毕设论文-某型重型数控机床变载荷实验台设计与分析.doc
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1、 北京信息科技大学 毕业设计(论文)题 目:某型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 制 造 及 其 自 动 化 学生姓名: 钱铖 班级/学号机 械1006 /2010010155 指导老师/督导老师: 孙 江 宏 起止时间: 2014 年 2月 28日 至 2014 年 6 月12 日 摘要 本课题研究内容为某型重型数控机床液压模拟加载荷载实验台的设计与分析。针对TK6920重型数控机床给定参数及其加工特点,设计其变载荷实验台机械结构,并进行三维建模并建立实验台液压加载系统。基于Hypermesh软件,进行实验台静载荷和动载荷分析;基于
2、AMESIM 软件,进行液压驱动系统仿真分析。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。本实验台系统可以实现基于液压加载系统,输入既定载荷参数,如静载荷或是变载荷(持续规律变化的载荷量)在模拟刀具上输出相应符合要求的载荷的功能;确保实验台具有良好的结构性,在整个加载系统以实验要求的载荷加载运行的过程中,试验台结构需始终保持稳定可靠,而且结构设计尽量紧凑、便于定位与装配。 关键词:液压加载实验台,滚动轴承,模拟刀具,强度分析,液压加载系统设计 Abstract The content of this paperis thedesign and analysis of a hy
3、draulicloading systemof a certain type ofHeavy NCmachine tool. In view of the machining features and given parameters of TK6920heavy NC machine tool, the mechanical structure of the variable load bend will be designed, the 3D model of the structure and the Hydraulic loading system will be establishe
4、d. Based on Hypermesh software, static loadand dynamic loadwill be analyzed. Based on the AMESim, the function of hydraulic simulation system will be analyzed. This is an actual project for an enterprise, which is advanced and practical. Based on the hydraulic loading system which is input given loa
5、ding parameters such as static load or variable load (aregularly changing load signal), the test bend can output corresponding to meet the requirements of test on the simulation tool. Ensure the test bend has high-performance structural stability during the run time. Also the structure design should
6、 be compact and easy to locate andassemble.Key word: hydraulic loading bend, antifriction bearing, simulation tool, strength analysis, design of hydraulic loading system 目录摘要(中文)I(英文)II第一章 绪论11.1课题背景与来源11.2国内外发展现况31.3课题研究内容4第二章 实验台总体方案设计62.1试验对象机床的介绍62.2方案分析与制定72.3本机床在实际加工过程中铣削力的计算与分析8第三章 实验台机械结构设计与
7、分析123.1实验台结构说明123.2模拟刀具的结构特点与功能实现123.3支架强度校核15第四章 液压系统设计与仿真194.1液压系统功能介绍194.2液压加载系统负载计算与分析194.3液压加载系统液压缸工作循环各阶段速度的选定与分析204.4加载液压缸参数的确定204.5液压缸各工作阶段流量的确定244.6液压缸各工作阶段压力的确定244.7液压系统图的绘制与工作原理的确定254.8液压元件的选型与确定274.9 液压系统仿真分析28第五章 结束语32 参考文献33 第一章 绪论1.1课题背景与来源1.1.1课题背景我国目前的现状是高档重型数控机床 90%以上来源于国外进口。为了增强国际
8、竞争力,解决我国在发展使用高档重型数控机床过程中目前所面临的核心问题,在国家高档数控机床与基础制造装备科技重大专项中,高档数控机床在现代化建设中的重要性得到了高度的体现,反映出了国家对发展高档数控机床产品的重视和信心,也反映出市场的需求以及高档数控机床的发展趋势和方向因此,激烈的市场竞争以及庞大的市场需求对高档数控机床提出了更高的要求。主轴性能好坏被认为是衡量数控机床是否稳定可靠的一项重要指标之一。1伺服加载系统是伺服系统的一个重要组成部分,其在工程领域通常也被称为负载模拟器,将经典的自破坏性全实物试验转化为实验室条件下的预测性研究,从而可以达到缩短研制周期、节约研制经费、提高可靠性和成功率的
9、目的23。所以放眼本课题,针对重型数控机床主轴的变载荷加载试验台的建立对重型数控机床主轴在实际加工中大载荷负载情况的仿真具有高效、真实测试主轴性能的意义。1.1.2课题来源齐齐哈尔第二机床厂TK6910型号重型数控镗铣床,为模拟该机床在实际加工过程中,刀具真实的受力情况而需要设计开发出的专用实验台,其可经济有效的模拟机床在实际加工中主轴、刀具的受力情况,为该型号机床寿命评估,强度校验与结构优化等环节提供试验平台。实验台设计要求有带滚动轴承的模拟刀具,加载方式为液压加载结构。1.2国内外发展现状国内外对重型数控机床关于主轴性能测试方面的模拟加载试验台设计的相关文献报告很难查到,但是对于高速电主轴
10、数控加工机床的主轴性能测试的模拟加载试验台建立的文章却有很多,其中涉及的方法也是多种多样,整个设计过程展现的也是比较详尽。这些方案中也有很多东西值得本课题借鉴。在周训通,等的高速电主轴非接触电磁加载研究4中,其采用的是一种电磁加载的方式,主要特点就是非接触式加载,可以适应主轴具有很高转速的加载要求,其试验台结构如图1。文中也介绍了,传统的主轴加载试验有切削力法、转矩转速仪法以及液压加载法。这些方法适用于中低速运转,当高速运转时,会产生剧烈摩擦热、振动和噪声而不能长时间运行,因而达不到预期的实验效果,但液压加载适于中低速运转的主轴实验,这点对本课题具有指导意义。 图1.1 试验台方案结构图目前国
11、内对主轴的研究主要以有限元分析、建模仿真为主,大多数的动态测试方法均为空载运行实验和部分的静态载荷运行实验。重庆大学的康辉民等使用电涡流测功机对电主轴进行了扭矩加载,并提出使用伺服电机通过减速机构进行径向加载,但是并没有解决动态加载的难题,北京机床所使用气缸对主轴进行轴向力和径向力的加载,以模拟主轴加工时的真实受力状况。5针对以上的情况,吉林大学的侯雨辰也研制出电磁非接触式与轴承接触式的混合加载试验台,可以综合考虑主轴同时受径向载荷和轴向载荷的实际负载情况。在吉林大学王凯的高速电主轴电液伺服加载的可靠性试验台研制一文中6, 提出了一种以电液伺服系统和电力测功机作为加载装置的高速电主轴可靠性试验
12、方案,搭建了高速电主轴可靠性试验台,试验台总体结构示意图,见图1.2。其中应用电液伺服的主轴载荷加载方式,并设计出电液伺服机床主轴模拟加载试验台的模型,提出的一种液压施载到轴承上继而传到主轴上的液压加载结构,对本课题的研究很有参考价值。以下对该方案进行具体分析并与本课题需 图1.2试验台总体结构示意图要设计的液压加载试验台方案进行对比,以摄取更好的符合本课题重型数控机床试验台的设计方法。图1.3为该试验台支架示意图。试验支架固定在地平铁上,电主轴由抱夹机构所夹持,其支撑机构为刚度非常大的垫板和垫铁。抱夹机构和垫板作为不同型号主轴装配的过渡件,垫铁靠磨削来调整高度。轴承单元装配图如图1.4所示,
13、一对角接触球轴承正装在加载棒上,两轴承 图1.3试验台支架示意图 图1.4轴承单元装配图内圈之间有一套筒。两轴承的内圈分别被轴肩和圆螺母限制并进行定位,而外圈则被端盖和轴承套限制。实际工作时,加载棒所受轴向力从右向左施加在轴承套的右端面上,轴承套传递给右侧轴承的外圈,再由内圈通过套筒传递给左侧轴承,最终传递到加载棒上。图1.5展示的为该系统的液压加载装置(该文中称为作动器)电液伺服作动器的底端有铰链 10铰接在液压支座 1 上,作动器水平放置,通过支撑架2进行支撑。作动器底端可通过铰链上下自由转动,同时加载杆3的前端做成半球形,与加载杆接触的轴承套做成半球形凹槽,这样作动器就成为一个二力杆,可
14、以自动调节动作误差,使加载力一直作用在主轴轴线。 油缸上装有位移传感器 9,可实时检测活塞位置,进行闭环控制。作动器前段安装有弹性装置 5,通过计算得知弹性装置使加载效果更好。力传感器 4 可以测量实际加载力的大小,起到监控和保护的作用。 图1.5 液压加载装置(作动器)通过对该方案的分析,可以借鉴学习的方面: 1)液压加载执行元件的设计思路与细节。最关键的就是需要考虑与承载结构接触面的处理,该试验台将加载执行元件构成二力杆的方法,可以自动调节误差,避免试验台工作中主轴变形所带来的加载不稳定现象,这种设计方法值得借鉴; 2)轴承单元承载结构的设计。该文提供了详细的轴承单元承载的工作原理与完整的
15、结构设计过程,包括对轴承的可靠性校核。其采用一对角接触球轴承进行轴向力与径向力的承载,虽然可能无法满足本课题的加载要求,但仍然提供了可以应用到本课题加载装置设计的一种思路;3)该试验台实验对象为高速电主轴,所受载荷较小,所以其轴承承载单元与液压加载装置位置相对分散,这在大载荷加载过程中将提高不稳定性;4)该方案中试验台总体结构过于分散,结构也相对复杂,其灵活性较差,安装调试复杂,不适于固定、无法随意调整姿态的重型数控机床主轴的模拟加载实验。 在本课题试验台设计中,需尽量将液压加载装置与轴承承载装置设计装配在一起,使试验台结构紧凑、便于移动,充分利用重型数控机床主轴可以在不拆卸情况下在进给运动方
16、向上的移动进行定位的思路进行模拟加载试验台的设计。他的这套实验台总体方案的设计过程可归纳为:对所研究电主轴进行了受力分析,计算出主轴所受最大静态力和扭矩;根据切削力频域波形图,分析出主轴工作时所受动态力大小及频率,为设计加载装置提供依据。建立了电液伺服系统的数学模型,使用奈奎斯特判据和伯德图分析了系统稳定性。通过增加阻尼环节,对加载系统的稳定性进行了优化。对试验台机械部分使用 Ansys 进行了强度校核,对设计的轴承进行了寿命分析。虽然本课题中的实验对象为重型数控镗铣床主轴,其加工对象庞大,主轴转速较慢,所受载荷很大,但主轴受力分析、试验台结构设计与加载系统的建立都是相似的,因此其中介绍的设计
17、方法与设计过程是很值得借鉴的。目前,国外有几家大型的从事高速电主轴生产研发的企业,如:德国西门子公司,GMN 公司、瑞士 IBAG 公司、美国 Setco 公司、意大利 FAEMAT 公司、Omlet公司等,他们所生产的电主轴转速高、功率大、加工精密,对于高速电主轴的设计研发均处于领先位置,瑞士米克朗公司生产的机床可配备转速达 60000r/min的电主轴,而国外用于加工中心的电主轴,实际上最高转速已经达到 75000r/min了。在对高速电主轴的相关技术方面,我国也落后于发达国家,如:国外已经普遍采用油气润滑技术,减少了主轴在高速运转时的磨损,也达到了节能环保的目的5。国外对于重型数控机床的
18、相关文献很少,连相关测试的文章都难以找到。但关于高速数控加工机床在国外的发展情况也可以映射出国内重型机床领域也有许多方面需要努力提高的。1.3课题研究内容1.3.1研究方向 本课题的研究方向是模拟对某重型数控机床主轴在实际加工过程中所受载荷的变载荷加载试验台的研制,主要涉及试验台结构的设计与建模,校验分析试验台可靠性,液压加载系统的设计与仿真,即软件内通过设计好的液压系统原理实现变载荷参数的输入输出。 1.3.2研究内容针对企业某型重型数控机床给定参数及其加工特点,设计其变载荷实验台机械结构,并进行三维建模。建立实验台液压驱动系统。基于Hypermesh软件,进行实验台静载荷和动载荷分析;基于
19、AMESIM 软件,进行液压驱动系统仿真分析。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。图1.5展示的是本课题所涉及的某重型数控机床的整体实物,本课题的任务是对其主轴部分的模拟加载试验台的设计与优化。 图1.5 TK6920重型数控落地镗铣床实物图 图1.6机床主轴部分实物图图1.6展示的是本课题所研制某重型数控机床液压加载试验台的实验加载对象,机床主轴即突出圆柱部分。实际加工过程中,主轴是通过吸持住刀柄(刀柄上加装刀具)这个单独构件来进行加工。 1.3.3系统功能 本课题完成的某重型数控机床主轴的变载荷加载试验台装置,应该可以体现机床主轴在实际工况下受载荷的情况。本试验台
20、具体的系统功能如下:1)实现基于液压加载系统,输入既定载荷参数,如静载荷或是变载荷(持续规律变化的载荷量)在主轴上输出相应符合要求的载荷类型的功能;2)实现模拟在实际加工过程中主轴所受载荷情况的功能,即轴向载荷与径向载荷的大小、方向与载荷施加位置。3)具有良好的试验台结构,在整个加载系统以实验要求的载荷形式加载运行的过程中,试验台结构需始终保持稳定可靠,无论是在静载荷加载还是变载荷加载情况下。4)具有不破坏实验对象的加载方式与结构,方便实验对象的装配与定位。 第二章 实验台总体方案设计2.1试验对象机床介绍2.1.1本大型数控落地镗铣床的背景介绍数控落地镗铣床是用途较为广泛的重型机床,本机床有
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