數(shù)控臥式鏜銑床主軸箱用液壓平衡機構設計與分析

數(shù)控臥式鏜銑床主軸箱用液壓平衡機構設計與分析,數(shù)控,臥式,銑床,主軸,液壓,平衡,機構,設計,分析 摘要 數(shù)控臥式鏜銑床主軸箱用液壓平衡機構的設計與分析 摘 要 任何液壓系統(tǒng)都是由一些基本回路所組成的，所謂的液壓基本回路是指能實現(xiàn)某種規(guī)定功能的液壓元件的組合。 壓力控制回路是控制整個系統(tǒng)或局部油路的工作壓力。壓力控制回路是利用壓力控制閥來控制整個系統(tǒng)或局部油路的壓力，達到調壓、卸載、減壓、增壓、平衡、保壓、泄壓等目的，以滿足執(zhí)行元件對力或力矩的要求。對于液壓基本回路的實驗裝置設計，能使我們更好的掌握也壓得基本原理及液壓系統(tǒng)設計的基本流程，并且對設計的一般步驟與方法有了更好的掌握。 本文闡述了主軸箱用液壓系統(tǒng)使主軸箱向上運動、向下運動、以及停止運動時的平衡壓力基本穩(wěn)定。根據(jù)液壓原理圖以及主軸箱平衡機構裝配圖對各部分液壓元件進行選材校核，從而完成整個設計。論文首先綜述了國內外液壓技術的研究進展及研究現(xiàn)狀、分析課題的研究背景、闡述課題研究的意義和內容。然后重點根據(jù)液壓原理圖，從而選擇液壓元件，計算其性能是否符合指標，最后在說明液壓系統(tǒng)工作時的注意事項。 關鍵詞:主軸箱；液壓平衡系統(tǒng)；平衡液壓缸。 24 Abstract CNC horizontal boring and milling machine spindle box design and analysis of hydraulic balance mechanism Abstract Any hydraulic system is composed of some of the basic circuit of the hydraulic basic circuit, the means to achieve a certain provisions of the hydraulic components functional combination. Pressure control loop is to control the entire system or local oil pressure of work.Pressure control circuit is a control valve to control the entire system or the local oil pressure, pressure, unloading, achieve decompression, pressure, balance, pressure, pressure relief purposes,in order to meet the requirements of executive component of force or torque. For the design of experimental device of hydraulic basic circuit, will enable us to better grasp the basic process design is the basic principle and the hydraulic system, have a better grasp of design and the general steps and methods. This paper expounds the main spindle box hydraulic system for the main spindle box moves upward, downward movement, and stop the movement of the basic stability of equilibrium pressure. According to various parts of the hydraulic components of hydraulic schematic diagram material check and balance mechanism of spindle box assembly drawing, thus completing the whole design. The paper first summarizes the analysis of the status quo, and research progress of study on the hydraulic technology at home and abroad and the significance of research background, describes the research topics. Secondly based on the hydraulic principle diagram, thus the selection of hydraulic components, its performance meets the index calculation, the points for attention in the hydraulic system work. KeyWords：robot arm；harmonic drive；structure design. 西安工業(yè)大學北方信息工程學院畢業(yè)設計（論文） 目 錄 1 緒論 1 1.1數(shù)控鏜銑床概述 1 1.2 主軸箱以及液壓系統(tǒng)簡介 1 1.3數(shù)控機床的發(fā)展 1 1.4 液壓技術 3 1.4.1 液壓技術的現(xiàn)狀及其發(fā)展 3 1.4.2 液壓技術的特點 4 2 主軸箱液壓平衡系統(tǒng)的總體設計 5 2.1主軸箱用液壓平衡機構的簡要分析 5 2.2 負載分析 9 2.2.1工作負載 9 2.2.2摩擦負載 9 2.2.3慣性負載 9 2.3液壓缸主要參數(shù)確定 10 2.3.1初選液壓缸的工作壓力 10 2.3.2計算液壓缸的尺寸 10 2.3.3 液壓平衡系統(tǒng) 11 2.4平衡液壓缸的設計 13 2.4.1 液壓缸的組成 13 2.4.2平衡液壓缸的計算 14 2.4.3平衡液壓缸與主軸箱的連接 17 2.4.4防止雜質侵入 18 2.4.5吸油管與回油管 18 2.4.6液面指示 19 2.4.7液壓站的結構設計的注意事項 19 2.4.8液壓站的組裝 20 2.4.9濾油器的選擇 20 2.5.1液壓元件的安裝 20 3 液壓站的使用與檢查 22 3.1使用的一般注意事項 22 3.2檢查 22 4 結 論 23 參考文獻 24 致 謝 26 畢業(yè)設計（論文）知識產(chǎn)權聲明 27 畢業(yè)設計（論文）獨創(chuàng)性聲明 28 西安工業(yè)大學北方信息工程學院畢業(yè)設計（論文） 1 緒論 1.1數(shù)控鏜銑床概述 數(shù)控鏜銑床也稱“加工中心”機床，是一種新型機床，是一種具有自動換刀裝置和任意分度數(shù)控轉臺的點位-直線數(shù)字控制機床。工件在一次裝夾后能自動完成幾個側面的鉆、銑、鏜、鉸、攻絲等多種工序的加工。 在機械零件中，箱體類零件占相當大的比重，例如變速箱【1】、汽缸體、汽缸蓋等。這類零件往往重量較大，形狀復雜，加工的工序多。如果能在一臺機床上，一次裝夾自動地完成大部分工序，主要是銑端面和鉆孔、攻螺紋、鏜孔等孔加工。因此，數(shù)控鏜銑床集中了鉆床、銑床和鏜床的功能，有以下特點： (1) 工序集中。集中了銑削和不同直徑的孔加工工序。 (2) 自動換刀。按預定加工程序，自動地把各種刀具換到主軸上去，把通過的刀具換下來。因此，要有刀庫、換刀機械手等。 (3) 精度高。各孔的中心距全靠各坐標的精度來保證，不用鉆、鏜模。有的機床，還有自動轉位工作臺，用來保證各孔各面間的角度。鏜孔時，還可以先鏜這個壁上的孔，然后工作臺轉向180度，再鏜對面壁上的孔。兩孔要保證達到一定的同軸度。 1.2 主軸箱以及液壓系統(tǒng)簡介 主軸箱（英文名稱：spindle head）定義：裝有主軸的箱形部件。 主軸箱是機床的重要的部件，是用于布置機床工作主軸及其傳動零件和相應的附加機構的。 主軸箱采用多級齒輪傳動，通過一定的傳動系統(tǒng)，經(jīng)主軸箱內各個位置上的傳動齒輪和傳動軸，最后把運動傳到主軸上，使主軸獲得規(guī)定的轉速和方向。 主軸箱傳動系統(tǒng)的設計，以及主軸箱各部件的加工工藝直接影響機床的性能。 液壓系統(tǒng)（英文名稱：hydraulic system）定義：以油液作為工作介質，利用油液的壓力能并通過控制閥門等附件操縱液壓執(zhí)行機構工作的整 套裝置。 液壓系統(tǒng)的作用為通過改變壓強增大作用力。一個完整的液壓系統(tǒng)由五個部分組成，即動力元件、執(zhí)行元件、控制元件、輔助元件（附件）和液壓油。一個液壓系統(tǒng)的好壞取決于系統(tǒng)設計的合理性、系統(tǒng)元件性能的的優(yōu)劣，系統(tǒng)的污染防護和處理，而最后一點尤為重要【2】。近年來我國國內液壓技術有很大的提高，不再單純地使用國外的液壓技術進行加工。 液壓系統(tǒng)由信號控制和液壓動力兩部分組成，信號控制部分用于驅動液壓動力部分中的控制閥動作。 液壓動力部分采用回路圖方式表示，以表明不同功能元件之間的相互關系。液壓源含有液壓泵、電動機和液壓輔助元件；液壓控制部分含有各種控制閥，其用于控制工作油液的流量、壓力和方向；執(zhí)行部分含有液壓缸或液壓馬達，其可按實際要求來選擇【3】。 1.3數(shù)控機床的發(fā)展 20世紀中期，隨著電子技術的發(fā)展，自動信息處理、數(shù)據(jù)處理以及電子計算機的出現(xiàn)，給自動化技術帶來了新的概念，用數(shù)字化信號對機床運動及其加工過程進行控制，推動了機床自動化的發(fā)展【4】。 采用數(shù)字技術進行機械加工，最早是在40年代初，由美國北密支安的一個小型飛機工業(yè)承包商派爾遜斯公司（ParsonsCorporation）實現(xiàn)的。他們在制造飛機的框架及直升飛機的轉動機翼時，利用全數(shù)字電子計算機對機翼加工路徑進行數(shù)據(jù)處理，并考慮到刀具直徑對加工路線的影響，使得加工精度達到±0.0381mm（±0.0015in），達到了當時的最高水平。 1952年，麻省理工學院在一臺立式銑床上，裝上了一套試驗性的數(shù)控系統(tǒng)，成功地實現(xiàn)了同時控制三軸的運動。這臺數(shù)控機床被大家稱為世界上第一臺數(shù)控機床。 這臺機床是一臺試驗性機床，到了1954年11月，在派爾遜斯專利的基礎上，第一臺工業(yè)用的數(shù)控機床由美國本迪克斯公司（Bendix-Cooperation）正式生產(chǎn)出來。 在此以后，從1960年開始，其他一些工業(yè)國家，如德國、日本都陸續(xù)開發(fā)、生產(chǎn)及使用了數(shù)控機床。 數(shù)控機床中最初出現(xiàn)并獲得使用的是數(shù)控銑床，因為數(shù)控機床能夠解決普通機床難于勝任的、需要進行輪廓加工的曲線或曲面零件。 然而，由于當時的數(shù)控系統(tǒng)采用的是電子管，體積龐大，功耗高，因此除了在軍事部門使用外，在其他行業(yè)沒有得到推廣使用。 到了1960年以后，點位控制的數(shù)控機床得到了迅速的發(fā)展。因為點位控制的數(shù)控系統(tǒng)比起輪廓控制的數(shù)控系統(tǒng)要簡單得多。因此，數(shù)控銑床、沖床、坐標鏜床大量發(fā)展，據(jù)統(tǒng)計資料表明，到1966年實際使用的約6000臺數(shù)控機床中，85%是點位控制的機床【5】。 數(shù)控機床的發(fā)展中，值得一提的是加工中心。這是一種具有自動換刀裝置的數(shù)控機床，它能實現(xiàn)工件一次裝卡而進行多工序的加工。這種產(chǎn)品最初是在1959年3月，由美國卡耐?;特雷克公司（Keaney&TreckerCorp.）開發(fā)出來的。這種機床在刀庫中裝有絲錐、鉆頭、鉸刀、銑刀等刀具，根據(jù)穿孔帶的指令自動選擇刀具，并通過機械手將刀具裝在主軸上，對工件進行加工。它可縮短機床上零件的裝卸時間和更換刀具的時間。加工中心現(xiàn)在已經(jīng)成為數(shù)控機床中一種非常重要的品種，不僅有立式、臥式等用于箱體零件加工的鏜銑類加工中心，還有用于回轉整體零件加工的車削中心、磨削中心等。 1967年，英國首先把幾臺數(shù)控機床連接成具有柔性的加工系統(tǒng)，這就是所謂的柔性制造系統(tǒng)（FlexibleManufacturingSystem——FMS）之后，美、歐、日等也相繼進行開發(fā)及應用。 1974年以后，隨著微電子技術的迅速發(fā)展，微處理器直接用于數(shù)控機床，使數(shù)控的軟件功能加強，發(fā)展成計算機數(shù)字控制機床（簡稱為CNC機床），進一步推動了數(shù)控機床的普及應用和大力發(fā)展[6]。 80年代，國際上出現(xiàn)了1～4臺加工中心或車削中心為主體，再配上工件自動裝卸和監(jiān)控檢驗裝置的柔性制造單元（FlexibleManufacturingCell——FMC）。這種單元投資少，見效快，既可單獨長時間少人看管運行，也可集成到FMS或更高級的集成制造系統(tǒng)中使用。 目前，F(xiàn)MS也從切削加工向板材冷作、焊接、裝配等領域擴展，從中小批量加工向大批量加工發(fā)展。 所以機床數(shù)控技術，被認為是現(xiàn)代機械自動化的基礎技術。 為了提高機械化自動化程度，1845年，美國的菲奇發(fā)明轉塔車床；1848年，美國又出現(xiàn)回輪車床；1873年，美國的斯潘塞制成一臺單軸自動車床，不久他又制成三軸自動車床；20世紀初出現(xiàn)了由單獨電機驅動的帶有齒輪變速箱的車床【7】。 第一次世界大戰(zhàn)后，由于軍火、汽車和其他機械工業(yè)的需要，各種高效自動車床和專門化車床迅速發(fā)展。為了提高小批量工件的生產(chǎn)率，40年代末，帶液壓仿形裝置的車床得到推廣，與此同時，多刀車床也得到發(fā)展。50年代中，發(fā)展了帶穿孔卡、插銷板和撥碼盤等的程序控制車床。數(shù)控技術于60年代開始用于車床，70年代后得到迅速發(fā)展。 自美國在50年代末搞出世界一臺數(shù)控車床后，機床制造業(yè)就進入了數(shù)控時代，中國在六十年代也搞出了第一代數(shù)控機床，但后來中國進入了什么年代，大家都知道。等80年代我們再去看世界的數(shù)控機床水平，差距就是20年了，其實奮起直追還有希望，但國營工廠不思進取，到了90年代，我們再去看世界水平，已有30年的差距了。中國改革開放前走的是蘇聯(lián)的路子，什么叫蘇聯(lián)的路子，舉個例子來講：比如，生產(chǎn)一根軸，蘇聯(lián)的方式是建一個專用生產(chǎn)線，用多臺專用機床，好處是批量很容易上去，但一旦這根軸的參數(shù)發(fā)生了變化，這條線就報廢了，生產(chǎn)人員也就沒事做了【8】。在1960－1980年代，國營工廠一個產(chǎn)品生產(chǎn)幾十年不變樣。到了1980年代后，當時搞商品經(jīng)濟，這些廠不能迅速適應市場，經(jīng)營就困難了，到了90年代就大量破產(chǎn)，大量職工下崗。現(xiàn)代的生產(chǎn)也有大批量生產(chǎn)，但主要是單件小批量，不管是那種，只要你的設備是數(shù)控的，適應起來就快。專業(yè)機床的路子已經(jīng)到頭了， ;西方走的路和前蘇聯(lián)不一樣，當年的“東芝”事件，就是日本東芝賣給蘇聯(lián)了幾臺五軸聯(lián)動的數(shù)控銑床，讓蘇聯(lián)在潛艇的推進螺旋槳上的制造，上了一個檔次，讓美國的聲納聽不到潛艇聲音了，所以美國要懲處東芝公司。由此也可見，前蘇聯(lián)的機床制造業(yè)也落后了，他們落后，我們就更不用說了。雖然，美國搞出了世界第一臺數(shù)控機床，但數(shù)控機床的發(fā)展，還是要數(shù)德國。德國本來在機械方面就是世界第一，數(shù)控機床無非就是搞機電一體化，機械方面德國已沒問題，剩下的就是電子系統(tǒng)方面，德國的電子系統(tǒng)工業(yè)本來就強大，所以在上世紀六、七十年代，德國就執(zhí)機床界的牛耳了。 1.4 液壓技術 1.4.1 液壓技術的現(xiàn)狀及其發(fā)展 液壓傳動是流體傳動的一種，它是工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中廣為應用的一門技術。如今，流體傳動技術水平的高低已成為一個國家工業(yè)發(fā)展水平的標志【9】。 它的應用非常廣泛，如一般工業(yè)用的塑料加工機械、壓力機械、機床等；行走機械中的工程機械、建筑機械、農(nóng)業(yè)機械、汽車等；鋼鐵工業(yè)中的冶金機械、提升裝置等；土木工程用的防洪閘門即堤壩裝置、河床升降裝置、橋梁操縱機構等；發(fā)電廠用的渦輪機調速機構、核發(fā)電廠等；船舶用的甲板起重機械、船頭門、船尾推進器等；特殊技術用的巨型天線裝置、測量浮標、升降旋轉舞臺等；軍事工業(yè)用的火炮操縱裝置、艦船減搖裝置、飛行器仿真、飛機起落架的收放裝置和方向舵控裝置等。 液壓傳動相對于機械傳動是一門新科學。但對于計算機等新技術，它又是一門較老的技術，如果從17世紀帕斯卡提出靜壓傳遞原理、18世紀英國制成第一臺水壓機算起，液壓傳動已有200多年歷史。只是由于早期沒有成熟的液壓傳動技術和液壓元件，而使它沒有得到普遍的應用。隨著科學技術的不斷發(fā)展，各行各業(yè)對傳動技術有了不斷的需求。特別是在第二次世界大戰(zhàn)期間，有軍事上迫切地需要反應快、重量輕、功率大的各種武器裝備，而液壓傳動技術適應了這一需求，所以使液壓傳動技術獲得了發(fā)展，在戰(zhàn)后的50年代中，液壓傳動技術迅速地轉向其它各個部門，并得到了廣泛的應用【10】。 由于采用集成、疊加、插裝技術，使裝配容易，造價低，比起機械等傳動來，它是一種最為經(jīng)濟的選擇。目前，它分別在實現(xiàn)高壓、高速、大功率、高效率、低噪音、長壽命、高度集成化、小型化與輕量化、一體化和執(zhí)行件柔性化等方面取得了很大的進展。同時，由于與微電子技術的密切配合，實現(xiàn)了智能化和自動化，靜液壓傳動裝置替代了傳統(tǒng)的液力變矩-齒輪箱傳動，能在盡可能小的空間內傳遞盡可能大的功率并加以準確的控制，從而更使得它在各行各業(yè)中發(fā)揮出巨大的作用。 1.4.2 液壓技術的特點 隨著液壓技術的不斷發(fā)展，液壓設備的年增長率遠遠大于其他設備的年增長率，其原因是由于液壓傳動在許多領域是機械等傳動無法取代的。液壓傳動能實現(xiàn)低速大噸位運動；采用適當?shù)墓?jié)流技術可使運動機構的速度十分均勻穩(wěn)定；使用伺服、仿形、調速等機構可使執(zhí)行元件的運動精度達到很高，可以微米計；液壓系統(tǒng)各部分間使用管道連接的，其布局安裝有很大的靈活性，而其體積重量比卻比機械傳動小得多，因此能構成其它方法難以完成的復雜系統(tǒng)；液壓傳動可以用很小功率控制速度、方向；液壓元件體積小，重量輕，標準化程度高，便于集中大批生產(chǎn)【11】。 2 主軸箱液壓平衡系統(tǒng)的總體設計 2 主軸箱液壓平衡系統(tǒng)的總體設計 2.1主軸箱用液壓平衡機構的簡要分析 JCS-013自動換刀數(shù)控鏜銑床主軸箱的平衡，我們采用了液壓平衡系統(tǒng)。經(jīng)過鑒定和生產(chǎn)試驗表明，這種液壓平衡系統(tǒng)工作可靠，速度轉換平穩(wěn)，滿足了機床使用性能的要求。 本機床采用框式動立柱結構，主軸箱位于框架中間，可隨立柱一起作Z向移動;沿立柱導軌作Y向移動，要求定位精度為±0.02毫米/300毫米。為使重量達1100公斤的主軸箱沿Y坐標上下移動驅動力一致，以保證主軸箱工作可靠，定位準確，就需要加配重。用重錘作配重不僅增大體積、重量和占有空間，而且在立柱起動、停止和速度轉換時重錘的慣性對其移動準確性將有較大的影響，因此采用液壓平衡裝置。平衡油缸和主軸箱用鋼絲繩經(jīng)過一個動滑輪、兩個定滑輪連接起來，如圖2.1所示。 圖2.1平衡油缸和主軸箱連接圖 從圖中可知： V主 =2V平 （1） W主=1/2W平 （2）W平=F平·P平 （3）Q平=F平·V平 （4）式中： V主——主軸箱的Y向移動速度（毫米/分）； V平——平衡油缸活塞移動速度（毫米/分）； W主——被平衡的重量（公斤）； W平——平衡油缸產(chǎn)生的平衡力（公斤）； P平——平衡壓力（公斤/厘米2）； F平——平衡油缸工作面積（厘米2）； Q平——平衡油缸需要的流量（厘米3/分）。 從式（1）可以看出：用動滑輪可使平衡油缸活塞行程減小；從式（3）中可以看出：如提高P平，則F平可縮小，即油缸可適當減小。因此，與重錘配種相比，液壓平衡能做到體積小、重量輕、結構緊湊。 本機床對液壓平衡系統(tǒng)有以下要求： a. 主軸箱在Y向上下移動時平衡油缸所產(chǎn)生的平衡力差值越小越好； b.停機后的一定時間內主軸箱要保持平衡，即停泵后的一定時間內系統(tǒng)要保持一定壓力； c.主軸箱定位夾緊后，如果系統(tǒng)能保持平衡壓力，油泵就卸荷；如果系統(tǒng)內壓力降到比平衡壓力低2~4公斤/厘米2時，油泵應供高壓油。 根據(jù)要求，機床主軸箱采用拖動和平衡分開的形式進行控制。 從式（1）可以看出：用動滑輪可使平衡油缸活塞行程減小；從式（3）中可以看出：如提高P平，則F平可縮小，即油缸可適當減小。因此，與重錘配種相比，液壓平衡能做到體積小、重量輕、結構緊湊。 本機床對液壓平衡系統(tǒng)有以下要求： a. 主軸箱在Y向上下移動時平衡油缸所產(chǎn)生的平衡力差值越小越好； b.停機后的一定時間內主軸箱要保持平衡，即停泵后的一定時間內系統(tǒng)要保持一定壓力； c.主軸箱定位夾緊后，如果系統(tǒng)能保持平衡壓力，油泵就卸荷；如果系統(tǒng)內壓力降到比平衡壓力低2~4公斤/厘米2時，油泵應供高壓油。 西安工業(yè)大學北方信息工程學院畢業(yè)設計（論文） 根據(jù)要求，機床主軸箱采用拖動和平衡分開的形式進行控制。平衡系統(tǒng)如圖2所示。 工作原理： 主軸箱向上運動，平衡油缸的活塞向下運動，油缸上腔增大，泵2輸出的高壓油經(jīng)粉末燒結過濾器、電磁閥、紙質過濾器、減壓閥、單向閥、平衡閥中的單向閥進入油缸上腔。主軸箱向下運動，活塞向下運動，油缸上腔減小，油被排出進入平衡閥，關閉單向閥，推開滑閥流回油箱。平衡壓力用減壓閥調節(jié)。 由平衡系統(tǒng)工作原理可看出，系統(tǒng)中起重要作用的是平衡閥，其結構如圖2.2所示。 圖2.2平衡閥裝配圖 平衡油缸進油時高壓油經(jīng)孔P進入平衡閥，從這里一路經(jīng)孔道5進入油腔3，作用在滑閥2的P面上；另一路推開單向閥1，進入油腔7，作用在滑閥2的B面上。油腔3壓力比油腔7壓力高，再加上彈簧4的作用力就把滑閥推向右端，處于關閉狀態(tài)，油經(jīng)A孔，進入平衡油缸。 油缸排油時，排出油經(jīng)P孔進入平衡閥油腔7，關閉單向閥，油無出路壓力升高，克服作用在滑閥2A面上的油壓力和彈簧力將滑閥推向左端，油腔7與回油腔6接通，油經(jīng)O孔流回油箱。 滑閥2推向左端，油腔3縮小，被排出油經(jīng)孔道5、油孔P儲存在蓄能器10中。蓄能器的充氣壓力為工作壓力的70%左右。 確定平衡壓力為34千克力/厘米2。 主軸箱上下移動（即活塞運動）平衡壓力不同，有一個差值ΔP。 ΔP=P平下-P平上 式中：P平下——主軸箱向下移動時平衡壓力； P平上——主軸箱向上移動時平衡壓力； 分析系統(tǒng)可知：ΔP由三部分組成： ΔP=ΔP1+ΔP2+ΔP3 式中： ΔP1——溢流閥3到平衡閥8之間的壓力損失； ΔP2——平衡閥的壓力損失 ΔP2=ΔP21+ΔP22 ΔP21——平衡油缸進油時a點和b點的壓差； ΔP22——平衡油缸排油時b點和a點的壓差； ΔP3——平衡閥到平衡油缸之間管路損失； ΔP3=ΔP31+ΔP32 ΔP31——平衡油缸進油時b點到油缸口之間的管路損失； ΔP32——平衡油缸排油時油缸口到b點之間的管路損失。 ΔP1、ΔP3與主軸箱運動速度V主有關，若V主增加，ΔP1、ΔP3有明顯增加，也就是說，隨著管路中油流速的增加，管路損失（包括局部損失和沿程損失）也增加。ΔP2是由平衡閥本身的性能所決定的，它一方面與閥中兩根彈簧有關，另一方面與閥中油流速和通道彎曲程度有關。 了解主軸箱起動停止過程平衡壓力變化情況。由電感位移計給出主軸箱起動信號。平衡油缸壓力變化通過壓力傳感器，經(jīng)六相應變儀放大，用自動記錄儀同時記錄下主軸箱起動和壓力變化情況。 在主軸箱起動、停止過程中壓力都是平滑上升下降，無超調現(xiàn)象。為使主軸箱上下運動配重變化?。处值小）應做到以下三點： a. 平衡閥出口b孔與平衡油缸進口越接近越好，建議平衡系統(tǒng)聯(lián)結板放在平衡油缸進口處。 b. 在單向閥前加減壓閥，用它保持平衡閥進油口油壓基本不變，減小ΔP1對平衡壓力的影響。 c. 設計平衡閥時要使ΔP2盡可能小。 要使系統(tǒng)能在停機后保持一定壓力，首要條件就是不漏油。在考慮系統(tǒng)時要選用不帶外泄漏孔的元件（為此減壓閥裝在單向閥之前而不能裝在平衡閥之前、單向閥之后），以免外泄漏，但在系統(tǒng)中不可避免有帶內泄漏的元件如平衡閥和平衡油缸，對這些帶內泄漏的元件就應使其內泄漏盡可能小。 油泵卸荷是用壓力繼電器控制的。。 系統(tǒng)對壓力繼電器有以下要求： a. 發(fā)出信號的重復精度要高； b. 不應受外界干擾而給出誤信號； c. 不靈敏區(qū)越小越好。 主軸箱移動部分重量W主=1100千克，平衡油缸活塞直徑D=95毫米，活塞桿直徑d=25毫米，計算得出：V平=1/2V主=2500毫米/分 P平=2W主/F平=2W主/0.25π（D2-d2）≈33.4千克/厘米2 Q平=F平·V平=0.25π（9.52-2.52）×250×1.1≈18000厘米3/分 計算平衡壓力為34千克力/厘米2。 2.2 負載分析 2.2.1工作負載 FL=G=1100×9.8×2N=21582N 2.2.2摩擦負載 靜取靜摩擦系數(shù)fs=0.2，動摩擦系數(shù)fd=0.1 摩擦負載 Ffs=fs×FL=0.2×21582N=4316.4N 動摩擦負載 FFD=fd×FL=0.1×21582N=2158.2N 2.2.3慣性負載 加速 加速制動 反向加速 反向制動 則液壓缸各階段中的負載如表3-1所示（） 表3.1 液壓缸各階段中的負載 工況 計算公式 總負載F/N 缸推力F/N 起動 -17265.6 -15539.04 加速 -19318.2 -17386.38 快上 -19423.8 -17481.42 制動 -19529.4 -17576.46 反向啟動 25898.4 23308.56 反向加速 23832.6 21449.34 快下 23740.2 21366.18 反向制動 23647.8 21283.02 2.3液壓缸主要參數(shù)確定 2.3.1初選液壓缸的工作壓力 壓力的選擇根據(jù)載荷的大小和設備性能而定。還要考慮執(zhí)行元件的裝配空間，經(jīng)濟條件及元件供應情況的限制。在在和一定的情況下，工作壓力低，勢必要加大執(zhí)行元件的機構尺寸。對某些設備來說，尺寸受到限制，從材料消耗角度看也不經(jīng)濟；反之，壓力選的太高，對液壓泵、液壓缸、液壓閥的元件的材質、密封、制造精度也要求很高，必然要提高設備的成本。具體參考表3.2和表3.3 。 表3.2 按載荷選工作壓力 載荷/KN <5 5-10 10-20 20-30 30-50 >50 工作壓力 <0.8-1 1.5-2 2.5-3 3-4 4-5 ≧5 /Mpa 表3.3 各種機械常用的系統(tǒng)工作壓力 機械類型 工作壓力 磨床 0.8-2 組合機床 3-5 龍門刨床 2-8 拉床 8-10 農(nóng)業(yè)機械、小型工程機械、建筑機械 10-18 液壓機、大型挖掘機、重型機械、起重運輸機械 20-32 由表3.2和表3.3可知，本液壓系統(tǒng)的工作載荷在15-26KN，且機械類型是組合機床，初選工作壓力為3Mpa。 2.3.2計算液壓缸的尺寸 鑒于液壓缸快上和快下速度相差不大，且為了防止主軸箱上升或下降過快，故在回油路上設置有背壓，如表3.4 。 表3.4 液壓執(zhí)行件的背壓力 系統(tǒng)類型 背壓力/Mpa 簡單系統(tǒng)和一般輕載節(jié)流調速系統(tǒng) 0.2-0.5 回油帶背壓閥 調整壓力一般0.5-1.5 中低壓系統(tǒng) 回油路設流量調節(jié)閥的進給系統(tǒng)滿載工作時 0.5 設補油泵的閉式系統(tǒng) 0.8-1.5 高壓系統(tǒng) 初算時可忽略不計 根據(jù)表3.4可知，選取背壓力p2=0.5Mpa，則： 則活塞直徑： 取D=95mm。 2.3.3 液壓平衡系統(tǒng) a. 液壓原理圖的分析 圖3.1液壓原理圖 （1） 供油方式 該系統(tǒng)在快上與快下時所需流量較大且比較接近。因此，從降低系統(tǒng)發(fā)熱、節(jié)能角度和提高系統(tǒng)效率來考慮，可采用定量泵來供油的方案。 （2） 壓力控制方式 設計此系統(tǒng)目的是為了保證主軸箱上下移動時來滿足它的穩(wěn)定性，液壓系統(tǒng)的工作壓力必須與所承受的負載相適應，對于定量泵供油的液壓系統(tǒng)，系統(tǒng)壓力采用溢流閥進行控制【12】。 為了使系統(tǒng)中的某部分油路具有較低的穩(wěn)定力，故采用減壓回路。通過定值減壓閥來與主油路相連，并在其出口串聯(lián)一個單向閥，以使高壓主油路的壓力閥快速動作，而低于減壓閥設定壓力時，起到短暫時的保壓作用。 在回路中，采用兩位四通電磁換向閥，以防止電氣系統(tǒng)發(fā)生故障時撥開工件?；钊舷逻\動時，要求液壓缸在其終止時，保持一段時間壓力，故采用蓄能器來保壓，在必要時可作為油源。為了防止垂直放置的液壓缸和與之相連的主軸箱因為自重而自行落下，故采用單向順序閥來使其穩(wěn)定移動。 （3） 速度調節(jié)方式 由于本系統(tǒng)是為了保持主軸箱在上下移動時的穩(wěn)定性，速度變化來源于主軸箱上下移動的速度，故本液壓系統(tǒng)不設計速度調節(jié)裝置。凈化裝置是液壓系統(tǒng)中不可缺少的部分，故在泵的入口與出口分別設置粗、精過濾器，并在溢流閥的出口處設置冷卻器。為了滿足系統(tǒng)壓力的調整與觀測要求，在液壓泵等處設置觀測點。 b. 液壓平衡系統(tǒng)原理分析 如圖3.1所示，平衡機構的液壓系統(tǒng)由油泵11供油，減壓閥8調節(jié)平衡壓力P2，溢流閥10調節(jié)系統(tǒng)壓力P1（比P2一般約高10公斤力/厘米2）。并由蓄能器6和壓力繼電器4.3使主軸箱上下運動，停止時的平衡壓力基本穩(wěn)定。當主軸箱向上運動時，平衡油缸2的活塞向下運動，同時電磁鐵26DT通電，油泵11供給的高壓油經(jīng)換向閥9，減壓閥8，平衡閥5向平衡油缸2上腔補充壓力油。若主軸箱向下運動時，平衡油缸活塞向上運動，平衡閥5中的單向閥和油路系統(tǒng)中的單向閥7關閉，油缸2上腔的壓力油經(jīng)平衡閥5中的滑閥而流回油箱。此時，由于壓力繼電器3使電磁鐵26DT斷電，泵11向系統(tǒng)供給的壓力油換向閥9直接流回油箱。主軸箱停止時，活塞不動。平衡壓力超過34公斤力/厘米2時，壓力繼電器3控制電磁鐵26DT斷電，泵11卸荷，系統(tǒng)控制的平衡壓力由蓄能器6保證。當平衡壓力低于32公斤力/厘米2時，壓力繼電器4控制電磁鐵26DT通電，泵向系統(tǒng)供油，保持平衡壓力基本穩(wěn)定。 2.4平衡液壓缸的設計 2.4.1.液壓缸的組成 液壓缸的結構基本上可以分為缸筒和缸蓋、活塞和活塞桿、密封裝置、緩沖裝置和排氣裝置五個部分，圖4.1所示。 1-活塞桿 2-法蘭蓋 3-缸蓋 4-活塞 5-缸體 圖4.1液壓缸結構圖 a. 缸筒和缸蓋 在設計的過程中，采用何種連接方式主要取決于液壓缸的工作壓力。鋼桶的材料和具體的工作條件。它與缸蓋連接方式常用半環(huán)連接和螺紋連接。采用半環(huán)連接裝拆方便，但鋼桶壁部因開了環(huán)形槽而削弱了強度，為此有時要加厚缸壁。采用螺紋連接時缸筒端部結構復雜，外徑加工時要求保證內外徑同心，裝卸時要使用專用工具。但外形尺寸和重量均較小，常用于無縫鋼管或鑄鋼的缸筒上。基于以上原因，故選用法蘭連接。 b. 活塞和活塞桿 活塞和活塞桿的連接方式很多，但無論采用何種連接方式，都必須保證連接可靠。螺紋式連接結構簡單，方便裝拆，但在高壓大負載下需備有螺母放松裝置。半環(huán)式連接結構較復雜，裝拆不方便，但工作較可靠。此外活塞和活塞桿也有制成整體式結構的，但它只適用于尺寸較小的場合。活塞一般用耐磨鑄鐵制造，活塞桿則不論是空心的還是實心的，大多用鋼料制造【13】。 c. 密封裝置 液壓缸的密封裝置用以防止油液的泄漏。密封裝置設計的好壞對于液壓缸的靜、動態(tài)性能有著重要的影響。一般要求密封裝置應該具有良好的密封性，盡可能長的壽命，制造簡單，拆裝方便，成本低。液壓缸的密封主要指活塞、活塞桿處的動密封和缸蓋處的靜密封。 d. 緩沖裝置 當液壓缸所驅動的工作部件質量較大，移動速度較快時，由于具有的動量較大，致使在形成終了時，活塞與液壓缸的零件發(fā)生撞擊，造成液壓沖擊和噪聲，甚至嚴重影響工作精度和引起整個系統(tǒng)及元件的損壞，為此在大型、高速或較高的液壓缸中往往要設置緩沖裝置。 2.4.2平衡液壓缸的計算 a. 活塞直徑D=95mm和活塞桿直徑d=25mm。 b. 液壓缸缸筒長度L 初步設計L=500mm。液壓缸的缸筒長度由最大工作行程長度決定，缸筒的長度一般最好不超過其內徑的20倍。20D=20×95=1900mm>500mm，故符合缸筒長度要求。 c. 液壓缸蓋固定螺栓直徑 初步確定螺栓數(shù)為6個。液壓缸缸蓋固定螺栓在工作過程中承受拉應力，其直徑可按下式校核 式中，F(xiàn)為平衡液壓缸的負載；z為固定螺栓個數(shù)；k為螺栓擰緊系數(shù)，=s/（1.2~2.5），s為材料屈服點。安全系數(shù)K=1.2，則 ds=10.968mm 故液壓缸蓋固定螺栓直徑ds=12mm。 d 液壓缸壁厚和外徑的計算 液壓缸的壁厚一般是指缸筒結構中最薄處的厚度。從材料力學可知，承受內壓力的圓筒，其內應力分布規(guī)律因厚度不同而各異。一般計算時可分為薄壁圓筒和厚壁圓筒。 液壓缸的內徑D與其厚壁的比值的圓筒稱為薄壁圓筒。 一般用無縫鋼管材料，大多屬于薄壁圓筒結構，其薄壁按薄壁圓筒公式計算 式中為液壓缸壁厚 D為液壓缸內徑 為實驗壓力一般取最大工作壓力的1.25~1.5倍 為缸筒材料的許用應力。其值為； 在中低壓系統(tǒng)中，按上式計算所得液壓缸壁厚往往很小，使缸體剛度不夠容易產(chǎn)生變形，因此一般不做計算，按經(jīng)驗選取，必要時按上式進行校核。 現(xiàn)取液壓缸的壁厚為7mm e. 缸蓋的厚度確定 液壓缸多為平底缸蓋，其有效厚度t按強度要求可用兩式計算。 無孔時 有孔時 式中 t為缸蓋有效厚度 為缸蓋止口內徑 為缸蓋孔的直徑 現(xiàn)取 取缸蓋厚度為8mm，如圖4.2所示。 圖4.2缸體前端蓋 f. 最小導向長度的確定 對一般的液壓缸，最小導向長度H應滿足以下要求 活塞的寬度B一般取B=（0.6~1.0）D 缸蓋滑動支承面的長度，根據(jù)液壓缸內徑D而定 當； 可得mm。 2.4.3平衡液壓缸與主軸箱的連接 由于兩者之間有兩個定滑輪和一個動滑輪，之間用鏈傳動。鏈傳動是以鏈條為中間傳動件的嚙合傳動。按照用途不同，鏈可以分為起重鏈、牽引鏈和傳動鏈三大類。鏈傳動和帶傳動相比，鏈傳動能保持平均傳動比不變；傳動效率高；張緊力小，因此作用在軸上的壓力較?。荒茉诘退僦剌d和高溫條件下及塵土飛揚的不良環(huán)境中工作。和齒輪傳動相比，鏈傳動可用于中心距較大的場合且制造精度低。但鏈傳動只能傳動平行軸之間的同向運動，不能保持恒定的瞬時傳動比，運動平穩(wěn)性差?；谝陨显蜻x擇了鏈傳動，圖4.3所示為主軸箱與平衡液壓缸連接圖。 圖4.3主軸箱與平衡液壓缸連接圖 2.4.4防止雜質侵入 為了防止液壓油被污染，液壓油箱應做成完全密封型的。在結構上應注意以下幾點： (1) 不要將配管簡單地插入液壓油箱，這樣空氣、雜質和水分等便會從其周圍的間隙侵入。同時應盡量避免將液壓泵及馬達直接裝在液壓油箱頂蓋上。 (2) 在接合面上需襯入密封填料、密封膠和液態(tài)密封膠，以保證可靠的氣密性。例如，液壓油箱的上蓋可直接焊上，也可加密封墊（1.5mm厚以上的耐油密封墊）進行密封。 (3) 為保證液壓油箱通大氣并凈化抽吸空氣，需配備空氣濾清器?？諝鉃V清器常設計成既能過濾空氣又能加油的結構。在一般設備中，液壓油箱多采用鋼板焊接的分離式液壓油箱【14】。 2.4.5. 吸油管與回油管 a. 油管出口 回油管的出口形式有直口、斜口、彎管直口、帶擴散器的出口等幾種型式，斜口應用得較多，一般為45°C斜口。為了防止液面波動，可以在回油管出口裝擴散器?；赜凸鼙仨毿D在液面以下，一般距液壓油箱底面的距離大于300mm，回油管出口絕對不允許放在液面以上。 b. 回油集管 單獨設置回油管當然是理想的，但不得已時則應使用回油集管。對溢流閥、順序閥等，應注意合理設計回油集管，不要人為地施以背壓。 c. 泄漏油管的配置 管子直徑和長度要適當，管口應在液面之上，以避免產(chǎn)生背壓。泄漏油管以單獨配管為好，盡量避免與回油管集流配管的方法。 d. 吸油管 吸油管前一般應設置濾油器，其精度為100～200目的網(wǎng)式或線隙式濾油器。濾油器要有足夠的容量，避免阻力太大。濾油器與箱底間的距離就不小于20mm。吸油管應插入液壓油面以下，防止吸油時卷吸空氣或因流入液壓油箱的液壓油攪動油面，致使油中混入氣泡【15】。 e. 吸油管與回油管的方向 為了使油液流動具有方向性，要綜合考慮隔板、吸油管和回油管的配置，盡量把吸油管和回油管用隔板開。為了不使回油管的壓力波動波及吸油管，吸油管及回油管的斜口方向應一致，而不是相對著。 2.4.6液面指示 為觀察液壓油箱內情況，應在箱的側面安裝液面指示計，指示最高，最低油位。液面指示計可選用帶溫度計的。 本實驗采用液位計選擇YWZ-80。如圖4.4所示。 圖4.4液位計 2.4.7. 液壓站的結構設計的注意事項 (1) 液壓裝置中各部件、元件的布置要均勻、便于裝配、調整、維修和使用，并且要適當?shù)刈⒁馔庥^的整齊和美觀。 (2) 液壓泵與電動機可裝在液壓油箱的蓋上，也可裝在液壓油箱之處，主要考慮液壓油箱的大小與剛度。 (3) 在閥類元件的布置中，行程閥的安放位置必須靠近運動部件。手動換向閥的位置必須靠近部位。換向閥之間在留有一定的軸向距離，以便進行手動調整或裝拆電磁鐵。壓力表及其形狀應布置在便于觀察和調整的地方。 (4) 液壓泵與機床相聯(lián)的管道一般都先集中接到機床的中間接頭上，然后再分別通向不同部件的各個執(zhí)行機構中去，這樣做有利于搬運、裝拆和維修。 (5) 硬管應貼地或沿著機床外形壁面敷設。相互平等的管道應保持一定的間隔，并用管夾固定。隨工作部件運動的管道可采用軟管、伸縮管或彈性管。軟管安裝時應避免發(fā)生扭轉，以名影響使用壽命【16】。 綜上所述本試驗臺液壓泵采用立式安裝，液壓泵與電動機采用法蘭式聯(lián)接 正確安裝調試及合理使用維護液壓站，是保證其長期發(fā)揮和保持其良好工作性能的重要條件之一。為此，在液壓站安裝調試中，必須熟悉主機的工況特點及其液壓系統(tǒng)的工作原理與液壓站各組成部分的結構、功能和作用并嚴格按照設計要求來進行：在液壓站使用維護中應對其加強日常維護和管理。 2.4.8. 液壓站的組裝 在組裝液壓站之前，首先應先熟悉有關技術文件和資料，如液壓系統(tǒng)原理圖、液壓控制裝置的集成回路圖、電氣原理圖、液壓站各部件（如液壓油箱、液壓泵組、液壓控制裝置、蓄能器裝置）的總裝圖、管道布置土、液壓元件和附件清單和有關產(chǎn)品樣本等；然后按元件付存清單，準備好有關物資，并對其有關規(guī)格和質量按有關規(guī)定進行細致檢查，加查不合格的元件和清單，不得裝上液壓站【18】。 2.4.9. 濾油器的選擇 濾油器在液壓系統(tǒng)中，濾去外部混入或系統(tǒng)內產(chǎn)生的液壓油中的固體雜質，使得液壓油保持清潔，延長液壓系統(tǒng)的使用壽命保證系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性。濾油器一般分為網(wǎng)式濾油器 線隙式濾油器 紙質濾油器 燒結式濾油器 片式濾油器和磁性濾油器。線隙濾油器一般用于低壓系統(tǒng)中，線隙濾油器一般安裝于回有路或泵吸油口處，以便清洗或換濾芯。這種濾油器阻力小，通流能力大，但不易清洗。網(wǎng)式濾油器裝在液壓泵吸油管路上，用以保護液壓泵，這種泵結構簡單，通油能力強，過濾效率較差。紙質式濾油器用于要求過濾質量高的液壓系統(tǒng)中，過濾效果好，精度高，但易賭塞，無法清洗，需常換紙心。燒結式濾油器用于要求過濾質量高的液壓系統(tǒng)中，能在溫度很高，壓力較大的情況下工作，抗腐蝕性強。片式濾油器用于一般過濾，油流速度不超過0.5-1m/s用于強度大不易磨損，通油能力強，但材料較貴，過濾效果差，易堵塞。磁性濾油器用于吸附鐵削與其他濾油器合用，結構簡單濾清效果好。 本次試驗選用XU-J6*100型線隙濾油器。 2.5.1. 液壓元件的安裝 液壓泵安裝：液壓泵與原動力、液壓馬達與其拖動的主機工作機構間的同軸度偏差應在0.1mm以內，軸線間的傾角不得大于1°；不得用敲擊方式安裝聯(lián)軸器，液壓泵和液壓馬達的旋轉方向及進出油口方向不得接飯。 液壓缸：安裝前應仔細檢查其活塞桿是否彎曲。液壓缸有多種安裝方式，對于底座世或法蘭式液壓缸可通過底座或法蘭前設置擋塊的方法，力求安裝螺釘不直接承受負載，以減小傾覆力矩；對于軸銷式或耳環(huán)式液壓缸，則應使活塞桿頂端的連結頭方向與耳軸方向一致，以保證活塞桿的穩(wěn)定性。行程較長和油溫較高的液壓缸，一端應保持浮動，不補償熱膨脹的影響。 閥類：方向閥一般應保持軸線水平安裝；各油口出的密封圈在安裝后應有一定壓縮量以防泄漏；固定螺釘應均勻擰緊（勿用錘子敲打或強行扳擰），不要擰偏，最后使閥的安裝平面與底板或油路塊安裝平面全部接觸【19】。 附件：應嚴格按照設計要求的位置安裝，并注意便于使用、維護和調整；同時注意在符合設計要求情況下，保持整齊、美觀。例如，壓力表應裝在振動較小、易觀測處；蓄能器應安裝在易用氣瓶充氣的地方；過濾器應盡量安裝在易于拆卸、檢查的位置；冷卻器注意水質、水量、水溫及冷卻水結冰等問題，等等。 3 液壓站的使用與檢查 3 液壓站的使用與檢查 3.1使用的一般注意事項 液壓站使用中的注意事項如下： (1) 低溫下，油溫應達到20°C以上才準許順序動作；油溫高于60°C時應注意系統(tǒng)的工作情況。 [15] (2) 停機4h以上的設備，應先使液壓泵空載運轉5min，再起動執(zhí)行器工作。 (3) 不許任意調整電氣控制裝置系統(tǒng)的互鎖裝置，隨意移動各限位開關、擋塊、行程撞塊的位置。 (4) 各種液壓元、輔件未經(jīng)主管部門同意，不準私自調節(jié)或拆換。 (5) 液壓站出現(xiàn)故障時，不準擅自亂動，應通知有關部門分析原因并排除。 除上述幾點外，還應按有關規(guī)定做好對各類液壓件備件及液壓油的管理工作【20】。 3.2 檢查 液壓系統(tǒng)種類繁雜，各有其特定用途和使用要求。為了及時了解和掌握液壓站和整個系統(tǒng)的運行狀況，消除故障隱患，縮短維修周期，通常應采用點檢和定檢的方法對系統(tǒng)進行檢查【21】。 4 結 論 4 結 論 本設計主要完成了以下內容 1．介紹了數(shù)控機床及其數(shù)控鏜銑床的發(fā)展狀況及發(fā)展趨勢； 2．對平衡液壓缸與主軸箱的連接進行了設計； 3．對數(shù)控鏜銑床主軸箱的液壓平衡系統(tǒng)性能進行了分析，并對其進行設計，使其能夠滿足主軸箱在上下移動時保持穩(wěn)定的功能； 4．對液壓平衡系統(tǒng)的平衡液壓缸結構進行了設計，進行了受力分析和計算，并且對液壓缸主要元件進行了強度校核，滿足強度要求。 31 參考文獻 參考文獻 [1] 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