红外遥控系统设计与编程及横轴式掘进机的截割机构设计

PAGEPAGEI电子工程设计报告题目：红外遥控系统设计与编程专业：通信工程小组：姓名学号指导老师：完成日期：2

摘要： 电子工程设计第三阶段的任务是完成基于单片机的红外遥控系统硬件电路设计，并编程实现按键控制，数据显示，最终实现通过红外发射管发射38KHzASK信号，与模板红外接收单元的简单通信联系（测试通信协议），进行闭环温控的启动/停止控制，接收模板红外发送单元发出的温度数据并进行显示这几项功能。在调试成功基础上，可进行程序固化，从而真正完成红外遥控系统开发。 完成硬件电路的设计焊接，包括以下几个单元：单片机处理：核心单元，完成与各个单元的数据，控制线连接，编程实现对各单元控制，最终实现遥控；显示：显示键控定义的值和测温结果；按键控制：控制显示和协议的收发，以及4060完成的分频器设计（提供ASK信号载频）与串行数据运算产生ASK信号。 完成软件编程实现测试模块的基本功能，运行完整程序完成各个协议的收发，从而实现对模板的遥控。经不断调试及排障，使各个模块基本达到了相应要求，且编程联调实现了遥控的功能。目录一．课题背景及需求分析……...5二．设计方案的选择及原理…………………..5（一）系统框图及电路图………………5（二）显示部分(方案选择，设计，原理，计算)……6（三）键盘部分(同上)…………………6（四）单片机及ASK信号产生，红外接收部分（同上）………………6(五)程序设计………8三．焊接和调试。。。。。。。。。。。。………………121.焊接2.通信协议部分四．出现问题及解决（方法总结），提出结论………………13五．体会与建议………………13六．致谢……….14七．参考文献………………….14一．课题背景及需求分析需求分析：电子工程设计第三阶段的任务是完成基于单片机的红外遥控系统，用以代替系统小键盘的部分功能，遥控距离不小于3米，通信格式和通信协议同串行通信。完成硬件电路设计，并编程实现按键控制，数据显示，最终实现通过红外发射管发射38KHzASK信号，与模板红外接收单元的简单通信联系（测试通信协议），进行闭环温控的启动/停止控制，接收模板红外发送单元发出的温度数据并进行显示这几项功能。完成相应软件编程，实现遥控功能。二．设计方案的选择及原理（一）系统框图及电路图框图上图为系统完整电路图（二）显示部分1.原理图说明：单片机P0，P1口直接与共阳极数码管相连（三）键盘部分1.原理图：说明：四个键值分别与单片机P10—P13连接，按键时相应口置0。（四）单片机及ASK信号产生，红外接收部分1.单片机电路①复位电路：分析：电源与地之间接入RC分析：电源与地之间接入RC电路。电源接通：向电容充电是RST引脚电压降低，C应足够大以使复位信号保持足够时间。②.时钟电路：分析：与内部部件共同组成皮尔斯振荡器，提供芯片工作所需时钟信号分析：与内部部件共同组成皮尔斯振荡器，提供芯片工作所需时钟信号2.ASK信号的产生及红外接收1.ASK信号的产生①载波的产生Qn=2-nQn=2-nfQn：ASK载频f：晶体振荡频率n：分频此题Qn=5M/27约为39k②ASK信号的产生说明：串行数据先求反，再与产生39KHz脉冲的74HC4060的6端口（分频输出）相与非，输出信号通过三极管推动红外发光二极管发射出去。串行数据收发端平时为高电平，当有数据传送时，产生一个低电平起始位，而后紧跟8位数据和校验位。若不对串行数据取反后发射，则红外发光二极管平常一直处于发射状态，只有当有数据发射时，发光管才截止。这样不仅使电路消耗许多无用功耗，也使当发射机发射方向偏离接收机或被遮挡时，产生误传送，即当发射机没有发射信号时接收机收到信号。把串行数据取反后发射，便可解决此问题。同时，在接收端也要取反。红外发光二极管的发射距离是同消耗在管子上的瞬时功率呈单调递增关系。在红外发光二极管最大功耗一定的情况下，要想增大发射距离，只能把信号调制到一个小占空比的脉冲载波上。脉冲载波的占空比越小，红外发光二极管的瞬时功率才能越大，发射距离才能越远。2.红外接收Hs0038为红外接收探头，接收红外信号频率为Hs0038为红外接收探头，接收红外信号频率为38kHz，周期约26μs在本设计中我们采用红外一体化接收头HS0038。HS0038黑色环氧树脂封装，不受日光、荧光灯等光源干扰，内附磁屏蔽，功耗低，灵敏度高。在用小功率发射管发射信号情况下，其接收距离可达35m。它能与TTL、COMS电路兼容。HS0038为直立侧面收光型。它接收红外信号频率为38kHz,周期约26μs，同时能对信号进行放大、检波、整形，得到TTL电平的编码信号。三个管脚分别是地、＋5V电源、解调信号输出端。(五)程序设计1．流程图2.程序代码$include(C8051F020.inc) ORG 0000H LJMP INITTAB: DB 0C0H,0F9H,0A4H,0B0H,099H,092H,082H,0F8H ;字符段码表0-7 DB 080H,090H,088H,083H,0C6H,0A1H,086H,08EH ;字符段码表8-FINIT: lcall Init_Device JP3:MOVR2,#00H;操作数据初始值JP2:MOV R1,#00H MOV A,R1 CJNE R2,#10H,MAIN;FF后从0开始计 SJMPJP3MAIN: MOV DPTR,#TAB ;读取与A中数值对应的显示段码 MOVC A,@A+DPTR MOVP2,A;段码送并行口显示MOVA,R2 RLA RLA RLA RLA MOVR3,A MOVA,R2 MOVC A,@A+DPTRMOVP1,A MOVA,R1 ADDA,R3 MOVR3,A MOVA,R1JNBP0.3,FUWEIJP4:NOPJNBP0.4,JIESHOUJP5:NOPJNBP0.5,FASONGJP6:NOP JBP0.2,MAIN;等待按键CALLDELAY CALLDELAY CALLDELAY CALLDELAY CALLDELAY INC R1 ;操作数据(R1)增1 MOV A,R1 CJNE A,#10H,MAIN ;检查操作数据是否大于显示范围（F） INCR2 SJMP JP2 ;无限循环FUWEI:MOVR1,#00HMOVR2,#0AH SJMPJP4JIESHOU:;转串行通信中断程序 MOVTMOD,#20HMOVTH1,#0E8HMOVTL1,#0E8HSETBTR1MOVSCON0,#50HMOVPCON,#00H SETBESSETBEA CLRRI WAIT:JNBRI,WAIT MOVA,SBUF0 CLRRI BCD: MOVB,#10H DIVAB MOV R5,A MOVR6,B SMGXS: MOVDPTR,#TAB MOVA,R5 MOVCA,@A+DPTR MOVP1,A MOVA,R6 MOVCA,@A+DPTR MOVP2,AJNBP0.3,JP7 SJMPSMGXSJP7:LJMPMAINFASONG:MOVA,R3MOVTMOD,#20HMOVTH1,#0E8HMOVTL1,#0E8HSETBTR1MOVSCON0,#50HMOVPCON,#00H SETBESSETBEA CLRTI MOVSBUF0,A WAIT1:JNBTI,WAIT1 CLRRI WAIT2:JNBRI,WAIT2 MOVA,SBUF0MOVR7,A SUBBA,R3CJNEA,#00H,JP20 CLRRI JMPWAIT2JP20:MOVA,R7BCD1: MOVB,#10H DIVAB MOV R5,A MOVR6,B SMGXS1: MOVDPTR,#TAB MOVA,R5 MOVCA,@A+DPTR MOVP1,A MOVA,R6 MOVCA,@A+DPTR MOVP2,AJNBP0.3,JP19 SJMPSMGXS1JP19:LJMPMAIN DELAY:MOV R5,#0H ;延时子程序D1: MOV R6,#0H DJNZ R6,$ DJNZ R5,D1 RET $include(Init_Device.inc)END三．焊接，调试1:焊接组装与焊接：根据protel99se绘制原理图，在插件布局时，尽量使电路中逻辑相邻元件靠近，以减少线数量，合理布局。焊接时，尽量多利用了电路板本身导通的焊点，及电阻，元件的插针。第二，注意镀锡以保证无短路。第三，连线起始点与终点距离适当，保证与其他不想相连焊点的有一定距离。2:通信协议部分1.调试原理及方法通信协议如下：发A0A1A2A3A4A5A6A7收温度

设定定时状态发

数模命令设定定时

实现功能查询当前温度改变当前温度设定系统当前状态设定闭环保持温度设定启动闭环延时查询闭环保持温度查询启动闭环延时时间查询系统当前状态说明：其中A2命令，当发送为02时启动/关闭闭环程序。其中A7命令，当闭环控制时D4=1,可以打印时D0=1。四．出现问题及解决（方法总结）本次实验的硬件部分并不是非常复杂所以我们组焊接比较快。但是软件部分比较难。虽然老师建议我们采用C编程，但是由于我们的C语言基础比较薄弱，所以我们组采用汇编来实现。由于全班只有我们组采用的是汇编所以在出现问题时不能去询问别的同学。第一部分：（第一按键的连加功能）因为对于汇编还比较熟悉，所以这一功能实现起来还是比较顺利。第二部分：（红外接受显示功能）我们将东南大学出版的单片机书籍当做参考书，在参考其对于51控制字的内容后我们编辑了接受的程序，但是在运行程序后却并没有接收到应该接受到的内容。在这个问题中我们徘徊了很久，在多次检查程序和硬件确定没有问题之后，我们咨询了老师。最后发现对于接受的波特率上实验的单片机和书上所设置的波特率并不相同。在改变控制字后可以成功接收。第三部分（对于实验指导书的要求进行编程）由于我们之前对于按键的设置是有接受和发送，但是调试板是接收到控制内容后直接发送，所以我们运用中断进行编程，但是编程后才发现一直受到的数据就是发送的数据，这个问题一直没想明白是为什么，后来和老师交流后知道是发出的数据又被自己接受到了，我们在接收程序部分设置了一个循环接收后最终实现实验要求，非常高兴。五．体会与建议体会：这可以说是我们的第一个自主实验，能做出来非常高兴。我们在实验过后觉得我们在课后也要同时学习C语言的编程在实验过程中如果遇到问题一定要想方设法解决，考虑问题一定要考虑周全，不要轻易去放弃，实在不会可以去询问老师。本次实验对于我们今后对于单片机和嵌入式是很好的帮助，同时也提高了我们的汇编语言能力。六．致谢（一）指导老师：司农老师非常感谢帮助（二）及其他为我组排疑解惑，提供帮助的同学七．参考文献（1）清华大学电子学教研组编，高等教育出版社，《模拟电子技术基础（第四版）》（2）《电子工程设计任务书》（3）《MCS-51系列单片微型计算机及其应用》孙育才编（4）其他元器件参数及简介书目摘要本毕业设计的课题是考虑到煤炭是我国最主要的能源，提高煤炭产量有利于我国的经济发展。而掘进机主要由截割、行走、装运、装载四大机构和液压、水路、电气三代系统组成。掘进机分为横轴式和纵轴式两种，本次设计的主要任务是研究横轴式掘进机截割部对煤炭产量的影响。本文在详述国内外掘进机研究现状的基础上，对横轴式掘进机的截割机构进行了设计，对一些关键部分进行了设计计算。重点是横轴式掘进机的截割头工作过程中的运动及受力分析、截割齿工作过程中得运动及受力分析。除此之外，回转机构的设计及校核也很重要。本文设计的掘进机是横轴式的，此次所做工作主要是关于截割头、截割部、回转台等的设计。其中截割部是用于安装减速器；截割部后用于安装减速器电机；回转台用于控制截割头的上下摆动及左右回转。 关键词：掘进机；横轴式；截割头；回转台AbstractThegraduationdesigntopicisgiventothecoalisChina'smainenergy,improvecoaloutputisbeneficialtotheeconomicdevelopmentofourcountry.Theroadheaderismainlycomposedofcutting,walking,shipment,loadingfourmechanismandhydraulic,water,electricthreegenerationsystem.Theroadheaderisdividedintotwokinds,theyarehorizontalandvertical.Themaintaskofthisdesignistostudytheinfluenceofthehorizontalroadheadercuttingtocoalyield.Thispaperdetailstheheadingmachineonthebasisofthestudiesathomeandabroad.Inthispaper,Idesignthehorizontalroadheadercuttingmechanism,andcalculatesomekeypartsofthedesign.Thefocusofdesignistheanalysisofhorizontalroadheadercuttingheadonmotionandforce,。Anotherfocusofdesignistheanalysisofcuttingtoothonthemotionandforce..Besides,thedesignandcheckofrotarymechanismisalsoveryimportantInthispaper,thedesignofroadheaderishorizontal,theworkismainlyonthedesignofcuttinghead,cutting,rotarytableandsoon.Thecuttingpartisusedtoinstallaspeedreducer;thecuttingpartforinstallingreducermotor;rotarytableisusedtocontrolthecuttingheadtoswayandrotary.Keywords:roadheader；horizontal；cuttinghead；rotarytable目录TOC\o"1-2"\h\z摘要 IAbstract II1.绪论 11.1本课题的研究目的及意义 11.2国内外掘进机的发展趋势 21.3横轴式掘进机截割机构的设计现状 51.4本章小结 72.横轴式掘进机截割机构的总体方案设计 12.1横轴式掘进机的设计要求 12.2横轴式掘进机的方案设计 12.3设计参数的确定 32.4截齿设计 82.5截割结构及二维装配图 132.6本章小结 183.掘进机的三维建模与运动学仿真 193.1截割头三维建模 193.2其他重要零件的三维建模 243.3齿轮轴的运动学仿真 273.4本章小结 304.端盖数控加工 314.1数控加工的概述 314.2端盖铣削加工 324.3本章小结 415.齿轮轴ANSYS分析 425.1齿轮轴ANSYS分析过程 425.2本章小结 46参考文献 47致谢 48附录一 49附录二 741.绪论1.1本课题的研究目的及意义1.1.1本课题的研究目的:我国是产煤大国，煤炭也是我国最主要的能源，是保证我国国民经济飞速增长的重要物质基础。现在煤炭的采掘基本上实现了机械化，生产效率也大大提高。煤炭工业的机械化是指采掘、支护、运输、提升的机械化，其中采掘包括采煤和掘进巷道。随着采煤机械化的发展，采煤机是现在最主要的采煤机械。20世纪70年代我国主要靠进口采煤机来满足发展需要，现今，国产采煤机几乎占领我国的整个采煤机市场。依靠科技进步，推进技术创新，开发高效矿井综合配套技术是我国煤炭科技发展的主攻方向，我国的采煤机现在已经进入了自主研发，标准化，系列化阶段。目前，各主要产煤国家已基本上实现了采煤机械化。衡量一个国家采煤机械化水平的指标是采煤机械化程度和综采机械化程度。所以设计一个好的掘进机对采煤机械化的发展有重要作用，而掘进机的截割部又是掘进机的重要组成部分，因此要进行掘进机截割部的设计。1.1.2本次毕业设计是对横轴式掘进机进行设计和研究，并在此基础上对横轴式掘进机的截割部进行改进。然而，由于横轴式掘进机的运动比较复杂,截割过程载荷多变,致使机器工作振动比较大,而实际计算其动态过程又非常的困难。所以,从理论上研究掘进机的性能,以及在此基础上探讨改进其动态特性方面的进展十分缓慢。通过横轴式掘进机截割部的研究，旨在满足工程精度要求的前提下,建立该型掘进机横向截割时的动力学模型,并利用此模型进行分析和探讨,研究横轴式掘进机的动力学行为,为定性地研究掘进机的动态性能提供理论、方法。并以此理论为基础，设计出能够提高掘进机挖掘效率的掘进机截割部。因此掘进机截割部的研究设计对于掘进机的研究有着很大的意义，对掘进机的发展有着重要影响。1.2国内外掘进机的发展趋势掘进机是具有截割、装载煤岩，并能自己行走，具有喷雾降尘等功能，以机械方式破落煤岩的掘进设备，有的还具有支护功能。根据所掘断面的形状分为全断面掘进机和部分断面掘进机[1]。以下是国内外的一些研究：世界上第一台悬臂式掘进机1949年在匈牙利问世[2]，经过几十年不断改进、发展的历程。现在世界上掘进机使用已超过几千台。有10多个国家、20多家公司和厂商从事悬臂式掘进机设计研究和制造。主要国家是：奥地利、英国德国、日本、前苏联等。1.2.1国外概况及发展趋势(1)掘进机产品概况国外掘进机设备可分为两类[3]:一类是欧洲国家普遍使用的掘进机,它适应范围广,但掘进、支护不能平行作业,掘进效率低,开机率低;另一类是以美国和澳大利亚为代表的连续采煤机和掘锚综合机组,两者均可实现煤巷的快速掘进,开机率较高,掘进效率高,后者是在前者的基础上,在机上安装锚杆钻机,使连续采煤机与锚杆钻车合二为一,到80年代末发展成掘装锚平行作业的新型设备。它较好地解决了掘进、装运和锚杆支护的平行作业,其不足是只适应于煤巷掘进,机型庞大,适应范围小。生产掘进机的主要公司有奥地利阿尔卑尼公司、英国多斯科、安德森、艾姆科公司、德国扎尔吉特、艾柯夫、保拉特、维斯特伐利亚公司、日本三井三池公司和前苏联。目前已经形成完整的系列,主要有奥地利的AM系列,德国的E、ET、STM系列,日本的MRH系列。连续采煤机主要有美国久益公司的CM系列,朗艾道公司的CM系列、杰弗利公司及英国BJD公司;采掘锚机组主要有奥地利阿尔卑尼公司的ABM20型、ABM30型、美国久益公司的JSS型、英国BJD公司的2480HP.BH型等。(2)技术水平及发展趋势英国、德国、前苏联等主要产煤国,掘进机已广泛用于煤岩单轴抗压强度≤100MPa的采准巷道掘进,并扩大到岩巷掘进。据1996年资料表明,俄罗斯综掘程度为48%,英国综掘程度达86%,德国因深部开采,巷道断面大,半煤岩比例大,岩石硬度高,限制了掘进机的应用,使用掘进机仅160台,综掘程度为37%(1992年资料)。由于掘进机可靠性好,掘进机开机率(机组运转时间与规定生产时间之百分比)已达30%～50%。新型掘进机可截割硬度100MPa半煤巷和中等硬度的岩巷。部分重型机不移位截割断面达35～42,可掘断面形状除拱形、梯形、矩形外,有的机器配掩护筒可掘圆形断面,多数机型能在纵向±16°坡上可靠工作,横向倾斜一般可达8°。现在中型掘进机已日趋完善,其代表机型有英国多斯科公司的LH1300型,德国保拉特公司的E200型、奥地利阿尔卑尼公司的AM75型、日本三井三池公司的S220型等,其切割功率在132～220kW、机重50～70t,经济切割岩石硬度80MPa,近期德国在研究开发切割功率达300kW、机重在100t以上,经济切割硬度达100MPa的岩石掘进机。部分机型截割速度已降至1m/s以下,截割牵引速度采用负载反馈调节,以适应不同岩石硬度;一些机型除设有后支撑外,还在履带前后安装了卡抓式液压支配扎脚机构,以便在切割岩石时锚固定位。机电一体化趋势明显,新型掘进机可实现推进方向监控、电机功率自控调节、截割路径循环程控、离机遥控操作、切割断面轮廓尺寸监控以及工况监测和故障诊断。部分掘进机采用PLC控制,实现回路循回检测。研究探索新的截割技术,如高压水射流掘进机的采用;冲击振动式截割机具的研究。以ABM20型为代表的掘锚综合机组可较好地解决掘进和支护平行作业问题,在澳大利亚煤巷掘进时,总效率达2.35m/h。1995年阿尔卑尼公司又推出ABM30型掘锚综合机组,其生产能力和整机水平,又进一步提高。为充分发挥掘进机效能,各国都十分重视综掘作业线配套设备的研究。为缩短支护时间,在中等稳定顶板条件下,常用机载锚杆钻机支护;为使掘进机与支护平行作业,运用超前液压支架或自带盾牌掩护支架,但使用效果都不理想。在后配套运输方面,通常采用桥式带式转载机,后配带式输送机,有条件时设置活动煤仓。1.2.2掘进机发展的4个阶段纵观世界上掘进机的发展历程,可以将机型划分4个阶段。40年代中末期到60年代中期是第一代机型发展时期,在这个阶段掘进机从无到有,形成了集切割、装运和行走为一体的结构雏形,其特征主要是用于软煤巷道掘进,机重15t左右。第二代机型发展使用时期是从60年代中期到70年代末期,这一阶段是煤巷掘进机蓬勃发展时期,掘进机得到了大量应用。其特征是:煤巷掘进机适应范围扩大,部分大断面机型有过断层、切割夹岩的能力,切割硬度60MPa以下,机重大部分在20～40t左右。第三代机型发展使用时期是从70年代末到80年代末期,其特征是:半煤岩掘进机开始成熟,煤巷掘进功能齐全,可靠性大幅度提高。重型机大批涌现,机重50t左右。80年代后期至今,处于发展中的第四代机型特征为:重型机机重进一步增加,一般在70t以上,切割硬度100MPa以上,功能更加完善,采用高新技术、计算机自控装置较成熟,掘进机正向岩巷进军。煤巷掘进出现了切割支护平行作业的掘锚综合机组,掘装锚平行作业,掘进速度大幅提高。1.2.3我国的悬臂式掘进机的发展主要经历了三个阶段第一阶段:60年代初期到70年代末,这一阶段主要是以引进国外掘进机为主,也定型生产了几种机型,在引进的同时进行消化、吸收,为我国悬臂式掘进机的第二阶段的发展打下了良好的技术基础。这一阶段掘进机的主要特点是:使用范围越来越广,切割能力逐步提高,有切割夹岩和过断层的能力。第二阶段:70年代末到80年代末,这一阶段,我国与国外合作生产了几种悬臂式掘进机并逐步地实现了国产化[4],其典型的代表是与奥地利、日本合作生产的AM50型及S100型,其后,我国自行设计制造了几种悬臂式掘进机,其典型代表是EMA-30型及EBJ-100型。这一阶段悬臂式掘进机的特点是:可靠性较高,已能适应我国煤巷掘进的需要;半煤岩巷的掘进技术已达到相当的水平;出现了重型机。第三阶段:由80年代末至今,重型机型大批出现,悬臂式掘进机的设计与制造水平已相当先进,可以根据矿井生产的不同要求实现部分个性化设计,这一阶段的代表机型较多,主要有EBJ型、EL型及EBH型。这一阶段悬臂式掘进机的特点是:设计水平较为先进,可靠性大幅提高;功能更加完善;功率更大;一些高新技术已用于机组的自动化控制并逐步发展全岩巷的掘进。经过三阶段的发展,我国悬臂式掘进机的设计、生产、使用进入了一个较高的水平,已跨入了国际先进行列,可与国外的悬臂式掘进机媲美。1.3横轴式掘进机截割机构的设计现状截割头是掘进机工作机构的核心部件，其性能的好坏直接影响掘进机的整机性能及工作质量。评价截割头性能的参数主要包括生产率、截割比能耗、截割硬度f数、截割载荷波动系数、截齿使用寿命、落料块度或粉尘率等等。截割头是掘进机上最复杂的部件，截齿是截割头直接作用于矿岩的零件，对截割头及截齿的设计需要考虑重多参数，从整体上，包括截割头形状参数、尺寸参数、截割头的摆动速度、自转速度等，从局部上，包括截齿的形状、尺寸、材料、齿座的形式以及截齿在截割头上的排布形式、空间角度关系等；另外还需要考虑截齿的空间运动参数、截割参数、截割受力情况及截割头的整体受力情况等。这些参数不仅复杂，而且往往又是相互联系相互制约的，因此，截割头的设计从来就是悬臂掘进机设计的最难点。多年来，国外许多国家都非常重视掘进机的截割基础理论研究，前苏联通过大量试验分析，从截割过程中截齿及工作机构的载荷变化研究影响其载荷大小变化的因素，并努力将研究成果用于指导设计；英国及德国等在掘进机截割试验的基础之上，通过分析研究，寻求截割机构的优化设计及方法。人们在不断的探索改善掘进机截割性能、减少截齿损耗、降低动载荷、提高整机可靠性、增加有效工作时间、提高工作效率的途径和方法。我国对掘进机的研制是从引进国外的掘进机及技术开始的，由于诸多原因，对掘进机的截割理论研究比较缺乏，国内悬臂掘进机生产主要停留在对引进型号的仿制、改型水平上。从掘进机自身考虑，导致这种现象发生的原因主要有三点：第一，截割头自身非常复杂，特别涉及到岩土破碎理论，说不清楚的地方很多，导致纯理论研究难于进行；第二，悬臂掘进机属大型昂贵设备，进行样机试制及试验需要大比经费，这就决定进行试验研究的阻力巨大；第三，对掘进机的研究关键在于对截割过程的研究、对截齿与矿岩间相互作用的研究，而在截割头或截齿上难于布置传感器，另外矿岩的性能具有很强的随机性，特定试验结果一般不具有普遍性，这就在试验研究的方法选择上对人们提出了挑战。虽然存在诸多困难，由于采掘业及建筑业的发展，市场上对掘进机的需求急剧增加、对掘进机的性能要求提高，国内对掘进机的研究也出现了高潮。继承方面，对从国外引进的掘进机进行了全面的研究，包括从整体性能到具体的截割头形状、尺寸、截齿的形式排布等；理论方面，分析了截割头的运动规律、截齿的运动规律、截齿与矿岩的作用过程、截齿的受力等；试验方面，一方面进口掘进机的工程应用提供了宝贵的数据，一方面也进行了具有特定目的的现场试验及模拟试验。对掘进机的各项研究取得了丰硕的成果，应用到实际中，使我国设计制造出了高于引进性能的掘进机，但目前国内生产的掘进机只相当于国外七八十。年代的产品，与国外的差距还很大。因此对掘进机，特别是对截割基础理论的研究还需要更进一步。针对国内掘进机设计现状出现的原因，编制了虚拟设计软件，使设计及研究人员能够更好的利用现有成果进行截割头的自动化设计，在不进行或少进行试验的基础之上，尽量多的了解所设计的截割头的性能，从而力求达到促进掘进机设计水平发展、提高掘进机设计能力的目的。尽管我国掘进机技术有较大的提高，但与西方发达国家相比还有一定的距离[5]。1.4本章小结本章主要介绍了此次毕业设计的研究目的和意义，并且介绍了掘进机在国内外的发展趋势和研究情况以及掘进机在发展过程中存在的一些技术问题。本章为下面接下来的设计做了准备工作。2.横轴式掘进机截割机构的总体方案设计2.1横轴式掘进机的设计要求本课题研究目的是设计满足使用要求的横轴式掘进机截割机构。2.1.1主要设计参数要求掘进机的基本要求：最大掘进高度5.5m；最大定位掘进宽度7m；爬坡能力±16°；最大卧底深度0.45m;切割煤岩单向抗压强度≤130MPa。截割部的有关技术参数：截割头最大摆动角度，上44゜，下21゜，左右±33゜。2.2横轴式掘进机的方案设计横轴式掘进机主要由截割、行走、装运、装载四大机构和液压、水路、电气三大系统组成，此次设计中重点是掘进机的截割部设计，根据设计要求对掘进机的总体参数进行确定。2.2.1掘进机机型的选择根据任务书的要求，按行业标准MT138～1995《悬臂式掘进机的型式与参数》，MT238.3-2006《悬臂式掘进机|第3部分|通用技术条件》选定机型类别。要考虑的掘进机用途有：煤矿井下巷道的掘进、其他行业的工程作业，要考虑掘进机的工作条件：切割煤层巷、半煤层巷，煤岩的单向抗压强度(或普氏系数f值)及岩石的腐蚀系数。特轻、轻型掘进机以掘进煤巷为主，它的特点应突出经济、灵活、方便，在截割巷道断面尺寸方面有较大的适应性。中型掘进机以掘进半煤岩巷道为主，在截割岩石硬度方面适应性较强，但机器设计不宜过于笨重和庞大，在使用时有较大的覆盖面。重型掘进机是具有更高切割能力的掘进机，应用范围更加广泛。根据设计的要求和目的，机型选择重型。基本参数应当符合表2.1格的规定。表2.1掘进机型式的基本参数[6]技术参数单位机型特轻轻中重超重切割煤岩最大单向抗拉强度MPa≤40≤50≤60≤80≤100生产能力煤0.60.8———煤夹矸0.350.40.50.60.6切割机构功率kW≤50≤7590～200>150>200最大坡度(绝对值)(°)1616161616巷道断面㎡5～126～167～208～2810～32机重(不包括转载机)t≤20≤25≤50≤8>802.2.2各部件结构形式的确定（1）切割机构切割机构主要由切割头，水冷电动机，减速器，截割部和回转台等组成，具有破碎煤岩功能的机构。①切割头的选择切割头装有截齿，用语破碎煤岩的部件。切割头主要由截割头体、齿座、螺旋叶片、截齿、喷嘴及筋板等构成；螺旋叶片焊在切割头体上，沿螺旋线并按截线间距排列齿座和截齿。②回转台的设计要求[7]第一、回转装置反映在切割头上的回转力和回转速度要满足切割工作要求；第二、回转台要能够承受机器工作时的各种载荷反力的作用，要有足够的刚度；第三、与悬臂配合，所具有的回转角度要满足掘进端面的要求；第四、结构紧凑、运转平稳，工作可靠。2.3设计参数的确定2.3.1机器可掘断面机器的规格和重量主要取却于巷道断面的大小。悬臂式掘进机掘进断面的大小，决定于悬臂的长度和回转角度。2.3.2(1)悬臂长度和摆角一般情况下，巷道的形状和规格确定后，按照巷道和最大高度和上下宽度，结合垂直摆动的中心高度，可以初步确定悬臂的长度。最大掘高5.5m，上摆角，下摆角，水平摆角=。由几何关系式(2.1)可以得出，在最大掘宽7m下，悬臂长为：(2.1)即悬臂长为5676.3mm(为垂直回转中心至水平回转中心的距离，取750mm)。回转中心高由式(2.2)、式(2.3)知：(2.2)(2.3)即mm尽量降低重心，取H为1650mm。2.3.3机器可掘断面参数的确定最大宽度[8](当悬臂在水平位置摆动时)由式(2.4)知：(2.4)计算得，，，。上部宽度(当悬臂在上极限位置左右摆动时)及下部宽度(当悬臂在下部位置左右摆动时)由式(2.5)、(2.6)知：(2.5)(2.6)计算得，，，。上摆高度、下摆高度、卧底深度、巷道高度、由式(2.7)～(2.11)进行计算：(2.7)(2.8)(2.9)(2.10)经计算得到：、，，。可掘最大断面由式(2.11)进行计算:(2.11)经过计算得到Smax为37.3m2。式中，L为切割头前端至垂直回转中心的距离，a为垂直回转中心至水平回转中心的距离，为水平回转时的悬臂摆角，为垂直回转的上摆角，为截割到巷道底面时，垂直回转的下摆角，为卧底时，悬臂垂直回转的最大下摆角，可根据卧底深度来定，一般可取mm，这里取200mm。2.3.4截割机构技术参数的初步确定(1)截割头转速及其功率的初步确定掘进机的动力源都采用交流电动机。截割机构功率大小，在实际设计中一般采用类比法，再结合掘进机的一些个性因素及经验来确定。截齿必须具有的一定的截割速度和足够的截割力，才能实现对煤岩的有效破碎。显然在一定的功率下，适当降低截割速度(或转速)，将使截割力矩和截割力相应增加，有利于截割较硬的煤岩。同时，还可以降低截割头上的动载荷，减少截齿的磨损和粉尘。通常，在煤和软岩中，可取，截割头转速为30100。对于中硬岩，可选，对于砂岩和石灰岩，平均截割速度=0.60.8，最高=0.91，截割头转速为2040[9]。目前市场上绝大多数掘进双速掘进机的截割速度为24r/min和36r/min，这两种截割速度被认为是截割硬岩和煤岩的经济截割速度，所以本次设计的岩巷掘进机截割转速也设定为36/24r/min。结合行业标准MT477-1996YBU系列掘进机用隔爆型三相异步电动机选择，确定截割功率为切割电机高速运转时功率为300kw，低速运转时功率为220kW。（2）切割头的有关参数的确定①切割头长度切割头长度的大小影响工作循环时间，它的选择还与煤岩性质有关。横轴式掘进机切割头长度应略大于截深。目前，横轴式掘进机切割头的长度一般为500700mm。大功率的掘进机可以在1000mm左右。根据设计要求，确定本掘进机为大型掘进机，选择切割头的长度为1000mm。②切割头直径切割头直径影响切割力和工作循环时间。当切割头的功率和转速一定时，切割头的直径将决定切割头的切向切割力。切割头直径过大，将使切向切割力降低，如果切割力小于切割阻力，就不能完成切割任务。目前，横轴式掘进机切割头的直径一般为6001000mm。大功率的掘进机可以在1000mm以上。这里选择切割头的平均直径为1350mm。③切割头锥角对于横轴式掘进机的切割头，为了获得比较平整的巷道顶、底板或者侧壁，还应结合悬臂长度、回转中心的位置来确定切割头的锥角。设切割头的半锥角为，悬臂水平摆角为，上下摆角分别为、。按几何关系，要保证巷道的顶、底板、侧壁平整，应使。显然对于确定的掘进机，其切割头的半锥角是定值。掘进机的水平摆角通常为。这样锥形切割头的锥角确定在之间。本掘进机设计结合同类掘进机运用情况，选取。④螺旋头数和升角螺旋头数一般为两头和三头。这里选择三头旋转叶片。有关参数在结构设计中确定。⑤切割速度和摆角速度截割功率一定时，切割速度决定切割力矩和切割力的大小。切割力矩可由式(2.12)进行计算：(2.12)平均切割力可由式（2.13）进行计算：（2.13）平均单齿切割力可由式(2.14)进行计算：(2.14)式中：D0为切割头平均直径，m；n0为切割头转速，r/min；MC为切割力矩，N.；PC为平均切割力，N；P1C为平均单齿切割力，N；Zm为同时工作齿数，可取总齿数的一半。悬臂式掘进机所能达到的最大截割能力总是与其截齿的截割速度有关。截割速度的选取一般取决于被截割岩石的特性，在1～5m/s之间选取。对研磨性的硬岩石，最大截割速度要受到截齿磨损的限制。例如，截割石英含量为30%～40%，抗压强度为100～120MPa的砂岩时，最佳的截割速度为1.5～2m/s。对易于截割的岩石(例如白垩和煤)，最大截割速度会受到粉尘浓度的限制。对煤炭一般选用4～5m/s。根据本设计要求，确定截割速度2.0m/s。考虑到掘进机对煤岩特性应具有一定的适应范围，通常在较软的半煤岩中，可以选合理的工作摆动速度，在较硬的半煤岩中可以取，对于中硬煤岩石，摆动速度不宜过大，取。根据本设计要求，确定摆动速度为1.5。⑥最大扭矩最大扭矩可根据式(2.15)进行计算：(2.15)式中：Mmax为切割最大扭矩；Mn为切割硬度f=6的岩石时候，切割头平均扭矩；Mn=(44100Vb+17150).D0.L/(VC0.3η)，N.m；D0为切割头平均直径，m；L0为切割头长度，m；Km为当量载荷因数。具体数据在结构设计中确定。⑦截齿在截割头上的仰角α的确定该角对整机的截割效率和截齿的磨损起决定性的作用。为了达到一种合理的最佳的截割力传递,截齿安装的范围一般取α=45～48°,在此取α=45°。(3)回转台的布置及参数确定截割头的上升、下降和左右运动由装在回转台上的各油缸来实现。回转台主要由回转油缸、回转座、连接臂、回转架等部件构成。工作时，截割头随连接臂在升降油缸推动下能够在垂直方向上升和下降一定的角度；截割头同时可以随回转台油缸在水平方向左右各摆动33°。回转台中心高定位1650mm。回转台上安装回转座的直径取800mm。2.4截齿设计2.4.1（1）截齿类型的选择在截割头上安装扁齿（又称刀齿或径向齿）或镐齿（又称锥形齿或切向齿）。由于煤岩超硬即按原苏联根据接触强度值的大小把岩石分为六类中的中等坚固，选用镐齿。齿柄为圆锥体，插入齿座后，用U型销或环形钢丝固定。当截割煤岩时，齿能在齿座内自由转动，使齿尖磨损均匀，保持齿尖锐利。齿柄上有环形槽，用之以卡住齿。（2）截齿排列参数的确定①每线齿数对于较硬的煤和硬岩，通常选用毎线一齿。否则，就会出现加深截槽的现象，即同一截线上的截齿只是加深由前一个截齿截出的截槽，而崩落的效果极为微弱。对于每线一齿，在排列上应使第i条截线上的截齿的圆周角与螺旋角头数和相邻截线上截齿的角度保持下列关系为。②截线间距S它表征相邻截齿齿尖轨迹的距离，其值影响单个截齿载荷、受力大小、破碎效果和功率消耗。对纵轴式切割头选择截线间距时，尤其应考虑煤岩特性和水平摆动速度，因为截线间距在切割过程中发生变化，总之，确定截线间距时应全面考虑煤岩性质、截割厚度、牵引速度等因素。横切割头在摆动切割时，实际截割间距随摆动速度变化，而切深保持不变。实验证明，被截下的煤岩量与截线间距和切深有关，过小的截线间距使煤岩过于粉碎，产生粉尘、单位能耗高、截割效率低。过大的间距则会在煤壁上保留棱边，也引起截割效率减少，正确的截线间距是切深的二倍，即。{h-截齿切深，m；-牵引速度或摆动速度，m/min；n-切割头转速，r/min；-一条截线上的截齿数。具体选取时可以参照下表2.2的经验值。③相邻镐齿间的最佳间距，由文献[10]式(2.16)知：s/d=tg(2.16)式中：s为两相邻截齿的中心距；d为直径；为断面倾斜着经过时的计算值；时镐形截齿的圆锥角的一半。表2.2横切割头截割参数与矿物特性关系矿物特性超硬材料硬材料中硬材料软材料单向抗压强度/Mpa＞8060-8030-60＜30牵引速度/（m/s）0．2-0．40．3-0．40．35-0．60．65截线距/mm40-5050-6060-10070-1202.4（1）截齿排列方式①顺序式。截齿是一个挨一个进行截割的，形成的截槽两边不对称，截齿两侧受力不等。另外，这种布置方式，切削断面较小。其条件是：螺旋头数与毎线齿数之比为1。②交叉式。截齿以一个间隔一个的次序进行截割的，形成两侧接近对称的截槽，可以保证截齿两侧受力基本平衡，切屑面积大，截割比能耗低。这种排列方式有利于降低截齿的侧向和截割比能耗。其条件是：螺旋头数与毎线齿数之比为2。如图2.1所示。图2.1截齿排列方式（2）截齿排列图，如图2.2所示左截割头的排列为右旋，右截割头的排列为左旋。这样，在工作时割落的煤岩抛向两个截割头的中间，改善了截割时的受力情况和装载效果。图2.2截齿排列（3）截齿的安装①截割角α（又叫切削角）。截割角是截齿轴线与齿尖运动轨迹的切线之间的夹角。实验表明截割角在45°-55°之间时截割阻力最小。此范围内，截齿以较好的位置锲入岩石，它对切割头很重要。大的角虽然提高切削效率，但磨损比较严重，容易使齿尖变钝，以致无法切入矿物。当角很小时，所需进给力增大，容易使截齿超载，此时，截齿不仅轴线方向承受负荷，而且齿顶方向负荷较大，使进给力和切削力达到十分有效的使用效果，经德国矿冶技术有限公司试验分析，推荐最佳的截割角为46°，如图2.3所示。图2.3镐形齿的安装角度②倾斜角β。截齿按倾斜角安装，保证截齿在横向摆动截割时，沿合速度方向截入岩体。由于截割头横摆速度远远低于截割速度，因此，β角很小。（）。为了使刀齿能磨损均匀，保持锐利的工作状态，以降低截割阻力，据实践实验表明，截齿应向截割头横摆方向偏转8°。这样，截齿的运动方向与进入岩体方向一致，也有助于截齿的自转。(4)排距的确定排距为相邻两排截齿之间的距离,排距的大小控制着截割头的横向尺寸,排距和齿尖的位置确定后,截割头的形状就确定了,确定排距时要使截齿的截割状态成为半开式截割,这就要求相邻两排截齿中直径较小的先行截割,尔后直径较大的截割。如图2.4所示,设计排距时排距不宜过大,也不宜过小,过大使截割头的横向尺寸加大,增加截割头的体积,过小将不能充分地发挥每个截齿的效力。图中Ψ为崩落角,为边界角,在半开式截槽中其值不大于时,最优的截割应是边界角取时,后排截齿截割崩落线与前排截齿齿尖重合,这样才能充分利用截割的崩落效应而又不至于加大截割头横向尺寸。图2.4截割崩落效应示意图（5）截线间距、截割头直径截线间距即截线距,是同一排截齿上两相邻截齿的齿尖运动轨迹在同一截割平面上的距离,其大小应考虑被截割煤岩的物理性质,当煤岩的物理性质改变时,截割头水平摆动速度也要作相应的调整,使截线距的大小随煤岩的硬度改变而改变,截线距如公式（2.17）所示。t=K/m(2.17)式中：m为同一排上的截齿数目。确定截线距时,应考虑被截割煤岩的物理性质,从其计算公式可以看出,它随着掘进机横向摆动速度的变化而变化,因此,当煤岩的物理性质改变时,截割头水平摆动速度也要作相应的调整,使截线距随煤岩的硬度改变而改变,以提高截割效力。截割头直径是一个很重要的参数,它影响掘进的截割生产率和截齿的截割能力,并与巷道断面大小手有关；较大的直径,可缩短截割工作面的循环时间,生产率高,但当机器功率和截割头转速不变时,每个截叠齿所能承受的截割力降低,如果截割力小于截割阻力,就不能完成截割任务;反之,如果直径太小,虽然截齿对煤岩的截割能力达到了,但降低了生产率,一般根掘进机功率大小,横轴式截割头大端直径取值范围为0.7~1.5m。2.5截割结构及二维装配图2.5已知：机器外形尺寸（长x宽x高）：12x3.8x2.5m。截割部有关技术蚕食：功率300/220kw,切割电机攻速运转时功率为300kw，低速运转时功率220kw；电压1140v，转速1490/980r/min；截割头直径x长度：Φ1350x1000mm，截割头转速36/24r/min。截割功率、截割速度、截割力由式(2.18)(2.20)知：N=Fv (2.18)v=πnD/1000(2.19)F=1000N/(πnD)(2.20)式中:n为截割头转速;D为截割头外径,mm。(1)截割部水平受力分析，如图2.5所示。从图中可知LH1为1000mm,LH2为6426mm。(2)截割轴转矩计算公式如式（2.21）M=9549·N/n（2.21）截割功率为切割电机高速运转时功率为=300kw，截割转速=36r/min，则=79575N.m，低速运转时功率为=220kw，截割转速也设定为=24r/min，则=87532N.m。图2.5截割头水平受力（3）由式（2.22）估算最大切割力：（2.22）已知掘进机参数：P1为300kw；n1为36r/min；P2为220kw；n2为24r/min。横轴式截割头直径Φ1350mm,估算横轴式截割头平均半径Ravg为0.625m。计算结果为：FC1为117.9KN；FC2为129.7KN。在掘进机工作工程中，截割头受到的力主要为切割力、摆动力、推进力。其中切割力:是指切割时所有参与切割的截齿所受切向力()数值之和。摆动力是指摆动时由液压缸给与切割头沿摆动方向的力。推进力是指掏槽时由行走机构或者伸缩机构提供给与切割头的推进力。横轴式切割头掏槽时，刚接触时齿数是两个切割头同一条母线附近的约十把截齿(前次切割留下的断面应该是个圆弧面)，所以应加大推进力。切割煤时，由式(2.23)取：(2.23)计算得到：为117.9KN；为353.7KN；为176.8KN；为129.7KN；为389.1KN；为194.5KN。(4)回转台水平回转油缸对截割头产生的作用力①回转沿油缸推进力、回转油缸的拉力可由式（2.24）、(2.25)计算：=πp/4(2.24)=π(-)p/4(2.25)计算得到：FH1为75398N；FH2为57933N。式中p为油泵额定压力,MPa;为回转油缸直径,cm，为回转油缸直径,cm。②为回转台中心支点,转矩由由式(2.26)、式(2.27)知：=(+)×(2.26)=/(2.27)经过计算得到：MH为113851N.m；FH为17717N。(5)截割部上、下运动推动油缸对截割头产生的力如图2.6所示作用力、由式（2.28）、（2.29）的确定。图中为截割部上、下运动的支点。==(2-W)/（2.28）==(2-W)/（2.29）①已知数据如表2.3所示。表2.3已知参数（m）（m）（m）W（N）（N）（N）5.671.980.9480000282743157079②推动油缸推进力、推动油缸的拉力如式（2.30）、(2.31)所示：=π/4（2.30）=π(-)/4(2.31)式中：，为推动油缸直径，cm；为油缸额定压力，MPa。经过计算得：为282743N，为157079N。图2.6截割头水平受力Lv1③力和力矩的计算结果如表2.4所示表2.4力和力矩（N）（N）（N.m）（N.m）65581240611152642292.5掘进机截割头在正常截割状态下，截齿受到截割阻力、牵引阻力和侧向力。而具体的某个截割头的截割受力与相邻截线上的截齿排列方式有关系。当相邻两条截线上的截齿在同一个叶片上，这种截割方式为顺序式截割；当相邻两条截线上的截齿不在同一个叶片上，这种截割方式称为交叉式截割。顺序式截割，属半封闭式截割，有明显的侧向力；交叉式截割，属浅封闭式截割，截齿几乎不受侧向力。在计算瞬时载荷之前，对截齿的平均受力、截割头对旋转轴的截割阻力矩、截割电机的功率及其单位能耗等参数指标进行计算评估，与瞬时负载情况对比分析，对以后瞬时负载、功率等计算有指导意义。（1）单个截齿平均截割阻力z载荷公式[12]由式（2.32）知：（2.32）镐形齿牵引阻力y公式由式（2.33）知：N（2.33）镐齿承受侧向力x计算公式由式(2.34)知：，N (2.34) 式中：Pk为截齿类型系数，镐形齿1.5，径向齿为1；Kz为截齿几何形状影响系数，镐形齿Kg=KψKψ’Kd，径向齿Kg=KbKd；Kψ为硬质合金刀头形状系数；Kψ’为刀杆头部形状系数；Kd为硬质合金刀头直径系数；Kb为截齿刀部宽度影响系数，Kb=0.92+0.01b，b是刀齿刃布宽度，单位mm；Kg为截齿前刃面形状影响系数，前刃面是平面，取1，椭圆形或头形前刃面取0.95；Ky’为截齿截角影响系数；T为平均截线距，mm；H为平均切屑厚度，mm；Sj为齿的后刃面磨钝后在牵引方向投影面积，mm2，径向齿取30-40mm2，切向齿取15-20mm2。（2）对截割头旋转轴的截割阻力矩计算[13]由式（2.35）知：（2.35）式中：z为作用在一个截齿上的截割阻力，N；m为每条截线上的齿数；p为截割头上的总截线条数；Dcp为截割头平均直径，m；L为截割头长度，m；Sk为过截割头转轴的截割头纵断面面积，m2;kTp为考虑同时截割煤的截齿个数的系数，最大取0.5；koc为煤岩体松裂系数，最大取1。（3）截割电动机功率计算由式（2.36)得：（2.36)式中n0为截割头每秒转数；η为工作机构传动效率，可取为0.8。2.5.3二维装配图根据计算所得的数据，画出二维装配图，如图2.7所示图2.7二维装配图2.6本章小结本章是此次毕业设计的重点章节。本章根据课题要求对横轴式掘进机进行了设计计算，计算过程包括:截割头的受力运动分析、截割齿的排序方式、截割齿在工作工程中的受力分析等等。通过计算确定了此次毕业设计的参数，这为后面的设计工作做了准备。3.掘进机的三维建模与运动学仿真3.1截割头三维建模3.1.1截割头的建模（1）打开ProE软件，准备建模①：建立新文件[14]。单击“文件”→“新建”菜单项，在弹出的“新建”对话框中，选择“零件”，在“名称”中输入文件名“jiegetou”,使用公制模板mmns_part_solid，单击“确定”按钮，进入零件设计界面。②：激活旋转特征命令。单击“插入”→“旋转”选项，系统进入旋转特征建立界面，弹出如图3.1所示旋转特征操控面板。图3.1旋转特征操控面板图3.2【草绘】对话框图3.3截割头旋转草图③：定义旋转特征的截面。点击”放置”，出现如图3.2所示“草绘”滑动面板，单击“定义”按钮，弹出。选择草绘平面，并定义旋转中心线，绘制截割头旋转平面。如图3.3所示。（2）确定旋转特征的旋转角度模式，制定旋转角度为360゜（3）预览特征。单击操控面板中的图标，浏览所创建的旋转特征，若不符合要求，按“暂停”图标推出暂停模式，继续编辑特征。（4）完成特征。单击操控面板中的“完成”图标，完成旋转特征。如图3.4所示。图3.4旋转所得的截割头初步图形（5）选择合适的位置，做一个平面，并在此平面上进行一个小小的拉伸与上一步中所得的旋转图形进行相交，得到一条螺旋线。（6）截割头底座的绘制第一步：激活拉伸特征命令。单击“插入”→“拉伸”选项，系统进入拉伸特征建立界面，弹出拉伸特征操控面板，如图3.5所示。图3.5拉伸操控面板第二步：定义草绘截面并绘制草图。定义一个内部草图作为拉伸特征的截面。①单击操控面板上的“放置”按钮，出现如图3.6所示的“草绘”滑动面板，单击“定义”按钮，弹出“草绘”对话框如图3.7所示。图3.6“放置”滑动面板图3.7“草绘”对话框②指定草绘平面和草绘平面的参照并绘制草图。（7）预览特征。单击操控面板中的图标，浏览所创建的旋转特征，若不符合要求，按“暂停”图标推出暂停模式，继续编辑特征。（8）完成特征。单击操控面板中的“完成”图标，完成旋转特征。如图3.8所示。图3.8带截齿座的截割头3.1.2截割齿的建模截割头的建模：打开Proe软件，新建文件，利用旋转，拉伸等做出截割齿。截割齿如图3.9所示。图3.9截割齿3.1.3截割头端盖的建模第一步：打开Proe软件，单击“文件”→“新建”菜单项，在弹出的“新建”对话框中选择“零件”，输入文件名“jiegetouduangai.prt”,单击单击确定按钮，进入零件界面。第二步：激活拉伸特征命令。单击“插入”→“拉伸”选项，系统进入拉伸特征建立界面，弹出拉伸特征操控面板，如图3.10所示。图3.10拉伸操控面板第三步：定义草绘截面并绘制草图。第四步：预览、完成特征。第五步：重复以上步骤便可以得到截割头端盖图形，如图3.11所示。图3.11截割头端盖3.1.4截割头的组装第一步：打开Proe软件，单击“文件”→“新建”菜单项，在弹出的“新建”对话框中选择“组件”，输入文件名“jiegetouzuzhuang.asm”，单击“确定”按钮进入组件装配截面。第二步：在子部件中装入第1个元件。单击“插入”→“元件”→“装配”菜单项，从弹出的“打开”对话框中找到“jiegetou.prt”，单击“打开”按钮。在操控面板中选取约束类型为“缺省”，完成第1个元件的装配。图3.12截割头组装第三步：装入第2个元件“jiegechi.prt”。同理激活元件装入命令，并找到零件“jiegechi.prt”，在操控面板中建立约束。不断重复此步骤，完成截割齿的装配。完成组件装配如图3.12所示。3.2其他重要零件的三维建模3.2.1截割头齿轮轴的三维建模（1）截割头齿轮轴的作用齿轮轴主要是为了将减速器输出的力矩传递到左右截割头上，从而使其工作，齿轮轴与截割头的连接方式为键连接，齿轮轴左右两侧各有两个半圆键，传递动力时靠键传递。（2）截割头齿轮轴的三维建模齿轮轴在建模过程中主要是运用拉伸、旋转、镜像等特征命令，其三维图形如图3.13所示。图3.13截割头齿轮轴三维图3.2.2截割部的三维建模（1）截割部的作用截割部是安装此横轴式掘进机减速器的箱体，截割部后面通过螺栓与截割部后连接，截割部后是安装减速器电动机的地方，通过电动机的转动，将动力传递给减速器；截割部的前方通过轴与左右截割头相连，并将减速器中得转矩传出传递给轴，并通过轴来带动左右截割头的转动。（2）截割部建模过程截割部后的建模过程主要是应用Proe中得拉伸、旋转、轮廓筋、镜像、阵列等特征命令做出，其三维图形如图3.14所示。图3.14截割部三维图形3.2.3截割部后的（1）截割部后的作用截割部后是此次设计的横轴式掘进机中安放减速器电动机的地方，此部分作用比较重要，其内部安装电动机，可以输出一定的转矩。截割部后前方与截割部相连，截割部后中电动机输出的转矩传递给截割部中得减速器，从而使得减速器获得转矩，而减速器输出转矩则可以通过齿轮轴带动左右截割头工作，截割部后后面与回转台相连。（2）截割部后建模过程截割部后主要是运用Proe中的拉伸、镜像命令，截割部后是左右对称的，因此在进行三维建模的时候主要是先做了一边，然后进行镜像。截割部后三维建模图形如图3.15所示。图3.15截割部后三维建模图形3.2.4回转台（1）回转台的作用回转台主要用于控制掘进机上下运动和左右摆动，回转台与悬臂液压缸，拉杆液压缸相连接，通过液压缸的伸缩实现掘进机的上下、左右运动。图3.16回转台三维建模图形（2）回转台的建模过程回转台建模过程中主要是运用拉伸、镜像等特征命令实现，其三维建模图形如图3.16所示。3.2.5三维装配图及爆炸图将各个零件组装起来就得到如图3.17所示的三维装配图，以及如图3.18所示的爆炸图。图3.17三维装配图图3.18三维爆炸图3.3齿轮轴的运动学仿真Pro/Engineer的机械设计扩展(mechanismdesignextension,MDX)包含机构设计(mechanismdesign)和机构动力学(mechanismdynamics)两部分内容，描述了在Pro/Engineer组件模式下将组件创建为运动结构并分析其运动的过程，内容包括创建机构模型，以及测量、观察、分析在受力和不受力情况下机构的运动情况。运动学和动力学是工程力学研究的两个重点内容，运动学运用几何学的方法来研究物体的运动，不考虑力和质量等因素的影响，而物体运动和力的关系，则是动力学得研究内容。使用Proe的机构设计模块进行运动学仿真的大体过程为：建立零件→装配运动模型→添加伺服电动机→分析→查看分析结果。具体过程如下：（1）装配运动模型装配时，首先装配基座，定义为“缺省”或者“固定”，然后安装回转台，定义为“销钉”，液压缸中，液压杆相对于液压套筒定义为“滑动杆”，装配液压缸时，要对液压缸进行两次“销钉”连接。（2）添加伺服电动机安装定义完成后，点击“应用程序”→“机构”，进入机构运动仿真界面。所定义的销钉连接或者滑动杆连接都会出现箭头，可以加入电动机。单击“插入”→“伺服电动机”，再单击液压缸上的滑动块标记，点击“轮廓”，定义电动机参数，设置速度为20mm/s。如图3.19所示，并设置其他电机。图3.19伺服电机的定义（3）机构分析加完电机后，单击“分析”→“机构分析”，弹出“分析定义”对话框。设置各个电动机的运动时间，如图3.20所示。设置完成后，单击“运行”，可看到机构的运动。图3.20定义电机运转时间（4）查看分析结果并截图点击“回放”按钮，然后设置保存路径，点击“捕获”就可以将刚才设置的运动保存成动画。运动仿真动画如图3.21所示。图3.21运动仿真动画截图3.4本章小结本章主要介绍了三维建模，以及对此次毕业设计中的关键零部件进行了三维建模及组装,这些关键零部件包括截割头、截割部、截割部后、回转台等。利用三维建模可以将设计零件的外形很好的表达出来，让人看起来更加的直观、更容易理解。而且三维建模后还可以利用Pro/Eingeer软件进行运动仿真，观察所设计掘进机的工作工程。

4.端盖数控加工数控加工是一种用数字化的代码作为指令，由机床数控系统进行处理，并驱动刀具或工件按照指定路线进行运动从而完成零件的自动加工。4.1数控加工的概述4.1.1数控加工的一般原理在数控机床加工零件时，首先要将被加工零件的几何信息和工艺信息数字化。现根据零件的加工图样的要求，确定零件的加工工艺过程、工艺参数、刀具参数，再按照数控机床规定才用的代码和程序格式，将与加工零件有关的信息如工件的尺寸、刀具运动中心轨迹、位移量、切削参数以及辅助操作，等编制成数控加工程序，然后将程序输入到数控装置中，经数控装置分析处理后，发出指令控制机床进行自动加工。4.1.2数控加工的特点数控加工与普通机床加工在方法与内容上有许多相似之处，不同点主要变现在控制方式上。在普通机床上加工零件时，是用工艺卡片、工艺规程来规定每道工序的操作程序，操作人员按规定的步骤加工零件。而在数控加工机床上加工零件时，要把被加工的全部工艺过程、工艺参数和位移数据编织成程序，并以数字信息的形式记录在控制介质上，用它来控制机床加工。因此，与普通机床相比，数控加工具有如下特点：（1）数控加工工艺内容要求具体而详细。（2）数控加工工艺要求严密而精确。（3）制定数控加工工艺要进行零件图形的数学处理和变成尺寸设定值的计算。（4）选择切削用量时，要考虑进给速度对加工零件形状精度的影响。（5）数控加工工艺具有特殊的要求。4.2端盖铣削加工4.2.1端盖零件模型分析端盖零件的模型如图4.1所示。端盖零件主要由凸台和孔组成，要加工的面包括外形轮廓面、上表面、台阶、4个孔等。4个孔采用钻削完成，而其他面可采用各种铣削方法完成。图4.1端盖零件的模型4.2.2端盖的上表面可以使用Pro/NC模块的端面铣削加工，凸台轮廓及其端面可以使用体积块粗加工，4个孔采用钻孔方式加工。攻工步的加工内容、加工方式和所用的刀具如表4.1所示。表4.1加工顺序序号加工内容加工方式刀具1铣上面端面铣削加工Φ60平底刀2加工外形轮廓面孔加工Φ16平底刀3加工上面、台阶轮廓和端面轮廓铣削加工Φ20外圆角铣刀4钻4个小孔轮廓铣削加工Φ40钻头4.2.2数控加工（1）新建数控加工文件①设置工作目录。选择“文件”→“设置工作目录”命令，弹出“选取工作目录”对话框。在磁盘中选择合适位置作为当前工作目录，单击“确定”按钮，完成设置。