【正文】 引言 “重型數(shù)控機(jī)床主軸箱設(shè)計(jì)及滑枕液壓系統(tǒng)仿真分析”課題是國(guó)家“高檔數(shù)控機(jī)床與基礎(chǔ)制造裝備”科技重大專(zhuān)項(xiàng)《重型數(shù)控機(jī)床關(guān)鍵共性技術(shù)創(chuàng)新能力平臺(tái)》課題的子項(xiàng)目。以齊齊哈爾第二機(jī)床廠生產(chǎn)的 TK6920重型數(shù)控鏜銑床為研究對(duì)象，運(yùn)用有限元思想，借助一系列的軟件對(duì)機(jī)床的主軸箱以及液壓系統(tǒng)分析仿真從而達(dá)到提高機(jī)床加工精度的目的。 重型數(shù)控落地鏜銑機(jī)床的研究分析起源于上世紀(jì) 50年代起，當(dāng)今世界上，國(guó)外，特別是德 、美、日三個(gè)國(guó)家在數(shù)控重型機(jī)床科研、設(shè)計(jì)、制作和應(yīng)用上，技巧最先進(jìn)、經(jīng)驗(yàn)最多的國(guó)家。美國(guó)在重型數(shù)控機(jī)床的主機(jī)設(shè)計(jì)、制作及數(shù)控系統(tǒng)方面的研究基礎(chǔ)扎實(shí) ,并且秉承著科研和創(chuàng)新，故其高性能的重型數(shù)控機(jī)床在世界也一直處于領(lǐng)先地位。德國(guó)的數(shù)控機(jī)床質(zhì)量及性能良好、先進(jìn)、實(shí)用、貨真價(jià)實(shí)、出口遍及世界。尤其是在大型、重型、精密數(shù)控機(jī)床方面的機(jī)床炙手可熱。德國(guó)特別一貫重視數(shù)控機(jī)床主機(jī)及配套件的先進(jìn)性和實(shí)用性能，其機(jī)、電、液、氣、光、刀具、測(cè)量、數(shù)控系統(tǒng)以及各種功效部件在質(zhì)量、性能上居世界高端水平。日本充分發(fā)展大批生產(chǎn)自動(dòng)化 ,繼 而全力發(fā)展中小批柔性生產(chǎn)主動(dòng)化的數(shù)控機(jī)床。在 1958年國(guó)內(nèi)研制出第一臺(tái)數(shù)控機(jī)床，經(jīng)過(guò)無(wú)數(shù)國(guó)人的不懈努力，在 50余年間數(shù)控機(jī)床的設(shè)計(jì)和制作技巧飛躍式前進(jìn)和進(jìn)步，但是中國(guó)的機(jī)床結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)多半仍然處于經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)使用一般的結(jié)構(gòu)計(jì)算方法，雖然這些計(jì)算具有可靠性、科學(xué)性，但是對(duì)于復(fù)雜的機(jī)床結(jié)構(gòu)僅有計(jì)算和試驗(yàn)是不夠的。這導(dǎo)致國(guó)內(nèi)重型數(shù)控落地鏜銑機(jī)床產(chǎn)品和國(guó)外產(chǎn)品還存在著很大的差距。 我國(guó)是制造大國(guó)，工業(yè)制造是國(guó)家的經(jīng)濟(jì)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(jī)床的需求量逐年增多，而且隨著加工產(chǎn)品的大型化、自動(dòng)化、噸位化的趨勢(shì)，重型數(shù)控落地鏜銑機(jī)床的需求量越來(lái)越高。重型數(shù)控落地式鏜銑床早已列為振興國(guó)家裝備制造業(yè)“數(shù)控機(jī)床發(fā)展專(zhuān)項(xiàng)規(guī)劃”，是我國(guó)重點(diǎn)扶持的行業(yè)，但由于重型數(shù)控落地鏜銑機(jī)床的體積大，噸位重，生產(chǎn)制造成本高，這有必要在設(shè)計(jì)時(shí)進(jìn)行多方面的分析，降低機(jī)械振動(dòng)，減少部件的彎曲變形從而提高加工工件的生產(chǎn)質(zhì)量。 本課題重點(diǎn)研究重型數(shù)控落地鏜銑機(jī)床的關(guān)鍵部件的靜動(dòng)特性，以及整機(jī)的液壓系統(tǒng)。課題的結(jié)果對(duì)提高機(jī)床整機(jī)的性能以及加工精度具有重大的借鑒意義。對(duì) 于大型落地式鏜銑床液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)具有推動(dòng)作用。 某型重型數(shù)控機(jī)床主軸箱設(shè)計(jì)及滑枕液壓系統(tǒng)仿真分析 2 研究現(xiàn)狀 本次課題研究共查閱相關(guān)文獻(xiàn)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(xiàn)主要集中在 20211013年，這說(shuō)明文獻(xiàn)的實(shí)時(shí)性較強(qiáng)，對(duì)本論文研究具有重大的借鑒意義。 文獻(xiàn)內(nèi)容主要包括機(jī)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(xiàn)內(nèi)容分類(lèi)數(shù)量統(tǒng)計(jì) 從圖中看出文獻(xiàn)總體分為六大類(lèi)別，分別是對(duì)機(jī)床整體、主軸箱、滑枕、液壓系統(tǒng)、其他部件分析以及機(jī)床介紹。 整體方面，文獻(xiàn) 主要是從機(jī)床的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)分析、動(dòng)態(tài)分析和熱特性三個(gè)方面進(jìn)行研究的。主要采用 ANSYS 有限元軟件對(duì)機(jī)床的結(jié)構(gòu)建模 [1][2]，分析機(jī)床的結(jié)構(gòu)找到剛度的薄弱環(huán)節(jié)進(jìn)行優(yōu)化，對(duì)機(jī)床進(jìn)行熱特性分析為整機(jī)的冷卻系統(tǒng)提供理論 [3]，同時(shí)改進(jìn)裝置提高加工精度。對(duì)于機(jī)床的動(dòng)力分析時(shí)采用有限元及結(jié)構(gòu)優(yōu)化（ CAE）技術(shù)相結(jié)合的手段 [4]，提高機(jī)床性能。 機(jī)床滑枕分析主要分為滑枕的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、動(dòng)特性分析、熱特性分析以及滑枕的變性補(bǔ)償四個(gè)方面。（ 1）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)主要運(yùn)用有限元分析的方法對(duì)滑枕的內(nèi)部結(jié)構(gòu)的靜、動(dòng)特性進(jìn)行分析，提高滑枕的靈敏 度 [5][6]。（ 2）動(dòng)態(tài)分析時(shí)首先借助相關(guān)軟件進(jìn)行三維建模，進(jìn)而采用某型重型數(shù)控機(jī)床主軸箱設(shè)計(jì)及滑枕液壓系統(tǒng)仿真分析 3 ANSYS對(duì)滑枕進(jìn)行動(dòng)特性、熱特性、噪聲場(chǎng)的分析。分析時(shí)，采用 Block Lanczos 法求解，得出通過(guò)增加加強(qiáng)筋、固定螺栓的預(yù)緊力、改變約束位置等來(lái)調(diào)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(shí)主要運(yùn)用有限元軟件仿真計(jì)算滑枕系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)分布以及熱平衡時(shí)間，得出且溫度分布均勻程度是影響熱變形的關(guān)鍵因素 [78]。（ 4）滑枕的變形補(bǔ)償分析時(shí)首先采用 PRO/E建模，之后用有限元分析方法對(duì)滑枕進(jìn)行靜態(tài)分析 [912]， 從而建立一系列的平衡方程 ,找出滑枕的補(bǔ)償方法。 機(jī)床主軸箱分析主要分為主軸箱的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化、模態(tài)分析、熱特性分析和主軸箱的補(bǔ)償四個(gè)方面。主要運(yùn)用 PRO/E[13]， CAD、 matlab[14]以及 Solid Works[15] 三種軟件對(duì)機(jī)床主軸建模，結(jié)構(gòu)分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)主要采用 matlab 軟件，模態(tài)分析和熱特性分析時(shí)主要運(yùn)用ANSYS進(jìn)分析 [16][17]，主軸箱的補(bǔ)償分析時(shí)主要運(yùn)用 CAE[18]。在優(yōu)化時(shí)普遍采用 ANSYS 論證。 機(jī)床液壓系統(tǒng)分析主要分為液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和優(yōu)化、液壓系統(tǒng)的平衡兩個(gè)方面。液 壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)運(yùn)用理論知識(shí)設(shè)計(jì)液壓系統(tǒng)，通過(guò) Hop san、 ADAMS/Hydraulics、 Matlab /Simulink、AMESim[19]以及 EASY5 等仿真軟件對(duì)液壓系統(tǒng)進(jìn)行仿真 [20]，找出系統(tǒng)中的問(wèn)題環(huán)節(jié)，改進(jìn)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(bǔ)償四種方法 [21]為主，運(yùn)用上述的液壓系統(tǒng)軟件對(duì)平衡后的系統(tǒng)仿真，得到最優(yōu)的平衡措施。 機(jī)床的其他部 件的分析主要是機(jī)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(jī)床雙驅(qū)機(jī)構(gòu) [24]的的改進(jìn)。通過(guò) PRO/E 對(duì)這些零件建模，運(yùn)用有限元分析軟件對(duì)三個(gè)部件的動(dòng)特性以及靜特性分析，總結(jié)出改進(jìn)方法。 縱觀文獻(xiàn)內(nèi)容發(fā)現(xiàn)目前重型數(shù)控落地鏜銑機(jī)床的發(fā)展方向是高速銑削，其功能通過(guò)滑枕組件來(lái)完成。在理論論證時(shí)需要對(duì)主軸箱、滑枕、立柱等部件進(jìn)行強(qiáng)度、剛度分析，以保證鏜銑床的加工精度以及可靠性?，F(xiàn)在國(guó)內(nèi)外對(duì)機(jī)床進(jìn)行靜態(tài)、模態(tài)分析多采用計(jì)算機(jī)輔助工程 ( CAE ) 技術(shù)，通過(guò) PRO/E， CAD、 matlab 以及 Solid Works 對(duì)機(jī)床部件建模，運(yùn)用 ANSYS、matlab 以及 CAE 軟件，根據(jù)實(shí)際工作情況，將實(shí)際中的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)加載 到模型中，進(jìn)一步分析 ,這樣可以找到機(jī)床的薄弱點(diǎn)，并且對(duì)問(wèn)題點(diǎn)進(jìn)行修改和優(yōu)化。在機(jī)床液壓系統(tǒng)理論分析時(shí)主要運(yùn)用 Hop san、 ADAMS/Hydraulics、 Matlab /Simulink、 AMESim以及 EASY5等仿真軟件對(duì)液壓系統(tǒng)進(jìn)行仿真，發(fā)現(xiàn)液壓系統(tǒng)的問(wèn)題，進(jìn)行改進(jìn)。 主軸箱的結(jié)構(gòu)有如下幾種： 方案一： TK69 系列鏜銑床不開(kāi)口主軸箱結(jié)構(gòu)，如圖 所示： 某型重型數(shù)控機(jī)床主軸箱設(shè)計(jì)及滑枕液壓系統(tǒng)仿真分析 4 圖 TK69 系列不開(kāi)口主軸箱模型 方案二： TK69 系列鏜銑床開(kāi)口主 軸箱結(jié)構(gòu)，如圖 所示： 圖 TK69 系列開(kāi)口主軸箱模型 方案三 :數(shù)控車(chē)床主軸箱結(jié)構(gòu) ,圖 所示。 圖 系列數(shù)控車(chē)床主軸箱實(shí)體圖 方案四：數(shù)控銑床主軸箱機(jī)構(gòu)，如圖 所示。 某型重型數(shù)控機(jī)床主軸箱設(shè)計(jì)及滑枕液壓系統(tǒng)仿真分析 5 圖 XK 系列數(shù)控銑床主軸箱結(jié)構(gòu) 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(gè)主要的部分： （ 1） 主軸箱的平衡液壓系統(tǒng)，如圖 所示。 圖 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(hào) （ 2）刀具夾緊液壓系統(tǒng)，如圖 所示。 某型重型數(shù)控機(jī)床主軸箱設(shè)計(jì)及滑枕液壓系統(tǒng)仿真分析 6 圖 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 所示。 圖 主軸箱以及滑枕夾緊液壓系統(tǒng)原理圖 （ 4）滑枕的撓度補(bǔ)償液壓系統(tǒng)，如圖 所示。 圖 滑枕?yè)隙妊a(bǔ)償液壓系統(tǒng)原理圖 某型重型數(shù)控機(jī)床主軸箱設(shè)計(jì)及滑枕液壓系統(tǒng)仿真分析 7 方案一：首先依據(jù)課題要求設(shè)計(jì)液壓系統(tǒng)，通過(guò)計(jì)算機(jī)輔助軟件 AMESim 對(duì)液壓系統(tǒng)進(jìn)行建模，主要包括：模型的創(chuàng)建、模型的類(lèi)型、模型的參 數(shù)的設(shè)置等三方面。通過(guò)軟件仿真得到結(jié)果如圖 所示，對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行研究改進(jìn)原有的液壓系統(tǒng)如圖 所示。 圖 液壓系統(tǒng)的仿真結(jié)果 圖 液壓系統(tǒng)改進(jìn) 某型重型數(shù)控機(jī)床主軸箱設(shè)計(jì)及滑枕液壓系統(tǒng)仿真分析 8 方案二：首先需要對(duì)原有液壓系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，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 所示。 圖 基于 EASY5 的液壓系統(tǒng)建模 通過(guò)實(shí)驗(yàn)以及液壓系統(tǒng)的仿真結(jié)果對(duì)比如圖 所示，分析液壓系統(tǒng)特性，得出分析結(jié)果。 圖 仿真結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比 方案三 ：初步設(shè)計(jì)液壓系統(tǒng)，運(yùn)用 Matlab /Simulink 仿真模塊，對(duì)液壓系統(tǒng)仿真和分析， 如圖 以及圖 。 某型重型數(shù)控機(jī)床主軸箱設(shè)計(jì)及滑枕液壓系統(tǒng)仿真分析 9 圖 三通減壓閥仿真模塊圖 圖 三通減壓閥輸出壓力仿真曲線 發(fā)展趨勢(shì) 我國(guó)是個(gè)工業(yè)大國(guó)，隨著科技的進(jìn)步、生產(chǎn)的提高，機(jī)床的使用性能要求也逐步提高，主軸箱的設(shè)計(jì)時(shí)重型數(shù)控機(jī)床的中重之中，其研究領(lǐng)域正在向高精度、高穩(wěn)定性和可靠性邁進(jìn)。在液壓方面，液壓系統(tǒng)支撐起機(jī)床整體的運(yùn)動(dòng)也是重型數(shù)控機(jī)床的重研究領(lǐng)域之一，隨著計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的日益發(fā)展 ，利用計(jì)算機(jī)解決實(shí)際系統(tǒng)的問(wèn)題已經(jīng)成為可能，根據(jù)實(shí)際的數(shù)值對(duì)液壓系統(tǒng)的仿真賦予特征參數(shù)，模擬出實(shí)際中的液壓系統(tǒng)個(gè)個(gè)部分的數(shù)值，為液壓系某型重型數(shù)控機(jī)床主軸箱設(shè)計(jì)及滑枕液壓系統(tǒng)仿真分析 10 統(tǒng)的改進(jìn)提供強(qiáng)有力的證據(jù)。液壓系統(tǒng)的仿真在對(duì)液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)的作用越來(lái)越大正在逐步變打。 主要工作 通過(guò)查閱現(xiàn)有文獻(xiàn)資料，進(jìn)行調(diào)研，以 K6920 重型數(shù)控落地式鏜銑床作為研究對(duì)象設(shè)計(jì)主軸箱的箱體以及其傳動(dòng)系統(tǒng)，并建立三維模型。在液壓方面，借鑒國(guó)內(nèi)外液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，根據(jù)本機(jī)床的設(shè)計(jì)要求設(shè)計(jì)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(guò)仿真驗(yàn)證液壓系統(tǒng)的可行性，進(jìn) 一步分析仿真結(jié)果得出本液壓系統(tǒng)的缺陷并給出相關(guān)建議。 設(shè)計(jì)方案 在主軸箱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段共有四個(gè)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(jī)廠的 TK692O 型號(hào)重型數(shù)控鏜銑床所以在方案一二中選擇一個(gè)主軸箱的結(jié)構(gòu)作為本課題主軸箱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)的參考。由于方案一屬于傳統(tǒng)的主軸箱設(shè)計(jì)，箱體的強(qiáng)度、剛度都比較好，適合重型數(shù)控鏜銑床的主軸箱結(jié)構(gòu)案故選擇 TK69 系列前端不開(kāi)口的主軸主軸箱結(jié)構(gòu)。 在液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)以 TK6920 的設(shè)計(jì)參數(shù)為根據(jù)參照各個(gè)部分的液壓系統(tǒng)模型進(jìn)行設(shè)計(jì)。在液壓系統(tǒng)分析方面都是運(yùn)用仿真分析軟件對(duì)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(guó) IMAGINE 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(kù)，其中也包含著復(fù)雜程度不同的各種模型應(yīng)用于多種多樣的液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)并且可以通過(guò)一些簡(jiǎn)單的模型建立這個(gè)軟件中不存在的液壓元件模型來(lái)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(guò)一個(gè)接口傳遞多個(gè)變量，簡(jiǎn)化了模型的規(guī)模，使得 不同領(lǐng)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(dòng)態(tài)仿真、批處理仿真、間斷連續(xù)仿真等多種仿真運(yùn)行方式，可以得到精度和穩(wěn)定性很高的仿真結(jié)果。 EASYS5 是當(dāng)今世界上主流的液壓仿真軟件，某型重型數(shù)控機(jī)床主軸箱設(shè)計(jì)及滑枕液壓系統(tǒng)仿真分析 11 功能強(qiáng)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(duì)應(yīng)真實(shí)物理部件的仿真模型 , 如 : 馬達(dá)、泵、閥液壓油等等 , 用戶只要如同組裝真實(shí)的液壓系統(tǒng)一樣 , 把相應(yīng)的零件圖標(biāo)從庫(kù)里取出 , 設(shè)定參數(shù)，連接各個(gè)部件 , 就可以構(gòu)造用戶的液壓系統(tǒng) , 而不必關(guān)心具體部件背后復(fù)雜的數(shù)學(xué)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(guó) Mathworks 公司在 1984 年正式推出的科學(xué)計(jì)算與仿真軟件，它是一個(gè)高度集成的軟件系統(tǒng)，它集科學(xué)與工程計(jì)算、圖形可視化、圖形處理、多媒體處理于一身，并提供了實(shí)用的 Windows 圖形界面設(shè)計(jì)方法，使用戶設(shè)計(jì)出友好的圖形界面，具有超強(qiáng)的數(shù)值運(yùn)算功能、強(qiáng)大的數(shù)據(jù)可視化功能、開(kāi)放的架構(gòu)和可延拓的特性以及豐富的工具箱。三款液壓系統(tǒng)的仿真軟件功能都十分強(qiáng)大，但 AMESim 系統(tǒng)仿真軟件易學(xué)易懂、方便快捷、可以在較短的時(shí)間內(nèi)、完成較多的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。所以在液壓系統(tǒng)分析 時(shí)主要采用 AMESim 軟件進(jìn)行仿真分析。 第二章 主軸箱的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 總體結(jié)構(gòu)分析 本文所論述的主軸箱的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如下圖 所示 圖 主軸箱的結(jié)構(gòu) 在這個(gè)重型數(shù)控機(jī)床的主軸箱中包含了主軸箱的重力補(bǔ)償部件 1，活塞、油缸和一根鋼絲繩連接通過(guò)液壓油缸動(dòng)態(tài)的拉緊與松開(kāi)形成與重心相反方向的力來(lái)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(dòng)系統(tǒng)，主傳動(dòng)系統(tǒng)由一 71 千瓦交流主電機(jī)驅(qū)動(dòng)，經(jīng)機(jī)械 — 電氣調(diào)整后，使主軸獲得 ～ 800r/min 范圍