某型重型數(shù)控機床主軸箱設計及滑枕液壓系統(tǒng)仿真分析

1、北京信息科技大學 畢業(yè)設計（論文）題 目：某型重型數(shù)控機床主軸箱設計及滑枕液壓系統(tǒng)仿真分析學 院： 機 電 工 程 學 院 專 業(yè)： 機 械 設 計 制 造 及 其 自 動 化 學生姓名： 王 岐 班級/學號機 械1006 /2010010155 指導老師/督導老師： 孫 江 宏 起止時間： 2014 年 2月 24日 至 2014 年 6 月 8 日 摘要摘 要重型數(shù)控落地鏜銑機床的研究分析起源于上世紀50年代起，當今世界上，國外，特別是德、美、日三個國家在數(shù)控重型機床科研、設計、制作和應用上，技巧最先進、經驗最多的國家。隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展以及需求量的增多，對重型數(shù)控鏜銑床的性能要求也越來越

2、高。主軸箱是重型數(shù)控落地鏜銑床的重要部件之一，它結構、性能的優(yōu)良直接影響著整個機床的性能。本文以TK6920大型數(shù)控鏜銑床為研究對象對其主軸箱進行設計。液壓系統(tǒng)同樣是重型數(shù)控鏜銑床的主要部分，目前，國內的設計主要依據(jù)經驗設計和類比設計，再通過樣機仿真發(fā)現(xiàn)問題，解決問題。這樣既浪費時間精力又浪費資源，通過液壓系統(tǒng)的設計和分析能在設計初期發(fā)現(xiàn)問題，解決問題。本文以國家“高檔數(shù)控機床與基礎制造裝備”科技重大專項重型數(shù)控機床關鍵共性技術創(chuàng)新能力平臺課題的子項目以齊齊哈爾第二機床廠生產的TK6920重型數(shù)控鏜銑床為研究對象，對主軸箱進行結構設計，對整體的液壓系統(tǒng)進行設計與仿真分析。（1） 根據(jù)設計要求對

3、主軸箱的傳動系統(tǒng)進行設計，依據(jù)計算結果利用Creo2.0建立主軸箱的三維結構模型。（2） 研究重型機床的各個部分的液壓系統(tǒng)并對TK6920機床的液壓系統(tǒng)進行設計選型。（3） 完成了基于AMEsim軟件的TK6920機床液壓系統(tǒng)的建模仿真。（4） 仿真分析液壓系統(tǒng)的問題以及改進建議。關鍵詞：重型數(shù)控鏜銑床；TK6920；主軸箱；液壓系統(tǒng)；creo2.0；AMEsimIVAbstractAbstractHeavy CNC floor type boring and milling machine analysis originated from the 1950s.Abroad,especiall

4、y the United States, Germany and Japan on the CNC heavy machine research, design, production and application of the most advanced techniques, up to the experience of countries in the world today.With the development of modern industry and the increased demand for heavy-duty CNC milling machine perfo

5、rmance requirements are also increasing.Headstock is one of the important parts of heavy-duty CNC floor type boring and milling machine, which is affecting the entire structural design of the machine performance.In this paper, TK6920 large CNC boring and milling machine is designed for the study of

6、their headstock.Hydraulic system is also a major part of the heavy-duty CNC milling machine, at present, the main basis for the design of domestic design and analog design experience, and through prototype simulation discover and solve problems.Such a waste of time and effort and a waste of resource

7、s, can find problems early in the design through the design and analysis of the hydraulic system, to solve the problem.In this paper, the national "high-end CNC machine tools and basic manufacturing equipment" major science and technology "Heavy CNC machine key common technology platf

8、orm innovation capability," the subject of the second sub-machine plant in Qiqihar Heavy CNC boring and milling the TK6920 for the study of the headstock structural design, the overall hydraulic system design and simulation analysis.(1) .Three-dimensional structural model of the transmission sy

9、stem in accordance with the design requirements of the headstock design, based on the results of the use of Creo2.0 establish headstock(2) .Various parts of the hydraulic system of research and TK6920 heavy machine tool hydraulic system design and selection.(3) .AMEsim complete modeling and simulati

10、on software TK6920 hydraulic system based on.(4) .Simulation analysis of hydraulic system problems and suggestions for improvement.Keywords: Heavy CNC boring and milling machine; TK6920; headstock; hydraulic system; creo2.0; AMEsim目錄目錄摘 要I第一章 概述11.1引言11.1.1課題來源11.1.2課題背景11.1.3研究意義11.2研究現(xiàn)狀21.2.1國內外研究

11、現(xiàn)狀分析和成果21.2.2主軸箱的設計研究成果31.2.3液壓系統(tǒng)設計的研究成果51.2.4液壓系統(tǒng)仿真的研究成果71.4主要工作101.5設計方案101.5.1主軸箱的結構設計101.5.2液壓系統(tǒng)的設計與仿真分析10第二章 主軸箱的結構設計112.1總體結構分析112.2滑枕的相關設計122.3主軸箱的輪廓設計122.4傳動系統(tǒng)設計132.4.1主傳動系的設計132.4.2計算各軸的轉速132.4.3計算各軸的傳動效率132.4.4計算各軸的功率：142.4.5計算各齒輪的參數(shù)：142.4.6初選軸徑：162.4.7軸的設計與校核：172.5主軸箱的結構設計24第三章 液壓系統(tǒng)的設計與仿真

12、分析273.1機床液壓系統(tǒng)介紹273.2主軸箱平衡液壓系統(tǒng)273.3刀具夾緊液壓系統(tǒng)283.4主軸箱以及滑枕夾緊液壓系統(tǒng)293.5滑枕補償液壓系統(tǒng)303.6液壓系統(tǒng)的受力分析313.7液壓系統(tǒng)計算以及選型333.7.1液壓缸的計算：333.7.2管道尺寸的確定：383.7.3利用AMEsim進行仿真的步驟393.7.4利用AMEsim進行仿真分析393.7結論45第四章 結論46參考文獻47致謝49某型重型數(shù)控機床主軸箱設計及滑枕液壓系統(tǒng)仿真分析某型重型數(shù)控機床主軸箱設計及滑枕液壓系統(tǒng)仿真分析第一章 概述1.1引言1.1.1課題來源“重型數(shù)控機床主軸箱設計及滑枕液壓系統(tǒng)仿真分析”課題是國家“高

13、檔數(shù)控機床與基礎制造裝備”科技重大專項重型數(shù)控機床關鍵共性技術創(chuàng)新能力平臺課題的子項目。以齊齊哈爾第二機床廠生產的TK6920重型數(shù)控鏜銑床為研究對象，運用有限元思想，借助一系列的軟件對機床的主軸箱以及液壓系統(tǒng)分析仿真從而達到提高機床加工精度的目的。1.1.2課題背景重型數(shù)控落地鏜銑機床的研究分析起源于上世紀50年代起，當今世界上，國外，特別是德、美、日三個國家在數(shù)控重型機床科研、設計、制作和應用上，技巧最先進、經驗最多的國家。美國在重型數(shù)控機床的主機設計、制作及數(shù)控系統(tǒng)方面的研究基礎扎實,并且秉承著科研和創(chuàng)新，故其高性能的重型數(shù)控機床在世界也一直處于領先地位。德國的數(shù)控機床質量及性能良好、先

14、進、實用、貨真價實、出口遍及世界。尤其是在大型、重型、精密數(shù)控機床方面的機床炙手可熱。德國特別一貫重視數(shù)控機床主機及配套件的先進性和實用性能，其機、電、液、氣、光、刀具、測量、數(shù)控系統(tǒng)以及各種功效部件在質量、性能上居世界高端水平。日本充分發(fā)展大批生產自動化,繼而全力發(fā)展中小批柔性生產主動化的數(shù)控機床。在1958年國內研制出第一臺數(shù)控機床，經過無數(shù)國人的不懈努力，在50余年間數(shù)控機床的設計和制作技巧飛躍式前進和進步，但是中國的機床結構的設計多半仍然處于經驗設計，設計計算時使用一般的結構計算方法，雖然這些計算具有可靠性、科學性，但是對于復雜的機床結構僅有計算和試驗是不夠的。這導致國內重型數(shù)控落地鏜

15、銑機床產品和國外產品還存在著很大的差距。1.1.3研究意義我國是制造大國，工業(yè)制造是國家的經濟命脈。隨著現(xiàn)代工業(yè)的高速發(fā)展發(fā)展以及工藝水平的跳躍式提高，高效率、高精度、低成本加工性能機床的需求量逐年增多，而且隨著加工產品的大型化、自動化、噸位化的趨勢，重型數(shù)控落地鏜銑機床的需求量越來越高。重型數(shù)控落地式鏜銑床早已列為振興國家裝備制造業(yè)“數(shù)控機床發(fā)展專項規(guī)劃”，是我國重點扶持的行業(yè)，但由于重型數(shù)控落地鏜銑機床的體積大，噸位重，生產制造成本高，這有必要在設計時進行多方面的分析，降低機械振動，減少部件的彎曲變形從而提高加工工件的生產質量。本課題重點研究重型數(shù)控落地鏜銑機床的關鍵部件的靜動特性，以及整

16、機的液壓系統(tǒng)。課題的結果對提高機床整機的性能以及加工精度具有重大的借鑒意義。對于大型落地式鏜銑床液壓系統(tǒng)的設計具有推動作用。1.2研究現(xiàn)狀1.2.1國內外研究現(xiàn)狀分析和成果本次課題研究共查閱相關文獻共50篇，年份分布圖1所示圖1年份分布圖從圖中看出文獻主要集中在2011-1013年，這說明文獻的實時性較強，對本論文研究具有重大的借鑒意義。文獻內容主要包括機床主軸箱、滑枕、液壓系統(tǒng)等幾方面的介紹和分析具體情況如圖1所示：圖1文獻內容分類數(shù)量統(tǒng)計從圖中看出文獻總體分為六大類別，分別是對機床整體、主軸箱、滑枕、液壓系統(tǒng)、其他部件分析以及機床介紹。整體方面，文獻主要是從機床的機構設計分析、動態(tài)分析和熱

17、特性三個方面進行研究的。主要采用ANSYS 有限元軟件對機床的結構建模12，分析機床的結構找到剛度的薄弱環(huán)節(jié)進行優(yōu)化，對機床進行熱特性分析為整機的冷卻系統(tǒng)提供理論3，同時改進裝置提高加工精度。對于機床的動力分析時采用有限元及結構優(yōu)化（CAE）技術相結合的手段4，提高機床性能。機床滑枕分析主要分為滑枕的結構設計、動特性分析、熱特性分析以及滑枕的變性補償四個方面。（1）結構設計時主要運用有限元分析的方法對滑枕的內部結構的靜、動特性進行分析，提高滑枕的靈敏度56。（2）動態(tài)分析時首先借助相關軟件進行三維建模，進而采用ANSYS對滑枕進行動特性、熱特性、噪聲場的分析。分析時，采用Block Lancz

18、os 法求解，得出通過增加加強筋、固定螺栓的預緊力、改變約束位置等來調整方滑枕的剛度，起到提高固有頻率的目的6。（3）熱特性分析時主要運用有限元軟件仿真計算滑枕系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)溫度場分布以及熱平衡時間，得出且溫度分布均勻程度是影響熱變形的關鍵因素7-8。（4）滑枕的變形補償分析時首先采用PRO/E建模，之后用有限元分析方法對滑枕進行靜態(tài)分析9-12，從而建立一系列的平衡方程,找出滑枕的補償方法。機床主軸箱分析主要分為主軸箱的結構設計與優(yōu)化、模態(tài)分析、熱特性分析和主軸箱的補償四個方面。主要運用PRO/E13，CAD、matlab14以及Solid Works15 三種軟件對機床主軸建模，結構分析和優(yōu)化

19、設計時主要采用matlab軟件，模態(tài)分析和熱特性分析時主要運用ANSYS進分析1617，主軸箱的補償分析時主要運用CAE18。在優(yōu)化時普遍采用ANSYS論證。機床液壓系統(tǒng)分析主要分為液壓系統(tǒng)的設計和優(yōu)化、液壓系統(tǒng)的平衡兩個方面。液壓系統(tǒng)設計時運用理論知識設計液壓系統(tǒng)，通過Hop san、ADAMS/Hydraulics、Matlab /Simulink、AMESim19以及EASY5等仿真軟件對液壓系統(tǒng)進行仿真20，找出系統(tǒng)中的問題環(huán)節(jié)，改進系統(tǒng)。液壓系統(tǒng)主要以配重錘平衡、蓄能器平衡、壓力控制閥平衡和PID補償四種方法21為主，運用上述的液壓系統(tǒng)軟件對平衡后的系統(tǒng)仿真，得到最優(yōu)的平衡措施。機床

20、的其他部件的分析主要是機床的鏜軸的剛度分析22，立柱的靜態(tài)和模態(tài)分析23以及機床雙驅機構24的的改進。通過PRO/E對這些零件建模，運用有限元分析軟件對三個部件的動特性以及靜特性分析，總結出改進方法?？v觀文獻內容發(fā)現(xiàn)目前重型數(shù)控落地鏜銑機床的發(fā)展方向是高速銑削，其功能通過滑枕組件來完成。在理論論證時需要對主軸箱、滑枕、立柱等部件進行強度、剛度分析，以保證鏜銑床的加工精度以及可靠性。現(xiàn)在國內外對機床進行靜態(tài)、模態(tài)分析多采用計算機輔助工程( CAE ) 技術，通過PRO/E，CAD、matlab以及Solid Works對機床部件建模，運用ANSYS、matlab以及CAE軟件，根據(jù)實際工作情況，

21、將實際中的經驗數(shù)據(jù)加載到模型中，進一步分析,這樣可以找到機床的薄弱點，并且對問題點進行修改和優(yōu)化。在機床液壓系統(tǒng)理論分析時主要運用Hop san、ADAMS/Hydraulics、Matlab /Simulink、AMESim以及EASY5等仿真軟件對液壓系統(tǒng)進行仿真，發(fā)現(xiàn)液壓系統(tǒng)的問題，進行改進。1.2.2主軸箱的設計研究成果 主軸箱的結構有如下幾種：方案一：TK69系列鏜銑床不開口主軸箱結構，如圖1.2.2.1所示：圖1.2.2.1 TK69系列不開口主軸箱模型方案二：TK69系列鏜銑床開口主軸箱結構，如圖1.2.2.2所示：圖1.2.2.2 TK69系列開口主軸箱模型方案三:數(shù)控車床主軸

22、箱結構,圖1.2.2.3所示。圖1.2.2.3CK61系列數(shù)控車床主軸箱實體圖方案四：數(shù)控銑床主軸箱機構，如圖1.2.2.4所示。圖1.2.2.4 XK系列數(shù)控銑床主軸箱結構1.2.3液壓系統(tǒng)設計的研究成果依據(jù)本課題，TK6920重型數(shù)控鏜銑床液壓系統(tǒng)共包含四個主要的部分：（1） 主軸箱的平衡液壓系統(tǒng)，如圖1.2.3.1所示。 圖1.2.3.1主軸箱平衡系統(tǒng)原理圖 主軸箱平衡系統(tǒng)主要液壓元件型號（2）刀具夾緊液壓系統(tǒng)，如圖1.2.3.2所示。圖1.2.3.2刀具夾緊液壓系統(tǒng)原理圖（3）主軸箱以及滑枕夾緊液壓系統(tǒng)，如圖1.2.3.3所示。圖1.2.3.3主軸箱以及滑枕夾緊液壓系統(tǒng)原理圖（4）滑枕

23、的撓度補償液壓系統(tǒng)，如圖1.2.3.4所示。圖1.2.3.4滑枕撓度補償液壓系統(tǒng)原理圖1.2.4液壓系統(tǒng)仿真的研究成果方案一：首先依據(jù)課題要求設計液壓系統(tǒng)，通過計算機輔助軟件AMESim對液壓系統(tǒng)進行建模，主要包括：模型的創(chuàng)建、模型的類型、模型的參數(shù)的設置等三方面。通過軟件仿真得到結果如圖1.2.4.1所示，對仿真結果進行研究改進原有的液壓系統(tǒng)如圖1.2.4.2所示。圖1.2.4.1液壓系統(tǒng)的仿真結果圖1.2.4.2液壓系統(tǒng)改進方案二：首先需要對原有液壓系統(tǒng)進行設計，其次利用EASY5液壓系統(tǒng)仿真軟件建立液壓系統(tǒng)模型如圖1.2.4.3所示。圖1.2.4.3基于EASY5的液壓系統(tǒng)建模通過實驗以

24、及液壓系統(tǒng)的仿真結果對比如圖1.2.4.4所示，分析液壓系統(tǒng)特性，得出分析結果。圖1.2.4.4仿真結果和實驗結果對比方案三：初步設計液壓系統(tǒng)，運用Matlab /Simulink仿真模塊，對液壓系統(tǒng)仿真和分析，如圖1.2.4.5以及圖1.2.4.6。圖1.2.4.5三通減壓閥仿真模塊圖圖1.2.4.6三通減壓閥輸出壓力仿真曲線1.3發(fā)展趨勢 我國是個工業(yè)大國，隨著科技的進步、生產的提高，機床的使用性能要求也逐步提高，主軸箱的設計時重型數(shù)控機床的中重之中，其研究領域正在向高精度、高穩(wěn)定性和可靠性邁進。在液壓方面，液壓系統(tǒng)支撐起機床整體的運動也是重型數(shù)控機床的重研究領域之一，隨著計算機仿真技術的

25、日益發(fā)展，利用計算機解決實際系統(tǒng)的問題已經成為可能，根據(jù)實際的數(shù)值對液壓系統(tǒng)的仿真賦予特征參數(shù)，模擬出實際中的液壓系統(tǒng)個個部分的數(shù)值，為液壓系統(tǒng)的改進提供強有力的證據(jù)。液壓系統(tǒng)的仿真在對液壓系統(tǒng)設計時的作用越來越大正在逐步變打。 1.4主要工作通過查閱現(xiàn)有文獻資料，進行調研，以K6920重型數(shù)控落地式鏜銑床作為研究對象設計主軸箱的箱體以及其傳動系統(tǒng)，并建立三維模型。在液壓方面，借鑒國內外液壓系統(tǒng)的設計經驗，根據(jù)本機床的設計要求設計出液壓系統(tǒng)，并根據(jù)液壓系統(tǒng)的參數(shù)建立液壓系統(tǒng)模型，通過仿真驗證液壓系統(tǒng)的可行性，進一步分析仿真結果得出本液壓系統(tǒng)的缺陷并給出相關建議。1.5設計方案1.5.1主軸箱的

26、結構設計在主軸箱結構設計階段共有四個典型的主軸箱模型可以給本課題作為借鑒，考慮到本課題研究的是齊齊哈爾第二機廠的TK692O型號重型數(shù)控鏜銑床所以在方案一二中選擇一個主軸箱的結構作為本課題主軸箱結構設計時的參考。由于方案一屬于傳統(tǒng)的主軸箱設計，箱體的強度、剛度都比較好，適合重型數(shù)控鏜銑床的主軸箱結構案故選擇TK69系列前端不開口的主軸主軸箱結構。1.5.2液壓系統(tǒng)的設計與仿真分析在液壓系統(tǒng)設計時以TK6920 的設計參數(shù)為根據(jù)參照各個部分的液壓系統(tǒng)模型進行設計。在液壓系統(tǒng)分析方面都是運用仿真分析軟件對液壓系統(tǒng)的性能做出分析，具有相似原理。不同的是仿真軟件各異。AMESim軟件最早由法國IMAG

27、INE公司在1995年推出的基于鍵合圖的液壓系統(tǒng)建模仿真和各種參數(shù)分析軟件。它含有一系列的液壓模型庫，其中也包含著復雜程度不同的各種模型應用于多種多樣的液壓系統(tǒng)設計并且可以通過一些簡單的模型建立這個軟件中不存在的液壓元件模型來滿足客戶的各種要求。它與其他液壓仿真軟件相比較，可以通過一個接口傳遞多個變量，簡化了模型的規(guī)模，使得不同領域模塊之間的物理連接成為可能。而且具有穩(wěn)態(tài)仿真、動態(tài)仿真、批處理仿真、間斷連續(xù)仿真等多種仿真運行方式，可以得到精度和穩(wěn)定性很高的仿真結果。EASYS5是當今世界上主流的液壓仿真軟件，功能強大，包含了70多種主要的液壓原部件, 涵蓋了液壓系統(tǒng)仿真的主要方面，具有一些對應

28、真實物理部件的仿真模型, 如: 馬達、泵、閥液壓油等等, 用戶只要如同組裝真實的液壓系統(tǒng)一樣, 把相應的零件圖標從庫里取出, 設定參數(shù)，連接各個部件, 就可以構造用戶的液壓系統(tǒng), 而不必關心具體部件背后復雜的數(shù)學模型, 因此EASYS的液壓系統(tǒng)仿真軟件非常適合工程人員使用。MATLAB是由美國Mathworks公司在1984年正式推出的科學計算與仿真軟件，它是一個高度集成的軟件系統(tǒng)，它集科學與工程計算、圖形可視化、圖形處理、多媒體處理于一身，并提供了實用的Windows圖形界面設計方法，使用戶設計出友好的圖形界面，具有超強的數(shù)值運算功能、強大的數(shù)據(jù)可視化功能、開放的架構和可延拓的特性以及豐富的

29、工具箱。三款液壓系統(tǒng)的仿真軟件功能都十分強大，但AMESim系統(tǒng)仿真軟件易學易懂、方便快捷、可以在較短的時間內、完成較多的實驗內容。所以在液壓系統(tǒng)分析時主要采用AMESim軟件進行仿真分析。 第二章 主軸箱的結構設計2.1總體結構分析本文所論述的主軸箱的結構設計如下圖2.1.1所示圖2.1.1 主軸箱的結構在這個重型數(shù)控機床的主軸箱中包含了主軸箱的重力補償部件1，活塞、油缸和一根鋼絲繩連接通過液壓油缸動態(tài)的拉緊與松開形成與重心相反方向的力來保證主軸箱不斷的處于平衡狀態(tài)中。主軸箱的后部2是主軸箱的傳動系統(tǒng)，主傳動系統(tǒng)由一71千瓦交流主電機驅動，經機械電氣調整后，使主軸獲得3.15800r/min

30、范圍內無級調整的轉速。主軸回轉運動通過齒輪傳動實現(xiàn)，在銑軸內的鏜軸沿兩個固定在銑軸上的專用成形鍵做無間隙滑動，并通過此成形鍵傳遞銑軸回轉動力。主軸箱的中部是滑枕部件，材料是一種優(yōu)質精密鑄鐵件，長方形截面（480×520mm），滑枕在主軸箱內沿W軸水平移動，它支承主軸，并承擔將主運動傳至主軸。在滑枕前端面可以安裝附件（如垂直銑頭，平旋盤等），并且在滑枕前端蓋上安裝有附件識別開關。在滑枕的下部是支撐滑枕伸出的滾珠絲杠，通過經高精度齒輪降速后，驅動滾珠絲杠副。絲杠在固定于方滑枕上的支架中的滾珠絲母內回轉，傳動件為回轉絲杠、絲母為預壓式雙螺母結構，以便于消除間隙。2.2滑枕的相關設計根據(jù)滑枕

31、的行程：，滑枕尺寸：,所以滑枕與箱體的結合面尺寸為：。因為滑枕自身較重，所以在箱體內部直線運動，采用靜壓導軌。初步得出絲杠直徑為，絲杠總長為。2.3主軸箱的輪廓設計查閱相關資料，借鑒相關書籍和老師進行溝通得到主軸箱二維輪廓圖如下圖2.1.2所示：圖2.1.2 主軸箱二維輪廓圖2.4傳動系統(tǒng)設計2.4.1主傳動系的設計 根據(jù)TK6920機床的設計要求和數(shù)據(jù)得到如下圖2.1.3傳動系統(tǒng)：圖2.1.3 傳動系統(tǒng)2.4.2計算各軸的轉速軸轉速：軸轉速：軸轉速：軸轉速：軸轉速：2.4.3計算各軸的傳動效率聯(lián)軸器的傳動效率：、齒輪嚙合效率：、滾動軸承效率：、 v帶傳動的效率：軸傳動效率：軸傳動效率：軸傳動

32、效率：軸傳動效率：軸傳動效率：2.4.4計算各軸的功率：軸功率：軸功率：軸功率：軸功率： 軸功率：2.4.5計算各齒輪的參數(shù)：齒輪01：、分度圓直徑：齒頂圓直徑：齒根圓直徑：齒寬：齒輪02：、分度圓直徑：齒頂圓直徑：齒根圓直徑：齒寬：齒輪03：、分度圓直徑：齒頂圓直徑：齒根圓直徑：齒寬：齒輪04：、分度圓直徑：齒頂圓直徑：齒根圓直徑：齒寬：齒輪05：、分度圓直徑：齒頂圓直徑：齒根圓直徑：齒寬：齒輪06：、分度圓直徑：齒頂圓直徑：齒根圓直徑：齒寬：齒輪07：、分度圓直徑：齒頂圓直徑：齒根圓直徑：齒寬：齒輪08：、分度圓直徑：齒頂圓直徑：齒根圓直徑：齒寬：齒輪09：、分度圓直徑：齒頂圓直徑：齒根圓

33、直徑：齒寬：2.4.6初選軸徑：2.4.7軸的設計與校核：I軸的設計和校核：（1） 、初選軸的直徑為，考慮到軸上有一個鍵槽，故直徑增加4%-5%，所以最小直徑為。（2） 、初選深溝球軸承6221型號：（3） 軸承端蓋的設計：軸承端蓋如圖2.4.4.1所示：圖2.4.4.1 軸承端蓋取螺栓直徑=10，數(shù)目為4?。?） 、軸的示意圖： （5）、校核強度： 轉矩：圓周力：徑向力：注：軸向力：受力圖：水平面：（注：FQ=10050N） 垂直面：畫出水平面彎矩圖以及垂直面彎矩圖：在右軸頸中間斷面處的垂直處水平彎矩為：彎曲圖如下：齒輪中間處的垂直彎矩：彎矩圖如下：合成彎曲：所以：軸的材料為45剛，經過調制

34、處理，硬度為217-225HBW，許用應力為：。校核強度：B截面處的強度：所以C截面處的強度：所以綜上所訴：本軸的強度滿足設計使用要求。II軸的設計：（1） 、初選軸的直徑為，考慮到軸上有三個鍵槽，故直徑增加12%，所以最小直徑為，圓整為（2） 、初選深溝球軸承6020型號：（3） 軸承端蓋的設計：軸承端蓋如圖所示：取螺栓直徑=10，數(shù)目為4?。?）、軸的示意圖：III軸的設計：（1） 、初選軸的直徑為，考慮到軸上有三個鍵槽，故直徑增加12%，所以最小直徑為。（2） 、初選深溝球軸承6024型號：（3） 、軸承端蓋的設計：軸承端蓋如圖所示：取螺栓直徑=10，數(shù)目為4?。?）、軸的示意圖：IV軸

35、的設計：（1） 、初選軸的直徑為，考慮到軸上有一個鍵槽，故直徑增加3%，所以最小直徑為。（2） 、初選深溝球軸承6021型號：（3） 、軸承端蓋的設計：軸承端蓋如圖所示：取螺栓直徑=10，數(shù)目為4?。?）、軸的示意圖：V軸的設計：（1） 、初選軸的直徑為，考慮到軸上有一個鍵槽，故直徑增加5%，所以最小直徑為。（2） 、初選深溝球軸承6021型號：（3） 、軸承端蓋的設計：軸承端蓋如圖所示：取螺栓直徑=10，數(shù)目為4?。?）、軸的示意圖：2.5主軸箱的結構設計根據(jù)主傳動系統(tǒng)初步的到傳動系統(tǒng)的空間位置草圖，如圖2.5.1所示：圖2.5.1 傳動系統(tǒng)的空間位置依據(jù)設計得到的軸箱的外形輪廓、滑枕部件、

36、導軌部件以及齒輪和軸系數(shù)據(jù)最終建立主軸箱體和主軸箱裝配的二維圖，如圖附圖2.5.1和2.5.2所示。在圖中2.5.1中1是支撐滑枕運動的滾珠絲杠位置，2是支撐主軸箱上下運動的絲杠副，3和10是主軸箱的外壁，4和5是支撐主軸箱的筋板同時可以安裝夾緊所需的液壓缸，6和7用來支撐軸V和軸IV滾動軸承的基座同時對主軸箱起支撐作用。8是用來支撐軸III滾動軸承的基座同時對主軸箱起支撐作用。9是用來支撐軸II滾動軸承的基座同時對主軸箱起支撐作用。10是用來支撐軸I、軸II和軸III滾動軸承的基座同時對主軸箱起支撐作用。11是主軸箱在立柱上上下移動的導軌。12是為減少主軸箱重量加強主軸箱強度的筋板。在圖2.

37、5.2中1和3是滑枕對稱的前后兩個端面，2是滑枕相連的兩個端面，6是軸I以及齒輪01。7是軸II以及齒輪02、03和04。8是軸III以及齒輪05、06和07。9是軸IV以及齒輪08。10是軸V以及齒輪09。圖2.5.1 主軸箱附圖：圖2.5.2 主軸箱裝配圖第3章 液壓系統(tǒng)的設計與仿真分析3.1機床液壓系統(tǒng)介紹 TK6920重型數(shù)控落鏜銑床的液壓系統(tǒng)由四個獨立的部分組成：第一部分提供機床精度補償，其中包括：主軸箱重心平衡補償、滑枕變形補償、附件重量補償。第二部分提供機床夾緊潤滑，其中包括：滑座夾緊、主軸箱夾緊、滑枕夾緊、刀具松開、主傳動換檔、滑座進給箱潤滑、主傳動潤滑、滑枕進給潤滑、主軸箱進

38、給潤滑。第三部分提供機床靜壓，其中包括：滑座靜壓、主軸箱靜壓、滑枕靜壓第四部分提供機床滑枕部件潤滑，其中包括：滑枕潤滑、鏜軸拖架潤滑。在本論文中，重點對主軸箱重心平衡補償、滑枕變形補償、主軸箱夾緊、滑枕夾緊以及刀具松開五部分液壓系統(tǒng)的設計和仿真分析。3.2主軸箱平衡液壓系統(tǒng)TK6920重型數(shù)控落地銑鏜床主軸箱的工作原理是：主軸箱通過絲杠傳動，沿著立柱靜壓導軌(Y軸)上下運動。滾珠絲杠帶動滑枕，在箱體內沿靜壓導軌(Z軸)做水平運動，鏜軸在銑軸內(W軸)做水平運動。由于本機床是重型數(shù)控機床，主軸箱、滑枕、鏜軸以及銑軸的重量較大，當滑枕伸出時，受重力影響，使主軸箱前端向下傾斜，并且對立柱施加了一個逆

39、時針的力矩，這降低了銑軸、鏜軸、立柱的剛度，從而降低了機床的加工精度，使刀具磨損嚴重。這就需要設計一個液壓系統(tǒng)在滑枕伸出是補償主軸箱前端的傾斜，在滑枕縮回時補償主軸箱后端的傾斜。液壓系統(tǒng)圖如3.1.1所示：圖3.1.11、主軸箱 2、定滑輪 3、鋼絲繩 4、液壓缸 5、6、動滑輪組 7、鏜桿 8、支架（連接滑輪）9、行程油缸 10、液控單向閥 11、電磁換向閥 12、伺服閥 13、單向閥 14、液壓泵15、 過濾器 16、溢流閥注：液壓缸4、9固定在立柱上，鋼絲繩兩端分別連接主軸箱前后兩端。平衡系統(tǒng)原理：當滑枕伸出主軸箱時，YB1、YB3接通，從液壓泵打出的液壓油經過伺服閥12的左腔，液控單向

40、閥10進入到液壓缸4和9中提升因為重力影響而傾斜的主軸箱前端，補償誤差。當滑枕縮回時，YB5接通，打開液控單向閥，同時YB2、YB4接通，液壓缸4中的液壓油經過液控單向閥10、12的右腔流回油箱，降低主軸箱的前端補償主軸箱在伸出時前端鋼絲繩的拉力大于后端鋼絲繩的拉力產生的翹起誤差。3.3刀具夾緊液壓系統(tǒng) TK6920機床刀具的夾緊是通過液壓缸推動滑枕內部的拉桿如圖3.3.1所示從而拉釘?shù)膴A緊和松開，實現(xiàn)刀具的夾緊。液壓原理圖如3.3.2所示：圖3.3.1 刀具夾緊原理圖圖3.3.21、單向閥 2、溢流閥 3、減壓閥 4、三位四通閥 5、雙向節(jié)流閥 6、液壓缸7、液壓泵 8、過濾器 刀具夾緊原理

41、：當YB2接通時液壓油經過減壓閥3，三位四通閥右腔進入液壓缸左端使液壓桿縮回，拉釘拉緊從而使刀具夾緊。當YB1接通是液壓油進過三位四通閥的左端回到液壓箱使液壓桿伸出，拉釘松開從而使刀具松開。3.4主軸箱以及滑枕夾緊液壓系統(tǒng) TK6920機床的主軸箱沿Y軸上下運動，滑枕沿Z軸水平運動，自由度為1，當進行切削工作時只需限制這一個自由度就可實現(xiàn)夾緊。液壓原理圖如3.3.1所示:圖3.3.11、 過濾器 2、液壓泵 3、單向閥 4、溢流閥 5、減壓閥 6、三位四通閥 7、雙向節(jié)流閥 8、液壓缸 9、主軸箱、滑枕 主軸箱以及滑枕夾緊原理：當YB5接通時液壓油經過減壓閥3，三位四通閥右腔進入液壓缸右端使液

42、壓桿伸出，四根液壓桿限制住這一個自由度雙向節(jié)流閥保壓從而夾緊主軸箱或者滑枕。當YB6接通時液壓油進過三位四通閥的右端回到液壓箱使液壓桿縮回，液壓桿松開從而使主軸箱或滑枕有一個自由度可以向相關方向移動。3.5滑枕補償液壓系統(tǒng) 由于TK6920數(shù)控銑鏜床是重型數(shù)控機床，滑枕、鏜軸以及銑軸的重量較大，當滑枕伸出時，受重力影響，使滑枕產生撓曲變形，從而使滑枕的理論與實際定位值產生偏差這嚴重影響了數(shù)控銑鏜床的加工精度，這就需要設計一個液壓系統(tǒng)在滑枕伸出時補償滑枕的撓曲變形。液壓原理圖如3.4.1所示：圖3.4.1 1、拉桿 2、液壓缸 3、滑枕 4、溢流閥 5、單向閥 6、液壓泵 7、過濾器 8、主軸箱

43、 9、比例減壓閥 10、減壓閥 滑枕補償原理：在滑枕的上端對稱安裝兩個拉桿，拉桿前端連接拉套，拉桿后端通過鎖緊螺母連接液壓油缸和拉桿，通過比例減壓閥9控制液壓缸的壓力大小從而改變拉桿的拉力的大小，進而補償因為重力導致的滑枕的撓曲變形。3.6液壓系統(tǒng)的受力分析 主軸箱的受力圖如下所示： 根據(jù)TK6920的設計要求，經過和來世的討論首先確定主軸箱的受力分析情況，此次主軸箱共受到五個力的作用，分別是：主軸箱本身的重力、液壓裝置對主軸箱的拉力、楔鐵上靜油壓對主軸箱的作用力、銑削時對主軸箱體的作用力、滑枕對主軸箱的作用力。（1） 、主軸箱的自身重力TK6920重型數(shù)控鏜銑床主軸箱的箱體材料為HT200，

44、密度為，尺寸為，根據(jù)第二章主軸箱的三維建模，運用Creo進行重力分析，得出自身重力為4980N。（2） 、液壓裝置對主軸箱的拉力根據(jù)TK6920機床的型號，以及查閱相關資料，最終確定主軸箱的兩個拉力的大小分別為：（方向向上）、（方向向上）。（3） 、楔鐵上靜油壓對主軸箱的作用力滑枕與主軸箱之間的運動通過靜壓導軌實現(xiàn)，方向為水平運動。由于滑枕的重力影響，導軌受到滑枕的壓力，所以靜壓導軌的靜油壓力為正值。根據(jù)經驗以及查閱相關資料，靠近銑軸方向承受的壓力為3000N，后面導軌上承受的壓力為每個2000N。（4） 、銑削工作時軸向力對箱體的作用力銑削時受力示意圖：銑削時扭矩與軸向力的關系式：所以得到取

45、整為：，同時可得到徑向力（5） 、滑枕對主軸箱的作用力a) 查閱相關資料，與老師進行討論最終確定TK6920滑枕的重力為16000N。b) 滑枕的受力示意圖如下所示： 根據(jù)上圖列出受力方程組：1. 2.聯(lián)立兩個方程求解：、3.7液壓系統(tǒng)計算以及選型由于本課題研究是機床整體的液壓系統(tǒng)的分析，所以將第三章設計的五部分液壓系統(tǒng)設計成一個大的液壓系統(tǒng)如圖3.6.1所示：圖3.6.1 整體液壓系統(tǒng)1、2、3、4、5、9、液壓缸 6、比例減壓閥 7、22、單向閥 8、18、19、20、減壓閥10、 三位三通閥 11、液控單向閥 12、二位二通閥、13、15、17、三位四通閥2、14、16雙向節(jié)流閥 21、

46、溢流閥 23、液壓泵 24、過濾器液壓系統(tǒng)動作順序表：3.7.1液壓缸的計算：（1） 、主軸箱平衡系統(tǒng)缸4和9的計算a) 缸4的計算根據(jù)液壓系統(tǒng)設計簡明手冊表2-1確定液壓缸的工作壓力為20Mpa、最大負載為F1=40000N、回油背壓力為零、。液壓缸內徑根據(jù)液壓系統(tǒng)設計簡明手冊表2-4將液壓缸的內徑圓整為標準系列，所以。 校核液壓缸可靠性：因為且，所以液壓缸設計可靠。取則缸體外徑為：根據(jù)液壓系統(tǒng)與維修設計手冊157頁表選所以液壓缸的型號為：計算最大流量：b) 缸9的計算根據(jù)液壓系統(tǒng)設計簡明手冊表2-1確定液壓缸的工作壓力為20Mpa、最大負載為F1=160000N、回油背壓力為零、。液壓缸內

47、徑根據(jù)液壓系統(tǒng)設計簡明手冊表2-4將液壓缸的內徑圓整為標準系列，所以。 校核液壓缸可靠性：因為且，所以液壓缸設計可靠。取則缸體外徑為：根據(jù)液壓系統(tǒng)與維修設計手冊157頁表選所以液壓缸的型號為：計算最大流量：（2） 、刀具夾緊系統(tǒng)液壓缸的計算根據(jù)液壓系統(tǒng)設計簡明手冊表2-1確定液壓缸的工作壓力為7Mpa、最大負載為F1=50000N、回油背壓力為零、。液壓缸內徑根據(jù)液壓系統(tǒng)設計簡明手冊表2-4將液壓缸的內徑圓整為標準系列，所以。 校核液壓缸可靠性：因為且，所以液壓缸設計可靠。取則缸體外徑為：根據(jù)液壓系統(tǒng)與維修設計手冊157頁表選所以液壓缸的型號為：計算流量：（3） 、滑枕夾緊系統(tǒng)液壓缸的計算根據(jù)

48、液壓系統(tǒng)設計簡明手冊表2-1確定液壓缸的工作壓力為20Mpa、最大負載為F1=63000N、回油背壓力為零、。液壓缸內徑根據(jù)液壓系統(tǒng)設計簡明手冊表2-4將液壓缸的內徑圓整為標準系列，所以。 校核液壓缸可靠性：因為且，所以液壓缸設計可靠。取則缸體外徑為：根據(jù)液壓系統(tǒng)與維修設計手冊157頁表選所以液壓缸的型號為：計算流量：（4） 、主軸箱夾緊系統(tǒng)液壓缸的計算根據(jù)液壓系統(tǒng)設計簡明手冊表2-1確定液壓缸的工作壓力為20Mpa、最大負載為F1=139350N、回油背壓力為零、。液壓缸內徑根據(jù)液壓系統(tǒng)設計簡明手冊表2-4將液壓缸的內徑圓整為標準系列，所以。 校核液壓缸可靠性：因為且，所以液壓缸設計可靠。取

49、則缸體外徑為：根據(jù)液壓系統(tǒng)與維修設計手冊157頁表選所以液壓缸的型號為：計算流量：（5） 、滑枕平衡液壓系統(tǒng)液壓缸的計算根據(jù)液壓系統(tǒng)設計要求以及查閱相關資料得到液壓缸的D=80mm、d=56mm 行程為5mm。根據(jù)液壓系統(tǒng)與維修設計手冊157頁得液壓缸的型號為：（6） 、液壓泵的選擇考慮到正常工作中進油管路有一定的壓力損失，所以泵的壓力為式中：為液壓泵最大工作壓力 為執(zhí)行元件的最大工作壓力 為進油管路中損失的壓力，由于本系統(tǒng)較為為簡單取0.5Mpa所以上述為系統(tǒng)的靜態(tài)壓力，考慮到系統(tǒng)在各種工況過程中的損失，因此泵的額定壓力應該，所以本系統(tǒng)選液壓泵的最大流量應為：注：為液壓泵的最大流量為同時動作

50、的個執(zhí)行元件所需的流量之和的最大值，如果溢流閥此時 正常工作需增加為系統(tǒng)泄漏系數(shù)，在1.1-1.3之間所以因為系統(tǒng)壓力較高，但系統(tǒng)較簡單，故選用NB型內嚙合齒輪泵，考慮到容積效率等因素選用排量為，額定壓力為25Mpa，最大壓力為32Mpa，額定轉速為1500r/min，額定功率為17Kw的齒輪泵，型號為：（7） 、電動機的選擇電動機的功率注：為系統(tǒng)壓力，考慮到系統(tǒng)管路損失，因此取系統(tǒng)壓力為20.5Mpa為齒輪泵排量，為電動機轉速，使用四極電機，為機械效率取0.83所以電機采用臥式安裝方式，具體型號為：3.7.2管道尺寸的確定： 油管尺寸一般由選用的液壓元件接口尺寸而定，也可以通過管路允許的流速

51、進行計算：取壓油管允許的流速為4m/s，圓整為d=12mm。3.7.3利用AMEsim進行仿真的步驟 一般我們可以直接利用AMEsim所提供的建模模塊建立模型，具體的仿真分析過程如下：（1）、點擊，在當前狀態(tài)下利用系統(tǒng)中的模型進行建模，如圖3.6.2.1所示。圖3.6.2.1（2） 、點擊，檢查錯誤并對每個模型進行命名。（3） 、點擊，修改模型中的參數(shù)。（4） 、點擊，進行仿真分析。3.7.4利用AMEsim進行仿真分析（1） 、刀具夾緊液壓系統(tǒng)仿真分析:首先輸入一個模擬的信號，如圖3.7.4.1所示：圖3.7.4.1輸出與輸入比較結果為如圖3.7.4.2所示：圖3.7.4.2節(jié)流閥16出口壓

52、力結果如圖3.7.4.3所示：圖3.7.4.3節(jié)流閥16出口流量結果如圖3.7.4.4所示：圖3.7.4.4 由上圖3.7.4.1和3.7.4.2可以看出，當?shù)毒咝枰泳o時，輸入一個信號，液壓系統(tǒng)可以通過調節(jié)三位四通閥使液壓桿或得一個力，并且保壓，從而實現(xiàn)夾緊。需要松開時恢復成初始信號，液壓桿就沒有力的輸出從而松開。上圖的仿真基本說明此液壓系統(tǒng)能夠完成相應的設計要求，但是輸入信號和輸出信號間存在一定的滯后性，這就需要在快速響應方面進行研究，在上圖3.7.4.3中雙向節(jié)流閥的壓力在2s時突然躍變，快速達到工作時的壓力大小，在2s-8s內保持原有壓力大小為系統(tǒng)保持工作壓力，8s-10s時壓力突然減

53、小到單向閥的設定壓力進行卸油從而完成刀具的夾緊和松開。圖3.7.4.4是雙向節(jié)流閥16的出口流量的大小，2s內有一定的流量實現(xiàn)雙向節(jié)流閥的壓力在2s時突然躍變，在2s-8s時由于雙向節(jié)流閥的作用，不需要流量從而進行保壓，在8s-10s液壓系統(tǒng)進行泄壓，流量變成反方向泄壓。（2） 主軸箱平衡系統(tǒng)仿真分析首先輸入一個模擬的信號，如圖3.7.4.5所示：圖3.7.4.5輸出與輸入比較結果為：圖3.7.4.6由圖可以看出當主軸箱上受到的力變化時，液壓系統(tǒng)通過調節(jié)三位四通閥給液壓桿一個力從而拉動鋼絲繩來補償誤差，但是液壓桿上的力處于波動狀態(tài)不利于實現(xiàn)精確的補償誤差，說明這個液壓系統(tǒng)還存在缺陷，不夠穩(wěn)定，

54、這就需要在穩(wěn)定性方面進行研究。（3） 、主軸箱夾緊液壓系統(tǒng)仿真分析：首先輸入一個模擬的信號，如圖3.7.4.7所示：圖3.7.4.7輸出與輸入比較結果為：圖3.7.4.8由上圖可以看出，當主軸箱需要加緊時，輸入一個信號，液壓系統(tǒng)可以通過調節(jié)三位四通閥使液壓桿或得一個力，并且保壓，從而實現(xiàn)夾緊。需要松開時恢復成初始信號，液壓桿就沒有力的輸出從而松開。上圖的仿真基本說明此液壓系統(tǒng)能夠完成相應的設計要求，但是輸入信號和輸出信號間存在一定的滯后性，這就需要在快速響應方面進行研究。（4） 、滑枕夾緊液壓系統(tǒng)仿真分析:首先輸入一個模擬的信號，如圖3.7.4.9所示：圖3.7.4.9輸出與輸入比較結果為：圖3.7.4.10節(jié)流閥14出口壓力結果如圖3.7.4.11所示：圖3.7.4.11節(jié)流閥14出口流量結果如圖3.7.4.12所示：圖3.7.4.12由上圖可以看出，當滑枕需要加緊時，輸入一個信號，液壓系統(tǒng)可以通過調節(jié)三位四通閥使液壓桿或得一個力，并且保壓，從而實現(xiàn)夾緊。需要松開時恢復成初始信號，