【正文】 引言 “重型數(shù)控機(jī)床主軸箱設(shè)計及滑枕液壓系統(tǒng)仿真分析”課題是國家“高檔數(shù)控機(jī)床與基礎(chǔ)制造裝備”科技重大專項《重型數(shù)控機(jī)床關(guān)鍵共性技術(shù)創(chuàng)新能力平臺》課題的子項目。以齊齊哈爾第二機(jī)床廠生產(chǎn)的 TK6920重型數(shù)控鏜銑床為研究對象，運(yùn)用有限元思想，借助一系列的軟件對機(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，國外，特別是德 、美、日三個國家在數(shù)控重型機(jī)床科研、設(shè)計、制作和應(yīng)用上，技巧最先進(jìn)、經(jīng)驗最多的國家。美國在重型數(shù)控機(jī)床的主機(jī)設(shè)計、制作及數(shù)控系統(tǒng)方面的研究基礎(chǔ)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(jī)床在世界也一直處于領(lǐng)先地位。德國的數(shù)控機(jī)床質(zhì)量及性能良好、先進(jìn)、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(jī)床方面的機(jī)床炙手可熱。德國特別一貫重視數(shù)控機(jī)床主機(jī)及配套件的先進(jìn)性和實用性能，其機(jī)、電、液、氣、光、刀具、測量、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)自動化 ,繼 而全力發(fā)展中小批柔性生產(chǎn)主動化的數(shù)控機(jī)床。在 1958年國內(nèi)研制出第一臺數(shù)控機(jī)床，經(jīng)過無數(shù)國人的不懈努力，在 50余年間數(shù)控機(jī)床的設(shè)計和制作技巧飛躍式前進(jìn)和進(jìn)步，但是中國的機(jī)床結(jié)構(gòu)的設(shè)計多半仍然處于經(jīng)驗設(shè)計，設(shè)計計算時使用一般的結(jié)構(gòu)計算方法，雖然這些計算具有可靠性、科學(xué)性，但是對于復(fù)雜的機(jī)床結(jié)構(gòu)僅有計算和試驗是不夠的。這導(dǎo)致國內(nèi)重型數(shù)控落地鏜銑機(jī)床產(chǎn)品和國外產(chǎn)品還存在著很大的差距。 我國是制造大國，工業(yè)制造是國家的經(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、自動化、噸位化的趨勢，重型數(shù)控落地鏜銑機(jī)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(jī)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(jī)床的體積大，噸位重，生產(chǎn)制造成本高，這有必要在設(shè)計時進(jìn)行多方面的分析，降低機(jī)械振動，減少部件的彎曲變形從而提高加工工件的生產(chǎn)質(zhì)量。 本課題重點研究重型數(shù)控落地鏜銑機(jī)床的關(guān)鍵部件的靜動特性，以及整機(jī)的液壓系統(tǒng)。課題的結(jié)果對提高機(jī)床整機(jī)的性能以及加工精度具有重大的借鑒意義。對 于大型落地式鏜銑床液壓系統(tǒng)的設(shè)計具有推動作用。 某型重型數(shù)控機(jī)床主軸箱設(shè)計及滑枕液壓系統(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，這說明文獻(xiàn)的實時性較強(qiáng)，對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)容分類數(shù)量統(tǒng)計 從圖中看出文獻(xiàn)總體分為六大類別，分別是對機(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)計分析、動態(tài)分析和熱特性三個方面進(jìn)行研究的。主要采用 ANSYS 有限元軟件對機(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]，同時改進(jìn)裝置提高加工精度。對于機(jī)床的動力分析時采用有限元及結(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、動特性分析、熱特性分析以及滑枕的變性補(bǔ)償四個方面。（ 1）結(jié)構(gòu)設(shè)計時主要運(yùn)用有限元分析的方法對滑枕的內(nèi)部結(jié)構(gòu)的靜、動特性進(jìn)行分析，提高滑枕的靈敏 度 [5][6]。（ 2）動態(tài)分析時首先借助相關(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)計及滑枕液壓系統(tǒng)仿真分析 3 ANSYS對滑枕進(jìn)行動特性、熱特性、噪聲場的分析。分析時，采用 Block Lanczos 法求解，得出通過增加加強(qiáng)筋、固定螺栓的預(yù)緊力、改變約束位置等來調(diào)整方滑枕的剛度，起到提高固有頻率的目的 [6]。（ 3）熱特性分析時主要運(yùn)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(guān)鍵因素 [78]。（ 4）滑枕的變形補(bǔ)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(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)計與優(yōu)化、模態(tài)分析、熱特性分析和主軸箱的補(bǔ)償四個方面。主要運(yùn)用 PRO/E[13]， CAD、 matlab[14]以及 Solid Works[15] 三種軟件對機(jī)床主軸建模，結(jié)構(gòu)分析和優(yōu)化設(shè)計時主要采用 matlab 軟件，模態(tài)分析和熱特性分析時主要運(yùn)用ANSYS進(jìn)分析 [16][17]，主軸箱的補(bǔ)償分析時主要運(yùn)用 CAE[18]。在優(yōu)化時普遍采用 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)計和優(yōu)化、液壓系統(tǒng)的平衡兩個方面。液 壓系統(tǒng)設(shè)計時運(yùn)用理論知識設(shè)計液壓系統(tǒng)，通過 Hop san、 ADAMS/Hydraulics、 Matlab /Simulink、AMESim[19]以及 EASY5 等仿真軟件對液壓系統(tǒng)進(jìn)行仿真 [20]，找出系統(tǒng)中的問題環(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 PRO/E 對這些零件建模，運(yùn)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(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(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)在國內(nèi)外對機(jī)床進(jìn)行靜態(tài)、模態(tài)分析多采用計算機(jī)輔助工程 ( CAE ) 技術(shù)，通過 PRO/E， CAD、 matlab 以及 Solid Works 對機(jī)床部件建模，運(yùn)用 ANSYS、matlab 以及 CAE 軟件，根據(jù)實際工作情況，將實際中的經(jīng)驗數(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，并且對問題點進(jìn)行修改和優(yōu)化。在機(jī)床液壓系統(tǒng)理論分析時主要運(yùn)用 Hop san、 ADAMS/Hydraulics、 Matlab /Simulink、 AMESim以及 EASY5等仿真軟件對液壓系統(tǒng)進(jìn)行仿真，發(fā)現(xiàn)液壓系統(tǒng)的問題，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)計及滑枕液壓系統(tǒng)仿真分析 4 圖 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(jié)構(gòu)，如圖 所示： 圖 TK69 系列開口主軸箱模型 方案三 :數(shù)控車床主軸箱結(jié)構(gòu) ,圖 所示。 圖 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(jī)構(gòu)，如圖 所示。 某型重型數(shù)控機(jī)床主軸箱設(shè)計及滑枕液壓系統(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 （ 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 滑枕撓度補(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)計液壓系統(tǒng)，通過計算機(jī)輔助軟件 AMESim 對液壓系統(tǒng)進(jìn)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(shè)置等三方面。通過軟件仿真得到結(jié)果如圖 所示，對仿真結(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)計及滑枕液壓系統(tǒng)仿真分析 8 方案二：首先需要對原有液壓系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)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 所示。 圖 基于 EASY5 的液壓系統(tǒng)建模 通過實驗以及液壓系統(tǒng)的仿真結(jié)果對比如圖 所示，分析液壓系統(tǒng)特性，得出分析結(jié)果。 圖 仿真結(jié)果和實驗結(jié)果對比 方案三 ：初步設(shè)計液壓系統(tǒng)，運(yùn)用 Matlab /Simulink 仿真模塊，對液壓系統(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 我國是個工業(yè)大國，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)計時重型數(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)動也是重型數(shù)控機(jī)床的重研究領(lǐng)域之一，隨著計算機(jī)仿真技術(shù)的日益發(fā)展 ，利用計算機(jī)解決實際系統(tǒng)的問題已經(jīng)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，為液壓系某型重型數(shù)控機(jī)床主軸箱設(shè)計及滑枕液壓系統(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)的仿真在對液壓系統(tǒng)設(shè)計時的作用越來越大正在逐步變打。 主要工作 通過查閱現(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象設(shè)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(nèi)外液壓系統(tǒng)的設(shè)計經(jīng)驗，根據(jù)本機(jī)床的設(shè)計要求設(shè)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(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)計方案 在主軸箱結(jié)構(gòu)設(shè)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(jī)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(jié)構(gòu)作為本課題主軸箱結(jié)構(gòu)設(shè)計時的參考。由于方案一屬于傳統(tǒng)的主軸箱設(shè)計，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 系列前端不開口的主軸主軸箱結(jié)構(gòu)。 在液壓系統(tǒng)設(shè)計時以 TK6920 的設(shè)計參數(shù)為根據(jù)參照各個部分的液壓系統(tǒng)模型進(jìn)行設(shè)計。在液壓系統(tǒng)分析方面都是運(yùn)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 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，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(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，具有一些對應(yīng)真實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的液壓系統(tǒng)一樣 , 把相應(yīng)的零件圖標(biāo)從庫里取出 , 設(shè)定參數(shù)，連接各個部件 , 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 Mathworks 公司在 1984 年正式推出的科學(xué)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(xué)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(shè)計方法，使用戶設(shè)計出友好的圖形界面，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、可以在較短的時間內(nèi)、完成較多的實驗內(nèi)容。所以在液壓系統(tǒng)分析 時主要采用 AMESim 軟件進(jìn)行仿真分析。 第二章 主軸箱的結(jié)構(gòu)設(shè)計 總體結(jié)構(gòu)分析 本文所論述的主軸箱的結(jié)構(gòu)設(shè)計如下圖 所示 圖 主軸箱的結(jié)構(gòu) 在這個重型數(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(jī)驅(qū)動，經(jīng)機(jī)械 — 電氣調(diào)整后，使主軸獲得 ～ 800r/min 范圍