步进驱动液压工作台的控制系统设计说明书_毕业设计(编辑修改稿)

步进驱动液压工作台的控制系统设计说明书_毕业设计(编辑修改稿)内容摘要：

制定了多项产业鼓励政策。 汽车轮毂轴承也属于鼓励类项目，如《外商投资产业指导目录 (2020年修订 )》中鼓励类第十七“通用机械制造业”中的第 14条“第三、四代轿车轮毂轴承 (轴承内、外圈带法兰盘和传感器的轮毂轴承功能部件 )， ⋯⋯ 制造”的要求；《产业结构调整指导目录 (2020年本 )征求意见稿》中鼓励类第十二“机械”中的第 4条“汽车高性能轴承、铁路轴承、精密轴承、低噪音轴承制造”的要求；国家四部委 (工信部、科技部、财政部、国资委 )工信部联装 [2020]707号《重 大技术装备自主创新指导目录 }(2020年版 )附件中编号 l7． 2． 5“中高档汽车轴承”将“更新换代的集成化轴承的开发技术”列为需突破的关键技术之一，市场预测或产业化前景明确为“年需求量 2亿套，市场约 100亿元，国内市场占有率 2020年达 3O％ ， 2020年达 5O％ . 随着汽车工业的发展，第三代轮毂轴承单元的使用越来越广泛，甚至一些经济型轿车和中重型商用车也开始使用第三代轮毂轴承单元。 据保守估计，到 2020年，国内汽车配套市场对于第三代轮毂轴承单元的需求量可能达到 2500万套以上；而国内汽车维修市场需用的第三代 轮毂轴承单元将接近 1000万套。 ’在北美、欧洲、日本等工业发达国家生产的汽车，从上世纪九十年代就开始配装了第三代轮毂轴承单元，估计到 2020年，全球整车配套市场和维修市场对于第三代轮毂轴承单元的需求量均将达到 1． 51． 8亿套。 通过如上的分析预测，我们对汽车轮毂轴承单元的发展前景有了非常清晰的认识，可以确定，汽车轮毂轴承单元，尤其是第三代轮毂轴承单元，集成了传统滚动轴承和现代电子技术于一体，将是一个非常具有市场潜力的新生代产品，从而也为传统的滚动轴承产品开辟了一个全新的发展空间 . 14 第二章 摆动辗压基本原 理及工艺点 摆动辗压的原理 摆辗工模具的运动形式比较复杂。 与摆辗几的机床轴心线同心的模具为下模，其上固定工件，模具与工件一起绕自轴旋转。 轴心线与机床轴心线成 r 角斜交的模具为锥体模，即摆头。 它绕自轴旋转。 下模的旋转与锥体模同步。 两个模具中有一个模具沿机床轴心线方向平移实现轧制的压下进给。 以床身为参照物，锥体模与工件的接触面位置不变，即轧制变形力合力作用线相对静止，也可以说锥体模轴线上任意点的运动轨迹在接触面上的投影是一个点。 所以，此类摆辗摆头的运动轨迹是点。 15 图 摆辗机摆头运动示 意图 由于攻击变形与模具和工件之间的相对运动有关，所以必须分析模具与工件的运动关系。 以工件为参照物，下模相对静止。 锥体模（摆头）轴线与机床轴线的交点作直线运动，锥体模轴线上其余各点，作螺旋运动，其参数方程为： cossinx R wty R wtz swt 式中 R—— 回转半径（ mm） w—— 摆头旋转角速度（ r/s） t —— 时间（ s） s —— 时间 t 内模具沿机床轴向平移的距离（ mm）。 锥体模轴线上任意点相对工件螺旋运动轨迹在工 件上平面（ xoy 面）上的投影为圆，用极坐标表示为： 16 R 或用直角坐标的方程表示为： 2 2 2x y R 摆辗锥体模在工件上表面运动轨迹的投影为圆 ，所以也可以叫圆轨迹。 由于锥体模在工件上滚动，其接触摩擦是滚动摩擦，摩擦力小，因而更有利于金属的塑性流动，能充分发挥轧制变形的特性，减少了锥体模的滑动磨损，成为摆辗的一个优点。 再者，由于工件随锥体模同向转到，其接触面与机床的相对位置不变，所以摆辗压力的合力作用线处于机床的固定位置 ，可以用一般轴承作运动副，机床结构简单，造价低廉，维修容易，寿命长。 摆动辗压的特点 （ 1）省力。 因摆辗是以连续局部变形代替常规锻造工艺的一次整体变形，因此可以大大降低变形力。 实践证明，加工相同锻件，其辗压力仅是常规锻造方法变形力的 1/5～ 1/20； （ 2）产品质量高，节省原材料，可实现少无切削加工。 如果模具制造尺寸精度很高，且进行过抛光，则辗压件垂直尺寸精度可达 ，表面粗糙度可达～ m。 （ 3） 摆动辗压适合加工薄而形状复杂的饼盘类锻件。 加工薄饼类锻件，摆辗所需的变形力比常 规锻造力小很多，而且工件愈薄，用摆辗法成形愈省力。 （ 4）劳动环境好，劳动强度低。 摆辗时机器无噪声、震动小，易于实现机械化、自动化。 （ 5）设备投资少，制造周期短，见效快，占地面积小。 摆辗旋压设备总体方案 摆辗机的主要技术指标 表 摆辗机的主要技术指标 序 号 要求 数值 17 1. 1 1. 2 1. 3 1. 4 1. 5 1. 6 旋压铆合直径 最大铆接力 油泵最大输出压力 功耗 自动方式 轴承变形情度 内孔 φ 16mm，外径 φ 28mm 150KN 5MPa ≤ 2 .1 2. 2 2. 3 2. 4 2. 5 2. 6 2. 7 2. 8 2. 9 生产效率 旋压铆合最大行程 滚碾压头到工作台距离 工作台升降距离 主轴到床身立柱距离 滚压头伸出长度 工作台尺寸 机床外形尺寸 机床净重 ≥ 450 个 /小时 25~30mm 0~250mm 0~250mm 200mm取 100~120mm 400 200 720 720 2500 1000 2200 3. 1 3. 2 3. 3 3. 4 3. 5 安全可靠 容易传送轴承 外形美观、噪音小 故障自检、易排 除 损坏零件易更换 总体方案的论证设计 由于汽车轮毂轴承单元为粗短零件且需要的铆接力较大，综合考虑卧式、立式的优缺点，选用立式机床。 而立式机床又可分单立柱式和多立柱式，下图为立式方案的简图： 18 图 确定方案：四柱立式结构 19 单柱式方案：一根立柱既要承受拉伸力，又要承受切应力，立柱弯曲变形情度较大。 对于小功率的情况，变形情度可以控制在允许的范围之内，另外结构紧凑，节省空间，操作方便，开敞性好，工件装卸方便；但刚性不好，对中性差；并在加工过程中，由于工作台处于悬臂，而使工作台受力不均 ，产生震动和噪音，影响了零件的加工精度，难保零件的合格。 多立柱式方案：机床对中性好，刚度强，钢性特佳，结构永不变形，使用寿命长。 适用于大平面、大出力之裁断作业。 一种液压机工作台四柱支撑结构，在液压机下梁顶出缸接触面上至少设置有四组支撑柱，各组支撑柱分为上支撑柱和下支撑柱，上支撑柱与液压机移动工作台连接固定，下支撑柱连接固定在下梁与 下梁顶出缸接触面上，在上支撑柱和下支撑柱之间设置有一定的间隙，与下梁顶出缸连接的液压垫上开有大于上支撑柱和下支撑柱直径的导向孔。 其优点在于： 可大大降低了液压机移动工作台上面板 的厚度，不仅节省材料、降低了制造成本，同时还能保证机器的强度和加工精度，因此该结构具有较为广阔的发展前景。 综合考虑，选择四柱式液压机床结构。 机床方案设计包括运动功能分析，机床布局，机床总体结构设计，在设计过程中充分考虑到加工操作方便，加工质量好，制造成本合理。 运动功能分析 本机床主运动为电动机主轴带动铆头旋转，进给运动设计为液压缸驱动工作台进行铆接，同时考虑到缩短铆接工作行程，设计工作台升降机构形式，调节工作台与动力的距离，减少铆接过程的空行程。 使铆接过程更节省时间。 整个过程的运动置于动力头 内。 旋压机床需要两个运动即主轴旋转运动和主轴纵向往复运动来完成铆接。 机床总体结构布局设计 机床的总体布局设计需要根据工作的要求，充分考虑到操作方便，加工效率高，性能稳定、安全，加工质量好等因素；对于立式铆接摆辗机包括主传动部分、进给传动部分、床身本体、电控与液压系统，液压站和电控箱，开关等。 主传动系主要布置在动力头处，包括电动机、偏心机构。 进给传动系统采用液压系统进行驱动。 另外，主传动、进给传动要考虑各自的稳定性以及配合的，为节省空间，电控与检测系统包含于床身本体。 对于液压站其包括了液压系统的 供油装置、控制调节装置等，将其独立于机床之外，可以使安装维修方便，液压装置的振动、发热都与机床隔开。 考虑到工人操作的方便和效率的提高，选用用脚踏开关作为操作的控制，结合安全操作，脚踏开关开关设置在底座的开槽内。 20 根据运动系统组合的不同，拟定以下布局方案。 图 摆辗机方案确定形式 动力头与液压缸部分分开，主轴只作旋转运动而不作上下往复运动，铆合时由液压缸推动工作台实现向上进给运动。 这种立案让动力头只负责旋转轨迹运动，而纵向往复运动则由工作台来完成。 大大简化了动力头里面的机构，使得整个机械机构更加简单，另外用液压系统实现工作台的纵向往复运动也是比较容易实现的。 与传统铆合机床相比，这种设计结构更加简单，把两个运动分开，省去了原来复杂的结构。 由于铆头只要实现螺旋线摆动，结构简化了许多，对轴承和整体的精度和工艺要求也降低了许多，降低制造成本的同时也使机器维修起来更加方便。 工作台把原先四柱或 单柱支持改成液压升降机构实现上下位移，实现起来很简单，液压系统不复杂，更加有利于现代化生产。 四柱式液压机床结构的特点：精密四柱导向承载机构有润滑加油系统，保证机床长期使用寿命； 更加独特的是，四柱尾部有定位套，确保机床在承受侧向负荷时，工作可靠 ,四柱式结构简单、经济、实用。 框架式结构刚性好、精度高、搞偏载能力强。 21 第三章 机床的总体方案和工作台结构设计 机床总体方案设计 总体方案设计 ， 其由 主电机 YL160、铆头、 床身 立柱、步进电机、工作台 等组成， 如图 所示 图 机床总体方案设计 图 1. 主 电机 YL160 3. 床身 立柱 主要部件设计计算 丝杆的设计 丝杠是将旋转运动变成直线运动的传动副零件，在机床上，它是用来完成进给运动的一个重要原件。 因为丝杆直接支撑工作台和调节工作台的高低，丝杆承 22 受了绝大部分的铆接力，所以有必要对丝杆进行强度计算来选择其尺寸。 丝杠螺旋副常用的螺旋方式有滑动螺旋和滚珠螺旋两种。 滑动螺旋的特点：①结构简单，加工方便；②易于实现逆行程自锁，工作安全可靠；③摩擦阻力大，传动效率低；④容易磨损，轴向刚度较差。 滚珠螺旋的特点：①摩擦阻力小，传动效率高；②磨损小、寿命长、工作可靠性好；③具有运动的可逆性，应设防逆动装置；④轴向刚度较高，抗冲击性能较差；⑤结构复杂，加工制造较难；⑥预紧后得到很高的定位精度（约达 5um/300㎜）和重复定位精度（可达 1~2um）。 参照设计要求发现，滑动螺旋和滚动螺旋均可满足要求。 拟选定滚动螺旋传动方式。 滚动螺旋的工 作原理如图 31 所示，丝杠 4 和螺母 1 的螺纹滚道间置有滚珠 2，当丝杠或螺母转动时，滚珠 2 沿螺纹滚道滚动，则丝杠与螺母之间相对运动时产生滚动摩擦，为防止滚珠从滚道中滚出，在螺 母的螺旋槽两端设有回程引导装置 3，使滚珠在螺母滚道内循环。 1 螺母 2 滚珠 3 回程引导装置 4 丝杆 图 丝杆螺母工作原理 已 知 : 工作台重量 W1=3000N， 工作及夹具最大重量 W2=2020N， 工作台最大行程 LK=300mm， 工作台导轨的摩擦系数 :动摩擦系数 μ= 5 ,快速进给速度 ， Vmax=， 定位精度 20 μ m/300mm， 全行程 25μ m， 重复定位精度 10μ m，要求寿命 15000 小时 (工作 五 年 )。 (1)滚珠丝杆副的选用与校核计算 导轨摩擦力 F=μ (W1+W2)=750N 其中 W： 工作台质量和滑块重 量； μ =： 导轨与支撑之间的摩擦系数 表 常用材料的滑动摩擦系数 μ 摩擦副材料 静摩擦系数 us 动摩擦系数 u 无润滑 有润滑 无润滑 有润滑 钢 钢 ~ ~ 钢 青铜 ~ ~ (3)预设滚动丝杆基本参数 根据 GB/T 关于公称直径 d0标准尺寸 和基本导程 Ph规定 ： 螺 纹公称直径 ： d0=100 ㎜ ； 23 导程 ： Ph=10 ㎜； 钢球直径 ： Dw=。 圈数列数 ： i k= 1； 螺杆滚道曲率 ： rs= Dw。 移动速度： V=； 转速 ： n=V/Ph=90r/min。 (4)计算动载荷 Ca’ Ca’ =Kh KF KH Fm/Kn= 寿命系数 Kh =(Ln/500)1/3 表 各类机械预期 工作寿命 Lh 表 机械类型 Lh 备注 普通机械 普通机床 数控机床 精密机床 测试机械 航空机械 5000～ 10000 10000～ 15000 20200 20200 15000 1000 250（天） 16（ h） 10（年） （开机率） =20200 由于是普通丝杆传动，选 Lh =15000h； 表 载荷系数 载荷性质 无冲击平稳时 一般运行 有冲击和振动 KF。