高速龙门五轴加工中心静刚度分析与结构优化

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五轴数控机床空间定位精度改善方法研究现状

五轴数控机床空间定位精度改善方法研究现状
随着数控技术的发展，五轴数控机床被广泛应用于制造业。

五轴数控机床具有加工多
曲面、加工复杂的零件形状等特点，但与之相关的空间定位精度问题一直是制约其加工精
度和效率的瓶颈之一。

因此，如何提高五轴数控机床的空间定位精度一直是研究的热点问
题之一。

1. 结构优化法
结构优化法主要是通过修改五轴机床的结构以改善其空间定位精度。

该方法主要包括
优化设备刚度，改善设备的动态特性以及改善设备的制造精度等措施。

其中，优化设备刚
度是最常见的方法，包括增加设备的刚度、减小设备的振动等。

2. 控制算法优化法
控制算法优化法是通过改善五轴机床的运动控制系统以提高其空间定位精度。

该方法
主要包括优化运动控制算法、提高控制精度、改善控制延迟等措施。

其中，控制算法的优
化是最常见的方法，包括模型预测控制、自适应控制、扰动观测控制等。

3. 传感器检测法
传感器检测法是通过增加传感器来检测五轴机床的运动状态以提高其空间定位精度。

该方法主要包括增加位移传感器、角度传感器、加速度传感器等。

其中，增加位移传感器
是最常见的方法，可以通过测量五轴机床各关节的位移信息来计算出五轴机床的位置信息，从而提高其空间定位精度。

总的来说，以上三种方法都可以有效地提高五轴数控机床的空间定位精度。

但具体选
择哪种方法，需要结合具体的应用场景，进行综合考虑，并进行实验验证。

未来，五轴数
控机床空间定位精度改善方法的研究还将继续发展，持续推进高精度加工技术的发展。

大型龙门式加工中心对加工精度的影响分析

大型龙门式加工中心对加工精度的影响分析概述：大型龙门式加工中心是一种高精度加工设备，广泛应用于航空航天、汽车制造、模具加工以及其他大型工件加工领域。

本文将探讨大型龙门式加工中心对加工精度的影响因素，并分析其对加工精度的影响程度。

1. 加工材料加工材料是大型龙门式加工中心对加工精度的重要影响因素之一。

不同材料的物理性质不同，对工具刀具的磨损及切削力产生不同影响。

对于硬度较高的材料，如钢材，加工过程中产生的热量更大，导致工件变形和热应力增加，从而对加工精度产生较大的挑战。

2. 设备刚性大型龙门式加工中心的刚性对加工精度具有决定性影响。

刚性较好的加工中心能够有效抵抗切削力和振动，减小变形和振动造成的误差。

高刚性的龙门式加工中心通常采用铸铁或钢材制作主体结构，并配备有稳定的支撑和导轨系统，以确保高精度的加工。

3. 主轴精度主轴是大型龙门式加工中心的核心部件，直接决定了加工精度。

主轴的精度取决于其制造质量、动平衡性以及温度控制等因素。

高精度的主轴可以提供更加稳定的转速和切削力，确保加工过程中的精度和表面质量。

4. 控制系统控制系统是大型龙门式加工中心的大脑，对加工精度起着关键作用。

一流的数控系统能够实现高速、高精度的运动控制，降低因控制误差而引起的加工误差。

同时，良好的控制系统还应能够对温度、湿度和外部干扰等环境因素进行实时监测和调整，保证加工精度的稳定性。

5. 夹具设计夹具的设计合理与否直接影响工件在加工过程中的稳定性和精度。

夹具应能够确保工件的正确定位和稳固固定，同时尽量减少对工件表面的干预，避免引入新的误差。

6. 刀具选择与刀具磨损刀具的选择和磨损情况对加工精度也有较大影响。

合适的刀具选择可以降低切削力、减少加工振动，提高加工精度。

此外，刀具磨损会导致刀具直径减小、刃口形状不规则，进而影响加工质量。

因此，对刀具的定期检查和更换是确保加工精度的重要措施之一。

7. 加工策略与工艺参数合理的加工策略和工艺参数是确保加工精度的重要因素。

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。

龙门加工中心横梁组件静动态分析及结构改进

静动态特性得到了明显提高。最后通过实验结果与理论结果进行对比，验证了改进方案的合理性，
为横梁组件结构设计提供了理论依据。
关键词：龙门加工中心；横梁组件；有限元分析；结构改进
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｏｉｍｐｒｏｖｅｔｈｅｓｔａｔｉｃａｎｄｄｙｎａｍｉｃｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｇａｎｔｒｙｍａｃｈｉｎｉｎｇｃｅｎｔｅｒｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ
ｍｅｎｔｏｎｔｈｅｃｒｏｓｓｂｅａｍａｎｄｕｓｅｔｈｅｉｎｆｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔａｎａｌｙｓｉｓ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｍｏｄｉｉｅｆｄｃｒｏｓｓｂｅａｍ
中图分类号：ＴＧ５０２文献标识码：Ａ
ＦｉｎｉｔｅＥｌｅｍｅｎｔＡｎａｌｙｓｉｓａｎｄＳｔｒｕｃｔｕｒｅＩｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔｏｆＧａｎｔｒｙＭａｃｈｉｎｉｎｇＣｅｎｔｅｒＣｒｏｓｓｂｅａｍＣｏｍｐｏｎｅｎｔ
ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｄｅｃｒｅａｓｅｄｂｙ７．６％，ｆｉｒｓｔｓｔａｇｅｍｏｄａｌｒｅｆｑｕｅｎｃｙｉｎｃｒｅａｓｅｄｂｙ１７．２％，ｔｈｅｓｔｒｕｃ —

高速龙门铣床五轴联动的结构设计

高速龙门铣床五轴联动的结构设计摘要：对现在机床的五轴联动结构进行了结构分析、对比，设计出了高速龙门铣床五轴联动的结构。

五轴联动结构设计中又主要对五轴联动铣头（行业中称“五轴头”）进行了详细设计，结构中采用了精密齿轮啮合与双导程蜗轮蜗杆驱动，既保证了结构紧凑，精度也较高。

关键词：五轴联动结构设计五轴联动铣头双导程蜗轮蜗杆一、前言数控机床是当代制造业的主流装备，是市场的热门商品。

我国数控机床经历30多年来的发展，现已颇具规模，机床已涉及超重型机床、高精度机床、特种加工机床、锻压设备、前沿高技术机床等领域。

但与机床高度发达的国家相比，我国机床的总体制作水平还是存在着一定的差距，相当明显的是：在我国，对于四轴联动以上的机床，大部分来自国外，再加上西方国家对我国在这方面的技术封锁，在一定程度上影响了我国数控机床的发展。

本人课题在借鉴大量国内外机床资料的基础上，根据一特定方案设计出虚拟样机---五轴联动高速数控龙门铣床。

此论文是节选其中五轴联动的结构设计部分。

二、五轴联动现状及其分析大多数高级的数控铣床的数控装置都可控六根基本轴，即X, Y, Z 三根运动轴和绕X, Y, Z 三根运动轴旋转的A 、B 、C 三根回转轴。

五轴联动指的是在六根基本轴中，机床数控装置能控制其中五根轴同时达到空间某一点，通俗的讲就是指其中五根轴能同时对某一点进行运动加工。

根据机床实际情况，五轴联动通常是在X 、Y 、Z 三根运动轴基础上增加由A 、B 、C 三个回转轴中任意两个回转轴所组合的运动， 2个回转轴可以都配置在刀具切削头部位（通常称摆动轴）或工件安装部位（通常称旋转工作台），也可在这两个部位上分别配置1个回转轴。

根据这些配置方式可以组合出的有效布局方案共有：2233212C P +=种。

1、双旋转工作台的高速五轴机床，它应用比较多的是铣镗类机床。

这种机床也有多个类型和品种，较简单的是在数控镗铣床的工作台上附加A/B 轴转台，配上相应的数控系统，实现X 、Y 、Z 三个直线运动和 A/B 轴两个旋转运动并可联动。

高速龙门五轴加工中心静刚度分析与结构优化_李焱

方向的力的作用，这两种结合部采用节点耦合的接触单元模拟；螺栓连接的结合部全部采用接触单元模拟。所有接触单元接触刚度、阻尼和摩擦系数等参数均依据公司参数库查询得到。
2 整机静力学分析
对于高速龙门五轴加工中心这样的大型机床，在计算静力变形时，不能忽视它本身的重力对机床的变形和加工的影响。根据机床的结构可知当滑枕沿机床 Z 坐标方向移动到最下端时，滑枕的伸出量最长，此时的变形最大，所以整机的静力学分析将选择此时机床的位姿来计算。首先计算机床在重力作用下的变形情况，计算结果如图 3 所示，机床的最大变形为 0. 34mm。将总变形分解到各个部件，结果如图 4 所示，从计算的结果可以看出横梁的变形最大，为 0. 13mm，为机床的薄弱环节，其引起的机床变形占总变形的 38% ，主要原因是横梁在重力作用下发生 YZ 平面的弯曲和 XZ 平面的扭转，带动主轴偏离理想位置。
图 2 主机系统的网格划分模型
1. 3 结合面的处理
机床相邻部件间相互接触的区域称为结合部，对机床整机特性有重要影响。有统计显示，机床整机静刚度中 30% ～ 50% 取决于结合部的刚度特性［2］，动柔度有 60% 以上是源自结合部，阻尼值的 90% 以上来源于结合部的阻尼［3］。因此，结合部的建模是机床整机有限元建模的重要组成部分。机床中主要的结合部包括直线电机初级-次级结合部、直线滚动导轨滑块-轨道结合部、滚珠丝杠丝母-丝杠结合部和螺栓连接的固定结合部。直线电机推动力很大，初级相对次级运动时几乎没有弹性，在直线电机运动方向上施加位移约束方程；滑块可沿导轨运动，在两个方向上承受力的作用，滚珠丝杠只承受轴线

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２９０ｍｍ，质量减轻１２６ｋｇ。
由表３可知，该龙门加工中心的前两阶固有频率偏低，只有３０１７７Ｈｚ和３２５１５Ｈｚ，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ＡＮＳＹＳＷｏｒｋｂｅｎｃｈ三维实体单元Ｓｏｌｉｄ１８６，该单元为三维６面体２０节点的结
收稿日期：２０１４０５１１基金项目：人工智能四川省重点实验室科研项目（２０１３ＲＹＹ０３）；四川省教育厅重点项目（１４ＺＡ０２０９）；自贡市科技局项目（２０１３Ｊ１９）作者简介：杨海栗（１９８８），女，四川成都人，助教，硕士，主要从事结构设计及ＣＡＥ仿真分析研究，（Ｅｍａｉｌ）ｙｈｌｓｅａ３２４＠１６３．ｃｏｍ
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６４３０００）
摘要：以ＳｏｌｉｄＷｏｒｋｓ三维建模软件与ＡＮＳＹＳＷｏｒｋｂｅｎｃｈ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：ＴＰ３９１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。

数控机床主轴静动态特性分析与优化设计

数控机床主轴静动态特性分析与优化设计数控机床主轴的静动态特性分析与优化设计在机床设计中扮演着重要的角色。

主轴的质量、刚度和动力性能直接影响着数控机床的加工精度和生产效率。

因此，针对数控机床主轴的静动态特性进行分析和优化设计是非常必要的。

首先，对数控机床主轴的静态特性进行分析是基础。

静态特性主要包括主轴的刚度、负载能力和转速范围。

刚度是指主轴在受力时的变形能力，直接影响着机床的切削精度。

负载能力指主轴能够承受的最大切削力或轴向力，取决于主轴的结构和材料。

转速范围则指主轴的最大和最小可工作转速，根据机床加工要求和主轴的功率决定。

其次，对数控机床主轴的动态特性进行分析是优化设计的重要环节。

动态特性主要包括主轴的运行平稳性、动态刚度和各模态的特性频率。

运行平稳性是指主轴在工作状态下的振动情况，对加工表面质量和刀具寿命有重要影响。

动态刚度是指主轴在受力时的变形能力在一定频率下的响应能力。

各模态的特性频率则表征着主轴在不同振动模态下的响应频率和振动幅度。

针对数控机床主轴的静动态特性，可以采取以下优化设计措施。

首先是通过优选材料和适当加工工艺来提高主轴的刚度和负载能力。

其次是采用适当的轴承和润滑方式，减小主轴的摩擦和磨损，提高运行平稳性。

此外，还可以通过调整主轴的结构和参数来提高动态刚度和各模态的特性频率。

例如，增加主轴的直径、改变轴承支撑形式等。

在数控机床主轴静动态特性优化设计过程中，还需要考虑与其他系统和结构的配合，如主轴驱动装置、刀具系统等。

同时，结合实际工艺要求和机床制造能力，进行多种参数的优化设计，以实现最佳的综合性能。

总之，数控机床主轴的静动态特性分析与优化设计是非常重要的工作，直接关系到数控机床的加工质量和生产效率。

通过对主轴材料、结构和参数的优化设计，可以提高数控机床主轴的静态刚度、负载能力和动态性能，进而提高数控机床的加工精度和生产效率。

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不但会改变零部件的几何精度并影响加］质量，－还
做ｚ向运动，双摆头可实现ＡＣ轴摆动，足复杂曲／满
面的五轴联动加工。由于有限元分析软件Ａｓｓｎｙ提供的建模工具相对较弱，以采用ＰｏＥ软件先将各所ｒ／部件建立三维实体模型，装配得到整机模型，减并为少计算负荷，对模型进行适当简化，掉螺钉、母、去螺
ｐｒｖｅｎｒａａｔｃｏｄｉｅｌｐｒｃｉｅ．
ＫｅｏｄｓｇｎｒｘｓｍａｈｎｅｔｒＦＥＭ；ｓａｉｉｉｉｙｗｒ：ａｔｙ５ａｉｃｉｅｃｎｅ；ｔｔｃｒｇｄｔｙ
０引言
高速龙门五轴加工中心主要应用于复杂模具制造以及大型铝合金结构件的高速、效、精加工，高高
ｃｍｐｎｎｓＡｃｏｄｎｏｔｅｅａａｓｓｔｅｆａｌａｔｔａｉａｔｈｉｄｔｆｈｏｅｍａｈｎｅｉｏｏｅｔ．ｃｒｉｇｔｈｓｎｌｅ，ｈｉＰｒｓｈｔｍｐｃｔｅｒｉｏｅｗｈｌｙｌｉｇｙｔｃｉｅｓｒ－
Ａｂｔａｔ：Ｓａｉｉｉｉｓｏｆｔｅｍｏｔｉｐｏｔｎｎｉａｏｓｆｒｍａｈｎｏｌ ’ ｐｅｆｒａｃ，ｎｅｄｓｒｃｔｔｃｒｇｄｔｉｎｅｏｈｓｍｒａｔｉｄｃｔｒｏｃｉｅｔｏｓｒｏｍｎｅａｄｎｅｙｔｏｅａｔｄｉｈａｅｏｆｄｓｇｏｂｅｆｒｃｓｅｎｔｅｐｈｓｅｉｎ．Ｉｈｅｄｓｇｇｐｅｄ５ａｉａｔｙ－ｙｐｅｍａｈｎｅｔｒｎｔｅｉｏｆａｈｉｈｓｅ・ｘｓｇｎｒｔｎｃｉｅｃｎｅ．ｓａｉｆｒｅａａｙｓｓｉｒｏｍｅｉｈｔｅｈｌｏｔｔｃｏｃｎｌｉｓｐｅｆｒｄｗｔｈｅｐｆＦＥＭｓｆｗａｅｆｒｔｅｃｍｐｌｔａｈｎｎｔａｎｏｔｒｏｈｏｅｅｍｃｉｅａｄｉｓｍｉ
第６期
２１０１年６月
组合机床与自动化加技术
ＭｏｌｒＭａｈｎｅＴｏｌ＆ＡｕｔｍａｉａｆｃｕｒｎｃｎｉｕｅｄｕａｃｉｏｏｔｃＭｎｕａｔｉｇＴｅｈｑ
ＮＯ．６
Ｊｕｎ．２１０１
是航空航天、具和汽车等高科技领域的关键加工模
要由左右桥梁、作台、梁、板、枕、摆头等工横滑滑双组成，图１所示，作台与桥梁为落地式，梁在如工横左右桥梁上的直线电机并联驱动下前后移动做向
实际应用中获得了良好的效果。
关键词：高速龙门五轴加工中心；限元分析；刚度有静
中图分类号：Ｇ０Ｔ５２文献标识码：Ａ
ＳａｉｇｄｔｔｔｃＲｉｉｉｙＡｎａｙｉｎｄＳｔｕｃｕｒｐｔｍｉａｉｎｏａｉｎｔｙ－ｙａｈｉｎｔｒｌｓｓａｒｔｅＯｉｚｔｏｆ５・ｘｓＧａｒ－ｐｅＭｃｎｅＣｅｅｔ
工中心的设计中，主要部件进行了静力学分析，现横梁与滑枕采发
为影响整机静刚度的薄弱环节，对横梁与滑枕的结构进行优化改进，而提高了机床的静刚度，从并在
文章编号：０１０１—２６（０１）６—００２５２１００９—０３
高速龙门五轴加工中心静刚度分析与结构优化
李焱，张磊，刘春时，尹刚
（阳机床集团设计研究院，阳沈沈ｌ０４）１２１
摘要：刚度是机床最重要的性能指标之一，机床设计阶段需对其进行预估。在高速龙门五轴加静在
运动，滑板通过直线电机在横梁上左右移动做ｌ向，
运动，枕通过双丝杠驱动结构在滑板中上下移动滑
装备。机床的静刚度是指机床承受恒定载荷的能力，是其最重要的性能指标之一。机床的静态变形
ＬＩＹａｎ，ＺＨＡＮＧｅ，ＬＵｕｓｉＹＩＧａｇＬｉＩＣｈｎ— ｈ，Ｎｎ
（ｅｉｎａｄＲｅｅｒｈＩｓｉｔ，ＳｅｙｎｃｉｅＴｏｏｐ，Ｓｅｙｎ１４ＤｓｎｓａｃｎｔｕｅｈｎａｇＭａｈｎｏｌｇｔＧｒｕｈｎａｇ１０１２，Ｃｉａｈｎ）
ｏｌａｅｏｎａｄｈｏｉｃｔｏｓｆｓｒｃｕｅｄｓｇａｅｕｇｓｅｕｓｙｒｆｕｄｎｔｅｍｄｆａｉｎｏｔｕｔｒｅｉｎｒｓｇｅｔｄ，ｔｅａｉｉｙｆｗｈｃｉａｓｉｈｖｌｔｏｉｈｓｌｏｄ