冷辗环机建模与运动学仿真开题报告

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2010 年3月30日

学生姓名### 学号########## 专业机械设计制造及其自动化

题目名称

冷辗环机建模与运动学仿真（冷辗环机测量系统的建模与仿真）

课题来源

自选

主要内容

1、冷辗环机测量系统的研究和建模

（1）对冷辗环机测量系统的认识和探究。

冷辗环机的测量系统实际上分布于冷辗环机生产运行的各个阶段，机械手下置环件毛坯时，它的下置最终位置需要机械手缸中相关液压阀的准确测量控制，辗压辊的进给需要主滑块和液压缸的共同配合来进给，圆度辊通过圆度测量来确定环件是否被辗压圆整，两个测量辊通过准确测量环件的截面厚度和环件直径来精确控制环件轧制过程；另外，轧制过程中有许多测量控制条件，有按钮、行程开关、主滑块位置信号、测量滑块位置信号等；执行动作有对机械手缸、圆度辊缸、芯辊缸、测量缸电磁阀的测量控制，还有对进给交流伺服电机速度、辅助控制作用定时器的测量控制。主滑块、测量滑块位置与环件厚度、环件直径有关，工进速度值亦可决定环件厚度，有几个环件厚度就对应有几个阶段的工进测量速度值。总而言之，冷辗环机的各个测量部件共同组成了冷辗环机的测量系统，并准确的测量控制着辗环机的整个环件轧制过程。

（2）确定冷辗环机各测量部件之后，用pro/E软件对其建模。

经仔细分析之后，冷辗环机的测量部件主要有：机械手、辗压辊、测量辊、圆度辊、确定这几个主要部件后，用pro/E软件进行草图绘制，然后对其建模。

（3）对各测量部件用pro/E软件进行装配模拟和运动仿真。

对已建好的各测量部件模型进行简单的装配和组合，做相应的调整后，用pro/E软件进行简单的运行。

（4）对各测量部件运行时结构是否合理，用力学原理进行研究和分析，并作相应合理的修改和配置。

2、冷辗环机的用途和发展前景

冷辗环机的冷碾扩是通过局部连续轧制方法，将小直径厚截面的环形毛坯逐渐辗扩成大直径薄截面的环件，它具有省力，节能、节材、生产率高、生产成本低、产品范围广等显著特点，在工业领域有着广泛的应用，是当今最先进的轴承套圈和环形件的加工方法,其跨时代的革新不仅在于无屑加工,更主要的是质量上的飞跃。其令人折服的性能迫使我们从全新的视角去看待它,这已不仅是轴承圈套和环形件的辗扩与成形,而是对金属性能、后勤保障和经济效益的全面改革，因此，冷辗环机在环件生产方面的应用越来越广泛，它的发展前景一片大好，值得我们每个人去探讨和研究。

3、冷辗环机的工作原理和系统组成

（1）冷辗环机的工作原理

冷辗环机基本结构原理图如下图所示：

冷辗环机基本结构原理图

冷辗环机主要结构包括机座，主滑块，主轧辊及抱辊装置，轴向轧辊装置和主传动部分具体细化后主要由辗压轮，芯辊，圆度辊，测量辊，电磁阀，电动机，机械手等组成。辗环机的工作原理图如图所示，冷辗环机运行时，辗压轮7以恒定的速度顺时针旋转。自动工作每一工作开始，在液压缸3的带动下，由机械手2将环件毛坯轻轻放下，使环件毛坯与芯辊基本同心；接着，在液压缸1的推动下，杠杆6开始摆动，圆度辊8移动至指定位置停止；芯辊液压缸11推动芯辊9穿入换件毛坯孔中；机械手2退回，测量液压缸5带动测量辊4前进压向环件毛坯；轧制过程中，芯辊9在径向进给推动力的作用下，逐渐靠近辗压轮7，环件10在芯辊9和辗压轮7之间的孔型中连续变形，直径逐渐扩大，截面进一步变小，测量辊，圆度辊被动退回，环件尺寸达到要求标准时，停止轧制，芯辊9径向远离辗压轮7；芯辊，测量辊退回原位，进入下一循环。

（2）冷辗环机的动力源

轧制进给系统，传动系统，执行元件的动力源一般由交流伺服电机驱动，另外，其他一些细致的动作主要由液压系统和其它一些辅助系统来控制。

（3）冷辗环机的液压系统

冷辗环机的液压系统主要由四个控制回路组成，它们是机械手缸控制回路，圆度辊缸控制回路，芯辊缸控制回路，测量缸控制回路。

为达到冷碾环机系统工作要求，各个回路的实现方法是这样的，调速方面：节流调速系统结构简单，造价低廉，调速范围大，微调性能好，而且碾环机液压系统需要的功率小，运动速度低，工作负载小。因此，采用节流调速方式。节流阀调速分为进油节流调速和回油节流调速。长时间停机，液压缸内的油液会流回油箱，在回油节流调速方式下，重新向油箱供油时，由于油路中的节流阀不能马上形成背压，进油路没有节流阀，所以泵的流量会全部流入液压缸，使活塞向前冲。而进油节流调速中，在进油路有节流阀控制流量，所以不会造成活塞向前冲。所以，选择进油节流调速回路，以保证各个液压缸平稳换向。圆度辊快进、测量缸快进需要低压大流量，而圆度辊、测量缸被动回退工作阶段需要高压小流量油液。而低压大流量比高压小流量所需时间要短的多，因此从提高效率和节省能源的角度考虑从用两个双联叶片泵，分别用于机械手缸与圆度辊油缸、芯辊缸和测量缸。

（4）冷辗环机的控制逻辑系统

自动循环由主滑块给进，机械手与圆度辊进给，芯辊进给，机械手退，测量缸进，毛坯合格检查，主滑块快进，主滑块工进，末工进，圆度辊主动退，零工进主滑块快退，芯辊退，测量缸退等多个阶段组成。循环过程的控制条件为按钮，行程开关，主滑块位置信号，测量滑块位置信号，执行动作有对机械手缸，圆度辊缸，芯辊缸，测量缸电磁阀的控制，还有对进给交流伺服电机速度，辅助控制作用的定时器进行控制。测量滑块、主滑块的位置与环件厚度，环件直径有关。工进速度值主要由环件厚度决定，在轧制的

最后阶段，测量滑块位置达到末工进设定值时，以末工进速度进给；测量滑块达到零工进设定值时，主滑块停止，进给停止。仅依靠机械系统的弹性回复使环件直径继续扩大；测量滑块位置达到环件直径尺寸控制需要的设定值时，主滑块快速返回。

(5) 冷辗环机的控制系统

控制系统主要由是以PLC为核心的，PLC接受来自人机界面、控制按钮、壁厚光栅、外径光栅以及交流伺服电机驱动器信号，依照相应的控制逻辑，控制液压电磁阀动作，通过交流伺服电机驱动器控制交流伺服电机运转实现径向进给。人机界面完成模具、及其控制等参数设定，完成有关参数显示、机器工作状态显示、壁厚显示、外径显示、故障显示等。操作者通过控制按钮给控制系统发信号来控制环件轧制过程中壁厚光栅、外径光栅对环件壁厚与外径信号的传递，反馈给PLC实现径向进给过程闭环控制、圆度辊动作控制、以及最终尺寸控制，以控制环件轧制整个过程的精准运行。

4、冷辗环机主要技术参数

通过调查研究，本文涉及到的冷辗环机的主要技术参数有：环形外径/mm，环件宽度/mm，环件材料强度极限/Mpa，最大生产率/件每小时，公称轧制力/kN，滑块最大行程/mm，轧制线速度/米每秒，主轴转速/转每分，主轧辊外径/mm，压缩空气公称压力/Mpa，自由空气消耗量/立方米每分钟，芯辊中心高/mm，主轧辊与芯辊最小中心距/mm，电动机功率/kW,外形尺寸（长×宽×高）/mm，碾环机总质量/kg。环件冷辗扩是一种多因素耦合作用下的先进而复杂的局部塑性成形工艺,其中材料参数与进给速度的耦合作用对环件冷辗扩成形有着重要影响。冷辗环机的结构、轧辊及环件几何尺寸、接触条件、载荷加载、摩擦及润滑因素的综合影响，决定了环件冷辗扩的有限元成形过程。

采取的主要技术路线或方法（1）了解环件轧制理论；搞清环件轧制的基本原理。

（2）收集、查阅相关技术资料，进行学习理解，做到消化吸收，以待备用。（3）利用网络资源查阅国内外相关碾环机的技术资料，做更细致，详实的记录，加深理解。

（4）通过联系实际，进行实习或考察访问，积累一些最基本的碾环机的相关性能和结构知识，开始酝酿碾环机相关模型。

（5）对准备好的几种方案作技术经济分析对比，并作出选择，写出开题报告与实习报告。

（6）用Pro/E软件绘制部件装配草图和装置总装草图。

（7）用Pro/E软件设计绘制正规装配图，零件图。

（8）用Pro/E软件将零部件进行装配，模拟环件轧制仿真过程。

预期的成果及形式1．开题报告和实习报告各一份。

2．外文资料翻译一份。

3．毕业论文电子档、打印档各一份。4．Pro/E零件模型和装配模型文件一份。

时间安排第1～2周（3.3～3.13）

1.学习环件轧制理论；搞清环件轧制的基本原理、及相应的过程控制。

2.查阅相关中英文文献资料，对研究内容有一个初步了解。

3.完成外文翻译。

第3～4周（3．15～3.27）