數(shù)控機(jī)床液壓系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)

1、HMC數(shù)控機(jī)床液壓系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)1課題研究的目的和意義本課題來(lái)源于與柳州正菱集團(tuán)有限公司簽訂的科研項(xiàng)目，研究的主要對(duì)象是HMC500型臥式加工中心的交換工作臺(tái)的液壓傳動(dòng)系統(tǒng)。研究該課題，主要是對(duì)該交換工作臺(tái)的機(jī)械部分進(jìn)行必要的分析和計(jì)算，歸納出該交換工作臺(tái)的機(jī)械動(dòng)作過(guò)程，并用液壓傳動(dòng)裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)。與純機(jī)械和液力傳動(dòng)相比，液壓傳動(dòng)的主要優(yōu)點(diǎn)是其調(diào)節(jié)的便捷性和布局的靈活性，可根據(jù)工程機(jī)械的形態(tài)和工況的需要，把發(fā)動(dòng)機(jī)、驅(qū)動(dòng)輪、工作機(jī)構(gòu)等各部件分別布置在合理的部位，發(fā)動(dòng)機(jī)在任一調(diào)度轉(zhuǎn)速下工作，傳動(dòng)系統(tǒng)都能發(fā)揮出較大的牽引力，而且傳動(dòng)系統(tǒng)在很寬的輸出轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)仍能保持較高的效率，并能方便地獲得各種優(yōu)化的

2、動(dòng)力傳動(dòng)特性，以適應(yīng)各種作業(yè)的負(fù)荷狀態(tài)。在車速較高的行走機(jī)械中所采用的帶閉式油路的行走液壓驅(qū)動(dòng)裝置能無(wú)級(jí)調(diào)速，使車輛柔和起步、迅速變速和無(wú)沖擊地變換行駛方向。對(duì)在作業(yè)中需要頻繁起動(dòng)和變速、經(jīng)常穿梭行駛的車輛來(lái)說(shuō)這一性能十分寶貴。但與開(kāi)式回路相比，閉式回路的設(shè)計(jì)、安裝調(diào)試以及維護(hù)都有較高的難度和技術(shù)要求。借助電子技術(shù)與液壓技術(shù)的結(jié)合，可以很方便地實(shí)現(xiàn)對(duì)液壓系統(tǒng)的各種調(diào)節(jié)和控制。而計(jì)算機(jī)控制的引入和各類傳感元件的應(yīng)用，更極大地?cái)U(kuò)展了液壓元件的工作范圍。通過(guò)傳感器監(jiān)測(cè)工程車輛各種狀態(tài)參數(shù)，經(jīng)過(guò)計(jì)算機(jī)運(yùn)算輸出控制目標(biāo)指令，使車輛在整個(gè)工作范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制，機(jī)器的燃料經(jīng)濟(jì)性、動(dòng)力性、作業(yè)生產(chǎn)率均達(dá)到

3、最佳值。因此，采用液壓傳動(dòng)可使工程機(jī)械易于實(shí)現(xiàn)智能化、節(jié)能化和環(huán)保化，而這已成為當(dāng)前和未來(lái)工程機(jī)械的發(fā)展趨勢(shì)。2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀2.1國(guó)外研究現(xiàn)狀限于可查閱的資料有限，本文主要從液壓柱塞泵和液壓閥集成兩方面闡述國(guó)外的技術(shù)現(xiàn)狀。液壓柱塞泵具有節(jié)能、低噪聲和先進(jìn)的控制技術(shù)。很多著名企業(yè)如力士樂(lè)、Parker、ATOS、油研等都積極從事變量柱塞泵的開(kāi)發(fā)和推廣應(yīng)用，變量柱塞泵已成為液壓系統(tǒng)的關(guān)鍵元件，它的發(fā)展可以使液壓系統(tǒng)向高壓發(fā)展，提高效率，提高功率密度，變量泵的多種變量控制方式可以減少液壓系統(tǒng)的控制閥類元件，簡(jiǎn)化系統(tǒng)，另一方面人們也更關(guān)注變量柱塞泵的低噪聲和高可靠性。 Rexroth公司展出了為注塑

4、機(jī)配套的A10VSO-DFEE電子變量控制泵，該泵的壓力、流量由電子控制系統(tǒng)控制，通過(guò)位置傳感器和壓力傳感器將信息反饋給高響應(yīng)頻率的比例閥，從而控制變量柱塞泵的輸出流量和壓力。該泵具有低噪聲、高效率、頻響高、控制精確、節(jié)省能源等特點(diǎn)，用于注塑機(jī)上可以節(jié)能20%。派克漢尼汾公司展出的PV型壓力流量控制變量柱塞泵，由先導(dǎo)型比例壓力閥和比例流量閥控制，該泵采用配油預(yù)壓控制，可以顯著降低脈動(dòng)率，另外還對(duì)泵體結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，使泵體振動(dòng)頻率降低，采取上述措施后使油泵噪聲降低35dB。油研公司展出的04型電液比例負(fù)載敏感控制型變量柱塞泵(PQ泵)，該泵通過(guò)比例閥(PQ閥)對(duì)壓力和流量進(jìn)行匹配控制，使壓力、

5、流量隨負(fù)載而變化，從而減少功率消耗。該泵用于注塑機(jī)平均可節(jié)能40%50%。 液壓閥的發(fā)展方向是集成化和機(jī)電一體化。在集成化方面：各大公司都展出了各種疊加閥、插裝閥、螺紋插裝閥、閥塊和系統(tǒng)，其特點(diǎn)是：小型化，減少安裝空間；簡(jiǎn)化管路，減少液體流動(dòng)阻力、泄漏、振動(dòng)、噪聲等接管引起的問(wèn)題；便于用戶檢查和維修；工作更可靠。在機(jī)電一體化方面：各公司展出了品種齊全的具有先進(jìn)水平的電液比例閥、電液伺服閥和比例伺服油缸等。 博士公司和ATOS公司新開(kāi)發(fā)的比例閥，特點(diǎn)是有伺服閥的高控制精度和高頻響(3040Hz)，又有比例閥的耐污染性。比例放大器包括模擬放大器和數(shù)字放大器，接口考慮了總線連接。ATOS公司還展出了

6、數(shù)字伺服執(zhí)行器，它是一種智能部件，它包括帶集成式位置傳感器的伺服油缸、比例閥、集成式數(shù)字控制器、電子反饋信號(hào)、電源和現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)的接線，用戶可以通過(guò)軟件隨意設(shè)定動(dòng)作循環(huán)和液壓功能參數(shù)。2.2 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀我國(guó)液壓工業(yè)已可為工程機(jī)械、農(nóng)業(yè)機(jī)械、機(jī)床、塑機(jī)、冶金、礦山、石油化工、鐵路、船舶、輕工機(jī)械等提供比較齊全的產(chǎn)品，目前，液壓元件產(chǎn)品約有1000 個(gè)品種，近10000 個(gè)規(guī)格。通過(guò)科技攻關(guān)和技術(shù)引進(jìn)，產(chǎn)品水平有一定提高，生產(chǎn)出一些具有世界水平的產(chǎn)品，另外，在CAD 和CAT 技術(shù)、污染控制、故障診斷、機(jī)電一體化、海水及高水基溶液的應(yīng)用、現(xiàn)代控制技術(shù)的應(yīng)用等方面也取得可喜成果，不少已應(yīng)用于生產(chǎn)。

7、對(duì)于本課題研究的HMC500型數(shù)控機(jī)床的液壓系統(tǒng)，國(guó)內(nèi)很多廠家都開(kāi)發(fā)出了同類產(chǎn)品。如沈陽(yáng)第一機(jī)床廠生產(chǎn)的HMC500高速臥式加工中心，該加工中心交換工作臺(tái)最大的特點(diǎn)是：雙托盤交換結(jié)構(gòu)的應(yīng)用，極大的減少了工件裝卡時(shí)間，提高了生產(chǎn)效率。獨(dú)特的托盤交換器結(jié)構(gòu)，不但保證了托盤交換的快速性和準(zhǔn)確性，也極大的降低了客戶將來(lái)?yè)Q件維修的費(fèi)用?？焖贀Q刀裝置能極大的滿足汽車生產(chǎn)線加工節(jié)拍的需要。四川長(zhǎng)征機(jī)床廠生產(chǎn)的HMC500雙工作臺(tái)臥式加工中心，其回轉(zhuǎn)工作臺(tái)分度定位的最小分割單位為1”，最大承載重量可達(dá)800 Kg，工作臺(tái)交換時(shí)間12 sec。臺(tái)灣喬福機(jī)械工業(yè)有限公司生產(chǎn)的HMC-500加工中心，其工作臺(tái)旋轉(zhuǎn)分

8、度為1”，最大負(fù)載可達(dá)550 Kg，交換時(shí)間為8sec。臺(tái)灣高峰機(jī)床廠生產(chǎn)的HMC500臥式加工中心，采用高精度自動(dòng)工作臺(tái)交換系統(tǒng)（A.P.C），滿足彈性化、自動(dòng)化的生產(chǎn)規(guī)劃需求,其高精度旋轉(zhuǎn)式工作臺(tái)交換系統(tǒng)，適合彈性之自動(dòng)化生產(chǎn)規(guī)劃。旋轉(zhuǎn)式交換動(dòng)作簡(jiǎn)捷確實(shí)，工作臺(tái)靠Z軸迅速移動(dòng)，交換工作臺(tái)時(shí)間僅11秒。工作臺(tái)定位精度：15（CMD方式檢驗(yàn)）。優(yōu)越之工作臺(tái)承重能力：800kg。3設(shè)計(jì)思路3.1該機(jī)床液壓系統(tǒng)原理分析HMC500型臥式加工中心是集高速、高精度及高可靠性等特點(diǎn)于一體，并具有雙托盤交換功能。機(jī)床總體布局采用國(guó)際流行的“T”型結(jié)構(gòu)，剛性足、精度保持性好、加工空間大、結(jié)構(gòu)緊湊、節(jié)省空間。

9、該系列機(jī)床可一次裝夾完成多個(gè)面的銑、鉆、擴(kuò)、鏜、絞、攻絲等多道工序，是箱體、殼體、閥體等零部件加工的理想設(shè)備，尤其適合汽車發(fā)動(dòng)機(jī)缸體、缸蓋、變速箱殼體等零件的成套加工生產(chǎn)線，廣泛適用于汽車、摩托車、儀表、液壓件等行業(yè)。本課題研究的HMC500型機(jī)床的交換工作臺(tái)的動(dòng)作過(guò)程概述如下：解開(kāi)工作臺(tái)卡鎖工作臺(tái)上升、松開(kāi)托盤上升托盤旋轉(zhuǎn)、交換位置托盤下降工作臺(tái)下降、夾緊工作臺(tái)卡緊。當(dāng)工件在加工過(guò)程中，需要進(jìn)行多工位加工時(shí)，可使用分度盤來(lái)實(shí)現(xiàn)，其動(dòng)作過(guò)程概述如下：解開(kāi)工作臺(tái)卡鎖分度盤上升分度盤分度分度盤下降工作臺(tái)卡緊。要實(shí)現(xiàn)上述動(dòng)作過(guò)程，可以使用順序動(dòng)作回路來(lái)實(shí)現(xiàn)工作臺(tái)、托盤的順序動(dòng)作，使用速度控制回路來(lái)實(shí)

10、現(xiàn)托盤、分度盤的旋轉(zhuǎn)速度控制，使用液壓馬達(dá)來(lái)實(shí)現(xiàn)托盤的旋轉(zhuǎn)動(dòng)作。整機(jī)的液壓系統(tǒng)原理圖由擬定好的控制回路及液壓源組合而成。為便于液壓系統(tǒng)的維護(hù)和監(jiān)測(cè)，在系統(tǒng)中的主要路段需裝設(shè)必要的檢測(cè)元件(如壓力表、溫度計(jì)等)。順序動(dòng)作回路的功用是使液壓系統(tǒng)中多個(gè)執(zhí)行器嚴(yán)格地按規(guī)定的順序動(dòng)作。按控制方式不同可分為壓力控制和行程控制兩類。壓力控制順序動(dòng)作回路是用油路中壓力的差別自動(dòng)控制多個(gè)執(zhí)行元件先后動(dòng)作的回路，如圖2。行程控制順序動(dòng)作回路是在液壓缸移動(dòng)一段規(guī)定行程后，由機(jī)械機(jī)構(gòu)或電氣元件作用，改變液流方向，使另一液壓缸移動(dòng)的回路，如圖3。圖2 壓力控制順序動(dòng)作回路圖3 行程控制順序動(dòng)作回路3.2 液壓元件的選擇

11、與專用件設(shè)計(jì)液壓泵的選擇（1）確定液壓泵的最大工作壓力pPpPp1p式中 p1液壓缸或液壓馬達(dá)最大工作壓力；p從液壓泵出口到液壓缸或液壓馬達(dá)入口之間總的管路損失。p的準(zhǔn)確計(jì)算要待元件選定并繪出管路圖時(shí)才能進(jìn)行，初算時(shí)可按經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)選?。汗苈泛?jiǎn)單、流速不大的，取p(0.20.5)MPa；管路復(fù)雜，進(jìn)口有調(diào)速閥的，取p(0.51.5) MPa?；赜捅硥簯?yīng)折算到進(jìn)油路。（2）確定液壓泵的流量qP多個(gè)液壓缸或液壓馬達(dá)同時(shí)工作時(shí)，液壓泵的輸出流量應(yīng)為qPK(qmax)式中 K系統(tǒng)泄漏系數(shù)，一般取K1.11.3；qmax同時(shí)動(dòng)作的液壓缸或液壓馬達(dá)的最大總流量，可從(qt)圖上查得。對(duì)于在工作過(guò)程中用節(jié)流調(diào)速

12、的系統(tǒng)，還須加上溢流閥的最小溢流量，一般 取0.5×104m3s。系統(tǒng)使用蓄能器作輔助動(dòng)力源時(shí)式中 K系統(tǒng)泄漏系數(shù)，一般取K1.2；Tt液壓設(shè)備工作周期(s)；Vi每一個(gè)液壓缸或液壓馬達(dá)在工作周期中的總耗油量(m3)；Z液壓缸或液壓馬達(dá)的個(gè)數(shù)。（3）選擇液壓泵的規(guī)格 根據(jù)以上求得的pP和qP值，按系統(tǒng)中擬定的液壓泵的形式，從產(chǎn)品樣本或手冊(cè)中選擇相應(yīng)的液壓泵。為使液壓泵有一定的壓力儲(chǔ)備，所選泵的額定壓力一般要比最大工作壓力大2560。（4）確定液壓泵的驅(qū)動(dòng)功率在工作循環(huán)中，如果液壓泵的壓力和流量比較恒定，即(pt)、(qt)圖變化較平緩，則式中 pP液壓泵的最大工作壓力(Pa)；qP液

13、壓泵的流量(m3/s)；P液壓泵的總效率，參考表41選擇。限壓式變量葉片泵的驅(qū)動(dòng)功率，可按流量特性曲線拐點(diǎn)處的流量、壓力值計(jì)算。一般情況下，可取pP0.8pPmax，qPqn，則式中 pPmax液壓泵的最大工作壓力(Pa)；qn液壓泵的額定流量(m3/s)。在工作循環(huán)中，如果液壓泵的流量和壓力變化較大，即(pt)、(qt)曲線起伏變化較大，則須分別計(jì)算出各個(gè)動(dòng)作階段內(nèi)所需功率，驅(qū)動(dòng)功率取其平均功率式中 t1、t2、tn個(gè)循環(huán)中每一動(dòng)作階段內(nèi)所需的時(shí)間(s)；Pl、P2、Pn一個(gè)循環(huán)中每一動(dòng)作階段內(nèi)所需的功率(W)。按平均功率選出電動(dòng)機(jī)功率后，還要驗(yàn)算一下每一階段內(nèi)電動(dòng)機(jī)超載量是否都在允許范圍內(nèi)

14、。電動(dòng)機(jī)允許的短時(shí)間超載量一般為25。 液壓閥的選擇（1）閥的規(guī)格，根據(jù)系統(tǒng)的工作壓力和實(shí)際通過(guò)該閥的最大流量，選擇有定型產(chǎn)品的閥件。溢流閥按液壓泵的最大流量選??；選擇節(jié)流閥和調(diào)速閥時(shí)，要考慮其最小穩(wěn)定流量應(yīng)滿足執(zhí)行機(jī)構(gòu)最低穩(wěn)定速度的要求。控制閥的流量一般要選得比實(shí)際通過(guò)的流量大一些，必要時(shí)也允許有20以內(nèi)的短時(shí)間過(guò)流量。（2）閥的型式，按安裝和操作方式選擇。3.2.3管道尺寸的確定（1）管道內(nèi)徑計(jì)算式中 q通過(guò)管道內(nèi)的流量(m3/s)；v管內(nèi)允許流速(m/s)，見(jiàn)表42。計(jì)算出內(nèi)徑d后，按標(biāo)準(zhǔn)系列選取相應(yīng)的管子。（2）管道壁厚的計(jì)算式中 p管道內(nèi)最高工作壓力(Pa)；d管道內(nèi)徑(m)； 管道

15、材料的許用應(yīng)力(Pa)，b/nb管道材料的抗拉強(qiáng)度(Pa)； n安全系數(shù)，對(duì)鋼管來(lái)說(shuō)，p7MPa時(shí)，取n=8；p17.5MPa，取n6；p17.5MPa時(shí)，取n4。3.2.4油箱容量的確定初設(shè)計(jì)時(shí)，先按下式確定油箱的容量，待系統(tǒng)確定后，再按散熱的要求進(jìn)行校核。油箱容量的經(jīng)驗(yàn)公式為VaqV式中，qV液壓泵每分鐘排出壓力油的容積(m3)；a經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，見(jiàn)表43。在確定油箱尺寸時(shí)，一方面要滿足系統(tǒng)供油的要求，還要保證執(zhí)行元件全部排油時(shí)，油箱不能溢出，以及系統(tǒng)中最大可能充滿油時(shí)，油箱的油位不低于最低限度。3.3 液壓裝置設(shè)計(jì)3.3.1 液壓裝置總體布局液壓系統(tǒng)總體布局有集中式、分散式。本設(shè)計(jì)擬采用集成式

16、。集中式結(jié)構(gòu)是將整個(gè)設(shè)備液壓系統(tǒng)的油源、控制閥部分獨(dú)立設(shè)置于主機(jī)之外或安裝在地下，組成液壓站。3.3.2 液壓閥的配置形式(1)板式配置 板式配置是把板式液壓元件用螺釘固定在平板上，板上鉆有與閥口對(duì)應(yīng)的孔，通過(guò)管接頭聯(lián)接油管而將各閥按系統(tǒng)圖接通。(2)集成式配置目前液壓系統(tǒng)大多數(shù)都采用集成形式。它是將液壓閥件安裝在集成塊上，集成塊一方面起安裝底板作用，另一方面起內(nèi)部油路作用。本設(shè)計(jì)擬采用集成式配置方式。3.3.3集成塊設(shè)計(jì)(1)塊體結(jié)構(gòu) 集成塊的材料一般為鑄鐵或鍛鋼，低壓固定設(shè)備可用鑄鐵，高壓強(qiáng)振場(chǎng)合要用鍛鋼。塊體加工成正方體或長(zhǎng)方體。 本課題設(shè)計(jì)的液壓系統(tǒng)較復(fù)雜，控制閥較多，采用相互疊積的集

17、成塊，上下面一般為疊積接合面，鉆有公共壓力油孔P，公用回油孔T，泄漏油孔L和4個(gè)用以疊積緊固的螺栓孔；P孔，液壓泵輸出的壓力油經(jīng)調(diào)壓后進(jìn)入公用壓力油孔P，作為供給各單元回路壓力油的公用油源。 T孔，各單元回路的回油均通到公甩回油孔T，流回到油箱。L孔，各液壓閥的泄漏油，統(tǒng)一通過(guò)公用泄漏油孔L流回油箱。 集成塊的其余四個(gè)表面，一般后面接通液壓執(zhí)行元件的油管，另三個(gè)面用以安裝液壓閥。塊體內(nèi)部按系統(tǒng)圖的要求，鉆有溝通各閥的孔道。(2)集成塊結(jié)構(gòu)尺寸的確定 外形尺寸要滿足閥件的安裝，孔道布置及其他工藝要求；為減少工藝孔，縮短孔道長(zhǎng)度，閥的安裝位置要仔細(xì)考慮，使相通油孔盡量在同一水平面或是同一豎直面上。

18、 對(duì)于復(fù)雜的液壓系統(tǒng)，需要多個(gè)集成塊疊積時(shí)，一定要保證三個(gè)公用油孔的坐標(biāo)相同，使之疊積起來(lái)后形成三個(gè)主通道。 各通油孔的內(nèi)徑要滿足允許流速的要求，一般來(lái)說(shuō)，與閥直接相通的孔徑應(yīng)等于所裝閥的油孔通徑。油孔之間的壁厚不能太??；一方面防止使用過(guò)程中，由于油的壓力而擊穿，另一方面避免加工時(shí)，因油孔的偏斜而誤通。對(duì)于中低壓系統(tǒng)，不得小于5mm，高壓系統(tǒng)應(yīng)更大些；4 工作進(jìn)度與安排2.153.15 理解和消化課題內(nèi)容，完成課題的調(diào)研、開(kāi)題報(bào)告、翻譯、文獻(xiàn)綜的撰寫(xiě)等；3.164.01 完成液壓系統(tǒng)液壓原理分析、循環(huán)圖繪制，液壓原理改進(jìn)原理方案；4.024.15 完成HMC數(shù)控機(jī)床液壓系統(tǒng)受力分析、系統(tǒng)流量、

19、壓力等參數(shù)計(jì)算；4.164.20 完成HMC數(shù)控機(jī)床液壓系統(tǒng)各元件的選型設(shè)計(jì)；4.215.15 液壓源集成系統(tǒng)的裝配圖和主要零件圖設(shè)計(jì)；5.165.31 完成論文的撰寫(xiě)和答辯準(zhǔn)備工作。參考文獻(xiàn)1 趙升噸等.液壓伺服控制系統(tǒng)研究現(xiàn)狀的分析.伺服控制,2006,(6):16-23. 2李勤.液壓回轉(zhuǎn)工作臺(tái)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用.精密制造技術(shù)與高效裝,1998,（1）:31-35.3 朱清.加工中心液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì).精密制造技術(shù)與高效裝備,1996,(1):17-20. 4朱育權(quán).立式回轉(zhuǎn)工作臺(tái)式組合機(jī)床液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì).液壓與氣動(dòng),2005,(10):51-55. 5 任小中等.液壓集成塊孔系空間幾何位置的算法.機(jī)械設(shè)計(jì)與制造,2000,(5):34-36.6 鄒志華.關(guān)于閥件油路集成塊的設(shè)計(jì).機(jī)電信息,2007,(26):47-48. 7 陳麗華等.液壓系統(tǒng)集成塊設(shè)計(jì)方法的