高效带锯床的关键技术研究及应用(开题报告

高效带锯床的关键技术研究及应用,主要内容,4,4,选题背景,金属带锯床（Metalbandsawmachine）是用于锯割各金属材料的机床，适用的材料包括碳素结构钢、低合金钢、高合金刚、特殊合金钢、不锈钢、耐酸钢等，是机械加工行业不可缺少的切割下料设备。,在发达国家，带锯床已基本占锯切领域的主导地位。美国带锯床产量达到国内锯床总产量的80%90%；日本和德国采用带锯下料的工艺超过了70%和50%。,中国已连续多年成为世界最大数控切割机床消费国和进口国，20062010年期间，国内带锯床企业和一些外资带机床企业逐步扩大市场份额。,选题背景,由此可见带锯床自动化将是未来的发展方向。而以40CrMo为例，国内带锯床的锯切效率为7080cm2/min，德国贝灵格的锯切效率可达430cm2/min，故提高锯切效率，实现高精度锯切力的控制亦是未来的焦点。,20022005年，进口数控带锯机床在中国数控切割机床消费中占62%，2010年则为33%。,半自动带锯床,全自动带锯床,德国贝灵格全自动带锯床,选题背景,有限元法是现代CAE中一种重要的分析计算方法，目前已经有很多基于有限元法的有限元软件，如ANSYS等，已广泛用于机械结构的静态分析、动态分析；研究线性、非线性问题等。,a.机床横梁的模态分析,b.轮子的应力分析,c.客车车身骨架结构的有限元分析,选题背景,目前自动带锯床控制机主要有：可编程控制器（PLC），单片机、CNC（计算机数控系统）。其中PLC以功能强劲、可靠性高、编程简单、价格低廉而尤为突出。,可编程控制器（PLC）是一类可编程的存储器，用其内部存储程序，执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数与算术操作等指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。,选题背景,PID（比例-积分-微分）控制器作为最早实用化的控制器已有70多年历史，现在仍然是应用最广泛的工业控制器。PID控制器简单易懂，使用中不需精确的系统模型等先决条件，因而成为应用最为广泛的控制器。,a.市场上各种PID调节器,选题背景,高效带锯床关键技术：,1.高效带锯床强力锯切机理的研究。,2.研究带锯床锯切过程中抑制振动技术。,3.数控技术实现恒锯切力锯切，达到恒功率作业，实现效率最大化。,研究意义,1.通过高效金属带锯床强力锯切机理实验研究，研究锯切力、进给力、进给速度、锯切速度等因素对锯切效率的影响，对高效带锯床的设计有重要意义。,课题研究的意义,2.通过对带锯床锯切过程中重要部件振动特性的分析及抑振技术的研究，对抑制带锯床的振动、改善锯切的状况有重要意义。,研究意义,3.通过研究锯切效率最大化的控制理论模型，并基于PLC实现带锯床恒定锯切力锯切，对提高带锯床的锯切效率，提升带锯条的使用寿命有重要的意义。,课题研究的意义,研究现状：带锯床锯切机理,长沙工业高等专科学校的李新和、唐植瑶研究了双金属带锯条锯削力的计算，建立了带锯条刀齿模型、推出了锯削力计算的实验公式，并确定了公式中各参数的意义和取值方法。,a.当量齿模型,b.切削抗力示意图,c.切削抗力计算公式,研究现状：带锯床锯切机理,Tae和Hee对斜向分齿带锯条的锯切抗力进行了实验研究，结合理论推导，他们确定了锯切抗力的计算模型，首先是实验测试单个齿的锯切抗力，根据齿的几何形状导出锯切抗力的公式，最终得到总的锯切抗力。,a.测力系统示意图,b.带锯锯齿分析,研究现状,有限元法在机床振动特性分析中的应用,M.Mahboubkhah，M.J.Nategh和S.EsmaeilzadehKhadem对六杆并联机床的工作台进行了动态特性分析，得出了其在自激振动下达到共振的情况，接着采用有限元法对某种型号的六杆机床工作台进行响应分析，从理论和实验两方面进行论证，最终提出了优化结构的措施。,a.有限元模型,b.有限元法模拟图,研究现状,有限元法在机床振动特性分析中的应用,西安交通大学的朱育权、千学明、林晓平通过ANSYS软件建立了1CL50机床立柱的几何模型，分析了该立柱的各阶振型，并针对各阶振型优化机床立柱的结构。,a.有限元模型,b.模态分析,研究现状,机床振动的检测和控制,S.K.Choudhury和M.S.Sharath设计了一个抑制机床振动的控制系统，它通过测量刀具和工件之间的相对位移来检测振动，通过处理反馈给电磁驱动器，驱动刀具的进给，并结合实际的实验对比，取得了减小振幅33%，表面光洁度提高了22%的效果。,a.检测和控制系统,b.振动控制前后检测到的振动信号和表面轮廓对比,研究现状,机床振动的检测和控制,Dong-HoonKim、Jun-YeobSong、Suk-KeunCha等设计了一个颤振补偿系统，从传感器检测刀具和材料之间的相对位移，然后通过算法估计补偿值，达到自主控制颤振的目的。,a.振动测试装置和测得的信号,b.控制系统框图,研究现状,PLC在带锯床控制中的应用,中南大学的曾芸在其硕士论文卧式带锯床进给系统设计和研究中对测量进给量的变化、工件截面形状和尺寸变化对进给力的影响做了大量的工作，通过测量进给油缸无杆腔的压力间接确定进给压力F，并设计了通过进给压力F反馈，基于PLC逻辑控制，调节进给速度的液压系统。,a.进给压力和工件截面的关系曲线,b.流量反馈进给系统,研究现状,PLC在带锯床控制中的应用,丁时锋、李清香针对双立柱带锯机设计了基于PLC的自动控制系统和液压控制系统，提高了锯切的效率。,a.双立柱液压带锯机,b.液压系统原理图,c.PLC系统状态转移图,研究现状,PID的应用及参数自整定,哈尔滨理工大学的杨明贵、张元、赵炎对带锯床锯切机理进行了研究，得出锯切力是影响锯切效率的重要因素，并通过检测两夹紧钳口夹紧力的变化量F，将其反馈给他们设计的模糊PID控制系统，控制进给油缸的牵引速度，实现等面积切削。,a.锯削受力图b.仿真曲线c.控制系统框图,研究现状,PID的应用及参数自整定,冯卫星、樊泽明等对智能阀门定位进行PID的控制，他们通过对误差进行相平面的分析，对不同大小的误差采用不同的控制策略，最后通过实验对比进行验证。,a.误差相平面分析,b.实物图,c.速度和误差随动图,研究现状,PID的应用及参数自整定,AlbertoLeva和MartinaMaggio在很多研究人员的基础上，对PID自整定的规则进行研究，提出了一种新的自整定的规则，并通过仿真加以改进，为PID参数自整定的规则法提供了新的方法。,a.PID参数自整定的规则,b.新方法与原方法的对比,研究现状,PID的应用及参数自整定,N.KANAGARAJ、R.KUMAR和P.SIVASHANMUGAM针对压力控制，在较多经验的基础上，将模糊控制技术嵌入到PID控制器中，以ARM7微控制器为载体，研究模糊规则来控制PID参数的整定。,a.模糊控制的输入输出设定,b.PID模糊控制器的总体结构,c.仿真结果,研究内容,研究内容,1.高效金属带锯床强力锯切机理实验研究。,（1）对直径为50100mm的45号钢、40CrMo、304L、H13等8种圆柱形材料进行锯切实验，测量锯切力、进给力、进给速度、锯切速度以及各材料特性（如硬度）。（2）根据测得的数据，分析各参数与锯切效率之间的关系；分析材料本身的特性和锯切效率之间的关系。根据所得的规律，推出效率最大化的理论模型；推测遇不知名材料时可用的锯切效率。,研究内容,研究内容,2.高效带锯床抑制振动技术研究。,（1）用有限元法（ansys软件）对带锯条和锯轮进行动态特性分析。（2）研究检测振动和主动控制振动的方案。,研究内容,研究内容,3.高效带锯床锯切效率最大化及其控制系统研究。,（1）基于PLC和PID研究高效带锯床锯切效率最大化的控制方案。（2）改进现有的带锯床控制系统，提高其自动化程度。,技术路线,技术路线,进度安排,2012年11月2012年12月查阅国内外相关文献资料，确定研究方案。2012年12月下旬2013年2月上旬：结合实验数据研究高效带锯床的强力锯切机理；高效带锯床数控技术实现的总体方案设计。2013年2月下旬2013年4月上旬：高效带锯床数控技术实现方案实施；进行实验结果验证。2013年4月下旬2013年5月上旬：用有限元方法对带锯床重要部件进行振动特性分析。2013年5月下旬2013年7月下旬：根据分析结果研究抑制振动的方案，并与之前进行对比分析。2013年8月上旬2013年9月上旬：整理总结前期研究内容，开始撰写毕业论文。,主要参考文献,1郭北涛.国内外金切锯床的现状及发展趋势J.制造技术与机床,2004,2:32-33.2郭北涛,邹广华,刘强.数控带锯床锯切工艺及应用J.制造技术与机,2004,8:92-93.3王晓云,肖晓峰,刘辉.高速锯切加工切削过程分析J.机械设计与制,2001,4:79.4么永强,戈景刚,王泽河.立式轻型金属带锯床张紧力的研究J.河北农业大学学报,2002,25:289-291.5李新和,唐植瑶.双金属带锯条锯削力的计算J.制造技木与机床,1997,3:29-31.6TaeJK,HeeSK.MechanisticcuttingforcemodelinbandsawingJ.InternationalJournalofMachineTools&Manufacture,1999,39:11851197.7HendererWE,BoorJD,HolstonJR.EstimationofcuttingforcesinbandsawingmetalsJ.TransactionsofNAMRC,1996,24:3338.8AnderssonC,AnerssonMT,StahlJE.CuttingforcemodelincludingeffectsofpositionalerrorstooldynamicsandwearJ.InternationalJournalofMachineTools&Manufacture,2001,41:227236.9张会端,谭庆昌,裴永臣.机床工作台的动力学分析J.机床与液,2008,36(9):68-71.10彭文,倪向阳.五坐标龙门加工中心动态特性分析与振动控制J.制造技术与机床,2006,2:61-63.,主要参考文献,11李初晔,张媛,王卫朝.数控机床的动态分析与减振计算J.现代振动与噪声技术,2009,8:370-378.12冯砚博,孙涛.多线切割机床动力学分析J.振动与冲击,2011,30(7):169-172.13ChunxiaZhu,LidaZhu,Jianrong.AnalysisofdynamiccharacteristicandstructureoptimisationforhybridmachinetoolJ.Modelling,IdentificationandControl,2009,7(1):89-96.14M.Mahboubkhah,M.J.Nategh,S.EsmaeilzadehKhadem.AcomprehensivestudyonthefreevibrationofmachinetoolshexapodtableJ.AdvManufTechnol,2009,40:1239-1251.15侯红玲,邱志惠,赵永强.高速切削机床横梁的静态与动态分析J.机械设计与制造,2006,5:38-39.16朱育权,千学明,林晓平.1CL50型机床立柱振动模态分析J.西安工业大学学报,2007,27(3):215-218.17董旭,高铁红,靳迎波.基于有限元方法的并联机床模态分析J.北华航天工业学院学报,2008,18(5):11-14.18陈成.简易数控铣床切削振动研究D.江苏:东南大学,2008:27-42.19赵进,赵峰,艾爽.机床整机系统振动特性分析J.机械工程师,2012,4:85-87.20D.A.Axinte.AnexperimentalanalysisofdampedcoupledvibrationsinbroachingJ.MachineTools&Man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