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黃河科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)(文獻(xiàn)綜述) 第 8 頁(yè) 砂輪回轉(zhuǎn)試驗(yàn)機(jī)設(shè)計(jì)文獻(xiàn)綜述 摘　要　本文介紹了大型自動(dòng)控制砂輪回轉(zhuǎn)試驗(yàn)機(jī)的設(shè)計(jì)研制,通過(guò)設(shè)計(jì)一體式砂輪卡盤及新結(jié)構(gòu)防護(hù)罩,采用交流變 頻、計(jì)算機(jī)控制技術(shù),研制出了新一代性能優(yōu)良的大型回轉(zhuǎn)試驗(yàn)機(jī),具有自動(dòng)化程度高,操作維護(hù)簡(jiǎn)便,數(shù)字化顯示主軸 轉(zhuǎn)速,節(jié)能等優(yōu)點(diǎn)。 關(guān)鍵詞　自動(dòng)控制;砂輪;回轉(zhuǎn)試驗(yàn)機(jī) 1　概述 砂輪回轉(zhuǎn)強(qiáng)度是衡量砂輪質(zhì)量的最重要指標(biāo)之一,直接影響到人身及設(shè)備的安全,回轉(zhuǎn)機(jī)是檢測(cè)砂輪回轉(zhuǎn)強(qiáng)度的專用設(shè)備。隨著我國(guó)加入WTO 和機(jī)械行業(yè)的振興,特別是汽車行業(yè)的發(fā)展,對(duì)曲軸磨等大直徑砂輪的需求迅速增長(zhǎng),因而生產(chǎn)大直徑砂輪廠家的數(shù)量增多,砂輪生產(chǎn)廠家和使用廠家對(duì)大型回轉(zhuǎn)機(jī)的市場(chǎng)需求變大。 我國(guó)目前生產(chǎn)和使用的大型回轉(zhuǎn)機(jī)主要有以下幾種: (1)簡(jiǎn)易回轉(zhuǎn)機(jī):采用人工開關(guān)直接控制電機(jī)的啟動(dòng)停止,電機(jī)和回轉(zhuǎn)機(jī)主體分別固定在基礎(chǔ)上,無(wú)測(cè)速及速度控制裝置,速度變化通過(guò)更換皮帶輪來(lái)實(shí)現(xiàn),速度誤差大,安全防護(hù)措施簡(jiǎn)單,屬于五六十年代的水平。(2)使用電磁調(diào)速電機(jī)拖動(dòng)的回轉(zhuǎn)機(jī):通過(guò)控制器控制調(diào)速電機(jī)的運(yùn)行及速度,控制簡(jiǎn)單,便于維修;利用轉(zhuǎn)速表可實(shí)現(xiàn)速度的測(cè)量及顯示。缺點(diǎn)是噪音大,不能實(shí)現(xiàn)速度的閉環(huán)控制,控制精度低;由于電磁調(diào)速電機(jī)要通過(guò)電磁離合器傳遞力矩,故同樣載荷下所需電機(jī)功率較大。( 3)采用直流電機(jī)拖動(dòng)回轉(zhuǎn)機(jī):直流電機(jī)拖動(dòng)的回轉(zhuǎn)機(jī),這種設(shè)備噪音低,升降速平穩(wěn),控制精度高,但線路復(fù)雜,造價(jià)也偏高,維修水平要求也高。 綜上所述,從目前已生產(chǎn)出回轉(zhuǎn)機(jī)的情況來(lái)看還有許多需加以改進(jìn)的地方:(1)主軸系統(tǒng)需重新設(shè)計(jì)。主軸系統(tǒng)是回轉(zhuǎn)機(jī)的關(guān)鍵,現(xiàn)在的主軸系統(tǒng)采用分體結(jié)構(gòu),油浴潤(rùn)滑,結(jié)構(gòu)復(fù)雜,精度不易保證,裝配維修復(fù)雜。(2)防護(hù)罩存在著安全隱患。現(xiàn)有的回轉(zhuǎn)機(jī)均采用活動(dòng)式防護(hù)罩,沉重的防護(hù)罩僅靠立柱通過(guò)螺栓固定,存在著安全隱患。(3)裝卸砂輪麻煩。由于砂輪沉重,常采用數(shù)人人工裝卸,勞動(dòng)強(qiáng)度大且不安全;條件較好的廠家采用軟帶兜著砂輪而后行車裝卸,工人勞動(dòng)強(qiáng)度降低了,但行車裝卸找正不易,最少仍需兩人且配合要特別好。(4)電氣控制部分有的極其簡(jiǎn)單, 有的線路復(fù)雜,造價(jià)也偏高,維修水平要求也高,已不能適應(yīng)信息社會(huì)及行業(yè)發(fā)展的要求。本設(shè)備的推出,對(duì)提高砂輪檢測(cè)設(shè)備的水平,促進(jìn)技術(shù)進(jìn)步,具有較大的積極作用。 2　調(diào)速技術(shù)簡(jiǎn)述 回轉(zhuǎn)試驗(yàn)機(jī)由于適用的砂輪規(guī)格較多,相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)砂輪試驗(yàn)時(shí)的速度精度要求嚴(yán)格,所以要求回轉(zhuǎn)試 驗(yàn)機(jī)有很好的調(diào)速和穩(wěn)速性能,調(diào)速范圍從幾百轉(zhuǎn)/分到數(shù)千轉(zhuǎn)/分。常用的調(diào)速技術(shù)有:機(jī)械調(diào)速、液壓氣動(dòng)調(diào)速、電氣調(diào)速,下面簡(jiǎn)要介紹各種調(diào)速技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)。 ⑴機(jī)械調(diào)速通過(guò)采用各種齒輪、鏈輪、蝸輪蝸桿減速器,僅能得到有限的一擋或幾檔速度, 一般用于減速傳動(dòng); 采用摩擦輪的各種機(jī)械式變速器,一般用于低速傳動(dòng),傳遞功率較小。機(jī)械調(diào)速裝置體積大,噪音大,調(diào)速范圍有限。 ⑵液壓、氣動(dòng)調(diào)速通過(guò)采用節(jié)流閥或變量泵來(lái)改變供給液壓馬達(dá)的流量,可實(shí)現(xiàn)液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速的無(wú)級(jí)調(diào)整。液壓調(diào)速在速度變化范圍寬時(shí)低速功率損失較大,調(diào)速精度不易保證,液壓調(diào)速裝置易發(fā)生跑冒滴漏,發(fā)熱量大,液壓泵噪音大。液壓調(diào)速國(guó)外只在小型高速輕負(fù)荷的回轉(zhuǎn)試驗(yàn)機(jī)有所應(yīng)用,國(guó)內(nèi)尚無(wú)實(shí)例。氣動(dòng)調(diào)速機(jī)械特性很軟,不能適用于回轉(zhuǎn)試驗(yàn)機(jī),噪音同樣較大。 ⑶電氣調(diào)速分交流調(diào)速和直流調(diào)速兩種方式。直流調(diào)速線路復(fù)雜,造價(jià)也偏高?，F(xiàn)主要介紹交流調(diào)速。 近十年來(lái),隨著電力電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)的迅速發(fā)展,電氣傳動(dòng)技術(shù)面臨著一場(chǎng)歷史革命,即交流調(diào)速取代直流調(diào)速和計(jì)算機(jī)數(shù)字控制技術(shù)取代模擬控制技術(shù)已成為發(fā)展趨勢(shì)。電機(jī)交流變頻調(diào)速技術(shù)是當(dāng)今節(jié)電、改善設(shè)備性能以提高產(chǎn)品質(zhì)量和改善環(huán)境、推動(dòng)技術(shù)進(jìn)步的一種主要手段。變頻調(diào)速是通過(guò)改變電機(jī)電流的頻率進(jìn)而改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速,已從簡(jiǎn)單的V / f控制到高性能的矢量控制、磁通控制、轉(zhuǎn)矩控制、模糊控制等新的方式; 16 位、32位高速微處理器以及信號(hào)處理器(DSP)和專用集成電路(ASIC)技術(shù)的快速發(fā)展,為實(shí)現(xiàn)變頻器高精度、多功能提供了硬件手段。變頻調(diào)速以其優(yōu)異的調(diào)速和起、制動(dòng)性能,高效率、高功率因數(shù)和節(jié)電效果,廣泛的適用范圍及其它許多優(yōu)點(diǎn)而被國(guó)內(nèi)外公認(rèn)為最有發(fā)展前途的調(diào)速方式。變頻器從模擬式、數(shù)字式、智能化、多功能向集中型發(fā)展。最近,日本安川公司提出了以變頻器、伺服裝置、控制器及通訊裝置為中心的” D&M&C”概念。 我國(guó)變頻器設(shè)計(jì)制造水平、產(chǎn)品質(zhì)量、可靠性、售后服務(wù)水平都有了顯著的提高,價(jià)格迅速降低,性價(jià)比明顯。變頻調(diào)速技術(shù)的應(yīng)用范圍已有很大發(fā)展,石油、石化、機(jī)械、冶金、紡織等行業(yè)都經(jīng)過(guò)了單系統(tǒng)試用、大量使用和整套裝置系統(tǒng)使用3個(gè)發(fā)展階段。將變頻技術(shù)用于磨料磨具行業(yè)到了水到渠成的時(shí)候。 3　設(shè)計(jì)與研制 參照國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有相近的回轉(zhuǎn)試驗(yàn)機(jī),結(jié)合我們多年的實(shí)際經(jīng)驗(yàn),經(jīng)過(guò)分析和論證,我們確定了下述技術(shù)方案: ⑴重新設(shè)計(jì)主軸系統(tǒng),提高其裝配精度;重新設(shè)計(jì)新結(jié)構(gòu)的防護(hù)罩,消除安全隱患;設(shè)計(jì)新結(jié)構(gòu)的砂輪卡盤,便于砂輪裝卸。 ⑵采用先進(jìn)的變頻調(diào)速技術(shù),實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速的無(wú)級(jí)調(diào)整。 ⑶采用微機(jī)解決相應(yīng)的軟硬件問(wèn)題,通過(guò)人機(jī)對(duì)話界面輸入砂輪有關(guān)的實(shí)驗(yàn)參數(shù),能自動(dòng)檢查、提示;設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)有指示燈顯示;實(shí)時(shí)數(shù)字顯示主軸的瞬間轉(zhuǎn)速;試驗(yàn)數(shù)據(jù)可按用戶的要求進(jìn)行查詢、打印。 ⑷采用單片機(jī)為前置機(jī),接受微機(jī)Rs232口發(fā)出的控制指令,控制變頻器的運(yùn)行;單片機(jī)把主軸運(yùn)行狀態(tài)通過(guò)微機(jī)Rs232口在主控界面上顯示出來(lái),從而由微機(jī)實(shí)現(xiàn)檢驗(yàn)過(guò)程的全自動(dòng)控制。根據(jù)技術(shù)方案,進(jìn)行了設(shè)計(jì)與研制: 3. 1　機(jī)械設(shè)計(jì) 3. 1. 1　主電機(jī)功率確定 本設(shè)備適用砂輪的直徑范圍: 300～1100mm;最高轉(zhuǎn)速6000r /min;最大負(fù)荷150kg;砂輪最大使用速度100m / s。采用變頻調(diào)速技術(shù)后根據(jù)計(jì)算和經(jīng)驗(yàn),確定主電機(jī)功率2.2kW,轉(zhuǎn)速2840 r /min。 3. 1. 2　軸承的選擇 軸承是主軸系統(tǒng)的關(guān)鍵件,由于軸承要承受砂輪高速旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下不平衡所產(chǎn)生的巨大離心力,又要高速旋轉(zhuǎn),為避免因配合精度導(dǎo)致主軸旋轉(zhuǎn)過(guò)程中溫度過(guò)高及平穩(wěn)性受影響,以往采用高精度進(jìn)口軸承,價(jià)格昂貴。為了在滿足設(shè)備性能需要的同時(shí)又降低成本和便于采購(gòu),我們考察了國(guó)內(nèi)主要的軸承生產(chǎn)廠家,我們選用了角接觸軸承7022AC /P5。為了滿足軸承的潤(rùn)滑要求,降低噪聲,我們優(yōu)選了高性能的軸承潤(rùn)滑脂,該潤(rùn)滑脂耐160℃的溫度,可滿足高速大負(fù)荷軸承的潤(rùn)滑要求,可長(zhǎng)期使用,避免了采用油浴潤(rùn)滑易于泄露污染的缺點(diǎn)。 3. 1. 3　主軸的結(jié)構(gòu) 鑒于試驗(yàn)的砂輪孔徑不同, 其孔徑從D127 ～D305mm,主軸的結(jié)構(gòu)有兩種方案可供選擇。一:主軸采用通軸結(jié)構(gòu),不同孔徑通過(guò)更換卡盤的方式來(lái)解決,主軸精度高,容易加工。二:主軸采用錐軸結(jié)構(gòu),不同孔徑的砂輪可用強(qiáng)度相匹配的芯軸,但是加工難度大,精度不易保證。經(jīng)過(guò)分析論證,我們采用了方案一進(jìn)行主軸的設(shè)計(jì)。為減小高速回轉(zhuǎn)砂輪產(chǎn)生的振動(dòng),應(yīng)保證砂輪裝卡過(guò)程中其對(duì)軸心的同軸度,我們提高了砂輪卡盤內(nèi)孔和主軸配合精度。主軸材料為40Cr,主軸加工采取通軸精磨。為避免裝卸砂輪對(duì)主軸表面的磨損及磕碰,影響其安裝精度,造成偏心力增大而引起劇烈振動(dòng),主軸表面高頻淬火提高其表面硬度。 3. 1. 4　設(shè)計(jì)新結(jié)構(gòu)的砂輪卡盤,便于砂輪裝卸。 我們?cè)O(shè)計(jì)新結(jié)構(gòu)的一體式砂輪卡盤。安裝砂輪時(shí)首先將砂輪卡盤和砂輪固定在一起,然后用吊鉤鉤著卡盤,平衡吊車輕松找正,一人即可操作。既減輕了工人勞動(dòng)強(qiáng)度且安全性提高,又保證了砂輪內(nèi)孔在裝卸中不受破壞。 3. 1. 5　設(shè)計(jì)新結(jié)構(gòu)的防護(hù)罩。 砂輪檢驗(yàn)時(shí)在回轉(zhuǎn)過(guò)程中經(jīng)常破碎,直接影響到人身及設(shè)備的安全,防護(hù)罩是提供保護(hù)的最重要部件。 現(xiàn)有的回轉(zhuǎn)機(jī)均采用活動(dòng)式防護(hù)罩,沉重的防護(hù)罩僅靠立柱通過(guò)螺栓固定機(jī)座或基礎(chǔ)上,存在著安全隱患,某廠就發(fā)生過(guò)立柱斷裂情況,險(xiǎn)些傷人。防護(hù)罩本身有數(shù)百公斤重,砂輪檢驗(yàn)在回轉(zhuǎn)過(guò)程中破碎,由動(dòng)能定律知,碎片擊打防擴(kuò)罩的能量相當(dāng)高,可達(dá)數(shù)噸/米。固定防護(hù)罩的立柱呈懸臂結(jié)構(gòu),砂輪經(jīng)常破碎所產(chǎn)生的強(qiáng)大沖擊力使立柱發(fā)生疲勞破壞,固定螺栓易于松動(dòng),危及人身及設(shè)備的安全。同時(shí)數(shù)百公斤重的防護(hù)罩開關(guān)亦不方便。我們?cè)O(shè)計(jì)的防護(hù)罩牢固地焊接在機(jī)座上,從根本上保證了人身及設(shè)備的安全。防護(hù)罩采用雙層結(jié)構(gòu),內(nèi)外圈之間加減振材料,減少噪聲。防護(hù)罩上裝有輕便的安全門,砂輪裝卸打開安全門即可,操作方便。 3. 2　自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研制 經(jīng)過(guò)分析和論證,我們認(rèn)為控制系統(tǒng)應(yīng)實(shí)現(xiàn)以下功能: ( l)實(shí)時(shí)數(shù)字顯示主軸的瞬間轉(zhuǎn)速。 (2)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)有指示燈顯示。 (3)主軸運(yùn)行曲線調(diào)整。 (4)電氣能耗剎車。 (5)輸入?yún)?shù)自動(dòng)檢查、提示。 (6)試驗(yàn)數(shù)據(jù)可按用戶的要求進(jìn)行查詢、打印。 自動(dòng)控制系統(tǒng)由微機(jī)和單片機(jī)聯(lián)合控制實(shí)現(xiàn)設(shè)備的自動(dòng)工作。此系統(tǒng)中,單片機(jī)部分作為前置機(jī),通過(guò) 串口接受微機(jī)發(fā)出的控制指令,微機(jī)通過(guò)Rs232口再把單片機(jī)傳送過(guò)來(lái)的主軸運(yùn)行狀態(tài)顯示出來(lái)在主控界面上,從而由微機(jī)實(shí)現(xiàn)檢驗(yàn)過(guò)程的全自動(dòng)控制。微機(jī)通過(guò)人機(jī)對(duì)話界面輸入砂輪的外徑、工作線 速度或檢驗(yàn)轉(zhuǎn)速等與砂輪有關(guān)的實(shí)驗(yàn)參數(shù),若待檢砂輪的實(shí)驗(yàn)參數(shù)輸入錯(cuò)誤、不符合標(biāo)準(zhǔn),可自動(dòng)檢查、提示;設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)有指示燈顯示;實(shí)時(shí)數(shù)字顯示主軸的瞬間轉(zhuǎn)速;試驗(yàn)數(shù)據(jù)可按用戶的要求進(jìn)行查詢、打印。 人機(jī)對(duì)話界面 單片機(jī)系統(tǒng)采用價(jià)廉、抗干擾性能好的51系列單片機(jī),控制系統(tǒng)根據(jù)設(shè)定轉(zhuǎn)速值和升速時(shí)間,計(jì)算出用 于控制D /A轉(zhuǎn)換的單位時(shí)間的遞增值,D /A輸出的電壓控制變頻器的輸出頻率,從而控制主軸按設(shè)定的升速曲線將主軸的轉(zhuǎn)速?gòu)牧銊蛩偕猎O(shè)定轉(zhuǎn)速。轉(zhuǎn)速升到設(shè)定轉(zhuǎn)速值,啟動(dòng)維持時(shí)間定時(shí)器,開始計(jì)時(shí),進(jìn)入維持時(shí)間。在維持轉(zhuǎn)速時(shí)間內(nèi)根據(jù)設(shè)定轉(zhuǎn)速與實(shí)際轉(zhuǎn)速的誤差,應(yīng)用PID方法調(diào)節(jié),使轉(zhuǎn)速維持在1%的誤差范圍內(nèi)。 4　設(shè)備技術(shù)指標(biāo) 設(shè)備達(dá)到的技術(shù)指標(biāo)如下: ⑴回轉(zhuǎn)砂輪最大直徑: 1100mm ⑵最高轉(zhuǎn)速4000 r /min ⑶最大負(fù)荷150kg ⑷主軸徑向跳動(dòng)0. 02mm ⑸轉(zhuǎn)速調(diào)整精度≤0. 5% ⑹轉(zhuǎn)速靜態(tài)穩(wěn)定度≤0. 5% ⑺空載時(shí)最大噪音80分貝 ⑻轉(zhuǎn)速變化率≤1% ⑼延時(shí)精度≤1% ⑽電機(jī)功率11kW 5　使用結(jié)果 設(shè)備經(jīng)一汽集團(tuán)大連柴油機(jī)廠、二汽發(fā)動(dòng)機(jī)廠等用戶使用,用于曲軸磨等大直徑砂輪的試驗(yàn),普遍反映該設(shè)備具有自動(dòng)化程度高、操作簡(jiǎn)便、數(shù)值化顯示主軸轉(zhuǎn)速準(zhǔn)確直觀、維護(hù)簡(jiǎn)單方便、節(jié)能、便于管理,其性能優(yōu)于國(guó)內(nèi)其他同類型砂輪回轉(zhuǎn)機(jī)。 6　結(jié)論 通過(guò)重新設(shè)計(jì)主軸系統(tǒng),采用交流變頻、微機(jī)控制技術(shù),研制出了新一代性能優(yōu)良的大型回轉(zhuǎn)試驗(yàn)機(jī),具有操作簡(jiǎn)單、維護(hù)簡(jiǎn)單方便、節(jié)能降耗、試驗(yàn)數(shù)據(jù)可按用戶的要求進(jìn)行查詢打印等特點(diǎn),所研制的自動(dòng)控制大型砂輪回轉(zhuǎn)強(qiáng)度試驗(yàn)機(jī)先進(jìn)適用,該設(shè)備的研制成功提高了我國(guó)砂輪檢測(cè)設(shè)備的技術(shù)水平。 參考文獻(xiàn) [1] 徐瀕，李元科，劉章俊，等．機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)[M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1991：28—26，28—29． [2]周開勤．機(jī)械零件手冊(cè)[M]．北京：高等教育出版社，1994：65—66，77—78． [3] 唐宗軍．機(jī)械制造基礎(chǔ)[M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1996：118 126． [4] 薄宵．機(jī)械加工工藝手冊(cè)[M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1991：13—47，13 48． [5]　黃秉麟等. 《陶瓷磨具制造》[M ]. 北京,機(jī)械工業(yè)部機(jī)床工具工業(yè)局, 1985. 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