（机械工程专业论文）可编程大型舵叶锥孔加工专机设计与研究.pdf

哈尔滨工程人学硕十学位论文 摘要 随着造船业的飞速发展，造船厂必须具备制造大型船只的能力，而大型 舵叶锥孔是机加工的重点和难点由于零件的特殊性，大型舵叶锥孔在普通 设备上不能加工，必须采用大型数控镗床或加工专机加工在国内的造船厂 中，使用大型数控落地镗床加工大型舵叶锥孔。显然，存在很多缺点，如加 工技术落后、加工精度低、生产效率低，劳动强度大、加工成本高等与大 型数控镗床相比较，自动化的加工专机有着自己的优势，如使用灵活、成本 低、效率高等。 为此，本论文开展了以下工作； l 、以1 5 9 万吨油轮舵叶为例，在进行零件工艺分析的基础上，确定大 型舵叶锥孔的总体加工方案。 2 、进行“可编程大型舵叶锥孔加工专机”的机械设计，包括机械原理、 机械结构、专机重要部件( 多功能特种镗杆) 3 、进行“可编程大型舵叶锥孔加工专机”电气和液压原理设计介绍主 要电气元件，进行电气硬件设计，设计液压控制原理。 4 、对眦软件进行设计与研究 总之。“可编程大型舵叶锥孔加工专机”可以有效解决这一技术难题，改 变国内大型舵叶锥孔加工的落后局面，填补国内空白，可以获得巨大的经济 效益。更重要的是，它可以用于各种类型的舵叶锥孔的加工，并且可提供更 好的装配机技术，极大地拓宽了使用范围，具有深远意义 关键词：可编程；锥孔；p l c 哈尔滨下程人学硕+ 学位论文 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fs h i p b u i l d i n gi n d u s t r y , s h i p y a r d sm u s t h a v e t h ea b i l i t yo fb u i l d i n gu l t r a ll a r g e s c a l es h i p s , b u tm a c h i n i n gt h ec o n eb o l e si nt h e l a t e s 翻l l er u d d e rb l a d ei st h ee m p h a s i sa n dd i f f i c u l t yi nm e c h a n i c a lp r o c e s s i n g b f a ：a u s co fi t ss p e c i f i cc h a r a c t e r i s t i c s , i tc a n n o tb em a c h i n e di nt h ec o m m m e c h i n ct o o l , a n dm u s tb ep r o c e s s e di nt h el a r g e - s c a l en cb o r i n gm a c h i n eo g s p e c i a lm a c h i n et 0 0 1 i nt h ed o m e s t i cs h i p y a r d s , l a r g en cb o r i n gm a c h i n ei su s e d t op r o c e s st h el a r g e s c a l er u d d e rb l n d c sc o n eb o l e s o b v i o n s l y , t h e r ea r em a n y s h o r t c o m i n g s ，s u c h 罄b a c k w a r d i n t e c h n i q u e ，l o wp r e c i s i o n , l o wp r u d u c t i o n e f f i c i e n c y , s t r o n g l a b o u ri n t e n s i t y , h i g hc o s t e t c b yc o n t r a s t , a u t o m a t i cs p e c i a l m a c h i n et o o lh a si t sa d v a n t a g e s , s u c ha sf l e x i b l eu s e 1 0 wc o s t , h i g hp r o d u c t i o n e f f i c i e n c ya n d s oo n s ot h i np a p e rc a r r yo nt h ef o l l o w i n gw o r k 1 w o r ko u tt h eg e n e r a lp r o c e s s i n gs c h e m eo ft h el a r g e - s c a l er u d d e rb l a d e g i v i n ga ne x a m p l eo f1 5 9 0 0t r u d d e rb l a d e ，a f t e rt h ec o m p o n e t sc r a f ti sa n a l y s e d 2 c a n yo nt h em e c h a n i c a ld e s i g no fp r o g r a m m a b l em a c h i n et o o ls p e c l i z e d i nm a c h i n i n gt h el a r g e - s c a l er e d d e rb l a d e sc o n eb o l e s , i n c l u d i n gm e c h a n i c a l p f i n c i p l c ，m 职枷c a ls t r u c t u r e ，t h em o s ti m p o r t a n tp a r t ( t h es p c c i a lm u l t i f u n c t i o n a l b o r i n gs h a f t ) 3 d e s i g ne l e c t r i c a lc o n t r o lp r i n c i p l ea n dh y d r a u l i cp r i n c i p l e ii n t r o d u c et h e m a i ne l e c t r i ce l e m e n t s , c a r r yo nh a r d w a r ed e s i g n ，a n dd e s i g nt h eh y d r a u l i cc o n t r o l p r i n c i p l e 4 、c o n d u c tt h ed e s i g na n dr e s e a r c ho fp l cs o f t w a r e i nb f i e p r o g r a m m a b l em a c h i n et o o ls p e c i a l i z e di nm a c h i n i n gt h el a r g e s c a l e r u d d e rb l a d e sc o n eb o l e s ”c a ns o l v et h i sd i f f i c u l tt e c h n i c a lp r o b l e m ，c h a n g e b a c k w a r di no u rc o u n t r y , f i l lu pt h cd o m e s t i cb l a n k ，a n da c q u i r et h eg r e a te c o n o m i c b e n e f i t s m o r ei m p o r t a n t ，i tc a nn o to n l yb eu s e dt om a c h i n ee a c hk i n do ft h e 哈尔滨丁程人学硕十学位论文 r u d d e rb l a d e sc o n eh o l e s , c a nb u to f f e rt h e b e t t e rt e c h n i q u eo fa s s e m b l i n g m a c h i n e i te x p a n d su s a g es c o p e v e r yg r e a t l ya n dh a st h ep r o f o u n dm e a n i n g k e y w o r d s ：p r o g r a m m a b l ec o n t r o l ；c o o eh o l e ；p l c 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的 指导下，由作者本人独立完成的。有关观点、方法、 数据和文献的引用已在文中指出，并与参考文献相对 应。除文中已注明引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经公开发表的作品成果。对本文的 研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确 方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人 承担。 作者( 签字) ：丝扯 日期：2 咖年2 月2 日 哈尔滨一i ：程人学硕十学位论文 第1 章绪论 1 1 课题的来源及意义 由于大型舵叶零件的特殊性，加工难度大，加工成本高，是船舶机加工 的一个重点和难点，能否有效地解决这一重大技术课题，标志一个国家的造船 业发展的水平经过几十年的努力，各国造船厂已基本有了比较成熟的加工 方案。 美日等发达国家加工大型舵叶锥孔一般采用两种方案。 i 、使用自动化传程度高的专机； 2 、使用大型数控镗床 两种加工方案都是利用镗杆伸入锥孔中加工，镗轩两端均需支撑但是， 采用加工专机比较合理，投资少，经济性好，使用方便灵活，自动化程度也 较高。 我国加工大型舵叶锥孔普遍采用大型数控落地镗床，工件重大，舵叶仅 有小部分放在机床工作台上，其余大部分放在地面工作台上，经过找正装夹， 进行加工。在加工法兰平面时，由落地镗床铣镗平面和钻孔，而在加工上、 下锥孔时，大型落地镗床只提供动力，带动镗杆转动，其他功能并没有使用； 并且，大型数控落地镗床价格很高，一般都是数百万元，加工大型舵叶工期 长，占用大型设备，不能充分使用它，造成很大浪费。如果，船厂没有这样 的大型设备，又不能加工。 在加工舵叶上、下锥孔时，设计制造一套带有倾斜导轨的镗杆，镗头可 在镗杆的导轨上进行走刀运动。此时，大型落地镗床仅仅起到镗削动力头的 作用。镗头的进给运动是依靠进给丝杠外端安装的一个星轮传动，由固定在 工件或工作台上的拨杆在镗杆每转过一转时拨动一下星轮，进而带动丝杠传 动，使镗头移动一个走刀量，实现间歇进给。目前国内加工大型舵叶锥孔存 在着工艺落后，结构及传动落后，精度低、生产率低、劳动强度大、成本高 的问题。 1 哈尔滨工程人学硕士学位论文 我设计的“可编程大型舵叶锥孔加工专机”，可以有效解决这一技术难题， 改变国内大型舵叶锥孔加工的落后情况，填补国内空白，它的应用可以获得 巨大的经济效益。更重要的是，多功能特种镗杆的系列化和标准化，可编程 控制器程序的结构化和模块化，可以广泛用于各种类型的舵叶锥孔的加工， 并且可为船舶现场机加工提供更好的装配机技术，极大地拓宽了使用范围， 具有深远意义 1 2 课题相关技术的发展现状 1 2 1 可编程控制器的发展现状 可编程控制器( p r o g r a m m a b l ec o n t r o l l e r ) 是以微处理机为基础，综合了 计算机技术、自动控制技术和通信技术等现代科技而发展起来的一种新型工 业自动控制装置，是将计算机技术应用予工业控制领域的新产品。早期的可 编程控制器主要用来代替继电器实现逻辑控制，因此称为可编程逻辑控制器 ( p r o g r a m m a b l el o g i cc o n t r o l l e r ) ，简称p l c ，随着技术的发展，现代可编程 控制器的功能已经超过了逻辑控制的范围。p l c 从诞生至今，仅有3 0 年的 历史，但是得到了异常迅猛的发展，并与c a d c a m 、机器人技术一起被誉 为当代工业自动化的三大支柱之一1 1 嗣 p l c 实质上是一种工业控制计算机，只不过它比一般计算机具有更强的 与工业过程相连接的接口和更直接的适用于控制要求的编程语言，故p l c 与 计算机的组成十分相似从硬件结构看，它也由中央处理器( c p u ) 、存储器、 输入，输入( 1 ，o ) 接口、电源和编程器等部分组成 目前，p l c 的种类很多，规格性能不一。如果按硬件的结构，可分为整 体式、模块式和叠装式；如果按容量( 主要按其输入和输出点数) 的大小， 可将分为小型( 点数在2 5 6 点以卞) 、中型( 点数在2 5 6 - - 1 0 2 4 ) 和大型( 点 数在1 0 2 4 以上) ；如果按功能的强弱，可分为低档机、中档机和高挡机 p l c 作为一种新型的工业自动控制装置，具备以下特点： 1 高可靠性和强的抗干扰性； 2 丰富的i 0 接口模块； 3 灵活性好，比c n c 装置体积更小，价格更低，速度更快，操作更方 2 哈尔滨t 程人学硕士学位论文 便； 4 编程简单易学； 5 系统安装简单，维护方便。 由于p l c 自身的特点和优势，在工业控制中得到广泛应用目前，p l c 在国内、外已广泛应用于钢铁、采矿、水泥、石油、化工、电子、机械、汽 车等各行业中【3 】1 4 1 。 p l c 的应用范围可分为以下几种类型。 1 顺序控制这是当今p l c 应用最广泛的领域，它取代传统的继电器 顺序控制。p l c 应用于单机控制、多机控制、自动生产线控制，如注塑机、 印刷机械、订书机械、组合机床、磨床控制等等。 2 运动控制p l c 制造商目前提供了拖动步进电机或伺服电动机的单 轴或多轴位置控制模块。在多数情况下，p l c 把描述目标位置的数据送给模 块，模块驱动一轴或数轴到目标位置，当每个轴驱动时。位置控制模块保持 适当的速度和加速度，确保运动平滑 运动的编程可用p l c 的编程语言完成。操作员手动方式把轴移动到某个 目标位置，模块就得知了位置和运动参数，之后可用编辑程序来改变速度和 加速度等运动参数，使运动平滑，相对来说，位置控制模块比c n c 装置体 积更小，价格更低，速度更快，操作更方便。 3 过程控制p i e 能控制大量物理量，如温度、压力、速度和流量。 p i d 模块的提供使p l c 具有闭环控制功能，即一个具有p i d 控制能力的p l c 可用于过程控制。当过程控制某个变量出现偏差时，p i d 控制算法会计算出 正确的输出，把交量保持在设定值上。p i d 算法一旦适应了工艺，就不管工 艺混乱而保持设定值。 4 数据处理在机械加工中，出现了把支持顺序控制的p l c 和计算机 数字控制( c n c ) 设备紧密结合趋向。著名的f a n u c 公司推出的s y s t e m l 0 、 1 1 、1 2 系列，已将c n c 功能作为p l c 的一部分。为了实现p l c 和c n c 设 备之间内部数据自由传递，该公司采用了窗口软件，通过窗口软件，用户可以 独自编程，由p i c 送至c n c 设备使用。今后几年c n c 系统将变成以p l c 为主体的控制和管理系统。 5 通信和联网为了适应国内、外近年来兴起的工厂自动化( f a ) 系 3 哈尔滨工程人学硕士学位论文 统、柔性制造系统( f m s ) 及集散系统等发展的需要，首先，必须发展p l c 之间、p l c 和上级计算机之间的通信功能。对于实时性高的控制系统，不仅 要保证p l c 数据通信速率的要求，而且要考虑出现停电等故障时的对策【1 1 1 3 1 。 1 2 2 变频器的发展现状 由于技术上的原因，在很长一段时间里，调速控制拖动系统中基本上采 用的是直流电动机。但是，直流电动机存在以下缺点： 1 需定期更换电刷和换向器，维护保养困难，寿命较短； 2 结构复杂，难以制造大容量、高转速和高电压的直流电动机； 3 由于直流电动机存在换电火花，难以应用于存在易燃、易爆气体的恶 劣环境； 而与直流电动机相比，交流电动机有以下优点： 1 机构坚固，工作可靠，易于维护保养； 2 由于不存在换电火花，可应用于存在易燃、易爆气体的恶劣环境； 3 容易制造大容量、高转速和高电压的交流电动机。 因此，人们希望能用交流电动机来代替直流电动机，并在交流电动机的 调速控制方面进行了大量的研究和开发工作。经过3 0 年的发展，目前交流调 速已成为电气传动调速的主流。交流变频调速器( 简称变频器) 是一种应用 矢量控制原理，采用模块化结构，集合数字技术、计算机技术和现代自控技 术于一体的智能型交流电动机调速装置。变频器具有转矩大、精度高、低噪 声、功能齐全、运行可靠、操作简单等优点，广泛用于工业自动控制领域 从性能价格比上，交流调速系统已经优于直流调速系统目前，所说的交流 调速传动，主要是指采用电子式电力变换器对交流电动机的变频调速传动p j 。 电子式电力器件的自关断化、模块化、交流电路开关模式的高频化和控 制手段的全数字化，促进了变频器的小型化、多功能化和高性能化，尤其是 控制手段的全数字化，利用微型计算机的巨大信息处理能力，其软件功能不 断强化，使变频器的灵活性和适用性不断增强目前，中小型( 6 0 0 k v a 以 下) 的一般用途的变频器已实现通用化。 通用变频器按控制方式可分为v f 控制方式、转差频率控制方式和矢量 控制方式。v f 控制方式在速度方面不能给出满意的控制性能，但由于有着 4 哈尔滨t 程人学硕十学位论文 很高的性能价格比，在节能为目和精度不高的场合下得到广泛应用。转差频 率控制方式是一种进行速度反馈控制的闭环控制方式，因为，其动、静态性 能都优于v f 控制方式。因此。可以应用于对速度和精度有较高的要求的各 种调速系统，但其性能不如矢量控制方式。矢量控制是异步电动机的一种理 想的控制方式，它有以下优点：可以从零转速进行速度控制，调速范围宽； 可对转矩进行精确控制；系统响应速度快，加减速特性好等。矢量控制的基 本思想是将异步电动机的定子电流氛围励磁电流和转矩电流( 二者相互垂直) 分别加以控制。由于在这种控制方式中必须同时控制异步电动机定子电流的 幅值和相位，即控制定子电流矢量，故称为矢量控制方式。矢量控制方式使 对异步电动机进行高性能的控制成为可能。采用矢量控制方式的交流调速系 统不仅在调速范围上可与直流电动机相匹敌，而且可以直接控制异步转矩， 因此得到了广泛的应用由于标准电机是为了在工频电源下能够获得最佳特 性而设计的，在使用变频器进行驱动时有时难以得到令人满意的特性。为了 适应变频器驱动系统的需要，许多厂家还生产了不同类型的变频器专用电机。 例如，低噪音、低振动电动机、在低速区可以提高连续允许转矩的恒转矩电 机、矢量控制电动机等。此外，在某些情况下，为了满足速度控制需要，厂 家还可以根据用户需要在上述电动机上安装速度传感器，以达到利用变频器 对速度进行闭环控制的需要。变频器专用电机是专门为了满足某一类变频器 驱动需要而设计的，变频器各种内部参数也是根据电动机的特性而设定的， 其控制性能要高于普通的异步电机此外，由于变频器专用电机在设计上通 常都还考虑了低速运转时的散热问题和高速运转时的动态平衡和轴承的承受 能力等问题。 下面介绍通用变频器在机床方面的应用。 机床大体分为两类，以车床为代表的工件旋转和以钻床、铣床、磨床为 代表的刀具或磨具旋转进行加工。机床以前是采用带轮、齿轮等切换进行机 械式调速，这在操作上有问题。为了大幅度简化机械式变速机构，多采用直 流电动机调速传动。最近，要解决直流电动机的电刷维修问题，各种机床正 在采用变频器实现交流化。 下面，就各种机床使用变频器的概况介绍如下： 1 车床主轴 5 哈尔滨，t 群人学硕十学位论文 从调速范围、加减速特性、转速精度等各方面来看，通常选用通用变频 器是困难的。特别是数控车床以及最近的高级车床，具有旋转工具轴辅助加 工功能，有时把工件固定进行辅助加工此时，采用主轴控制装置进行工件 角度分度控制，这种角度分度控制称为定向控制，是一种伺服动作，所以变 频器也要用高性能的。但是车床中也有用通用变频器的，由于电动机转矩脉 动的减少，转速环的采用等，通用变频器在车床中的应用范围将会扩大。 2 机械加工中心 与车床一样，在调速范围、加减速性能、转速精度方面难以应用通用 变频器，需要采用专用变频器特别是在机械加工中心自动交换工具，进 行一个接一个的不同的加工，为了提高作业效率，加减速性必须考虑各种 重要的因素：另外，在工具交换时工具的键槽总是要与主轴的键槽吻合才 能交换，为了使主轴准确定位，需要定位控制 3 铣床、钻床 特别在要求调速范围广的场合，需要与机械变速机构配合使用，但从 加减速性能、转速精度方面采用通用变频器是足够的。 4 磨床 平面磨床很早便采用变频器了，其调速范围比较窄，加减速性能、转 速精度方面应用通用变频器是足够的。另外，对于最新的高级磨床，电动 机转矩脉动的降低是一个课题，但是，提高通用变频器的性能还是可以应 用的 6 1 1 7 1 1 2 3 开放式数控系统的发展趋势 计算机数控系统( c n c ) 是2 0 世纪7 哞代发展起来的机床控制新技术， 它是综合了计算机、通信、微电子、自动控制、传感测试、机械制造等技 术而形成的- f l 学科。数控技术是计算机集成制造系统( c 1 m s ) 和工厂自 动化( f a ) 的基础之一，也是振兴国家机床工业、增强制造业国际竞争力 的基础。数控系统经过了5 代电子元件的更新：电子管、晶体管、中小规模 集成电路、小型计算机数控和微电子计算机数控，这些发展更新大大丰富 了系统的控制功能，提高了数控系统的可靠性、经济性。现在，计算机数 控系统已进入第6 代开放式数控系统f 1 0 l 。 6 哈尔滨t 程人学硕十学位论文 i e e e ( 国际电气电子工程师协会) 对开放式数控系统的定义：“符合系 统规范的应用系统可以运行在多个销售商的不同平台上，可以与其他系统 的应用进行互操作，并且具有一致风格的用户交互界面。”我们可以认为是 数控系统提供给用户( 机床或机械制造商) 一个平台，使他们能够在这个 平台上，根据设备所需的特定功能，开发与之相应的软件和硬件，并与系 统软件集成为一个新的应用系统，使该设备具有较高的性能价格比，大大 缩短开发周期。可见，开放式数控系统应具有如下特征：相互操作性、可 移植性、可缩放性和相互替代性。 1 相互操作性 相互操作性是指不同应用程序模块通过标准化的应用程序接口运行于 系统平台上，相互之间保持平等的相互操作能力和协调工作。这一特性要 求提供标准化的接口、通讯规范和交互模型。 2 可移植性 可移植性指不同的应用程序模块可以运行于不同供应商提供的不同系 统平台上。可移植性应用于c n c 系统，其目的是为了解决软件公用问题 要使系统提供可移植特性，基本要求是设备无关性，即通过统一的应用程 序接口，完成对设备的控制；要求各部分具有统一的数据格式、行为模型、 通信方式和交互机制。具备可移植特性的系统，可使用户具有更大的软件 选择余地，通过选购适应多种系统的软件，费用可以显著降低。同时，在 应用软件的开发过程中，重复投入费用也可以降低可移植性也包括对用 户的适应性，要求c n c 系统具有统一风格的交互界面，使用户适应一种控 制器的操作，即可适应一类控制器的操作，而无须对该控制器的使用重新 进行费时费力的培训 3 可缩放性 可缩放性指增添和减少系统的功能仅仅表现为特定模块单元的装载 与卸载。不是所有的场合都需要c n c 系统具备复杂且完善的数控功能， 在这种情况下，厂家没有必要购买不适用于加工产品的复杂数控系统。因 为可缩放性使得c n c 系统的功能和规模变化极其灵活，既可以增加配件 或软件以构成功能更强大的系统，也可以减少其功能来适应简单加工场 合；同时，同一软件既可以在该系统的低档硬件配置上运行，也可以在该 7 哈尔滨丁程人学硕十学位论文 系统的高档硬件配置上应用。可缩放性使得用户可以灵活改变c n c 系统 的应用场合，一台控制器可以使用于多种类加工设备的控制上 4 相互替代性 相互替代性指不同性能和不同功能的单元可以相互替代，而不影响系 统的协调运行。有了相互替代性，构成开放体系结构的数控系统就不受唯 一供应商控制，也无须为此付出昂贵的版权使用费。相反，只需支付合理 的或较少的费用，即可获得系统的各组成部件，并且可以有多个来源【n j 。 随着计算机控制技术和先进制造技术的发展，人们逐渐认识到专用 c n c 系统之问的自成一体所带来的问题，迫切要求具有灵活配置，功能扩 展简便、基于统一的规范和易于实现统一管理的开放式系统。这时，创建 一个强有力的开放性体系结构已是数控系统发展的重要趋势9 0 年代开 始，一些发达国家针对c n c 所面临的问题和开放式数控发展的必然趋势， 以设计生产开放式数控系统作为目标，相继推出了各自的开放式体系结构 规范，这其中有美国的n g c 和o m a c 计划，欧盟的o s a c a 计划，日本 的o s e c 计划等。其中，美国提出的下一代控制器计划n g c ( n e x t g e n e r a t i o nm a c h i n ec o n t r o l l e r ) 的目的是指定一套新一代开放式控制系统 的规范，希望通过实现基于相互操作和分级式模块s o s a s ( 开放式体系结 构标准规范) 对封闭性问题进行解决，在n g c 计划中提出了“开放式系统 体系结构”的新一代数控概念，这种体系结构允许不同的设计人员开发可 相互交换和相互操作的控制器部件，其最大的特点就是外部接口的公开性。 与此同时，美国汽车工业的3 巨头( 通用、福特和克莱斯勒) 为解决自身 发展中碰到的问题，在n g c 的指导下，联合提出o m a c ( 开放式模块化体 系结构控制器) 的开发计划，其目的是开发一种模块化的可重构控制系统， 随时可纳入或集成模块化软件与硬件，使之重构成一个高效的控制器。 目前国内已有的开放性控制系统有四种：华中i 型、中华i 型、航天i 型和蓝天i 型。这四种具有中国自主版权的数控技术平台都是“八五”攻关开 发的成果。从1 9 9 9 年至2 0 0 0 年上半年，国家经贸委、原国家机械工业局 等行业主管部门针对国际数控技术的发展形势做了多方调研，最后决定由 在国内数控领域和信息产业领域具有代表性的8 家企业组成联合团队，进 行“新一代开放式数控系统平台”项目的丌发。此项目于2 0 0 0 年4 月启动， 8 哈尔滨r 程人学硕十学位论文 用一年左右的时间制定出符合我国国情的开放式数控系统技术规范，开发 新一代开放式数控系统平台，从而实现我国数控技术的跳跃式发展。国民 经济和社会发展第十个五年计划中的 高技术产业发展规划把发展新一 代开放式和智能化的数控系统，推动其在加工设备中的广泛应用作为一个 重点专项。 华中i 型数控系统采用工业微机作为硬件平台，模块化的开放式体系结 构，充分利用了p c 软、硬件的丰富资源，解决了硬件制造可靠性差的“瓶 颈”，发挥软件开发优势。开放式数控系统软、硬件平台，已经在d o s 、l i n u x 操作系统平台开发成功华中数控已开发出了车床、铣床、加工中心、仿 形、磨床的多个数控系统应用品种 我国航天数控集团承担的国家“八五”数控科技攻关项目“航天l 型数控 基本系统( 平台) 的研制”，则是从美国n g c 计划的思想出发，根据自己 的实际和数控系统的特点，考虑到m mp c 机的普及和实时控制的不适应 性，提出了以总线式、模块化、开放型、嵌入式的结构，构成了与m mp c 机体系结构兼容、开放式的数控系统。2 0 0 1 年6 月，北京航天机床数控系 统集团公司承担的开放式数控( o n c ) 系统技术规范的编制和开放式 数控系统软件、硬件平台的研制开发通过了国家经贸委总项目的国家级验 收。整个平台在中软公司研制的强实时l i n u x 系统开发环境上开发完成。它 们均具有模块化、层次化等开放性特征，系统可移植性强，伸缩性较好， 便于二次开发1 1 4 1 1 1 5 1 6 1 。 目前，国内所涌现出来的开放式数控系统可大致分成四种类型，即p c 连接c n c 型、p c 嵌入c n c 型，运动控制器嵌入p c 型和全软件c n c 型。 1 p c 连接型c n c 该类型系统是用通用的串行线将现有的原型c n c 与p c 相连而组成的。 该系统容易实现，原型的c n c 几乎可以不加修改地进行利用。也可以使用 通用软件，但是其原型c n c 不能实现开放化，并且系统的通讯、响应速度 慢。 2 p c 嵌入型c n c 该类型系统是将p c 装入到n c 内部，p c 与c n c 之间用专用的总线连 接。系统数据传输快，响应迅速，同时，原型c n c 系统也可不加修改就加 q 哈尔滨下程人学硕十学位论文 以使用，但是不能直接利用通用p c 机，开放性受到限制 3 运动控制器嵌入型c n c 该类型系统是在通用p c 的扩展槽中插入专用的运动控制卡组成的。它 能够充分地保证系统性能，软件的通用性强，并且编程处理灵活，但是， 原型c n c 资源很难得到利用。 4 全软件型c n c 该类型系统是指c n c 的全部功能均由p c 进行处理，并通过装在p c 的扩展槽的伺服接口卡对伺服驱动等进行控制。其软件的通用好，编程处 理灵活但是，实时处理的实现比较困难，并较难保证系统的性能，同时 原型c n c 资源难以利用1 1 2 1 1 1 7 1 。 总之，数控系统的开放趋势代表着机床行业的长远利益，已经在全球 制造业中形成了一股不可逆转的潮流，甚至在不久的将来很有可能衍生出 一些新型的制造系统。 1 3 本论文的工作 由于特大型舵叶的尺寸巨大，使得大型舵叶锥孔的加工已成为船舶机加 工的重点和难点。而国内造船厂基本采用大型落地镗床或大型镗铣加工中心， 加工成本高、生产效率低、工人劳动强度大。如果无大型加工设备，又不能 加工大型舵叶锥孔。因此，设计一种控制先进、自动化较高、加工精度高、 使用方便、加工范围广和成本较低的大型舵叶锥孔加工专机是本论文的工作 重点。 本论文主要工作如下： 1 以1 5 9 油轮万吨舵叶为例，设计大型舵叶锥孔加工的总体方案。 2 设计加工专机的机械原理、机械结构。 3 设计加工专机电气控制原理和液压原理。 4 对p l c 梯形图进行设计和研究。 1 0 哈尔滨，t 程人学硕十学位论文 第2 章零件加工方案的总体设计 2 115 9 万吨油轮舵叶锥孔介绍 舵叶是船舶航行控制航向非常重要的零件。舵叶上有上锥孔和下锥孔( 圆 锥形内孔) ，它通过带有锥度的销子悬挂在船舶尾部的舵臂上，由舵臂支承整 个舵叶舵轴是一个“弯把子”形的轴，其轴部端有长方形的法兰，与舵叶上 部的长方形法兰对接，由定位销定位，由螺栓牢固联接。舵机是船舶舵叶的 操纵机械，它控制着舵轴，舵轴把持着舵叶，舵机操纵可以使舵叶左右摆动， 从而控制船只航行的方向 2 1 1 零件的介绍 1 5 9 万吨油轮舵叶零件图见图，长1 2 m ，宽8 m ，重7 5 吨，是一个大型 的零件 ，r 伟 孽冈 一蜉 一 k 图2 11 5 9 力吨油轮舵叶零件图 1 1 哈尔滨t 程人学硕十学位论文 舵叶整体是一个焊接件，是由两个铸钢件和钢板焊接而成，上部铸件包 括上部法兰和上锥孔，下部铸件包括下锥孔和局部筋架，两个铸件的材料为 z g 2 0 ，周边用a 3 钢板焊接。 1 5 9 万吨油轮舵叶装配焊接成整体后，要加工的部位有三处： 1 法兰安装平面、螺栓孔、定位销孔 2 上锥孔 3 下锥孔 其中上锥孔、下锥孔的加工是难点和重点，“可编程大型舵叶锥孔加工专 机”主要就是解决这一技术难题，至于法兰及其各轴向孔可通过其它专机或落 地镗床加工，这里不作研究。 2 1 2 零件技术要求和工艺分析 1 5 9 万吨油轮舵叶的上、下锥孔的结构都是圆锥孔，锥度相同，具体尺 寸和规格不相同，二者加工方案是相同的，主要加工部位有三处：锥孔、上止 口和下端面。 1 5 9 万吨油轮舵叶锥孔的加工技术要求如下： 1 上锥孔与下锥孔对舵叶轴线的同轴度公差为0 0 5 m m 7 6 0 0 m m 。 2 法兰安装平面平面度公差为0 0 3 m m 1 4 0 0 m m ，表面粗糙度r a1 6 m m 。 3 法兰平面与舵轴线垂直度公差为0 1 m m 1 4 0 0 m m 。 4 两锥孔尺寸精度：上锥孔大头为0 5 1 0 ：8 ：釉m ，下锥孔大头为 4 ，7 8 0 箍弱m m 。 5 两锥孔形状公差：各段圆度公差为0 0 2 m m 。 6 两锥孔锥度为1 ：1 2 ，锥孔与销轴配合接触面积大于8 0 ，且只允许 大端靠严。 7 两锥孔表面粗糙度为r a l 6 r a m 。 8 锥孔与销轴属于无余量装配，不允许修配刮研。 下面，在介绍零件的技术要求的基础上，再总结锥孔的加工特点和加工 难点。 1 两锥孔均在舵叶内部、属于半封闭状态，所以锥孔的划线、找正、加 工、观察、排屑和检测等都比较困难。 1 2 哈尔滨t 程人学硕十学位论文 2 加工精度高，要求无余量装配，不易保证。加工后，尺寸、锥度、圆 度、同轴度及表面粗糙度必须同时保证技术要求。 3 现有通用设备无法加工，只能采用专用工装或专用机床加工。这种专 机必须自行设计制造。 4 专机或专用工装必须制造专用镗杆，在加工时将镗杆伸入到零件锥形 毛坯孔内，进行组装找正，比较麻烦要求专机结构合理、紧凑、精度高、 使用方便，且刚度较好。 5 自动化加工虽然可以使劳动强度降低、改善劳动条件，但是实现比较 困难，空间有限、机构复杂 6 同轴线上的两个锥孔不但各自加工精度高，而且相距较远，保持较高 的同轴度难度很大。 2 2 确定15 9 万吨油轮舵叶锥孔加工方案 由于1 5 9 万吨油轮舵叶的特殊形状和上、下锥孔的技术要求以及现场的 具体情况，决定采用“蚂蚁啃骨头”的方法加工舵叶的上、下锥孔因为零件 是庞然大物，而专机的大小相对于零件很小，所以必须把专机机械部分整体安 装在舵叶上，专机的镗杆伸入舵叶锥孔内部进行加工。 1 在具有百吨吊车的车间地面上设计、安装组合平台。1 5 9 万吨油轮舵 叶在地面平台上安装、加工示意见图2 2 2 将舵叶首先在划线平台上划线，然后在地面平台上找正装夹。 3 在安装舵叶锥孔加工专机后，运行调试进行加工，或者直接在地面平 台上划线找正，装夹安装专机并调试加工。 4 在地面组合平台上针对舵叶的三个主要加工部位分别安装三台专用机 床分别完成切削加工： ( 1 ) 使用法兰加工专机或中型落地镗床加工舵叶法兰平面及钻孔等； ( 2 ) 使用专机加工舵叶上锥孔； ( 3 ) 使用专机加工舵叶下锥孔。 5 加工后经检测合格后拆除三台专机，清洗保养好专机。待下一舵叶加 工时，再重新安装、调试加工。其中，法兰加工专机可以订购现有设备( 落地 镗床) ，也可以自行设计制造。而上、下锥孔加工专机则只能自行设计制造， 1 3 哈尔滨r t 程人学硕十学位论文 因为目前国内没有厂家设计生产并出售此类专机。 图2 21 5 9 万吨油轮舵叶地面平台安装、加工示意图 2 2 1 舵叶安装和锥孔轴线找正 1 5 9 万吨油轮舵叶在地面平台的安装舵过程如下： ( 1 粥划好线的舵叶吊起运往地面平台，放在预先放好的木墩上 ( 2 ) 用三只油压千斤顶顶起舵叶并找正。参照地面平台的标志，确定舵叶 轴线位置，采用连通管水平仪找正舵叶的水平位置。 ( 3 ) 用夹具分别支承舵叶上的各夹持点，复查舵叶的水平与轴线位置，然 后预以夹紧固定。 ( 舢各支承点附近安放并调整木墩高度对舵叶强化支承并减轻加工时的 振动。 确定1 5 9 万吨舵叶锥孔轴线位置： 为了保证相距较远的上、下锥孔加工后的轴线与舵叶轴线同轴，就必须 建立“十六基准点找正方法”，具体过程如下： 1 4 哈尔滨t 程人学硕士学位论文 1 划线找正轴线 将舵叶安放在划线平台上，检查舵叶毛坯并且划线。或者安放在地面组 合平台上检查毛坯并划线，划好加工线和校准线，打好羊冲眼。确定舵叶轴 线的依据是舵叶的外形轮廓。 2 在地面平台上找正夹牢 按线找正舵叶在地面平台上的轴向位置、水平位置，用夹具调节并夹牢。 3 焊接支承架，安装基准点 在上、下锥孔每一个端面上参照划线，焊接4 个支承架，总共有1 6 个支 承架，在这1 6 个支承架上安装1 6 个基准点，如图2 2 所示。 4 焊钢丝支承架，找正钢丝 在舵叶两锥孔外舵叶上的适当位置临时焊接两个钢丝支承架。将钢丝穿 过两锥孔，通过拉线器和紧线器将钢丝拉直并找正。 找正钢丝的根据是两锥孔外端上的校准线。找正完毕可用激光准直仪检 测钢丝与舵叶所划轴线在垂直平面和水平面内的同轴度。同轴度公差为 0 2 5 m m 7 0 0 0 m m 。 5 确定基准点的位置，拆除钢丝及钢线支承架 被拉直并且已找正过的钢丝所体现的线就是舵叶的轴线调节上述1 6 3 l ，穿 l 0 矿、， 、。1 图2 3 十六基准点找正方法示意图 1 、紧线器2 、锁扣3 、钢丝后支架4 、钢丝5 ：基准点支撑 6 、备紧螺母7 、螺栓8 、钢丝前支架9 、锁扣1 0 锁紧器 1 5 宦 ： 直 哈尔滨丁程人学硕十学位论文 个支承架上的1 6 个基准点相对钢丝的位置。即这1 6 个基准点上的小基准平 面相对钢丝是对称的，其误差在o 0 2 m m 之内。可用内卡钳和内径吾分尺测 量。在找正钢丝和确定1 6 个基准点位置时要考虑到钢丝自重下垂因素的影响 并消除此项误差。在确定1 6 个基准点位置后，要锁紧其背帽，复验1 6 个基 准点的位置，确认无误后拆除钢丝、拆除钢丝支承架、拉线器、紧线器等。 这1 6 个基准点就是分别布置在上、下两锥孔各自端面上的精确的找正点，它 为下一步安装镗杆时作为镗杆找正的依据 2 2 2 确定零件加工方法 针对1 5 9 万吨油轮舵叶锥孔加工部位，确定加工方法如下： 锥孔： 租镗一半精镗一精镗 止口： 租镗一半精镗 端面： 粗镗一半精镗 1 加工锥孔方法 镗杆上有两条倾斜导轨，相隔1 8 0 。对称分布，导轨的倾斜的角度与舵叶 锥孔的斜度完全相等，经过加工刮研保证其精度要求。 粗镗时在两条导轨上装配的两个锥镗头可以单独工作，也可以同时工作。 镗头带动镗刀从锥孔的大端向小端进给实现切削加工。粗镗时采用中速切削。 双锥镗头同步工作可使径向力抵消，减少镗枰的挠曲变形，并可减少切削中 的振动，还可提高生产效率半精镗时，只用单个锥镗头一次中速切削完成， 为精镗锥孔打下基础。 精镗时，有两种加工方法： ( 1 ) 高速精镗。采用较高的切削速度，较小的进给量实现精镗达到技术要 求。 ( 2 ) 低速精镗。采用很低的切削速度较大的进给量实现光刀精镗达到技术 要求。 2 加工止口的方法 止口直径西5 2 0 m m ，深度2 0 m m 。使用直镗头加工。直镗头导轨与镗杆轴 线平行。经过多次中速粗镗、留半精镗余量0 2 m m 。最后用高速钢镗刀低速 镗削孔径及端面直至成品。 1 6 哈尔滨t 程人学硕十学位论文 3 加工下端面的方法 端面直径 7 5 0 m m ，表面粗糙度r a 为3 2 m m 。采用装夹在镗杆侧面的 端镗头加工端平面。中速粗镗3 - 5 次走刀，留出0 2 - 0 5 m m 余量。中速小走 刀半精镗1 2 次走刀完成加工 2 3 确定a n t _ 专机的设计方案 1 5 9 万吨油轮舵叶有上、下两个锥孔，锥度都是1 ：1 2 ，但尺寸不同， 可以采用结构、功用相同，而尺寸规格不同的两套多功能镗杆，分别加工两 锥孔两镗杆分别安装在两套支承架上，两套支承架分别与临时焊在舵叶上 的八个接头螺母连接。 专机的主运动是镗杆的旋转运动，主运动由一组变频调速交流电机和摆 线针轮减速机组成主运动驱动装置，可以变换位黄先后带动上述两镗杆做旋 转运动。 ， 专机的迸给运动是安装在镗杆上的四个镗头的直线进给切削运动。进给 运动由另一组交流伺服电机和减速机组成进给运动驱动装置，先后带动上述 两镗杆的各镗头傲进给运动。传动装置输出轴的齿轮与空套在镗杆上的齿圈 啮合，再由该齿圈按加工的要求变换位置分别带动相应的传动装置驱动各镗 头按程序分别加工舵叶的锥孔、止口、端面等。 在特种镗杆上安装四个镗头其功用如下： 1 两个锥镗头：加工舵叶锥孔 2 直镗头一个：加工锥孔大端的止口 3 端镗头一个：加工锥孔小端的端面。 四个镗头可以根据加工的需要单独工作，其中两个锥镗头可以同时加工 锥孔，也可以单独使用加工锥孔。 2 4 本章小结 本章首先介绍了1 5 9 万吨舵叶和舵叶锥孔的加工技术要求和工艺分析。 在此基础上，合理地确定了舵叶各加工部位的：r o t 方案。为了保证两锥孔轴 与舵叶轴线同轴，设计上、下锥孔轴线的找正方法。最后确定了舵叶的镗锥 1 7 孔专用机床的设计方案。 哈尔滨丁程人学硕+ 学位论文 1 8 哈尔滨t 程人学硕七学位论文 3 1 机械原理设计 第3 章机械设计 可编程大型舵叶锥孔加工专机机械原理如图3 1 所示： 图3 1 可编程大型舵叶锥孔加工专机机械原理图 1 端镗头2 锥镗头3 直镗头4 齿圈5 滑移齿轮6 减速机7 变频专用电机 8 交流伺服电机9 减速机加变速机1 1 齿轮 下面，分别介绍加工专机的主运动和进给运动 1 主运动： 变频调速电机o 摆线针轮减速机o 传动齿轮0 多功能特种镗杆 主运动传动系统是由机架、变频专用电机、摆线针轮减速机、传动齿轮、 多功能特种镗杆组成。经过一系列的传动，变频专用电机的动力和扭矩，传 到镗杆上，镗杆的旋转运动就是主运动。 2 进给运动：进给传动原理如图3 2 所示。 进给传动系统是由机架、交流伺服电机、减速器、传动齿轮和各个镗头 的传动机构组成。进给的传动齿轮、各个镗头及传动机构均安装在多功能特 1 9