主轴箱液压平衡系统设计与分析

2012年9月

第40卷第18期

机床与液压

MACHINE TOOL ＆HYDRAULICS Sep．2012Vol. 40No. 18

DOI ：10．3969/j.issn. 1001－3881. 2012. 18. 001

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650203）

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39中图分类号：TH-文献标识码：B

文章编号：1001－3881（2012）18－001－5

Study on Hydraulic Balance System for Spindle Box

CUN Huaying ，YU Guanghuai

（Shenji Group Kunming Machine Tool Company Limited ，Kunming Yunnan 650203，China ）

Abstract ：Taking spindle box balance system as a research object ，through comparison and detailed calculation analysis for a va-riety of hydraulic balance schemes in actual conditions ，balance way using single cylinder and accumulator was selected and checked．So the balance problem of high precision horizontal processing center spindle box system is solved．

Keywords ：Spindle box ；Single cylinder ；Dual cylinder ；Pump valve balance ；Accumulator balance

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x 、y 、z 轴坐标定位精度0. 004mm ，重复定位精度0. 003mm ；B 轴坐标定位精度3ᵡ ，重复定位精度2ᵡ ），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

［1］

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F ，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THM46100采用油缸平衡结构来平衡主轴箱的重力

。

。

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—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。

图1

机床结构图

收稿日期：2012－06－11

基金项目：2010国家科技重大专项（2010ZX04001－021）

作者简介：寸花英（1966—），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。E －mail ：yshw2008@

163. com 。

·2·1

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 /kg

－1

快速移动速度v max /（m ·min ）

－2

加速度a /（m ·s ）

机床与液压第40卷

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：

F 1=F 2=

1200ˑ 10G ==6000

N 22

y 向工作行程/mmy 向总行程/mm

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

控制方式泵阀平衡蓄能器平衡

油缸平衡种类表

布置形式

单油缸布置单油缸泵阀平衡单油缸蓄能器平衡

双油缸对称布置双油缸泵阀平衡双油缸蓄能器平衡

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

参数油缸缸径D 缸杆直径d 工作行程H 总行程H max

油缸初始参数

布置形式

单油缸[1**********]5

双油缸[1**********]5

mm

图2

双油缸平衡结构原理图

［2］

每个油缸对于主轴重心施加的力矩M 1=M 2=F 1L 1=F 2L 2

为：

（1）（2）

则主轴箱受到的两个油缸的组合力矩为：

M G =M 1+M 2=F 1L 1－F 2L 2=0N ·m

2. 1. 1按照双油缸对称布置来计算选型F mg ==A 122

n ˑ 3. 14ˑ （D －d ）］41200ˑ 10

=9. 367MPa

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 1=F 2且L 1=L 2。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：

ΔA =A 1－A 2=（D 22－d 22）］≠0

即F 1－F 2=pA 1－pA 2=p ˑ ΔA ≠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。

1

ˑ 3. 14ˑ ［（D 12－d 12）－4

平衡双油缸结构原理见图2，平衡所需压力：p =

12ˑ 3. 14ˑ （42－2. 82）］4

油缸移动过程中的容积变化：ΔV =A ˑ H =

1n ˑ 3. 14ˑ （D 2－d 2）］ˑ H =4

12ˑ 3. 14ˑ （42－2. 82）］ˑ 1. 2ˑ 10－1=1. 54L 4

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

第18期寸花英等：主轴箱液压平衡系统设计与分析

·3·

附加扭矩，具体计算过程略

。

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L 1≠L 2。

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，而这个附加力矩M G 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. 367MPa ，选10MPa ，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：

F mg p ===

A 122

n ˑ 3. 14ˑ （D －d ）］4

1200ˑ 10

=5. 72MPa

1223. 14ˑ （6. 3－3. 6）］4

油缸移动过程中的容积变化：

1

n ˑ 3. 14ˑ （D 2－d 2）］ˑ H =ΔV =A ˑ H =4

11ˑ 3. 14ˑ （6. 32－3. 62）］ˑ 1. 2ˑ 10－1=2. 54L 4

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：

F 1=G =1200ˑ 10=12000N

由于只有一个油缸作用于主轴箱上，将不会产生

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. 72MPa ，选6MPa ，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

［3］

·4·

初始条件见表1，为了满足速度要求：Q max =v max ˑ A =3. 6ˑ 102ˑ

机床与液压第40卷

此方案平衡系统压力为5. 6MPa ，选用6MPa ，选用50L 规格的蓄能器1个，实际容积为47. 5L ，充氮压力4. 9MPa （取对应最大主轴箱质量1200kg ，平衡压力5. 8MPa 的85%）。

根据绝热气态平衡方程p 1V 1=V 2，得：（1）油缸活塞回缩（吊起）至油缸0mm 行程，蓄能器氮气腔压力5. 46MPa ，氮气腔容积42. 6L ；蓄能器油压腔压力为5. 5MPa ，容积4. 9L 。

（2）油缸活塞杆回缩至1/2总行程，蓄能器氮气腔压力为5. 63MPa ，氮气腔容积41. 35L ；蓄能器油压腔压力5. 63MPa ，容积6. 15L 。

（3）油缸活塞杆外伸至油缸总行程1200mm ，蓄能器氮气腔压力5. 8MPa ，氮气腔容积40. 1L ；蓄能器油压腔压力5. 8MPa ，容积7. 4L 。

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710N 。蓄能器进出流量最大可达600L /min，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。

[14

ˑ 2ˑ 3. 14ˑ （0. 42－0. 282）P =10MPa

]=46. 12L /min

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：

P w =

Q max ˑ p ˑ λ

=

60ˑ 106

46. 12ˑ 107ˑ （110% 130%）

=（8. 6 10）kW

60ˑ 106式中：λ为溢流阀压力p f 与工作压力p 的比值，通常p f 要比p 高出10% 30%，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10kW ，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 =（15 20）ˑ A ˑ H =（15 20）ˑ

[[14

1

ˑ 3. 14ˑ （D 2－d 2）ˑ H =（15 20）ˑ 4

ˑ 3. 14ˑ （6. 3－3. 6）ˑ 1. 2ˑ 10

2

2

]

]

－1

=

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

（15 20）ˑ 2. 54L =（38 50. 8）L 式中：15 20为经验参数

。

适合THM46100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

THM46100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

THM46100采用的y 轴伺服电机和丝杆参数如表4所示。

图7储能器平衡系统原理图

第18期

表4

寸花英等：主轴箱液压平衡系统设计与分析

电机、丝杠参数表

[1**********]．005

·5·

4结论

电机扭矩N start /（N ·m ）电机最大扭矩N max /（N ·m ）电机额定功率P W /kW丝杆螺距P /mm丝杆直径D /mm摩擦因数μ

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THM46100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，即：提出问题→设计初始条件→初选方案→方案分析对比→选出最优方案→最优方案校核。这种设路

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

。

［5］

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：

v max 3. 6ˑ 104

=n ==1800rad /minP 20

［4］

此时的电机扭矩为：

P W ˑ 95509ˑ 9550N f ===47. 75N ·m

n 1. 8ˑ 103

启动时丝杆的拉力为：

N start

f s =（1－μ）ː （2ˑ 3. 14）

P /1000

[]=]=

（1－0. 005）

ː （2ˑ 3. 14）]=419. 86N [20/531000

快速移动时丝杆的拉力为：N f

f f =（1－μ）ː （2ˑ 3. 14）

P /1000

[

（1－0. 005）

75

ː （2ˑ 3. 14）]=378. 27N [2047. /1000

图8机床方案设计流程图

则丝杆拉力占主轴箱总重力的百分比为：f （378. 27 419. 86）

ˑ 100%=ˑ 100%=G 120031. 5% 34. 99%

蓄能器平衡主轴箱重力最小百分比为P min 5. 5

ˑ 100%=ˑ 100%=96. 2%P 5. 72需要伺服电机的辅助拉力百分比为：1－96. 2%=3. 8%安全系数为

（31. 5% 34. 99%）s ==8. 29 9. 21

3. 8%安全系数较高，满足平衡系统的可靠性要求。

参考文献：

【1】《机床设计手册》M ］．编写组．机床设计手册：第三册［

1986．北京：机械工业出版社，

【2】哈尔滨工业大学理论力学教研室．理论力学［M ］．北京：

2002．高等教育出版社，

【3】章宏甲，M ］．北京：机械王积伟，黄谊．液压与气压传动［

2007．工业出版社，

【4】杨振坤，．西安：西安交通大陈国联．电工电子技术［M ］

2007．学出版社，

【5】谢友柏．现代设计方法［M ］．西安：西安交通大学出版

2005．社，

【6】濮良贵，M ］．北京：高等教育出版社，纪名刚．机械设计［

2006．

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（内容来源：机电商情网）

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