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iSemi automatic control system for hydraulic shovel 液 壓 挖 掘 機(jī) 的 半 自 動 控 制 系 統(tǒng) 液 壓 挖掘 機(jī)的半 自 動控 制系統(tǒng) Hirokazu Araya Masayuki Kagoshima 日本機(jī)械工程研究實(shí)驗(yàn)室 Kobe Steel Ltd Nishi ku Kobe Hyogo 651 2271 摘 要 開發(fā)出了一種應(yīng)用于液壓挖掘機(jī)的半自動控制系統(tǒng) 采用該系統(tǒng) 即使是不熟練的操作者也能容易 和精確地操控液壓挖掘機(jī) 構(gòu)造出了具有控制器 的液壓挖掘機(jī)的精確數(shù)學(xué)控制模型 同時(shí) 通過模擬 實(shí)驗(yàn)研發(fā)出了其控制算法 并將 其應(yīng)用在液壓挖掘機(jī)上 由 此可以估算出它的工作效率 依照 此 法 可通過正反饋及前饋控制 非線性補(bǔ)償 狀態(tài)反饋和增益調(diào)度等各種手段獲得較高的控制精度和穩(wěn) 定性能 自然雜志 2001 版權(quán)所有 關(guān)鍵詞 施工機(jī)械 液壓挖掘機(jī) 前饋 狀態(tài)反饋 操作 1 引 言 液壓挖掘機(jī) 被稱為大型鉸接式機(jī)器人 是一種施工機(jī)械 采用這種機(jī)器進(jìn)行挖掘和裝載 操作 要求司機(jī)要具備高水平的操作技能 即便是熟練的 司機(jī)也會產(chǎn)生相當(dāng)大的疲勞 另一方面 隨著操作者年齡增大 熟練 司機(jī)的數(shù)量因而也將會減少 開 發(fā)出一種 讓任何人都能容易操控的液壓挖掘機(jī) 就非常必要了 1 5 液壓挖掘機(jī)之所以要求較高的操作技能 其理由如下 1 液壓挖掘機(jī)的 操作 至少有兩個(gè)操作手柄必須同時(shí)操作并且要協(xié)調(diào)好 2 操作手柄的動 作方向與其所控的臂桿組件的運(yùn)動方向不同 例如 液壓挖掘機(jī)的反鏟水平動作 必須同時(shí)操控三個(gè)操作手柄 動臂 斗柄 鏟 斗 使鏟斗的頂部沿著水平面 圖 1 運(yùn)動 在這種 情況下 操作手柄的操作表明了執(zhí)行元件的動作方向 但是這種方向與工作方向不同 如果司機(jī)只 要操控一個(gè)操作桿 而其它自由桿臂自動的隨動動作 操作就變得非常簡單 這就是所謂的半自動 控制系統(tǒng) 開發(fā)這種半自動控制系統(tǒng) 必須解決以下兩個(gè)技術(shù)難題 1 自動控制系 統(tǒng)必須采用普通的控制閥 2 液壓挖掘機(jī) 必須補(bǔ)償其動態(tài)特性以提高其控制精度 現(xiàn)已經(jīng)研發(fā)一種控制算法系統(tǒng)來解決這些 技術(shù)問題 通過在實(shí)際的液壓挖掘機(jī)上試驗(yàn)證實(shí)了該控制算法的作用 而且我們已采用這種控制算 法 設(shè)計(jì)出了液壓挖掘機(jī)的半自動控制系統(tǒng) 具體闡述如下 2 液壓挖掘機(jī)的模型 為了研究液壓挖掘機(jī)的控制算法 必須分析 液壓挖掘機(jī)的數(shù)學(xué)模型 液壓挖掘機(jī)的動臂 斗柄 鏟斗 都是由液壓力驅(qū)動 其模型如圖 2 所示 模型 的具體描述如下 2 1 動態(tài)模型 6 假定每一臂桿組件都是剛體 由拉格朗日運(yùn)動方程可得以下表達(dá)式 其中 g 是重力加速度 i 鉸接點(diǎn)角度 i 是提供的扭矩 li 組件的長度 lgi 轉(zhuǎn)軸中心到重心之 距 m i 組件 的質(zhì)量 Ii 是重心處的轉(zhuǎn)動慣量 下標(biāo) i 1 3 依次表示動臂 斗柄 鏟斗 2 2 挖掘機(jī)模型 每一臂桿組件都是由液壓缸驅(qū)動 液壓缸的流量是滑閥控制的 如圖 3 所示 可作如下假設(shè) 1 液壓閥的開度 與閥芯的位移成比例 2 系統(tǒng)無液壓油 泄漏 3 液壓油流經(jīng)液 壓管道時(shí)無壓力損失 4 液壓缸的頂部 與桿的兩側(cè)同樣都是有效區(qū)域 在這個(gè)問題上 對于每一臂桿組件 從液壓缸的 壓力流量特性可得出以下方程 其中 Ai 是液壓缸的有效橫截面積 hi 是液壓缸的長度 Xi 是滑芯的位置 Psi 是供給壓 力 P1i 是液壓缸的頂邊壓力 P2i 是液壓缸 的桿邊壓力 Vi 是在液壓缸和管道的油量 Bi 是滑閥的寬度 是油的密度 K 是油分子 的黏度 c 是流量系數(shù) 2 3 連桿關(guān)系 在圖 1 所示模 型中 液壓缸長度改變率與桿臂的旋轉(zhuǎn)角速度的關(guān)系如下 1 動臂 2 斗柄 3 鏟斗 當(dāng) 時(shí) 2 4 扭矩關(guān)系 從 2 3 節(jié)的連桿關(guān)系可知 考慮到液壓缸的摩擦力 提供的扭矩 i 如下 其中 Cci 是粘滯摩擦系數(shù) Fi 是液壓缸的動摩擦力 2 5 滑閥的反應(yīng) 特性 滑閥動作對液壓挖掘機(jī)的控制特性產(chǎn)生會很大的影響 因而 假定滑閥相對 參考輸入有以下的一階延遲 其中 是滑芯位移的參考輸入 是時(shí)間常數(shù) 3 角度控制系統(tǒng) 如圖 4 所示 角基本上由隨動參考輸入角 通過位置反饋 來控制 為了獲得更精確的控制 非線性補(bǔ)償和狀態(tài)反饋均加入位置反饋中 以下詳細(xì) 討論其控制算法 3 1 非線性補(bǔ)償 在普通的自動控制系統(tǒng)中 常使用如伺服閥這一類新的控制裝置 在半自動控制系統(tǒng)中 為了實(shí)現(xiàn)自 控與手控的協(xié)調(diào) 必須使用手動的主控閥 這 一類閥中 閥芯的位移與閥的開度是非線性的關(guān)系 因此 自動控制操作中 利用這種關(guān)系 閥芯位 移可由所要求的閥的開度反推出來 同時(shí) 非 線性是可以補(bǔ)償?shù)?圖 5 3 2 狀態(tài)反饋 建立在第 2 節(jié) 所討論的模型的基礎(chǔ)上 若動臂角度控制動態(tài)特性以一定的標(biāo)準(zhǔn)位置逼近而線性化 滑芯位移 X 10 液壓缸壓力差 P 110 動 臂夾 角 10 則該閉環(huán)傳遞函數(shù)為 其中 Kp 是位 置反饋增益系數(shù) 由于系統(tǒng)有較小的系數(shù)a1 所 以反應(yīng)是不穩(wěn)定的 例如 大型液壓挖掘機(jī)SK 16 中 X10 是 0 給出 的系數(shù)a0 2 7 10 a1 6 0 10 a2 1 2 10 加上加速度 反饋放大系數(shù)Ka 因而閉環(huán) 圖 4 的上環(huán) 的傳遞函數(shù)就是 加入這個(gè)因素 系數(shù)S 就變大 系統(tǒng)趨于穩(wěn)定 可見 利用加速度反饋來提高反應(yīng)特性效果明顯 但是 一般很難精確的測出加速度 為了避免這個(gè)問題 改用液壓缸力反饋取代加速度反饋 圖 4 的下環(huán) 于是 液壓缸力由測出的缸內(nèi)的壓力 計(jì)算而濾掉其低頻部分 7 8 這就是所謂的壓力反 饋 4 伺服控制系統(tǒng) 當(dāng)一聯(lián)軸器是手動操控 而其它的聯(lián)軸器是因此而被隨動作控制時(shí) 這必須使用伺服控制系統(tǒng) 例如 如圖 6 所示 在反鏟水平動作控制中 動 臂 的控制是通過保持斗柄底部 Z 由 1 與 2 計(jì)算所 得 與 Zr 的高度 為了獲得更精確的控制引入以下控制系統(tǒng) 4 1 前饋控制 由圖 1 計(jì)算 Z 可以得到 將方程 8 兩邊對時(shí)間求導(dǎo) 得到以下關(guān)系式 右邊第一個(gè)式子看作是表達(dá)式 反饋部分 將 替換成 1 右邊第二個(gè)式子是表達(dá)式 前饋部 分 計(jì)算當(dāng) 2 手動地改變時(shí) 1 的改變量 實(shí)際上 用不同的 2 值可確定 1 通過調(diào)整改變前饋增益 Kff 可實(shí) 現(xiàn)最佳的前饋率 采用 測量斗柄操作手柄的位置 如角度 取代測斗柄的角速度 因?yàn)轵?qū)動斗柄的角速度與操作手柄的位置 近似成比例 4 2 根據(jù)位置自 適應(yīng)增益調(diào)度 類似液壓挖掘機(jī)的鉸接式機(jī)器人 其動態(tài)特性對位置非常敏感 因此 要在所有位置以恒定的增益穩(wěn) 定的控制機(jī)器是困難的 為了解決這個(gè)難題 根據(jù)位置的自適應(yīng)增益調(diào)度并入反饋環(huán)中 圖 6 如 圖 7 所示 自 適應(yīng)放大系數(shù) KZ 或 K 作為函數(shù)的兩個(gè)變量 2 和 Z 2 表示斗柄 的 伸長量 Z 是表示鏟斗的高度 5 模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)論 反鏟水平動作控制的模擬實(shí)驗(yàn)是將本文第 4 節(jié)所描述的控制算法用在本文第 2 節(jié)所討 論的液壓挖掘 機(jī)的模型上 在 SK 16 大型 液壓挖掘機(jī)進(jìn)行模 擬實(shí)驗(yàn) 圖 8 表示其中一組結(jié)果 控制系統(tǒng)啟動 5 秒以 后 逐步加載擾動 圖 9 表 示使用前饋控制能減少控制錯(cuò)誤的產(chǎn)生 6 半自動控制系統(tǒng) 建立在模擬實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上 半自動控制系統(tǒng)已制造出來 應(yīng)用在 SK 16 型挖掘機(jī)上試驗(yàn) 通過現(xiàn)場 試驗(yàn)可驗(yàn)證其操作性 這一節(jié)將討論該控制系 統(tǒng) 的結(jié)構(gòu)與功能 6 1 結(jié)構(gòu) 圖 10 的例子中 控制系統(tǒng)由控制器 傳感器 人機(jī)接口和液壓系統(tǒng)組成 控制器是采用 16 位的微處理器 能接收來自動臂 斗柄 鏟斗傳感器的角度輸入信號 控制每一 操作手柄的位置 選擇相應(yīng)的控制模式和計(jì)算其 實(shí)際改變量 將來自放大器的信號以電信號形式輸出結(jié)果 液壓控制系統(tǒng)控制產(chǎn)生的液壓力與電磁比 例閥的電信號成比例 主控閥的滑芯的位置控 制流入液壓缸液壓油的流量 為獲得高速度 高精度控制 在控制器上采用數(shù)字處理芯片 傳感器上使用高分辨率的磁編碼器 除 此之外 在每一液壓缸上安裝壓力傳感器以便 獲得壓力反饋信號 以上處理后的數(shù)據(jù)都存在存儲器上 可以從通信端口中讀出 6 2 控制功能 控制系統(tǒng)有三種控制模式 能根據(jù)操作桿 和選擇開關(guān)自動切換 其具體功能如下 1 反鏟水平動作模式 用水平反鏟切換開關(guān) 在手控斗柄推動操作中 系統(tǒng)自動的控制斗柄以及 保持斗柄底部的水平運(yùn)動 在這種情況下 當(dāng) 斗柄操作桿開始操控時(shí) 其參考位置是從地面到斗柄 底部的高度 對動臂操作桿的手控操作能暫時(shí)中斷自動控制 因?yàn)槭挚夭僮鞯膬?yōu)先級高于自動 控制 2 鏟斗水平舉升模式 用鏟斗水平舉升切換開關(guān) 在手控動臂舉升操作中 系統(tǒng)自動控制鏟斗 保持鏟斗角度等于其剛開始舉升時(shí)角度以阻止 原材料從鏟斗中泄漏 3 手控操作模式 當(dāng)既沒有選擇反鏟水平動作模式 也沒有選擇鏟斗水平舉升模式時(shí) 動臂 斗 柄 鏟斗都只能通過手動操作 系統(tǒng)主要采用 C 語言編程來 實(shí)現(xiàn)這些功能 以構(gòu)建穩(wěn)定模組提高 系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性 7 現(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)果與分析 通過對系統(tǒng)進(jìn)行現(xiàn)場試驗(yàn) 證實(shí)該系統(tǒng)能準(zhǔn)確工作 核實(shí)本文第 3 4 節(jié)所闡述的控制算法的作用 如下所述 7 1 單個(gè)組件的 自動控制測試 對于動臂 斗柄 鏟斗每一組件 以 5 的 梯度從最初始值開始改變其參考角度值 測量其反應(yīng) 從 而確定第 3 節(jié)所描述的控制算法的作用 7 1 1 非線性補(bǔ) 償?shù)淖饔?圖 11 表明動臂下降時(shí)的測試結(jié)果 因?yàn)殡娨合到y(tǒng)存在不靈敏區(qū) 當(dāng)只有簡單的位置反饋而無補(bǔ)償 時(shí) 圖 11 中的 關(guān) 穩(wěn)態(tài)錯(cuò)誤仍然存在 加入非 線性補(bǔ)償后 圖 11 中的開 能減少這種錯(cuò)誤的產(chǎn) 生 7 1 2 狀態(tài)反饋 控制的作用 對于斗柄和鏟斗 只需位置反饋就可獲得穩(wěn)定響應(yīng) 但是增加加速度或壓力反饋能提高響應(yīng)速度 以動臂為例 僅只有位置反饋時(shí) 響應(yīng)趨向不穩(wěn) 定 加入加速度或壓力反饋后 響應(yīng)的穩(wěn)定性得到改進(jìn) 例如 圖 12 表示動臂下降時(shí) 采用壓力 反饋補(bǔ)償時(shí)的測試結(jié)果 7 2 反鏟水平控 制測試 在不同的控制和操作位置下進(jìn)行控制測驗(yàn) 觀察其控制特性 同時(shí)確定最優(yōu)控制參數(shù) 如圖 6 所 示的控制放大系數(shù) 7 2 1 前饋控制 作用 在只有位置反饋的情況下 增大放大系數(shù) Kp 減少 Z 錯(cuò)誤 引起系統(tǒng)不穩(wěn)定 導(dǎo)致系統(tǒng)延 時(shí) 例如圖 13 所示 的 關(guān) 也就是 Kp 不能減 小 采 用第 4 1 節(jié)所描述的斗柄臂桿前饋控制能 減少錯(cuò)誤而不致于增大 Kp 如 圖示的 開 7 2 2 位置的補(bǔ) 償作用 當(dāng)反鏟處在上升位置或者反鏟動作完成時(shí) 反鏟水平動作趨于不穩(wěn)定 不穩(wěn)定振蕩可根據(jù)其位 置改變放大系數(shù) Kp 來消除 如 第 4 2 節(jié)所討論的 圖 14 表示其作用 表明反鏟在離地大約 2 米時(shí)水平動作結(jié)果 與不裝補(bǔ)償裝置的情況相比較 圖中的關(guān)表示不裝時(shí) 開的情況具有補(bǔ)償提供穩(wěn)定 響應(yīng) 7 2 3 控制間隔 的作用 關(guān)于控制操作的控制間隔的作用 研究結(jié)果如下 1 當(dāng)控制間隔設(shè) 置在超過 100ms 時(shí) 不穩(wěn)定振 蕩因運(yùn)動的慣性隨位置而加劇 2 當(dāng)控制間隔低 于 50ms 時(shí) 其 控制操作不能作如此大提高 因此 考慮到計(jì)算精度 控制系統(tǒng)選 定控制間隔為 50ms 7 2 4 受載作用 利用控制系統(tǒng) 使液壓挖掘機(jī)執(zhí)行實(shí)際挖掘動作 以研究其受載時(shí)的影響 在控 制精度方面沒有發(fā)現(xiàn)與不加載荷時(shí)有很大的不同 8 結(jié)論 本文表明狀態(tài)反饋與前饋控制組合 使精確控制液壓挖掘機(jī)成為可能 同時(shí)也證實(shí)了非線性補(bǔ)償能使 普通控制閥應(yīng)用在自動控制系統(tǒng)中 因而應(yīng)用 這些控制技術(shù) 允許即使是不熟練的司機(jī)也能容易和 精確地操控液壓挖掘機(jī) 將這些控制技術(shù)應(yīng)用在其它結(jié)構(gòu)的機(jī)器上 如履帶式起重機(jī) 能使普通結(jié)構(gòu)的機(jī)器改進(jìn)成為可讓任 何人容易操控的機(jī)器 參考文獻(xiàn) 1 J Chiba T Takeda Automatic control in construction machines Journal of SICE 21 8 1982 40 46 2 H Nakamura A Matsuzaki Automation in construction machinery Hitachi Review 57 3 1975 55 62 3 T Nakano et al Development of large hydraulic excavator Mitsubishi Heavy Industries Technical Review 22 2 1985 42 51 4 T Morita Y Sakawa Modeling and control of power shovel Transactions of SICE 22 1 1986 69 75 5 H Araya et al Automatic control system for hydraulic excavator R D Kobe Steel Engineering Reports 37 2 1987 74 78 6 P K Vaha M J Skibniewski Dynamic model of excavator Journal of Aerospace Engineering 6 2 1990 April 7 H Hanafusa Design of electro hydraulic servo system for articulated robot Journal of the Japan Hydraulics and Pneumatics Society 13 7 1982 1 8 8 H B Kuntze et al On the model based control of a hydraulic large range robot IFAC Robot Control 1991 207 212 外 文 翻 譯 專 業(yè) 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動化 學(xué) 生 姓 名 張 興 班 級 B 機(jī)制 051 學(xué) 號 0 5 1 0 1 1 0 1 1 8 指 導(dǎo) 教 師 朱 效 波 文 獻(xiàn) 資 料 專 業(yè) 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動化 學(xué) 生 姓 名 張 興 班 級 B 機(jī)制 051 學(xué) 號 0510110118 指 導(dǎo) 教 師 朱 效 波 文 獻(xiàn) 資 料 1 趙佩鳳 王道順 箱體件定位銷孔的加工方法 J 組合機(jī)床與自動化加工 技術(shù) 2004 11 84 88 2 何振俊 大尺寸薄壁鑄件切削加工組合機(jī)床設(shè)計(jì) 鑄造技術(shù) 2006 3 王宏 余淑榮 吳明亮 組合機(jī)床鏜模及托架的改進(jìn) J 組合機(jī)床與自動 化加工技術(shù) 2001 11 52 53 4 安平 周桂蘭 陳國衡 等 專用內(nèi)孔鏜夾具的研制 J 制造技術(shù)與機(jī)床 2003 12 47 48 5 呂相宏 氣缸套精鏜內(nèi)孔的活動定心夾具 J 內(nèi)燃機(jī)配件 2004 4 47 48 6 唐中燕 組合機(jī)床自動控制 PLC 程序設(shè)計(jì)實(shí)例 機(jī)床電器 2006 7 葉道軍 組合機(jī)床在裝載機(jī)結(jié)構(gòu)件加工的應(yīng)用 制造工程設(shè)計(jì) 2008 8 張銀保 立式軸承座鉆孔組合機(jī)床設(shè)計(jì) 湖北工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào) 2005 9 趙洪志 楊剛 球頭碗球面加工組合機(jī)床設(shè)計(jì) 工藝與裝備 2007 12 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 任 務(wù) 書 課題 雙孔支架鏜鉸組合機(jī)床總體及夾具設(shè)計(jì) 專 業(yè) 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動化 學(xué) 生 姓 名 張 興 班 級 B 機(jī)制 051 學(xué) 號 0510110118 指 導(dǎo) 教 師 朱 效 波 專 業(yè) 系 主 任 劉 道 標(biāo) 發(fā) 放 日 期 2009 年 2 月 26 日 1 一 設(shè)計(jì)內(nèi)容 課題來源于鹽城寶利來精密機(jī)械制造有限公司 對雙孔支架鏜鉸組合機(jī)床總體設(shè)計(jì) 制定工藝方案 確定機(jī)床配置型式及結(jié)構(gòu)方 案 三圖一卡設(shè)計(jì) 對雙孔支架零件鏜鉸孔加工組合機(jī)床夾具設(shè)計(jì) 確定定位夾緊方案 設(shè)計(jì)定位元 件 夾緊裝置 要求保證孔的尺寸精度和孔的粗糙度要求 設(shè)計(jì)一副兩件雙面加工鏜 鉸夾具 要求定位合理 裝夾可靠 方便 二 設(shè)計(jì)依據(jù) 雙孔支架零件鏜鉸機(jī)床夾具設(shè)計(jì) 需要解決的問題主要有 限制零件的自由度 確保定位可靠 保證零件的定位精度 設(shè)計(jì)動力驅(qū)動系統(tǒng)的夾緊機(jī)構(gòu) 確定構(gòu)件的結(jié) 構(gòu)合理裝卸方便 能有效地提高生產(chǎn)效率 并對夾緊裝置進(jìn)行剛度校核等 三 技術(shù)要求 1 應(yīng)能滿足加工要求 保證加工精度 2 機(jī)床應(yīng)運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn) 工作可靠 結(jié)構(gòu)簡單 3 裝卸方便 便于維修 調(diào)整 4 盡量使用通用件 以便降低制造成本 2 四 畢業(yè)設(shè)計(jì)物化成果的具體內(nèi)容及要求 1 設(shè)計(jì)說明書 1 份 達(dá) 1 萬字以上 且要符合規(guī)范要求 2 設(shè)計(jì)圖樣全部用 AutoCAD 繪制 總的繪圖量達(dá) 3 張 A0 以上 手工繪圖一張 3 具體設(shè)計(jì)的圖樣有 機(jī)床夾具裝配總圖 夾具體圖以及主要零件圖 4 有關(guān)計(jì)算 校核 3 五 畢業(yè)設(shè)計(jì)進(jìn)度計(jì)劃 起訖日期 工作內(nèi)容 備 注 3 月 8 日 3 月 9 日 布置任務(wù) 3 月 10 日 3 月 22 日 調(diào)查研究 畢業(yè)實(shí)習(xí) 3 月 23 日 4 月 5 日 方案論證 總體設(shè)計(jì) 4 月 6 日 4 月 19 日 技術(shù)設(shè)計(jì) 部件設(shè)計(jì) 4 月 20 日 5 月 14 日 工作設(shè)計(jì) 零件設(shè)計(jì) 5 月 15 日 5 月 31 日 撰寫畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 6 月 1 日 6 月 4 日 畢業(yè)設(shè)計(jì)預(yù)答辯 6 月 5 日 6 月 12 日 修改資料 6 月 13 日 6 月 15 日 評閱材料 6 月 16 日 6 月 18 日 畢業(yè)答辯 4 六 主要參考文獻(xiàn) 1 大連組合機(jī)床研究所 組合機(jī)床設(shè)計(jì)第一冊 M 北京 機(jī)械工業(yè)出版社 1975 2 金振華 組合機(jī)床及其調(diào)整與使用 M 北京 機(jī)械工業(yè)出版社 1990 3 徐英南 組合機(jī)床及其自動線的使用與調(diào)整 M 北京 勞動人事出版社 1987 4 大連組合機(jī)床研究所 機(jī)械工程手冊第 62 篇 M 北京 機(jī)械工業(yè)出版社 1980 5 孟少農(nóng) 機(jī)械加工工藝手冊第 3 卷 M 北京 機(jī)械工業(yè)出版社 1992 6 范國清 組合機(jī)床通用部件專輯 M 大連 大連組合機(jī)床研究所 7 沈陽工學(xué)院 組合機(jī)床設(shè)計(jì) M 上海 上?？萍汲霭嫔?1985 8 大連組合機(jī)床研究所 組合機(jī)床 M 1980 年 1986 年 組合機(jī)床與自動化 加工技術(shù) 1987 1992 9 黃鶴汀 金屬切削機(jī)床設(shè)計(jì) M 上海 上海科技文獻(xiàn)出版社 1986 10 顧維邦 金屬切削機(jī)床 下冊 M 北京 機(jī)械工業(yè)出版社 1984 11 李天無 簡明機(jī)械工程師手冊 上冊 M 昆明 云南科技出版社 1988 12 李鐵堯 金屬切削機(jī)床 M 北京 機(jī)械工業(yè)出版社 1990 13 黃少昌 計(jì)算機(jī)輔助機(jī)械設(shè)計(jì)技術(shù)基礎(chǔ) M 清華大學(xué)出版社 1988 14 王隆太 基于 PC 微機(jī)對多軸箱輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng) BOXCAD 的開發(fā)研究 M 機(jī) 床 1990 15 李元奇 計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)多孔鉆主軸箱 M 機(jī)械工業(yè)自動化 1983 4 16 姚永明 非標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備設(shè)計(jì) M 上海 上海交通大學(xué)出版社 1999 七 其他 畢 業(yè) 實(shí) 習(xí) 報(bào) 告 專 業(yè) 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動化 學(xué) 生 姓 名 張 興 班 級 B 機(jī) 制 051 學(xué) 號 0510110118 指 導(dǎo) 教 師 朱 效 波 日 期 2009 年 3 月 14 日 實(shí)習(xí)報(bào)告 經(jīng)過大學(xué)近四年的學(xué)習(xí) 我們即將畢業(yè) 為了完成好畢業(yè)設(shè)計(jì) 同時(shí)將自 己所學(xué)的知識用于實(shí)戰(zhàn) 鞏固加深對專業(yè)技能的理解和使用 提高獨(dú)立處理問 題的能力 也是為了對于即將到來的工作做好準(zhǔn)備 我們進(jìn)行了最后一次實(shí)習(xí) 三月三日 已經(jīng)比預(yù)定的時(shí)間晚了一天 終于聯(lián)系到了一家齒輪廠同意我 們?nèi)?shí)習(xí) 這真是一次難得的機(jī)會 因?yàn)閾?dān)心實(shí)習(xí)期的安全 還有其他一些方 面的原因 現(xiàn)在的工廠已不愿為大學(xué)生提供實(shí)習(xí)的崗位了 所以我們都很高心 能得到這樣的機(jī)會 而且實(shí)習(xí)的內(nèi)容也許會對畢業(yè)設(shè)計(jì)有一些幫助和啟發(fā) 這 更使得我們不敢掉以輕心 實(shí)習(xí)單位 江蘇馳翔精密齒輪有限公司創(chuàng)建于 2002 年 4 月 位于鹽城市鹽都區(qū) 是鹽城 市規(guī)模最大的精密齒輪專業(yè)生產(chǎn)廠家 公司現(xiàn)有員工 260 余人 總資產(chǎn) 6000 萬 元 長期從事各類硬齒面 高精度齒輪的研發(fā) 制造 銷售 現(xiàn)已具備年產(chǎn)各 汽車油泵齒輪 150 萬件 紡機(jī)齒輪 80 萬件 工程機(jī)械 各類齒輪箱齒輪 30 萬 件的生產(chǎn)能力 公司生產(chǎn)的 馳翔 牌系列齒輪為 五高產(chǎn)品 即 高硬度 高強(qiáng)度 高 精度 高技術(shù)含量 高性價(jià)比 產(chǎn)品達(dá)到國內(nèi)先進(jìn)水平 公司生產(chǎn)的 馳翔 牌系列機(jī)油泵齒輪 于 2005 年通過了 ISO TS16949 國 際質(zhì)量體系認(rèn)證 被認(rèn)定為江蘇省高新技術(shù)產(chǎn)品 獲得技術(shù)專利 6 項(xiàng) 公司通 過了 ISO14001 國際環(huán)境體系認(rèn)證 公司生產(chǎn)的 馳翔 牌系列齒輪產(chǎn)品具有配套層次高 產(chǎn)品精度高 技術(shù) 含量高的要求 配套于世界 500 強(qiáng)企業(yè)美國康明斯公司 美國卡特彼勒工程機(jī) 械公司 意大利馬佐里紡機(jī)公司 德國采埃孚公司及學(xué)常州國茂國泰減速機(jī)集 團(tuán)公司 上海大眾液壓公司等國內(nèi)外大型企業(yè) 實(shí)習(xí)過程及內(nèi)容 到達(dá)工廠之后 廠里安排了一位工程師給我們做向?qū)?參觀了工廠的布局 各種各樣的機(jī)床和生產(chǎn)線有序的坐落在通道兩側(cè) 通過向?qū)У慕榻B我們大概的 了解了下設(shè)備的組成 JD45 型 JD32 型齒輪檢測中心和種類型號的數(shù)控磨齒機(jī) 16 臺 日本豐東 C N 共滲多用爐 2 1 1 生產(chǎn)線 2 條及其他輔助設(shè)備 這些 設(shè)備從硬件上不斷滿足 18 至 1500 的各種圓柱齒輪加工質(zhì)量和工藝的要求 在對設(shè)備和場地進(jìn)行了觀摩之后 我們被安排進(jìn)入工廠的技術(shù)樓 在一個(gè)只有 260 余人的工廠里搞技術(shù)開發(fā)的占到了盡 20 人 這很令我吃驚 想不到小小的 齒輪需要如此之多的投入 很快我的想法將被證實(shí)是多么的無知 在我們對資 料室里如此眾多的設(shè)計(jì)圖紙感到震驚的時(shí)候 先前的那位工程師拿來了一些工 廠的樣品 我得承認(rèn)關(guān)于齒輪的傳統(tǒng)印象嚴(yán)重的影響了我的思維 經(jīng)過這么多 年的發(fā)展 齒輪的造型早已不像教科書上的那般單調(diào)了 它們整齊的擺放在辦 公桌上 像極了一件件的藝術(shù)品 公司的主要產(chǎn)品 美國卡特彼勒工程機(jī)械系列齒輪 Gears series for USA Caterpillar Construction Machinery 美國卡特彼勒工程機(jī)械系列齒輪 Gears series for USA Caterpillar Construction Machinery 美國卡特彼勒工程機(jī)械系列齒輪 Gears series for USA Caterpillar Construction Machinery 美國康明斯齒輪 USA Cummins engine oil pump gears 工程機(jī)械齒輪 Gears for Construction machinery 斯太爾機(jī)油泵齒輪 Steyr automobile engine oil pump gears 分析 在工作人員的幫助下我們拿到了一些工藝書籍和設(shè)計(jì)資料 了解和整理了 下齒輪加工 檢驗(yàn) 包裝及存儲方面的知識 1 齒輪加工機(jī)床 齒輪加工機(jī)床系指用齒輪切削工具加工齒輪齒面或齒條齒面的機(jī)床及其配 套輔機(jī) 齒輪機(jī)床按加工原理分為兩類 仿形法和范成法 或稱展成法 仿形 法是用刀具的刀刃形狀來保證齒輪齒形的準(zhǔn)確性 用單分齒來保證分齒的均勻 范成法是按照齒輪嚙合原理進(jìn)行加工 假想刀具為齒輪的牙形 它在切削被加 工齒輪時(shí)好似一對齒輪嚙合傳動 被加工齒輪就是在類似嚙合傳動的過程中被 范成成形的 范成法具有加工精度高 粗糙度值低 生產(chǎn)率高等特點(diǎn) 因而得 到廣泛應(yīng)用 范成法按其加工方法和加工對象分為 1 插齒機(jī) 多用于粗 精加工內(nèi)外嚙合的直齒圓柱齒輪 特別適用于雙聯(lián) 多聯(lián)齒輪 當(dāng)機(jī)床上裝有專用裝置后 可以加工斜齒圓柱齒輪及齒條 2 滾齒機(jī) 可進(jìn)行滾銑圓柱直齒輪 斜齒輪 蝸輪及花鍵軸等加工 3 剃齒機(jī) 按螺旋齒輪嚙合原理用剃齒刀帶動工件 或工件帶動刀具 旋轉(zhuǎn) 剃削圓柱齒輪齒面的齒輪再加工機(jī)床 4 刨齒機(jī) 用于外嚙合直齒錐齒輪加工 5 銑齒機(jī) 用于加工正交 非正交 軸交角不等于 90 的弧齒錐齒輪 雙 曲線錐齒輪加工 6 磨齒機(jī) 用于熱處理后各種高精度齒輪再加工 此外花鍵 花鍵軸銑床也屬于齒輪加工機(jī)床范疇 2 檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn) 齒輪加工機(jī)床主要采用國家標(biāo)準(zhǔn) 行業(yè)標(biāo)準(zhǔn) 個(gè)別產(chǎn)品尚有企業(yè)標(biāo)準(zhǔn) 國 家標(biāo)準(zhǔn)均等效目前國際標(biāo)準(zhǔn)或工業(yè)先進(jìn)國家標(biāo)準(zhǔn) 此外尚有 50 多個(gè)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn) 所有產(chǎn)品均有質(zhì)量分等標(biāo)準(zhǔn) 出口產(chǎn)品不得低于一等品 主機(jī)的專業(yè)標(biāo)準(zhǔn)有 GB4686 84 插齒機(jī)精度 JB T54458 94 插齒機(jī)產(chǎn)品質(zhì)量分等 JB5571 91 齒條插齒機(jī)精度 JB T6343 92 齒條插齒機(jī)技術(shù)條件 JB T6606 93 高速插齒機(jī)技術(shù)條件 JB T6344 92 滾齒機(jī)技術(shù)條件 JB T54505 94 精密滾齒機(jī)質(zhì)量分等規(guī)定 JB T6345 92 重型滾齒機(jī)技術(shù)條件 JB T5570 91 臥式滾齒機(jī)精度 JB T54457 94 直齒錐齒輪刨齒機(jī)產(chǎn)品質(zhì)量 分等 JB T54011 93 直齒錐齒輪拉齒機(jī)技術(shù)條件 JB2267 86 弧齒錐齒輪 銑齒機(jī)精度 JB3991 85 錐形砂輪磨齒機(jī)精度 JBn3989 85 漸開線圓柱齒 輪磨齒機(jī)制造驗(yàn)收技術(shù)要求 ZBJ56007 88 齒輪導(dǎo)角機(jī)精度 等 3 檢驗(yàn)項(xiàng)目 檢驗(yàn)時(shí)除按相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和產(chǎn)品技術(shù)條件要求檢查外 主要進(jìn)行精度和性能檢 驗(yàn) 各類齒輪加工機(jī)床的精度 檢驗(yàn)項(xiàng)目均在 10 項(xiàng)以上 1 幾何精度 包括安裝加工件的主軸 心軸 及工作臺等項(xiàng)的有關(guān)精度 安 裝刀具的主軸 心軸 及刀架等項(xiàng)的有關(guān)精度 以及兩者間的相關(guān)和相互位置精 度 2 傳動精度 包括長周期誤差和短周期誤差 3 工作精度 是指對加工件進(jìn)行測量的檢驗(yàn)項(xiàng)目 包括周節(jié)偏差 周節(jié)累 積誤差 齒向誤差和齒面粗糙度等 檢驗(yàn)時(shí)還須參照 JB2670 82 金屬切削機(jī)床精度檢驗(yàn)通則 進(jìn)行 4 包裝及儲運(yùn) 齒輪加工機(jī)床多采用木箱包裝 各木箱生產(chǎn)廠家在制造木箱時(shí) 依據(jù) GB7284 98 框架木箱 GB T13384 92 機(jī)電產(chǎn)品包裝通用技術(shù)條件 及相關(guān) 標(biāo)準(zhǔn) 上述標(biāo)準(zhǔn)對包裝箱的材質(zhì) 結(jié)構(gòu) 含水率等項(xiàng)目做了具體規(guī)定 包裝箱 檢驗(yàn)抽樣判定時(shí)還須參照 SN T0275 93 出口商品運(yùn)輸包裝木箱檢驗(yàn)規(guī)程 箱 內(nèi)機(jī)床應(yīng)進(jìn)行有效的固定和襯墊 其電器及加工未涂漆表面應(yīng)做防銹防潮處理 其防銹有效期為兩年 在存放及滯港期間機(jī)床類產(chǎn)品應(yīng)庫內(nèi)保管 暫時(shí)露天存 放時(shí)應(yīng)墊高并加苫蓋防止雨淋 水浸 箱面重心 防雨 勿倒置 輕放等標(biāo)識 應(yīng)齊全 以保證運(yùn)輸時(shí)產(chǎn)品完好 安全運(yùn)抵目的地 實(shí)習(xí)感想 畢業(yè)實(shí)習(xí)很快就結(jié)束了 在短短的兩個(gè)星期的實(shí)習(xí)中 收獲頗多 在這次 實(shí)習(xí)中 我們得以近距離地接觸到了齒輪加工行業(yè) 特別是加工機(jī)械 工藝流 程 通過實(shí)習(xí) 我對機(jī)械制造有了進(jìn)一步的認(rèn)識 將課本上學(xué)到的知識與現(xiàn)實(shí) 中見到的相比較 感覺到了差距 在現(xiàn)實(shí)中還有很多東西要我們慢慢學(xué)習(xí) 光 有課本上的知識是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的 理論必須聯(lián)系實(shí)際 到現(xiàn)場后發(fā)現(xiàn) 有很多本 來以為已經(jīng)明白的東西 在實(shí)踐中卻不知道了 只有不斷的實(shí)踐 將理論聯(lián)系 實(shí)際 在實(shí)踐中鞏固和完善理論 才能對知識有真正的理解和吸收 在此基礎(chǔ) 上才能有創(chuàng)新 感謝馳翔齒輪給我們提供了這次實(shí)習(xí)的機(jī)會 感謝范工程師在實(shí)習(xí)期間給 予我們的幫助 他讓我們看到了一個(gè)工程人員身上的嚴(yán)謹(jǐn) 認(rèn)真和努力 實(shí)習(xí) 讓我們近距離的接觸工廠 接觸齒輪設(shè)計(jì)生產(chǎn)的全過程 這對我們的畢業(yè)設(shè)計(jì) 和以后的工作都將有很大的幫助 當(dāng)然實(shí)習(xí)中也讓我們看到了一些問題 雖然企業(yè)很想提高產(chǎn)品的附加值 創(chuàng)造更大的收益 但是在技術(shù)和資金上還面臨很大的困難 由于沒有合適的工 程技術(shù)人員 企業(yè)不得不從德國聘請專家 語言上的天然障礙使得廠內(nèi)技術(shù)人 員與專家的交流十分困難 在技術(shù)的使用和更新上也不能完全自主 企業(yè)員工 方面 也多以普通工人居多 研發(fā)人員比例不足 企業(yè)的長遠(yuǎn)發(fā)展面臨人才困 境 希望我們能夠在不遠(yuǎn)的將來成為一員合格的工程技術(shù)人員 參與到中國的 制造業(yè)大軍中 為中國企業(yè)的發(fā)展做出自己的貢獻(xiàn) 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 開 題 論 證 報(bào) 告 專 業(yè) 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動化 學(xué)生姓名 張 興 班 級 B 機(jī)制 051 學(xué) 號 0510110118 指導(dǎo)教師 朱 效 波 完成日期 2009 年 3 月 24 日 1 課題名稱 雙孔支架鏜鉸組合機(jī)床總體及夾具設(shè)計(jì) 一 課題來源 課題研究的主要內(nèi)容及國內(nèi)外現(xiàn)狀綜述 課題來源于鹽城寶利來精密機(jī)械制造有限公司 對雙孔支架鏜鉸組合機(jī)床總體設(shè)計(jì) 制定工藝方案 確定機(jī)床配置型式及結(jié)構(gòu)方 案 三圖一卡設(shè)計(jì) 對雙孔支架零件鏜鉸孔加工組合機(jī)床夾具設(shè)計(jì) 確定定位夾緊方案 設(shè)計(jì)定位元 件 夾緊裝置 要求保證孔的尺寸精度和孔的粗糙度要求 設(shè)計(jì)一副兩件雙面加工鏜 鉸夾具 要求定位合理 裝夾可靠 方便 據(jù)有關(guān)資料介紹 日本 2001 年專用機(jī)床產(chǎn)值占機(jī)床產(chǎn)值的比達(dá)到 8 8 我國臺灣 省這一數(shù)字達(dá)到 6 9 而我國僅為 0 67 所以 在當(dāng)前產(chǎn)品結(jié)構(gòu)調(diào)整中 發(fā)展專用機(jī) 床是行業(yè)發(fā)展中的一個(gè)值得注意的問題 組 合 機(jī) 床 未 來 的 發(fā) 展 將 更 多 的 采 用 調(diào) 速 電 動 機(jī) 和 滾 珠 絲 杠 等 傳 動 以 簡 化 結(jié) 構(gòu) 縮 短 生 產(chǎn) 節(jié) 拍 采 用 數(shù) 字 控 制 系 統(tǒng) 和 主 軸 箱 夾 具 自 動 更 換 系 統(tǒng) 以 提 高 工 藝 可 調(diào) 性 以 及 納 入 柔 性 制 造 系 統(tǒng) 等 二 本課題擬解決的問題 雙孔支架鏜鉸組合機(jī)床總體及夾具設(shè)計(jì) 需要解決的問題主要有 限制零件的自 由度 確保定位可靠 保證零件的定位精度 設(shè)計(jì)動力驅(qū)動系統(tǒng)的夾緊機(jī)構(gòu) 確定構(gòu)件 的結(jié)構(gòu)合理裝卸方便 能有效地提高生產(chǎn)效率 并對夾緊裝置進(jìn)行剛度校核等 3 解決方案及預(yù)期效果 預(yù)期效果 1 能滿足加工要求 保證加工精度 2 機(jī)床應(yīng)運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn) 工作可靠 結(jié)構(gòu)簡單 3 裝卸方便 便于維修 調(diào)整 4 盡量使用通用件 以便降低制造成本 2 四 課題進(jìn)度安排 3 月 1 日 3 月 14 日 畢業(yè)實(shí)習(xí)階段 畢業(yè)實(shí)習(xí) 查閱資料 到多個(gè)公司實(shí)踐 撰寫實(shí)習(xí)報(bào)告 3 月 15 日 3 月 31 日 開題階段 提出總體設(shè)計(jì)方案及草圖 填寫開題報(bào)告 4 月 1 日 5 月 14 日 設(shè)計(jì)初稿階段 完成總體設(shè)計(jì)圖 部件圖 零件圖 5 月 15 日 5 月 31 日 中期工作階段 完善設(shè)計(jì)圖紙 編寫畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 中期檢查 6 月 1 日 6 月 4 日 畢業(yè)設(shè)計(jì)預(yù)答辯 6 月 5 日 6 月 12 日 畢業(yè)設(shè)計(jì)整改 圖紙修改 設(shè)計(jì)說明書修改 定稿 材料復(fù)查 6 月 13 日 6 月 15 日 畢業(yè)設(shè)計(jì)材料評閱 6 月 16 日 6 月 18 日 畢業(yè)答辯 6 月 19 日 6 月 21 日 材料整理裝袋 五 指導(dǎo)教師意見 簽名 年 月 日 六 專業(yè)系意見 簽名 年 月 日 七 學(xué)院意見 簽名 年 月 日 圖號 ST01 0002 毛坯種類 焊接件 名稱 雙孔支架 毛坯重量 被加 工零 件 材料 Q235 硬度 HB156 工序名稱 鏜孔及鉸孔 工序號 進(jìn)給量 工時(shí)序 號 工步 名稱 零 件 數(shù) 加工直 徑 mm 加 工 長 度 m m 工作 行程 mm 切削 速度 mm 轉(zhuǎn)速 r min mm r mm mi n 機(jī)動 時(shí)間 輔助 時(shí)間 總計(jì) 1 裝卸工 件 2 1 5 1 5 2 右動力 部件 滑臺快 進(jìn) 250 6000 0 042 0 042 右多軸 箱工進(jìn) 鏜孔 19 8 19 8 50 65 99 5 1600 0 24 360 0 181 0 181 鏜孔 33 7 33 4 50 65 101 6 960 0 39 360 刮端面 0 010 0 010 滑臺快 退 315 6000 0 053 0 053 3 左動力 部件 滑臺快 進(jìn) 250 6000 0 042 0 042 左多軸 箱工進(jìn) 鉸孔 20 20 85 7 9 125 0 24 30 2 833 2 833 鉸孔 34 34 50 85 8 5 80 0 39 30 锪端面 0 125 0 125 滑臺快 退 325 6000 0 054 0 054 單件總工時(shí) 2 471min 機(jī)床實(shí)際生產(chǎn)率 24 282 件 時(shí) 機(jī)床理想生產(chǎn)率 19 074 件 時(shí) 裝卸工件時(shí)間取決于操作者的熟練程度 本機(jī)床計(jì)算時(shí)按照 裝卸一次為 1 5min 計(jì)算 負(fù)荷率 78 44 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說 明 書 雙孔支架鏜鉸組合機(jī)床 總體及夾具設(shè)計(jì) 專 業(yè) 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動化 學(xué)生姓名 張 興 班 級 B機(jī)制051 學(xué) 號 0510110118 指導(dǎo)教師 朱 效 波 完成日期 2009年6月6日 鹽城工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 2009 雙孔支架鏜鉸組合機(jī)床總體及夾具設(shè)計(jì) 摘要 隨著生產(chǎn)的發(fā)展和專業(yè)化程度的提高 很多企業(yè)的產(chǎn)品產(chǎn)量越來 越大 精度也越來越高 首先 加工時(shí) 同時(shí)參加工作的刀具少 限制了機(jī)床 生產(chǎn)率的提高 其次 在加工多孔的工件時(shí) 需要對工件進(jìn)行多次的定位和夾 緊 使零件的加工精度和生產(chǎn)率降低 第三 因?yàn)樵谝慌_機(jī)床上總是加工一種 工件 使通用機(jī)床的部件和機(jī)構(gòu)造成冗余 因此 為了提高生產(chǎn)效率 滿足加 工要求 本課題設(shè)計(jì)了用于加工雙筋蹄零件的鏜鉸組合機(jī)床之鏜削主軸箱 根 據(jù)被加工零件確定加工孔的數(shù)量 位置 切削用量及主軸類型 擬訂了主軸箱 的傳動方式 應(yīng)用最優(yōu)化方法傳遞功率 削減振動 確定傳動參數(shù) 設(shè)計(jì)軸的 結(jié)構(gòu) 進(jìn)行如軸 軸承等相關(guān)零件的強(qiáng)度校核計(jì)算 通過以上設(shè)計(jì) 實(shí)現(xiàn)了兩 個(gè)雙筋蹄零件一次加工完成 較好地達(dá)到了設(shè)計(jì)要求 關(guān)鍵詞 組合機(jī)床 鏜床 夾具 雙筋蹄鏜鉸組合機(jī)床剛性鏜削頭及主軸箱設(shè)計(jì) The design of the modular machine tool for double rebar and feet parts boring and drilling Abstract With the development of industry and improvement of the specialization the products output of enterprise is growing the precision is increased precise high First fewer tool in the work at the same time that limiting machine tool productivity Secondly it is needed to clamp and position many times in processing that reduce the accuracy and productivity Third parts and body of lead to machine tool will lead to redundant if process only one work in some machine tool Therefore to improve the machining efficiency and satisfy the processing requirements the boring headstocks are designed which are used for the unit machine tool which is used to roughly bore the holes of the double rebar and feet parts Based on the processed accessory the number the position and the machining data of the holes and the form of the principal axis are determined The driving way of the headstocks are drawn the power is transmits by the methods of optimization the driving parameter are determined the structure of the principal axis are designed and the strength of the parts such as the strength and the bears are checked Trough the design the four holes of two parts can be finished at one time and can fulfill the design requirements better Key words unit machine tool boring machine tool headstock