1、 本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 1 页 共 35 页1 引言特种加工技术属于机械制造学科的科研前沿。电解加工是特种加工技术中应用最广泛的技术之一尤其适合于难加工材料、形状复杂或薄壁零件的加工。加工时，工件为阳极，接电源正极；工具为阴极，接电源负极，极间通以524V的直流电，同时保持一定的加工间隙，间隙内流过具有一定压力（0.52MPa）的电解液(一般为中性盐的水溶液，常用的为NaCl或NaNO3水溶液)，阳极逐渐溶解，电解产物被高速（5 50m/s）电解液带走。如果工件初始形状与工具阴极形状不同，则工件上各点距离工具阴极型面的距离不同，相应地，各点的电流密度（一般为1
2、0500A/cm2）也不同。距离近的位置，相应的电流密度相对较大，阳极溶解速度快；反之，距离远的位置，电流密度小，相应的电流密度相对较小，阳极溶解速度慢。经过一段时间的电化学溶解，工件表面形成与阴极工作面基本相似的形状。电解加工以其加工速度快，表面质量好，不怕材料强、硬、韧，无宏观机械切削力，工具阴极无损耗，可用同一个成型阴极作单方向送进而成批加工复杂型腔、型面、型孔等优点，20世纪60年代初，首先在炮管膛线和航空发动机涡轮叶片的加工中得到应用；其后又逐渐扩大应用于加工锻模型腔、深孔、小孔、长键槽、等截面叶片整体叶轮以及去毛刺等，取得了显著的技术经济效果。70年代以后，虽然其应用范围有所减小，
3、但应用要求更高且在某些新的领域又得到新的应用。电解加工设备是一个完整的配套系统，由机床、电源、输液系统、以及控制系统四大部分组成。本文主要介绍：数控机床电解液输送装置设计，即包括电解液输送装置设计和电解液温度控制系统设计两部分，其输送装置是为了满足电解加工过程中对电解液的过滤、输送、压力、流量控制等要求，其温度控制系统是为了满足对电解液温度实现智能控制的要求，这一设计可以提高电解加工机床的智能化、数字化程度，可以提高生产效率、减小工人劳动强度、提高经济效益。课题来源于南京某高校特种加工技术研究所，结合生产实际和工程建设，结合课程和实验室建设。设计中电解液的温度要求控制在 0.5内，采用多点测量
4、；电解液槽的容积约为 510M3；电解液的加工温度区间一般为 1050oC。设计合理的电解加工机床可以实现五坐标的数控移动，运动过程要求平稳，运动顺利，进给速度可按要求调节。系统的进给由简单本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 2 页 共 35 页的数控系统控制。本文的主要设计工作包括设计五坐标数控电解加工机床电解液槽、电解液输送装置及及其温度控制,电解液的过滤和搅拌系统。近年来我国生产企业的数控机床拥有率率逐年上升，在大中型企业已有较多的使用，在中小企业甚至个体企业中也普遍开始使用。在这些数控机床中，除少量机床以FMS模式集成使用外，大都处于单机运行状态，并且相当部分处于使
5、用效率不高，管理方式落后的状态。目前世界数控机床消费趋势已从初期以数控电加工机床、数控车床、数控铣床为主转向以加工中心、专用数控机床、成套设备为主。电解加工以其加工速度快，表面质量好，不怕材料强、硬、韧，无宏观机械切削力，工具阴极无损耗，可用同一个成型阴极作单方向送进而成批加工复杂型腔、型面、型孔等优点，20世纪60年代初，首先在炮管膛线和航空发动机涡轮叶片的加工中得到应用；其后又逐渐扩大应用于加工锻模型腔、深孔、小孔、长键槽、等截面叶片整体叶轮以及去毛刺等，取得了显著的技术经济效果。70年代以后，虽然其应用范围有所减小，但应用要求更高且在某些新的领域又得到新的应用。在今后20年内，电解加工将
6、在新工艺技术的开发研究，包括高频、窄脉冲电流电解加工、柔性电解加工、小间隙电解加工、复合加工等方面得到发展和应用；计算机控制技术将在电解加工设备与过程、参数的控制中得到不断的发展与扩大应用；在微精加工领域，电解加工将展现新的应用前景。在发展电解加工技术的同时，必须重视并解决电解加工过程中的环境保护问题，以达到“绿色制造”、持续发展的目的。按照系统工程的观点，加大对待特种加工的基本原理、加工机理、工艺规律、加工稳定性等深入研究的力度。同时，充分融合以现代电子技术、计算机技术、信息技术和精密制造技术为基础的高新技术，使加工设备向自动化、柔性化方向发展。从实际出发，大力开发特种加工领域中的新方法，包
7、括微细加工和复合加工，尤其是质量高、效率高、经济型的复合加工，并与适宜的制造模式相匹配，以充分发挥其特点。污染问题是影响和限制有些特种加工应用、发展的严重障碍，必须化大力气利用废气、费液、废渣，向“绿色”加工的方向发展。可以预见，随着科学技术和现代工业的发展，特种加工必将不断完善和迅速发展，反过来又必将推动科学技术和现代工业的发展，并发挥愈来愈重要的作用。总体设计思路如下：（1）.确定机械部分总体结构的组成及各部分的功能与工作目标；本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 3 页 共 35 页（2）.根据设计任务书的要求，初步计算各机械部分结构参数；（3）.设计机体分级部分的结构
8、及主要零件结构；（4）.校核主要零件的强度和刚度，检查其装配工艺性；（5）.保证与其它部分的接口合理；（6）.根据设计结果，修正设计参数；（7）.根据设计任务书给出的原始数据及要求设计温度控制系统；（8）.编辑单片机温度控制程序；（9）.调试程序并保证温度控制系统与外部系统接口设计合理。预期设计好的 ECM-型数控机床电解液输送装置可达到本课题要求。本设计具有很大的实用价值和经济价值，因为采用了单片机对电解液温度进行智能控制，提高了控制以及加工精度，且单片机成本比较低，减少了人工劳动，可进行连续加工，从而提高了经济效益。2 电解液输送装置的总体设计思路2.1 电解液输送装置总体方案论证根据客户
9、要求设计一台ECM-型数控机床。要求设计的机床要满足电解加工的要求，能够进行五坐标联动以加工出复杂几何形状的零件。在该设计中主要承担设计机床的电解液输送装置（包括电解液槽、电解液液压控制系统）及其温度控制系统。该电解液槽完成电解液的配制功能,其控制系统实现电解液的温度控制。根据设计课题的要求，温度控制系统要能实现对电解液的温度进行智能调节，以满足加工要求；电解液槽能够实现电解液的装载配置、过滤、搅拌功能；电解液液压控制系统能实现电解液的压力和流速控制。上述电解液槽及电解液液压控制系统组成电解液的输送装置，其可以达到对电解液的过滤、压力、流量控制功能，构成一个循环利用电解液的总系统（如图2-1所
10、示）。2.1.1 电解液槽结构方案设计按照设计课题的要求，电解液槽要能完成电解液的配制功能。为达到较高强度以及防止电解液对工件的腐蚀，采用玻璃纤维增强塑料材料（玻璃钢）作为电解液槽的材料，并采用沉淀的方法对电解液进行过滤。本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 4 页 共 35 页2.1.2 电解液搅拌装置设计为满足电解液体温度均匀、密度均匀的要求，需对电解液槽内液体进行搅拌。为达到较好的搅拌效果，需采用能达到较低转速的电动机驱动系统。为减轻搅拌装置重量、简化结构，采用变频电机可达到较好效果。2.1.3 电解液温度控制系统方案设计电解液温度控制系统的设计是这次设计的主要内容之一
11、。为能精确、方便的对电解液温度进行控制，选用80C552单片机和热电耦等电器元件共同构成温度控制硬件系统，并编制汇编程序以满足温度控制的要求，这套系统可达到对电解液温度的精确、智能控制。本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 5 页 共 35 页图2-1 电解液输送装置工作示意图2.1.4 液压控制输送系统方案设计按照设计课题的要求，电解液液压控制系统要能满足对电解液的流速和压力的控制，选用合理的液压元件、动力元件构成整个装置可满足要求。3 电解液槽总体结构设计3.1 设计基础及分析本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 6 页 共 35 页数控电解机床是利用金
12、属在电解液中发生电化学阳极溶解的原理将工件加工成形的一种特种加工方法。其电解液槽承担着装载、过滤电解液的作用。电解液是一种强腐蚀性的液体，常用的有：NaCl、NaClO3、NaNO3 等，其对普通钢铁材料具有腐蚀作用，所以需要选用一种高强度、耐腐蚀性能好的材料来制造电解液槽，并按照课题要求设计出可靠的结构。3.2 电解液槽材料的选择 因为电解液的强腐蚀性，用做电解液槽一般的金属材料无法胜任，同时，设计任务书给出电解液槽的容积为 510 立方米，所以需要一种强度高、质量轻、耐腐蚀的材料用来制造电解液槽。玻璃钢，学名为玻璃纤维增强塑料，国外称为 FRPFiberglass-Reinforced P
13、lastics 玻璃纤维增强塑料。 它 是 以 玻 璃 纤 维 及 其 制 品 （ 玻 璃 布 、 带 、 毡 、 纱 等 ）作 为 增 强 材 料 ， 以 合 成 树 脂 作 基 体 材 料 的 一 种 复 合 材 料 。玻璃钢的主要特点是：质量轻、强度高、防腐蚀、保温、绝缘、隔音、寿命长等，它的密度为 15002000千克每立方米 ，比钢轻 3-4 倍，而强度却比钢高 1.7 倍，使用寿命可达 50 年以上，可 设 计 性 好 ， 可 以 根 据 需 要 ， 灵 活 地 设 计 出 各 种 结 构 产 品 ， 来 满 足 使 用 要 求 ， 可以 使 产 品 有 很 好 的 整 体 性 ，
14、因此，机械性能和物理性能好，用做电解液槽非常合适，国内外许多电解加工的电解液容器也都选择玻璃钢作为材料。3.3 电解液槽结构设计本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 7 页 共 35 页图 3-1 电解槽结构示意图电解液或多或少的含有杂质，对电解加工的精度会造成影响，所以我们在设计机床时要考虑对电解液进行过滤。由于一台电解加工机床所需要的电解液量比较大，普通的过滤网等常规过滤方法效率和效果较差，所以考虑在电解液槽中对电解液进行过滤。这可以设计大小两个电解槽并将每个电解槽中间用挡板隔开从而形成四个小的电解液槽让电解液顺序通过四个电解液槽（如图 3-1）由于电解液在加工过程不间断
15、的流进和流出电解槽，所有电解液槽中电解液的体积 V 是恒定的，这样会使电解液的流动呈现平流状态，这种流动状态下液体的流动速度较慢，电解液中的杂质会随液体流动而一级一级的沉淀到电解槽底部，达到过滤的效果。另外，为方便排出废电解液及杂质，在每个小槽的底部设计有法兰密封的排水管道。大槽的总容积为：1.201.801.302=5.616m 3，小槽的总容积为：1.001.500.852=2.55m3。电解液槽的总容积为：5.616+2.55=8.166m 3。34 电解液过滤器的设计和选择341 电解液过滤器的相关计算由于电解液在工作循环的过程中会带回杂质，如果不进行过滤会对加工精度造本 科 毕 业
16、设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 8 页 共 35 页成重要影响。电解加工是高精度的加工方法，因此传统的过滤方法（如：过滤网等）已经不能满足要求。本方案将选择过滤机来进行过滤，以达到加工要求。过 滤 机 是 利 用 多 孔 性 过 滤 介 质 ， 截 留 液 体 与 固 体 颗 粒 混 合 物 中 的 固 体 颗 粒 ，而 实 现 固 、 液 分 离 的 设 备 。 过 滤 机 广 泛 应 用 于 化 工 、 石 油 、 制 药 、 轻 工 、 食 品 、选 矿 、 煤 炭 和 水 处 理 等 部 门 。本设计假设选择 Nacl 为电解液进行过滤机型号的计算选择：在常压 1 个大气压下进
17、行过滤，查资料得过滤常数 K=0.310m2/h，单位过滤面积上的当量滤液体积qe=0.009m，假设每个操作循环处理时间为 30min。计算过滤面积：以 q 表示单位过滤面积获得的过滤液体积，以 表示过滤时间，则恒压过滤方程为：q2+2qcq=K 式（3-1）式中，K=0.310m 2/h,qc=0.009m, =0.5h,代入上式可解得q=0.343(m) 式（3-2）过滤面积为：A= = =23.808(m2) 式（3-vq8.160343）342 选择型号（1） 确定类型由于 Nacl 无毒性，无挥发性。故采用明流式手动板框压滤机（BMS） 。这中板框压滤机的技术规格列于下表本 科 毕
18、 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 9 页 共 35 页表 3-1BMS 型明流手动压紧板框压滤机技术规格型 号 BMS20-635/25 BMS30-635/25 BMS40-635/25 BMS50-810/25过 滤 面 积 /m2 20 30 40 50框内尺寸/mm 635 635810 810滤 框 厚 度 /mm 25滤 框 数 （ 片 ） 26 38 50 38滤 板 数 （ 片 ） 25 37 49 37框内总容积/L 260 380 500 615工作压力/Pa 8 1056 105螺杆压紧力/N 5 105板再大位移/mm 500 400长 3170 5200
19、6680 8050宽 1260 1780外行尺寸/mm 高 1200 1450机器总质量/kg 3720 5200 6680 8050(2)选择规格按计算知所需过滤面积为 23.808m2，在表中有过滤面积为 30m2的规格的，其型号为 BMS30-635/25，它的板框厚度为 23mm，总框数为 39 块，框内边为 635mm。4 电解液搅拌装置设计电解液在电解液槽中时需要对其进行搅拌，这是因为：A.电解液的密度或多或少存在不均匀的问题，这会影响到工件的加工精度，对机床设备也会造成一定的损害。通过缓慢的搅拌可以将各处液体搅拌均匀、减小密度差异。B.电解液在加热的过程当中并不能保证槽中液体温度
20、各处相等，甚至还会存在较大的温度差异，这对生产加工也是很不利的。通过缓慢的搅拌可以帮助均匀其温度，减小温度差。电解液的搅拌可直接采用电机带动合适的搅拌叶轮伸入电解液槽中旋转对其进本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 10 页 共 35 页行搅拌，转速选用 13R/min 较适合。4.1 搅拌叶轮的选用本课题中的液体搅拌主要作用是使液体密度均匀、各处温度均匀，这主要考虑电解液槽内液体流动状态既可。对于工业上的立式圆桶搅拌机顶插式中心安装，搅拌将产生三种基本流型（如图 4-1） 。A.径向流，流体的流动方向垂直与搅拌轴，沿径向流动碰到容器壁面分成两个循环流动。B.轴向流，流体的流
21、动方向平行与搅拌轴，流体由浆叶推动，使流体向下流动，碰到器底再翻上，形成上下循环流。C.切向流，无挡板的切向容器内，流体绕轴作旋转运动，流动速度高的时候，流体边面会形成旋涡。此时，流体从浆叶周围周向卷吸至浆叶区的流量很小，混合效果比较差。上述三种流动状态可能共同存在，轴向流、径向流对混合起主要作用，切向流动应加以抑制。在本课题中，由于电解液槽底会存在杂质，液体的流动状态应该以径向流动为主，这样才不至于将槽底的杂质翻上。本课题中的电解液是低粘度液体。选用不同形状、尺寸的搅拌器（叶轮） ，其产生的搅拌效果尤其是液体流动形态是有很大差异的。而搅拌器的选型到目前尚无完善的客观尺度，一般可以从以下几个方
22、面考虑：搅拌目的、物料黏度、搅拌容器容积大小和经济性。本课题中，搅拌的目的类型是：互溶性液体的混合及在其中进行化学反应；物料黏度属于中低黏度类型；搅拌容器容积大小约为 3M3，属于中型。通过查阅手册，选用推进式涡轮式中的四折叶浆式搅拌器（如图 4-2）比较适合本课题。此叶轮在以低转速对中低黏度的液体进行搅拌时会使液体呈现以径向流动为主的流动状态。其技术参数如下： 斜入式，D/D 0为 1/4-1/3，H/D 0为 1.0-1.2;旁入式，D/D0为 1/12-1/8（小于 1/12 的亦有）A.常用尺寸：d/D=0.2-0.7（以 0.33 居多)b/d=0.15-0.3(以 0.2 居多)Z
23、=3-16(以 3、4、6、8 居多)本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 11 页 共 35 页注：式中 d 为浆叶径向长度、D 为搅拌容器直径、b 为浆叶轴向长度、Z 为浆叶数。B.常用运转条件：n=10-300r/minv=4-10m/s注：式中 n 为叶轮旋转角速度，v 为叶轮外端部旋转线速度C.常用介质黏度范围为：umzx,则 TPL1CLR 5FH ；清上次越限标志CJNE A，43H，MTPL ；若 ui(K)u min，则 MTPLHAT： SETB P1.1 ；若温度不越限，则令绿灯亮保护现场（5EH ）送 5FH本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论
24、文 ） 第 26 页 共 35 页ACALL PID ；调用计算 PID 子程序MOV A，2FH ；PID 值送 ACPL A ；INC A ；NM： SETB P1.3 ；令 P1.3 输出高电平脉冲 MOV TL1，A ；MOV TH1，#OFFH ；SETB PT1 ；T1 高优先级中断SETB TR1 ；启动 T1SETB ET1 ；允许 T1 中断ACALL TRAST ；调用标度转换程序LOOP：ACALL DISPLY ；显示温度JB D5H，LOOP ；等待 T1 中断对 PID 值求补，作为 TL1值T1 赋初值本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 27
25、页 共 35 页保护现场采样液温数字滤波U i ( k ) = U m a x ?U i ( k ) U m a x ?清上次越限标志U i ( k ) = U m a x ?计算 P I D求补从 P 1 . 3 输出初始化 T 1温度标度转换温度显示（ D 5 H ） = 1 ？恢复现场返回U i ( k ) U m i n ?下限报警取最大 P I D 值输出求补置本次越限标志上次越限越限计数器 1越限 N 次 ？上限报警清越限标志本次越限标志送5 F H 清零 5 E H 单元上限处理恢复现场返回YYNYNYNYNNYNN图 5-3 T0 中断服务程序流程图本 科 毕 业 设 计 说
26、明 书 （ 论 文 ） 第 28 页 共 35 页POP DPH ；POP DPL ；POP ACC ；RETI ；中断返回MTPL：JNC HAT ；若 ui(K)umin,则 HATSETB P1.0 ；否则，越下限声光报警MOV A，45H ；取 PID 最大值输出CPL A ；INC A ；AJMP NM ；转 NM 执行TPL1：SETB 5EH ；若 ui(K)umax,则 5EH 单元置位JNB 5FH，WL ；若赏赐未越限，则转 WLINC 44H ；越限计数器加“1”MOV A，44HCLR CSUBB A，#N ；越限 N 次吗？JNZ WL ；越限小于 N 次，则 WLS
27、ETB P1.2 ；否则，越上限声光报警CLR 5EH ；CLR 5FH ；POP DPH ；POP DPL ；POP ACC ；RETI ；中断返回b.T1 中断服务程序：ORG 001BHAJMP CT1CT1： CLR D5H ；清标志CLR P1.3 ；令 P1.3 变为低电平恢复现场对 PID 最大值求补，作为TL1清越限标志恢复现场本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 29 页 共 35 页RETI ；中断返回C.子程序a.采样子程序 SAMP：SAMP 子程序流程图如图 5-4 所示，子程序清单如下：SAMP: MOV RO,#2CH ；采样值始址送 R0MOV
28、 R2,#03H ；采样次数初值送 R2SAM1: MOV ADCON,#08H ；启动 A/D 转换MOV R3,#20H DLY: DJNZ R3,DLY ；延时ADLOOP: MOV A,ADCON ；读 ADCON 状态JNB ACC.4,ADLOOP ；等待 A/D 完成MOV ADCON,#00H ；舍去 10 位数字量中低 2 位MOV A,ADCH ；高 8 位数字量送存MOV R0,AINC R0DJNZ R2,SAM1 ；若采样未完成，则 SAM1KET ；若采样已完成，则返回采样值始址送 R 0 采样次数送 R 2选通 I N 0 启动 A D C延时A / D 完成 ？
29、返回所有采样结束 ？NNYY图 5-4 采样子程序流程图b.数字滤波程序 FILTER：本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 30 页 共 35 页数字滤波程序用与滤去来自控制现场对采样值的干扰。数字滤波程序算法颇多，本课题选用中值滤波方法。中值滤波原理简单，只需对 2CH、2DH 和 2EH 中三次采样值进行比较，取中间值存放到 2AH 单元内，以作为温度标度转换时使用。图 5-5 示出了中值滤波程序框图。相应程序请参看附录中程序清单。c.PID 算法程序：式（5-3 ）可改写成：P（K）=P（K-1）+K PE （K）-E （K-1） +K IE（K）+K DE （K ）
30、-2（K-1）+E（K-2 ） =P（K-1）+P P+PI+PD （5-4）d.双字节带符号乘法子程序 MULT1，程序框图如图 5-7 所示，相应详细程序见附录。e.温度标度转换程序 TRAST：此程序目的是把实际采样的二进制值转换成 BCD 形式的温度值，然后存放到显示缓冲区 78H 到 7DH。对一般先行仪表来说，标度转换公式为：AX=A0+（A m-A0） （5-5）0NX式子中，A 0 一次测量仪表的下限；A m 为一次测量仪表的上限；A X 为实际测量值（工程量） ；N 0 为仪表下限所对应的数字量；N m 为仪表上限所对应的数字量；NX 为测量所得数字量。所以根据以上算法，只要设定热电偶的量程，即可编出相应温度转换子程序 TRAST。根据上式的编程，相应程序框图如图 5-6，详细程序清单见附录。
