臥式重型數(shù)控車床機床液壓系統(tǒng)設(shè)計帶開題報告.zip
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臥式重型數(shù)控車床液壓系統(tǒng)設(shè)計
摘 要
本文主要研究和設(shè)計內(nèi)容是臥式重型數(shù)控車床液壓系統(tǒng)設(shè)計。臥式重型數(shù)控車床是機械加工行業(yè)的主要設(shè)備之一，其工作過程大多采用液壓控制，液壓系統(tǒng)是臥式重型數(shù)控車床不可或缺的重要部分。
本文通過查閱大量的有關(guān)于液壓系統(tǒng)的相關(guān)文獻(xiàn)，在了解車床運行時的液壓系統(tǒng)特性之后，進(jìn)行深入思考和探索，先明確了總體結(jié)構(gòu)方案，確定并繪制了車床的總體結(jié)構(gòu)簡圖，再結(jié)合車床具體參數(shù)進(jìn)行主軸箱液壓系統(tǒng)設(shè)計，尾臺液壓系統(tǒng)設(shè)計，確定了各液壓元件的參數(shù)，再結(jié)合實際，為液壓系統(tǒng)選擇合理的供油方式。結(jié)合所需元件圖繪制系統(tǒng)原理圖。然后結(jié)合所算出的壓力和流量情況，選用合理的液壓元件，最后進(jìn)行系統(tǒng)性能的驗算，以確保系統(tǒng)達(dá)到要求。
關(guān)鍵詞：液壓系統(tǒng)；數(shù)控車床；主軸箱液壓系統(tǒng)
I
ABSTRACT
The main research and design of this paper is the design of hydraulic system of horizontal heavy-duty CNC lathe. Horizontal heavy-duty CNC lathe is one of the main equipment in machining industry.
In this paper, through consulting a large number of about the hydraulic system of the relevant literature, in understanding the lathe runtime characteristics of hydraulic system, an in-depth thinking and exploration, has been clear about the general structure plan, determine the general structure diagram and draw the lathe, and then combined with the specific parameters of lathe spindle box of the hydraulic system design, the tail of the hydraulic system design, determine the parameters of the hydraulic components, combining reality, to choose reasonable way of oil in the hydraulic system. Draw the system schematic diagram with the required component drawing. Then, combining with the calculated pressure and flow conditions, the reasonable hydraulic components are selected, and finally the system performance is checked to ensure the system meets the requirements.
Key Words：The Hydraulic System; Numerical Control Lathe; Spindle Box Hydraulic System.
63
目錄
摘 要 I
ABSTRACT II
1 緒論 3
1.1 我國機床的歷史以及其現(xiàn)狀 3
1.2 臥式重型車床液壓系統(tǒng)概述 3
1.3 本文主要的研究內(nèi)容和目標(biāo) 4
2. 臥式重型數(shù)控車床結(jié)構(gòu)設(shè)計 5
2.1 臥式重型數(shù)控車床簡圖和主要技術(shù)參數(shù) 5
2.2 機床主要部件結(jié)構(gòu)介紹 5
2.3 加工過程 7
2.4 臥式重型數(shù)控車床總結(jié) 7
3. 臥式重型數(shù)控車床液壓系統(tǒng)分析 8
3.1臥式重型數(shù)控車床對液壓系統(tǒng)的要求 8
3.2 液壓系統(tǒng)回路分析 9
4. 臥式重型車床主軸箱液壓系統(tǒng)設(shè)計 10
4.1 主軸箱液壓系統(tǒng)方案選擇 10
4.2 主軸箱液壓系統(tǒng)設(shè)計計算 10
4.3 液壓元件明細(xì)表 14
4.4主軸箱液壓系統(tǒng)原理圖 15
4.5 主軸箱液壓系統(tǒng)原理分析 16
5. 臥式重型車床尾臺液壓系統(tǒng)設(shè)計 17
5.1 液壓系統(tǒng)設(shè)計計算 17
5.2 液壓元件明細(xì)表 19
5.3 尾臺液壓原理圖 20
5.4 尾臺液壓系統(tǒng)原理分析 21
6. 液壓系統(tǒng)性能驗算 22
6.1 壓力損失驗算 22
7.2 發(fā)熱溫升驗算 23
7. 結(jié)論 24
參 考 文 獻(xiàn) 25
附錄1：外文翻譯 26
附錄2：外文原文 39
致謝 40
臥式重型數(shù)控車床液壓系統(tǒng)設(shè)計
1 緒論
1.1 我國機床的歷史以及其現(xiàn)狀
我國機床事業(yè)是從無到有，逐漸發(fā)展起來的。從1956 年開始自行設(shè)計、制造了機床并得到很大發(fā)展。如北京、上海、遼寧、山東、江蘇等發(fā)展很快，西北、西南地區(qū)也又新的發(fā)展。國家又重點安排了一批工廠，如大連機床廠、常州機床廠、大河機床廠、長沙機床廠、上海第十機床廠等20 多個工廠生產(chǎn)機床通用部件，為全國各地機械加工部門用機床自己武裝自己創(chuàng)造了非常有利的條件。許多工廠在大搞技術(shù)改造、設(shè)備更新、質(zhì)量翻新的熱潮中，制造了大量的機床及其自動線，成倍地提高了勞動生產(chǎn)率，保證了產(chǎn)量和質(zhì)量，降低了成本。目前，我國大多數(shù)省、市、自治區(qū)都能設(shè)計并制造機床及其自動線，產(chǎn)量、質(zhì)量和技術(shù)水平都在不斷提高。用我國自行設(shè)計與制造的機床及其自動線武裝起來的第二汽車制造廠，經(jīng)投產(chǎn)后證明具有規(guī)模、效率高，具有較高的自動化程度特點物理從工藝方案和布局， 還是從加工精度和質(zhì)量方面看，這些機床及機床自動線都已達(dá)到國際先進(jìn)水平。
臥式重型機床的發(fā)展趨勢是首先廣泛應(yīng)用數(shù)控技術(shù)，國外主要的臥式重型機床生產(chǎn)廠家都有自己的系列化完整的數(shù)控臥式重型機床通用部件， 在臥式重型機床上不僅一般動力部件應(yīng)用數(shù)控技術(shù)，而且夾具的轉(zhuǎn)位或轉(zhuǎn)角、換箱裝置的自動分度與定位也都應(yīng)用數(shù)控技術(shù)，從而進(jìn)一步提高了臥式重型機床的工作可靠性和加工精度。
其次發(fā)展綜合自動化技術(shù)現(xiàn)代工業(yè)的大發(fā)展對自動化制造技術(shù)提出了許多新的需求，大批量生產(chǎn)的高效率， 要求制造系統(tǒng)不僅能完成一般的機械加工工序，而
且能完成零件從毛坯進(jìn)線到成品下線的全部工序。
然后是發(fā)展綜合高速切削技術(shù)，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，高速切削技術(shù)取得了顯著的進(jìn)步。高速、高效、復(fù)合是當(dāng)今機械加工的發(fā)展趨勢。實現(xiàn)高速切削的最關(guān)鍵技術(shù)是研究開發(fā)性能優(yōu)良的高速切削機床， 自20 世紀(jì)80 年代中期以來，開發(fā)高速切削機床便成為國際機床工業(yè)技術(shù)發(fā)展的主流。
機床工業(yè)是現(xiàn)代工業(yè)特別是現(xiàn)代制造業(yè)的基礎(chǔ)，在國民經(jīng)濟中占有重要的戰(zhàn)略地位。當(dāng)今社會企業(yè)的發(fā)展壯大,都離不開創(chuàng)新，臥式重型機床行業(yè)企業(yè)一要開展科技攻關(guān), 攻克當(dāng)前行業(yè)企業(yè)技術(shù)發(fā)展上的難題。當(dāng)今科學(xué)技術(shù)快速發(fā)展,傳統(tǒng)的臥式重型機床已經(jīng)落后,企業(yè)需要立足根本,重點把關(guān),把企業(yè)科研能力當(dāng)成重中之重,使企業(yè)的創(chuàng)新能力到達(dá)一個新的平臺。
1.2 臥式重型車床液壓系統(tǒng)概述
通過閱讀文獻(xiàn)我了解到了臥式重型數(shù)控車床的液壓系統(tǒng)設(shè)計需要結(jié)構(gòu)簡單，體積小，重量輕，輸出壓力大，運動平穩(wěn)可靠等要求。其主要元件有油箱，泵，閥，液壓電機，操縱板等等。
對于臥式重型數(shù)控車床的液壓系統(tǒng)設(shè)計初步構(gòu)想是：將該車床液壓系統(tǒng)分為兩個部分，這兩個部分相互獨立，分別為主軸箱和尾臺液壓系統(tǒng)，其工作方式為控制缸的運動，用于控制車床主軸箱的齒輪變速，以及起到潤滑作用，和尾座套筒的伸縮及尾座體鎖緊固定于床身上。
液壓技術(shù)作為實現(xiàn)現(xiàn)代傳動與控制的關(guān)鍵基礎(chǔ)技術(shù)之一，已成為工業(yè)機械、工程建設(shè)機械及國際尖端產(chǎn)品不可缺少的重要技術(shù)基礎(chǔ)。它是向著自動化、高效率、高精度、高速度、輕量化、小型化方向發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)。世界工業(yè)發(fā)達(dá)國家都將液壓工業(yè)列為競爭發(fā)展的行業(yè)，其發(fā)展速度遠(yuǎn)高于機械工業(yè)的發(fā)展速度。液壓元件及其控制已發(fā)展成為綜合的液壓工程技術(shù)。
1.3 本文主要的研究內(nèi)容和目標(biāo)
臥式重型數(shù)控車床在當(dāng)今的裝備制造業(yè)已經(jīng)占有了重要的地位，成為機械加工行業(yè)的主要設(shè)備之一，得到了越來越廣泛的使用。
臥式重型數(shù)控車床技術(shù)含量高，剛性強，精度穩(wěn)定，高效節(jié)能，功率大，適用于強力或高速切削加工直徑 較大的重型機械零件，如大型法蘭、重型軸件和管件、各種閥門、汽輪機配件等等，廣泛應(yīng)用于風(fēng)電、石油、化工、造紙、紡織、礦山、船舶、航空、橡膠、模具、汽車配件、加工如汽輪機轉(zhuǎn)子、圍帶、發(fā)電機、水輪機轉(zhuǎn)子、機器主軸、卷揚機等等機械制造加工業(yè)。
目前的社會都在向著機械化發(fā)展，大量的機械產(chǎn)品被應(yīng)用到了很多的領(lǐng)域，隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，臥式重型數(shù)控機床液壓系統(tǒng)的應(yīng)用也非常的廣泛，尤其是在改造升級車間的自動化程度，大力發(fā)展制造業(yè)，更加顯示出了這門技術(shù)的重要。對其應(yīng)用我們從以前的懵懂變成了如今的了解，這使我們可以更加準(zhǔn)確的使用它，從而發(fā)揮出它更多的價值來推動我們社會的發(fā)展。
基于這樣的大背景下，我認(rèn)為完成臥式重型數(shù)控車床的液壓系統(tǒng)具有很強的現(xiàn)實意義和理論價值，通過不斷的深入學(xué)習(xí)，把所學(xué)過的各類知識通過這次論文寫作，進(jìn)行融會貫通，提高自己的知識水平，當(dāng)然如果能為后人進(jìn)行臥式重型數(shù)控車床的設(shè)計起到微不足道的貢獻(xiàn)，那就更好了。
2. 臥式重型數(shù)控車床結(jié)構(gòu)設(shè)計
2.1 臥式重型數(shù)控車床簡圖和主要技術(shù)參數(shù)
圖2.1 臥式數(shù)控車床簡圖
為了高效快捷的加工各種超大型、大型回轉(zhuǎn)體工件，臥式重型數(shù)控車床的設(shè)計勢在必行，本車床由私服電機、主軸箱，X 軸/Z 軸進(jìn)給機構(gòu)、刀架、尾臺、輔助支架、液壓系統(tǒng)等部件組成。車床的簡圖見圖2.1。
主要技術(shù)參數(shù)
最大切削長度：5000mm；
最大切削直徑：3000mm；
最大加工工件直徑：3000mm；
主軸轉(zhuǎn)速范圍：1~200（r/min）;
X 軸行程：1250mm；
Z 軸行程：5000mm；
X 軸移動速度：5m/min；
Z 軸快移速度：6m/min；
負(fù)載F=25000N
2.2 機床主要部件結(jié)構(gòu)介紹
2.2.1 床身
為滿足實際加工過程中大型加工件的重力支撐等力學(xué)因素，機床床身應(yīng)具有較高的剛度，選用合理的內(nèi)部構(gòu)形來滿足系統(tǒng)的剛度要求，導(dǎo)軌及復(fù)導(dǎo)軌面均采用低頻淬火磨削工藝，淬硬層深3 ～ 4mm，硬度則在50 HRC 以上。導(dǎo)軌面應(yīng)注意減輕低速爬行現(xiàn)象的發(fā)生帶來的危害，所以在滑動導(dǎo)軌面處采用一些措施，如貼防爬行導(dǎo)軌板等工藝，使進(jìn)給系統(tǒng)的摩擦阻尼系數(shù)和剛度等動態(tài)特性處于一個合適的狀態(tài)，降低了低速爬行現(xiàn)象的發(fā)生的可能性。由于要加工大型工件，床身需要較高的定位精度，本機床床身采用多段接駁而成，連接處有螺栓及銷釘，能夠滿足數(shù)控系統(tǒng)運行時所需的連接剛性和定位精度，做到定位可靠，連接穩(wěn)固。
2.2.2 主軸箱
本機床的主軸箱采用私服電機直接驅(qū)動，其傳動過程采用：主電動機—皮帶傳動—齒輪變速，這種傳統(tǒng)的傳動方式，并通過主軸箱液壓系統(tǒng)來實現(xiàn)速度控制。該機床有2 檔轉(zhuǎn)速，第1 檔轉(zhuǎn)速為1 ～ 80 r /min，第2 檔轉(zhuǎn)速為3 ～ 250 r /min，每檔內(nèi)都均可實現(xiàn)無級變速。油缸總共有三個位置，每個位置上都有一個固定齒輪 ( 其中有1 個位置為空檔，空檔也就是手動檔，空檔時可手動轉(zhuǎn)動卡盤)，從而實現(xiàn)了2級轉(zhuǎn)速。主伺服電機的起停與正反轉(zhuǎn)分別控制主軸的正反轉(zhuǎn)和剎車減速。
2.2.3 尾座
圖2.2 臥式數(shù)控車床尾座結(jié)構(gòu)簡圖
本機床尾座因考慮到靈活性和實際情況的復(fù)雜性，采用了電動、手動均可的雙操作模式。其結(jié)構(gòu)見圖2.2。
尾座移動與鎖緊的操作方式：尾座沿床身在Z 軸方向整體移動或者鎖緊。移動由電動機六拖動一套齒輪傳動機構(gòu)來實現(xiàn)。也可用手搖動四方扳手，來實現(xiàn)尾臺的前后移動。尾座的鎖緊依賴于四個液壓鎖緊油缸，尾座上裝有四個液壓鎖緊油缸，在尾座到達(dá)預(yù)定的位置后進(jìn)行泄壓，通過彈簧拉緊拉桿使尾座緊緊的固定在床身上。
尾座頂尖伸縮與頂緊的操作方式：只要讓電動機五 正反轉(zhuǎn)，而這可以通過車床的數(shù)控系統(tǒng)做到，使用傳動機構(gòu)拖動尾座套筒的伸縮與頂緊。 此外也可以通過手動推動手輪一與蝸桿軸離合器嚙合，根據(jù)具體需求可以搖動手輪來使尾座的頂尖伸縮。
2.2.4 X軸與Z軸進(jìn)給運動
X軸的進(jìn)給運動由兩臺伺服電機控制，在數(shù)控系統(tǒng)的操縱下可以實現(xiàn)兩臺電機同步運動，私服電機經(jīng)過皮帶連接高精度的滾珠絲杠和皮帶輪，來達(dá)到驅(qū)動的目的。Z軸的進(jìn)給運動由電動機直接連接減速器，減速器上齒輪和車床床身的齒輪進(jìn)行嚙合，達(dá)到傳動的效果，傳動精度有了可靠的保障。
2.3 加工過程
加工過程和大部分?jǐn)?shù)控車床相似，臥式重型數(shù)控車床也是有簡單的一套流程的，首先寫入程序，將刀具等運動部件調(diào)整到零點，進(jìn)行回零操作，調(diào)出寫好的加工程序，啟動加工程序，機床的各個部件將按照程序運作，對工件進(jìn)行加工，通過X，Z軸的聯(lián)動可以完成空間曲面的加工。由于臥式重型車床主要進(jìn)行大型工件和超大型工件的加工，對于工件的放入和取出需要一定的工件配合，同時要注意避免在期間發(fā)生意外造成工人的傷害。加工完成之后，各部件返回零點，刀具停止運動，主軸停止轉(zhuǎn)動，等待下個加工任務(wù)的到來。
2.4 臥式重型數(shù)控車床總結(jié)
該臥式重型數(shù)控車床可以出色的完成各類圓弧、螺紋、圓錐以及各種回轉(zhuǎn)體的內(nèi)外曲面加工，也能滿足部分大型有色金屬工件的切削速度要求，很好的解決了實際生活中各類超大型或者大型回轉(zhuǎn)體工件在加工時遇到的難以高效，大批量，高精度的進(jìn)行加工的問題。
臥式重型數(shù)控車床設(shè)計不是本課題的主要研究對象，但是臥式重型數(shù)控車床液壓系統(tǒng)設(shè)計離不開對臥式重型數(shù)控車床的認(rèn)知，把握好臥式重型數(shù)控車床的總體結(jié)構(gòu)，有利于下一步的液壓系統(tǒng)設(shè)計。
3. 臥式重型數(shù)控車床液壓系統(tǒng)分析
3.1臥式重型數(shù)控車床對液壓系統(tǒng)的要求
液壓系統(tǒng)設(shè)計流程為以下幾個部分，首先是明確產(chǎn)品的設(shè)計要求，然后對加工工件的狀態(tài)進(jìn)行工況分析，在工況分析完后進(jìn)入計算部分，此時要確定執(zhí)行元件的主要參數(shù)，如工作壓力，流量等等內(nèi)容都有在這里進(jìn)行計算，再進(jìn)行擬定系統(tǒng)的原理草圖，查閱液壓手冊進(jìn)行元件的選擇，確定下來主要的元件之后，對整個系統(tǒng)進(jìn)行驗算性能，如果驗算結(jié)果沒有問題，則開始繪制工作圖，以及其他技術(shù)文件。如果出現(xiàn)問題則返回檢驗執(zhí)行元件的主要參數(shù)部分，重新規(guī)劃并選擇參數(shù)。
液壓系統(tǒng)的設(shè)計是整機設(shè)計的一部分，它要符合主機動作循環(huán)和動態(tài)以及靜態(tài)性能方面的要求，除此之外，它還要滿足以下這些要求，首先是工作安全有保障，結(jié)構(gòu)相對簡單，效率高，經(jīng)濟實惠，壽命符合要求，維護(hù)容易且方便。
液壓系統(tǒng)的設(shè)計沒有完全固定的格式，因?qū)嶋H情況的不同，和設(shè)計人員自己的需求而在做法上有很大的不同，此番課題研究的主要是臥式重型數(shù)控車床液壓系統(tǒng)的設(shè)計要求，液壓系統(tǒng)的分析。
在設(shè)計過程中首先要考慮以下幾個方面，這些方面是整個設(shè)計的基石，是做出設(shè)計的依據(jù)，要明確液壓系統(tǒng)的動作和性能要求就要涉及到以下方面：
主機的概況，主機的用途、主要結(jié)構(gòu)，技術(shù)參數(shù)、性能要求，主機對液壓系統(tǒng)中的液壓元件所在位置和空間尺寸上的限制，整個液壓系統(tǒng)的工作環(huán)境。
本課題研究的臥式重型數(shù)控車床液壓系統(tǒng)設(shè)計，所使用的為伺服電機，伺服電機控制主軸的轉(zhuǎn)停，以及主軸的減速和加速，車床的主要技術(shù)參數(shù)已經(jīng)在上文有所提及，現(xiàn)不再贅述。液壓系統(tǒng)的主要結(jié)構(gòu)：首先這個液壓系統(tǒng)由兩個獨立的液壓系統(tǒng)組成，其一是相對復(fù)雜的主軸箱液壓系統(tǒng)，另外一個則是相對簡單的尾臺液壓系統(tǒng)。主機對液壓系統(tǒng)的影響不是非常的關(guān)鍵，其對液壓元件所在位置的要求不明，在設(shè)計技術(shù)完成之后應(yīng)當(dāng)檢驗液壓元件位置是否符合實際要求。整個液壓系統(tǒng)的工作環(huán)境應(yīng)為封閉的有完整循環(huán)的管道內(nèi)。
液壓系統(tǒng)的作用或者說任務(wù)，以及其對應(yīng)的要求。液壓系統(tǒng)應(yīng)該完成的動作，液壓元件是如何工作的，包括移動，旋轉(zhuǎn)，擺動等等運動方式，液壓元件的載荷大小，以及其負(fù)載的性質(zhì)和來源。液壓執(zhí)行的動作順序和連接關(guān)系，各個動作的同步要求，液壓系統(tǒng)的工作性能要求，還有就是液壓系統(tǒng)對于控制部件的要求。
該臥式重型數(shù)控車床中液壓系統(tǒng)的主要作用有兩個，分別是主軸箱液壓系統(tǒng)起到換檔和潤滑齒輪的作用，而尾臺液壓系統(tǒng)起到一個控制尾臺移動和固定其于床身上的效果。這是這個臥重型車床的液壓系統(tǒng)在整個臥式重型數(shù)控車床中起到的作用。
由于和傳統(tǒng)的臥式數(shù)控車床不同，該臥式重型數(shù)控車床的液壓系統(tǒng)主要就由尾臺液壓系統(tǒng)和主軸箱液壓系統(tǒng)組成。至于為什么要使用液壓系統(tǒng)進(jìn)行控制，這是由于該臥式數(shù)控車床對于傳動的平穩(wěn)性和控制的準(zhǔn)確性的要求很高，而液壓系統(tǒng)所要達(dá)成的要求是輸出力大、重量輕、慣性小、調(diào)速方便且易于控制，這對于整個數(shù)控車床的性能提升有著無法取代的作用。
液壓系統(tǒng)的環(huán)境條件和工作環(huán)境，環(huán)境濕度、環(huán)境溫度、周圍介質(zhì)、外界振動沖擊等等，防火防爆以及抗干擾性質(zhì)。
液壓系統(tǒng)處于一個比較封閉的環(huán)境中，外界振動小，防火防爆要求低，抗干擾性良好。
經(jīng)濟性與成本等方面的要求。
臥式重型車床所加工的工件體積一般比較龐大，加工精度也要求高，成本必然相對其他車床較高，但是任然要滿足一定的經(jīng)濟性要求，所以這就對設(shè)計人員的方案有了一定的要求，要求結(jié)構(gòu)盡可能簡單使得成本得到控制。
3.2 液壓系統(tǒng)回路分析
本課題是臥式重型數(shù)控車床液壓系統(tǒng)設(shè)計，在考慮整個設(shè)計對象的時候我挑選了主軸箱液壓系統(tǒng)和尾臺液壓系統(tǒng)兩個部分，作為設(shè)計的主要目標(biāo)，由于主軸箱和尾臺沒有連接，它們實際上是兩個相互獨立的部分，在考量液壓系統(tǒng)的作用時，主軸箱液壓系統(tǒng)起到了變速的作用，事實上也通過設(shè)計方案，利用二位四通電磁換向閥控制缸到達(dá)3個不同的檔位從而實現(xiàn)變速的目的，檔位的設(shè)計分為高速，低速，空檔（手動），既貼合了實際使用情況的不同，保證了靈活性，又很好的完成了檔內(nèi)無級變速的要求，對此我還是比較滿意的。
液壓系統(tǒng)原理圖設(shè)計時，重點考慮去掉重復(fù)的多余的元件，努力使得系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單明了，清晰且方便閱讀，同時也很好的注意避免因為缺少元件而引發(fā)相互干擾的問題。液壓系統(tǒng)的安全性永遠(yuǎn)是重中之重，對此一定要注意安全裝置的設(shè)置，我在兩套液壓系統(tǒng)里利用單向閥，有效的防止了油液倒流現(xiàn)象的發(fā)生，因而設(shè)備和操作人員的安全有了一定的保障。工作介質(zhì)的凈化也是液壓系統(tǒng)的重要組成部分，對于精密的數(shù)控車床而言，該車床的液壓系統(tǒng)必須要單設(shè)一套自循環(huán)的油液過濾系統(tǒng)，這樣即便進(jìn)行24小時的連續(xù)作業(yè)，也能盡可能的避免意外的發(fā)生。操作手冊應(yīng)做的提醒對液壓系統(tǒng)的關(guān)鍵部件加設(shè)備用回路和備用零件，同時部分液壓元件也需要進(jìn)行一定的備用準(zhǔn)備。如此一來作為臥式重型數(shù)控車床液壓系統(tǒng)的設(shè)計，我的設(shè)計任務(wù)已經(jīng)基本完成了，希望我做的工作能對后來者有一點裨益效果，仍然令人遺憾的是對于臥式重型數(shù)控車床的設(shè)計，由于能力的限制和時間的不足，并不能進(jìn)一步的完成有關(guān)設(shè)計，但即便是簡易的臥式重型數(shù)控車床液壓系統(tǒng)設(shè)計的工作，能夠在指導(dǎo)老師的幫助下順利完成也算是令人欣喜的小成就了。
4. 臥式重型車床主軸箱液壓系統(tǒng)設(shè)計
4.1 主軸箱液壓系統(tǒng)方案選擇
主軸箱液壓系統(tǒng)最主要的作用是通過設(shè)置三個不同的檔位來實現(xiàn)變速的效果，這就要從結(jié)構(gòu)上想清楚整體的元件選擇，和工作原理。我設(shè)想的主軸箱液壓系統(tǒng)依賴于控制油缸的左右或者上下運動來控制機床主軸箱的齒輪變速，當(dāng)然也同時兼顧了齒輪的潤滑。
通過查閱相關(guān)資料，我發(fā)現(xiàn)可以利用二位四通電磁換向閥來進(jìn)行油路的改變，從而推動油缸位置的變化，而油缸的預(yù)設(shè)位置有三個，每個位置對應(yīng)一個固定齒輪，分別為高速檔，低速檔，空檔，其中空檔也就是手動檔，當(dāng)缸處于空檔的時候，可以手動調(diào)整卡盤。
對于整個液壓系統(tǒng)的元件選擇而言，我預(yù)設(shè)的液壓元件有吸油過濾器、定量葉片泵、壓油過濾器、空氣過濾器、管式單向閥、操縱板、控制閥等等，在以上準(zhǔn)備工作做完后，主軸箱液壓系統(tǒng)的基本方案已經(jīng)確定了，接下來就是液壓系統(tǒng)的設(shè)計計算工作。
4.2 主軸箱液壓系統(tǒng)設(shè)計計算
4.2.1 要求液壓系統(tǒng)完成的工作
主軸變速缸在低速檔，空檔，高速檔之間轉(zhuǎn)換。
4.2.2 技術(shù)參數(shù)
最大切削長度：5000mm；
最大切削直徑：3000mm；
最大加工工件直徑：3000mm；
主軸轉(zhuǎn)速范圍：1~250（r/min）
4.2.3 工況分析
分析并繪制運動部件的速度循環(huán)圖（見圖4.1）
圖4.1 速度循環(huán)圖
由圖4.1可知主液壓缸啟動后，當(dāng)速度達(dá)到3.125m/s時保持勻速運動，從空檔到達(dá)低速檔或者高速檔之后停止。
計算并繪制負(fù)載圖
圖4.2 負(fù)載圖
通過分析可知液壓缸受兩部分負(fù)載
a.運動部件由于速度發(fā)生變化引起的慣性負(fù)載Fi
Fi=Gg ?v?t=250009.8×3.1250.78N=10200N
其中G為運動部件的重量，g為重力加速度。
b.平導(dǎo)軌的摩擦力Ff
Ff=fG=0.1×25000N=2500N
最大負(fù)載為慣性負(fù)載為10200N。
4.2.4 液壓系統(tǒng)計算
液壓缸尺寸
1.工作壓力的確定，查手冊，數(shù)控車床的p為1.3MPa。并且取d/D=0.7
2.計算D和d
F=AP=π4D2p
其中F為最大負(fù)載，A為受壓面積，D為缸內(nèi)徑。
D=4Fπp=4×10200π×1.3×106m=0.098m=98mm
圓整值：缸的內(nèi)徑為100mm，活塞桿取70mm
3.計算液壓缸所需流量
q=π4D2-d2v=π4（0.12-0.072）×3.125m3/min= 12.5L/min
確定液壓泵的流量、壓力、規(guī)格
（1）壓力的確定
Pp=p+?p=1.3+0.5MPa=1.8MPa
（2）流量的確定
qp=K1×q=1.2×12.5L/min=15L/min
其中K1為泄露系數(shù)取1.2，q為油缸所需流量的最大值。
選電機
電機的工作功率
p1=F×V=1.8×4.5515.6×0.7kW=0.75kW
電機的功率為0.75kW。
溢流閥的選擇
溢流閥的流量應(yīng)該按照液壓泵的最大流量來進(jìn)行選取，并且要注意其允許的最小穩(wěn)定流量，一般的來說其最小的穩(wěn)定流量為額定流量的15%以上。
溢流閥的壓力調(diào)整范圍為0.8~3MPa，所以選擇HY—H10型號溢流閥，其壓力為5MPa，額定流量為20L/min，調(diào)壓范圍為0.6~5MPa。
換向閥的選擇
按照系統(tǒng)要求來選擇換向閥，因為系統(tǒng)壓力為1.3MPa，系統(tǒng)工作流量為15L/min，所以選擇流量為15L/min，壓力為3MPa的HYZ—L10/100二位四通電磁換向閥。
單向閥的選擇
采用外泄式液壓單向控制閥，其控制壓力低，是優(yōu)先考慮的目標(biāo)。選擇MCA—03型號的單向閥，其工作壓力為1.6MPa， 最大流量為20L/min滿足要求。
過濾器的選擇
液壓系統(tǒng)對油液的清潔度有一定的要求，為了使得系統(tǒng)能夠正常工作，需要用到過濾器等輔助元件，過濾器應(yīng)要滿足系統(tǒng)對工作介質(zhì)即油液清潔度的要求；過流能力應(yīng)大于實際通過流量的2倍；其承受壓力要大于系統(tǒng)工作時的最大壓力。選擇MU—16型號過濾器，其壓力為1.6MPa，通過流量為16L/min，過濾精度為80，滿足要求。
冷卻器的選擇
在本車床的液壓系統(tǒng)中，靠自然冷卻無法滿足使油溫在限定的最高工作溫度之下，需安裝冷卻器進(jìn)行強制冷卻，選擇FL—02型號冷卻器，其工作壓力為1.6MPa，傳熱系數(shù)為55，壓力降為1。
4.3 液壓元件明細(xì)表
表4.1 液壓元件明細(xì)表
序號
元件名稱
型 號
序號
元件名稱
型 號
1
過濾器
MF-04
9
溢流閥
HY—H10
2
液溫計
YWZ-200T
10
冷卻器
FL—02
3
空氣過濾器
AC40-04G-A
11
流量計
LZB-2WB
4
液壓泵
YJ01—01
12
液位計
JS49—16P
5
電動機
YE2—801-4
13
單向閥
MCA—03
6
單向閥
MCA—03
14
二位四通電磁換向閥
HYZ—L10/100
7
管路過濾器
MU—16
15
二位四通電磁換向閥
HYZ—L10/100
8
壓力表
YN-60(0.8~3MPa)
16
油箱
JXS01-08-01
4.4主軸箱液壓系統(tǒng)原理圖
圖4.1 主軸箱液壓傳動原理圖
4.5 主軸箱液壓系統(tǒng)原理分析
油箱進(jìn)油，油采用HL-46號液壓油，先經(jīng)過空氣過濾器，過濾掉空氣，同時液溫計測出油的溫度，油經(jīng)過過濾器，過濾掉絕大部分對器械有害的雜質(zhì)，油液的清潔度為9級，液壓泵將油送往單向泵，這里單向泵起到了保護(hù)液壓泵的作用。而液壓泵采用了定量葉片泵，能夠很好的保證系統(tǒng)的壓力要求。油液經(jīng)過管路過濾器之后，得到了進(jìn)一步過濾。再通過壓力表測出此時的油壓力，壓力的調(diào)節(jié)范圍是0.8~3MPa，溢流閥來進(jìn)行壓力的調(diào)整。途徑流量計，通過使用流量計來測得管路的流量，之后向著圖的左上方冷卻器去了，經(jīng)過冷卻器，冷卻之后進(jìn)入主軸，起到了主軸潤滑的作用。另外一個方向上單向泵也起到了防止油液倒流的保護(hù)作用，重點是二位四通電磁換向閥有兩個電磁鐵，分別是1YA、2YA，電磁鐵的通電狀態(tài)會影響主軸變速缸的檔位情況，從而起到變速的作用，同樣的二位四通電磁換向閥上也有兩塊電磁鐵，我把他們命名為3YA、4YA。這兩個二位四通電磁換向閥總計四塊電磁鐵的狀態(tài)就是決定主軸變速缸的檔位的因素，1YA、4YA同時帶電，且2YA、3YA不帶電的時候主軸變速缸位于高速檔；當(dāng)2YA、3YA同時帶電而1YA、2YA都不帶電的時候，此時主軸變速缸位于低速檔。而如果想要切換到空檔的話那么只需要調(diào)節(jié)二位四通電磁換向閥使得1YA、3YA同時帶電，并且2YA、4YA都不帶電，就可以達(dá)到目的。值得注意的是主軸箱采用了這兩個電磁鐵控制的并帶有鋼球來起到定位作用的二位四通電磁換向閥，這樣定位可靠性有了保障，也確保了萬一發(fā)生停電或者電磁鐵失靈等事故的情況下，主軸變檔位置變化事故帶來危害最小。以上的內(nèi)容就是整體的控制思路，由于系統(tǒng)原理圖是表示系統(tǒng)組成和工作原理的圖紙。擬定系統(tǒng)原理圖是整個液壓系統(tǒng)設(shè)計的核心，它決定了整個系統(tǒng)是如何工作的，也是其他圖紙的設(shè)計依據(jù)，設(shè)計方案的合理性我會在后文進(jìn)一步的進(jìn)行檢驗計算，包括壓力損失驗算和發(fā)熱溫升驗算，如果不能滿足壓力損失驗算和發(fā)熱溫升驗算，則需要重新設(shè)計液壓系統(tǒng)原理圖。在設(shè)計之初，我將各個回路加以整合、整理加以綜合從而構(gòu)成了一個完整的系統(tǒng)，在滿足工作機構(gòu)運動要求和生產(chǎn)率的前提下，盡量簡化，使得這個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，工作安全，動作平穩(wěn)，效率高，維護(hù)和調(diào)整方便。
5. 臥式重型車床尾臺液壓系統(tǒng)設(shè)計
5.1 液壓系統(tǒng)設(shè)計計算
5.1.1 要求液壓系統(tǒng)完成的工作
當(dāng)二位四通電磁閥上電磁鐵Y1不通電時4個液壓鎖緊缸泄壓，將尾臺固定于床身上，當(dāng)電磁鐵Y1通電時，液壓鎖緊缸處于松開狀態(tài)，此時尾臺可移動。
5.1.2 工況分析
液壓缸的負(fù)載主要是彈簧的拉力，當(dāng)尾臺固定時缸壓力最大，此時為工作負(fù)載
F=4300N
圖5.1 負(fù)載圖
5.1.3 液壓缸尺寸
1.工作壓力的確定，查手冊，尾臺 p為16.5MPa。并且取d/D=0.7
2.計算D和d
F=AP=π4D2p
其中F為最大負(fù)載，A為受壓面積，D為缸內(nèi)徑。
D=4Fπp=4×4300π×1.65×107m=0.0183m=18.3mm
圓整值：缸的內(nèi)徑為20mm，活塞桿取14mm
5.1.4 計算缸所需的流量
q=π4D2-d2v=π4（0.022-0.0142）×13.75m3/min= 2.2L/min
確定液壓泵的流量、壓力、規(guī)格
（1）壓力的確定
Pp=p+?p=16.5+0.5MPa=17MPa
（2）流量的確定
qp=K1×q=1.2×2.2L/min=2.64L/min
其中K1為泄露系數(shù)取1.2，q為油缸所需流量的最大值。
選電機
電機的工作功率
p1=F×V=0.76kW
電機的功率為0.76kW。
溢流閥的選擇
溢流閥的流量應(yīng)該按照液壓泵的最大流量來進(jìn)行選取，并且要注意其允許的最小穩(wěn)定流量，一般的來說其最小的穩(wěn)定流量為額定流量的15%以上。
溢流閥的壓力調(diào)整范圍為0.8~3MPa，所以選擇HY—H12型號溢流閥，其壓力為18MPa，額定流量為10L/min，調(diào)壓范圍為3~20MPa。
換向閥的選擇
按照系統(tǒng)要求來選擇換向閥，因為系統(tǒng)壓力為16.5MPa，系統(tǒng)工作流量為2.2L/min，所以選擇流量為3L/min，壓力為18MPa的HYZ—L12/80二位四通電磁換向閥。
單向閥的選擇
采用外泄式液壓單向控制閥，其控制壓力低，是優(yōu)先考慮的目標(biāo)。選擇MCA—08型號的單向閥，其工作壓力為18MPa， 最大流量為5L/min滿足要求。
過濾器的選擇
過濾器是保障工作介質(zhì)清潔，使系統(tǒng)正常工作必不可少的輔助元件，過濾器應(yīng)要滿足系統(tǒng)對工作介質(zhì)即油液清潔度的要求；為了滿足過流能力應(yīng)大于實際通過流量的2倍；其耐壓要大于安裝部位的系統(tǒng)壓力。選擇MU—20型號過濾器，其壓力為20MPa，通過流量為5L/min，過濾精度為100，能夠滿足要求。
冷卻器的選擇
在本車床的液壓系統(tǒng)中，尾臺液壓系統(tǒng)溫升很小，可以不使用冷卻器
5.2 液壓元件明細(xì)表
表5.1 液壓元件明細(xì)表
序號
元件名稱
型 號
序號
元件名稱
型 號
1
過濾器
MU—20
6
單向閥
MCA—08
2
液溫計
YWZ—200T
7
二位四通電磁換向閥
HYZ—L12/80
3
空氣過濾器
AC40—04G—A
8
溢流閥
HY—H12
4
液壓泵
YBX—18
9
電接壓力表
YXC150(0-30MPa)
5
電動機
YE2—90S—2
10
鎖緊缸
100*70—50
11
油箱
JXS40-02
5.3 尾臺液壓原理圖
圖5.1 尾臺液壓原理圖
5.4 尾臺液壓系統(tǒng)原理分析
尾臺液壓系統(tǒng)作為尾臺的一部分，它起到的主要的作用是用鎖緊缸在尾臺停止移動或者不需要移動的時候?qū)⑽才_固定于床身，四個液壓鎖緊缸在尾臺移動到指定位置之后泄壓，使得彈簧拉緊拉桿，尾座緊鎖于床身上。尾臺的移動則依賴于尾臺裝有的電動機拖動整套齒輪傳動機構(gòu)來進(jìn)行。簡單的介紹完尾臺運動情況之后，尾臺的液壓系統(tǒng)原理從鎖緊缸的運動情況說起，由于4個鎖緊缸是通過彈簧帶動拉桿起到鎖緊效果的，那么可以通過二位四通電磁換向閥的電磁鐵來控制缸的泄壓與加壓，當(dāng)二位四通電磁換向閥上電磁鐵Y1帶電，此時尾臺鎖緊，當(dāng)二位四通電磁換向閥上電磁鐵Y1不帶電時，尾臺的拉桿松開，此時尾臺處于可移動的狀態(tài)。為了達(dá)成這樣的控制效果，我在主軸箱液壓系統(tǒng)上稍作修改，便有了圖5-1的尾臺液壓原理圖。高壓葉片泵將經(jīng)過幾道過濾程序和測量過液體溫度的油輸送到單向泵中，單向泵起到防止油液倒流損傷液壓泵的作用，起到了很好的保護(hù)作用，油液經(jīng)過二位四通換向閥進(jìn)入溢流閥，溢流閥起到壓力調(diào)整的作用。而壓力表則很好的測出了4個鎖緊缸的壓力大小。這就是尾臺液壓系統(tǒng)的工作原理
6. 液壓系統(tǒng)性能驗算
6.1 壓力損失驗算
液壓系統(tǒng)壓力損失包括管道內(nèi)的沿層損失，以及局部損失和閥類元件的局部損失三部分不同的工作階段分開來計算，液壓系統(tǒng)總的壓力損失為
?p=?p1+?p2A2A1
式中：?p—系統(tǒng)進(jìn)油路的壓力損失；
?p1=?p1λ+?p1ζ+?p1υ
?p1λ—進(jìn)油路總的沿層損失；
?p1ζ—進(jìn)油路總的局部損失；
?p1υ—進(jìn)油路上閥的總損失；
?p1υ=?pnqqn2;
?pn—閥的額定壓力損失，由產(chǎn)品樣本中查到；
qn—閥的額定流量；
q—通過閥的實際流量；
?p2=?p2λ+?p2ζ+?p2υ
?p2λ—回油路總的沿層損失；
?p2ζ—回油路總的局部損失；
?p2υ—回油路上閥的總損失；
A1—液壓缸進(jìn)油腔有效工作面積；
A2—液壓缸回油腔有效工作面積。
由此得出液壓系統(tǒng)的調(diào)整壓力（即泵的出口壓力）pt為
pt≥p1+?p
帶入主軸箱液壓系統(tǒng)數(shù)據(jù)計算：
pt≥p1+?p
3>1.8+0.36
該液壓系統(tǒng)壓力符合設(shè)計要求。
帶入尾臺液壓系統(tǒng)數(shù)據(jù)計算：
pt≥p1+?p
18>16.5+0.75
該液壓系統(tǒng)壓力復(fù)合設(shè)計要求。
7.2 發(fā)熱溫升驗算
系統(tǒng)絕大部分時間是處于工作狀態(tài)，那么以工作狀態(tài)來計算溫升。
主軸箱液壓泵的工作狀態(tài)壓力為1.8MPa，流量為12.5L/min，泵的輸入功率為0.75kW；液壓缸的最小有效功率為：
P0=FV=10200×0.5860W=98.6W
系統(tǒng)單位時間內(nèi)的發(fā)熱量為
Hi=Pi-P0=750-98.6W=651.4W
油箱的散熱面積可以近似用
A=6.53V2
式中：V —油箱有效容積，單位為m3；
A —散熱面積，單位為m2。
取油箱的有效容積為0.16 m3，散熱系數(shù)K=15，
?t=HiKA=651.415×6.530.162°C=22.6°C
即在溫升許可范圍（20~35℃）之內(nèi)。
尾臺液壓系統(tǒng)的發(fā)熱溫升很小可以忽略不計。
7. 結(jié)論
我設(shè)計的重型數(shù)控車床液壓系統(tǒng)特點有以下三點。
(1)根據(jù)臥式重型數(shù)控車床液壓系統(tǒng)特點,：分別設(shè)計主軸箱和尾臺兩個完全獨立的液壓系統(tǒng)。根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計要求，選擇了各類不同型號的液壓元件。達(dá)到滿足車床液壓系統(tǒng)的設(shè)計要求。提高了設(shè)計的使用性、安全性、合理性和經(jīng)濟性。
(2)主軸箱液壓系統(tǒng)使用雙電磁鐵控制的并帶有鋼球定位的二位四通電磁換向閥。這樣能達(dá)到的定位精度更高，同時也避免了一些意外情況的發(fā)生，如發(fā)生斷電情況下，主軸檔位的變化而引生的意外事故。
(3)尾臺用單電磁鐵控制的二位四通閥。保障了尾座液壓缸在二位四通閥電磁鐵不帶電時處于夾緊狀態(tài), 使尾臺在工作時緊緊固定在床身上，提高了安全性與可靠度。避免不必要的意外發(fā)生。
經(jīng)過液壓系統(tǒng)性能驗算，選用的電動機，液壓泵等液壓系統(tǒng)主要元件，其壓力、流量等指標(biāo)符合系統(tǒng)要求，設(shè)計過程完整，清晰，合理。
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附錄1：外文翻譯
控制閥延遲和死區(qū)對簡單液壓定位系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響
本文研究了高度簡化液壓缸動力學(xué)模型的PI控制問題。首先假定液壓流體是不可壓縮的，泵提供恒定流量、壓力，這就提供速度控制的可能性。兩種可能的意外情況會發(fā)生，其一是系統(tǒng)內(nèi)由于控制器計算和內(nèi)部壓力變化而導(dǎo)致的延時，以及控制閥的死區(qū)，該影響在非線性系統(tǒng)中得到了確認(rèn)。本文通過分段線性不連續(xù)映射。研究了系統(tǒng)的非線性行為，實際上，確定了全局穩(wěn)定的參數(shù)域。
1.介紹
液壓系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于重型工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域，在這方面發(fā)揮著很大的作用。在一個健壯的方式中，需要高強度的高強度。雖然有很多。努力開發(fā)先進(jìn)的控制策略，如1-4,PID控制仍然是。最受歡迎的選擇。然而，眾所周知，在這些中有很強的非線性。系統(tǒng)，如壓力流量關(guān)系，控制閥的死區(qū)，如圖1所示，干摩擦3或影響動力學(xué)5。閉環(huán)控制的離散采樣時間。由于內(nèi)部的主要原因，引入了額外的復(fù)雜性和響應(yīng)延遲。動態(tài)壓力。因此，設(shè)計和調(diào)整液壓系統(tǒng)的PID控制器是。一個極具挑戰(zhàn)性的任務(wù)主要是因為傳統(tǒng)的方法是基于線性系統(tǒng)的。理論。此外，上述的一些非線性，如死區(qū)或影響。動力學(xué)不能用線性化技術(shù)來解決。
這些系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型常常導(dǎo)致非光滑方程。甚至是不連續(xù)的右手邊。幸運的是，在非光滑理論方面的進(jìn)展。動態(tài)系統(tǒng)可以看到例如，的概述提供了一個工具箱，盡管它仍然很遠(yuǎn)。這對于更高維度的系統(tǒng)尤其如此，等多個不同的動態(tài)區(qū)域。例如，7給出了一個一般的理論。一種具有輕微的雙線性一維映射的周期和密集軌道的存在。向二維映射擴展，延遲和反彈。經(jīng)過研究。在n維圖中，邊界碰撞分岔與兩個區(qū)域?；煦缯袷幰苍谶@些系統(tǒng)中被識別。在數(shù)值模擬的基礎(chǔ)上，描述了PI舉例說明延遲和反彈的影響。
本文研究了一種高度簡化的液壓定位系統(tǒng)模型，盡管從工程的角度來看，它的簡潔性和線性度很有趣。
2.數(shù)學(xué)模型
我們調(diào)查的對象是一個由數(shù)字控制的液壓系統(tǒng)。差動液壓缸，比例換向閥，線性電位器。位置傳感器，齒輪泵，和PC。PC提供了比例積分?？刂破?。它接收來自位置傳感器的信號，計算錯誤信號，以及。驅(qū)動液壓閥;參見圖1。方向比例的典型特征。閥門如圖2所示。
研究中忽略了活塞的質(zhì)量和牛頓力學(xué)。在活塞密封處不考慮摩擦力，進(jìn)一步簡化了系統(tǒng)。桿。顯然，后者對系統(tǒng)的非線性動力學(xué)有重要影響。由于小的正或負(fù)阻尼值。當(dāng)我們進(jìn)行調(diào)查時。在零阻尼的情況下，我們分析了已經(jīng)呈現(xiàn)出復(fù)雜動力學(xué)的臨界情況。由于建模的延遲，死區(qū)和采樣。連續(xù)物理過程采樣時間間隔ts采樣時間，因此，在xn xnts時，將活塞桿xt的位置離散化。這個位置被輸入了。計算錯誤信號h的PC。這個計算所需的時間表示。tc。由于液壓系統(tǒng)的內(nèi)部動力學(xué)，特別是壓力動力學(xué)，
活塞桿速度的變化遵循了第二種甚至更高的順序滯后。由tid表示的另一個延遲表示的系統(tǒng)，用下標(biāo)表示。內(nèi)部動力。因此，在前一個采樣時刻和它的之間的總延遲。效果是td tc。注意，tc和tid的實際值和比率是不相關(guān)的。自牛頓動力學(xué)被忽略了，活塞的速度是分段常數(shù)，它可以。在以下方式:離散vnt≡vn?1 ts td,t∈n?1 ts td,n ts td,因此，下標(biāo)n表示位置和速度的不同時間序列。在圖3的控制方案中表示。假設(shè)情況下當(dāng)我們有0≤td≤ts。整合分段常數(shù)速度，我們到達(dá)了兩個相鄰抽樣活塞桿之間的關(guān)系。位置，可以表示為。
xn_1 _ xn _ vntd _ vn_1_ts ? td_.
雖然這個表達(dá)式類似于控制方程的euler -離散化，但它是這樣的。離散形式是對實際物理系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)字化控制的精確解?？紤]比例積分控制器，誤差信號hn以下列形式計算:
hn _ Pxn _ Iyn,
P是比例增益I是整數(shù)1，然后
yn _ yn?1 _ tsxn?1
是位置函數(shù)的離散積分?；钊麠U速度vn1和vn。由hn和hn計算。1、分別根據(jù)簡化的特征。比例方向閥。圖4表示這個減少的，不飽和的。特征。關(guān)閉的時間間隔是.Δ,Δ斜率是.α的特征。引入無量綱變量
在后面的部分中，我們將構(gòu)建一個4維的線性映射。backlash-free系統(tǒng)。在出現(xiàn)反彈的情況下，我們推導(dǎo)出一個分段線性。從第4維度的9個線性映射中編譯的映射。如果你也調(diào)查。case td > ts，然后類似的線性和分段線性映射可以構(gòu)建，但是它們。尺寸增加極。為了用簡潔的數(shù)學(xué)方法來表示方法。形式,我們限制描述基本情況0≤td≤ts。
3.線性系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析
消除閥死區(qū)δ0,一個線性閥特點意味著有關(guān)活塞桿的速度：
vn _ ? hn?1,
xn_1 _ xn ? hn?1td ? hn_ts ? td_.
引入zn，它由實際和先前的活塞位置和積分組成
用矩陣形式：
系統(tǒng)的穩(wěn)定性取決于矩陣A的特征值，所有的絕對值。特征值必須小于1:
矩陣A的特征多項式是：
多項式有一個根，等于0;因此;它可以除以μ/μ4 0。由于多項式的穩(wěn)定性準(zhǔn)則決定了多項式的系數(shù)，所有的根都應(yīng)該在復(fù)雜矩陣的左邊，運用莫比斯變換：
作為變換的結(jié)果，特征值的絕對值的情況。矩陣A小于1等于變換后的多項式的根的情況。復(fù)雜式的左側(cè)：
變換特征多項式是：
系數(shù)是：
根據(jù)柔絲穩(wěn)定性判據(jù)，所有多項式系數(shù)均為3.11。矩陣H2 3.13的行列式應(yīng)該是正的：
此外，一個條件以下式子也應(yīng)滿足穩(wěn)定性要求：
在上面的公式中,連續(xù)使用擴展,當(dāng)td→ts / 2。圖5給出了線性系統(tǒng)在采樣時刻的參數(shù)穩(wěn)定圖。不同的時間延遲在td 0, ts。很容易證明穩(wěn)定性邊界。是td 0時的直線。左邊的穩(wěn)定邊界,|μ1 | < 1 |μ2,3 | 1。它可以也表明,只存在這種類型的穩(wěn)定邊界時td≥ts / 4。最右邊的td < ts/4的穩(wěn)定邊界始終是一條直線，| 1| < 1，| 2| < 1，| 3| 1。當(dāng)系統(tǒng)被過度確定時μ4=0。
4. 分段線性系統(tǒng)的動力學(xué)分析
根據(jù)之前的公式,xn1的即將到來的值取決于實際的vn1和之前的vn速度值?？紤]到方程2.5,xn1是分段線性兩次錯誤信號的函數(shù)hn hn?1。因為每個過去的值可以分為3個情況，我們的系統(tǒng)由9個標(biāo)量方程描述。
分段系統(tǒng)可以寫成緊湊形式，其中Fi是一個線性算子，簡化的矩陣形式:
zn_1 _ Ai zn _ bi _ Fi_zn_, i _ 1, . . . , 9.
根據(jù)前文公式，在x-y中3個域的hn結(jié)果的3個區(qū)間
x-y平面的三個域，在中間區(qū)域誤差信號小于閾值。這個閥門，沒有活塞運動
上圖表示x-y平面與中間區(qū)域的死區(qū)。死區(qū),x是恒定的，這意味著活塞桿停止，因為比例方向。閥是關(guān)閉的。固定的點在y軸上，在 [?δ/I, δ/I]。這個不變的集合對應(yīng)的是無反線性系統(tǒng)的平凡解。從實際我們對不變集的穩(wěn)定性很感興趣，因為它的實際值。如果我們能達(dá)到期望的x 0位置，y就不重要了。
4.1周期軌道
通過采樣時間ts 0.1 s，時間延遲td 0.04 s進(jìn)行數(shù)值模擬，和無量綱死區(qū)δ12。通過求解所示的代數(shù)方程組。公式中，從初始條件z2 x2 x1 y2 y1T 1111T開始系統(tǒng)。積分增益Icr 24.982和正比增益Pcr 3.5714，一個周期。軌道存在，且不變集對Pcr < P穩(wěn)定，且P < Pcr不穩(wěn)定。這行為類似于退化的Hopf分岔，既不是子也不是超臨界的。圖7表示穩(wěn)定的、不穩(wěn)定的運行和一個周期性的軌道，它們存在于其中。關(guān)鍵的情況。
根據(jù)上圖所示的仿真結(jié)果，對不同的修改死區(qū)進(jìn)行了分析。大小，周期軌道仍然是周期性的或者它變成了準(zhǔn)周期密集軌道。
圖9表示一般情況下的周期軌道。點的編號從死區(qū)以外的第一步開始;k是上面的步數(shù)地區(qū);j是死區(qū)內(nèi)步數(shù)的一半。因為它是對稱的系統(tǒng)，對半周期軌道的檢查是令人滿意的，與終點有關(guān)。
第一步是從第2點到第3點。在這種情況下，h2 >δ和h1 >δ，因此F1是用來計算點3號,就像在下一個k?1步驟。作為我們到達(dá)死區(qū),根據(jù)表1,F4是應(yīng)用于邊界,然后F5 j?1次了。最后一步，直到半周期由F8完成。因此,形成的一般式：
我的意思是用Fi運算符k次
使用式4.8，可以產(chǎn)生如下的周期軌道。我們把td, ts，和。初始條件x1, y1和軌道的“形狀”與k和j，然后通過解第二個。第4個分量是48 P，我可以計算出，x2和y2很容易。確定。圖10顯示了三個可選的周期軌道。
4.2穩(wěn)定的周期軌道
我們可以將公式4.8簡化為一次操作，引入A和b：
4 4.9所示動力系統(tǒng)的穩(wěn)定性取決于特征值。矩陣A。由于沒有顯式地出現(xiàn)在A中，不變集的穩(wěn)定性邊界。包括在系統(tǒng)中所期望的x 0位置與死區(qū)相一致的穩(wěn)定性。線性系統(tǒng)的邊界，線性閥特性在第3節(jié)中導(dǎo)出。然而如果A的結(jié)構(gòu)足夠大，A的結(jié)構(gòu)會發(fā)生變化，這樣它仍然會影響穩(wěn)定性地區(qū)。
在圖11的左側(cè)面板中，有3對這些控制參數(shù)P，表示為線性穩(wěn)定性的極限，在這里，周期軌道如圖10所示。請注意,用前面描述的方法計算了它們的數(shù)值。
圖12顯示了三個不同值的三個周期或密集軌道的行為。P表示在圖11的右邊面板中。正如上面所示，這是穩(wěn)定的。線性系統(tǒng)由不變量集保留，其中包含x 0在系統(tǒng)中的死區(qū)。這意味著所有的軌道都將向外呈螺旋狀向外或向不穩(wěn)定的方向移動。穩(wěn)定的線性行為，不管軌道是周期性的還是密集的p的值，換句話說，對于每一個矩陣的組合，Ai對應(yīng)于任意一個軌道的種類，其特征值在穩(wěn)定性方面類似。在相空間中這意味著死區(qū)內(nèi)的軌跡完全是垂直的，不會改變。
當(dāng)軌道進(jìn)入并離開死亡區(qū)域時，x的值與步數(shù)無關(guān)。粗略地說，死區(qū)只是“削減”和“提取”已經(jīng)存在的軌道。這也解釋了為什么軌道與死區(qū)的行為類似于無背景的情況。
需要進(jìn)一步的研究來研究這些動態(tài)特性是如何變化的。由阻尼引起的輕微擾動。這很可能是上述結(jié)構(gòu)。周期和密集的軌道將無法生存，但其中一
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