龙门加工中心移动横梁静动态分析及结构改进_CNC加工中心

前言：

引言

加工中心作为制造机器的机器，在航空航天、船舶机械，汽车等行业中得到广泛的应用。作为加工中心的主要结构部件，加工中心横梁在加工中心的动、静态性能方面起到极为重要的作用¹¹¹。对于移动横梁，因自身重力及外载荷作用引起的横梁形变对加工中心加工性能有着重要的影响，因此减轻移动横梁的重量，提高横梁刚性对横梁系统结构的优化设计意义重大。

国内外在加工中心关键零部件的研究上主要采用优化筋板整体结构，利用仿生学原理布置筋板结构，优化零部件外形尺寸等方法，从而达到优化设计的目的。文献[]]对筋肋分布形式进行拓扑优化设计，从而提高横梁静、动态特性。文献H采用仿真分析软件，证明了横梁中部导轨一滑块结合部是横梁最薄弱地方，同时分析了导轨接触刚度和导轨接触阻尼对系统固有频率的影响情况；文献H分析了横梁四种筋板结构，论证了〇字型设计的最优性及〇字高与宽的比值越接近1,横梁性能越好，文献&]采用了仿生学原理，对加工中心立柱进行优化设计，提高立柱性能。SUI⑴KTN SV等人对梁单元进行了能量流动的分析与优化^H。

然而上述方法考虑了如何合理选择和布置筋板结构及筋板的厚度，对横梁有限元仿真分析主要集中在横梁最薄弱的中间位置，忽视了其它位置横梁的形变情况，也未直接提出针对薄弱位置的结构改进措施。本文中构建了横梁振动力学简图，并对最大变形量和_阶固有频率作了理论计算。以横梁的质量~总形变，固有频率为优化目标，通过改进横梁上下导轨局部结构，同时对优化后的横梁受力导轨面的不同位置施加相同载荷，获得横梁受力导轨面变形曲线，证明了优化设计后横梁的可靠性。

1移动横梁变形量及一阶固有频率理论计算

横梁在左右两侧受到滚珠丝杠螺母的支撑力，在横梁上下导轨上承受滑板、主轴箱等零部件的重量(见图1)。结合机械振动学和材料力学将横梁简化成如图2所示的横梁振动力学简图。

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3移动横梁优化设计3_1横梁优化设计

根据横梁静态分析结果，选择横梁上下导轨支撑筋板作为设计变量，以横梁总形变最小及重量最小为目标函数。在优化设计分析过程中，保证优化前与优化后的横梁所施加的载荷与约束相同。

如图6所示，因滑板部件位于横梁中间位置时，横梁形变最大，为提高横梁刚性，将横梁上导轨部位的下支撑筋板设计成⁴5。倾斜状；将横梁下导轨部位的上支撑筋板设计成45。倾斜状。

_由以上分析可知优化后横梁上导轨面在竖直方向上受力减少了 F/,弯矩减小了 FJ。因下导轨支撑筋板设计与上导轨类似,这里不做具体介绍。

3.2横梁优化结果分析

对优化后的横梁模型进行有限元分析，对比优化前后滑板部件位于横梁中间位置时的有限元分析主要性能参数，如表3所示，优化后横梁形变总位移减小了10.6%,质量减轻了 i36kg, _阶固有频率也有所增加,J、y、f轴向形变均有减少，且_F向形变降低幅度最大,降幅达13. 1 % ,说明优化后横梁的整体刚度有所提高，轻量化效果明显。

表3优化前后主要参数

参数	优化前	优化后	变化量
总位移//Ltm	36.109	32.300	-10.6%
质量/kg	13585	13449	-136
一阶频率/Hz	138.68	139.17	+ 0.49
■I向形变/ym	3.59	3.63	+ 0.04
7向形变//ttm	26.81	23.30	-13.1%
Z向形变/gm	24.37	23.09	—5.3%
注“+”表示增加	减少。

横梁各阶振型频率与振幅如表4所示，可以发现,在振幅基本不变的情况下，优化后横梁的前6阶固有频率均有所提高，且均大于加工中心最大激振频率（加工中心主轴转速为〇 -eOOOr/min,主轴对横梁的激振频率为0?100Hz)^M，说明横梁的优化设计是合理的。

表4各阶振型参数

阶数	优化前		优化后
阶数	固有频率/Hz	最大振幅/mn	i固有频率/Hz	最大振te/mm
1阶	138.68	18.13	139.17	18.24
2阶	148.79	17.21	149.77	17.61
3阶	188.87	23.60	190.09	23.56
4阶	223.82	26.86	224.99	26.97
5阶	265.98	36.39	267.29	36.39
6阶	271.39	45.56	272.08	45.59

为对比优化前后横梁其他位置的变形情况，分别对优化前后横梁滑板部件位于横梁不同位置时的静态特性进行分析。因该横梁滑板在横梁上的行程为3700mm,因此从距横梁左侧1200mm处开始取受力面中心，依次每间隔200mm进行不同位置的静态特性有限元分析，取至距横梁左侧4.8m处为止。分析出的横梁总变形曲线图如图8所示，优化前后横梁最大形变位置均位于横梁中间位置，并且向横梁两侧随着距离的增大形变逐渐减小,优化后横梁形变减小明显。

4结论

(1) 对横梁进行结构简化并建立振动力学模型^理论计算原横梁的最大变形量和一阶固有频率，其结果与仿真结果相近。通过优化设计横梁外形结构，对比优化前后横梁静、动态特性，优化后的横梁中间薄弱位置总变形减小了 10.6%,y向形变减少了 13. 1%,横梁整体质量减轻了 136kg,—阶固有频率也有所增加，横梁整体刚性得到了提高,取得了良好的轻量化效果。证明了该优化设计方法的合理可性，为其它零部件优化设计提供了借鉴方法。

(2) 文中仅对横梁上下导轨处的结构进行了设计与改进，从而达到提高横梁刚性及轻量化效果。若对横梁内部筋板结构(井字形,口字形,x形，等）进行设计与分析，以及针对横梁变形问题采取相应的补偿措施，将进一步优化横梁结构与性能,这将作为今后的研究方向。

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