静压导轨实验平台搭建与仿真分析

毕业设计（论文）题目静压导轨实验平台搭建与仿真分析学生姓名学号学部（系）机械与电气工程学部专业年级09机械设计制造及其自动化指导教师职称或学位教授2013年4月10日目录摘要3关键词3ABSTRACT4KEYWORDS4前言51静压导轨简介611静压导轨工作原理612静压导轨优缺点713静压导轨供油方式8131定压供油8132定量供油102静压导轨受力分析113静压导轨结构设计2031结构设计21311油腔结构设计21312导轨结构设计2332供油系统设计244静压导轨动力学性能分析2741建模过程27411在PROE40中建立静压导轨模型27412将PROE中建好的模型导入ANSYS中3142分析过程33结束语39参考文献40致谢41静压导轨实验平台搭建与仿真分析摘要在制造技术飞速发展的今天，机械工业正向大型化、高速重载、高精度，以及高性能化的方向发展。人们对机加工产品的质量和精度方面要求也越来越高，对加工产品的机床精度要求也日益提高。由于液体静压导轨具有高精度、高刚度、高寿命等优点，因此广泛应用于数控机床领域。本文首先介绍了静压导轨工作基本原理，然后利用ANSYS进行静压导轨实验平台的搭建，其中包括静压导轨结构设计和静压导轨供油系统设计，并进行了仿真分析。关键词静压导轨；ANSYS；结构设计；供油系统设计；仿真分析BUILTANEXPERIMENTPLATFORMOFTHEHYDROSTATICGUIDEWAYANDMAKEASIMULATEDANALYSISABSTRACTINTHEPRESENT,WITHTHERAPIDDEVELOPMENTOFMANUFACTURINGTECHNOLOGY,MACHINERYINDUSTRYFORWARDLARGE,HIGHSPEED,HIGHPRECISIONANDPERFORMANCEORIENTEDDIRECTIONPEOPLEONTHEMACHININGQUALITYANDPRECISIONREQUIREMENTSHAVEBECOMEMORESOPHISTICATED,PRCISMACHINETOOLSFORPROCESSINGTHEPRODUCTREQUIREMENTSAREINCREASINGWITHADVANTAGESOFHIGHACCURACY,LARGERIGIDITYANDLONGLIFEASWELLASLOWATTRITION,THEHYDROSTATICGUIDEWAYISWIDELYUSEDINTHEFIELDOFCNCMACHINETOOLSTHISARTICLEFIRSTINTRODUCESTHEBASICPRINCIPLEOFTHEHYDROSTATICGUIDEWAY,THENUSINGANSYSTOBUILTANEXPERIMENTPLATFORMOFTHEHYDROSTATICGUIDEWAY,INCLUDINGDESIGNTHESTRUCTUREOFTHEHYDROSTATICGUIDEWAYANDTHEOILSUPPLYSYSTEMOFTHEHYDROSTATICGUIDEWAY,ANDPERFORMASIMULATIONABOUTTHEHYDROSTATICGUIDEWAYKEYWORDSHYDROSTATICGUIDEWAYANSYSTHESTRUCTUREDESIGN；DESIGNOFOILSUPPLYSYSTEMSIMULATION前言未来全球的机床发展趋势将会是高速化，超精密，纳米化和信息化，同时生态环保的理念也会逐渐普及在新一代机床设计上。哈挺公司在超精度创新技术上，将新研发的技术配置在其QUESTCNC车床。静压导轨是哈挺公司众多的技术专利之一，其基本原理就像磁悬浮列车。是用液压支撑滑块移动，磁浮是利用磁场力让列车悬浮。静压导轨的滑块被导轨上的高压油膜层支撑，在不与导轨碰触的状况下很平稳地快速移动，不会产生任何磨耗。这个功能表现远远超越传统的硬轨或滚珠（滚柱），这些传统的移动部件都是靠金属和金属的接触产生磨擦力，也导致磨损。1静压导轨简介液体静压导轨将具有一定压力的油液经进油孔送入导轨上开设的油腔中，形成承载的压力，将滑动导轨微浮起，使两导轨间形成极薄的油膜，且油膜厚度基本保持恒定不变的一种纯液体摩擦的滑动导轨1。11静压导轨工作原理如图11所示为恒压供油静压导轨。图11恒压供油静压导轨1一油池2一进油滤油器3一液压马达4一油泵5一溢流阀6一粗滤油器7一精滤油器8一压力表9一节流器10一上支承11一下支承液体静压导轨通常将移动导轨分成若干段，每一段相当于一个独立的支撑，每个支承由油腔和封油面组成。来自油泵经过滤的压力为PS的油液经节流器节流后压力降为PR，进入导轨油腔。当导轨面上有足够的压力平衡运动件的重量时，支承件被浮起，此时油液通过上、下支承的间隙H流出，压力降为零。当浮起量大于支承上下两个平面的表面不平度时，即形成纯液体摩擦。当作用在上下支承的载荷F增大时，则上支承有下沉的趋势，油膜被压缩，导轨面间的油液流出的液阻增大，由于节流器的调压作用，使油腔压力PR随之增大在承载能力范围内，以平衡外载荷。当采用固定节流器时，由于油腔压力PR与导轨间隙H的三次方成反比，故导轨间隙的微量变化，就能获得较大的油腔压力增量，因此，油膜刚度较高。当采用可变节流器时，则能获得近似于无穷大的油膜刚度1。12静压导轨优缺点液体静压导轨具有如下优点2L纯液体摩擦，工作寿命长，能够长期保持其运动精度，维修工作量小，并可降低对导轨材料的要求2纯液体摩擦状态下，摩擦系数低，损耗功率小3速度变化和载荷变化对油膜厚度影响小，即使在低速时，也不会产生爬行现象4油膜具有误差均化作用，可提高导轨运动精度5油膜承载能力大，刚度高，吸振性能良好，导轨运动平稳。液体静压导轨的缺点需要一套复杂的供油系统，不如动压导轨结构简单。液体静压导轨须满足导轨精度、耐磨性、刚度和运动均匀性的要求，即L导轨精度是运动件沿导轨运动时的直线性以及与其他机件或基面之间相对位置的准确性要求导轨的平直度、扭曲度和平行度的总和应小于导轨间隙2耐磨性决定导轨的磨损寿命，耐磨性是保持导轨工作质量的关键3刚度是导轨工作质量的主要指标导轨间隙不能过大，否则影响油膜刚度，对开式导轨还容易产生漂移4运动的均匀性要求能准确定位，即低速重载时，不发生不均运的跳跃式运动爬行。13静压导轨供油方式静压导轨的供油方式分为定压供油和定量供油两类系统3。131定压供油如图12所示为定压供油基本形式图12定压供油式单油腔静压支撑工作原理图1滑动件2支撑件一个单油腔静压支承由油腔、进油孔及四周封闭的封油面组成用一个公共油泵供油，从油泵出来的压力油一部分经溢流阀流回油箱，一部分经节流器进入静压腔。溢流阀保持一定流量溢流，从而起到稳压作用，因而整个系统的供油压力是恒定的，所以叫恒压供油系统。这种系统有如下特点A各静压腔的进油孔道中必须安装节流器，通过节流器的自动调压作用，调节各静压腔的压力而形成支撑件承载能力,B泵的流量要足够大，保证溢流阀在静压导轨各种工况下均能保证有足够的溢流流量，从而起稳压作用，C一个系统可以同时向多个静压腔供油，D由于有一定的溢流和节流器的节流损失，所以增大了系统功率损失。132定量供油如图13所示为基本定量供油形式图13基本定量供油形式从泵出来的压力油直接进入静压油腔。因为泵的流量是稳定的，所以进入静压腔的流量是恒定的，故叫定量供油系统。安全阀只起保护作用，在正常运行中，安全阀是关闭的，当压力达到危险值时，安全阀自动打开，使系统卸荷，保护整个供油系统不受损坏。恒流量供油系统有如下特点A各静压腔的进油通道中不需要设置节流器，因为进入油腔的流量是恒定的，所以当导轨受载荷W作用而产生位移E时，因为间隙的变化，油腔压力P就会产生变化，各油腔之间就有压力差而形成导轨承载力；B因为供油系统中没有节流器，所以只能采取一腔一泵的供油方式，因此，泵的数量和静压腔的数量相同也就是说，定量供油系统其泵的数量比定压供油系统多；C由于没有溢流和节流器的节流报失，故功率损耗较小。2静压导轨受力分析如图21是毛细管开式静压导轨工作原理示意图4。图21图中PS是进油压力，A2B2C2D2为一个油腔，PI为油腔压力，W为外载荷。设每个油腔相应的一段导轨长为L，宽为B。我们应用流体力学中流体在平行平面内流动的模型进行计算，并作如下假定1油路中的流体为层流（指流体微团互不掺混、运动轨迹有条不紊地流动），2油是粘性不可压缩的，3油从油腔向外流出的油压是按直线规律下降，到导轨边缘降至零，4进油压力恒定不变。设导轨的承载能力为（21）其中W为外载荷，W0为工作台重量。设油腔为矩形，长为L宽为B。支座上单位面积的压力为（22）其中为支座的面积。令（23）为承载面积系数。下面分别推导静压导轨的各个计算公式1承载面积系数CF如图22所示为支座上油腔压力的分布情况图22由图看出，支座A1B1C1D1上的总压力可用区域A1B1C1D1上的二重积分来计算。由于区域的对称性，只须计算0，1，2，3，4各区域上的压力，便可求得整个区域上的总压力。显然总压力P可用下式计算（24）对于1和4来说被积函数为（25）直线C1C2的方程为（26）对于2和3来说，被积函数为（27）直线D1D2的方程为（28）所以同理所以所以2经毛细管流入一个油腔的流量Q1将其简化成流体在圆管内的流动。因此，通过毛细管的流量可以应用粘性流体在圆管内的流动规律来计算。设一个圆管两端的压力分别为PA和PB圆管半径为R0,长为L，径向极坐标为R。粘性液体在圆管内的流动规律为（215）其中为流体的动力粘性系数。这种流速的分布情况如图23所示。图23因此流体通过圆管的流量为设毛细管的直径为DE，长度为1E。受载后油腔压力为PI，进油压力为PS。则由公式216得3油从一个油腔经过导轨间向四周流出的流量。这种流动可简化成粘性流体在两平行平板间的流动。如图24取坐标系。假定流体在Y方向上无流动，以H表示两平板的间隙。图24设当时，；当时，；时，且处0XAPBXBP1ZH0处有界。此时流体的压力分布函数为（218）其速度分布函数为（219）其中。因此流体通过两平板间一个截面的流量为其中为平板的宽度1B现在假定油腔内的流体按如图24所示四周流出。这里，12H或，或。12BB（12BL（L1BL1,0AISBP由（220）得出油从一个油腔通过导轨间隙H,向四周流出的流量为4受载后油腔厚度H的计算根据流体不可压缩的性质，经毛细管流入油腔的流量Q1，应该等于经油腔向四周流出的流量Q2即由（217）和（221）得1引入参数（222）则（223）参数C称为节流参数称为节流比5导轨的油膜刚度J所谓油膜刚度，是指工作台在载荷作用下，导轨间隙H产生单位变化所引起承受载荷的变化即其中由此可知当油腔结构不同时油膜刚度J也不同。同时供油方式会影响PS，所以不同供油方式下油膜刚度J也会不同。3静压导轨结构设计这里采用的是矩形油腔如图31所示5图3131结构设计311油腔结构设计1油腔尺寸为保证有效承载面积相同，只需各段导轨尺寸L、B和油腔尺寸,B对应L相等。其尺寸可参考下式确定封油面宽度B1是一个重要参数，若过小，而导轨精度又差，则难以建立起油腔压力，1B若太大，则会减小油腔有效承载面积和承载能力一般取,导轨宽1540M度越宽则取值越大。2油腔数目和布置每条导轨不得少于两个油腔。油腔的数量可按如下原则选择A运动部件工作台的长度在2M以下时，在运动部件的长度内取24个油腔。B运动部件工作台的长度在2M以上时，每个油腔的长度取052M。C每个油腔的长度为5001500MM。D对于载荷分布均匀、机床或机械设备的刚性较好时，油腔长度可取较大值，油腔数目可以取少一些。E对于载荷分布不均匀，机床或机械设备的刚性较差时，油腔长度可取较小值，油腔数目则要多一些。一般情况下，作直线运动的静压导轨，其油腔应开在移动部件工作台上，固定部件机座应有足够的长度，保证移动部件在运动过程中不露出，使油腔建立正常压力。对回转运动静压导轨，工作台在运动过程中不会外露，为了进油方便，油腔一般开在固定部件机座上。对于载荷分布不均匀的静压导轨，如工作台自身重力不均匀，可以在同一导轨面上采用不等面积的油腔，承受载荷较大的油腔采用较大的油腔面积，承受载荷较小的油腔采用较小的油腔面积。3设计计算本次设计为两条导轨，每条导轨上布置两个油腔，采用对称布置。取B60，L150,B120则由式（32）得取，如图32所示油腔结构图32312导轨结构设计导轨采用截面为矩形的平导轨如图33图33矩形平导轨形状简单，制造容易，承载能力及刚度大，油面调整容易。单条导轨上两油腔间隔要大于（BB）。整个设计如图34所示图3432供油系统设计采用恒流供油方式供油，其基本供油系统如图356图351电动机2油泵3精滤油器4进油孔5工作台6邮箱7粗滤油器恒流供油的工作流程为首先启动电机1，电机1带动油泵2开始供油，油泵2将油从油箱6中抽出，经过粗虑油器7和精虑油器3向进油孔4提供压力油，当导轨面上有足够的总压力平衡运动件的重量时，支承上表面被浮起，在静压导轨上、下面之间形成油膜厚度为的间隙，多余的液压油经封油边回到油箱6。本次设计具体供油系统如图36所示图36其工作流程为1第一供油部分电动机1带动油泵2开始供油，溢流阀3调定供油压力。压力油经精滤油器4，单向阀5进入第二供油部分。2第二供油部分电动机6带动串联的4个油泵将第一部分已精滤过的压力油分别送入4个油腔中，多余的液压油经封油边回到邮箱。4静压导轨动力学性能分析首先利用ANSYS建立静压导轨有限元模型，再利用ANSYS进行动力学分析。41建模过程411在PROE40中建立静压导轨模型1草绘如下图41封闭图形图412拉伸上面的草绘图至500得到如图42的导轨图423在导轨上打4个如图43所示的螺纹孔11图434创建单个油腔尺寸如图44，实体图如图45也打螺纹孔图44图455建立M3_30的标准螺钉如图4612图466将油腔和导轨通过螺钉连接装配在一起如图47图47412将PROE中建好的模型导入ANSYS中1点击文件保存副本，作如图48的选择将42模型输出为（X_T）格式图482打开ANSYS点击FILEIMPORTPARA弹出ANSYSCONNECTIONFORPARASOLID对话框如图49，选中刚生成的（X_T）文件，点OK导入完毕图49此时显示为一个线框如图410，点击PLOTCTRLSSTYLESOLIDMODELFACETS下拉框中选择NORMALFACETINGOK,鼠标右键选择REPLOT重生，即可看到实体。图41042分析过程131定义单元类型选择PREPROCESSORELEMENTTYPEADD/EDIT/DELETE菜单，弹出【ELEMENTTYPES】窗口，单击ADD按钮，弹出【LIBRARYOFELEMENTTYPE】单元类型库对话框。选择STRUCTURALSOLID实体单元类型在右边的列表中选择BRICK20NODE186后单击OK。2定义材料属性选择导轨材料为球墨铸铁，弹性模量为160GPA，泊松比025，密度为73T/M3如图411。图4113进行网格划分PREPROCESSORMESHINGMESHTOOL在弹出的对话框中点选SIZECONTROLS下的GLOBALSET按钮在弹出的对话框中填002在下方SHAPE中选择HEX选择SWEEP点击SWEEP按钮选择PICKALL即划分好了网格如图412。图4124施加约束条件自由状态5进行求解（1）指定分析类型SOLUTIONANALYSISTYPENEWANALYSIS弹出对话框选择MODAL即选择模态分析如图413。如图413（2）进行模态扩展SOLUTIONANALYSISTYPEANALYSISOPTIONS弹出对话框在【NOOFMODESTOEXTRACT】文本框中输入8单击OK如图414，接着弹出的对话框中【STARTFREQ】填1，再单击OK如图415。图414图415（3）进行求解SOLUTIONSOLVECURRENTLS，开始计算。6进行后处理（1）显示模态计算结果GENERALPOSTPROERESULTSSUMMARY即可显示模态结果对话框如图416。图416（2）一介模态响应动画结果如表41表41结果显示频率振型描述41849导轨一介对角弯曲52035导轨绕Z轴一介弯曲86615导轨绕Y轴一介弯曲86619导轨绕X轴一介弯曲90188导轨绕Z轴一介弯曲（3）结果分析从分析的结果可以看出，结合部处的固有频率远小于导轨本身的固有频率，由此说明，采用这种形式的导轨结构能够将结合部弱化，可以识别出结合部的动态特性参数。结束语经过几个月的忙碌毕业设计课题终于要完成了，回首这几个月的历程感悟良多。从一开始的开题报告和外文翻译，就将我逼到了图书馆翻阅资料，从中队课题有了大致的了解。再到后来的写毕业论文开始毕业设计，更是到处在网上或图书馆查资料和询问辅导老师，这时才深深的了解到书到用时方恨少，我所了解的知识连冰山上的一角都没有。对于课题从90的不了解到完成课题，其间经历过许多烦闷的日子，有很多次为了搞清一个问题要去图书馆翻借很多书，电子阅览室有时一待就一天，有时通过这些努力会搞清问题，但有时也会做无用功。特别是无用功最让人郁闷了，最后还是要去问辅导老师。就在这样忙碌的过程中我完成了课题，结果不必去看重，重要的是过程让我收获了许多