主轴箱液压平衡系统设计与分析.pdf

2 0 1 2年 9月 第 4 0卷 第 1 8期 机床与液压 MACHI NE T OOL HYDRAULI CS S e p．2 01 2 Vo 1 ． 4 0 No ．1 8 DOI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 2 ． 1 8 ． 0 0 1 主轴箱液压平衡系统设计与分析 寸花 英 ，余光 怀 沈机集团昆明机床股份有限公司，云南昆明6 5 0 2 0 3 摘要以主轴箱平衡系统为研究对象，通过多种液压平衡方案在实际工况下的对比以及详细的计算分析，优选出单油 缸蓄能器平衡方式并对其进行了校核，解决了高精度卧式加工中心主轴箱的平衡问题。 关键词主轴箱；单油缸；双油缸；泵阀平衡 ；蓄能器平衡 中图分类号T H - 3 9 文献标识码B 文章编号 1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 2 1 8 0 0 1 5 S t ud y o n Hy dr a u l i c Ba l a nc e S y s t e m f o r S pi nd l e Bo x‘ CUN Hu a y i n g．YU Gu a n g h u a i S h e n j i G r o u p K u n m i n g Ma c h i n e T 0 o l C o m p a n y L i mi t e d ，K u n mi n g Y u n n a n 6 5 0 2 0 3 ，C h i n a Ab s t r a c t T a k i n g s p i n d l e b o x b a l a n c e s y s t e m a s a r e s e a r c h o b j e c t ， t h r o u g h c o m p a r i s o n and d e t a i l e d c a l c u l a t i o n analy s i s f o r a v a - r i e t y o f h y d r a u l i c b alanc e s c h e me s i n a c t u al c o n d i t i o n s ，b ala n c e wa y u s i n g s i n g l e c y l i n d e r a n d a c c u mu l a t o r wa s s e l e c t e d and c h e c k e d ． S o t h e b a l anc e p r o b l e m o f h i s h p r e c i s i o n h o r i z o n t a l p r o c e s s i n g c e n t e r s p i n d l e b o x s y s t e m i s s o l v e d ． Ke y wo r d s S p i n d l e b o x ； S i n gl e c y l i n d e r；D u a l c y l i n d e r；P u mp v al v e b a l anc e ； A c c u m u l a t o r b ala n c e 高精密坐标镗床和卧式加工中心是某公司承担的 “ 高档数控机床与基础制造装备” 国家重大科技专 项 ，是集光、机、电、液多项技术于一体的高科技产 品，具有较高的精度、稳定性和可靠性 其中 、Y 、 轴坐标定位精度 0 ． 0 0 4 m i l l ，重复定位精度 0 ． 0 0 3 m i l l ；B轴坐标定位精度 3 ” ，重复定位精度 2 ” ，广泛 适用于航空、航天、汽车、模具、国防军工、机械制 造等行业的箱体零件 、壳类零件、盘类零件、异形零 件的加工，零件一次装夹可 自动完成多个面 的铣、 镗、钻、扩、铰、攻螺纹等多工序加工，能够大大提 高生产效率 。 机床主轴箱平衡是一个值得深入研究的课题。传 统的平衡机构采用重锤一钢丝绳机构来平衡主轴箱的 质量 ，这种机构将钢丝绳的一端与主轴箱连接，另一 端绕过立柱顶端的滑轮架与重锤连接，通过重锤的质 量来平衡主轴箱的质量。这种平衡机构虽然比较简 单 ，但是由于增加了重锤，使机床显得很笨重 ，占用 空 间大 ，而且钢丝绳在长期工作的情况下容易磨 损和 拉长 ，甚至断裂使重锤掉落产生重大的安全事故。 随着液压与气压传动技术和机械 电子工程技术的 飞速发展 ，采用油缸平衡主轴箱的技术 已逐 渐成熟 。 油缸平衡是将油缸固定连接在机床上 ，再将活塞杆一 端连接到主轴箱上，通过压力油使活塞杆产生一个竖 直向上的拉力 ，，从而平衡主轴箱竖直向下 的重力 G，见图 1 。油缸平衡的特点在于响应速度快 ，精度 高 ，稳定性好，结构紧凑，易于控制 ，方便安全 ，容 易实现 闭环控制 。因此 ，该公司的 T H M 4 6 1 0 0采用油 缸平衡结构来平衡主轴箱的重力。 图 1 机床结构图 收稿 日期 2 0 1 2 0 61 1 基金项 目2 0 1 0国家科技 重大专项 2 0 1 0 Z X 0 4 0 0 1 0 2 1 作者简介寸花英 1 9 6 6 一 ，女，高级工程师，长期从事精密数控机床及柔性制造系统设计研究。Ema i l y s h w 2 0 0 8 1 63 ．C O rn 。 2 机床与液压 第 4 0卷 油缸平衡 系统的技术要求 机床主轴箱的初始条件见表 1 。 表 1 初始条件 主轴箱质量 m ／ k g 1 2 0 0 快速移动速度 V m a x ／ m m i n 3 6 加 速度 0 ／ m s 3 Y向工作行程／ m m 1 2 0 0 Y向总行程／ m m 1 3 8 5 2 方案选择与计算 油缸平衡的结构形 式较多 ，按照布置形式分为双 油缸对称布置 、单油缸 布置 ，按照压力控制方式分为 蓄能器平衡和泵阀平衡 ，组合起来便有4种形式 ，见 表 2 。 表 2 油缸平衡种类表 控制方式 布置形式 单油缸布置 双油缸对称布置 2 ． 1 按 照 布置 形式优 选方 案 考虑整机结构紧凑美观 ，便于平衡系统液压站与 主液压站集成 ，初选出油缸参数 具体计算略 ，见 表 3。 表 3 油缸初始参数 mm 布置形 式 单油缸 双油缸 2 ． 1 ． 1 按照双油缸对称布置来计算选型 平衡 双油缸结构原理见 图 2 ，平衡所需压力 F p { [ n 3 ． 1 4 D 一 d ] _ 一一9 ． 3 6 7 MPa [ 2 3 ． 1 4 4 一 2 ． 8 ] 油缸移动过程中的容积变化 A V A 日 [ n 3 ． 1 4 D 一 d ] 日 [ 2 3 ． 1 4 4 一 2 ． 8 。 ] 1 ． 2 1 0 一 1 ． 5 4 L 式 中 n为油缸个 数。 双油缸平衡结构 的机械力学计算。双油缸结构原 理是将主轴箱的重力施加到相对于主轴重心对称的两 个油缸上，理想状态下每个油缸承受的压力为 詈 6 0 0 0 N 图 2 双油缸平衡结构原理 图 每个油缸对于主轴重心施加的力矩 为 MlM2F l L 1F 2 L z 1 则主轴箱受 到的两个油缸 的组合力矩为 McM1M2Fl L l一 L 20 N。m 2 也 就是说两个油缸 对主轴 箱 的附加力矩 和 为零 。 而式 1 和 2 同时成立 的条件必须 是 F F 且 L L 。然而实际的工况是 1 很难保证 两个液压油缸 的各 项参数完全 一 致 ，如 油 缸 直 径 D和 活 塞 杆 直 径 d ，这 样 便 会 造成 AA l A2 1 一3 ．1 4[ D J 一 d 1 。 一 D’ 一d ， ] ≠0 即 F l p A l p A 2P X A A≠ 0 式中 P为液压系统的工作压强。 同时 ，液压控制上也很难实现两个油缸 的随动一 致性 ，这样也必然导致两个油缸所施加的平衡压力不 能完全一致 ，见 图 3 。 第 l 8期 寸花英 等主轴箱液压平衡系统设计与分析 3 油 l 图3 双油缸平衡机械力学原理图 2 很难保 证安 装 的两个 油缸对 于 主轴箱 重 心 的绝对对称 ，导致 ≠ 。 所以在实际工况中，双油缸平衡在结构上很难保 证 不 会对 主轴 箱 产 生 附加 力 矩 ，而 这个 附一 加力 矩 将会 导致 主轴箱在运动过程 中 产生 一 个垂 直 于 Y轴 的扭矩，使得主轴箱 Y 轴驱动电机 电流过大 发热 或 者液 压 泵 由于 超载产生 噪声 ，同时 还会影响 y轴 的运动图4 双油缸平衡附加力矩图 平稳性和定位精度，见图4 。 综上所述由于在机械结构力学分析上很难达到 理想状态 ，必然导致主轴箱被施加一个 由于 两个油缸 机械力学不对称所造成的附加力矩 ，影响机床的精度 和使 用性能。而且 经计 算，平衡 系统所需压 力为 9 ． 3 6 7 M P a ，选 1 0 MP a ，与机床其他系统压力不一 样，要增加一套油源，因此 ，不选择双油缸对称布置 方案 。 2 ． 1 ． 2 按照单油缸布置来进行选型 单油缸平衡结构见图 5 ，平衡所需压力 一 一 一 p _ _ ～ 5 ． 7 2 MP a [ 3 ． 1 4 6 ． 3 一 3 ． 6 ] 油缸移动过程 中的容积变化 A V A 日[ n 3 ． 1 4 D 一 d ] H [ 1 3 ． 1 4 6 ． 3 一 3 ． 6 ] 1 ． 2 1 0 一2 ． 5 4 L 单油缸平衡结构的机械力学计算。单油缸的结构 原理是将主轴箱的重力直接施加到一个油缸上 Fl G 1 2 0 0 1 0 1 2 0 0 0 N 由于只有一个油缸作用于主轴箱上，将不会产生 附加扭矩 ，具体计算过程略。 图5 单油缸平衡结构图 综上所述经计算 ，此 方案平 衡 系统压 力为 5 ． 7 2 M P a ，选 6 M P a ，该压力与刀具夹 紧松开 、整机 防护罩开合油路、工作台回转夹紧油路的压力相当， 不需要单独增加油源，而且在机械力学方面不会影响 机床精度和使用性能，因此，可以选择单油缸布置形 式 的方案 。 2 ． 2按 照控 制 方式优 选 方案 目前国内外比较常用的液压控制方式主要有两 种 1 泵阀控制保压； 2 蓄能器控制保压。 2 ． 2 ． 1 泵阀平衡 按照双油缸结构选择泵阀控制进行计算 单油 缸与双油缸控制原理相同 ，液压原理图见图6 。 图 6 泵阀平衡原理图 ] 4 机床与液压 第4 0卷 初始条件见表 1 ，为了满足速度要求 Q A 3 ． 61 0 X 【 2 3 ． 1 4 0 ． 4 ． 0 ． 2 8 】 4 6 ． 1 2 L ／ m in P 1 0 MPa 回路上有减压溢流阀控制平衡回路压力。整个主 轴箱运动过程该泵回路保持运转，则功耗 D 一 竺 一 ”一 6 0 x 1 0 一 8 ． 6～1 0 k W 6 0 1 0 。 、 式中A为溢流阀压力 P 与工作压力P的比值 ，通常 p 要比P高出 1 0 ％ 一 3 0 ％，功耗较大，发热严重，加 大了冷却机功率。 因此，泵阀平衡，占用空间相对小 ，压力控制变 化相对小 压力控制精度取决于阀的控制精度，与 减压溢流阀的通过量即主轴箱运动速度有关 ，一般较 蓄能器平衡方式稍高 ，回路惯性小。但是功率损耗 大 ，系统发热严重 ，最大值可达 1 0 k W，系统热平衡 问题很难解决 ，泵使用寿命较蓄能器短，系统泵源存 在噪声 。 2 ． 2 ． 2 蓄能器平衡 按 照蓄 能 器平 衡 控制 进 行计 算 选 型 单 油 缸 原理见图 7 ，初始条件见表 1 。为了满足行程要求， 蓄能器的容积应该满足 V 1 5 ～2 0 X A X H 1 5 ～2 0 l 1 3 ． 1 4 D 一 d I H 1 5 2 0 I 1 3 ． 1 4 6 ． 3 3 ． 6 I 1 ． 2 1 0 ～ 1 5～2 02 ． 5 4 L 3 8～5 0 ． 8 L 式 中l 5～ 2 0为经验参数 。 图 7 储 能器平衡 系统原理 图 此方案平衡系统压力为 5 ． 6 MP a ，选用 6 M P a ， 选用 5 0 L规 格 的蓄能 器 1个 ，实 际容 积 为 4 7 ． 5 L ， 充氮 压力 4 ． 9 M P a 取对应最大主轴箱 质量 1 2 0 0 k g ， 平衡压力 5 ． 8 MP a的 8 5 ％ 。 根据绝热气态平衡方 程 P ． V 1 ， 得 1 油缸活塞 回缩 吊起 至 油缸 0 m m行 程 ， 蓄能器氮气腔压力 5 ． 4 6 M P a ，氮气腔容积 4 2 ． 6 L ； 蓄能器油压腔压力为 5 ． 5 M P a ，容积 4 ． 9 L 。 2 油缸活塞杆 回缩至 1 ／ 2总行程 ，蓄能器氮气 腔压力为5 ． 6 3 MP a ，氮气腔容积4 1 ． 3 5 L ；蓄能器油 压腔压力 5 ． 6 3 MP a ，容积 6 ． 1 5 L 。 3 油 缸 活塞 杆 外 伸至 油 缸 总行 程 1 2 0 0 m m， 蓄能器氮气腔压力 5 ． 8 M P a ，氮气腔容积 4 0 ． 1 L ；蓄 能器油压腔压力 5 ． 8 MP a ，容积 7 ． 4 L 。 油缸活塞杆外伸／ 回缩过程，蓄能器平衡压力变 化的差值，由垂直驱动机构补偿克服。平衡主轴箱重 力拉力变化的差值 ，未考虑油缸及运动副的摩擦力 ， 静态下理论计算值约为 7 1 0 N。蓄能器进出流量最大 可达 6 0 0 L ／ m i n ，能满足要求 。 综上所述 蓄能器平衡，占用空间相对大 ，压力 控制变化值 相对 大 压 力控制 变化 值 与所 用蓄 能器 的容积有关 ，出于减小 占用空间的 目的 ，通 常压力控 制精度稍低，部件运动时 回路压力有一定的变化范 围，要求选用驱动电机驱动力稍大来克服 ，蓄能器 质量大，回路惯性大。但是基本没有功率损耗 ，节能 无噪声 ，不存在系统发热和热平衡问题，蓄能器较 泵、阀使用寿命长，可靠性高。停机时可保压支撑运 动部 件 自身重力 。 3 对优选方案进行可行性分析 从上述计算分析可知，单油缸蓄能器平衡系统较 适合 T H M 4 6 1 0 0的主轴箱平衡。 机床其他 系统需要对蓄能器平衡系统进行互补的 地方 主要有两个方 面 1 蓄能器 占用空间大 ，回路 惯性 大 T H M 4 6 1 0 0机床采用整体式床身和整体式龙门立 柱，这样的结构不仅刚性好，结构紧凑 ，外观精美， 同时还留有 足够 的空间安装蓄能器和液压油缸 ，只需 要保证蓄能器和液 压油缸安装 的结构强度和刚度 ，便 能弥补液压 回路惯性 大的不足 。 2 主轴箱运动时回路压力有一定的变化范围， 要求驱动电机对其 变化 范围进行补偿 T H M 4 6 1 0 0采用 的 Y 轴 伺服 电机 和丝杆 参数 如表 4所示 。 第 1 8 期 寸花英 等主轴箱液压平衡系统设计与分析 5 表4 电机、丝杠参数表 电机扭矩 Ⅳ目 ／ N m 电机最大扭矩Ⅳ ／ N i n 电机额定功率 P ／ k W 丝杆螺距 P ／ mm 丝杆直径 D ／ m m 摩擦因数 5 3 1 3 O 9 2 0 6 3 0． 0 05 该机床采用电机直连丝杆的传动方式进行传动， 快速移动时，电机转速 兰 鱼 1 8 0 0 r a d ／ m i n 一 P一 2 0 一 ‘ ““ “ 此 时的电机扭矩 为 Nf P 9 5 5 0 9 9 5 5 0 1 ． 8 1 0 4 7． 7 5 N m 届 动 时 丝 什 的诬 力 为 1 一 【 蔷 2 3 ． 1 4 】 1 0 ． 0 0 5 【 2 3 ． 1 4 】 4 1 9 ． 8 6 N 快速移动时丝杆 的拉力为 1 一 【 7 2 3 ． 14 】 1 0 ． 0 0 5 【 2 3 ． 14 】 3 7 8 ． 2 7 N 则 丝杆拉力 占主轴箱总重力 的百分 比为 fG 1 0 0 ％ z 墨 1 0 0 ％ 31 ． 5％～ 3 4 ． 9 9％ 蓄能器平衡主轴箱重力最小百分比为 Pm in 1 0 0％ 5 ． 5 1 0 0％ 9 6 ． 2 ％ 需 要伺服 电机 的辅助拉力百分 比为 19 6 ． 2％ 3 ． 8 ％ 安全系数 为 8 ． 2 9 ～ 9 ． 21 3 ．8％ ‘ ’ 安 伞 系数 较 高 ．满 足平 衡 系统 的可 靠 件 要 求 4结 论 通过计算选型和可靠性分析 ，单油缸蓄能器平衡 方式能够满足 T H M 4 6 1 0 0高精密卧式加工中心主轴箱 重力的平衡要求。该平衡方式的主要优点 1 不会产生机械结构的附加扭矩； 2 平衡所需压力与机床其他液压控制压力吻 合 ，便于集成 ； 3 选用的伺服电机过载能力较强 ，部件运动 时回路产生的压力变化均能控制在电机驱动载荷范围 内，可行性高； 4 蓄能器基本无功耗，能够节能降噪 ，寿命 高 ，维护成本低 。 文中详细介绍了一种科学周密的机床方案设计思 路 ，即提出问题一设计初始条件一初选方案一方 案分析对比一选出最优方案一最优方案校核。这种设 计方法属于现代设计方法中的系统工程设计，不仅能 选出适合研究对象的最优方案，还能合理有效地对最 优方案进行修正和优化 ，其流程如图8 。 方 选 正 案 出 后 分 最 的 设 析 优 最 计 初 始 条 对 方 优 件 比 案 方 案 图 8 机床方案设计流程图 参考文献 【 1 】 机床设计手册 编写组． 机床设计手册 第三册[ M] ． 北京 机械工业 出版社 ， 1 9 8 6 ． 【 2 】 哈尔滨工业大学理论力学教研室． 理论力学[ M] ． 北京 高等教育出版社， 2 0 0 2 ． 【 3 】 章宏甲， 王积伟 ， 黄谊． 液压与气压传动[ M] ． 北京 机械 工业 出版社 ， 2 0 0 7 ． 【 4 】杨振坤， 陈国联． 电工电子技术 [ M] ． 西安 西安交通大 学 出版社 ， 2 0 0 7 ． 【 5 】谢友柏． 现代设计方法 [ M] ． 西安 西安交通大学出版 社 ， 2 0 0 5 ． 【 6 】 濮良贵 ， 纪名刚． 机械设计[ M] ． 北京 高等教育出版社， 2 0 06 ’ “ 。 ’ - 。 ” 。 “ 。 “ 。 “ ． ． 。 、 “ ’ “ ’ ． ． 。 ．． “ ～． ． 。 ～ ． ． ’ “ 。 ” ． ． ． 。 ～ ” ‘ ～ ” ’ ～ “ ’ ～ ． ． ’ ～ ． ． ’ ～ ． ． 。 ～ “ 。 ～ ．． ‘ ～ ． ． 。 ～ ．． ’ ～ ． ． ‘ ～ ． ． ’ ～ ” 。 ～ “ 。 ～ ． ． ’ ～ “ 。 ～ “ ’ ～ “ ’ ～ “ ’ ～ ． ． ’ ～ “ ’ ～ ． ． ’ ～ ． ． ’ ． ． I ． | ’ 全球最小的数字压力传感器近期 问市 ’ ～ S T Mi c r o e l e c t r o n i c s 意法半导体 日前推出一款新的压力传感器，允许手机和其他移动终端计算其相对于海平面 的垂直高度差，而且这个数字的准确性非常高。这意味着，该移动装置不仅能准确定位到某个建筑物，还能精确到该 ． 建筑物的某个楼层位高度位置。 内容来源机电商情网 、 ～ ～ ～ ～ ． ～ ／ ， ” ～ ～ ～ ． ． ． J ， ” - ． ． ” ～ ～ ” ～ ～ ～ ． ， 、 ～ ～ ～ 、 ～ | ． ． ． ， I ． ， ” ～ ， ． ～ 一 ． ” ～ ． ～ ． ． ～ ． ～ ． ” 、 ． ～ ， ， ” ～ ． ～ 一