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四柱液压机快速设计系统研究 摘要 本文主要针对液压机市场量大面广的四柱液压机产品，解决中小型液压机 制造企业面对此类产品设计任务繁重，设计效率低的现状，提出了一种四柱液 压机的系列化设计系统。本文运用系列化设计理论分析了主机固定式四柱液压 机，并对四柱液压机的组成部件进行了关键参数设计，建立四柱液压机的结构 特征尺寸参数库，利用软件工程中的模块化思想研究智能设计系统的组成，具 有良好的人机界面。此智能设计系统的主要功能是，通过对软件系统输入关键 参数，软件能自动生成三维图样和二维产品工程图，并自动计算关键部件的强 度和刚度。 本文提出的四柱液压机快速设计系统能提高设计效率，减少设计周期和成 本，可以服务于四柱液压机的订货、设计、生产等诸多环节，可有效促进液压 机整体设计水平的提高。 关键词：四柱液压机；系列化；s o l i d w o r k s 二次开发；有限元分析 r e s e a r c ho nf o u r - c o l u m nh y d r a u l i cp r e s s _ r a p i dd e s i g ns y s t e m a b s t r a c t t os o l v et h ec u r r e n ts i t u a t i o no fh e a v yt a s ka n dl o wd e s i g n i n ge f f i c i e n c yi n m e d i u mm a n u f a c t u r i n ge n t e r p r i s e s ，ai n t e l l i g e n ta n ds e r i a ld e s i g ns y s t e mo ft h e f o u r c o l u m nh y d r a u l i cp r e s sw a sp r o p o s e df a c i n gf o u r - c o l u m nh y d r a u l i cp r e s s p r o d u c t s t h ef i x e db o d yo ff o u r c o l u m nh y d r a u l i cp r e s sw a sa n a l y z e d ，m e a n w h i l e t h ek e yp a r a m e t r i cd e s i g nw a sr e a l i z e df o rt h ec o m p o n e n to ff o u r c o l u m nh y d r a u l i c p r e s s t h e s t r u c t u r a lc h a r a c t e r i s t i c ss i z e p a r a m e t r i cl i b r a r y o ff o u r c o l u m n h y d r a u l i cp r e s sw a se s t a b l i s h e d u s i n gt h em o d u l a ri d e a st od e s i g nt h ec o m p o n e n t s o ft h es y s t e ma u t o m a t i c l y , t h es y s t e mh a sg o o dm a n - m a c h i n ei n t e r f a c e t h em a i n f u n c t i o no fi n t e l l i g e n td e s i g ns y s t e mi st oa u t o m a t i c a l l yg e n e r a t et h r e e d i m e n s i o n a l a n dt w o d i m e n s i o n a lp r o d u c t 。d r a w i n g s ，a n dc a l c u l a t et h es t r e n g t ha n ds t i f f n e s so f k e yc o m p o n e n t sb yi n p u t i n gt h ek e yp a r a m e t e r si n t ot h es o f t w a r es y s t e m t h es y s t e ms t u d i e di nt h i sd i s s e r t a t i o nc a ne n h a n c ed e s i g ne f f i c i e n c y , r e d u c e d e s i g nc y c l e sa n dc o s t s i tc a ns e r v ea sf o u r c o l u m nh y d r a u l i cm a c h i n eo r d e r s ， d e s i g n ，p r o d u c t i o n ，a n dm a n yo t h e rl i n k s ，w h i c hc a ne f f e c t i v e l yp r o m o t et h el e v e l s o fh y d r a u l i co v e r a l ld e s i g n k e y w o r d s ： f o u r c o l u m nh y d r a u l i cp r e s s ； s e r i a l i z a t i o n ； s o l i d w o r k ss e c o n d a r yd e v e l o p m e n t ；f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ； 图2 1 图2 2 图2 3 图2 4 图2 ，5 图2 6 图2 7 图2 8 图3 1 图3 2 图3 3 图3 - 4 图3 5 图3 6 图3 7 图3 8 图3 - 9 图3 1 0 图3 1 1 图3 1 2 图3 1 3 图3 1 4 图3 1 5 图3 1 6 图4 1 图4 2 图4 3 图4 4 图4 5 图4 6 图4 7 图4 8 图4 9 插图清单 四柱液压机本体7 y 3 2 1 0 0 液压机上横梁零件图9 上横梁受力图1 0 y 3 2 1 0 0 液压机立柱的参数1 2 y 3 2 1 0 0 液压机油缸壳体的参数1 2 立柱的特征参数库1 4 四柱液压机系列化流程1 5 液压机模块化设计1 6 s o l i d w o r k s 的对象层次体系1 9 筋板厚度数据库2 1 四柱液压机系列化快速设计系统的主界面2 2 顶板基准面的选择2 2 立柱3 d 图2 4 上梁底板9 和上梁5 横侧板的装配体2 5 安装另一个上梁横侧板2 6 筋板的配合关系2 7 安装完四块筋板2 7 上梁总装配体2 8 油缸活塞杆的装配过程：2 8 装配之后的活塞杆2 8 油缸总装配体2 8 下梁总装配体2 9 10 0 0 k n 总装配体的爆炸视图3 0 3 0 0 0 k n 的四柱液压机总装图3 1 上梁有限元模型3 5 显示上梁有限元分析的结果3 6 放大的上梁应力云图3 7 立柱有限元模型3 8 显示立柱有限元分析的结果3 8 放大的立柱应力云图3 9 智能化工程计算器4 0 调整筋板厚度后的上梁应力云图4 1 系统快速设计流程图4 2 图5 1 图5 2 图5 3 图5 4 图5 5 图5 - 6 图5 7 图5 8 图5 1 0 图5 1 1 系统的模块构成框架图4 3 自动生成的二维c a d 锁紧螺母。4 4 生产二维c a d 图的流程4 5 视频播放图4 5 四柱液压机产品系列化快速设计系统的主界面4 6 查看有限元分析结果版面4 6 核对输入参数提示4 7 参数不匹配提示。4 7 无锡蓝力y 3 2 1 6 0 0 t 液压机二维图4 8 y 3 2 1 6 0 0 t 三维实体图及其质量特性4 9 插表清单 表2 1y 3 2 1 0 0 液压机主要技术参数8 表2 2 液压机特征参数库1 4 表2 3 液压机系列化参数表1 4 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 据我所知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰 写过的研究成果，也不包含为获得 金目巴工些太堂 或其他教育机构的学位或证书而使 用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示谢意。 学位论文作者签字；勿哥易糨字日期：z 。p 年彳月7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 金胆王些太堂 有关保留、使用学位论文的规定，有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅或借阅。本人 授权 佥匿王些太堂 可以将学位论文的全部或部分论文内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文者签名： 纷莎社 签字日期：p 眸岁月7 日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 翩繇常罕 签字日期嘭【d 年扣6 日 电话： 邮编： 致谢 首先，我要感谢合肥工业大学及机械与汽车工程学院，进步教育和培养 了我。我衷心感谢翟华老师两年多来对我的悉心指导和帮助! 翟华老师扎实渊博 的专业知识，严谨认真的治学态度，忘我工作的敬业精神和诲人不倦的高尚师 德深深地感召着我。我想您的这些都会一直影响着我，无论我走到哪里，您永 远是我的非常钦佩导师和学习的榜样。还有机械学院的机械设计教研室的全体 老师们，你们都是我学习的楷模。 其次，我要感谢我的同学、同实验室的人、还有师弟王小虎，感谢你们并 不是仅仅因为你们给与我的帮助，更多的是因为我们大家在一起度过两、三年 愉快的时光。我要告诉你们的是你们都是最棒的! 最后，我要感谢我的家人，尤其是我的妈妈，感谢他们对我一如既往的支 持与关心，是他们无私的爱和奉献让作者顺利走过这漫漫的求学之路，如果没 有他们，我今天也不可能顺利完成我的论文。在此，对他们表示衷心的感谢和 最崇高的敬意! 作者：缪玉桂 2 0 1 0 年月日 第一章绪论 1 1 引言 液压机是一种利用液体压力传递能量，实现各种压力加工的重要机床【l j 。 液压机与机械压力机相比，具有压力和速度可在广泛的范围内无级调整，可在 任意位置输出全部功率和保持所需压力，结构布局灵活，各执行机构动作可很 方便地达到所希望的配合关系等很多优点。同时液压元件具有高度的通用化标 准化特点，设计和制造均较为简单。所以液压机在国民经济各部门得到了日益 广泛的应用。 二十世纪八十年代以来，随着微电子技术、液压技术的发展和应用，液压 机技术有了更进一步的发展，众多机型采用了c n c 或工业p c 机来实现自动控制， 使产品的加工质量和生产效率有了极大的提高。从液压机的发展来看，其发展 方向和趋势主要有：高速、高效、低能耗；机电液一体化；自动化、智能化；液 压元件集成化、标准化等【2 j 。 四柱式液压机是我国液压机中最常见的结构形式，广泛用于零件压装、快 锻、粉末冶金制造、压药、精密校直等加工制造领域，是广大中小型液压机生 产制造企业主要产品。由于四柱液压机结构紧凑、操作方便，价格低廉，应用 面广，许多用户根据企业加工生产的具体要求，需要在原有系列四柱液压机基 础上进行参数调整，比如最常见的是台面大小的调整，压机开口高度的不同， 动梁行程的不同等等。为了解决中小型液压机制造企业的面对此类产品设计任 务繁重，设计效率低的现状，需要通过c a d 技术运用开发一种四柱液压机系列 化产品快速设计系统1 3 j 。 1 2国内外四柱液压机设计技术研究现状 四柱液压机结构紧凑、操作方便，价格低廉，应用面广，许多用户根据企 业加工生产的具体功能要求，需要在原有系列四柱液压机基础上进行参数调整， 比如最常见的是台面大小的调整，压机开口高度的不同，动梁行程的不同等等。 这些特殊要求对中小型液压机生产制造企业的销售、设计和生产等环节造成了 一些影响，主要体现在： 1 ) 在设计方面，虽然中小型液压机生产制造企业有系列四柱液压机设计资 料，但是参数的变化导致企业技术人员必须根据用户的需求进行专门设计，原 有的设计资料不能充分利用，设计增加了设计成本，设计时间占用较长，导致 交货期时间延长，不能及时满足市场需求。 2 ) 设计人员重复性设计工作较多。由于主要结构形式仍然是四柱液压机形 式，没有本质变化，其主要设计计算没有相应的变化，因此设计人员每次需对 产品进行重复计算，设计冗余时间长。 3 ) 由于以往系列化设计仍以经验设计为主，所以面对特殊产品的设计，设 计人员在结构安全系数、可靠性系数方面选取仍主要依靠经验，容易造成主机 结构设计臃肿，成本增大，经济效益不明显。 4 ) 在四柱液压机产品销售环节，销售人员需要根据用户的特殊需求迅速制 定技术方案，了解液压机产品重量，进行成本估算，给用户准确的价格信息。 仅凭经验估算主机成本缺乏理论依据，不能准确报出成本价格，也就无法给用 户准确报价，过高的价格可能会失去市场，过低的价格可能会造成自身亏损。 1 3 国内外的发展趋势和同类产品存在的问题 1 3 1国内外同类产品的发展趋势和动态 目前国际上大型液压机生产企业，根据企业内部的需求，专门组织人员设 计四柱液压机辅助c a d 设计软件，如美国科麦隆公司、日本住友株式会社、 德国m u l l e r 公司等，但每家公司的生产制造流程不一致，一般作为企业技 术秘密，其有关设计软件和资料不对外公开。 同类产品的发展趋势 1 ) 专门化，设计软件能针对某一类型机床形成专门的设计系统，比如三梁 四柱式液压机c a d 系统，c 型框架液压机设计系统等。该设计系统基本能涵盖 此类型机床主要结构设计任务和要求。 2 ) 智能化，该设计软件能自动生成三维实体图形，自动装配，生成二维图 形和自动进行有限元计算等功能，设计人员主要工作是在界面输入相关参数， 对最终结果进行判定，对有关设计系数进行调整。大大减轻了设计人员的工作 时间，使其主要精力放在更加关键的设备性能设计、液压系统设计等方面。 3 ) 开放性，该设计系统具有一定的扩展功能，能拓展相应的结构特征库和 结构知识库，比如加强筋形式的选择问题，可以选米字筋或矩形筋，这为设计 人员提供了开发新型液压机提供了方便【5 】。 国际上的发展动态1 6 3 】： 1 ) 高速化，高效化，低能耗。提高液压机的工作效率，降低生产成本。 2 ) 机电液一体化。充分合理利用机械和电子方面的先进技术促进整个液 压系统的完善。 3 ) 自动化、智能化。微电子技术的高速发展为液压机的自动化和智能化 提供了充分的条件。自动化不仅仅体现的在加工，应能够实现对系统的自动诊 断和调整，具有故障预处理的功能。 4 ) 液压元件集成化，标准化。集成的液压系统减少了管路连接，有效地 防止泄漏和污染。标准化的元件为机器的维修带来方便。 1 3 2 国内同类型系统存在的主要问题 国内液压机制造企业在计算机辅助设计方面发展迅速，a u t o c a d 软件应 用已十分普及，三维设计在部分航天航空领域企业也得到大力推广。但关于系 2 列化产品专门设计软件的开发还较少，同类型产品系统还存在不少问题： 1 ) 有些系统功能单一，只能设计个大类中的一种类型的产品，比如单柱 液压机的结构形式固定，不能做变动，只是完成了简单的参数化三维建模的工 作； 2 ) 该系统( 比如y y j c a d l 0 版本的设计软件) 主要缺陷是没有三维设计 软件的辅助支撑，结构设计结果不直观，不能对已设计结构进行装配检查，对 销售人员只能计算初步重量。 3 ) 因缺乏有限元软件及优化软件的辅助支撑，对整机刚、强度设计仍凭材 料力学简化计算和经验设计相结合的方法进行计算，重量不能得到进一步的优 化，结构组件冗余，消耗材料大，削弱了产品的市场竞争力。 北京工业大学和燕山大学曾经对液压机本体c a d 进行研究，开发出 y y j c a d l 0 版本的设计软件。主要包括：本体设计系统、本体离散优化软件和 本体参数化绘图软件。合肥工业大学曾经完成了以单柱液压机为主的自动校直 液压机辅助设计系统。由于以上技术和功能限制，以上系统均没有得到广泛应 用。 1 4 论文主要研究内容 结合近年来的国内、外四柱液压机发展动态、以及研究成果，本文提出了 一种四柱液压机系列化设计系统，它是一种专用于四柱型液压机设计生产的软 件系统，主要应用于中小型液压机制造企业。针对市场大量需求四柱液压机产 品，中小型企业的设计任务繁重，设计效率低的现状，提出本研究项目。开发 此设计系统的主要功能是，通过对软件系统输入关键参数，软件能自动生成三 维图样，生成二维产品工程图，并自动计算关键部件的强度和刚度。 本文的主要研究内容包括： 1 ) 利用系列化、参数化、模块化设计基本理论分析了主机固定式四柱液压 机的主要组成部分，采用特征及特征建模方式、模型分类及信息组成等技术和 方法，对四柱液压机的组成部件进行了系列化关键参数设计。应用参数化设计 技术开发出的系列化设计系统，可以使设计人员从大量繁重而琐碎的建模工作 中解脱出来，大大提高产品的设计效率，并减少了产品信息的冗余。 2 ) 使用软件工程将该系统分为三个组成部分 使用软件工程将该系统分为四柱液压机数据库操作模块、机身有限元分析 模块、系列化模型和工程图创建模块。软件模块化设计可以简化软件的设计和 实现，提高软件的可理解性和可测试性，并使软件更容易维护。 3 ) 设计系统的人机友好界面 运用高级可视化编程d e l p h i 语言设计出系统的人机友好界面，建立四柱液 压机的结构特征尺寸参数库，并将建立的数据库和主、副界面进行链接，用户 可直接调用数据库中的参数创建出不同吨位的系列化四柱液压机产品。人机友 好界面中应注意用户操作的简单方便，逻辑顺序合理、条理有序，界面布置信 息量适中，便于用户使用。 4 ) 生成机床的三维零件和装配体 用高级可视化编程d e l p h i 语言对s o l i d w o r k s 三维软件的二次开发，建立四 柱液压机的零件和装配体，在此过程中，根据输入参数的不同，可以得到多种 型号的系列化产品。相对二维c a d 软件，三维软件系统可方便地设计出所见 即所得的三维实体产品模型，并可以对所要设计的产品实体模型进行虚拟装配 和干涉检查，还可以对重要零部件进行优化设计；产品设计完成后还可以链接 其他软件或功能模块，生成零件制造工艺规程，进行数控加工等，这是二维c a d 软件无法实现的。因此对三维软件的二次开发实现四柱液压机的实体造型对设 计人员来说，可以直观地检查装配干涉问题，对销售人员可以给用户直观展示 设计方案，三维软件二次开发是非常重要的研究内容之一。 5 ) 利用结构特征尺寸参数库和关键参数对不同机身类型和吨位的四柱液 压机上梁、中梁、立柱、油缸和下梁等关键部件进行分析，将高级语言将处理 好的二次开发命令流提交给有限元分析软件，软件完全在后台完成建模、计算、 分析后，二次开发语言的功能把结果数据输出。有限元计算，能直接了解现有 设计是否安全可靠，也可以在有限元二次开发语言内添加有关优化程序，进行 机械结构的优化设计，实现薄壁高强度设计目标，减轻主机重量，降低主机成 本。 6 ) 生成四柱液压机零部件的二维工程图 通过对三维软件进行二次开发，建立液压机的零件模型，利用创建的零件 模型进行配合，创建出机床的床身、工作台、立柱、油缸等模块，最终利用创 建出的实体模块生成机床的零件和装配体工程图。 1 5 论文的技术难点 1 ) 主机参数化模型库的建立 本文将建立主机固定式参数化模型库，参数化设计是利用一种驱动机制来 进行参数驱动，这种参数驱动机制是以对模型数据的操作为基础的。通过参数 驱动机制，可以对模型的几何数据进行参数化修改，但是在修改的同时，还要 满足图形的约束条件，需要通过约束间关联性的驱动手段使约束联动，而约束 联动则是通过约束间的关系实现的驱动方法。对于四柱液压机模型来说，其约 束十分复杂，而且数量巨大，但是能够独立变化的参数一般只有几个，称之为 主参数或主约束，其他约束均可由模型结构特征确定或通过与主约束的关系确 定，称它们为次约束。对主约束是不能简化的，而对次约束可以通过模型特征 联动和相关参数联动两种方式进行简化。如何建立和区分四柱液压机的的主约 4 束是本文的难点之一。 2 ) 科学合理地划分四柱液压机快速设计系统软件模块 在划分四柱液压机快速设计系统软件模块时，需要综合考虑已有设计人员 的习惯，设计程序和思路，已有设计计算的方法和流程，以及各模块之间的联 系，保证数据流在各模块间正确的输入和输出，数据库维护简洁方便，系统功 能拓展方便。把软件系统的全部功能，按照一定的原则合理地划分为若干各模 块，每个模块完成一个特定子功能，所有这些模块以某种特定结构形式组成一 个整体，这就是软件模块化的设计。 3 ) 系统界面设计的友好性和系统防错性设计 系统界面的设计影响到系统的友好性，合理的模块布局可使系统使用者能 够很方便的使用系统。根据系统功能要求，合理划分界面，结合系统使用者的 习惯，设计良好的人机界面，注意设计单位的统一，提供设计人员交互式访问 接口，并能自动识别显示出用户输入错误数据。 系统防错性设计主要体现在系统软件流程正确合理，每步系统操作经过测 试验证，系统需要配备有专门的容错机制和错误提示信息机制。 4 ) 利用三维设计软件的二次开发功能，在三维设计软件环境下实现尺寸驱 动的系统三维设计。基于w i n d o w s 系统的o l e 和c o m 二次开发方法，开发 应用接口程序，用户可以利用它和支持o l e 编程的开发工具，如高级编程语言 ( 如v b 、v b a ( e x c e l ，a c c e s s ) 、d e l p h i 、v c + + ) 等对三维软件进行二次开发， 建立适合用户需要的、专用的三维软件设计功能模块。还可以利用三维软件提 供的大量o l e 对象，以及这些对象所拥有的方法和属性，通过客户应用程序操 作这些对象及其方法和属性，实现系统需要的功能。 5 ) 应用高级编程语言对商业化有限元软件进行二次开发 目前国内绝大部分有限元软件的二次开发成果并没有实现完全后台运行， 都需要g u i 方式把高级语言处理过的二次开发命令通过有限元软件自身导入执 行，二次开发软件基本上没有后处理功能，用户查看结果分析数据仍然要通过 有限元软件的g u i 实现。本项目需要运用高级编程语言处理有关有限元二次开 发命令，提交给有限元软件后，有限元分析完全在后台完成建模、计算、分析 后，再通过二次开发语言有关功能把有关结果数据输出，计算结果图像显示在 高级编程语言编写对话框中。 1 6 本文研究的意义 全球市场的形成与激烈竞争推动了先进制造技术的发展，能否快速设计创 新产品成了企业生命攸关的大事。因此设计手段现代化成为关注的焦点，在国 民经济又好又快发展和强烈的社会需求推动下，液压机生产制造行业得到迅猛 发展，目前国内液压机制造企业有4 0 0 余家，大型企业仅有合肥锻压、天津锻 压、徐州锻压等企业，大多数企业为中小型液压机生产制造企业。每年生产四 柱型液压机累计5 0 0 0 0 余台( 套) ，其中有一半为有特殊需求的定制产品。以合 肥海德数控液压设备有限公司为例，主要生产车辆内饰件四柱压机和系列四柱 压药机产品，每年四柱压机生产数量达2 0 0 台( 套) 。设计人员的设计工作量大， 设计效率低，出错率较高，形成制约企业发展的瓶颈之一。 因此，需要开发出具有自主知识产权的四柱液压机系列化快速设计系统， 满足中小型液压机制造企业设计和销售部门的急需，提供其辅助工具软件、提 高效率、降低成本、降低产品重量、扩大市场占有率，为设计人员提供得力的 助手和有效工具，无疑对提高我国四柱液压机的整体设计水平、增强相关企业 的生存和发展能力具有重要的现实意义【6 】。 6 第二章四柱液压机设计过程及系列化 在前面第一章绪论里，主要叙述了四柱液压机的研究现状、研究内容及意 义等。本章接下来以y 3 2 10 0 为例详细说明了设计过程说明四柱液压机的设计 过程；并引入系列化、参数化、模块化等概念，同时举例加以说明。 2 1 四柱液压机构成 四柱液压机系统根据帕斯卡原理制成，是一种利用液体压力能来传递能量 的机器。四柱液压机一般由本体、操作系统及泵站三大部分组成，其中泵站为 动力源，为液压机各执行机构和控制机构提供高压工作液体。操纵系统属于控 制机构，它通过控制工作液体的流向来使各执行机构按照工艺要求完成应有的 动作。而本体为四柱液压机的执行机构【7 1 。 四柱式液压机是液压机中最常见、应用最广的一种结构型式。它的机身是 由上横梁、工作台( 下横梁) 、油缸和四根立柱等组成。工作缸安装在上横梁内， 活动横梁与工作缸的活塞联接成一整体，以立柱为导向机构作上下运动，并传 递工作缸内产生出的力量，对制件进行压力加工。图2 1 为立式单缸三梁四柱 式液压机的一种典型结构。 震鱼li意 - l- _ 卜-叫 卜- q 芦s 一芦畦 i ，1 f 。、 l夕 f l 滓酬弋卜i 蚓爿力 。i 。 l j t 图2 一l四柱液压机本体 7 2 2四柱液压机主要部件设计过程 2 2 1 四柱液压机基本参数 四柱式液压机的基本参数是根据液压机的工艺用途和结构类型来确定的， 它反映了液压机的工作能力和特点。在进行液压机结构设计时，应该首先确定 其基本参数，因为它们为液压机结构设计提供了最基本的信息。 本课题以y 3 2 1 0 0 液压机为例，其主要技术参数见表2 1 。 表2 一ly 3 2 1 0 0 液压机主要技术参数 序号项目参数单位 l 公称压力 1 0 0 0k n 2 顶出压力 2 5 0k n 3 液体最大工作压力2 5m p a 4最大开口距 8 0 0n u l 】 5 滑块行程5 0 0n u n 6 顶出行程2 5 0n u n 快下 3 4m m $ 工作i 5 1 8 m m $ 7 滑块速度 工作 0 1 1 m m $ 慢回o 5 。5m m $ 快回3 8m m $ 8工作台尺寸( h i 右x 前后) 6 3 0 x 6 3 0m m 9工作台距地面高6 0 0m m 1 0 立柱中心距7 3 0 x 4 6 0m m 四柱式液压机的基本参数主要有【8 】： 公称压力：它是指为液压机名义上所能承受的最大力量，在数值上等 于工作液体压力与工作总工作面积的乘积。公称压力一般作为液压机的主参数， 它反映了液压机的主要工作能力。 最大净空距：是指活动横梁停在上限位置时，从工作台上表面到活动 横梁下表面的距离，它反映了液压机在高度方向上移动工作空间的大小。 最大行程：是指活动横梁位于上限位置时，从活动横粱的立柱导套下 平面到立柱限程套上平面之间的距离，即活动横梁的能够移动的最大距离，它 直接影响工作缸和回程缸及其柱塞的长度以及整个机架的高度。 8 立柱中心距离：即为立柱轴线在液压机宽边和窄边之间的中心距离， 它反映了液压机平面尺寸上工作空间的大小。 回程压力：滑块返回时所需的驱动力。 活动梁运动速度：是指活动横粱工作时、空行程时与回程时的速度。 工作台尺寸：是指工作台面上可以利用的有效尺寸。 允许最大偏心距：是指工件变形阻力接近公称压力时所允许的最大偏 心距。 2 2 2 y 3 2 一1 0 0 四柱液压机上横梁结构设计及分析 y 3 2 一1 0 0 四柱液压机上横梁结构如图2 - 2 所示， 图2 - 2y 3 2 - 1 0 0 液压机上横梁零件图 上横梁安装工作油缸，液压机加压工作时，从图中可以看出，该液压机上 横梁为一种典型的箱型结构。它是由一块顶板1 0 0 3 i 、一块底板1 0 0 3 9 、各两 块侧板1 0 0 3 5 和1 0 0 3 6 、各四个弯板1 0 0 3 7 以及筋板1 0 0 3 4 等等组成。上 横梁顶、底板间沿径向分布有四个支撑筋板，以提高其强度和刚度。上横梁中 箱体中间焊接一个方形围板，和四块“米 字筋板一起承受油缸工作时载荷。 在上横梁四个角上有四个直径由8 0 m m 的立柱孔，用于左右和前后方向的定位立 柱，每个立柱孔的上下两个端面分别安装有螺母，用于对上横梁进行垂直方向 的定位。由于在上横梁的四个角安装了立柱，为提高横梁的强度和便于装配螺 母，所以设计了弯板结构，在上横梁四个角和两边的侧板一起形成了四个中空 的柱体。横梁的立柱中心距和安装液压缸的圆筒中心孔精度要求较高，提出了 相应的公差要求，需在制造中重点保证【2 】。 由于上横粱承受其反作用力，上横粱强度计算可假设为紧固放在两支点上 9 的弯曲梁来考虑，支点间距离即为立柱中心距。对于单缸液压机，简化方法可 视为受集中力，则中间截面处弯矩【7 】： m 。戤= 丢尸召 ( n m ) 式中：p 一一液压机公称压力 ( k n ) 占一一立柱中心距离( 1 n i i l ) p - 一 2 p _ 一 2 夕 - 一 2 p 2 剪力图q 0 弯矩图豫 图2 - 3上横梁受力图 上式仅能对上横梁做粗略估算。在加压工作时，由于通过主油缸的台肩将 作用力传递给上横梁，因此，可认为力作用在平均半圆亦即支承台肩的半环形 的重心上。平均半环形重心至油缸中心的距离为【7 】： s ：三d 2 - d d + d 2 ( m m )i 、= im t 兀， j 3 死d + d 式中：d 一一油缸台肩外径( m m ) d 一一油缸台肩内径( m m ) 由于油缸台肩内外径一般在( 0 8 7 一0 9 3 ) ：1 ，故可简化： s = 兰 ( m i l l )( 2 - 1 ) 万 上横粱受力分布及弯距，最大弯矩在台肩半环形重心点间： m 一= 竿c 一争 l o m 懈= # ( 卜0 6 4 罢) ( n m )( 2 2 ) 根据已知参数表2 1 ，就可计算上横梁零件的参数。 2 2 3 立柱的设计 从图2 1 液压机本体结构可以看出：立柱的受力情况是由液压机结构、工 艺过程的受力和预紧状态下的受力状态决定的。因此，应仔细分析以上各因素 的影响，选择合适的计算方法。一般有下面几种情况： 第一，立柱顶紧状态下的受力分析和强度计算。 第二，中心裁荷下立柱的受力分析和强度计算。 第三，偏心负荷状态下，对活塞式油缸、立柱和导套间隙均等状态下，立 柱的受力分析和强度计算。 第四，偏心负荷状态下，对活塞式油缸、立柱和导向间隙不等，因此，仅 一侧立往承受偏心负荷产生的水平力时，立柱的受力分析和强度计 算。 在以上各种情况下，受力分析和强度计算中，均做了如下假设：第一，活 塞与活动横梁为刚性连接。第二，空间受力情况可简化为平面框架，框架每侧 代表两根立柱，且每侧的两根立柱受力均等。第三，上横梁和工作台的刚度均 远远大于立柱的刚度，因此，可认为上横梁和工作台是绝对刚体。第四，各作 用力均可简化为集中力。第五，不考虑由于制造、安装和使用过程中受热影响 等产生的附加应力。这些假设条件均属一般性的，而且与实际设计的结构基本 相符7 1 。 本文在设计时，为了简化计算，只考虑中心载荷下立柱的强度计算，并作 了相应的假设来设计。故以中心载荷作用下立柱的设计过程为例进行说明。在 中心载荷作用下，立柱只承受拉伸应力，立柱最小直径d o 是关键参数，其应力 可按下式计算： 仃= 而p b 】 o 7 8 5 脒刀。 式中：p 一一公称压力； 以一一立柱数量，一般n - - 4 ： 【四一一立柱许用拉伸应力，对4 5 钢来说 盯 7 4 m m ，从而得到立柱最小允许直径。而立柱其它部位的直径 可以把该最小直径作为基准，得到各个部分的直径。 4， r l 一 4 1 1 2 彳 。 1 7 0 6 8 5 11 2 5 1 1 2 2 3 2 0 图2 - 4y 3 2 - 1 0 0 液压机立柱的参数 2 2 4主油缸的设计计算 液压机油缸的设计是一个比较复杂的过程，需要考虑很多因素，比如：油 缸的负载，初设钢筒尺寸和选取液压系统压力等级，活塞杆直径，缸筒壁厚， 油缸两端盖的结构形式和油口的接口形式等，并且需要计算很多个数据，如图 2 - 5 所示。本文以油缸内径为例简单介绍计算过程。 5 9 尝j 雾 l i5 0i 到卜叫 i 8 9 8 图2 5y 3 2 1 0 0 液压机油缸壳体的参数 现主油缸内径按标准设计，比如内径可取5 0 ，6 3 ，8 0 ，1 2 5 ，1 4 0 ，1 8 0 ， 2 0 0 ，2 2 0 ，2 5 0 ，4 0 0 ，5 0 0 ，6 3 0 毫米等。外径一般是根据要求的受力计算确定， 但是壁厚也是可以选定或自行设计，比如壁厚5 ，7 5 ，1 0 ，1 2 5 ，15 ，2 0 等等。 1 0 0 吨液压设备的油箱置于主油缸的上部，油缸采用前法兰安装在上机座 内，液压系统的最大工作压p 懈= 2 5 m p a ，最大推力f = 1 0 0 0 k n 。 主油缸内径的计算【7 l 】： d ：3 5 7 1 0 - 2 ，仁：3 5 7 1 0 ，螋：2 2 5 7 8 1 0 _ 3 m vp v2 5 为了便于计算，故按标准选取接近的一个数值为：d = 2 2 0 m m 式中：f 一油缸推力，k n p 一选定的工作压力，m p a 1 2 2 3 四柱液压机参数化、系列化、模块化设计过程 以上简单介绍了1 0 0 0 k n 四柱液压机的初步设计过程。接下来阐述四柱液 压机的系列化设计。 模块化、系列化、参数化设计已逐步成为现今机械产品设计的一种趋势。 模块化设计技术是由产品系列化、参数化等的需求而孕育的。系列化的目的在 于用有限品种和规格的产品来最大限度、且较经济合理地满足需求方对产品的 要求。在保持产品基本模块的基础上，通过模块化、系列化、参数化设计可以 方便地实现内部功能的整合、外部功能的扩展，既加强了成熟产品的内在优势， 又大大拓宽了产品创新发展的空间b o - t s l 。 四柱液压机进行参数化、系列化以及模块化设计能有效提高设计效率与质 量，快速完成设计任务。以三维c a d 特征造型软件为平台，采用模块化、参数 化的设计思想研究开发了四柱液压机快速设计系统。现简述三种方法的应用。 2 3 1 参数化设计的应用 通过人机交互界面，将液压机需要的吨位、台面大小、压机开口高度等参 数输入系统，通过机床设计计算系统得到初步的主机设计尺寸，存入相应的参 数数据库，尺寸驱动三维软件实现三维建模。 第一步实现输入参数与系统参数库的连接 通过s t r t o f l o a t 语句把分别把输入的主油缸、工作台、开口值参数赋值给t w 、k 1 、 k 2 等。然后在此基础之上计算立柱最小直径，以最小直径为基准再验算立柱其 它部位的直径， t w ：= s t r t o f l o a t ( e d i t l t e x t ) ； 输入主油缸的吨位 k 1 ：= s t r t o n o a t ( e d i t 7 t e x t ) l0 0 0 ； 工作台 k 2 ：= s t r t o n o a t ( e d i t 3 t e x t ) 1 0 0 0 ； 开口值 第二步通过公式计算建立庞大的特征参数库 前面介绍了立柱的设计过程，在程序中计算的公式如下： d o ：= s q r t ( 1 0 0 0 奎t w ( o 7 8 5 4 5 8 1 5 7 6 5 8 4 3 ) ) 1 0 0 ； d o 为立柱最小直径， 5 8 1 5 7 6 5 8 4 3 为所取材料的许用应力。 而立柱的总长l 1 则等于四个组合锁紧螺母m 7 8 3 的厚、上梁装配体的高、 开口值、下梁装配体的高之和，即： l l = 4 x h l + k 2 + h 2 + h 3 ； 其中：h l 一一为立柱组合螺母的厚度( r a m ) h 2 一一为上梁装配体的高( r a m ) h 3 一一为下梁装配体的高( r a m ) 下图2 - 6 所示为立柱的特征参数库 t 工 l 吾l 一t l ，。= = = = = = ! = l l 圈2 - 6 立柱的特征参数库 本系统在设计的过程中，涉及到很多参数。下表2 - 2 所示为澈压机特征参数库 袁2 - 2 液压机特征参数库 上粱高上粱宽顶板长顶板厚侧板长顶板中心孔 上粱 ( h 1 ) ( k 1 )( s d c ) ( s d g ) ( s h e b c )半径( s d d r ) 动粱长动梁宽动粱高弯扳半径弯板厚弯板厚 动粱 ( d l c )( d l k ) ( d l g ) ( d w x r )( d w b h ) ( d w l g ) 下粱长下粱宽下粱高孔边缘余台板高 下粱肋板 下粱 ( x i c )( x l k ) ( x l g )量( y 2 )( x t i g ) ( x 1 1 ) 立柱总立柱小中间直中间段长台阶1 直台阶段i 长 立柱 长( l i ) 径( d 0 ) 径( d 1 )( l 2 )径( d 2 ) ( l 3 ) 吨位油缸外油缸内活塞轩直油缸总长油缸台阶半 油缸 ( t w )径( y d l )径( d 2 ) 径( y d 4 )( y 1 )径( y d 5 ) 232 系列化设计的应用 系列化设计的流程框图如图2 7 所示。四柱液压机快速设计系统包括 6 3 0 k n 、1 0 0 0 k n 、2 0 0 0 k n 、3 i5 0 k n 、5 0 0 0 k n 五个吨位系列，根据不同吨位 的液压机，按照表格2 i 输入与该吨位对应的六个参数，而四柱液压机的产品 系列化自动建模和装配过程中会涉及到很多尺寸所有的尺寸都要与运六个尺 寸存在一定的联系，从而实现系列化。四柱液压机的系列化采用横块化、参数 化的设计思想，即将机床分成上横粱、动横梁、下横粱、立柱、主油缸等模块。 下面为几种液压机的主要参数表( 参考值) 1 7 1 。 表2 - 3 液压机系列化参敷袭 镀压机吨工作台( 左右最大开口行程下缸吨下缸行 位( k h ) 前后) ( 哪) 值( 廊) ( 呲) 位( k n )程( 删) 6 3 05 0 0 5 0 07 0 04 0 01 62 0 0 1 0 0 0 6 3 0 6 3 08 0 0 5 0 0 2 5 2 5 0 2 0 0 09 0 0 9 0 01 0 0 06 0 04 03 0 0 3 1 5 01 1 2 0 1 1 2 01 1 2 07 0 06 3 3 5 0 5 0 0 01 4 0 0 ) 1 4 0 01 2 5 0 8 0 01 0 04 0 0 从长期生产实践的经验和统计得出，一些通用液压机的一些主要参数总是 在一定范围之内，因此可以做为我们设计通用液压机或专用液压机时，决定主 要技术规格的参考资料。不同系列之间存在着个优先系数的关系，一般以口， ( g ，= 湎) 表示，其中，取5 、1 0 、2 0 、4 0 、8 0 。再结合市场上常用的液压机主 要技术参数得到。 四柱液压机c a d 设计系统的系列化 上 选择不同吨位的液压机 上l ， ll 6 3 0 k n1 0 0 0 k l q 2 0 0 0 k n3 1 5 0 k n5 0 0 0 k n | ll ， ll ri i , 上横梁动横梁下横梁立柱主油缸 图2 - 7四柱液压机系列化流程 2 3 3 模块化设计的应用 本文在进行四柱液压机快速设计系统的研究时，应用到了模块化设计的思 想，所谓的模块化设计，简单地说就是将产品的某些要素组合在一起，构成一 个具有特定功能的子系统，将这个子系统作为通用性的模块与其他产品要素进 行多种组合，构成新的系统，产生多种不同功能或相同功能、不同性能的系列 产品。模块化设计