靜壓導(dǎo)軌實驗平臺搭建與仿真分析

畢業(yè)設(shè)計（論文）題目：靜壓導(dǎo)軌實驗平臺搭建與仿真分析學(xué)生姓名：學(xué)號：學(xué)部（系）：機(jī)械與電氣工程學(xué)部專業(yè)年級：09機(jī)械設(shè)計制造及其自動化指導(dǎo)教師：職稱或?qū)W位：教授2013年4月10日目錄HYPERLINK摘要 3HYPERLINK關(guān)鍵詞 3HYPERLINKAbstract 4HYPERLINKKeyWords 4HYPERLINK前言 5HYPERLINK1.靜壓導(dǎo)軌簡介 6HYPERLINK1.1靜壓導(dǎo)軌工作原理 6HYPERLINK1.2靜壓導(dǎo)軌優(yōu)缺點 7HYPERLINK1.3靜壓導(dǎo)軌供油方式 8HYPERLINK1.3.1定壓供油 8HYPERLINK1.3.2定量供油 10HYPERLINK2.靜壓導(dǎo)軌受力分析 11HYPERLINK3.靜壓導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)設(shè)計 20HYPERLINK3.1結(jié)構(gòu)設(shè)計 21HYPERLINK3.1.1油腔結(jié)構(gòu)設(shè)計 21HYPERLINK3.1.2導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)設(shè)計 23HYPERLINK3.2供油系統(tǒng)設(shè)計 24HYPERLINK4.靜壓導(dǎo)軌動力學(xué)性能分析 27HYPERLINK4.1建模過程 27HYPERLINK4.1.1在Proe4.0中建立靜壓導(dǎo)軌模型 27HYPERLINK4.1.2將Proe中建好的模型導(dǎo)入Ansys中 31HYPERLINK4.2分析過程 33HYPERLINK結(jié)束語 39HYPERLINK參考文獻(xiàn) 40HYPERLINK致謝 41 靜壓導(dǎo)軌實驗平臺搭建與仿真分析摘要在制造技術(shù)飛速發(fā)展的今天，機(jī)械工業(yè)正向大型化、高速重載、高精度，以及高性能化的方向發(fā)展。人們對機(jī)加工產(chǎn)品的質(zhì)量和精度方面要求也越來越高，對加工產(chǎn)品的機(jī)床精度要求也日益提高。由于液體靜壓導(dǎo)軌具有高精度、高剛度、高壽命等優(yōu)點，因此廣泛應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床領(lǐng)域。本文首先介紹了靜壓導(dǎo)軌工作基本原理，然后利用Ansys進(jìn)行靜壓導(dǎo)軌實驗平臺的搭建，其中包括靜壓導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)設(shè)計和靜壓導(dǎo)軌供油系統(tǒng)設(shè)計，并進(jìn)行了仿真分析。關(guān)鍵詞：靜壓導(dǎo)軌；Ansys；結(jié)構(gòu)設(shè)計；供油系統(tǒng)設(shè)計；仿真分析BuiltanexperimentplatformoftheHydrostaticguidewayandmakeasimulatedanalysisAbstractInthepresent,withtherapiddevelopmentofmanufacturingtech-nology,machineryindustryforwardlarge,highspeed,highprecisionandperformanceorienteddirection.PeopleonthemachiningqualityandPrecisionrequirementshavebecomemoresophisticated,précismachinetoolsforprocessingtheproductrequirementsareincreasing.Withadvantagesofhighaccuracy,largerigidityandlonglifeaswellaslowattrition,thehydrostaticguidewayiswidelyusedinthefieldofCNCmachinetools.Thisarticlefirstintroducesthebasicprincipleofthehydrostaticguideway,thenusingAnsystobuiltanexperimentplatformofthehydrostaticguideway,includingdesignthestructureofthehydrostaticguidewayandtheoilsupplysystemofthehydrostaticguideway,andperformasimulationaboutthehydrostaticguideway.KeyWords:hydrostaticguideway;Ansys;Thestructuredesign；Designofoilsupplysystem;Simulation前言未來全球的機(jī)床發(fā)展趨勢將會是高速化，超精密，納米化和信息化，同時生態(tài)環(huán)保的理念也會逐漸普及在新一代機(jī)床設(shè)計上。哈挺公司在超精度創(chuàng)新技術(shù)上，將新研發(fā)的技術(shù)配置在其QUESTCNC車床。靜壓導(dǎo)軌是哈挺公司眾多的技術(shù)專利之一，其基本原理就像磁懸浮列車。是用液壓支撐滑塊移動，磁浮是利用磁場力讓列車懸浮。靜壓導(dǎo)軌的滑塊被導(dǎo)軌上的高壓油膜層支撐，在不與導(dǎo)軌碰觸的狀況下很平穩(wěn)地快速移動，不會產(chǎn)生任何磨耗。這個功能表現(xiàn)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越傳統(tǒng)的硬軌或滾珠（滾柱），這些傳統(tǒng)的移動部件都是靠金屬和金屬的接觸產(chǎn)生磨擦力，也導(dǎo)致磨損。1靜壓導(dǎo)軌簡介液體靜壓導(dǎo)軌：將具有一定壓力的油液經(jīng)進(jìn)油孔送入導(dǎo)軌上開設(shè)的油腔中，形成承載的壓力，將滑動導(dǎo)軌微浮起，使兩導(dǎo)軌間形成極薄的油膜，且油膜厚度基本保持恒定不變的一種純液體摩擦的滑動導(dǎo)軌[1]。1.1靜壓導(dǎo)軌工作原理如圖1—1所示為恒壓供油靜壓導(dǎo)軌。圖1-1恒壓供油靜壓導(dǎo)軌1一油池2一進(jìn)油濾油器3一液壓馬達(dá)4一油泵5一溢流閥6一粗濾油器7一精濾油器8一壓力表9一節(jié)流器10一上支承11一下支承液體靜壓導(dǎo)軌通常將移動導(dǎo)軌分成若干段，每一段相當(dāng)于一個獨立的支撐，每個支承由油腔和封油面組成。來自油泵經(jīng)過濾的壓力為Ps的油液經(jīng)節(jié)流器節(jié)流后壓力降為Pr，進(jìn)入導(dǎo)軌油腔。當(dāng)導(dǎo)軌面上有足夠的壓力平衡運(yùn)動件的重量時，支承件被浮起，此時油液通過上、下支承的間隙h流出，壓力降為零。當(dāng)浮起量大于支承上下兩個平面的表面不平度時，即形成純液體摩擦。當(dāng)作用在上下支承的載荷F增大時，則上支承有下沉的趨勢，油膜被壓縮，導(dǎo)軌面間的油液流出的液阻增大，由于節(jié)流器的調(diào)壓作用，使油腔壓力Pr隨之增大(在承載能力范圍內(nèi))，以平衡外載荷。當(dāng)采用固定節(jié)流器時，由于油腔壓力Pr與導(dǎo)軌間隙h的三次方成反比，故導(dǎo)軌間隙的微量變化，就能獲得較大的油腔壓力增量，因此，油膜剛度較高。當(dāng)采用可變節(jié)流器時，則能獲得近似于無窮大的油膜剛度[1]。1.2靜壓導(dǎo)軌優(yōu)缺點液體靜壓導(dǎo)軌具有如下優(yōu)點[2]:(l)純液體摩擦，工作壽命長，能夠長期保持其運(yùn)動精度，維修工作量小，并可降低對導(dǎo)軌材料的要求;(2)純液體摩擦狀態(tài)下，摩擦系數(shù)低，損耗功率小;(3)速度變化和載荷變化對油膜厚度影響小，即使在低速時，也不會產(chǎn)生爬行現(xiàn)象;(4)油膜具有誤差均化作用，可提高導(dǎo)軌運(yùn)動精度;(5)油膜承載能力大，剛度高，吸振性能良好，導(dǎo)軌運(yùn)動平穩(wěn)。液體靜壓導(dǎo)軌的缺點：需要一套復(fù)雜的供油系統(tǒng)，不如動壓導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)簡單。液體靜壓導(dǎo)軌須滿足導(dǎo)軌精度、耐磨性、剛度和運(yùn)動均勻性的要求，即：(l)導(dǎo)軌精度是運(yùn)動件沿導(dǎo)軌運(yùn)動時的直線性以及與其他機(jī)件或基面之間相對位置的準(zhǔn)確性;要求導(dǎo)軌的平直度、扭曲度和平行度的總和應(yīng)小于導(dǎo)軌間隙;(2)耐磨性決定導(dǎo)軌的磨損壽命，耐磨性是保持導(dǎo)軌工作質(zhì)量的關(guān)鍵;(3)剛度是導(dǎo)軌工作質(zhì)量的主要指標(biāo);導(dǎo)軌間隙不能過大，否則影響油膜剛度，對開式導(dǎo)軌還容易產(chǎn)生漂移;(4)運(yùn)動的均勻性要求能準(zhǔn)確定位，即低速重載時，不發(fā)生不均運(yùn)的跳躍式運(yùn)動(爬行)。1.3靜壓導(dǎo)軌供油方式靜壓導(dǎo)軌的供油方式分為定壓供油和定量供油兩類系統(tǒng)[3]。1.3.1定壓供油如圖1-2所示為定壓供油基本形式圖1-2定壓供油式單油腔靜壓支撐工作原理圖1—滑動件2—支撐件一個單油腔靜壓支承由油腔、進(jìn)油孔及四周封閉的封油面組成.用一個公共油泵供油，從油泵出來的壓力油一部分經(jīng)溢流閥流回油箱，一部分經(jīng)節(jié)流器進(jìn)入靜壓腔。溢流閥保持一定流量溢流，從而起到穩(wěn)壓作用，因而整個系統(tǒng)的供油壓力是恒定的，所以叫恒壓供油系統(tǒng)。這種系統(tǒng)有如下特點:(a)各靜壓腔的進(jìn)油孔道中必須安裝節(jié)流器，通過節(jié)流器的自動調(diào)壓作用，調(diào)節(jié)各靜壓腔的壓力而形成支撐件承載能力,(b)泵的流量要足夠大，保證溢流閥在靜壓導(dǎo)軌各種工況下均能保證有足夠的溢流流量，從而起穩(wěn)壓作用，(c)一個系統(tǒng)可以同時向多個靜壓腔供油，(d)由于有一定的溢流和節(jié)流器的節(jié)流損失，所以增大了系統(tǒng)功率損失。1.3.2定量供油如圖1—3所示為基本定量供油形式圖1—3基本定量供油形式從泵出來的壓力油直接進(jìn)入靜壓油腔。因為泵的流量是穩(wěn)定的，所以進(jìn)入靜壓腔的流量是恒定的，故叫定量供油系統(tǒng)。安全閥只起保護(hù)作用，在正常運(yùn)行中，安全閥是關(guān)閉的，當(dāng)壓力達(dá)到危險值時，安全閥自動打開，使系統(tǒng)卸荷，保護(hù)整個供油系統(tǒng)不受損壞。恒流量供油系統(tǒng)有如下特點:(a)各靜壓腔的進(jìn)油通道中不需要設(shè)置節(jié)流器，因為進(jìn)入油腔的流量是恒定的，所以當(dāng)導(dǎo)軌受載荷W作用而產(chǎn)生位移e時，因為間隙的變化，油腔壓力P就會產(chǎn)生變化，各油腔之間就有壓力差而形成導(dǎo)軌承載力；(b)因為供油系統(tǒng)中沒有節(jié)流器，所以只能采取一腔一泵的供油方式，因此，泵的數(shù)量和靜壓腔的數(shù)量相同也就是說，定量供油系統(tǒng)其泵的數(shù)量比定壓供油系統(tǒng)多；(c)由于沒有溢流和節(jié)流器的節(jié)流報失，故功率損耗較小。2靜壓導(dǎo)軌受力分析如圖2—1是毛細(xì)管開式靜壓導(dǎo)軌工作原理示意圖[4]。圖2—1圖中PS是進(jìn)油壓力，A2B2C2D2為一個油腔，Pi為油腔壓力，W為外載荷。設(shè)每個油腔相應(yīng)的一段導(dǎo)軌長為L，寬為B。我們應(yīng)用流體力學(xué)中流體在平行平面內(nèi)流動的模型進(jìn)行計算，并作如下假定:(1)油路中的流體為層流（指流體微團(tuán)互不摻混、運(yùn)動軌跡有條不紊地流動），(2)油是粘性不可壓縮的，(3)油從油腔向外流出的油壓是按直線規(guī)律下降，到導(dǎo)軌邊緣降至零，(4)進(jìn)油壓力恒定不變。設(shè)導(dǎo)軌的承載能力為：（2—1）其中W為外載荷，W0為工作臺重量。設(shè)油腔為矩形，長為l寬為b。支座上單位面積的壓力為：（2—2）其中為支座的面積。令（2—3）為承載面積系數(shù)。下面分別推導(dǎo)靜壓導(dǎo)軌的各個計算公式：1.承載面積系數(shù)CF如圖2—2所示為支座上油腔壓力的分布情況圖2—2由圖看出，支座A1B1C1D1上的總壓力可用區(qū)域A1B1C1D1上的二重積分來計算。由于區(qū)域的對稱性，只須計算￡0，￡1，￡2，￡3，￡4各區(qū)域上的壓力，便可求得整個區(qū)域￡上的總壓力。顯然總壓力P可用下式計算：

（2—4）對于￡1和￡4來說被積函數(shù)為：（2—5）直線C1C2的方程為：（2—6）對于￡2和￡3來說，被積函數(shù)為：（2—7）直線D1D2的方程為：（2—8）所以：

同理：所以：所以：2.經(jīng)毛細(xì)管流入一個油腔的流量Q1將其簡化成流體在圓管內(nèi)的流動。因此，通過毛細(xì)管的流量可以應(yīng)用粘性流體在圓管內(nèi)的流動規(guī)律來計算。設(shè)一個圓管兩端的壓力分別為Pa和Pb圓管半徑為r0,長為l，徑向極坐標(biāo)為r。粘性液體在圓管內(nèi)的流動規(guī)律為:（2—15）其中為流體的動力粘性系數(shù)。這種流速的分布情況如圖2—3所示。圖2—3因此流體通過圓管的流量為：設(shè)毛細(xì)管的直徑為de，長度為1e。受載后油腔壓力為Pi，進(jìn)油壓力為Ps。則由公式(2—16)得：3.油從一個油腔經(jīng)過導(dǎo)軌間向四周流出的流量。這種流動可簡化成粘性流體在兩平行平板間的流動。如圖2—4取坐標(biāo)系。假定流體在Y方向上無流動，以h表示兩平板的間隙。圖2—4設(shè)當(dāng)時，；當(dāng)時，；時，，且處處有界。此時流體的壓力分布函數(shù)為：（2—18）其速度分布函數(shù)為：（2—19）其中。因此流體通過兩平板間一個截面的流量為：其中為平板的寬度現(xiàn)在假定油腔內(nèi)的流體按如圖2—4所示四周流出。這里，或，或。由（2—20）得出油從一個油腔通過導(dǎo)軌間隙h,向四周流出的流量為：4.受載后油腔厚度h的計算根據(jù)流體不可壓縮的性質(zhì)，經(jīng)毛細(xì)管流入油腔的流量Q1，應(yīng)該等于經(jīng)油腔向四周流出的流量Q2:即由（2—17）和（2—21）得

引入?yún)?shù)（2—22）則（2—23）參數(shù)c稱為節(jié)流參數(shù)稱為節(jié)流比5.導(dǎo)軌的油膜剛度j所謂油膜剛度，是指工作臺在載荷作用下，導(dǎo)軌間隙h產(chǎn)生單位變化所引起承受載荷的變化即

其中由此可知當(dāng)油腔結(jié)構(gòu)不同時油膜剛度j也不同。同時供油方式會影響Ps，所以不同供油方式下油膜剛度j也會不同。3靜壓導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)設(shè)計這里采用的是矩形油腔如圖3—1所示[5]圖3—13.1結(jié)構(gòu)設(shè)計3.1.1油腔結(jié)構(gòu)設(shè)計1.油腔尺寸為保證有效承載面積相同，只需各段導(dǎo)軌尺寸L、B和油腔尺寸,b對應(yīng)相等。其尺寸可參考下式確定：封油面寬度：b1是一個重要參數(shù)，若過小，而導(dǎo)軌精度又差，則難以建立起油腔壓力，若太大，則會減小油腔有效承載面積和承載能力.一般取,導(dǎo)軌寬度越寬則取值越大。2.油腔數(shù)目和布置每條導(dǎo)軌不得少于兩個油腔。油腔的數(shù)量可按如下原則選擇：a.運(yùn)動部件(工作臺)的長度在2m以下時，在運(yùn)動部件的長度內(nèi)取(2～4)個油腔。b.運(yùn)動部件(工作臺)的長度在2m以上時，每個油腔的長度取(0．5～2)m。c.每個油腔的長度為500～1500mm。d.對于載荷分布均勻、機(jī)床或機(jī)械設(shè)備的剛性較好時，油腔長度可取較大值，油腔數(shù)目可以取少一些。e.對于載荷分布不均勻，機(jī)床或機(jī)械設(shè)備的剛性較差時，油腔長度可取較小值，油腔數(shù)目則要多一些。一般情況下，作直線運(yùn)動的靜壓導(dǎo)軌，其油腔應(yīng)開在移動部件(工作臺)上，固定部件(機(jī)座)應(yīng)有足夠的長度，保證移動部件在運(yùn)動過程中不露出，使油腔建立正常壓力。對回轉(zhuǎn)運(yùn)動靜壓導(dǎo)軌，工作臺在運(yùn)動過程中不會外露，為了進(jìn)油方便，油腔一般開在固定部件(機(jī)座)上。對于載荷分布不均勻的靜壓導(dǎo)軌，如工作臺自身重力不均勻，可以在同一導(dǎo)軌面上采用不等面積的油腔，承受載荷較大的油腔采用較大的油腔面積，承受載荷較小的油腔采用較小的油腔面積。3.設(shè)計計算本次設(shè)計為兩條導(dǎo)軌，每條導(dǎo)軌上布置兩個油腔，采用對稱布置。取B=60，L=150,b1=20則由式（3—2）得:取，如圖3—2所示油腔結(jié)構(gòu)圖3—23.1.2導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)設(shè)計導(dǎo)軌采用截面為矩形的平導(dǎo)軌如圖3—3圖3—3矩形平導(dǎo)軌形狀簡單，制造容易，承載能力及剛度大，油面調(diào)整容易。單條導(dǎo)軌上兩油腔間隔要大于（B-b）。整個設(shè)計如圖3—4所示圖3—43.2供油系統(tǒng)設(shè)計采用恒流供油方式供油，其基本供油系統(tǒng)如圖3—5[6]圖3—51—電動機(jī)2—油泵3—精濾油器4—進(jìn)油孔5—工作臺6—郵箱7—粗濾油器恒流供油的工作流程為:首先啟動電機(jī)1，電機(jī)1帶動油泵2開始供油，油泵2將油從油箱6中抽出，經(jīng)過粗慮油器7和精慮油器3向進(jìn)油孔4提供壓力油，當(dāng)導(dǎo)軌面上有足夠的總壓力平衡運(yùn)動件的重量時，支承上表面被浮起，在靜壓導(dǎo)軌上、下面之間形成油膜厚度為的間隙，多余的液壓油經(jīng)封油邊回到油箱6。本次設(shè)計具體供油系統(tǒng)如圖3—6所示圖3—6其工作流程為：第一供油部分：電動機(jī)1帶動油泵2開始供油，溢流閥3調(diào)定供油壓力。壓力油經(jīng)精濾油器4，單向閥5進(jìn)入第二供油部分。第二供油部分：電動機(jī)6帶動串聯(lián)的4個油泵將第一部分已精濾過的壓力油分別送入4個油腔中，多余的液壓油經(jīng)封油邊回到郵箱。4靜壓導(dǎo)軌動力學(xué)性能分析首先利用ansys建立靜壓導(dǎo)軌有限元模型，再利用ansys進(jìn)行動力學(xué)分析。4.1建模過程4.1.1在Proe4.0中建立靜壓導(dǎo)軌模型1.草繪如下圖4—1封閉圖形圖4—1拉伸上面的草繪圖至500得到如圖4—2的導(dǎo)軌圖4—2在導(dǎo)軌上打4個如圖4—3所示的螺紋孔[11]圖4—3創(chuàng)建單個油腔尺寸如圖4—4，實體圖如圖4—5也打螺紋孔圖4—4圖4—55.建立M3_30的標(biāo)準(zhǔn)螺釘如圖4—6[12]圖4—66.將油腔和導(dǎo)軌通過螺釘連接裝配在一起如圖4—7圖4—74.1.2將Proe中建好的模型導(dǎo)入Ansys中點擊文件→保存副本，作如圖4—8的選擇將4—2模型輸出為（.x_t）格式圖4—8打開Ansys點擊File→Import→PARA彈出ANSYSConnectionforparasolid對話框如圖4—9，選中剛生成的（.x_t）文件，點OK導(dǎo)入完畢圖4—9此時顯示為一個線框如圖4—10，點擊PlotCtrls→Style→SolidModelFacets→下拉框中選擇NormalFaceting→OK,鼠標(biāo)右鍵選擇Replot重生，即可看到實體。圖4—104.2分析過程[13]定義單元類型：選擇Preprocessor→ElementType→Add/Edit/Delete菜單，彈出【ElementTypes】窗口，單擊Add按鈕，彈出【LibraryofElementType】單元類型庫對話框。選擇StructuralSolid實體單元類型→在右邊的列表中選擇Brick20node186后單擊OK。定義材料屬性：選擇導(dǎo)軌材料為球墨鑄鐵，彈性模量為160Gpa，泊松比0.25，密度為7.3t/m3如圖4—11。圖4—11進(jìn)行網(wǎng)格劃分：Preprocessor→Meshing→Meshtool→在彈出的對話框中點選SizeControls下的GlobalSet按鈕→在彈出的對話框中填0.02→在下方Shape中選擇Hex→選擇Sweep→點擊Sweep按鈕選擇PickALL即劃分好了網(wǎng)格如圖4—12。圖4—12施加約束條件：自由狀態(tài)進(jìn)行求解指定分析類型：Solution→AnalysisType→NewAnalysis彈出對話框選擇Modal即選擇模態(tài)分析如圖4—13。如圖4—13進(jìn)行模態(tài)擴(kuò)展：Solution→AnalysisType→AnalysisOptions彈出對話框在【No.ofmodestoextract】文本框中輸入8→單擊OK如圖4—14，接著彈出的對話框中【StartFreq】填1，再單擊OK如圖4—15。圖4—14圖4—15進(jìn)行求解：Solution→Solve→CurrentLS，開始計算。進(jìn)行后處理顯示模態(tài)計算結(jié)果：GeneralPostproe→ResultsSummary即可顯示模態(tài)結(jié)果對話框如圖4—16。圖4—16一介模態(tài)響應(yīng)動畫結(jié)果：如表4—1表4—1結(jié)果顯示頻率振型描述4184.9導(dǎo)軌一介對角彎曲5203.5導(dǎo)軌繞Z軸一介彎曲8661.5導(dǎo)軌繞Y軸一介彎曲8661.9導(dǎo)軌繞X軸一介彎曲9018.8導(dǎo)軌繞Z軸一介彎曲（3）結(jié)果分析：從分析的結(jié)果可以看出，結(jié)合部處的固有頻率遠(yuǎn)小于導(dǎo)軌本身的固有頻率，由此說明，采用這種形式的導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)能夠?qū)⒔Y(jié)合部弱化，可以識別出結(jié)合部的動態(tài)特性參數(shù)。結(jié)束語經(jīng)過幾個月的忙碌畢業(yè)設(shè)計課題終于要完成了，回首這幾個月的歷程感悟良多。從一開始的開題報告和外文翻譯，就將我逼到了圖書館翻閱資料，從中隊課題有了大致的了解。再到后來的寫畢業(yè)論文開始畢業(yè)設(shè)計，更是到處在網(wǎng)上或圖書館查資料和詢問輔導(dǎo)老師，這時才深深的了解到書到用時方恨少，我所了解的知識連冰山上的一角都沒有。對于課題從90%的不了解到完成課題，其間經(jīng)歷過許多煩悶的日子，有很多次為了搞清一個問題要去圖書館翻借很多書，電子閱覽室有時一待就一天，有時通過這些努力會搞清問題，但有時也會做無用功。特別是無用功最讓人郁悶了，最后還是要去問輔導(dǎo)老師。就在這樣忙碌的過程中我完成了