侯伟的慢走丝电火花线切割机控制系统的研究Word下载.docx
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线切割;
单片机;
ISA
DesignandFiniteElementAnalysisontheMainCone'
sAssemblyStructureoftheMainRetarder
Abstract
Themainreducinggearassemblytransferthemotivitytotheconic-gearitmeshed.Inthestructureofthecarmainreducinggearassembly,thebeforehandforceofthelocknutisdirectlyrelatedtotheselectionofthegasket,whenthethicknessofgasketisdifferent,thebehindforceofbearingisdifferentandsoisthedisplacementofthegear.Thispaperassemblyinthestructuralstrengthoftheproblems,afterthemainbridgereducerconeassemblyinthemechanicalassemblytechnologyresearch,analysisofthemainconeassemblyoftheassembly process,Throughanalyzingthestructureofthemainreducer,somemechanicalfactors,Basedonpre-tightenmomentintheprocessofassembly,theanalyticalmodelofthemainreduceisestablishedthroughtheoreticalanalysisoftheconnectionbetweenscrewedmomentandaxleforce.Byusingfiniteelementanalysis,weobtainstressfieldanddisplacementfieldofthemainreducerafterassemblybyfiniteelementmethod.Asaresult,strengthevaluationofthemainreducerisperformed.Basedontheseresults,sometheoreticsuggestionsforthedesignandmanufactureofthemainreducerareprovided.
KeywordsThemainreducinggearassembly;
Bearingblock;
ContactAnalysis;
ANSYS
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目录
摘要
Abstract
第1章绪论1
1.1前言1
1.2国内外研究发展状况2
1.3课题来源及研究内容3
1.3.1课题来源3
1.3.2主要研究的内容3
1.4课题研究的意义3
第2章主减速器装配分析4
2.1汽车主减速器功能4
2.2主减速器装配技术要求4
2.3主减速器装配中轴承的安装及预紧5
2.4本章小结6
第3章主轴的力学分析及主减零件模型的简化7
3.1拧紧扭矩产生的实际轴向力7
3.2轴向力在总成中的分配8
3.3主减总成的模型建立10
3.3.1锁紧螺母和凸缘模型的建立10
3.3.2上下滚子轴承模型的建立11
3.3.3轴承座模型的建立12
3.4本章小结12
第4章各零部件有限元分析13
4.1分析步骤13
4.2设置Ansys的分析环境14
4.2.1轴承座与轴承外圈的接触分析16
4.2.2主锥与下轴承内圈的接触分析17
4.2.3轴承座的有限元分析18
4.3本章小结20
结论21
致谢22
参考文献23
附录外文原文和译文24
绪论
1.1前言
自从上世纪50年代线切割机床诞生以来,线切割机床的控制系统不断发展变化。
世界上最早的一台线切割机床于1955年研制成功,它是依靠投影仪,沿着轮廓手动控制加工轨迹以实现切割加工的。
在这以后,线切割加工经历了靠模仿形、光电跟踪、简易数控直到今天的计算机数字控制(CNC)。
计算机数控引入到线切割加工领域后,随着计算机技术的发展,电火花线切割控制系统也在不断更新换代。
在硬件方面,从单片机到主从结构的PC机控制,计算机群控等。
在软件方面,主要经历了一下三个阶段:
50年代,线切割控制正处于靠模仿形、光电跟踪时期,采用手动、半自动加工简单的工件。
此时,控制软件正处于准备阶段。
60,70年代,微型计算机、数字控制等技术开始出现并迅速应用到制造业.线切割机床逐步实现了从NC到CNC控制,从理论上为单件小批量高精度复杂工件的加工提供了自动化手段。
自80年代以来,数控线切割机床的硬件功能日益完善,自适应控制、全自动化无人操作己逐步实现。
正像其他工业过程一样,WEDM要想实现其间隙状态自动控制必须建立一个数学模型,以描述实际过程中各物理量之间的关系。
由于WEDM过程到目前尚没有一个非常好的数学模型来描述。
故应用一般控制技术,如PID控制技术不易达到良好的控制效果。
因此,在这种情况下,现代控制中的自适应控制首先被应用到WEDM间隙状态控制技术中,以期能对WEDM间隙状态进行有效的自动控制。
世界各国专家学者在这方面做了广泛的探索研究工作。
学者们所做的种种努力都是为了实现一个目标:
在满足表面粗糙度、电极损耗及加工稳定性要求的前提下优化蚀除速度,使生产率尽量提高。
他们研制的WEDM间隙状态控制系统尽管自动化程度已经较高,然而这些控制方法基本上都是控制单一变量,或是互相分离地控制几个变量。
至于变量之间的耦合问题还未涉及到,如工况不同时,许多参数仍需人为设定或事先设定。
有些甚至还需操作者在加工中一面观察加工情况一面调整参数。
更重要的是EDM自适应控制不能仅仅满足于避免短路及有害电弧产生,而是应如何在没有短路和电弧产生的基础上优化加工参数获得更高的工艺指标【lol。
为此,有学者将模糊控制理论运用到电火花线切割间隙状态控制技术当中,我国的学者邓聚龙教授又提出了灰色控制理论等。
但
是这些方法仍然处于理论和探索阶段,需要进一步的实践和研究。
专家系统是研究电火花加工控制的方式之一,该系统是指在某个领域内能够起到人类专家的作用,具有大量的知识和经验的智能程序系统。
它通过某种知识获取手段,把人类专家的领域知识和经验技巧移植到计算机中,并且模拟人类专家的推理、决策过程,表现出求解复杂问题的人工智能。
由于专家系统是一种基于知识的系统,面临的主要是各种非结构化问题,尤其能处理定性的、启发式或不确定的知识信息,经过各种推理过程达到系统的任务目标,而不需要精确的模型,这为解决现代控制理论的局限性提供了重要启示。
另外,知识库保存了领域专家的知识和能力,使得人类的技术知识得到了保存,具有继承性;
而且,专家系统往往汇集众多专家的经验和解决问题的能力,因而在实际的操作中可以超过单个专家的能力。
专家系统的强大功能使它非常适合应用在电火花加工的控制系统中,国外许多研究机构及厂家在这方面做了深入的研究。
相对来说,这方面的工作国内做得较少。
由J.H.Holland教授提出的遗传算法GA(GeneticAlgorithm),是一类借鉴生物界自然选择和自然遗传机制的随机的搜索算法,现已广应用于计算机科学、人工智能、信息技术及工程实践。
该算法借助于计算机编程,一般是将待求问题表示成串(或染色体),即为二进制码或数码串,从而构成一群串,并将它们置于问题的求解环境中,根据适者生存的原则,从中选择出适应环境的串进行复制,且通过交换、变异两种基因操作产生新的一代更适应环境的串群,经这样一代代地不断变化,最后收敛到一个最适应环境的串上而求得问题的最优解。
该算法采用的是群体搜索策略,而不依赖梯度信息,所以特别适用于传统搜索算法难以解决的、复杂的非线性问题;
而且具有并行运算的特点,优化速度很高,适用于实时系统参数的优化。
在电火花加工中,由于电参数对加工工艺效果难以用精确的数学模型描述,为了确定最优加工条件,提高电火花加工效率,基于工艺数据库,采用遗传算法,能够有效地生成经过优化的、加工时间最短或接近最短的加工条件,从而在实用的水平上有效地解决了电火花加工条件优化的问题。
需要指出的是,上述提到的各种控制技术在电火花加工过程中的应用并不是相互独立的。
由于各自都存在着无法自我克服的缺陷,采用单一控制方式对于电火花加工过程很难获得满意的控制效果。
因此,它们之间需要取长补短,在充分发挥自身优势的同时,通过相互结合取得联合增值效应。
如:
对神经网络来说,知识抽取和知识表达比较困难,而模糊信息处理方法对此却很有效;
另一方面,模糊推理很难从样本中直接学习规则,且在模糊推理过程中会增加模糊性,但神经网络却能进行有效的学习,并因采用联想记忆而降低模糊熵。
国内外学者对混合控制方法进行了广泛研究,提出了模糊控制与神经网络的结合、神经网络与遗传算法的结合、模糊控制与遗传算法的结合、模糊控制与灰色预测的结合等混合智能控制理论。
近年来,随着计算机技术的迅猛发展,加上混合智能控制技术的诸多优点,在复杂的电火花加工过程中,系统控制应用混合智能技术已成为必然趋势,但是目前这方面的研究才刚刚起步,实际应用还较少,大部分停留在实验室仿真阶段。
在今后的研究中应该继续加强这方面的研究,与此同时,还需对电火花加工机理和工艺规律进行深入研究。
1.2课题来源及研究内容
在线切割放电加工中,电极与工件之间必须保持适宜的放电间隙。
间隙过大或过小都将使加工过程不稳定:
工件在不断被蚀除的同时电极也会有一定的损耗,间隙会不断扩大。
如果电极不能及时的进给补偿,‘放电过程就会因间隙过大而停止;
反之,间隙过小又会引起拉弧烧伤或短路。
又因为放电间隙变化范围很小,维持适宜的放电间隙就必须靠自动控制系统来完成。
可见,间隙状态的控制是线切割机床N-r控制的一个重要环节,控制系统根据放电间隙大小和放电状态自动控制伺服系统的进给速度,使进给速度与工件材料的蚀除速度相平衡。
在电火花加工中,放电间隙状态的检测和控制算法是间隙状态控制的关键组成部分,它的性能好坏直接影响到加工过程的稳定性和加工质量。
对于电火花线切割加工来说,放电间隙状态控制技术是一项十分重要的技术,对间隙状态控制技术的研究有以下重要意义:
能加强它的实时性;
有效防止断丝,提高加工效率;
保证线切割机床加工质量。
本文对电火花线切割控制技术做以下的研究工作:
1、电火花线切割机间隙状态控制系统总体设计。
通过电火花线切割加工原理,电火花线切割机间隙状态检测方法的现状进行分析,提出了本控制系统的总体设计方案;
2、电火花线切割机间隙状态控制系统硬件设计。
设计了控制电路模拟电源、间隙平均脉宽电压检测电路、电压信号比较电路、A/D与D/A转换电路以及利用单片机AT89C51对硬件系统进行了设计;
详细分析各电器元件组成;
3、电火花线切割机间隙状态控制系统软件设计。
研究了线切割加工间隙状态控制算法,对间隙状态控制程序进行了编写;
为解决本控制卡与系统机通信的问题,编写了基于Windows2000WDM模型的线切割机间隙状态控制系统的驱动程序;
4、对该系统进行初步试验,对硬件和软件进行了调试,同时对结果进行分析,总结了课题的经验和收获,提出了今后研究的方向。
第2章走丝系统的硬件
线切割机控制系统的硬件设计主要完成对电极间隙电压信号的采集,用采集的电压信号和设置的参考电压进行比较,把比较的结果送入单片机
进行处理,其处理过程是由系统的软件来完成的。
本文设计的线切割机间隙状态控制系统的硬件部分主要包括间隙电压检测、电压信号调理、电压信号比较器、AD与DA转换器、单片微机外围电路等。
在系统的设计中,要使硬件完成系统的要求,同时也要考虑有效解决不同信号之间的干扰问题,采取抗干扰措施,抑制干扰源,阻断干扰传输通道。
由此本控制系统的硬件结构框图如图2.1所示。
图2.1硬件系统结构框图
各种元器件的选择要能满足线切割机的加工性能,其中电压检测电路中模拟开关的设计,其频率要与间隙脉冲保持同步。
这样才能剔除脉间的干扰,输出的脉宽信号更好地反映加工状态。
在模数转换的设计上,并没有选取独立的采样保持器,而是选用了自带采样保持器的芯片。
这样可提高系统抗干扰能力,简化硬件同时也提高了系统的速度和可靠性。
间隙电压的检测点并不在加工间隙附近的电极丝与工件之间,因此检测到的即所讨论的间隙电压高于实际的间隙电压,所以在检测电路中,须考虑到这一点,并作出一定的校正。
因此检测电路并不是孤立存在的,它是控制电路的一部分,设计时应兼顾后级电路,以提高整体性能。
为使系统具有较强的灵活性,硬件系统中的参考电压由系统机提供,这样可以根据不同的加工条件提供不同的参考电压。
2.1控制电路的模拟电源
在控制电路中所用到的信号不仅有数字量还有模拟量,而且所用到的电压也包括了士15V在内,所以有必要使用电压转换电路。
为了得到电路中所需要的模拟电压+15V(主要用于运放电路)和+5V,还有特殊需要的12V、10V,在电路中使用了LM7815、LM7812、LM7810、LM7805和LM7915、LM7905。
它们都属于三端口电压调整器。
LM78XX、LM79XX系列是美国半导体公司的固定输出三端稳压器集成
电路。
我国和世界各大集成电路生产商均有同类产品可供选用,是使用极为广泛的一类串连集成稳压器。
LM78XX系列的芯片,其管脚分布如下:
1-Input(输入:
正电压);
2-Ground(接地);
3-Output(输出:
正电压)。
它们具有如下特性:
输出电流1.5A以上;
内置过热保护电路;
无需外部元件;
输出晶体管安全范围保护;
内置短路电流限制电路;
可选用铝壳TO.3封装、TO.220塑料封装112。
图2.1LM78XX系列三端稳压器典型电路
LM79XX系列的芯片,其管脚分布如下:
1一Ground(接地);
2-Input(输入:
负电压);
负电压)。
高纹波抑制比;
同样有铝壳TO.3封装、TO.220塑料封装【12】。
图2.2LM79XX系列三端稳压器典型电路
系统中控制电路模拟电源的发生电路如图2.3所示。
图2.3控制电路模拟电源发生
2.2采样开关的设计
在进行间隙平均脉宽电压检测电路的设计时,要用到采样开关。
采样开关受与间隙脉冲同步的控制脉冲控制,只允许脉宽期间的电压信号通过。
本设计中采样开关使用的是电子式模拟开关,其传输或切换的是模拟信号,要使开关不失真地传输模拟信号,要求模拟开关具有高精度和高速度。
模拟开关是一种三稳态电路,它可以根据选通端的电平,决定输人端与输出端的状态。
当选通端处在选通状态时,输出端的状态取决于输人端的状态;
当选通端处于截止状态时,则不管输人端电平如何,输出端都呈高阻状态。
模拟开关在电子设备中主要起接通信号或断开信号的作用。
由于模拟开关具有功耗低、速度快、无机械触点、体积小和使用寿命长等特点,因而,在自动控制系统和计算机中得到了广泛应用【13】。
如图2.21所示,模拟开关电路由两个或非门、两个场效应管及一个非门组成。
模拟开关的真值表见表2.2.2。
图2.2.1模拟开关原理图
表2.2.2模拟开关的真值表
模拟开关的工作原理如下:
当选通端E和输入端A同为1时,则S2端为0,Sl端为l,这时VTl导通,V他截止,输出端B输出为l,A=B,相当于输入端和输出端接通。
当选通E为0时,而输人端A为0时,则S2端为1,Sl端为O,这时VTl截止,VT2导通,输出端B为0,A=B,也相当于输人端和输出端接通。
当选通端E为O时,这时VTl和VT2均为截止状态,电路输出呈高阻状态。
从上面的分析可以看出,只有当选通端E为高电平时,模拟开关才会被接通,此时可从A向B传送信息;
当输人端A为低电平时,模拟开关关闭,停止传送信息。
选用模拟开关时:
(1)传输电压范围不能超过电源电压范围(VDD"
Vss),否则影响开关特性比VDD至少低2V,若=15V,则Vi=3~11V最佳。
(2)模拟开关属于电压控制器件,控制电流极小。
被传输的信号常是电压信号,它要求后接电路有高阻输入特性。
在模拟开关后跟高输入阻抗的运算放大器(运算放大器一般接成跟随器),可以起到隔离作用,使模拟开关能够正确地传输信号。
CMOS模拟门其作用是用作电压控制开关。
本文采用CD4066模拟开关,CD4066是一种双向模拟开关,在集成电路内有4个独立的能控制数字及模拟信号传送的模拟开关。
每个开关有一个输人端和一个输出端,它们可以互换使用,还有一个选通端,当选通端为高电平时,开关导通;
当选通端为低电平时,开关截止。
使用时选通端是不允许悬空的。
为了能与间隙脉冲同步进而有效的对间隙电压进行控制,本文利用74LSl9六倒相器(施密特触发)来完成。
采用施密特触发器不仅能够完成信号传输同时还可以对脉冲波形整形以消除在波形的上升沿和下降沿产生的振荡现象。
2.3D/A转换电路部分
本系统需要有上位机向其提供一个参考电压,用于对测量的实际电压信号一个比较的基准,才能对工作状态进行判断并发出控制指令。
由于检测的电压信号是模拟量,需要把上位机发出的信号转换为模拟量才能进行比较,因此我们需要一个数模转换装置。
通过分析D/A转换器的工作原理及特性,结合本系统的情况,我们采用数模转换芯片DAC0832。
DAC0832是采用CMOS工艺制成的双列直插式单片直流输出型8位D/A
转换器,能完成数字量输入到模拟量(电流)输出的转换。
一个8位D/A转换器有8个输入端(其中每个输入端是8位二进制数的一位),有一个模拟输出端;
输入可有28=256个不同的二进制组态,输出为256个电压之一,即输出电压不是整个电压范围内任意值,而只能是256个可能值。
图3.7为DAC0832的引脚图和内部结构图。
其主要参数如下:
分辨率为8位,转换时间为lp,s,满量程误差为士ILSB,参考电压为(+10~.10)V,供电电源为(+5~+15)V,逻辑电平输入与TTL兼容。
从图3.7中可见,在DAC0832中有两级锁存器,第一级锁存器称为输入寄存器,它的允许锁存信号为ILE,第二级锁存器称为DAC寄存器,它的锁存信号也称为通道控制信号/XFERt211。
图2.3.1DAC0832的引脚图和内部结构图
当ILE为高电平,片选信号/CS和写信号/WRl为低电平时,
输入寄存器控制信号为1,这种情况下,输入寄存器的输出随输入而变化。
此后,当/WRl由低电平变高时,控制信号成为低电平,此时,数据被锁存到输入寄存器中,这样输入寄存器的输出端不再随外部数据DB的变化而变化。
对第二级锁存来说,传送控制信号/XFER和写信号/WR2同时为低电平时,二级锁存控制信号为高电平,8位的DAC寄存器的输出随输入而变化,此后,当/WR2由低电平变高时,控制信号变为低电平,于是将输入寄存器的信息锁存到DAC寄存器中。
图2.3.1中其余各引脚的功能定义如下[221:
(1)D17"
DIo:
8位的数据输入端,D17为最高位。
(2)Iotrrl:
模拟电流输出端l,当DAC寄存器中数据全为1时,输出电流最大,当DAC寄存器中数据全为0时,输出电流为O。
(3)Iotrn:
模拟电流输出端2,Iour2与Iotrn的和为一个常数。
(4)Rva:
反馈电阻引出端,DAC0832内部已经有反馈电阻,所以RFa端可以直接接到外部运算放大器的输出端,这样相当于将一个反馈电阻接在运算放大器的输出端和输入端之间。
(5)VREF:
参考电压输入端,此端可接一个正电压,也可接一个负电压,它决定O至255的数字量转化出来的模拟量电压值的幅度,VREF范围为(一10"
-"
+10)V。
VREF端与D/A内部T形电阻网络相连。
(6)Vce:
芯片供电电压,范围为(+5~15)V。
(7)AGND:
模拟量地,即模拟电路接地端。
(8)DGND:
数字量地,可与AGND接在一起使用。
DAC0832输出的是电流,一般要求输出是电压,所以还必须经过一个外接的运算放大器转换成电压。
线路如图2.3.2所示。
运放uA741引脚6输出的电压信号。
图2.3.2DAC0832电路连接图
2.4电压信号比较电路
设置比较环节用以根据“设定值’’预置间隙合适电压(实际上是伺服参考电压Sv)以适应不同的加工规准。
实质上是把从测量环节得来的信号(例如间隙平均电压信号‰)和“给定值"
的信号(例如预置的伺服参考电压信号Sv)进行比较,再按此值来控制加工过程。
不断地将两电压比较,根据比较结果才有可能将电极丝与被加工工件之间的间隙调整到最佳状态。
系统设计的电压比较电路如图2.4.1所示。
在设计中选用集成运算器uA747
来实现电压的比较,它由两个普通运算放大器组成的,它的偏置电压为零的可能性较大。
它的高输入阻抗特点,也使得它被用来作为电压跟随器。
它的引脚结构图如图2.4.2所示。
图2.4.1电压信号比较电路
图2.4.2uA747引脚结构图
uA747的部分引脚说明
(1)IN.:
运算放大器的反相输入端;
(2)IN+:
运算放大器的同相输入端;
(3)VCC.、VCC+:
正负电源;
(4)INl、2N1、1N2、2N2:
偏置电压调整;
(5)OUT:
信号输出端。
2.5A/D转换电路
ADC(Analog.DigitalConverter)是模/数转换通道的核心环节,其功能是将输入模拟电压量转换为与其成比
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