机电一体化课程设计报告Word格式文档下载.docx
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2)密封槽数控机床的在线修复
目前,压力容器的法兰面密封槽一旦出现问题,国内修复压力容器法兰面密封槽所采用的方法基本是离线处理法,即将压力容器运回制造厂家用大型的落地镗床进行返修加工,运输的费用以及返修过程带来的停产,给压力容器使用厂家造成极大的经济损失,实现在线修复技术的难点有:
机床如何安装、找平找正,来保证机床的中心与法兰轴线的中心重合,并在加工时,使法兰端面与其中心线垂直;
机床主要用于现场修复,也可以用于制造厂对法兰密封面的精加工,需机构简单、移动方便,有足够的刚性还要重量轻,传动系统要求结构简单紧凑,传动链尽量短;
加工法兰密封槽时,因设备庞大,只能刀具绕法兰轴线旋转切削加工,机床的旋转部分在转动中由于刀架的移动产生的动平衡问题;
对机床操作的考虑,由于压力容器有几十米高,机床安装在上面加工,操作人员的活动空间很有限,不利于人工操作,采用远程控制操作机床,其控制系统的设计应兼顾远程控制器。
第二节密封槽数控机床总体方案设计
2.1技术要求
对密封槽数控机床的要求主要如下:
体积小、质量轻、移动方便,易于实现在线修复法兰面密封槽;
在线修复机床装卡可靠、找正方便、操作简单,使用安全;
具有一定的刚性,加工精度高,满足法兰密封面的加工要求,密封槽表面粗糙度应该满足3.2um,法兰度面与其轴线与其轴线相互垂直,偏差不能超过30;
满足法兰端面直径φ600~φ1250mm,孔径为φ600~φ1100mm的密封面加工,包括直槽、双15°
、双20°
、双23°
、双25°
、双30°
及双49°
梯形槽密封形式,梯形槽角度误差为±
30′。
2.2总体方案设计
大型压力容器法兰密封面现场修复加工装置是在化工、炼油领域,用语现场修复压力容器法兰端面密封槽,回复其形状精度的专用设备。
这种设备是通过其自身集体的螺钉通过向外伸长把设备胀紧固定在被加工的法兰孔中。
由于所修复的压力容器结构庞大及法兰孔在压力容器上不知的随意性,只能在所要修复的法兰孔边搭建简易狭小的作业平台,对修复加工装置在现场要求组装迅速、便捷,可移动性极强。
设备使用场地不定,应适合快速打包、远距离运输。
以设备工况分析,选用普通型两轴联动CNC体统作为设备的控制系统,使用、维护、解体包装均不便捷。
本密封槽数控机床针对法兰密封面现场修复加工装置的使用状况及现场作业环境,用FX2N-32MR作为基本的控制及管理系统,直线、圆弧插补运动用FX2N-20GM位置控制模块对步进电机精确的定位控制,用F920GOT-BBD5触摸搭建了手持式操作显示平台。
由于FX2N-32MR与FX2N-20GM配合的功能强大,控制灵活,以及F920GOT-BBD5触摸屏的长距离通信,构成了适合法兰密封面现场修复加工装置的特殊CNC控制系统
密封槽数控机床作为一种在线修复专用加工机床,其总体方案的设计应综合考虑机械模块、驱动模块、控制模块、传感器与检测模块的选用与布局,合理地确定机床的总体布局,是机械设计的重要部分,其主要内容有:
确定机床的形式,确定机床主要零部件及其相对位置关系等,对于压力容器体积大,重量大,基本上无法移动的特点,机床需要安装在压力容器的接管法兰上,由于加工半径较大,主轴承受扭矩较大,而转速要求不高,采用液压马达作为主驱动,与旋转部分采用直连方式。
可以实现无级调速,避免了设计变速装置带来困难,造成变速装置复杂、体积大。
旋转部分为悬臂式设计,刀架可在悬臂上自由移动,有两个步进电机控制刀具的移动,完成插补加工。
根据机床不同的安装形式,该密封槽数控机床氛围内卡式和外卡式两种,以实现对不同直径的法兰面密封槽进行修复加工,内卡式机床系统由五部分组织,如图2.1所示。
外卡式机床的系统构成同上,只是机床的安装方式不同,如图2.2所示。
图2.1内卡式机床系统构成图
图2.2外卡式机床系统构成图
本专用机床的主要传动结构由以下几个部分组成。
(1)转臂旋转传动:
转臂旋转是由变频电机通过减速器驱动。
变频电机的转速由控制盒设定。
(2)刀架的移动:
刀架沿转臂导轨的移动由步进电机1通过一对齿轮传给丝杠1进行驱动。
步进电机1的运转完全由手提式操纵盒控制,运动速度与移动量由操纵盒上的数字键设定,正、反向运动由设定距离的正负号决定。
点动由操纵盒的正、反启动按钮决定。
步进电机1可进行点动及按设定位移量工作。
(3)卡刀体的移动:
卡刀体垂直转臂导轨的移动由步进电机2通过一对齿轮传给丝杠2实现。
步进电机2的运转完全由手提式操纵盒控制,运动速度与移动量由操纵盒上的数字键设定,正、反向运动由设定距离的正负号决定。
步进电机2可进行点动及按设定位移量工作。
(4)双23°
梯形槽运动的实现:
双23°
梯形槽斜面运动的实现是通过同时启动步进电机1、步进电机2,并且两台步进电机的脉冲频率符合23°
。
要求的比例关系,由运动合成实现斜面运动。
2.3密封槽数控机床的主要设计参数
(1)机床的总容量:
15kW;
刀架移动步进电机:
>
2.5Nm;
卡刀体移动步进电机:
>
5Nm;
端面移动脉冲当量:
0.001mm;
直槽移动脉冲当量:
端面移动进给速度:
0~100mm/min(无级);
直槽移动进给速度:
0~180mm/min(无级);
斜向移动进给速度:
0~150mm/min(无级);
控制坐标数:
2。
(2)内卡式机床:
接管法兰密封槽直径的范围:
Φ420~Φ1100mm;
接管法兰端面直径加工范围:
Φ350~Φ1250mm;
接管法兰内孔直径范围:
Φ350~920mm;
接管法兰密封槽最大深度:
50mm;
接管法兰密封槽形状:
直槽、双15º
、双20º
、双23º
、双25º
、双30º
、双49º
梯形槽。
(3)外卡式机床:
Φ45~Φ500mm;
Φ0~Φ650mm;
接管法兰外孔直径范围:
Φ200~700mm;
转臂转速范围:
10~90r/min(无级);
刀具垂直端面移动最大距离:
50mm。
第三节传动控制系统设计
传动系统是机床的重要组成部分,其作用是将电机产生的运动和动力传递给执行机构或执行构件,是使驱动电机与负载的转矩和转速相互匹配,以实现预定功能的中间环节。
机床的传动系统包括主传动系统和进给传动系统。
本机床有三个主要运动,分别由三个驱动元件驱动,主运动(主轴旋转)为液压传动,两个方向的进给运动为两个步进电机驱动,数字控制。
传动系统结构如图3.1所示。
图3.1是修复法兰机械加工装置的结构图
1-刀架;
2、8-电机;
3、16-滚珠螺母丝杆;
4-联轴器;
5、9-螺钉;
6-碳刷滑环总成;
7-减速器;
10-转盘;
11-轴承;
12-液压马达;
13-卡盘14-胀紧螺钉;
15-转臂
图3.1是修复法兰机械加工装置的结构图,装置胀紧在所加工法兰的孔中,由液压马达驱动转臂旋转,在转臂上有X、Z十字滑台拖动刀架,X、Z方向各由一台步进电机驱动。
由X、Z坐标的联动进给运动形成密封槽接面。
该装置的基本组成是:
卡盘13由膨胀螺钉14固定在被加工法兰的孔H中,液压马达12的壳体与卡盘13固连,液压马达12的输出端固连有转盘10,转盘10由轴承11定位在卡盘13的孔中,在转盘10上由螺钉9连接有转臂15,构成了主运动回转系统。
在转臂15上有一个两坐标联动运动的数字控制进给系统,数字控制的电机8通过减速器7带动丝杠3旋转,使刀具实现平行法兰端面的进给运动;
数字控制的电机2直接带动丝杠16旋转,使刀具实现平行法兰孔轴线的进给运动。
两台数字控制电机的控制线由炭刷滑环总成6引出。
两台数字控制电机要用炭刷滑环作为转换线路,为电机工作,使用安全可靠,两台数字控制电机选择步进电机,并采用较低的供电电压。
沿法兰端面进给传动链和沿法兰轴线进给传动链均是采用丝杠传递力和位移的传动方式,丝杠结构参数的确定,实质上即是端面进给装置的径向移动位移和平行法兰孔轴线进给装置的吃刀运动距离的确定。
两者对丝杠的参数设计原理是一致的。
3.1切削力的分析与计算
进给传动系统的轴向负载实际上就是滚珠丝杠螺母副所受的轴向力。
它主要由两部分组成:
一是来自主切削力在该坐标轴方向的切削分力,二是来自各坐标轴导轨副的摩擦力。
对某种切削方式来说,主切削力的计算方法又有多种,如根据经验公式计算、根据切削用量计算和根据主电机切削功率计算等。
本节主要讨论根据主电机切削功率计算主切削力方法。
1)车削抗力分析
车削抗力是车削时作用在车刀上的力。
车削外圆时的切削抗力Fx、Fy,及Fz:
如图3.2所示。
主切削力FZ与切削速度v的方向一致,垂直向下,是计算车床主电机切削功率的主要依据。
车削抗力Fv与车床纵向进给方向垂直,影响加工精度或已加工表面质量。
车削抗力F,与车床纵向进给方向平行,但方向相反,是车床纵向进给时该坐标方向轴向负载力的组成部分。
图3.2车削抗力及进给拖板上的载荷
2)拖板工作栽荷的分析
由于Fx与Fy所消耗的切削功率可以忽略不计,因此,车床的切削功率Pm为
Pm=Fz×
v×
(kw)(3-1)
式中:
Fz——主切削力(N);
V——机床主轴的转速(主轴传递主电机全部功率时的最低切削速度,
m/s)考虑到机床的传动效率,机床的主电机功率PE为:
PE=(3-2)
Fz=N(3-3)
——机床主传动系统的传动效率,一般取=0.8。
车削抗力Fx和Fy可以按下列比例分别求出:
Fx:
Fy:
Fz=1:
0.25:
0.4(3-4)
因为车刀装夹在拖板上的刀架内,车刀受到的车削抗力将传递到进给拖板和导轨上,如图3.2所示。
车削时作用在进给拖板上的载荷Ft、Fv。
及Fc。
与车刀所受的车削抗力Fx、Fy、Fz有如下对应关系:
Ft=Fx
Fv=Fy(3-5)
Fc=Fz
Ft——拖板上纵向进给方向上的载荷(N);
Fv——拖板上纵向进给方向上的载荷(N);
Fc——拖板上横向进给方向上的载荷(N)。
3)用单位切削力计算住切削力Fz
单位切削力指的是单位切削面积上的主切削力。
用P(N/mm²
)表示
P=(3-6)
Fz——主切削力(N)
Ac——切削面积(mm²
)
Ap——背吃刀量(mm)
Aw——切削宽度(mm)
f——进给量(mm)
如果单位切削力已知,则可以通过上式计算主切削力Fz。
3.2机械模块的设计计算
修复法兰机械加工装置沿法拉端面进给传动链中丝杆参数的设计过程如下。
1)切削力的计算:
沿法兰端面进给传动链的丝杆参数决定着机床能加工的法兰端面的大小。
根据给定的设计参数的要求可以确定液压电机的额定功率为11KW,加工最大接管法兰密封槽的直径为Φ1100mm;
转速为90r/min,在此转速下道具的切削速度为:
(3-7)
取机床的主轴传动系统的传动效率m=0.8,液压马达的效率取1=0.7,可以求得机
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