某型重型数控机床主轴箱设计及滑枕液压系统仿真分析-开题报告.doc

某型重型数控机床主轴箱设计及滑枕液压系统仿真分析开题报告 班级（学号）：2010010155 姓名：王岐指导教师 ：孙江宏 一、综述本课题研究的意义、研究的现状及已有成果1、1课题来源“重型数控机床主轴箱设计及滑枕液压系统仿真分析”课题是国家“高档数控机床与基础制造装备”科技重大专项重型数控机床关键共性技术创新能力平台课题的子项目。以齐齐哈尔第二机床厂生产的TK6920重型数控镗铣床为研究对象，运用有限元思想，借助一系列的软件对机床的主轴箱以及液压系统分析仿真从而达到提高机床加工精度的目的。1、2课题背景重型数控落地镗铣机床的研究分析起源于上世纪50年代起，国外特别是美、德、日三国是当今世上在数控重型机床科研、设计、制作和应用上,技巧最先进、经验最多的国家。美国的数控机床的主机设计、制作及数控系统基础扎实,且一贯器重科研和创新,故其高性能数控机床技巧在世界也一直领先。德国的数控机床质量及性能良好、先进实用、货真价实,出口遍及世界。尤其是大型、重型、精密数控机床。德国特别器重数控机床主机及配套件之先进实用,其机、电、液、气、光、刀具、测量、数控系统、各种功效部件,在质量、性能上居世界前列。日本充分发展大批生产自动化,继而全力发展中小批柔性生产主动化的数控机床。国内中国在1958年研制出第一台数控机床,通过不懈努力，在50余年间,数控机床的设计和制作技巧有较大前进，但是机床结构的设计多半仍然处于经验设计，设计计算时使用一般的结构计算方法，虽然这些计算具有可靠性、科学性，但是对于复杂的机床结构仅有计算和试验是不够的。这导致国内重型数控落地镗铣机床产品和国外产品还存在着很大的差距。1、3研究意义我国是制造大国，工业制造是国家的经济命脉。随着现代工业的发展以及工艺水平的提高，高效率、高精度、低成本加工性能机床的需求越来越多，而且随着加工产品的大型化，自动化的趋势，重型数控落地镗铣机床的需求量越来越高。重型数控落地式镗铣床已列为振兴国家装备制造业“数控机床发展专项规划”，是我国重点扶持的行业，但由于重型数控落地镗铣机床的体积大，吨位重，生产制造成本高，这有必要在设计时进行多方面的分析，降低机械振动，减少部件的弯曲变形从而提高加工工件的生产质量。本课题重点研究重型数控落地镗铣机床的关键部件的静动特性，以及整机的液压系统。课题的结果对提高机床整机的性能以及加工精度具有重大的借鉴意义。对于大型落地式镗铣床液压系统的设计具有推动作用。1、4国内外研究现状分析和成果本次课题研究共查阅相关文献共50篇，年份分布图1所示图1年份分布图从图中看出文献主要集中在2011-1013年，这说明文献的实时性较强，对本论文研究具有重大的借鉴意义。文献内容主要包括机床主轴箱、滑枕、液压系统等几方面的介绍和分析具体情况如图1所示：图1文献内容分类数量统计从图中看出文献总体分为六大类别，分别是对机床整体、主轴箱、滑枕、液压系统、其他部件分析以及机床介绍。整体方面，文献主要是从机床的机构设计分析、动态分析和热特性三个方面进行研究的。主要采用ANSYS 有限元软件对机床的结构建模12，分析机床的结构找到刚度的薄弱环节进行优化，对机床进行热特性分析为整机的冷却系统提供理论3，同时改进装置提高加工精度。对于机床的动力分析时采用有限元及结构优化（CAE）技术相结合的手段4，提高机床性能。机床滑枕分析主要分为滑枕的结构设计、动特性分析、热特性分析以及滑枕的变性补偿四个方面。（1）结构设计时主要运用有限元分析的方法对滑枕的内部结构的静、动特性进行分析，提高滑枕的灵敏度56。（2）动态分析时首先进行三维建模，进而采用ANSYS对滑枕进行动特性分析。分析时，采用Block Lanczos 法求解，得出通过增加加强筋、固定螺栓的预紧力、改变约束位置等来调整方滑枕的刚度，起到提高固有频率的目的6。（3）热特性分析时主要运用有限元软件仿真计算滑枕系统的稳态温度场分布以及热平衡时间，得出且温度分布均匀程度是影响热变形的关键因素7-8。（4）滑枕的变形补偿分析时首先采用PRO/E建模，之后用有限元分析方法对滑枕进行静态分析9-12，从而建立一系列的平衡方程,找出滑枕的补偿方法。机床主轴箱分析主要分为主轴箱的结构设计与优化、模态分析、热特性分析和主轴箱的补偿四个方面。主要运用PRO/E13，CAD、matlab14以及Solid Works15 三种软件对机床主轴建模，结构分析和优化设计时主要采用matlab软件，模态分析和热特性分析时主要运用ANSYS进分析1617，主轴箱的补偿分析时主要运用CAE18。在优化时普遍采用ANSYS论证。机床液压系统分析主要分为液压系统的设计和优化、液压系统的平衡两个方面。液压系统设计时运用理论知识设计液压系统，通过Hop san、ADAMS/Hydraulics、Matlab /Simulink、AMESim19以及EASY5等仿真软件对液压系统进行仿真20，找出系统中的问题环节，改进系统。液压系统主要以配重锤平衡、蓄能器平衡、压力控制阀平衡和PID补偿四种方法21为主，运用上述的液压系统软件对平衡后的系统仿真，得到最优的平衡措施。机床的其他部件的分析主要是机床的镗轴的刚度分析22，立柱的静态和模态分析23以及机床双驱机构24的的改进。通过PRO/E对这些零件建模，运用有限元分析软件对三个部件的动特性以及静特性分析，总结出改进方法。纵观文献内容发现目前重型数控落地镗铣机床的发展方向是高速铣削，其功能通过滑枕组件来完成。在理论论证时需要对主轴箱、滑枕、立柱等部件进行强度、刚度分析，以保证镗铣床的加工精度以及可靠性。现在国内外对机床进行静态、模态分析多采用计算机辅助工程( CAE ) 技术，通过PRO/E，CAD、matlab以及Solid Works对机床部件建模，运用ANSYS、matlab以及CAE软件，根据实际工作情况，将实际中的经验数据加载到模型中，进一步分析,这样可以找到机床的薄弱点，并且对问题点进行修改和优化。在机床液压系统理论分析时主要运用Hop san、ADAMS/Hydraulics、Matlab /Simulink、AMESim以及EASY5等仿真软件对液压系统进行仿真，发现液压系统的问题，进行改进。 二、研究内容本课题研究方向，研究内容、系统功能本课题重点对重型数控落地镗铣机床的液压系统进行设计以及机床主轴箱设计。(1) 液压系统设计包括初步设计液压系统，运用相关软件对系统进行分析，优化系统机构。(2) 主轴箱设计包括初步设计主轴箱的传动比，主轴箱的结构设计以及校核。 三、实现方法及预期目标包括实施的初步方案、重点、难点及环境3、1主轴箱的设计 首先计算相关数据,设计主轴箱的结构，文献中可以借鉴的主轴箱结构有以下几个方案。方案一：TK69系列镗铣床不开口主轴箱结构，如图3-1-1所示：图3-1-1 TK69系列不开口主轴箱模型方案二：TK69系列镗铣床开口主轴箱结构，如图3-1-2所示：图3-1-2 TK69系列开口主轴箱模型方案三:数控车床主轴箱结构,图3-1-3所示。图3-1-3CK61系列数控车床主轴箱实体图方案四：数控铣床主轴箱机构，如图3-1-4所示。图3-1-4 XK系列数控铣床主轴箱结构其次在将在Pro /E、SolidWorks 以及CAD 中建立好的模型导入到ANSYS Workbench中，建立有限元模型如图3-1-5、3-1-6所示，并且运用ANSYS对主轴箱进行模态分析以及动特性优化。图3-1-5主轴箱的有限元模型图3-1-6 ANSYS分析方案评价：在主轴箱结构设计阶段共有四个典型的主轴箱模型可以给本课题作为借鉴，考虑到本课题研究的是齐齐哈尔第二机厂的TK692O型号重型数控镗铣床所以在方案一二中选择一个主轴箱的结构作为本课题主轴箱结构设计时的参考。由于方案一属于传统的主轴箱设计，箱体的强度、刚度都比较好，适合重型数控镗铣床的主轴箱结构案故选择TK69系列前端不开口的主轴主轴箱结构。建模方面，ProE操作软件是美国参数技术公司(PTC)旗下的CADCAECAM一体化的三维软件。ProE软件在目前的三维建模软件领域中占有着重要地位，以参数化著称，是参数化技术的最早应用者，采用模块化方式可以解决产品多样性的问题。Solid Works为达索公司集团为制造业提供系统及生产相关的服务，提供涵盖整个产品周期的系统，包括设计、制造、工程和产品数据管理等领域。Solid works软件组件繁多，功能强大、易学易用和技术创新是Solid Works的特点，这使得Solid Works成为主流的、领先的三维CAD解决方案。Solid Works能够提供不同的设计方案、减少设计过程中的错误以及提高产品质量。因此在三维建模方面主要运用Solid Works软件进行建模。3、2液压系统的设计与仿真3、2、1液压系统设计依据本课题，TK6920重型数控镗铣床液压系统共包含四个主要的部分：（1） 主轴箱的平衡液压系统，如图3-2-1-1所示。 图3-2-1-1主轴箱平衡系统原理图 主轴箱平衡系统主要液压元件型号 （2）滑枕液压系统，如图3-2-1-2所示。图3-2-1-2滑枕液压系统原理图（3） 镗杆伸缩液压系统以及立柱平移液压系统，如图3-2-1-3所示。图3-2-1-3镗杆伸缩液压系统原理图 镗杆伸缩液压系统主要液压元件型号3、2、2液压系统仿真方案一：首先依据课题要求设计液压系统，通过计算机辅助软件AMESim对液压系统进行建模，主要包括：模型的创建、模型的类型、模型的参数的设置等三方面。通过软件仿真得到结果如图3-2-2-1所示，对仿真结果进行研究改进原有的液压系统如图3-2-2-2所示。图3-2-2-1液压系统的仿真结果图3-2-2-2液压系统改进方案二：首先需要对原有液压系统进行设计，其次利用EASY5液压系统仿真软件建立液压系统模型 如图3-2-2-3所示。图3-2-2-3基于EASY5的液压系统建模通过实验以及液压系统的仿真结果对比如图3-2-2-4所示，分析液压系统特性，得出分析结果。图3-2-2-4仿真结果和实验结果对比方案三:初步设计液压系统，运用Matlab /Simulink仿真模块，对液压系统仿真和分析，如图3-2-2-5以及图3-2-2-6。图3-2-2-5三通减压阀仿真模块图图3-2-2-6三通减压阀输出压力仿真曲线方案分析：在液压系统分析方面都是运用仿真分析软件对液压系统的性能做出分析具有相似原理如图3-2-2-7所示，不同的是仿真软件各异。AMESim软件是法国IMAGINE公司在1993年推出的基于键合图的液压机械系统建模、仿真及动力学分析软件。含有一系列的液压库包含不同复杂程度的各种模型专门应用于各种复杂的液压系统设计。相比较与其他仿真软件，它采用复合接口，即一个接口传递多个变量，简化了模型的规模，使得不同领域模块之间的物理连接成为可能。而且具有稳态仿真、动态仿真、批处理仿真、间断连续仿真等多种仿真运行方式，可以得到精度和稳定性很高的仿真结果。EASYS5是当今世界上主要的液压仿真软件，功能强大，包含了70多种主要的液压原部件, 涵盖了液压系统仿真的主要方面，具有一些对应真实物理部件的仿真模型, 如: 马达、泵、阀液压油等等, 用户只要如同组装真实的液压系统一样, 把相应的零件图标从库里取出, 设定参数，连接各个部件, 就可以构造用户的液压系统, 而不必关心具体部件背后复杂的数学模型, 因此EASYS的液压系统仿真软件非常适合工程人员使用。MATLAB是由美国Mathworks公司在1984年正式推出的科学计算与仿真软件，它是一个高度集成的软件系统，它集科学与工程计算、图形可视化、图形处理、多媒体处理于一身，并提供了实用的Windows图形界面设计方法，使用户设计出友好的图形界面，具有超强的数值运算功能、强大的数据可视化功能、开放的架构和可延拓的特性以及丰富的工具箱。三款液压系统的仿真软件功能都十分强大，但EASYS 5系统仿真软件易学易懂、方便快捷、可以在较短的时间内、完成较多的实验内容。所以在液压系统分析时主要采用EASYS 5软件进行仿真分析。图3-2-2-7液压仿真系统三要素关系3、3确定方案根据对文献的分析以及自身基础的评价确定了如下方案。(1) 初步设计主轴箱的传动比，主轴箱的结构采用TK69系列镗铣床不开口主轴箱结构。(2) 采用Solid Works软件对TK6920重型数控落地镗铣机床的主轴箱进行CAD三维建模。(3) 利用利用 ANSYS 软件对主轴箱进行静动特性分析并对结果做出评价。(4) 初步设计整机液压系统包括主轴箱的平衡液压系统、滑枕液压系统、镗杆伸缩液压系统以及 立柱平移液压系统。(5) 利用EASY5软件对液压系统进行仿真，分析仿真结果，优化液压系统。3、4工作量以及重难点分析 由于本课题研究的对象是TK6920重型数控落地式镗铣床，需要巨大的动力、扭矩尺寸等，在设计上就需要满足动力、扭矩的要求，这就是一个重难点。重难点二，项目中提供的原始数据并不完全具体，在主轴箱设计时，需要查阅相关资料，依据经验设计主轴箱。重难点三，目前国内关于重型机床整体的液压系统设计仿真的案例较少，需要自己研究。3、5毕业设计(论文)要求（1） 毕业设计论文1册。（2） 重型数控机床主轴箱平面图纸（A0两张以上）及三维零部件库。（3） 机床滑枕零部件液压驱动系统1套。（4） 液压系统仿真分析模型及详细文档。（5） 不低于5000字的英文翻译，文献综述与开题报告。 四、论文结构（此项适用于文管经专业） 5、 对进度的具体安排第2周，完成文献调研，开始英文翻译；第4周，完成开题报告，完成英文文献；第8周，完成主轴箱结构设计，零部件尺寸设计，完成装配图草图以及有限元分析；第12周，完成液压系统设计计算和仿真分析，完成液压系统结构优化；第13周，完成论文初稿，完成装配图绘制；第14周，完成论文最后修改和图纸修改，提交论文最终稿；第15周，打印论文，准备答辩。 六、参考文献1 陈庆堂.基于ANSYS 的数控铣床整机结构有限元分析J.三明：三明学院学报，2010，27(2)：145-1472 杨浩、秦萍、李柏林.基于ANSYS的落地式镗铣床模态分析J.广州：机床与液压，2010，38(9)：92-1383 张碧清.基于有限元方法的数控铣床整机热特性分析J.天津：数字技术与应用，2013(7)：196-1984 姚银歌.大型数控落地铣镗床CAE与主轴箱优化设计研究及应用D.合肥：合肥工业大学出版社，2010：1-545 吕建法、闫兵、 李柏林.数控铣床滑枕有限元分析及试验研J.北京：机械设计与制造，2010(5)：185-1876 石前列、吴向东、 武友德.基于有限元的落地镗铣床滑枕结构设计J.辽宁：机械设计与制造，2012(4)：19-217 刘殿崇.重型数控落地铣膛床滑枕组件热误差补偿技术研究D.哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2011：1-588 韩江、昂金凤、夏链.基于ANSYS 的TK6920 数控铣镗床滑枕系统热特性分析J.大连：组合机床与自动化加工技术，2012(9)：13-159 王海军、王莘澳.数控铣镗床滑枕进给精确定位补偿系统的研究J.上海：设计与研究，2010(4)：71-7210 孙文才.方滑枕变形处理及补偿的研究J.哈尔滨：哈尔滨工业大学，2010：1-6711 周震东.落地镗铣加工中心主轴滑枕组件误差补偿技术研究J.江苏：苏州大学，2013：1-8912 万东东.大型数控落地镗铣床主轴滑枕变形分析与误差补偿技术的研究J.江苏：苏州大学，2012：1-6913 范中廷、武美萍、施健.大型落地铣镗床主轴箱模态分析与动态特性优化J.辽宁：组合机床与自动化加工技术，2012(2)：122-12814 畅越星.数控落地铣镗床主轴箱动力学分析与结构设计研究J.兰州：兰州理工大学，2007：1-7815 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