基于有限元的高速龙门五轴加工中心动静态优化设计
超重型龙门式加工中心的结构设计与优化
超重型龙门式加工中心的结构设计与优化随着制造业的发展以及对加工精度和效率的要求不断提升，超重型龙门式加工中心作为一种重要的设备在工业生产中扮演着重要的角色。
本文将就超重型龙门式加工中心的结构设计与优化进行探讨，以满足高精度、高效率的加工要求。
超重型龙门式加工中心的结构设计是整个设备设计的关键，它直接影响到设备的性能和稳定性。
在设计时，需要充分考虑以下几个方面：首先，要充分考虑刚度和稳定性。
超重型龙门式加工中心在加工过程中需要承受较大的切削力和惯性力，因此结构需要具有足够的刚度和稳定性，以确保加工精度和表面质量。
在设计时，可以采用梁式结构，增加横梁和支撑柱的数量和截面尺寸，以提高整个结构的刚度。
其次，要考虑设备的负载能力和运动平稳性。
超重型龙门式加工中心通常需要加工较大尺寸的工件，因此结构需要具有足够的负载能力，以支撑工件的重量和加工力。
在设计时，可以采用双柱龙门式结构，增加纵梁和支撑柱的截面尺寸和数量，以增加结构的负载能力。
同时，还可以采用滚动导轨和滚珠丝杠等技术，以提高设备的运动平稳性和精度。
另外，要考虑设备的刚性和动态特性。
超重型龙门式加工中心在加工过程中会产生较大的振动和冲击力，因此结构需要具有足够的刚性和抗震性。
在设计时，可以采用箱型梁或闭式结构，增加结构的强度和刚性。
同时，还可以采用减震器和振动消除技术，以降低设备的振动幅度和噪音，提高加工精度和表面质量。
最后，要考虑设备的维修和保养便捷性。
超重型龙门式加工中心通常由多个部件和机构组成，因此在设计时需要考虑设备的维修和保养便捷性。
在设计时，可以采用模块化设计和标准化部件，以方便维修和更换。
同时，还可以加装传感器和监测装置，实时监测设备的运行状态，及时发现故障并进行维修。
除了结构设计，超重型龙门式加工中心的优化也是提高设备性能的重要手段。
在优化过程中，可以从以下几个方面进行改进：首先，可以优化加工工艺和刀具选择。
通过合理选择加工工艺和刀具，可以降低切削力和热变形，提高加工精度和表面质量。
基于能量平衡原理的机床结构动态优化
縉密an工廉检测技术I 2024年第3期Precision Machining and Testing Technology■基于能量平衡原理的机床结构动态优化刘江①王兆涛①阮业康②（①北京科技大学机械工程学院，北京100083；②中船重工武汉船用机械有限责任公司，湖北武汉430084）摘要:提出了一种基于能量平衡原理的机床结构动态优化的方法，通过提高机床部件能量分布的均匀性来提高机床动态性能。
以数控雕铳机龙门架的动态性能优化设计为例，对这一方法做了具体的阐述。
首先，利用有限元软件模态分析确定出部件危险模态的固有频率及振型;然后,根据能量分布确定出动能和势能集中的区域，再根据能量平衡原理对零件结构进行优化;最后，使用标准差对能量分布的均匀性进行评价,最终达到提高机床部件动态特性的目的。
关键词:动态特性;能量平衡;动能;势能;标准差中图分类号:TG502.31文献标识码:EDOI:10.19287/ki.1005-2402.2021.03.004Dynamic optimization of machine tool structure based on energy balanee principleLIU Jiang®,WANG Zhaotao①，RUAN Yekang®((DSchool of Mechanical Engineering,University o£Science and Technology Beijing,Beijing100083,CHN；②Wuhan Maring Machinery Plant Co.,Ltd.,Wuhan430084,CHN)Abstract:This paper presents a method of dynamic optimization of machine tool structure based on energy balance principle.The dynamic performance o£machine tool is improved by improving the uniformity of energydistribution of machine tool parts.Taking the dynamic perfonnance optimization design of gantry of CNCengraving and milling machine as an example,this method is expounded in detail.The paper firstly usesmodal analysis in finite element analysis software to find the dangerous modal,secondly identifies theconcentrated area of the kinetic energy and potential energy distribution,then optimizes the part structureon the principle of energy balance,finally evaluates the uniformity of energy distribution by standard deviation.The results prove that the dynamic performance of machine tool is improved by the better uniformity of energy distribution.Keywords:dynamic performance；energy balance；kinetic energy；potential energy；standard deviation高速加工机床作为现代车间柔性化生产的基本单元,不仅具有较高的生产效率和加工精度，还具备快速响应、快速移动的特点，因此,为其设计轻质量、低惯量及高刚性的部件就显得十分重要⑷。
高架桥式五坐标龙门加工中心整机动特性分析
高架桥式五坐标龙门加工中心整机动特性分析东南大学机械工程系 (210096) 倪向阳 张建润江苏多棱数控机床有限公司 (213012) 彭 文摘 要 基于试验识别机床各结合面参数,本文建立了机床整机有限元模型,并进行了静态、动态和谐响应分析,在此基础上找出机床结构的薄弱环节,为机床结构优化设计提供技术支持。
关键词 有限元建模 有限元分析 模态分析 谐响应分析 结合面 在有关项目支持下东南大学与江苏多棱数控机床有限公司合作,开发大型高架桥式五坐标龙门加工中心,机床结构示意图如图1所示。
它主要用于航空航天工业中大型铝合金构件和复杂模具的高速、高效、高精度切削加工。
为保证该机床具有良好的动、静态特性,在设计阶段进行整机和零部件的动力学建模与动、静态特性分析,以确保机床具有良好的动态特性和优良的加工性能。
1.立柱;2.滑座;3.滑台;4.横梁;5.拖板;6.箱体;7.轴;8.电主轴架;9.电主轴图1 机床结构示意图对于这种大型机床的复杂结构,由于零部件装配结合面参数的不确定性,直接建立能描述结构动、静态特性的准确有限元模型是十分困难的[1]。
本文通过试验测试的方法识别出机床主要结合面参数,并应用到整机有限元建模中,得到了较准确的机床整机有限元模型,在此基础上进行机床动、静态特性分析,得到了可靠的分析结果[2][3]。
1 结合面参数识别与整机有限元建模1.1 结合面参数识别机床结合面是影响整个机床动、静态特性的关键,因此整机建模时结合面的参数正确与否,对整机有限元模型的建模精度具有举足轻重的作用。
本文针对影响整机建模精度的关键结合面———导轨副进行动态试验,识别出导轨结合面参数,把这些参数应用于整机建模,以确保整机的建模精度。
图2所示为测试系统示意图:测试时将滑台置于滑座上,由于滑座的质量远大于滑台质量,且滑座与滑台的刚度相对结合面刚度大得多,因此滑座与滑台系统可以近似为单自由度系统。
系统在各方向产生第一阶模态将由导轨结合面相应方向刚度单独决定,因此可以采用分量分析法来识别出该结合面参数[4]。
基于ANSYSWorkbench的大型数控龙门铣镗床床身静动态特性分析
第12卷第1期2012年1月1671—1815（2012）01-0180-05科学技术与工程Science Technology and EngineeringVol.12No.1Jan．2012 2012Sci.Tech.Engrg.仪表技术基于ANSYS Workbench 的大型数控龙门铣镗床床身静动态特性分析张强1尹志宏1*张明旭2李晓园1徐凯1（昆明理工大学机电工程学院1，昆明650093；沈机集团昆明机床股份有限公司技术中心2，昆明650203）摘要对某大型数控龙门铣镗床床身的结构特点和受力情况进行了分析。
在此基础上以ANSYS12．1Workbench 为平台，用有限元方法对该床身进行了静力学和模态分析，并在不同约束条件下对比了床身的静力学变形和模态。
分析结果表明该机床床身静力状态下变形较小，低阶模态频率较高，符合使用要求；但结构较为厚重，优化空间较大，可进行进一步优化。
关键词床身有限元静力学模态中图法分类号TH123；文献标志码A2011年10月8日收到，10月20日修改第一作者简介：张强（1983—），山西人，男，硕士研究生，研究方向：机电系统动力学。
E-mail ：sxndzq@163．com 。
*通讯作者简介：尹志宏，（1962—），男，教授，研究方向：系统动力学。
E-mail ：yzh_kun@sina．com 。
近年来，随着科学技术的发展和计算机更新换代的加快，国内设计领域正在逐步由传统设计向现代设计过渡，这在机床行业表现的尤为突出。
目前，国内机床结构件的一般设计过程为：根据设计要求进行半经验半理论的传统设计，在此基础上完成三维CAD 绘图，然后对初步设计进行CAE 分析，进而根据分析结果进行再设计（优化）；如此反复，直至性能达到要求，最后进行制造。
在进行CAE 分析时，如何根据结构的不同特点选取与之匹配的现代设计方法、评价参数和分析软件对设计进行评价、为优化提供依据，从而有效提升产品质量，成为近年来研究的热点［1—4］。
龙门加工中心整机动静态分析及结构优化
由分析结果发现， 滑枕的静强度与动态性能都较 好， 但根据加工中心整体结构， 可发现其存在结构过长 的现象， 这一设计既增加了自身质量， 缩短了行程， 又加 剧了刀尖变形趋势。滑枕结构改进前后对比如图 ６所 示。修改前后行程增加 ２ ９ ０ｍ ｍ ， 质量减轻 １ ２ ６ｋ ｇ 。
由表 ３可知， 该龙门加工中心的前两阶固有频率偏 低， 只有 ３ ０ １ ７ ７Ｈ ｚ 和３ ２ ５ １ ５Ｈ ｚ ， 动态特性较差。４ 、 ５ 、 ６ 阶有密频现象。 结合前面静力分析的结果可知： 横梁、 滑枕是其较 为薄弱环节。这是由于该加工中心横梁 ｘ 向的刚度低 以及滑枕长度过长， 造成整机低阶固有频率偏低及总位 移量较大。
２ 有限元模型建立
静力学分析中， 网格划分采用 Ａ Ｎ Ｓ Ｙ ＳＷｏ ｒ ｋ ｂ ｅ ｎ ｃ ｈ三 维实体单元 Ｓ ｏ ｌ ｉ ｄ １ ８ ６ ， 该单元为三维 ６面体 ２ ０节点的结
收稿日期： ２ ０ １ ４ ０ ５ １ １ 基金项目： 人工智能四川省重点实验室科研项目（ ２ ０ １ ３ Ｒ Ｙ Ｙ ０ ３ ） ； 四川省教育厅重点项目（ １ ４ Ｚ Ａ ０ ２ ０ ９ ） ； 自贡市科技局项目（ ２ ０ １ ３ Ｊ １ ９ ） 作者简介： 杨海栗（ １ ９ ８ ８ ） ， 女， 四川成都人， 助教， 硕士， 主要从事结构设计及 Ｃ Ａ Ｅ仿真分析研究， （ Ｅ ｍ ａ ｉ ｌ ） ｙ ｈ ｌ ｓ ｅ ａ ３ ２ ４ ＠１ ６ ３ ． ｃ ｏ ｍ
龙门加工中心整机动静态分析及结构优化
杨海栗，田建平，胡 勇，付 磊，黄丹平
（ 四川理工学院机械工程学院，四川 自贡 ６ ４ ３ ０ ０ ０ ）
摘 要： 以Ｓ ｏ ｌ ｉ ｄ Ｗｏ ｒ ｋ ｓ 三维建模软件与 Ａ Ｎ Ｓ Ｙ ＳＷｏ ｒ ｋ ｂ ｅ ｎ ｃ ｈ 有限元分析软件为平台， 建立龙门加工中 心整机动静态分析模型， 由分析得到整机在只受重力、 以及重力与切削力同时作用这两种工况下的位移 量数据及其相对变化量， 得出整机的结构刚性及固有频率值， 并综合分析结果提出滑枕及横梁的结构优 化方案， 通过结构改进减小整机变形量， 提高整机加工精度， 为加工时的误差补偿提供了理论依据。 关键词： 龙门加工中心； 整机； 静力特性； 动力特性； 结构优化 中图分类号： Ｔ Ｐ ３ ９ １ 文献标志码： Ａ 及整机可靠性， 并针对薄弱环节进行结构优化， 从而提 高整机加工精度， 并为加工时的误差补偿提供必要的理 论依据。
大型龙门加工中心多目标优化设计技术
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Ａ ｓ ｒ ｃ ：Ｕｓｎ ｃ ａ ｉａ ｂ ｔ ｔ ａ ｉ ｇ ｍｅ ｈ ｎ ｃ ｌＣＡＤ ，ｔ ｅ ｆ ｉｅ ｅ ｅ ｅ ｔ ａ ａ ｙ ｉ ｔ ｅ ｎ ｌ ｇ ， ｈ ｉ ｔ ｌｍ ｎ ｎ ｌ ｓ ｓ ｅ ｈ ｏ ｏ ｙ ｎ
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０ 引 言
龙 门加工 中心 主 要 用 于 大 型 、 大 型 零 件 的 特 加 工 ， 国防 军 工 、 空 、 天 、 舶 、 源 、 通 是 航 航 船 能 交
第 ３ ３卷 第 ５ 期
２ ２年 １ ０１ Ｏ月
长 春 工 业 大 学 学 报（ 自然 科 学 版 ）
Ｖ０＿ Ｏ １ ３３ Ｎ ．ｊ Ｏ ｃ ． １２ ｔ ２０
龙门五面加工中心横梁有限元分析及优化设计
机床 在切 削加 工 时对导轨 面 变形进行 补偿提 供 了可 靠的依 据 。 关键 词 ： 横梁 ； 有 限元 ； ＡＢ ＡＱＵＳ ； 结构优化； 变 形补偿 中 图分类 号 ： ＴＨ１ ２ ２
文献标 识码 ： Ａ 文章 编号 ： １ ０ ０ １ — ２ ２ ５ ７ （ ２ ０ １ ３ ） ０ ６ —０ ０ ３ ０ 一Ｏ ４
法、 最 优化设 计 法应用 于产 品设计 中， 以确保设 计 的 精确 性与 可靠性 ， 提升 横梁性 能 。
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
ＡＢ ＡＱ ＵＳ ｓ ｏ ｆ ｔ ｗａ ｒ ｅ ｔ ｏ ｄ ｏ ｔ ｈ ｅ ｓ ｔ ａ ｔ ｉ ｃ ａ ｎ ｄ ｄ ｙ ｎ ａ ｍｉ ｃ ａ —
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五轴联动加工中心主轴系统的结构优化
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五轴联动加 工中心主轴 系统 的结构优化
佘 洋 ’张建 润 ’卢 ， ， 熹 ’孙 庆鸿 ’彭 ， ， 文 姚 树健 ，
（． １ 东南大学机械工程系， 南京 ２ ０ ９ ；江苏 多棱数控机床股份有限公司， １０ ６ 常州 ２ ３ １ ） １ ０ ２ 摘 要 ：对五轴联动加 工中心主轴系统进行动 力学仿真分析 ，对原主轴系统的轴承支承 系统和主轴结 构进行了动 态优 化设计 。 对主轴 前端 的单排轴 承的不足 ， 出了双排轴承的设计 方案 。对于 针 提 主轴结构 ， 论文建 立了以主轴前端动态变形最 小为目标 函数的优 化模 型 ， 对主轴结构进行了优
电 主 轴套
动 加 工 中 心 的主 轴 系统 ，原 机 床 在 主 轴 转 速 高 于
８ ０ ｒ ｎ 削加 工时 振动 剧烈 ， 重影 响 了机床 的 ０ ０／ 切 ｍｉ 严
一
图 １ 轴 系统 Ｃ 主 ＡＤ模 型
在建 立 有限 元数 字化模 型 时 ，对 原有模 型 进行 些必要 的 简化 ，如 省略 小 的倒 角 、沟槽 等 ，同时
ห้องสมุดไป่ตู้
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【 摘 要】 高速龙门五轴加工中心是航 空航天、 模具和汽车等高科技领域的关键加工装备 ， 机床 的 动静态特性是影响机床性能的重要 因素 ， 将间接或直接影响机床最后的加工性能； 高速龙 门五轴加 在 工中心的设计 中， 采用有限元分析技术对机床整机及桥 梁、 横梁、 滑板、 滑枕、 工作 台和双摆头等主要部 件进行 了静力学分析和模 态分析 ， 发现横 梁与滑枕为影响整机动静态性能的薄弱环节， 对横梁与滑枕
Ｋｅ ｒ ｓ Ｌｉ ｅ ｒｍ ｏ ｏ ； ｎ ｒ ｘ ｓ ａ ｈ ｎ ｎ ｅ ｔ ｒ Ｍ ｏ ａ ｎ ｌ ｓｓ Ｆ ｙ ｗｏ ｄ ： ｎ ａ ｔ ｒ Ｇａ ｔ ｙ ５ ａ ｉ ｍ ｃ ｉ ｉ ｇ ｃ ｎ ｅ ； ｄ ｌ ａ ｙ ｉ ； ＥＭ ａ
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机 械 设 计 与 制 造
３ ６ 文章编号 ：０ １ ３９ （０ １ １～ ０ ６ ０ １０ — ９ ７２ １ ）２ ０ ３ — ２ Ｍａ ｈｉ ｒ Ｄｅ ｉ ｎ ｃ ｎｅ ｙ ｓｇ ＆ Ｍａ ｆ ｃ ｕ ｅ ｎｕ ａ ｔ ｒ
第ｌ ２期 ２１ 年 １ ０１ ２月
基 于有 限元 的 高速龙 门五轴 ＿ 中心动静 态优化设计 术 Ｙ － －
张 磊 谢志坤 李 焱 史科科 高柏宏 （ 阳机床集 团设计研 究院 ， 阳 １０４ ） 沈 沈 １ １２ Ｏｐ ｉ ｚ ｄ ｄ ｓｇ ｏｒ ｔ ｔ ｄ ｄ ｎ ｍｉ ｈ ｒ ｃ ｅ ｉｔ ｓ ｏ ｉｈ ｓ ｅ ｄ ５ ａ ｉ ｔ ｍｉｅ ｅ ｉ ｎｆ ａ ｉ ａｎ ｙ ａ ｃ ｃ ａ ａ ｔ ｒ ｉ ｆｈｇ － ｐ ｅ － ｘｓ ｓ ｃ ｓｃ