重型数控机床变载荷实验台设计与分析学士学位论文.docx
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重型数控机床变载荷实验台设计与分析学士学位论文
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北京信息科技大学
毕业设计（论文）
题目：
重型数控机床变载荷实验台设计与分析
学院：
机电工程学院
专业：
机械设计
学生姓名：
聂建超班级/学号机械1004/2010010116
指导老师/督导老师：
起止时间：
200年月日至200年月日
摘要
我们对于一项工程项目的设计，在进行实际制造安装之前，首先必须根据其运行条件设计出相应的实验台用来模拟实际设备的运行状况，用以推测其实际工作中可能出现的一些基本问题并进行分析改进。
本设计就是这样一个试验装置，以TK6920为模板，设计出其变载荷实验台模拟该机床受载工作情况，并且利用ANSYS软件，进行实验台静载荷和动载荷分析；并且利用AMESIM软件，进行液压驱动系统仿真分析，实现对整个机床液压系统工作情况的仿真。
该课题是为企业进行产品开发设计的实际项目，具有预研性与实用性。
关键词：
实验台；载荷分析；液压仿真
Abstract
Ourdesignofaproject,inadvanceoftheactualfabricationandinstallation,youmustfirstrunaccordingtoitsconditionstodesignappropriateexperimentsthatsimulatetheactualoperationofthedevice,tospeculatethatsomefundamentalproblemsthatmayariseinitspracticalworkanalysisandimprovement.ThisdesignisonesuchtestdevicestoTK6920asatemplate,designaloadtesttosimulatethemachineload,andtheuseofANSYSsoftware,experimentalanalysisofstaticanddynamicloads，usingAMESIMsoftwareandsimulationanalysisofhydraulicdrivingsystem,enablingthesimulationofmachinetoolhydraulicsystemasawhole.Thesubjectisdesignedforenterpriseproductdevelopmentprojects,advanceresearchandusability.
Keywords：
experiments;loadanalysis;hydraulicsimulation
目录
第一章：
综述1
1.1本课题研究的意义1
1.2本课题研究现状1
1.3本课题研究成果2
第二章：
实验台设计3
2.1载荷大小的计算3
2.2静压轴承的设计6
2.2.1径向静压轴承6
2.2.2液体静压止推轴承的选用6
2.3加载液压缸的设计6
2.3.1液压缸内径计算7
2.3.2液压缸缸壁厚度计算校核7
2.3.3活塞杆长度确定8
2.4实验台设计8
2.4.1实验台整体设计8
2.4.2模拟刀具结构设计9
第三章：
有限元分析9
3.1液压缸缸体分析9
3.2静压轴承分析11
第四章：
液压系统设计13
4.1实验台液压系统设计13
4.2机床进给油路和夹紧油路14
第五章：
参考文献15
第一章：
综述
1.1本课题研究的意义
数控机床是数字控制机床简称，通常由控制系统、伺服系统、检测系统、传动系统组成。
目前，用户对数控机床的需求较为强烈，突出表现在：
一方面是数量快速增加，数控机床消费占机床总消费的比重已上升到60%以上，且十二五期间仍将继续快速攀升；另一方面是需求的档次不断提高，随着振兴装备制造业关键领域的高水平新产品的发展，每个领域都对数控机床提出了更高的要求。
如大型火力发电和核电机组、大型化工设备、大型海洋运输船舶、大型薄板冷热连轧成套设备、高速列车、新型地铁和轨道交通车辆等，都需要大批高速、精密、高效的数控机床来加工制造。
我们知道，对于大型的工程项目，在进行实际设计安装之前，有一项必须要做的内容，那就是设计出相应的试验台代替实际设备进行模拟实验测试，以推测其实际工作的可行性。
本设计就是这样一个试验装置，因此它本身就有一定的研究意义，另外，随着液体静压技术的不断发展，液体静压轴承的应用范围越来越大，本设计对静压轴承的设计也有一定的现实意义。
液压技术是实现现代化传动与控制的关键技术之一。
液压传动的各种元件由于重量轻、体积小，可根据需要方便灵活地来布置；结合最新技术自动化程度高且操纵控制方便，容易实现直线运动；可实现大范围的无级调速（调速范围达2000：
1）；可以自动实现过载保护；而且采用矿物油作为工作介质，相对运动面可自行润滑，使用寿命长。
因此，液压技术广泛应用于国民经济的各个部门，世界各国对液压工技术的发展都给予很大的重视。
1.2本课题研究现状
我国数控技术起步于1958年，可以分为三个阶段：
第一阶段为封闭式发展阶段，机床总体设计实力差。
第二阶段为技术引进阶段，初步建立了国产化体系。
第三阶段为市场竞争阶段，数控机床产业化取得了实质性进步。
目前我国一部分数控机床的生产已经形成了一定的规模，在国际市场上也相应的具有一定的竞争力。
同时，我国也进入了世界高速数控机床生产国和高精度数控机床生产国行列，可是与发达国家相比，我国数控机床行业在信息化技术应用上仍然存在很多不足。
据统计，世界各个主要国家液压工业销售额占机械工业产值的2%~3.5%，而我国只占1%左右，这充分说明我国液压技术使用率较低，努力扩大其应用领域，将有广阔的发展前景。
液压技术具有独特的优点，如:
功率重量比大，体积小，频响高，压力、流量可控性好，而且易于实现直线运动等。
因此，液压技术被广泛用于国民经济的各个部门。
随着科学技术的发展，人们进一步认识了液体静压轴承的原理和特点，并且逐步地扩大了其应用范围。
除高精度机床采用静压轴承和导轨外，在高效率机床和精密机床上也获得了应用。
液体静压技术不仅用于支承，也用于传动和连接，如静压螺旋，蜗杆-齿条和花键等结构形式。
采用静压与动压滑动轴承联合或混合工作的轴承，可以充分发挥各自的优点。
例如，轧钢机和球磨机等大型设备也已采用。
近来正在研究把静压与滚动轴承联合工作的轴承，用于高速涡轮发动机上。
液体静压轴承不但结构上有改进，应用上逐步扩大，而且工作机理和计算方法上也进一步得到发展。
此外，液体静压轴承在精密仪器上也得到应用，如圆度仪和轴承波纹测量仪等。
这些都是限制大型机床生产的外在因素，与机床实验台的设计息息相关，对于模拟机床运动进行载荷分析的实验台设计有着比较大的影响。
1.3本课题研究成果
我国在数控机床关键技术研究方面有了较大突破，创造了一批具有自主知识产权的研究成果和核心技术。
而伴随着数控机床的飞速发展，对于数控机床主轴载荷模拟实验台的设计也显得尤为重要，而由于液压系统具有以下优点：
（1）能够在运行过程中实现大范围无极调速；
（2）同等输出功率下，液压传动装置的体积小、重量轻、运动惯性小、动态性能好；
（3）可实现无间隙传动，运动平稳；
（4）方便自动工作循环和自动过载保护；
（5）液压元件采用油作为传动介质，具有自我润滑作用，有较长的使用寿命;
（6）液压机设备液压元件都是标准化、系列化的产品，便于设计、制造和推广应用。
因此，液压驱动模拟的实验台成为了主流。
而静压轴承是其中最重要的环节，静压轴承的发展经历了100多年的历史。
而国外很早就对静压轴承进行了研究，最早甚至可以追溯到1851年，法国人L.D.Girard在火车车轮轴承中第一次采用了静压轴承，在当时其摩擦系数小到1/500，几乎没有摩擦与磨损。
1878年巴黎国际博览会上展出了能灵活浮动的“近于无摩擦”的支座。
但是直至1947年D.D.Fuller连续发表了一系列关于静压轴承设计计算的文章，才推动了它的应用。
1945年法国工程师PGerard发明了向心静压轴承，并于1948年成功地应用于磨床砂轮主轴，提高了精度和寿命。
在以后的几十年中，静压技术迅速发展，应用范围不断扩大，几乎追及整个制造业、军工和民用设备上。
进入21世纪后液压产品技术发展呈现与计算机技术相结合的趋势。
现有的液压伺服和液压比例技术在与计算机结合上不是十分方便，数字液压技术克服了这个缺点，它把整个液压和控制技术都简化了，促进了整个液压技术的进步。
而随着液压技术的完善，实验台的设计也具有了越来越强大的功能。
不仅仅是用于运行状况的模拟，还有对未来可能出现问题的一些评估，以及和机床运动更加切合的运动状态。
而关于机床实验台的设计也有了各种各样的方案，下面选俩个方案进行分析：
方案一：
由于受到铰约束、支链干涉、特别是位置与姿态耦合等因素的影响，致使动平台实现姿态能力有限是各种6自由度纯并联机构的固有缺陷，难于适应大倾角多坐标数控作业的需要。
方案二：
滚珠丝杠的摩擦力在机器的运行中，会产生很大的摩擦力，那么这种摩擦力就会降低滚珠丝杠的使用寿命。
对主轴支承的种类很多，可以分为滚动轴承、滑动轴承，滑动轴承又分为静压轴承、动压轴承。
滚动轴承结构简单，成本低廉，但是由于接触式滚动摩擦副的工作原理，高精度高速度的主轴支撑中，其使用受到了限制。
动压轴承结构简单，运转平稳，噪音小，有较大的刚度和抗过载能力，但是其承载能力依赖于主轴变速，低速重载，变速变向工况下，不能正常工作。
而静压轴承驱动功率低，寿命长、运转精度高、使用速度范围宽等优点，应用于重型、精密、高效的数控机床主轴支承中，并根据我的设计要求选用静压轴承支承。
实验台设计主要有五部分：
驱动装置、加载装置、测试环节、减振结构和主轴部分。
驱动装置，加载装置即为对液压缸的设计，测试环节即为传感器的选用，选用压力传感器。
，减震部分设计主要是对底座的设计。
第二章：
实验台设计
为了了解tk6920机床工作时的受力状况而设计实验台模拟工作状况，需要对该机床数据作以分析，试验台维图大致如下：
二
除此之外，还要对试验台液压系统进行设计原理图如下;
2.1载荷大小的计算
在铣削加工时，铣刀要受到阻止刀具切除切屑的阻力，在不同的加工条件下，铣削力的变化范围较大。
分析认为，铣刀切削时，工件材料将发生部分弹性变形和塑性变形，并对刀具产生抗力；同时，刀具与切屑、刀具与工件之间要产生摩擦力，铣削力就是二者的合力。
在研究铣刀受力情况时，通常可对一个刀齿进行分析。
将铣削力分解为相互垂直的三个分力，即切向分力Ft、径向分力Fr和轴向分力Fn，如图1所示。
切向分力Ft可视为与铣刀外圆相切，则铣刀所受的切削阻力矩为T=Ft·D/2（D为铣刀刃部直径），主要消耗切削功率，使刀具发生扭转变形，并影响主轴的扭转强度和刚度。
径向分力Fr是工件作用于铣刀半径方向上的推力，它使刀具发生弯曲变形，并影响主轴的弯曲强度和刚度。
轴向分力Fn沿机床主轴的轴线方向作用于铣刀，它将刀杆推向主轴，使刀具发生压缩变形。
TK6920镗轴直径为200mm，则根据：
由
可知：
载荷取最大值，则可得Fn=55N，Fr=60N
滑枕和传动机构的总体重力，约为G=55310N；
则需要施加的径向力为65.5KN。
2.2静压轴承的设计
由于有俩个方向的载荷，因此要设计径向轴承与止推轴承。
在本设计中认为径向轴承和止推轴承内液压油的流速分布、压强分布以及温度分布在工作状态下达到稳定后不随时间推移而变化，即认为径向轴承和止推轴承液压油流场为定常流动流场。
2.2.1静压轴承
径向静压轴承结构如图：
在本设计中，静压轴承用以支撑整体装置，液压缸模拟刀具都在静压轴承内部放置，查资料可知道静压轴承结构。
2.2.2液体静压止推轴承的选用
采用环形油腔静压止推轴承，该形式结构简单，加工方便，只可承受轴向载荷，所以必须和径向静压轴承一起使用。
，由于该轴承只承受一个方向的轴向力，选用单向止推轴承。
止推轴承与径向轴承采用统一套供油系统，故止推轴承的液压油参数与径向轴承的相同。
根据要求，,轴承内径为75mm，轴向负载为55000N，轴颈转速为67.5r/min
则校验合格，材料为青铜。
2.3加载液压缸的设计
液压缸活塞杆工作在受压状态时的有关设计参数如图所示。
液压缸结构图
2.3.1液压缸内径计算
液压缸内径根据最大负载来确定，
对于有活塞杆的腔，液压缸内径为：
由于该设计为机床试验台的设计，液压缸工作范围为3—4.5MPa，而且止推轴承的平均压力为3.99MPa，根据液压缸标准压力系列可以选取P=6.3MPa，由于活塞杆的直径由受力情况决定，受压力时取
（0.5~0.7）D。
初取d=0.6D，则可得
则可计算得D=131.82mm
则选取D=125mmP=6.3MPad=56mm
液压缸的长度根据部件的行程长度确定：
选取液压缸长度为500mm。
2.3.2液压缸缸壁厚度计算校核
对于液压缸来说，缸壁所要承载压力，因此要对其壁厚进行校核。
初选δ=13mm
当D/δ≥10时，按薄壁筒计算，
—缸壁厚度（m）
Py—实验压力（MPa）
当工作压力小于等于16MPa，Py=1.5p=9.45MPa
[σ]=
/
σb：
材料的抗拉强度
[σ]—缸体材料的许用应力（MPa）
=3.5～5一般取5
此时计算可得[σ]=47.25，则
锻钢[σ]=100～120MPa
铸钢[σ]=100～110MPa
则校核得薄壁缸不符合条件
当缸筒的D/δ<10时，称为厚壁筒，按厚壁筒的公式进行校核，即
初取δ=40mm，则计算可得σ=26.53MPa
显然材料抗拉强度取小便可符喝该设计符合要求，即液压缸壁厚为40mm。
2.3.3活塞杆长度确定
根据活塞行程系列以及液压缸长度选取活塞长度为200mm。
应用同样方法可计算出液压缸2，由于二者工作压力相似，则计算可取液压缸内径都是125mm，活塞杆直径计算得56mm。
从而可设计得到液压缸模型
2.4实验台设计
由于实验台由液压缸、静压轴承与模拟刀具组成，所以首先对实验台整体进行设计，然后对模拟刀具结构进行设计
2.4.1实验台整体设计
试验台通过两个液压缸和一个类似于钢圈的装置来模拟主轴所受切削力，同样通过模拟刀具来承接液压缸的输出载荷，其原理图如图5所示，将液压缸一尾端固定在钢圈内部，头部对准模拟刀具，通过液压缸输出载荷的大小来控制模拟径向切削力的大小变化，通过钢圈装置的转动来带动液压缸围绕主轴转动，实现径向切削力的方向变化。
利用液压缸二实现主轴所受轴向力的模拟，在钢圈结构转动的过程中，液压缸二始终保持与模拟刀具轴线重合。
1液压缸一；2液压缸二；3钢圈装置；4模拟刀具
实验台的工作原理图
旋转配油器工作原理是：
主机带动缸体回转运动，在旋转的过程中，液压系统通过回转配油器向缸供给一定的压力油对主机施力。
2.4.2模拟刀具结构设计
深沟球轴承的选用：
查资料可选取轴承代号为60120z，外径160mm。
第三章：
有限元分析
模态分析是研究结构动力特性一种近代方法，是系统辨别方法在工程振动领域中的应用。
模态是机械结构的固有振动特性，每一个模态具有特定的固有频率、阻尼比和模态振型。
这些模态参数可以由计算或试验分析取得，这样一个计算或试验分析过程称为模态分析。
为了对本设计的尺寸选择进行校核，因此有必要进行分析。
3.1液压缸缸体分析
液压缸内壁受到压力，对其进行加载，缸体材料为20钢，密度为7.8
，泊松比为0.282，杨氏模量为
，红色部分为加载部分，底部固定，图为静载分析:
图1.1约束加载
然后进行网格化分，划分方式为自由划分
图1.2网格划分
图1.3应力分布
图1.4应变分布
7.3MPa大于6.3MPa，则满足条件。
图1.5变形分布
3.2静压轴承分析
该静压轴承材料为石墨，其密度为2.25
，泊松比为0.2，杨氏模量为
，网格划分方式为自由划分。
红色部分为加载部分，即轴承内圈外表面，底部固定。
本次设计的机床模拟载荷试验台尺寸不固定，但要求尺寸不易过大，载荷适用范围在30~40kN以上之间，所以选择系统压力为5Mpa。
图2.1约束加载图2.2网格划分
图2.3应力分布
图2.4应变分布
6.3Mpa大于5MPa，则满足条件。
第四章：
液压系统设计
对于静压轴承组成的系统，需要对其进行液压系统的设计，本设计首先要对实验台进行系统，其次包含了对TK6920进给系统以及加紧系统的设计.
4.1实验台液压系统设计
为了使该实验台可以稳定的保持一定压力，由于对保压性能要求较高，应该采取补油的方法弥补油路泄露。
执行元件背压力：
系统类型
背压力/Mpa
简单系统或轻载节流调速系统
0.2~0.5
回油路带调速阀的系统
0.4~0.6
回油路设置有背压阀的系统
0.5~1.5
用补油泵的闭式回路
0.8~1.5
回油路较复杂的工程机械
1.2~3
回油路较短，且直接回油箱
可忽略不计
缸伸出
油箱
泵
换向阀左位
单向阀
液压缸
停止
换向阀中位
缸退回
油箱
泵
换向阀右位
液压缸
由于液压泵用于多缸系统，系统要能保持一定的压力供控制油路使用，采用自动补油的保压回路。
当三位四通比例换向阀3的左位工作时，液压泵向液压缸上腔供油，其压力增大，当达到指定压力时6.3MPa时，泵卸荷，系统保压。
上腔压力降低至3MPa时，比例换向阀进入左位机能使压力上升。
当三位四通比例换向阀3的右位工作时，活塞迅速退回原位。
4.2机床进给油路和夹紧油路
采用蓄能器保压回路的方式：
当泵卸荷或进给执行件快速运动时，单向阀把加紧回路与进给回路隔开，蓄能器中的压力油用于补偿加紧回路中油液的泄露，使其压力基本保持不变。
缸伸出
油箱
泵
换向阀左位
单向阀
液压缸
停止
换向阀中位
缸退回
油箱
泵
换向阀右位
液压缸
总结
经过本次为期一个学期的毕业设计，在老师的指导下以及同学的帮助下，明白了进行设计制造任务的基本步骤，巩固了自己的基础知识，并且学会将这些知识用于设计工作中，学会了更好的与别人交流分享。
实现了对自我能力的挑战与提升，为自己以后在工作中解决问题提供了宝贵的经验，更重要的是在遇到困难时积极找寻解决办法的心态，希望以后还可以在老师的指导下完成更加有挑战的工作，感谢老师以及研究生的指导。
第五章：
参考文献
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指导教师：
（签署意见并签字）年月日
督导教师：
（签署意见并签字）年月日
领导小组审查意见：
审查人签字：
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