力的傳遞[2]。
圖1-2 液壓傳動(dòng)基本原理
Fig.1-2 hydraulic transmission basic principle
液壓作為一個(gè)廣泛應(yīng)用的技術(shù)，在未來(lái)更是有廣闊的前景。隨著計(jì)算機(jī)的深入發(fā)展，液壓控制系統(tǒng)可以和智能控制的技術(shù)、計(jì)算機(jī)控制的技術(shù)等技術(shù)結(jié)合起來(lái)，這樣就能夠更多的場(chǎng)合中發(fā)揮作用，也可以更加精巧的、更加靈活地完成預(yù)期的控制任務(wù)。
1.2 液壓系統(tǒng)在工程中的應(yīng)用
液壓傳動(dòng)相對(duì)于機(jī)械傳動(dòng)來(lái)說(shuō)，是一門新技術(shù)。自1795年制成第一臺(tái)水壓機(jī)起，液壓技術(shù)就進(jìn)入了工程領(lǐng)域，1906年開(kāi)始應(yīng)用于國(guó)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(yīng)快和精度高的自動(dòng)控制系統(tǒng)，因而出現(xiàn)了液壓伺服系統(tǒng)。20世紀(jì)60年代以后，由于原子能、空間技術(shù)、大型船艦及計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，不斷地對(duì)液壓技術(shù)提出新的要求，液壓技術(shù)相應(yīng)也得到了很大發(fā)展，滲透到國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域中。在工程機(jī)械、冶金、軍工、農(nóng)機(jī)、汽車、輕紡、船舶、石油、航空、和機(jī)床工業(yè)中，液壓技術(shù)得到普遍應(yīng)用。近年來(lái)液壓技術(shù)已廣泛應(yīng)用于智能機(jī)器人、海洋開(kāi)發(fā)、宇宙航行、地震預(yù)測(cè)及各種電液伺服系統(tǒng)，使液壓技術(shù)的應(yīng)用提高到一個(gè)嶄新的高度。目前，液壓技術(shù)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(shí)，減小元件的重量和體積，提高元件壽命，研制新的傳動(dòng)介質(zhì)以及液壓傳動(dòng)系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、計(jì)算機(jī)仿真和優(yōu)化設(shè)計(jì)、微機(jī)控制等工作，也日益取得顯著成果。 解放前，我國(guó)經(jīng)濟(jì)落后，液壓工業(yè)完全是空白。解放后，我國(guó)經(jīng)濟(jì)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(jì)50年代就開(kāi)始生產(chǎn)各種通用液壓元件。當(dāng)前，我國(guó)已生產(chǎn)出許多新型和自行設(shè)計(jì)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(dá)以及其它新型液壓元件等。但由于過(guò)去基礎(chǔ)薄弱，所生產(chǎn)的液壓元件，在品種與質(zhì)量等方面和國(guó)外先進(jìn)水平相比，還存在一定差距，我國(guó)液壓技術(shù)也將獲得進(jìn)一步發(fā)展，它在各個(gè)工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，可以預(yù)見(jiàn)，液壓技術(shù)也將獲得進(jìn)一步發(fā)展，它在各個(gè)工業(yè)部門中的用應(yīng)，也將會(huì)越來(lái)越廣泛。
現(xiàn)代機(jī)械一般多是機(jī)械、電氣、液壓三者緊密聯(lián)系，結(jié)合的一個(gè)綜合體。液壓傳動(dòng)與機(jī)械傳動(dòng)、電氣傳動(dòng)并列為三大傳統(tǒng)形式，液壓傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)在現(xiàn)代機(jī)械的設(shè)計(jì)工作中占有重要的地位。
1.3 液壓傳動(dòng)系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)
液壓傳動(dòng)中所需要的元件主要有動(dòng)力元件、執(zhí)行元件、控制元件、輔助元件等。其中液壓動(dòng)力元件是為液壓系統(tǒng)產(chǎn)生動(dòng)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(lái)工作，所以一般也稱為容積液壓泵。齒輪泵是最常見(jiàn)的一種液壓泵，它通過(guò)兩個(gè)嚙合的齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)使得液體進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。其他的液壓泵還有葉片泵、柱塞泵，在選擇液壓泵的時(shí)候主要需要注意的問(wèn)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(guò)濾器、蓄能器和密封裝置。通過(guò)以上的各個(gè)器件，我們就能夠建設(shè)出一個(gè)液壓回路。所謂液壓回路就是通過(guò)各種液壓器件構(gòu)成的相應(yīng)的控制回路。根據(jù)不同的控制目標(biāo)，我們能夠設(shè)計(jì)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(dòng)的應(yīng)用性是很強(qiáng)的，比如裝卸堆碼機(jī)液壓系統(tǒng)，它作為一種倉(cāng)儲(chǔ)機(jī)械，在現(xiàn)代化的倉(cāng)庫(kù)里利用它實(shí)現(xiàn)紡織品包、油桶、木桶等貨物的裝卸機(jī)械化工作。也可以應(yīng)用在萬(wàn)能外圓磨床液壓系統(tǒng)等生產(chǎn)實(shí)踐中。這些系統(tǒng)的特點(diǎn)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(diǎn)
1) 傳動(dòng)平穩(wěn) 在液壓傳動(dòng)裝置中，由于油液的壓縮量非常小，在通常壓力下可以認(rèn)為不可壓縮，依靠油液的連續(xù)流動(dòng)進(jìn)行傳動(dòng)。油液有吸振能力，在油路中還可以設(shè)置液壓緩沖裝置，故不像機(jī)械機(jī)構(gòu)因加工和裝配誤差會(huì)引起振動(dòng)扣撞擊，使傳動(dòng)十分平穩(wěn)，便于實(shí)現(xiàn)頻繁的換向；因此它廣泛地應(yīng)用在要求傳動(dòng)平穩(wěn)的機(jī)械上，例如磨床幾乎全都采用了液壓傳動(dòng)。
2) 質(zhì)量輕體積小 液壓傳動(dòng)與機(jī)械、電力等傳動(dòng)方式相比，在輸出同樣功率的條件下，體積和質(zhì)量可以減少很多，因此慣性小、動(dòng)作靈敏；這對(duì)液壓仿形、液壓自動(dòng)控制和要求減輕質(zhì)量的機(jī)器來(lái)說(shuō)，是特別重要的。例如我國(guó)生產(chǎn)的1m3挖掘機(jī)在采用液壓傳動(dòng)后，比采用機(jī)械傳動(dòng)時(shí)的質(zhì)量減輕了1t。
3) 承載能力大 液壓傳動(dòng)易于獲得很大的力和轉(zhuǎn)矩，因此廣泛用于壓制機(jī)、隧道掘進(jìn)機(jī)、萬(wàn)噸輪船操舵機(jī)和萬(wàn)噸水壓機(jī)等。
4) 容易實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速 在液壓傳動(dòng)中，調(diào)節(jié)液體的流量就可實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)凋速，并且調(diào)速范圍很大，可達(dá)2000：1，很容易獲得極低的速度。
5) 易于實(shí)現(xiàn)過(guò)載保護(hù) 液壓系統(tǒng)中采取了很多安全保護(hù)措施，能夠自動(dòng)防止過(guò)載，避免發(fā)生事故。
6) 液壓元件能夠自動(dòng)潤(rùn)滑 由于采用液壓油作為工作介質(zhì)，使液壓傳動(dòng)裝置能自動(dòng)潤(rùn)滑，因此元件的使用壽命較長(zhǎng)。
7) 容易實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的動(dòng)作 采用液壓傳動(dòng)能獲得各種復(fù)雜的機(jī)械動(dòng)作，如仿形車床的液壓仿形刀架、數(shù)控銑床的液壓工作臺(tái)，可加工出不規(guī)則形狀的零件．
8) 簡(jiǎn)化機(jī)構(gòu) 采用液壓傳動(dòng)可大大地簡(jiǎn)化機(jī)械結(jié)構(gòu)，從而減少了機(jī)械零部件數(shù)目。
9) 便于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)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(shí)現(xiàn)復(fù)雜的自動(dòng)工作循環(huán)。目前，液壓傳動(dòng)在組合機(jī)床和自動(dòng)線上應(yīng)用得很普遍。
10) 便于實(shí)現(xiàn)“三化” 液壓元件易于實(shí)現(xiàn)系列比、標(biāo)準(zhǔn)化和通用化．也易于設(shè)計(jì)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(zhì)量、降低成本[3]。
1.3.2 缺點(diǎn)
1) 液壓元件制造精度要求高 由于元件的技術(shù)要求高和裝配比較困難，使用維護(hù)比較嚴(yán)格。
2) 實(shí)現(xiàn)定比傳動(dòng)困難 液壓傳動(dòng)是以液壓油為工作介質(zhì)，在相對(duì)運(yùn)動(dòng)表面間不可避免的要有泄漏，同時(shí)油液也不是絕對(duì)不可壓縮的。因此不宜應(yīng)用在在傳動(dòng)比要求嚴(yán)格的場(chǎng)合，例如螺紋和齒輪加工機(jī)床的傳動(dòng)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(yuǎn)距離輸送動(dòng)力 由于采用油管傳輸壓力油，壓力損失較大，故不宜遠(yuǎn)距離輸送動(dòng)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(dòng)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(huì)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(shè)計(jì)
液壓系統(tǒng)是機(jī)械伺服裝置中的經(jīng)典結(jié)構(gòu)。即使在機(jī)電類元件獲得長(zhǎng)足進(jìn)步的今天，液壓系統(tǒng)仍以其高功率/重量比，響應(yīng)快，低速特性好等特點(diǎn)而在不少系統(tǒng)當(dāng)中扮演舉足輕重的角色。在現(xiàn)代電子和控制技術(shù)推動(dòng)下涌現(xiàn)出了一些原理新穎，物美價(jià)廉的液壓元器件，給這一傳統(tǒng)的技術(shù)帶來(lái)了新的生機(jī)。液壓傳動(dòng)系統(tǒng)是液壓機(jī)械的一個(gè)組成部分，液壓傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要同主機(jī)的總體設(shè)計(jì)同時(shí)進(jìn)行。著手設(shè)計(jì)時(shí)，必須從實(shí)際情況出發(fā)，有機(jī)地結(jié)合各種傳動(dòng)形式，充分發(fā)揮液壓傳動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)，力求設(shè)計(jì)出結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠、成本低、效率高、操作簡(jiǎn)單、維修方便的液壓傳動(dòng)系統(tǒng)。
2.1 液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)步驟
1) 明確設(shè)計(jì)方案；
2) 確定液壓執(zhí)行元件的形式；
3) 進(jìn)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(yàn)算；
7) 繪制工作圖，編制技術(shù)文件[4]。
2.2 設(shè)計(jì)要求
設(shè)計(jì)要求是進(jìn)行每項(xiàng)工程設(shè)計(jì)的依據(jù)，在制定基本方案并進(jìn)一步著手液壓系統(tǒng)各部分設(shè)計(jì)之前，必須把設(shè)計(jì)要求以及與該設(shè)計(jì)內(nèi)容有關(guān)的其他方面了解清楚。
目前，大部分的鉆床機(jī)床的卡盤，鉆頭等都是由液壓來(lái)控制的。而他們的基本工作原理都是：通過(guò)液壓系統(tǒng)回路，來(lái)實(shí)現(xiàn)控制卡盤的卡緊，松開(kāi)及對(duì)不同的零件類型來(lái)實(shí)現(xiàn)正鉆，反鉆的控制。而它們的工作循環(huán)大都為：
快進(jìn)卡緊保壓鉆孔松開(kāi)
其中快進(jìn)和卡緊并不是通過(guò)高低壓的換向來(lái)控制，而是通過(guò)負(fù)載的增加來(lái)實(shí)現(xiàn)的，而保壓過(guò)程是通過(guò)換向閥來(lái)實(shí)現(xiàn)的，而它是保證卡緊力在突然斷電等事故發(fā)生時(shí)保護(hù)設(shè)備和人員安全的必要設(shè)備。
2.3 鉆床對(duì)液壓系統(tǒng)的要求
1) 卡盤卡緊，松開(kāi)時(shí)動(dòng)作要求平穩(wěn)，在進(jìn)行動(dòng)做換向時(shí)不應(yīng)有沖擊；
2) 當(dāng)卡盤卡緊后，液壓缸機(jī)構(gòu)應(yīng)具有足夠的保壓能力，以防止因系統(tǒng)內(nèi)瀉而造成工件的脫落或當(dāng)數(shù)控機(jī)床在加工零件是因?yàn)榭ňo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(dāng)卡盤接觸工件時(shí)，系統(tǒng)壓力忽然升高，為防止因壓力過(guò)大而造成加上工件的事故發(fā)生，該系統(tǒng)在工作過(guò)程中因?yàn)楹銐骸?
4) 鉆頭工作時(shí)應(yīng)沒(méi)有沖擊，爬行等不良現(xiàn)象。所以對(duì)系統(tǒng)的密封應(yīng)有較高的標(biāo)準(zhǔn)。
5) 為保證安全生產(chǎn)，避免忽然斷電以及電機(jī)損壞等突發(fā)事件的發(fā)生，系統(tǒng)中應(yīng)有連鎖保壓裝置。
3 液壓系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)
3.1 制定調(diào)速方案
液壓執(zhí)行元件確定之后，其運(yùn)動(dòng)方向和運(yùn)動(dòng)速度的控制是擬定液壓回路的核心問(wèn)題。
方向控制用換向閥或邏輯控制單元來(lái)實(shí)現(xiàn)。對(duì)于一般中小流量的液壓系統(tǒng)，大多通過(guò)換向閥的有機(jī)組合實(shí)現(xiàn)所要求的動(dòng)作。對(duì)高壓大流量的液壓系統(tǒng)，現(xiàn)多采用插裝閥與先導(dǎo)控制閥的邏輯組合來(lái)實(shí)現(xiàn)。
??? 速度控制通過(guò)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(lái)實(shí)現(xiàn)。相應(yīng)的調(diào)整方式有節(jié)流調(diào)速、容積調(diào)速以及二者的結(jié)合——容積節(jié)流調(diào)速。
節(jié)流調(diào)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(lái)調(diào)節(jié)速度。此種調(diào)速方式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(chǎng)合。
容積調(diào)速是靠改變液壓泵或液壓馬達(dá)的排量來(lái)達(dá)到調(diào)速的目的。其優(yōu)點(diǎn)是沒(méi)有溢流損失和節(jié)流損失，效率較高。但為了散熱和補(bǔ)充泄漏，需要有輔助泵。此種調(diào)速方式適用于功率大、運(yùn)動(dòng)速度高的液壓系統(tǒng)。
容積節(jié)流調(diào)速一般是用變量泵供油，用流量控制閥調(diào)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(yīng)。此種調(diào)速回路效率也較高，速度穩(wěn)定性較好，但其結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。
節(jié)流調(diào)速又分別有進(jìn)油節(jié)流、回油節(jié)流和旁路節(jié)流三種形式。進(jìn)油節(jié)流起動(dòng)沖擊較小，回油節(jié)流常用于有負(fù)載荷的場(chǎng)合，旁路節(jié)流多用于高速。
??? 調(diào)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(diào)速一般采用開(kāi)式循環(huán)形式。在開(kāi)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(kāi)式回路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，散熱性好，但油箱體積大，容易混入空氣。
??? 容積調(diào)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(gè)封閉的循環(huán)回路。其結(jié)構(gòu)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(shí)，要求系統(tǒng)保持一定的工作壓力或在一定壓力范圍內(nèi)工作，也有的需要多級(jí)或無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)壓力，一般在節(jié)流調(diào)速系統(tǒng)中，通常由定量泵供油，用溢流閥調(diào)節(jié)所需壓力，并保持恒定。在容積調(diào)速系統(tǒng)中，用變量泵供油，用安全閥起安全保護(hù)作用。
??? 在有些液壓系統(tǒng)中，有時(shí)需要流量不大的高壓油，這時(shí)可考慮用增壓回路得到高壓，而不用單設(shè)高壓泵。液壓執(zhí)行元件在工作循環(huán)中，某段時(shí)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(gè)局部，工作壓力需低于主油源壓力時(shí)，要考慮采用減壓回路來(lái)獲得所需的工作壓力。
3.3 制定順序動(dòng)作方案
主機(jī)各執(zhí)行機(jī)構(gòu)的順序動(dòng)作，根據(jù)設(shè)備類型不同，有的按固定程序運(yùn)行，有的則是隨機(jī)的或人為的。工程機(jī)械的操縱機(jī)構(gòu)多為手動(dòng)，一般用手動(dòng)的多路換向閥控制。加工機(jī)械的各執(zhí)行機(jī)構(gòu)的順序動(dòng)作多采用行程控制，當(dāng)工作部件移動(dòng)到一定位置時(shí)，通過(guò)電氣行程開(kāi)關(guān)發(fā)出電信號(hào)給電磁鐵推動(dòng)電磁閥或直接壓下行程閥來(lái)控制接續(xù)的動(dòng)作。行程開(kāi)關(guān)安裝比較方便，而用行程閥需連接相應(yīng)的油路，因此只適用于管路聯(lián)接比較方便的場(chǎng)合。
???? 另外還有時(shí)間控制、壓力控制等。例如液壓泵無(wú)載啟動(dòng)，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間，當(dāng)泵正常運(yùn)轉(zhuǎn)后，延時(shí)繼電器發(fā)出電信號(hào)使卸荷閥關(guān)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(jī)床、擠壓機(jī)壓力機(jī)等場(chǎng)合。當(dāng)某一執(zhí)行元件完成預(yù)定動(dòng)作時(shí)，回路中的壓力達(dá)到一定的數(shù)值，通過(guò)壓力繼電器發(fā)出電信號(hào)或打開(kāi)順序閥使壓力油通過(guò)，來(lái)啟動(dòng)下一個(gè)動(dòng)作。
3.4 選擇液壓動(dòng)力源
液壓系統(tǒng)的工作介質(zhì)完全由液壓源來(lái)提供，液壓源的核心是液壓泵。節(jié)流調(diào)速系統(tǒng)一般用定量泵供油，在無(wú)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(shí)起到控制并穩(wěn)定油源壓力的作用。容積調(diào)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(duì)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(duì)長(zhǎng)時(shí)間所需流量較小的情況，可增設(shè)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(guò)濾器，進(jìn)入系統(tǒng)的油液根據(jù)被保護(hù)元件的要求，通過(guò)相應(yīng)的精過(guò)濾器再次過(guò)濾。為防止系統(tǒng)中雜質(zhì)流回油箱，可在回油路上設(shè)置磁性過(guò)濾器或其他型式的過(guò)濾器。根據(jù)液壓設(shè)備所處環(huán)境及對(duì)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(shè)計(jì)的數(shù)控機(jī)床液壓控制系統(tǒng)的原理圖及電磁鐵動(dòng)作表：
表3-1 電磁鐵動(dòng)作
Tab.3-1 electro-magnet movement
YV1
YV2
YV3
YV4
缸進(jìn)給
+
-
缸返回
-
+
馬達(dá)正轉(zhuǎn)
+
-
馬達(dá)反轉(zhuǎn)
-
+
圖3-1 液壓原理圖
Fig.3-1 hydraulic schematic diagram
整機(jī)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(shí)要去掉重復(fù)多余的元件，力求系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。注意各元件間的聯(lián)鎖關(guān)系，避免誤動(dòng)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(hù)和監(jiān)測(cè)，在系統(tǒng)中的主要路段要裝設(shè)必要的檢測(cè)元件（如壓力表、溫度計(jì)等）。
??? 大型設(shè)備的關(guān)鍵部位，要附設(shè)備用件，以便意外事件發(fā)生時(shí)能迅速更換，保證主要連續(xù)工作。
??? 各液壓元件盡量采用國(guó)產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)件，在圖中要按國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的液壓元件職能符號(hào)的常態(tài)位置繪制。對(duì)于自行設(shè)計(jì)的非標(biāo)準(zhǔn)元件可用結(jié)構(gòu)原理圖繪制。
??? 系統(tǒng)圖中應(yīng)注明各液壓執(zhí)行元件的名稱和動(dòng)作，注明各液壓元件的序號(hào)以及各電磁鐵的代號(hào)，并附有電磁鐵、行程閥及其他控制元件的動(dòng)作表。
4 液壓執(zhí)行元件的設(shè)計(jì)計(jì)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(shè)計(jì)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(yùn)動(dòng)速度和結(jié)構(gòu)尺寸。
4.1.1 鉆床機(jī)床控制液壓系統(tǒng)的主要設(shè)計(jì)參數(shù)
系統(tǒng)工作壓力：2.5-3Mpa
系統(tǒng)流量 16.7L/Min
馬達(dá)工作壓力 1.5Mpa
馬達(dá)轉(zhuǎn)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(shí)是在馬達(dá)全速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，此時(shí)，油壓是由泵提供的，其它工況時(shí)，載荷都沒(méi)有此時(shí)大，所以系統(tǒng)的工作壓力暫定為此時(shí)的工作壓力1.5Mpa.
而液壓系統(tǒng)的最大工作壓力應(yīng)按下式計(jì)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(dá)最大工作壓力
－從液壓泵到液壓馬達(dá)或液壓缸之間總的管路損失，可按經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)選?。汗苈泛?jiǎn)單，流速不大的取。也可選取高于0.5Mpa的壓力。
由本設(shè)計(jì)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(duì)系統(tǒng)的最大流量進(jìn)行計(jì)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(guān)資料可求得下表：
表4-2 各油管內(nèi)外徑實(shí)取值
Tab.4-2 various drill tubing’s outer diameter solid value
管路名稱
流量
流速
內(nèi)徑
實(shí)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(shè)計(jì)技術(shù)要求，選擇一個(gè)有電磁換向閥，疊加式雙單向節(jié)流閥，疊加式壓力計(jì)電器，疊加式減壓閥組成液壓回路。實(shí)現(xiàn)卡盤的卡緊，松開(kāi)和退回，鉆頭的正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)等動(dòng)作。閥的規(guī)格根據(jù)系統(tǒng)的工作壓力和工作年限來(lái)通過(guò)樣本的選取決定[8]。
4.3.1 換向閥的選取
一般來(lái)說(shuō)，流量在190L/min以上的適宜用二通插裝閥；190L/min以下時(shí)可采用滑閥式換向閥。70L/min以下時(shí)通常用電磁換向閥。
控制閥的流量一般要選得比實(shí)際通過(guò)的流量大一些，必要時(shí)也可以有20％以內(nèi)的短時(shí)間過(guò)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(hào)和尺寸由相關(guān)廠家的樣本中查得。
其中電磁換向閥的產(chǎn)品型號(hào)為：4WE6E6X/EG24NZ5L/B10。
4.3.2 單向閥的選擇
應(yīng)選擇開(kāi)啟壓力小的單向閥，開(kāi)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(hào)和尺寸可由相關(guān)廠家樣本中查得。其中疊加式雙單向節(jié)流閥的型號(hào)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(jī)構(gòu)的控制油路或其他輔助油路，以使不同的執(zhí)行機(jī)構(gòu)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(diào)節(jié)裝置，使油路不受壓力源壓力變化及其他閥門工作時(shí)引起壓力波動(dòng)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(hào)和尺寸可由相關(guān)廠家樣本中查得。
本系統(tǒng)中的疊加式減壓閥型號(hào)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(hào)來(lái)啟動(dòng)或關(guān)閉電器觸點(diǎn)的液壓電器轉(zhuǎn)換元件。它在油液壓力達(dá)到其設(shè)定壓力時(shí)，發(fā)出電信號(hào)，控制電器元件動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)泵的加載和卸荷。其設(shè)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(yù)先調(diào)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(hào)和尺寸可由相關(guān)廠家樣本中查得[9]。
疊加式壓力繼電器的型號(hào)為：HED40H10/5Z14/2。
表4-3 系統(tǒng)中所用到的元件現(xiàn)總結(jié)
Table.4-3 system uses the part presently summarizes
序號(hào)
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(guò)濾器
1
WU-40180
6
空氣濾清器
1
QUQ1-200.4
7
液位計(jì)
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(dá)入口之間總的管路損失。的準(zhǔn)確計(jì)算要待元件選定并會(huì)出管路圖時(shí)才能進(jìn)行，初算時(shí)可按經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)選?。汗苈泛?jiǎn)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(dá)全速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí):
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(cè)中選擇相應(yīng)的液壓泵。為使液壓泵有一定的壓力儲(chǔ)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(diào)節(jié)為，額定壓力6.3Mpa，調(diào)節(jié)范圍，轉(zhuǎn)速，驅(qū)動(dòng)功率為2.6Kw 效率。
4.5 液壓泵驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選擇
液壓泵在額定壓力和額定流量下工作時(shí)，其驅(qū)動(dòng)電機(jī)的功率一般可直接從產(chǎn)品樣本或技術(shù)手冊(cè)中查得，但其數(shù)值在實(shí)際中往往偏大。因此，也可以根據(jù)具體工況用下述方法計(jì)算出來(lái)[10]。
整個(gè)系統(tǒng)中所需功率最大的工況是發(fā)生在馬達(dá)最大轉(zhuǎn)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(jī)型號(hào)為Y90L-4B35 額定功率1.5kw 轉(zhuǎn)速1440r/min
4.6 液壓馬達(dá)的選取
由系統(tǒng)所給定的馬達(dá)排量為16.3ml/r，正常工作時(shí)轉(zhuǎn)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(diào)速范圍100-2000r/min\，最高轉(zhuǎn)矩 10-80Nm，機(jī)械效率大于[11]。
馬達(dá)的載荷轉(zhuǎn)矩
（4-6）
取馬達(dá)的機(jī)械效率0.95，則理論轉(zhuǎn)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(yàn)系數(shù) ?。?
取V=100L
4.8 液壓缸的載荷力計(jì)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(nèi)經(jīng)；
P－油缸壓力；
進(jìn)給時(shí)
返回時(shí) （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(jìn)給
1.96KN
返回
1.35KN
5 系統(tǒng)性能驗(yàn)算
本系統(tǒng)比較簡(jiǎn)單，執(zhí)行元件較少并且動(dòng)作簡(jiǎn)單。管路損失很小，故主要驗(yàn)算各元件的壓力損失對(duì)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(zhǎng)0.5m，內(nèi)徑0.01m，流量16.7L/min 選用L-HL 礦物油型液壓油，正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的運(yùn)動(dòng)粘度V=35.2，油液的密度。
油在管中實(shí)際的流速為
（5-1）
（5-2）
油在管路中呈亂流流動(dòng)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(guò)管路中折管和管接頭等處的管路局部壓力損失，以及通過(guò)控制閥的局部壓力損失，其中管路局部壓力損失相對(duì)來(lái)說(shuō)小得多，故主要計(jì)算通過(guò)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(guò)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(guò)各閥的局部壓力損失之和為：
（5-5）
由以上計(jì)算結(jié)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(jì)算
6.1 計(jì)算發(fā)熱功率
液壓系統(tǒng)的功率損失全部轉(zhuǎn)化為熱量。按下式計(jì)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(duì)于本系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，是整個(gè)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(tái)泵工作時(shí)間；
Z－泵的臺(tái)數(shù)；
－泵的總效率；
；
6.2 計(jì)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?。?
油箱散熱功率滿足系統(tǒng)發(fā)熱功率的需要[14]。
7夾具設(shè)計(jì)
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(jìn)行加工。加工中除了需要機(jī)床，刀具，量具之外，成批生產(chǎn)時(shí)還需要用機(jī)床夾具。它們是機(jī)床和工件之間的連接裝置，是將工件進(jìn)行定位、加緊；將刀具進(jìn)行導(dǎo)向或?qū)Φ叮员ＷC工件和刀具間的相對(duì)位置關(guān)系的附加裝置，使工件相對(duì)于機(jī)床或刀具獲得正確位置。機(jī)床夾具的好壞直接影響工件加工表面的位置精度，所以機(jī)床夾具設(shè)計(jì)是裝配設(shè)計(jì)中一項(xiàng)重要的工作，是加工過(guò)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(duì)夾具的位置，可以用六點(diǎn)定位原理來(lái)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(shí)保持所限制的自由度。
導(dǎo)向元件和對(duì)刀裝置
用來(lái)保證刀具相對(duì)于夾具的位置。本設(shè)計(jì)為擴(kuò)鉸孔，需要夾具具有導(dǎo)向作用。
連接元件
是用來(lái)保證夾具和機(jī)床工作臺(tái)之間的相對(duì)位置。對(duì)于鉆床夾具，由于孔加工刀具加工時(shí)只是沿軸向進(jìn)給就可完成，用導(dǎo)向元件就可以保證相對(duì)位置，因此在將夾具安裝在工作臺(tái)上時(shí)，用導(dǎo)向元件直接對(duì)刀具進(jìn)行定位，不必再用連接元件定位了，所以一般鉆床夾具沒(méi)有連接元件。
二．夾緊機(jī)構(gòu)的功能
保證加工精度；
提高生產(chǎn)率；
擴(kuò)大機(jī)床的使用范圍；
減輕工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，保證生產(chǎn)安全。
加緊機(jī)構(gòu)應(yīng)滿足的要求
保證加工精度；
夾具的總體方案應(yīng)與年生產(chǎn)綱領(lǐng)相適應(yīng)；
安全，方便，減輕勞動(dòng)強(qiáng)度；
排屑順暢；
機(jī)床夾具應(yīng)有良好的強(qiáng)度，剛度和結(jié)構(gòu)工藝性。
機(jī)構(gòu)的夾緊過(guò)程
消除間隙階段：從原動(dòng)操作部分開(kāi)始動(dòng)作起，到各傳動(dòng)構(gòu)件之間，以及夾緊元件與被夾緊部件之間完全消除間隙，開(kāi)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(kāi)始逐漸增加，同時(shí)各傳動(dòng)軸構(gòu)件也由于受力而發(fā)生彈性變形，直到夾緊元件對(duì)被夾緊部位的夾緊力達(dá)到預(yù)定值為止。
7.2夾緊機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)
設(shè)計(jì)機(jī)床的加緊機(jī)構(gòu)前，應(yīng)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(diǎn)的坐標(biāo)位置；
部件的支承情況，即有關(guān)導(dǎo)軌以及部件與導(dǎo)軌接觸處的各項(xiàng)幾何尺寸；
部件的重量以及重心的坐標(biāo)位置。
以上工作條件，本設(shè)計(jì)在機(jī)床總體設(shè)計(jì)與布局情況下已求得，現(xiàn)選擇夾緊力作用點(diǎn)，夾緊力作用點(diǎn)選擇的原則為：
盡可能以最小夾緊力取得防止機(jī)床部件滑移，顛覆和回轉(zhuǎn)的最大效果；
夾緊點(diǎn)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(jī)構(gòu)在夾緊、松開(kāi)機(jī)床部件時(shí)的位移，保證定位精度。
本設(shè)計(jì)夾緊點(diǎn)選在六個(gè)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(dá)到預(yù)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(jié)構(gòu)如下圖：
7.2.1定位方案
工件以Φ40圓柱結(jié)構(gòu)及下端面為定位基準(zhǔn)，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(dòng)自由度，V型塊限制了X和Y方向上的平移和旋轉(zhuǎn)4個(gè)自由度，共限制了5個(gè)自由度。
定位誤差的計(jì)算：由于定位基準(zhǔn)與工序基準(zhǔn)一致，所以基準(zhǔn)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(jì)算最小偏差為0.03mm,最大為0.19mm。
7.2.2夾緊機(jī)構(gòu)
根據(jù)生產(chǎn)綱領(lǐng)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(dòng)夾緊方案。具體原理是采用液壓缸推動(dòng)杠桿的一端，使杠桿的另一端壓在工件的表面，可根據(jù)對(duì)液壓回路的設(shè)計(jì)來(lái)調(diào)整壓緊力的大小，其壓緊的主要作用是防止工件在鉆孔過(guò)程中，切削力的作用下產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)和震動(dòng)。
圖 7-1壓桿
Fig7-1 preaching gune
其夾緊力的計(jì)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(guān)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(shè)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(dǎo)向裝置
采用可換鉆套（JB/T 8045.2-1999）作為導(dǎo)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(jī)床連接元件
在夾具體上的兩側(cè)設(shè)計(jì)座耳，用T形螺栓固定。由于Z525型立式鉆床工作臺(tái)槽寬a=14H11，所以T形螺栓的直徑d取12，夾具體兩側(cè)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(shí)垂直度在一點(diǎn)范圍內(nèi)范圍內(nèi)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(yùn)動(dòng)學(xué)分析
8.1概述
建立正確的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型是半自動(dòng)鉆床運(yùn)動(dòng)學(xué)分析工作的基礎(chǔ)。
虛擬裝配技術(shù)是利用計(jì)算機(jī)工具,而不需產(chǎn)品或者支持過(guò)程的物理實(shí)現(xiàn),通過(guò)分析、預(yù)建模、可視化等進(jìn)行或者輔助進(jìn)行裝配,根據(jù)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的形狀特征和精度特性,真實(shí)地模擬產(chǎn)品三維裝配過(guò)程。Pro/E軟件中的機(jī)構(gòu)模塊Mechanism,能夠?qū)υO(shè)計(jì)進(jìn)行模擬、仿真、校驗(yàn),如運(yùn)動(dòng)仿真顯示、運(yùn)動(dòng)干涉檢驗(yàn)、運(yùn)動(dòng)軌跡、位移、速度和加速度計(jì)算等。本文利用Pro/E進(jìn)行了半自動(dòng)鉆床機(jī)構(gòu)的虛擬裝配和運(yùn)動(dòng)仿真,分析了裝配中的干涉情況以及機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的位移、速度和加速度情況,為半自動(dòng)鉆床的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)提供參考。
一．機(jī)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)學(xué)位置正反解
機(jī)構(gòu)的位置分析是求解機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)輸入和動(dòng)平臺(tái)之間的位置關(guān)系，這是機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析的最基本的任務(wù)，也是機(jī)構(gòu)速度、加速度、受力分析、誤差分析、工作空間分析、動(dòng)力學(xué)分析和機(jī)構(gòu)綜合等的基礎(chǔ)。已知機(jī)構(gòu)主動(dòng)件的位置，求解機(jī)構(gòu)的動(dòng)平臺(tái)的位置和姿態(tài)位置的分析稱正解;若己知?jiǎng)悠脚_(tái)的位置和姿態(tài)，求解機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)輸入的位置稱為機(jī)構(gòu)位置的反解。同串聯(lián)構(gòu)分析相比，并聯(lián)機(jī)構(gòu)的位置反解容易，正解相當(dāng)困難。關(guān)于正向運(yùn)動(dòng)學(xué)的解法主要分為兩大類:數(shù)值法和解析法。由于并聯(lián)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)復(fù)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(duì)應(yīng)的動(dòng)平臺(tái)的位置和姿態(tài)。數(shù)值法的優(yōu)點(diǎn)是它可以應(yīng)用于任何結(jié)構(gòu)的并聯(lián)機(jī)構(gòu)，計(jì)算方法簡(jiǎn)單，但是該方法計(jì)算速度較慢，不能保證獲得全部解，并且最終的結(jié)果與初值的選取有關(guān)。解析法是通過(guò)消元法消去機(jī)構(gòu)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(gè)未知數(shù)的多項(xiàng)式，這種方法的優(yōu)點(diǎn)是可以求解機(jī)構(gòu)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(dǎo)過(guò)程相對(duì)復(fù)雜。
二．Pro/E中運(yùn)動(dòng)仿真的實(shí)現(xiàn)方法
在Pro/E中,用戶可以通過(guò)對(duì)機(jī)構(gòu)添加運(yùn)動(dòng)副、驅(qū)動(dòng)器使其運(yùn)動(dòng)起來(lái),以實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)仿真。而機(jī)構(gòu)又是由構(gòu)件組合而成的,其中每個(gè)構(gòu)件都是以一定的方式至少與另一個(gè)構(gòu)件相連接,這種連接不僅使2個(gè)構(gòu)件直接接觸,又使2個(gè)構(gòu)件產(chǎn)生一定的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。要使組件運(yùn)動(dòng),在裝配時(shí)就不能對(duì)其完全約束,而只能部分約束。即根據(jù)各組件之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng),通過(guò)“連接”設(shè)定限制組件的運(yùn)動(dòng)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(jī)構(gòu)所需的運(yùn)動(dòng)類型。
虛擬裝配設(shè)計(jì)是在計(jì)算機(jī)上完成所設(shè)計(jì)零部件的裝配模型,將不同的零件組裝成一個(gè)裝配體,并進(jìn)行零件之間的靜、動(dòng)態(tài)干涉檢查,發(fā)現(xiàn)零部件設(shè)計(jì)上的不合理結(jié)構(gòu)部分,以改進(jìn)設(shè)計(jì)。而通過(guò)機(jī)構(gòu)仿真,可以在進(jìn)行整體設(shè)計(jì)和零件設(shè)計(jì)后,對(duì)各種零件進(jìn)行裝配后模擬機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng),從而檢查機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)是否達(dá)到設(shè)計(jì)的要求,可以檢查機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)中各種運(yùn)動(dòng)構(gòu)件之間是否發(fā)生干涉。同時(shí),可直接分析各運(yùn)動(dòng)副與構(gòu)件在某一時(shí)刻的位置、運(yùn)動(dòng)量以及各運(yùn)動(dòng)副之問(wèn)的相互運(yùn)動(dòng)關(guān)系。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)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(yùn)動(dòng)仿真兩大功能。半自動(dòng)鉆床由多個(gè)零件組成,零件之間是否滿足裝配要求和運(yùn)動(dòng)要求則可通過(guò)CAD/CAM/CAE集成軟件來(lái)進(jìn)行檢驗(yàn),從而達(dá)到優(yōu)化零件設(shè)計(jì)的目的
8.2夾具體運(yùn)動(dòng)學(xué)分析
基于上述運(yùn)動(dòng)學(xué)分析理論，首先建立系統(tǒng)的模型。
在此，主要以PRO/E三維實(shí)體軟件為依托，以傳統(tǒng)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)手段為基礎(chǔ)，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(jié)構(gòu)，其目的是與半自動(dòng)化鉆床的集體底座的梯形槽相配合實(shí)現(xiàn)夾具體的槽配合并且移動(dòng)實(shí)現(xiàn)刀具與工件相對(duì)位置的對(duì)準(zhǔn)）、油缸外鋼體、油缸內(nèi)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(jìn)入設(shè)備的模擬裝配環(huán)境，在該環(huán)境下，將油缸的內(nèi)外缸體采取圓柱鏈接方式進(jìn)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(nèi)缸體分別采取銷釘鏈接方式，將v形塊玉工件設(shè)置為平面鏈接，將工件與定位板設(shè)定為平面鏈接，同時(shí)通過(guò)螺栓連接定位板和底座，此時(shí)，夾具體裝配完畢。
夾具體裝配完畢，進(jìn)入系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析與結(jié)構(gòu)仿真分析環(huán)節(jié)：在裝配完畢的設(shè)備中分別添加動(dòng)力裝置于油缸內(nèi)外缸體、設(shè)置質(zhì)量屬性（通過(guò)零件的幾何尺寸計(jì)算機(jī)計(jì)算出其體積，通過(guò)定義不同零部件的密度或等效密度來(lái)計(jì)算整機(jī)質(zhì)量）、重力加速度屬性為10N/kg，將油缸的伸縮設(shè)置為彈簧、阻尼、質(zhì)量塊組成的系統(tǒng)，彈簧剛度、阻尼系數(shù)通過(guò)經(jīng)驗(yàn)確定同時(shí)查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)校正。
確定關(guān)鍵零部件的運(yùn)動(dòng)學(xué)性能，關(guān)鍵要素有夾具體夾緊桿與油缸連接處運(yùn)動(dòng)的位置、速度、加速度等。
顯示運(yùn)動(dòng)仿真分析的結(jié)果：顯示方式有動(dòng)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(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)位置曲線
Fig8-3 the picture of the line of the disability
油缸連接處運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)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(dòng)化鉆床整機(jī)工作運(yùn)動(dòng)學(xué)分析
在半自動(dòng)化鉆床整機(jī)工作運(yùn)動(dòng)學(xué)分析中，分別建立模型有：半自動(dòng)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(jī)減速器、升降驅(qū)動(dòng)電機(jī)、絲杠、滑槽、搖臂加強(qiáng)筋、刀具驅(qū)動(dòng)電機(jī)、減速器2、刀具進(jìn)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(jìn)入設(shè)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(dòng)化鉆床底座、升降柱機(jī)器相關(guān)配合零部件、電動(dòng)機(jī)、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(nèi)移動(dòng)后裝配位置圖如8-7所示
圖8-7移動(dòng)后裝配位置
Fig8-7the picture of the added type
圖8-8移動(dòng)后裝配位置
Fig8-8 after linged of the type
搖臂在升降柱上移動(dòng)后位置關(guān)系如圖x8-9所示：
8-9搖臂在升降柱上移動(dòng)后位置關(guān)系
Fig8-9the picture of the linde lind emed
Z軸方向正向旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)圖如圖8-10所示
圖8-10Z軸方向正向旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)
Fig8-10Z diturely of chargement
Z軸方向負(fù)向旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)圖如圖8-11所示
圖8-11Z軸方向正向旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)
Fig8-11Zdictum of the picture of niuded
半自動(dòng)化鉆床刀具每個(gè)工作過(guò)程的推桿位置關(guān)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(guò)分析曲線走勢(shì)，首先上升，然后隨著時(shí)間的推移上升到最高峰之后開(kāi)始下降趨勢(shì)，當(dāng)時(shí)間處于20s的時(shí)候曲線處于回歸零的狀態(tài)，分別表示凸輪傳動(dòng)進(jìn)給系統(tǒng)的升程、回程、休止過(guò)程，從理論說(shuō)明到實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)分析確定該系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析的模型建立、裝配關(guān)系以及動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)的添加趨于合理，屬于可信系統(tǒng)
通過(guò)系統(tǒng)模型可行性的驗(yàn)證，下面分別提取進(jìn)給機(jī)構(gòu)連接點(diǎn)加速度變化曲線、刀具進(jìn)給介個(gè)切削力變化曲線。
進(jìn)給機(jī)構(gòu)連接點(diǎn)加速度曲線如圖8-13所示
圖8-13進(jìn)給機(jī)構(gòu)連接點(diǎn)加速度曲線
Fig8-13the jankded of the nubded
刀具進(jìn)給介個(gè)切削力變化曲線如圖8-14所示
8-14刀具進(jìn)給介個(gè)切削力變化曲線
Fig8-14the unseded of the picture
9 結(jié)論
本液壓站是搖臂鉆床的控制系統(tǒng) 它通過(guò)對(duì)液壓油的壓力及流量控制來(lái)完成對(duì)鉆床夾盤的加緊與松開(kāi)，力的大小，鉆頭的轉(zhuǎn)動(dòng)與停止，轉(zhuǎn)速的大小等相關(guān)控制。
1) 系統(tǒng)采用了液壓缸來(lái)完成對(duì)夾盤的夾緊松開(kāi)的動(dòng)作，保證了慢進(jìn)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(lái)實(shí)現(xiàn)換向動(dòng)作，結(jié)構(gòu)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(shè)置了壓力繼電器，是系統(tǒng)工作時(shí)有著一定的保護(hù)和自動(dòng)調(diào)節(jié)作用，有理由系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間的工作。
4) 系統(tǒng)采用了進(jìn)口節(jié)流調(diào)速回路，功率損失小，這對(duì)調(diào)速范圍不需很大，負(fù)載較小且基本恒定的鉆床來(lái)說(shuō)是很合適的。此外，進(jìn)口節(jié)流調(diào)速的形式在液壓缸回路中不易造成較大的背壓，工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，使質(zhì)量較小的鉆床工作是的加速制動(dòng)，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(duì)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(guò)油箱來(lái)完成不但節(jié)省空間而且節(jié)省資金。它相對(duì)與以前的液壓控制系統(tǒng)來(lái)說(shuō)更具有空間小，能耗低，無(wú)污染，無(wú)噪音。與電器相配合使得操縱、控制簡(jiǎn)，方便，省力。是搖臂鉆床理想的控制元件。
5）該設(shè)計(jì)的哦運(yùn)動(dòng)仿真和結(jié)構(gòu)分析時(shí)，以proe軟件為依托，分別從模型建立——裝配組合體——對(duì)組合體施加動(dòng)力——對(duì)完整的機(jī)構(gòu)組件仿真分析、運(yùn)動(dòng)分析，分別從檢測(cè)干涉、彈簧、質(zhì)量、阻尼系數(shù)的參數(shù)化角度加以論證，充分說(shuō)明該設(shè)計(jì)的可行性和先進(jìn)性與新穎性
參考文獻(xiàn)
[1] 陳嘉上.2006版實(shí)用液壓氣動(dòng)技術(shù)手冊(cè)[M].北京:中國(guó)知識(shí)出版社 2006.
[2] 成大先.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2002.
[3] 周世昌.液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖集[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2004.
[4] 張偉.液壓設(shè)備設(shè)計(jì)生產(chǎn)技術(shù)改進(jìn)與故障診斷監(jiān)測(cè)及國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范實(shí)用手冊(cè)[M].北京:北方工業(yè)出版社，2006.
[5] 章宏甲.液壓與氣壓傳動(dòng)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2006.
[6] 周涌明,(等).液壓傳動(dòng)設(shè)計(jì)指導(dǎo)書[M].武漢:華中工學(xué)院出版社，1987.
[7] 朱龍根.簡(jiǎn)單機(jī)械零件設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2003.
[8] Pattom W.J.Mechanical Power Transmission[M].New Jersey:Prinrice-Hall,1980.
[9] Mechanical Drive. (Reference Issue) [M].Machine Design, 1980.
[10] Kuehnel M R.Toroidal Drive Cinmines Concepts[M].Product Engineering.Aug,1979.
[11] 胡邦喜.設(shè)備潤(rùn)滑基礎(chǔ)[M].北京:冶金工業(yè)出版社，2002.
[12] 隗金文，王慧.液壓傳動(dòng)[M].東北大學(xué)出版社，2001.
[13] 吳根茂，邱敏秀，王慶豐，魏建華.新編實(shí)用電液比例技術(shù)[M].杭州:浙江大學(xué)出版社，2006.
[14] 李壯云.液壓元件與系統(tǒng)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2005.
[15] 那成烈.軸向柱塞泵可壓縮流體配流原理[M].兵器工業(yè)出版社，2003.
[16] 路甬祥.液壓氣動(dòng)技術(shù)手冊(cè)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2002.
[17] 路甬祥，胡大纮.電液比例控制技術(shù)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1988.
[18] 吳根茂，邱敏秀，王慶豐,(等).實(shí)用電液比例技術(shù)[M].杭州:浙江大學(xué)出版社，1993.
[19] 上海立新液壓有限公司樣本.
[20] 登勝液壓樣本.
[21]薛源順.機(jī)床卡具設(shè)計(jì)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000
[22]李慶壽.機(jī)床夾具設(shè)計(jì)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1984
[23]哈爾濱工業(yè)大學(xué).機(jī)床夾具設(shè)計(jì)[M].上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，1990
[24]陶崇德.葛鴻翰.機(jī)床夾具設(shè)計(jì).第二版[M].上海：上?？萍技夹g(shù)出版社，1989
[25] 李永堂 高雨茁編 液壓系統(tǒng)建模與仿真 冶金工業(yè)出版社 2003
致謝
感謝我的導(dǎo)師xx老師，他嚴(yán)謹(jǐn)細(xì)致、一絲不茍的作風(fēng)一直是我工作、學(xué)習(xí)中的榜樣；他循循善誘的教導(dǎo)和不拘一格的思路給予我無(wú)盡的啟迪。xx老師一絲不茍的作風(fēng)，嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)的態(tài)度，踏踏實(shí)實(shí)的精神，不僅授我以文，而且教我做人，雖歷時(shí)四載，卻給以終生受益無(wú)窮之道。對(duì)xx老師的感激之情是無(wú)法用言語(yǔ)表達(dá)的。感謝xx老師等對(duì)我的教育培養(yǎng)。他們細(xì)心指導(dǎo)我的學(xué)習(xí)與研究，在此，我要向諸位老師深深地鞠上一躬。這片論文的每個(gè)實(shí)驗(yàn)細(xì)節(jié)和每個(gè)數(shù)據(jù)，都離不開(kāi)你的細(xì)心指導(dǎo)。而你開(kāi)朗的個(gè)性和寬容的態(tài)度，幫助我能夠很快的融入我們這個(gè)新的實(shí)驗(yàn)室。
感謝我的室友們，我們一起從校園來(lái)到這個(gè)遙遠(yuǎn)而又陌生的城市里，是你們和我共同維系著彼此之間兄弟般的感情，維系著寢室那份家的融洽。
感謝我的爸爸媽媽，焉得諼草，言樹(shù)之背，養(yǎng)育之恩，無(wú)以回報(bào)，你們永遠(yuǎn)健康快樂(lè)是我最大的心愿。
在論文即將完成之際，我的心情無(wú)法平靜，從開(kāi)始進(jìn)入課題到論文的順利完成，有多少可敬的師長(zhǎng)、同學(xué)、朋友給了我無(wú)言的幫助，在這里請(qǐng)接受我誠(chéng)摯的謝意！
附錄A1
液力傳動(dòng)鉆機(jī)驅(qū)動(dòng)分析
[摘要]液力傳動(dòng)鉆機(jī)采用液力機(jī)械變速箱, 傳動(dòng),以適應(yīng)變化的負(fù)載能力,可實(shí)現(xiàn)連續(xù)可變扭矩和反轉(zhuǎn)制動(dòng)。 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明,鉆機(jī)功率利用率,高吊裝速度; 相反的制動(dòng)性能,減少剎車帶負(fù)荷; 時(shí)刻變化的特點(diǎn),加強(qiáng)事件處理能力。 通過(guò)變矩器驅(qū)動(dòng)鉆井泵可同時(shí)保護(hù)原動(dòng)機(jī)和工作; 保持額定轉(zhuǎn)速柴油機(jī)的條件下,泵壓可以控制整個(gè)過(guò)程。熱反應(yīng),倒擋離合器和過(guò)濾器等方面暴露的問(wèn)題提出了改進(jìn)。
使用了2000米深的鉆井液力傳動(dòng)鉆機(jī)。臺(tái)鉆機(jī)部分由美國(guó)紐約內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)和英國(guó)石油廠研制的電源設(shè)備,傳輸設(shè)備和系統(tǒng)平臺(tái)。目前,已通過(guò)測(cè)試,并使用這種鉆機(jī)表現(xiàn)出了良好的性能, 特別是在電力驅(qū)動(dòng)時(shí)更加突出的特點(diǎn),但也暴露出一些問(wèn)題。據(jù)筆者驅(qū)動(dòng)程式和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果,分析了驅(qū)動(dòng)鉆機(jī)的特點(diǎn), 并針對(duì)這些問(wèn)題提出改進(jìn)意見(jiàn)。
驅(qū)動(dòng)程序
目前, 使用中型鉆機(jī)(可鉆深1500 ~2500 )用交流電動(dòng)機(jī)或柴油機(jī)為原動(dòng)機(jī)由一個(gè)單獨(dú)變速機(jī)械變速箱,而撥號(hào)驅(qū)動(dòng)絞車。鉆井泵用的是單發(fā)動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)。鉆機(jī)液壓傳動(dòng)普通機(jī)械變速箱設(shè)定變矩器，液壓機(jī)械傳動(dòng)耦合于一體的液壓機(jī)械變速箱,鉆井泵是通過(guò)驅(qū)動(dòng)的變矩器。巖芯組成的液壓變速箱, 這是一個(gè)類似加拿大鉀650鉆機(jī)和美國(guó)威爾遜鉆機(jī)65B。對(duì)艾里遜變速箱, 其結(jié)構(gòu)及工作原理如圖1 。
圖1液壓變速箱圖
1激活液力變矩器; 2-泵; 3,6-泵; 4輸入軸; 5反向齒輪摩擦離合器; 7冷卻風(fēng)扇; 8塊高速耦合; 9 -輸出軸; 10 , 中速座液力偶合器
液壓變速箱有3座水力機(jī)械及反向
收藏