高速高精密數控車床液壓系統(tǒng)設計含4張CAD圖

高速高精密數控車床液壓系統(tǒng)設計含4張CAD圖,高速,精密,數控車床,液壓,系統(tǒng),設計,cad 附錄一 外文翻譯 考慮液壓系統(tǒng)設計時基于控制帶寬擴展的Stewart平臺優(yōu)化設計 摘要：針對大型液壓斯圖爾特平臺的控制，提出了一種擴展帶寬的優(yōu)化設計方法。該方法以廣義固有頻率為基礎，考慮了液壓油。提出一種考慮整個支架慣性的拉格朗日公式，以獲得精確的等效質量矩陣。利用該模型研究了支架慣性的影響以及設計參數對廣義固有頻率的影響。最后，通過數值舉例提出了驗證并確認了數學模型的有效性。結果表明，支架慣性，特別是活塞部分在動力學中起著重要作用。底座與運動平臺的最佳直徑比在2～3之間，底座與運動平臺的最佳關節(jié)角比約為1。較小的關節(jié)角度和較長的支架行程有利于提高系統(tǒng)頻率。對具有良好動態(tài)性能要求的大型平臺系統(tǒng)油應進行預處理。 關鍵詞：大型Goop-StoWar平臺，優(yōu)化設計，控制帶寬，慣性慣量廣義固有頻率 引言 與串聯機械人相比，并聯機器人具有較高的剛度以及較好的定位精度和承載能力等優(yōu)點。因此并聯機器人已被廣泛應用于各種場合。六自由度平臺（6-DOF）由Gough（Gough，1956~1957）于1947年首次提出，后來被Stewart使用于他的飛行模擬器上。在二十世紀七十年代后期，Gouth-Stewart平臺被建議作為并聯機器人使用（Hunt，1978）。 在并聯機器人的設計過程中，優(yōu)化設計是一項重要而富有挑戰(zhàn)性的工作。（Merlet，2002）。涉及兩個問題：性能評估與綜合推理。綜合推理對于確定設計參數很重要。 并聯機器人的性能很大程度上取決于它們的幾何形狀和如此多關于優(yōu)化的研究都集中于對工作空間相關的標準(Kumar, 1992)。其他的研究人員選擇了優(yōu)化的機械手的結構剛度（Bhattacharya et al.，1995），與串聯結構相比，這是并聯的主要優(yōu)點之一。此外，一些研究集中于與可操作性相關的優(yōu)化目標（米勒，2004），靈巧性（Pattens和PodoHooDrKi，1993），有效載荷（高E/AL，1997）。調理指數（GeSelin和Angeles，1991）或ACCU-RACY（Ryu和CHA，2001）。在優(yōu)化設計中同時考慮這些要求（AssiaOutt和布德羅，2006）。不同的方法已被用來解決優(yōu)化設計問題，包括成本函數法，區(qū)間分析（郝和MeLet，2005）和其他（Zhang andGosselin，2002：婁EF，2003：SMALILI等）。2005）。很少有優(yōu)化研究考慮到控制問題。希勒和Sundar（以路徑的運動時間作為優(yōu)化的代價）。哈提卜和鮑林（1996）研究了機械手設計中增加動力性能的問題，其特點是末端效應器的慣性和加速度特性，然而，在應用中需要高度精確的定位和良好的動態(tài)性能（例如，大飛行）。模擬器的控制是復雜的、困難的。總的來說，液壓執(zhí)行器的控制比它們的電動執(zhí)行器更具有挑戰(zhàn)性，因為它們表現出顯著的非線性行為。非線性流動/壓力特性、截留流體體積對活塞運動的影響、流體壓縮性、流動力以及它們對池位置和摩擦的影響等因素都有助于顯著的非線性行為。這將影響實際控制帶寬，一般小于自然頻率的一半。擴大控制帶寬。在設計中必須考慮自然頻率特性。在這項研究中，基于廣義固有頻率進行了優(yōu)化，以擴大帶寬控制的大型液壓Stewart平臺，考慮到液壓系統(tǒng)。建立了考慮全腿慣性的拉格朗日公式，得到了交流等效質量矩陣。亞當斯模型驗證了數學模型的有效性，研究了腿慣性對動力學的影響。最后，利用數學模型研究了設計參數和油膜模量對廣義固有頻率的影響。 拉格朗日公式 斯圖爾特平臺的動力學是非常重要的。已經提出了幾種方法用于斯圖爾特平臺的動態(tài)分析，包括牛頓-歐拉公式、拉格朗日公式和凱恩公式。該優(yōu)化研究的目的是利用基于廣義自然頻率的方法來擴展控制帶寬。拉格朗日法是獲得等效質量矩陣的直接方法。許多前人的研究（C，G，LeBrt等人，1993；Wang，2001）的動力學分析都是基于簡化的模型，假設斯圖爾特平臺的每一條腿都可以被集中在腿質量集中的腿部中心呈現。因此，腿的動能只包括其質心上的平移運動，忽略了旋轉運動以保證精度，本文考慮了整個腿部慣性。腿被分解成兩部分：固定部分（到底座）和運動部分（活塞部分）。積分法用于計算能量，包括所有的轉動和轉動能。 運動學 圖I所示的斯圖爾特平臺是由液壓驅動的。 圖1液壓gough-stewart平臺 設IJK和ijk為坐標O-XYZ和B-X/Y Z的單位向量；腿部坐標系B，XY，Z的起源是B，.X軸指向P，y軸平行于向量I和-/的叉積。B-X:Y／2的Z軸由右手規(guī)則定義，變換矩陣R，從腿部坐標到基座坐標可以得到Irpangand Shann貧窮（1994），使旋轉矩陣由滾動間距和偏航角定義，即G軸的X軸旋轉，其次是A。關于Y軸的W的旋轉和關于Z軸的第0條腿的長度的旋轉是由下式得出 其中D是雅可比矩陣； 活塞部分 坐標系中的第i支腿的速度矢量可以寫為 其中Ln= d（i，1），L，＝D（2）L＝D（i，3）{XPYZP是20中的運動平臺中心坐標，FXU Yu-ZUT是OP中的上關節(jié)坐標；AAA是圖2中的旋轉矩陣AW= R（Y，R）R（Z，0）R（9），粒子D/的坐標可以從（4）中獲得 其中Li是DLi之間的長度；和第i個上關節(jié)，M；是第20個基本的關節(jié)坐標IIR，Y z是第20個關節(jié)的坐標，第20個活塞的總動能為20。 第i活塞的總動能為。 其中P= MI/LIS，MPIS是活塞質量，LPI是活塞長度。 其中P= MI/LIS，MPIS是活塞質量，LPI是活塞長度。 圖3液壓斯圖爾特平臺腿 缸體零件 圓柱體部分只有旋轉能量。第四圓柱部分的角速度矢量由下式得出 上接頭的速度可以寫成 其中n是沿第i分支的單位向量。 不允許繞腿軸線旋轉，以EQ（7）的叉積為單位，圓柱部件的角速度可以被寫為 因此活塞的總動能為 其中是在B-CORDIDENT系統(tǒng)中表示的B的質量矩慣量。 移動平臺 運動平臺的運動計算為： 當其是30的運動平臺的慣性矩陣時，M是運動物體的3x3質量對角矩陣。 拉格朗日公式 移動平臺的勢能可以寫成 腿部勢能是 在MEYL是圓柱體質量的情況下，DPIS是活塞質心與對應的上關節(jié)之間的距離，DE是圓柱體質心與相應的基關節(jié)之間的距離，X是坐標系30中的上關節(jié)X坐標。 利用虛功原理和拉格朗日方程，將液壓驅動力矢量寫成 其中k是總動能，p是總勢能，FET是廣義的廣義力矢量。 基于廣義固有頻率的優(yōu)化方法 中的等慣量矩陣 從EQS（5）、（10）和（11），CRTL矩陣中的等價物是 其中是半徑、 廣義固有頻率 斯圖爾特平臺是由液壓驅動的。假定機械部分是剛性的，液壓油可以像ASP一樣被壓縮。定義了液壓彈簧的剛度。 其中B是油的體積模量，N/M；A和A活塞側和端面?zhèn)鹊挠行寗用娣e分別為m和yoAl和Voiz，分別為活塞側和側邊m的等效油體積；在YoAl和OIZ中考慮輔助管內的油量； 根據虛擬工作原理，它遵循 6自由度的廣義固有頻率向量由下式給出 優(yōu)化方案 對于大型液壓斯圖爾特平臺，鍵槽在整個工作空間中是最低的固有頻率，當所有的致動器處于中程時，鍵槽是廣義的固有頻率。這種設計的目的是獲得最高的頻率，并確保當所有的致動器處于其中間行程時，盡可能接近固有頻率。液壓系統(tǒng)應考慮液壓系統(tǒng)的穩(wěn)定性。這將在細節(jié)上進行詳細說明，在最后一節(jié)中，許多優(yōu)化研究都是基于成本函數的。權值的確定是很重要的，但很難確定，這基本上是經驗確定的，這項工作不是建立在成本函數的基礎上的。優(yōu)化的步驟如下 第1步：選擇一組初始的設計參數可以從工作空間中大致確定，在一定的速度狀態(tài)下期望的線性和角加速度。 第2步：確定每個設計參數的范圍并獲得其效果的圖形化結果。 第3步：從步驟2中選擇一組新的設計參數，并獲得任務頻率。如果不滿意，改變設計參數并返回到步驟2。 步驟4：考慮液壓系統(tǒng)設計，系統(tǒng)油可預處理（靳等，2007），以提高油體積模量，如果必要的話。 第5步：工作區(qū)驗證和其他要求的檢查 本文針對一組相鄰或對稱的構型，提出了一種更適合設計的設計參數，并與液壓系統(tǒng)的控制和設計有關。 斯圖爾特平臺的設計參數如表1所示。 在表I和EQ（15）的基礎上，對當前等效慣性矩陣與傳統(tǒng)矩陣（假設斯圖爾特平臺的每一個腿由質量集中的腿質量中心表示）的比較，在平臺處于相同位置時進行比較。結果顯示如下兩個矩陣（單位：kg） 前者是當前的慣性矩陣，后者是傳統(tǒng)的慣性矩陣。與傳統(tǒng)慣性矩陣相比，只考慮了腿慣性的平移部分。電流矩陣考慮總的轉動慣量，包括旋轉部分。 腿慣性對動態(tài)驅動力有一定的影響。當前和傳統(tǒng)模型可以進行比較，如下。 在圖4中，運動平臺沿Z軸水平運動，正弦運動（100SiN（AT）mm），而其他速度和加速度保持為零。曲線n-1 n-2和n-3。利用現有的慣性矩陣模型，用傳統(tǒng)的模型只包含平移部分的結果，得到了O-1、O-2和O-3的曲線。 從以上分析可以看出，腿的活塞部分在動力學中起著重要的作用，整個模型中的轉動慣量在模型中不可忽視。 基于自然頻率的參數優(yōu)化 頻率驗證 對于一個大斯圖爾特平臺，具有高精度定位和良好的動態(tài)性能要求，當所有的執(zhí)行器處于中程時，總工作空間中的最低固有頻率和廣義固有頻率。是關鍵頻率。當所有致動器處于沖程時，平臺的動態(tài)性能是最大的，而斯圖爾特平臺經常在該位置工作。 圖中示出了腿質量檢測平臺的比率（R）和圓柱體質量Topiston的比率（R2）的影響。5和6（在圖5-8、10、II3和15中，曲線1-4代表六個頻率，當所有致動器處于中沖程和曲線5代表工作空間中的最低頻率）N圖。5和6，關鍵頻率隨著質量比的增加而減小。然而，它們與比值R呈線性關系，頻率隨時間的增加而減小，且僅隨著R2的增加而略有下降?？梢钥闯觯|量比R的影響是什么？腿慣性比R小，主要是在氣缸部件上設計。 圖7中示出了基座與運動平臺直徑比的影響，并介紹了六個中沖程頻率的三個評價指標：平均算術無偏方差和最大最大頻率比。其目的是獲得更高的平均算術值。低無偏方差與最大-最小頻率的低比值. 圖7和圖8表明直徑的影響是高度非線性的。工作空間（曲線5）的最低頻率達到峰值（12），當直徑比約為2.2時，曲線4的最高點（18 Hz）在比率為2時出現。8。當直徑比為3時，特別是對于四個較低的頻率，所有的工作頻率都迅速降低。 圖9顯示了直徑比對評價指標的影響。最佳直徑比為2.0~3.0或4.0～5.0?？紤]工作空間中的最低頻率（圖8），2和3之間的直徑為最好的 圖中示出了基礎接頭接頭角度比的影響。10-12 從圖中。10-12，角度對自然頻率和評價指標的影響是在上關節(jié)角上線性增加的，角度角使三個最高頻率（曲線I和2）略有增加，但降低了其他三個頻率（曲線3, 4和5）。 圖12清楚地表明，較小的角度等于較高的算術平均值和較低的偏差方差。最大最大頻率的比值保持穩(wěn)定。因此，較小的關節(jié)角度和角度比有利于提高任務頻率。對于所有的工作頻 率，基礎接頭角度與上部接頭的比值最好在1左右。 腿部中風的影響如圖13和14 所示。 可以看出，腿部中風影響最遠的頻率比中中風頻率。較長的腿行程有利于提高總工作空間中的最低頻率，同時犧牲其他要求。 從EQ（16），油模量的影響與有效驅動面積相同（油體積與每個驅動面積成比例）。這兩種方法都有利于提高所有頻率的模擬效果。然而，有效驅動面積的增加可能增加液壓設計的難度（泄漏、摩擦和系統(tǒng)流量供應），并且系統(tǒng)質量將增加。 圖15和16顯示了油膜模量的變化。較高的油體模量有利于提高所有的目標頻率。實際有效油體積模量約為7.0x10n/m。在一些真空抽氣裝置（Jin等人，2007）中，液壓油的體積模量可以提高1.0x10N/m以上，因此，如果需要，可以對油進行預處理。這是一種比增加駕駛面積更合適的方法。 結論 提出了一種基于廣義固有頻率的優(yōu)化設計方法，旨在擴大大型液壓斯圖爾特平臺的控制帶寬。還考慮了液壓系統(tǒng)。亞當斯模型驗證和確認了當前模型的效率。給出了數值結果，得出了如下結論 （1） 腿的活塞部分比氣缸部分起著更為重要的作用，整個腿的骨架應考慮到大的平臺。此外，腿質量對上平臺質量的影響比氣缸質量對活塞質量的影響更為重要。 （2） 基礎與平臺的最佳直徑比在2～3之間。 （3） 基礎節(jié)點與上部節(jié)點的小關節(jié)角和小角比有利于提高塔架頻率。關節(jié)角比最好在I左右 （4） 較長的腿行程有利于提高總工作空間中的最低頻率。. （5） 油壓模量的影響與有效驅動面積的大小相同，為提高傳動比提供了更有效的方法。 這種優(yōu)化方法可以與其它要求一起使用。這是一種獲得高帶寬的液壓斯圖爾特平臺的有效方法，適用于其它液壓并聯機械手的優(yōu)化設計。  附錄二 外文全文         一、選題依據 1、研究領域 機械制造及自動化——流體傳動與控制 2、論文（設計）工作的理論意義和應用價值 數控車床是傳統(tǒng)機械加工技術與電子信息技術相結合的產物，集機械、電氣、液壓、氣動、微電子與信息等多項技術為一體，是機械制造設備中具有高精度、高效率、高度自動化和高柔性化等優(yōu)點的母機。目前隨著各種結構復雜、尺寸龐大、超薄以及高加工精度的零件在機械設備中的廣泛應用，普通的數控車床已經不能滿足這些零件的加工需求，并且由于其效率也遠低于高速數控車床，因此高速數控車床的到了快速發(fā)展。 高速高精密數控車床的存在可以大大的提高產品的生產效率，節(jié)約生產成本，減少大量的勞動力，對產品的質量也會有更好的保證。 由于液壓傳動具有輸出力大、重量輕、慣性小、調速方便和便于控制等優(yōu)點， 在提高并完成數控車床的性能方面發(fā)揮著無法替代的作用，因此我們此次為本車床進行液壓系統(tǒng)的設計具有較高的實用價值。 目前的社會都在向著機械化發(fā)展，大量的機械產品被應用到了很多的領域， 隨著工業(yè)技術的發(fā)展，數控車床液壓系統(tǒng)的應用也非常的廣泛，尤其是在東北老工業(yè)基地的改造，大力發(fā)展制造業(yè)，更加顯示出了這門技術的重要。對其應用我們從以前的懵懂變成了如今的了解，這使我們可以更加準確的使用它，從而發(fā)揮出它更多的價值來推動我們社會的發(fā)展。 3、目前研究的概況和發(fā)展趨勢 高速高精度加工是從 20 世紀 60 年代起開始發(fā)展的機械加工行業(yè)的新工藝， 它與傳統(tǒng)的加工方法最大的不同便是綜合應用了機械發(fā)展的新成就，是機電一體化智慧的結晶。提高加工精和加工效率是機械加工者永恒追求的目標。隨著用戶對設備的高效率、多功能、高性能和低成本的需求越來越迫切，促進了數控機床朝向高速高精度化、高效化等方向的發(fā)展，并且已然成為目前數控車床發(fā)展的基本趨勢。 根據國際數控機床產業(yè)的發(fā)展趨勢，結合“十一五”我國國民經濟發(fā)展的實際要求，使得“十一五”我國數控機床產業(yè)發(fā)展的重點是大型、高速高精的數控裝備和數控系統(tǒng)及部件。以此來改變這些高速高精數控機床大部分仍依賴國外進 8 口的現狀，滿足我國機械、航空航天、軍工等工業(yè)發(fā)展的需求。 高速高精密數控車床液壓系統(tǒng)目前還處在發(fā)展階段，仍然有許多地方都需要完善。我們應該從多角度去了解高速高精密數控車床液壓系統(tǒng)，使得它能夠在一個較為穩(wěn)定的軌道上發(fā)展，少走彎路，使它的各方面的應用可以為我們創(chuàng)造出更多的價值。 二、論文（設計）研究的內容 1.重點解決的問題 高速高精密數控車床液壓系統(tǒng)設計 2.擬開展研究的幾個主要方面（論文寫作大綱或設計思路） （1）根據用戶加工需求，制定切實可行的方案、突出多功能特點； （2）工作臺進給控制系統(tǒng)液壓系統(tǒng)； （3）進行運動參數設計； （4）結構設計，要求繪制機床總圖、主軸部件圖、工件臺部件圖及部分零件圖， 總圖紙量為三張以上0號圖； （5）對車床個部分進行校核，完善設計； （6）總結完成的所有工作，并對本設計的應用前景及下一步深入工作進行展望。 3.本論文（設計）預期取得的成果 （1）根據車床動作需求，確定液壓傳動系統(tǒng)設計方案。 （2）進行參數設計，液壓系統(tǒng)圖設計。 （3）繪制泵站、集成系統(tǒng)的設計圖，部件圖及零件圖。 （4）對系統(tǒng)性能進行必要的校核。 （5）考慮計算機輔助設計方案。 （6）編寫設計說明書一份。 三、論文（設計）工作安排 1.擬采用的主要研究方法（技術路線或設計參數）； 擬采用文獻研究法。文獻研究法是根據一定的課題，通過調查、閱讀文獻來獲得資料，從而可以正確并全面的了解以及掌握所要研究問題的一種方法。通過廣泛閱讀相關文獻，了解國內外高速高精密數控車床應用及發(fā)展現狀以及構造、原理、設計思路等。 本數控車床采用斜床身設計，傾斜角度為 45°。加工零件最大直徑為 200mm， 長 500mm，主軸最大轉速為 5000r/min，加工精度可達 IT5，表面粗糙度 Ra1.6~0.8 μm。 2.論文（設計）進度計劃 第 1 周 布置題目，進行題目調研，查找相關文獻第 2 周 開始撰寫開題報告，進行外文文獻的翻譯第 3 周 與指導教師溝通，完成開題報告初稿， 第 4 周 進行開題答辯。 第 5 周 在充分調查的基礎上進行課題的方案設計， 第 6 周 繼續(xù)探討合理的設計方案 第 7 周 進行課題的整體設計，繪制設計總圖第 8 周 進行液壓系統(tǒng)設計，繪制液壓系統(tǒng)圖 第 9 周 進行液壓系統(tǒng)參數設計，繪制液壓部件及零件圖第 10 周 選擇液壓系統(tǒng)元件 第 11 周 進行液壓系統(tǒng)性評估計算第 12 周 開始進行設計說明書的撰寫第 13 周 完成設計說明書的撰寫 第 14 周 制作答辯文件，準備畢業(yè)答辯 四、需要閱讀的參考文獻 [1] 陳麗, 吳海, 劉長有. 數控機床高速高精度化的實現方法及發(fā)展趨勢[J]. 沈陽工業(yè)大學學報, 2003, 25(6):459-462. 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The development of high speed and high precision CNC lathes and the combination with hydraulic technology are introduced. At the same time, the application field and development status of high speed and high precision CNC lathe in China are expounded, and the development trend in the future is discussed. After analyzing the structure of the lathe, the main working parameters of the main components are selected through calculation. According to the functional requirements of the machine tool, the design scheme of the hydraulic system is determined. The hydraulic system was optimized, the principle diagram was drawn, the hydraulic components were selected and some parts of the system were designed. Finally, the design is checked to ensure that the design can achieve the desired results in practical work. Key words: CNC machine tools; high speed and high precision CNC lathe; hydraulic system; AutoCAD  目錄 摘要 I ABSTRACT II 1.緒論 1 1.1 高速高精密數控車床發(fā)展歷史及趨勢 1 1.2 高速高精密數控車床的應用領域 2 1.3 我國高速高精密數控車床的現狀和發(fā)展方向 3 1.4 本文主要研究的內容和目標 4 1.4.1 重點解決的問題 4 1.4.2 擬開展研究的幾個主要方面（論文寫作大綱或設計思路） 4 1.4.3 本論文（設計）預期取得的成果 5 2.高速高精密數控車床分析和液壓系統(tǒng)的要求 6 2.1 高速高精密數控車床總體結構及參數 6 2.2 液壓卡盤 7 2.3 液壓刀塔 7 2.4 自動尾架 8 2.5 車床機械主軸單元的軸承布置結構 8 2.6 機床底座外形布置 8 2.7 液壓控制系統(tǒng) 10 2.8 電控系統(tǒng) 10 2.9 本章小結 11 3.高速高精密數控車床液壓系統(tǒng)設計 12 3.1 數控車床對液壓系統(tǒng)的要求 12 3.2 液壓系統(tǒng)方案選擇 12 3.3 工作臺進給缸的設計計算 13 3.3.1 工作臺進給缸的負載分析和速度計算 13 3.3.2 確定液壓缸的主要參數 15 3.3.3 確定液壓缸在工作循環(huán)各階段的流量 17 3.3.4 計算液壓缸在工作循環(huán)各階段的壓力、流量和功率 18 3.4 夾緊缸的設計計算 20 3.4.1 確定液壓缸的主要參數 20 3.4.2 確定液壓缸在工作循環(huán)各階段的流量 22 3.5 尾架頂緊缸的設計計算 23 3.5.1 確定液壓缸的主要參數 23 3.5.2 確定液壓缸在工作循環(huán)各階段的流量 25 4.制定液壓回路方案，擬定液壓系統(tǒng)原理圖。 29 4.1 制定液壓回路方案 29 4.1.1 油源形式及壓力控制 29 4.1.2 調速回路 29 4.1.3 方向控制回路 30 4.1.4 壓力控制回路 32 4.1.5 輔助回路 32 5.選擇液壓元件 35 5.1 確定液壓泵的容量以及電動機的功率 35 5.1.1液壓泵的確定 35 5.1.2 確定驅動電機功率 35 5.1.3高速高精密數控車床液壓系統(tǒng)液壓元件的選擇 36 6.液壓系統(tǒng)油液溫升驗算 38 7.結論 39 參考文獻 40 附錄一 外文翻譯 41 附錄二 外文全文 51 致謝 61 VI 高速高精密數控車床液壓系統(tǒng)設計 1.緒論 數控車床是普通車床經過多年發(fā)展的產物，它巧妙地將電子信息技術與傳統(tǒng)的加工技術結合在一起，將氣動、機械、微電子、液壓、電氣、和信息技術集成在一起。該機床具備精度高、效率高、自動化水平高、機械制造設備靈活性高等長處。隨著各種結構復雜、尺寸大、超薄、加工精度高的零件的廣泛應用，普通數控車床已不能滿足這些零件的加工要求。并且由于高速數控車床效率也遠高于普通數控車床，更好的契合工廠的需求，因此高速數控車床的發(fā)展速度越來噢快。 1.1 高速高精密數控車床發(fā)展歷史及趨勢 高精度加工是從上世紀六十年代發(fā)展起來的一種工藝，其作為一種全新的機械加工工藝在許多特點上都與傳統(tǒng)的加工方法有著巨大的差別。該技術是機械加工在發(fā)展之路上綜合應用的新產物，其最大的特點便是將現代電子技術、測量技術、計算機等新技術融入到傳統(tǒng)加工方法中。它是人們在機電一體化研究路上智慧的結晶。長久以來，機械行業(yè)加工者一直想方設法不斷地努力提高機床加工技術精度與效率。也正因如此，各種復雜的加工零件對數控系統(tǒng)的要求也越來越苛刻，其中尤以模具行業(yè)的復雜零件以及航空航天領域的高速高精度的加工最為突出。 學術界和工業(yè)界等因高速高精密加工技術發(fā)展過于迅速，對它有著極高的關注度與肯定。同時，數控加工設備和高性能刀具技術也在與時俱進，而作為高速高精技術的重點之一，高速高精度技術也與它們一同發(fā)展著。高速高精密數控機床的進給驅動主要分為兩種技術。一種是出現時間較早，較為成熟的 “旋轉伺服電機和精密高速滾珠絲杠”技術。另一種為最近才出現，還不夠成熟的新技術“直線電機直接驅動”技術。 滾珠絲杠因其出現時間較早，歷經多年發(fā)展已經趨于成熟、適應各種工作環(huán)境而被絕大部分廠商使用。不僅可以達到極高的精度（ISO3408A級），而且完成機床高速的成本也較為低廉。即使在各種新技術層出不窮的今天，許多高速機床仍然在使用這一技術。目前，雖然使用滾珠絲杠驅動的高速機床的最大速度已經可達到到90m／min，加速度為1.5 g。但仍然由于是機械傳動的原因，伺服電機和運動部件之間不可避免的有許許多多的機械部件。而由于機械部件的特性，必然有著彈性變形、摩擦和反向間隙這一系列不可避免的干擾。而這些干擾會引起運動滯后和其它非線性誤差。目前，滾珠絲杠副的運動速度和加速度都在隨著技術的發(fā)展不斷地提高著，仍然具有巨大的發(fā)展空間，尚未達到極限。 自1993直線電機直接驅動這一技術出現以來，它就開始在機床進給中得到良好地使用。它是一種較為理想的高速、高精度機床驅動方式，尤其在大型機床這一領域內。目前，使用直線電機技術進行驅動的高速高精加工機床的最大速度可以達到208m／min，加速度可達2g（MZAK HMCF3-660L加工中心的水平），但是這也不是它的極限，隨著技術的不斷發(fā)展，它也具有更多的發(fā)展空間和機會。 直線電機直接驅動技術較傳統(tǒng)技術有著許多的優(yōu)點，如：1.高剛度。直線電機可直接連接于負載之上，無任何間隙，而因此具有較高的動剛度。2.更寬的速度范圍?，F代電機技術經不斷發(fā)展更易于實現寬調速，調速范圍可達1∶10000。例如，科爾摩根公司DDL永磁直線電機的速度比5m/s快，并且具有1 m/s的低速3.這一技術加速度特性優(yōu)良，也具有很小的運動慣量、更優(yōu)秀的動態(tài)響應性能。4.操作平穩(wěn)，定位精度高（基本上取決于位置反饋檢測元件）。5.沒有旅行限制。該模塊結構可用于滿足不同的行駛要求。直線電機直接驅動消除了所有的中間機械傳動，從根本上減少了機械磨損和傳動誤差，減少了維護工作。6.跟蹤誤差小，能在高速下獲得良好的定位精度。直線電機的直接驅動正好彌補了滾珠絲杠傳動的不足。與滾珠絲杠傳動相比，其轉速增加30倍，加速度增加10倍，最大10g，剛性增加7倍，最高響應頻率為100Hz。 直線電機直接驅動存在一些缺點和問題。除了控制困難（中間沒有緩沖環(huán)節(jié)和存在的末端效應）外，外圍磁干擾也有較強的磁場，影響滾動導向副的壽命，給芯片的拆卸、裝配和維護帶來了困難。VER和散熱條件差。要解決機床零件的散熱、磁力隔離、充分的推力、自鎖和輕量化等問題，才能在機床上實際使用。同時，高成本也影響了其推廣應用。目前，這些問題已經得到不同程度的解決，越來越多的用戶正在使用。交流直線伺服電機也有感應式（異步）和同步型兩種。同步型（次級為永久磁鋼）具有效率高、推力密度高、可控性好等優(yōu)點。雖然對磁性防塵和組裝困難的要求很高，但已成為機床用直線電機的主流。例如，由美國英格索爾車床公司生產的HVM800高速臥式加工中心，X、Y、Z三軸均采用永磁同步直線伺服電機，最大進給速度可達到762M/min，最大加速度為1。5g。 在高速高精加工機床領域，直線電機驅動和滾珠絲杠傳動可能會共存很長時間，但總的趨勢是直線電機傳動的比例會越來越大，它將成為進給傳動的主流。未來。目前世界著名的機床制造商，如日本馬扎克和韓國大宇公司，以滾珠絲杠驅動著稱，推出了直線電機驅動的機床。許許多多的跡象都在表明，越來越多的直線電機驅動被應用在了高速高精密數控車床上，這將會是未來發(fā)展的趨勢。 1.2 高速高精密數控車床的應用領域 綜合我國經濟發(fā)展的主要需求以及全球數控機床產業(yè)發(fā)展進行綜合考慮，可以總結出我國數控機床產業(yè)的不足，并據此決定重點發(fā)展方向，即將大型、精密、高速數控裝備中的重要組件：數控系統(tǒng)及功能部件作為發(fā)展重點，改變大型、高精度數控機床國內無法大批量高水準生產，主要依賴進口的現狀，解決我國各尖端工業(yè)的發(fā)展問題。 高速高精密數控車床應用領域: 航天領域 航空領域 精密儀器制造 精密儀表制造 電子信息領域 生物工程產業(yè) 模具行業(yè) 1.3 我國高速高精密數控車床的現狀和發(fā)展方向 如前文所述，將我國國民經濟穩(wěn)定發(fā)展的主要要求以及全球數控機床產業(yè)發(fā)展相結合，可以得出數控機床產業(yè)的重點發(fā)展方向為:大力發(fā)展大型、精密、高速數控裝備的重要部件——數控系統(tǒng)及功能部件，改變大型、高精度數控機床國內無法大批量高順準生產，主要依賴進口的現狀，解決我國各尖端工業(yè)的發(fā)展問題。 而這其中最為重要的便是關鍵功能部件和數控系統(tǒng)，將他們作為主要發(fā)展目標，從基礎開始為數控機床產品升級做好準備。其中我國主要發(fā)展項目包括：高速主軸及其伺服單元、全功能數控刀架和數控轉臺、高性能刀庫機械手、高速滾珠絲杠和直線導軌副、直線電機、中高檔數控系統(tǒng)、高速防護裝置等。 機床的發(fā)展程度代表了是一個國家制造業(yè)水平的高低，而現代機床技術的核心便是數控系統(tǒng)。但是就現在來看，不單單是系統(tǒng)，就是國內廠商生產的質料較為優(yōu)秀的數控機床，其中所采用的高精度滾珠絲杠，軸承都是進口的，而進口主要來自德國，我國廠商自主研發(fā)生產的的滾珠絲杠以及軸承在精度、使用年限上都存在著許許多多的問題。目前國內的各大機床廠，全部的數控系統(tǒng)都是進口自國外，廠商們一般都去購買日本法那科、三菱的系統(tǒng)，這些系統(tǒng)占比達到70%，同時也會少量購入有德國西門子的系統(tǒng)。因為在早期我國的電網與德國系統(tǒng)并不適配，我國電網穩(wěn)定性無法達到系統(tǒng)的運行要求。因為電壓不穩(wěn)的原因，德國進口的數控系統(tǒng)的伺服模塊極易損毀，而日本的系統(tǒng)因為相性較好而非常耐用。如今我國電網逐漸趨于穩(wěn)定，與此同時西門子的系統(tǒng)也在不斷改進，與我國相性越來越好，但是仍然存在價格問題。并且中國市場并未能引起德國廠商的重視，以至于直到近幾年才在系統(tǒng)語言中加入了漢語，但是日本廠商在這方面就做的很周到，早在十幾年前就做出了漢化版本。 然而目前國產高級數控車床廠商效益并不是很好，盈利增長緩慢，究其原因還是其利潤的主體技術都在外國廠商那里，中國廠商必須繳納專利費。 目前，我國政府已經制定了一些相應政策，鼓勵群眾使用國產的高速高精密數控車床，各機床制造商也在努力追趕。國內購置高速高精密數控車床最多的是軍工企業(yè)，然后在一個購買計劃里，進口數量達到80%之多，國產車床并不能滿足如此龐大的需求。并且這一現象還會持續(xù)至少五年。但是放眼國內總市場，不單單看高端產品，我國的數控車床生產能力完全能滿足現在中低檔產品的供給需求。 高速高精密數控車床液壓系統(tǒng)目前還處在發(fā)展階段，仍然有許多地方都需要完善。我們應該從多角度去了解高速高精密數控車床液壓系統(tǒng)，使得它能夠在一個較為穩(wěn)定的軌道上發(fā)展，少走彎路，使它的各方面的應用可以為我們創(chuàng)造出更多的價值。 1.4 本文主要研究的內容和目標 1.4.1 重點解決的問題 高速高精密數控車床液壓系統(tǒng)設計 1.4.2 擬開展研究的幾個主要方面（論文寫作大綱或設計思路） （1）根據用戶加工要求，制定切實可行的方案； （2）工作臺進給控制系統(tǒng)液壓系統(tǒng)； （3）進行運動參數設計； （4）結構設計，要求繪制機床總圖、主軸部件圖、工件臺部件圖及部分零件圖，總圖紙量為四張以上0號圖； （5）對機床個部分進行校核，完善設計； （6）總結完成的所有工作，并對本設計的應用前景及下一步深入工作進行展望。 1.4.3 本論文（設計）預期取得的成果 （1）根據機床動作需求，確定液壓傳動系統(tǒng)設計方案。 （2）進行參數設計，液壓系統(tǒng)圖設計。 （3）繪制泵站、集成系統(tǒng)的設計圖，部件圖及零件圖。 （4）對系統(tǒng)性能進行必要的校核。 （5）考慮計算機輔助設計方案。 （6）編寫設計說明書一份。 2.高速高精密數控車床分析和液壓系統(tǒng)的要求 2.1 高速高精密數控車床總體結構及參數 高速高精密數控車床，是發(fā)展自20世紀60年代的一種新型車床，較傳統(tǒng)車床有著精度高、效率高、自動化程度高等等優(yōu)點，可以完成普通車床無法勝任的高難度加工。通過選用超高轉速的高速中控回轉液壓缸，使得機床得以在高轉速工況下進行加工，主要滿足航天、航空、儀器、儀表、電子信息和生物工程等產業(yè)的需要。由輸入、輸出裝置、可編程控制器、伺服系統(tǒng)等構成了其主要電氣部分，同時還有檢測反饋裝置、機床主機液壓控制系統(tǒng)等等。其主要液壓部分包括回轉液壓缸、液壓卡盤、液壓刀塔、尾架等。由各種伺服電機作為動力系統(tǒng)，采用全液壓驅動，可實現各軸的正轉、反轉、刀塔的旋轉、自動尾架的頂緊等功能。其床身結構包括底座、鞍座、主軸頭、刀塔、滑板、尾架、主軸等。采用了全封閉式的防護裝置，可以防止切屑或切削液飛出，有效地避免了可能給操作者帶來的意外傷害。電氣控制系統(tǒng)主要由電源模組、輸入輸出裝置、數控裝置、PLC、檢查反饋裝置、警報裝置、操作面板以及電磁閥組模塊等組成：液壓控制系統(tǒng)由液壓馬達、液壓泵、液壓閥組、液壓缸等組成。 高速高精密數控車床整體結構如圖2.1所示 圖2.1 高速高精密數控車床整體結構示意圖 各參數數據： 床身傾斜角度45° 可加工最大直徑2.00mm 可加工最大長度500mm 主軸最大轉速5000r/min 加工精度可達IT5 可加工粗糙度Ra1.6~0.8μm 2.2 液壓卡盤 卡盤安裝在主軸前端并進行固定，高速中空回轉缸依靠一根空心拉桿來驅動卡盤的夾緊與松開。由于高速高精密數控車床要在高轉速（最高5000r/min）工況下進行切削加工，對工件的夾持有較高需求，且對不同的工件類型要采取不同的夾持力。另外，為保證車床切削過程中出現故障及突然停電等特殊情況下仍可保持工件的可靠夾持，工件夾緊在安全可靠性方面需要有多重保護裝置。為此，一是選用最高使用轉速6200r/min的告訴中空回轉液壓缸，缸還自帶液壓雙向鎖；二是在液壓系統(tǒng)中設直了單向閥與機械式定位電磁換向閥，以防止機床因不可預料的突發(fā)狀況導致卡盤突然松開導致操作人員受到人身傷害或機床被損傷。 2.3 液壓刀塔 該車床采用凸輪式液壓刀塔，刀盤的換位通過數控系統(tǒng)T指令控制。通過控制液壓刀塔中的分度馬達的正反轉及旋轉角度，來實現刀塔的就近換刀。 如圖2.2所示是液壓刀塔的工作流程，液壓系統(tǒng)控制刀盤的換位與鎖緊。 圖2.2 液壓刀塔工作流程 2.4 自動尾架 為了避免車床主軸轉速較高，在加工較長工件時產生的震動和彎曲，影響零件的加工精度，用尾架支撐工件，以加強工件的剛性，實現車床高精度加工的要求。液壓缸推動車床尾架套筒伸縮，套筒伸出，其上的頂尖頂緊工件。并通過疊加式減壓閥，根據實際工況要求調整頂緊力大小。 2.5 車床機械主軸單元的軸承布置結構 車床機械主軸單元的軸承布置結構需要考慮的因素： 第一，因車床高轉速需要，要考慮到軸承的高速性，選用軸承支撐結構時要保證轉速。 第二，由于加工的高精度，軸承結構選定后配合相應刀具能獲得較高的工件粗糙度。 因此選用高速輕載型。該主軸配置的軸承結構為前三后二的角接觸軸承組合結構，本身具有很強的高速性，配合CBN或其他硬質合金刀具，可以獲得較高的工件粗糙度。 其內部結構如圖2.2所示 2.6 機床底座外形布置 機床全部重量集中在底座上，且要承受機床工作時高速旋轉所帶來的載荷。并且所有模塊都要以底座為基礎安裝，所以底座的形狀和大小決定了機床各模塊的安排，同時也決定著車床的重量以及穩(wěn)定性。 在設計過程中，首先需要對各零件和車床主體所承載的力的大小及方向做吹分析，合理的受力分析是設計合理的底座的重要的一環(huán)。在受力分析中至關重要的便是橫向彎曲、負載彎曲等情況下的壓力影響。 圖2.3為本設計的車床底座示意圖 圖2.2 車床機械主軸單元的軸承布置內部結構 圖2.3 車床底座示意圖 1— 底座；2—回流槽；3—連接塊 2.7 液壓控制系統(tǒng) 本文將液壓系統(tǒng)的設計作為重點進行研究。進行設計時對車床主體進行了綜合分析。而液壓系統(tǒng)也是滿足該車床總體功能要求的主要控制部分，其余控制部分為電氣控制部分等。為了保證設計完成后機床不僅能夠使用而且整機性能的優(yōu)良，就需要滿足工作循環(huán)所需的全部技術要求。 設計該車床時，需要滿足車床的三種需求，分別是液壓卡盤、液壓刀塔、液壓尾架。三個部分的工作相互較為獨立，液壓卡盤主要完成對工件的夾緊與松開，控制閥采用電磁換向閥，油缸采用等行程等速缸。自動尾架可以在切削時支撐工件，以此來加強長、細工件的剛性，完成對工件加工的高精度要求。采用電磁換向閥作為方向控制閥，油缸采用等行程等速油缸。液壓刀塔作為液壓系統(tǒng)設計的重要組成部分，選用電磁換向閥進行控制，選用等行程等速油缸與液壓馬達配合。 2.8 電控系統(tǒng) 高速高精密數控車床的電控系統(tǒng)主要的控制對象主要是液壓系統(tǒng)回路中的電磁閥以及數控裝置、PLC等。 在液壓卡盤的控制系統(tǒng)中，電磁換向閥受控制電信號的控制，電磁換向閥上的電磁鐵在接受到控制信號之后會通過改變換向閥閥芯的位置達到控制卡爪卡緊及松開，從而實現對工件的夾緊及放松。在液壓刀塔的控制系統(tǒng)中，電磁換向閥受控制電信好的控制，電磁鐵受電信號控制，通電時電磁鐵4YA和3YA分別控制刀盤斷面鼠齒盤的嚙合定位與松開。根據刀具定位指令，電磁換向閥17接收到控制信號后通過改變閥芯的位置，達到控制液壓馬達進行正轉或反轉的目的，從而控制刀塔的旋轉方向，實現就近換刀。軸向頂緊液壓回路中，電磁鐵8YA和7YA接收到控制信號后分別控制尾架的頂緊和松開，當兩者均斷電后，該閥處于Y型機能中位。使頂尖既不會繼續(xù)頂緊工件而導致工件彎曲，也不會退回導致較長工件掉落，提高了車床的調整的方便性和安全可靠性。 數控裝置以及PLC作為車床控制的核心元件，根據高速高精密數控車床的工作要求與功能，選擇合適的元件作為系統(tǒng)的控制核心，以此來保證車床的性能與系統(tǒng)的穩(wěn)定性。 當然電控系統(tǒng)還包括顯示屏燈光、鍵盤燈光、報警指示燈、電源指示燈、開關按鈕等，并完成控制啟動、照明、報警燈外部功能，再此不一一贅述。 2.9 本章小結 本章對高速高精密數控車床的整體結構進行了分析，對主軸軸承、底座、液壓卡盤、液壓刀塔、自動尾架等進行了力學分析及元件選擇等分析，分析車床液壓傳動系統(tǒng)、電控系統(tǒng)在數控車床中的功能，進而為整個機床的液壓系統(tǒng)設計奠定了扎實的基礎。 3.高速高精密數控車床液壓系統(tǒng)設計 3.1 數控車床對液壓系統(tǒng)的要求 數控車床主要放在室內，要求地面平整。但車床在加工時仍無可避免的會有劇烈震動。即使在結構上進行減震處理后或多或少也會不斷震動。液壓系統(tǒng)對工件的夾緊、刀塔的控制、頂尖的控制起著主導的作用，因此為了保證車床的安全性，保障操作者的人身安全，對于車床的液壓系統(tǒng)，有著一下幾方面的需求： （1） 因為主軸轉速極快，高速高精密數控車床要在高轉速（最高可達5000r/min）工況下進行切削加工，此對工件的夾持有較高需求，且對不同的工件類型要采取不同的夾持力。因此元件可靠性必須要強，能承受切削時的高轉速。 （2） 車床切削過程中可能出現故障及突然停電等特殊情況下，為保障在該情況下車床仍可保證工件能被牢牢地固定住，工件的夾緊裝置需要設置多重保護裝置以保證它的安全可靠。 （3） 為了提高車床的調整的方便性和安全可靠性，要求頂尖位置適中，既不會繼續(xù)頂緊工件而導致工件完全，也不會退回使較長工件掉落。 3.2 液壓系統(tǒng)方案選擇 高速高精密數控車床的生產效率，工件裝夾的緊密度以及定位的精確度取決于夾緊以及定位系統(tǒng)的設計情況。選擇夾緊、定位系統(tǒng)的時候，主要考慮的因素是：工作臺進給速度、夾緊方式、定位基準的選擇、液壓油的流量和夾緊力的實際情況等等。滿足高速高精密數控車床液壓系統(tǒng)的結構類型主要有以下兩種： （一）液壓進給為主，機械夾緊定位為輔的液壓系統(tǒng) 液壓進給為主，機械夾緊定位為輔的液壓系統(tǒng)是工作臺的進給采用液壓傳動系統(tǒng)，工件的定位夾緊采用機械傳動系統(tǒng)。該系統(tǒng)操作方便，可靠性高，準確度好，在采用了合適的機械元件之后能保證良好的穩(wěn)定性，采用齒輪傳動的話還具有傳動比準確、穩(wěn)定，工作壽命長的特點。但是，該系統(tǒng)的制造和安裝精度要求很高，成本很高，且需要較大的運行空間，傳動效率相比液壓系統(tǒng)較低。 （二）全液壓工作系統(tǒng) 全液壓工作系統(tǒng)是指機床的各主要運動部分如工作臺的進給、工件夾持裝置、尾架等均采用液壓傳動系統(tǒng)執(zhí)行。該系統(tǒng)安裝所需的空間較其他方案較為小巧，布局靈活，在一定范圍內可以反復調整，結構緊湊，進一步減少所占空間；動作響應快，能快速執(zhí)行換向變速等突然操作：可實現速度、扭矩、功率等的無級變速；系統(tǒng)的安全性、可靠性好，結構簡單，成本低，元件易于實現系列化、標準化和通用化。但是該系統(tǒng)也有明顯的缺點，液壓油的泄露，傳動效率較低，故障不易檢查等。 該車床在進行工件的車削加工時，要求能夠進行快速生產，對加工表面也有很高的精度要求，所以要求車床工作時平穩(wěn)、快速、效率高。綜合分析之后，優(yōu)先考慮選擇更合理的全液壓工作系統(tǒng)。 3.3 工作臺進給缸的設計計算 查閱相似車床參數后擬定車床最大切削力在軸向為15KN，所要移動的總重量為15KN，工作臺進給缸快進、快退速度一致，為4m/min，工進速度能在20～1200mm/min范圍內無級調節(jié)；采用平導軌， 。。 3.3.1 工作臺進給缸的負載分析和速度計算 1.負載分析 已知工作負載：Fw=12 KN 油缸所要移動負載總重量：G=15000 N 選擇工進時速度變化量的最大值：Δv=0.02 m/s 選取：Δt=0.2 s 則慣性力為 摩擦阻力Ff=1500N 取液壓缸機械效率ηm=0.9，則液壓缸在工作階段的負載值經計算于表3.1 表3.1 液壓缸在各工作階段的負載值 （單位：N） 工作循環(huán) 計算公式 負載 起動加速 1837 快進 1667 工進 18333 快退 1667 2.速度分析 已知快進、快退速度為4m/min，工進速度范圍為20～1200mm/min，繪制速度循環(huán)圖如圖3.1 圖3.1高速高精密數控車床工作臺速度循環(huán)圖 圖3.1高速高精密數控車床工作臺負載循環(huán)圖 3.3.2 確定液壓缸的主要參數 （1） 初選液壓缸的工作壓力 查閱液壓元件手冊，根據最大負載查表格取最大工作壓力為3MPa 負載F/KN ＜5 5～10 10～20 20～30 30～50 ＞50 工作壓力p/MPa ＜0.8～1 1.5～2 2.5～3 3～4 4～5 ＞5 表3.2 則工作臺液壓缸主要參數如表3.3 項目 參數 工作臺進給缸 最大工作壓力 3MPa 速度 快進 4m/min 工進 500mm/min 快退 4m/min 表3.3 （2） 計算液壓缸的結構參數和工作壓力 表3.4 液壓系統(tǒng)背壓力選取表 系統(tǒng)結構情況 背壓力/MPa 采用節(jié)流閥的回路節(jié)流調速系統(tǒng) 0.3~0.5 對中高壓液壓系統(tǒng)背壓力數值應放大50%~100% 采用調速閥的回路節(jié)流調速系統(tǒng) 0.5~0.8 回油路上有背壓閥的系統(tǒng) 0.5~1.5 采用輔助泵補油的閉式回路 0.8~1.5 選用雙作用桿缸作為工作臺進給缸，假設液壓缸左右兩腔的有效面積分別為，且,取工作腔無桿狀態(tài)面積為A3，A3=1.25A1，根據液壓系統(tǒng)背壓力表選出背壓為0.5MPa。 工作腔的有效工作面積和活塞直徑分別為： m2 m=97mm 根據液壓技術行業(yè)標準，根據表3.5、表3.6選取標準直徑 表3.5 缸筒內徑尺寸系列（mm） 8 10 12 16 20 25 32 40 50 63 80 （90） 100 （110） 表3.6活塞桿外徑d（mm） 面積比 缸筒內徑D 32 40 50 63 80 90 100 110 125 1.06 — 10 12 16 20 22 25 28 32 1.12 10 12 16 20 25 28 32 36 40 1.25 14 18 22 28 36 40 45 50 56 圓整后 D=100mm d=45mm 液壓缸的有效工作面積A=6283mm2 由于切削頭工作時需要保持低速以完成進給運動，因此在通過初步計算擬定油缸面積A1之后仍然還必須要按照最低的進給速度對油缸面積進行驗算，若滿足行業(yè)要求才可最終選用。 即應保證油缸有效工作面積A1為 式中： qmin—流量閥最小穩(wěn)定流量 vmin—活塞最低進給速度，設計要求最低工進速度vmin=20mm/min 經計算可知滿足上式要求，說明可以滿足最小穩(wěn)定速度的要求。 則液壓缸實際計算工作壓力為： Pa 實際選取工作壓力為： P=29x105Pa 3.3.3 確定液壓缸在工作循環(huán)各階段的流量 快進階段液壓缸流量計算： 式中：—工作臺進給缸快進速度； —液壓缸左腔有效面積。 代入參考值后得： 快退階段液壓缸流量計算： 式中：—工作臺進給缸快退速度； —液壓缸右腔有效面積。 代入參考值后得： 工進階段液壓缸流量計算： 式中：—工作臺進給缸工進速度； 代入參考值后得： 根據下表選出活塞行程： 表3.7 活塞行程系列（mm） 25 50 80 100 125 160 200 250 320 400 500 選擇標準活塞行程位400mm。 3.3.4 計算液壓缸在工作循環(huán)各階段的壓力、流量和功率 背壓損失由上文可知為0.5MPa，則P2=P1+0.5MPa。根據上述所有數值，可計算液壓缸在各個工作階段中的壓力、流量和功率，如表3.8（見下頁） 根據以上計算可得出工作臺進給缸的各項參數，如下表（見下頁）： 工作 循環(huán) 計算公式 負載F/KN 回油背壓p2/MPa 進油壓力p1/MPa 輸入流量q1/10-3m3·s-1 輸入功率P/kW 快 進 起動加速 1837 1.02 — — 恒速 1667 0.84 0.42 0.35 工 進 18333 0.6 3.52 0.0021~0.013 0.0073~ 0.046 快 退 起動加速 1837 0.5 1.02 — — 恒速 1667 0.5 0.84 0.42 0.35 表3.8 液壓缸工作循環(huán)各階段壓力、流量和功率表 表3.9 工作臺進給缸技術參數表 項目 參數 工作臺進給缸 規(guī)格 Φ100/Φ45mm*400mm（1個） 最大工作壓力 3MPa 速度 快進 4m/min 工進 500mm/min 快退 4m/min 流量 快進 25.13L/min 工進 3.14L/min 快退 25.13L/min 3.4 夾緊缸的設計計算 表3.10 夾緊缸的主要參數選擇 夾緊缸 夾緊工作負載 2500N 速度 夾緊 50mm/min 松開 50mm/min 3.4.1 確定液壓缸的主要參數 （1）初選液壓缸的工作壓力 已知夾緊工作負載為2500N，查閱液壓元件手冊，根據最大負載查表格3.2取最大工作壓力為3MPa。 （2）計算液壓缸的結構參數和工作壓力 已知夾緊工作負載為2500N，夾緊缸選用雙出桿活塞缸，假設液壓缸左右兩腔的面積分別為，且，取工作腔無桿狀態(tài)面積為A3，A3=1.4A1。根據表3.4選出背壓力為0.5MPa。 由平衡方程 式中：—夾緊缸左腔工作壓力 —夾緊缸右腔工作壓力 —夾緊缸的最大負載 可化得 所以A1=A2=1000mm2 液壓缸內徑D為： 根據液壓技術行業(yè)標準，根據表3.5、表3.10選取標準直徑 表3.11 活塞桿外徑d（mm） 面積比 缸筒內徑D 32 40 50 63 80 90 100 110 125 1.25 14 18 22 28 36 40 45 50 56 1.32 16 20 25 32 40 45 50 56 63 1.4 18 22 28 36 45 50 56 63 70 D=50mm d=28mm 所以最后可得 由于切削頭工作時需要執(zhí)行低速進給運動，在初算確定油缸面積A1之后沒還必須按照最低的進給速度對油缸面積進行驗算，若滿足才可選用。 即應保證油缸有效工作面積A1為 式中： qmin—流量閥最小穩(wěn)定流量 vmin—活塞最低進給速度， vmin=50mm/min 經計算可知滿足上式要求，說明可以滿足最小穩(wěn)定速度的要求。 則液壓缸實際計算工作壓力為： Pa 實際選取工作壓力為： P=13x105Pa 3.4.2 確定液壓缸在工作循環(huán)各階段的流量 夾緊階段液壓缸流量計算： 式中：—夾緊缸夾緊速度； —液壓缸左腔有效面積。 代入上文中的參考值后得： 松開階段液壓缸流量計算： 式中：—夾緊缸松開速度； —液壓缸右腔有效面積。 代入參考值后得： 根據下表選出活塞行程： 表3.12 活塞行程系列（mm） 25 50 80 100 125 160 200 250 320 400 500 選擇標準活塞行程為25mm。 液壓缸夾緊時容積為： 式中： —定位缸左腔有效面積 —定位缸活塞行程 代入數值計算得： 液壓缸松開時容積為： 由此可得出夾緊缸的各項參數，如下表： 表3.13 夾緊缸參數表 夾緊缸 規(guī)格 Φ50/Φ28mm*25mm 夾緊工作壓力 3MPa 速度 夾緊 50mm/min 松開 50mm/min 流量 夾緊 6.74L/min 松開 6.74L/min 容積 夾緊 62mL 松開 62mL 3.5 尾架頂緊缸的設計計算 表3.14頂緊缸的主要參數選擇 頂緊缸 頂緊工作負載 3500N 速度 頂緊 50mm/min 松開 50mm/min 3.5.1 確定液壓缸的主要參數 （1）初選液壓缸的工作壓力 已知頂緊工作負載為3500N，查閱液壓元件手冊，根據最大負載查表格3.2取最大工作壓力為4MPa。 （2）計算液壓缸的結構參數和工作壓力 已知頂緊工作負載為3500N，頂緊缸選用雙出桿活塞缸，假設液壓缸左右兩腔的面積分別為，且，取工作腔無桿狀態(tài)面積為A3，A3=1.4A1。根據表3.4選出背壓力為0.5MPa。 由平衡方程 式中：—頂緊缸左腔工作壓力 —頂緊缸右腔工作壓力 —頂緊缸的最大負載 可化得 所以A1=A2=1400mm2 液壓缸內徑D為： 根據液壓技術行業(yè)標準，根據表3.5、表3.10選取標準直徑 表3.15 活塞桿外徑d（mm） 面積比 缸筒內徑D 32 40 50 63 80 90 100 110 125 1.25 14 18 22 28 36 40 45 50 56 1.32 16 20 25 32 40 45 50 56 63 1.4 18 22 28 36 45 50 56 63 70 D=50mm d=28mm 所以最后可得 由于切削頭工作時需要執(zhí)行低速進給運動，在初算確定油缸面積A1之后沒還必須按照最低的進給速度對油缸面積進行驗算，若滿足才可選用。 即應保證油缸有效工作面積A1為 式中： qmin—流量閥最小穩(wěn)定流量 vmin—活塞最低進給速度， vmin=50mm/min 經計算可知滿足上式要求，說明可以滿足最小穩(wěn)定速度的要求。 則液壓缸實際計算工作壓力為： Pa 實際選取工作壓力為： P=18x105Pa 3.5.2 確定液壓缸在工作循環(huán)各階段的流量 頂緊階段液壓缸流量計算： 式中：—頂緊缸頂緊速度； —液壓缸左腔有效面積。 代入上文中的參考值后得： 松開階段液壓缸流量計算： 式中：—頂緊缸松開速度； —液壓缸右腔有效面積。 代入參考值后得： 根據下表選出活塞行程： 表3.16 活塞行程系列（mm） 25 50 80 100 125 160 200 250 320 400 500 選擇標準活塞行程為25mm。 液壓缸頂緊時容積為： 式中： —頂緊缸左腔有效面積 —頂緊缸活塞行程 代入數值計算得： 液壓缸松開時容積為： 由此可得出頂緊緊缸的各項參數，如下表： 表3.17 頂緊缸參數表 頂緊缸 規(guī)格 Φ50/Φ28mm*25mm 頂緊工作壓力 3MPa 速度 頂緊 50mm/min 松開 50mm/min 流量 頂緊 6.74L/min 松開 6.74L/min 容積 頂緊 62mL 松開 62mL 所以根據以上計算結果可以繪制高速高精密數控車床液壓系統(tǒng)的技術參數表，如下表所示（見下頁）： 表3.18高速高精密數控車床液壓系統(tǒng)的技術參數表 項目 參數 工作臺進給缸 規(guī)格 Φ100/Φ45mm*400mm 最大工作壓力 3MPa 速度 快進 4m/min 工進 500mm/min 快退 4m/min 流量 快進 25.13L/min 工進 3.14L/min 快退 25.13L/min 頂緊缸 規(guī)格 Φ50/Φ28mm*25mm 頂緊工作壓力 3MPa 速度 夾緊 50mm/min 松開 50mm/min 流量 夾緊 6.74L/min 松開 6.74L/min 容積 夾緊 62mL 松開 62mL 夾緊缸 規(guī)格 Φ50/Φ28mm*25mm 夾緊工作壓力 3MPa 速度 夾緊 50mm/min 松開 50mm/min 流量 夾緊 6.74L/min 松開 4.74L/min 容積 夾緊 62mL 松開 62mL 4.制定液壓回路方案，擬定液壓系統(tǒng)原理圖。 4.1 制定液壓回路方案 4.1.1 油源形式及壓力控制 由工況表3.8可得知，在液壓系統(tǒng)的工作循環(huán)內，油源持續(xù)地提交替地向油缸提供著壓力高流量小與壓力低同時流量大的油液，。并且在循環(huán)中，泵幾乎一直處于高壓、小流的狀態(tài)下進行工作。因此從節(jié)省能源、提高效率的角度來看，并不能使用單個定量泵作為油源。應該擦用雙聯式液壓泵或者限壓式變量泵。這里我們采用限壓式變量泵供油回路。 液壓系統(tǒng)的油源為電動機4驅動的變量液壓泵（葉片泵）3供油油源，并通過安裝單向閥5防止油液倒灌，以達到保護液壓泵的目的。并通過壓力表6觀察壓力。 如圖4.1所示 圖4.1 4.1.2 調速回路 由工況表3.8可知，該車床液壓系統(tǒng)功率小，工作臺工進速度低，工作負載變化小，完全可以采用進口節(jié)流的調速形勢。 調速閥11對在刀塔定位缸的速度進行著控制。雙路單向節(jié)流閥12對刀塔定位馬達的速度進行調節(jié)。單向節(jié)流閥16控制著尾座頂緊缸的速度。分別如圖4.2、4.3及4.4所示 圖4.2 刀塔定位缸的調速回路 圖4.3 刀塔定位馬達的調速回路 圖4.4 尾座頂緊缸的調速回路 4.1.3 方向控制回路 回轉缸和刀塔定位缸的換向回路采用電磁換向閥9和18。選擇二位四通機械電磁換向閥。 刀塔定位液壓馬達和尾座頂緊缸的換向回路由電磁換向閥13與17控制，采用三位四通“Y”型中位機能的液動換向閥實現液壓缸的夾緊與松開的運動。由于液壓缸兩腔接油箱，從靜止到起動有沖擊，制動性能較平穩(wěn)。 分別如圖4.4、4.5、4.6、4.7所示。 圖4.5 回轉缸的換向回路 圖4.6 刀塔定位缸的換向回路 圖4.7 刀塔定位液壓馬達的換向回路 圖4.8尾座頂緊缸的換向回路 4.1.4 壓力控制回路 回轉缸的壓力由減壓閥7設定，單向閥8用于短時保壓。尾座頂緊缸的壓力由減壓閥14設定，單向閥15用于短時保壓。如圖4.9與4.10所示 圖4.9 回轉缸的壓力控制回路 圖4.10 尾座頂緊缸的壓力控制回路 4.1.5 輔助回路 為滿足車床切削過程中出現故障和突然停電等特殊情況下工件仍被可靠家吃的要求，使用雙向液壓鎖10用于鎖緊回轉缸。 同時液壓系統(tǒng)設有吸油過濾器2和空氣過濾器20，保證系統(tǒng)油液的潔凈，降低液壓元件的特別是回轉液壓缸回轉配油環(huán)的磨損，延長液壓元器件的使用壽命。（1為郵箱 分別如圖4.11與4.12所示 圖4.11 圖4.12 除換向閥外，其余液壓閥均為疊加式液壓閥。 在制定并完善各液壓回路方案的基礎上，為使標準化、通用化以及集成化成都更高，液壓系統(tǒng)采用模塊化結構。將各模塊整理所組成的液壓系統(tǒng)原理圖如4.13所示。 如表4.1所示，由電磁鐵動作順序表可以清晰地了解到整個系統(tǒng)的工作原理以及系統(tǒng)在各工況下的油液流動路線。 圖4.13 表4.1 電磁鐵動作順序表 液壓缸 工況動作 電磁鐵狀態(tài) 1YA 2YA 3YA 4YA 5YA 6YA 7YA 8YA 刀塔定位缸 快進 + 工進 快退 + 頂緊缸 頂緊 + 松開 + 夾緊缸 夾緊 + 松開 + 刀塔定位液壓馬達 正轉 + 反轉 + 5.選擇液壓元件 5.1 確定液壓泵的容量以及電動機的功率 5.1.1液壓泵的確定 （1）液壓泵的工作壓力 液壓缸在工作循環(huán)中的最大壓力為3.52MPa，如取進油路上的壓力損失為1MPa，則泵在小流量工作狀態(tài)下最大工作壓力應為4.52MPa。 選擇泵的額定壓力應為 泵在大流量狀態(tài)下，由表3.8可知，于液壓缸快退時工作壓力較高，取液壓缸快退時進油路上的壓力損失為0.5MPa，則泵于大流量狀態(tài)下的最高工作壓力為： （1.02+0.5）MPa=1.52MPa （2）液壓泵流量計算 取系統(tǒng)的泄露系數K=1.1，由表3.8可知，液壓泵向液壓缸提供的最大流量為25.2L/min，則泵的總流量為 L/min （3）確定液壓泵規(guī)格 根據所得數值查閱電機產品目錄并對照產品樣本，最終選用PVS系列變量葉片泵（Parker），型號為PVS25，其轉速范圍為1000-1800rpm，1500r/min時流量為35L/min，排量為24cm3/rev，可以滿足系統(tǒng)需求。 5.1.2 確定驅動電機功率 液壓泵在快退階段時功率最大，取液壓缸在進油路上壓力損失為0.5MPa，則液壓泵輸出壓力為1.34MPa。液壓泵的總效率為，液壓泵流量為25L/min，則液壓泵驅動快退所需的功率P為： 據此選用Y80M2-4型三相異步電動機，其額定功率為0.75KW，轉速為1390rpm，仍能滿足系統(tǒng)需求。 5.1.3高速高精密數控車床液壓系統(tǒng)液壓元件的選擇 葉片泵工作時由單向閥5保護液壓泵，防止油液倒灌。經計算后查閱《液壓元件手冊》，選擇YAF3-EB10B。 快進時，由電磁換向閥18控制。工作臺進給缸快進時，速度為4m/min，流量為25.13L/min。 查閱《機床液壓元件產品樣本》可知，選擇24D-10B型二位四通電磁換向閥，其參數如下： 額定壓力為15MPa 回轉缸工作時通過疊加式減壓閥減壓，經計算后查閱《機床液壓元件產品樣本》可知，選擇J-25B型減壓閥。額定流量為25L/min；壓力調整范圍為5-63kgf/ 經計算及反復查閱《機床液壓元件產品樣本》及《液壓元件手冊》等參考資料后，結合上述液壓元件的選擇，可制出如下表5.1高速高精密數控車床液壓元件選型表。 表5.1 高速高精密數控車床液壓元件選型表 序號 元件 型號 規(guī)格 額定壓力 （MPa） 額定流量 （L/min） 排量（cm3/r） 1 油箱 2 吸油過濾器 ? 3 葉片變量泵 PVS25 14 35 24 4 電動機 Y80M2-4 5 單向閥 YAF3-EB10 16 6 壓力表 7 疊加式減壓閥 J-25B 5～63 25 8 疊加式單向閥 23E-25B型 15 25 9 二位四通電磁換向閥 24D-10B 15 25 10 雙向液壓鎖 RC-8型自帶液壓鎖 11 疊加式單向節(jié)流閥 L-25 15 25 12 疊加式雙路節(jié)流閥 LI-10B型 15 25 13 三位四通電磁換向閥 34Y-10B 15 25 14 疊加式減壓閥 J-25 15 25 15 疊加式單向閥 23E-25B型 15 25 16 疊加式單向節(jié)流閥 L-25 15 25 17 三位四通電磁換向閥 34Y-10B 15 25 18 二位四通電磁換向閥 24D-10B 15 19 液位液溫計 20 空氣過濾器 84 高速高精密數控車床液壓系統(tǒng)設計 6.液壓系統(tǒng)油液溫升驗算 葉片泵在小流量狀態(tài)下的工作壓力為4.52MPa，流量為3.77L/min，經計算可知泵在小流量狀態(tài)下的輸入功率為355W。泵在大流量狀態(tài)下的工作壓力1.52MPa，流量為23.25L/min，輸入功率為736.25W。 液壓缸的最小有效功率為： 系統(tǒng)單位時間內的發(fā)熱量為： 假設油箱的長、寬、高的比例在1:1:1~3:2:1的區(qū)間內，且油液表面的高度等于油箱總高度的時，油箱的有效散熱 面積大約為： 式中：V—油箱的有效容積（） A—散熱面積（） 設油箱的有效容積，表面?zhèn)鳠嵯禂禐镵=15，將有效容積與K帶入上式可得： 所以在安全溫升范圍內。 7.結論 高速高精密數控車床具備精度高、效率高、自動化水平高、機械制造設備靈活性高等長處。在現代機械工業(yè)中所占地位已然越來越高，對該車床的研究與開發(fā)對生產效率的提高以及提高我國制