龙门加工中心整机动静态分析及结构优化
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
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
Ａｂｓ ｔ ｒ ａ ｃ ｔ ：Ｔｏ ｉ ｍｐ ｒ ｏ ｖ ｅ ｔ ｈ ｅ ｓ ｔ ａ ｔ ｉ ｃ ａ ｎ ｄ ｄ ｙ ｎ ａ ｍｉ ｃ ｃ ｈ ａ ｒ ａ ｃ ｔ ｅ ｒ ｉ ｓ ｔ ｉ ｃ ｓ ｏ ｆ ｇ ａ ｎ ｔ ｒ ｙ ｍ ａ ｃ ｈｉ ｎｉ ｎｇ ｃ ｅ ｎ ｔ ｅ ｒ ｄ ｅ ｆ ｏ ｒ ｍａ ｔ ｉ ｏ ｎ
ｍｅ ｎ ｔ ｏ ｎ ｔ ｈ ｅ ｃ ｒ ｏ ｓ ｓ ｂ ｅ ａ ｍ ａ ｎ ｄ ｕ ｓ ｅ ｔ ｈ ｅ ｉｎ ｆ ｉ ｔ ｅ ｅ ｌ ｅ ｍｅ ｎ ｔ ａ ｎ ａ ｌ ｙ ｓ ｉ ｓ ． Ｔｈ ｅ ｒ ｅ ｓ ｕ ｌ ｔ ｓ ｓ ｈ ｏ ｗ ｔ ｈ ａ ｔ ｔ ｈ ｅ ｍｏ ｄ ｉ ｉｅ ｆ ｄ ｃ ｒ ｏ ｓ ｓ ｂｅ ａ ｍ
中图分 类号 ： Ｔ Ｇ ５ ０ ２ 文献 标 识码 ： Ａ
Ｆｉ ｎｉ ｔ ｅ Ｅｌ ｅ ｍｅ ｎｔ Ａｎａ ｌ ｙ ｓ ｉ ｓ ａ ｎｄ Ｓｔ ｒ ｕｃ ｔ ｕｒ ｅ Ｉ ｍ ｐｒ ｏ ｖ ｅ ｍｅ ｎ ｔ ｏ ｆ Ｇａ ｎ ｔ ｒ ｙ Ｍａ ｃ ｈ ｉ ｎｉ ｎ ｇ Ｃｅ ｎ ｔ ｅ ｒ Ｃｒ ｏ ｓ ｓ ｂ ｅ ａ ｍ Ｃｏ ｍ ｐｏ ｎｅ ｎｔ
ｃ ｏ ｍ ｐｏ ｎ ｅ ｎ ｔ ｓ ｄ ｅ ｆ ｏ ｒ ｍａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｄ ｅ ｃ ｒ ｅ ａ ｓ ｅ ｄ ｂ ｙ ７ ． ６％ ，ｆ ｉｒ ｓ ｔ ｓ ｔ ａ ｇ ｅ ｍ ｏｄ ａ ｌ ｒｅ ｆ ｑ ｕ ｅ ｎ ｃ ｙ ｉ ｎ ｃ ｒ ｅ ａ ｓ ｅ ｄ ｂｙ １ ７ ． ２％ ，ｔ ｈ ｅ ｓ ｔ ｒ ｕ ｃ —
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]。
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
探究龙门起重机结构动态优化设计
探究龙门起重机结构动态优化设计针对龙门起重机应用中存在的问题，比如结构振动剧烈问题、吊载运行稳定性差问题，进行动态分析，探索龙门起重机作业过程中出现运行问题的原因，并且针对不同类型的起重机提出了相应的优化改进方案。
对龙门起重机结构动态设计进行优化，以满足整机重量最小需求，以及满足模态固有频率条件等，作为优化目标，对其结构参数进行优化设计。
标签：龙门起重机；结构参数；结构动态；优化设计起重机属于大型运输机械，能够在复杂情况作业。
其龙门起重机自身的结构特性以及动态特性等，对龙门起重机的使用性能，有着较大的影响。
传统的起重机结构设计，主要依靠人工设计，结合传统经验等方法，具有较大的局限性。
随着起重机设计技术的发展，使得动态工作情况被人们重视与思考，并且对龙门起重机结构进行动态优化设计。
1 龙门起重机结构概述龙门起重机结构较为简单，例如图1，其为JQ50型号的龙门起重机结构示意图。
主要包括下横梁与端梁、柔性支腿与刚性支腿、主梁与门框等。
现代龙门起重机，多采取静态设计+动态补偿设计的方法，除了考虑静态时的工作载荷外，还考虑动态载荷，采取添加安全系数的方式进行补偿，以此简化结构动态设计，以此确保龙门起重机结构设计，能够满足静强度与静刚度的需求，但是因为缺乏动态特性分析，难以估计龙门起重机动态作业时的稳定性，进而极易引发作业问题，包括整机结构振动强烈以及运行不稳定等问题。
龙门起重机的稳定性与刚度，与其金属结构的承受能力，有着直接的关系，进而使得动应力与动刚度等问题更加严重。
当弯曲动刚度超出标准，则极易造成整机结构振动问题，而动应力超出标准，极易造成结构变形或者损伤问题。
当跨中动移位超标时，则会造成整机结构失稳。
2 龙门起重机结构动态分析2.1 基于Ansys动态分析理论基础龙门起重机作业时的动态问题，其属于有限个自由度弹性系统运动范畴。
龙门起重机的模态分析，主要目的是明确龙门起重机结构的振动特性，包括固有频率与振形，该数据信息可以在龙门起重机结构无阻尼自由振动条件下获取。
加工中心主轴箱的静动态特性分析及结构优化
加工中心主轴箱的静动态特性分析及结构优化
何全文;刘刚;邱小华;庄凯;何光春
【期刊名称】《机械研究与应用》
【年(卷),期】2024(37)2
【摘要】为进一步提高数控机床的加工性能,对某企业设计的立式加工中心主轴箱进行静动态特性分析,根据有限元分析结果对主轴箱原有结构进行优化设计,以主轴箱的动态刚度和质量为优化目标,采用响应面法对主轴箱加强筋板的尺寸和位置进行优化,并对优化后的主轴箱结构进行再一次的静动态分析,以检验其机械结构刚度是否得到加强。
分析结果表明,优化后主轴箱的机械结构刚度比优化前有较小改善,说明主轴箱的初始结构设计较为合理,为企业实际生产奠定理论基础。
所研究的分析方法为相关企业同类产品开发提供技术支持。
【总页数】4页(P38-41)
【作者】何全文;刘刚;邱小华;庄凯;何光春
【作者单位】西南交通大学机械工程学院;四川工商职业技术学院智能制造与信息工程学院;株洲欧科亿数控精密刀具股份有限公司
【正文语种】中文
【中图分类】TH122;TG659
【相关文献】
1.TH6350卧式加工中心主轴箱系统有限元建模及动态特性分析
2.龙门加工中心动态特性的有限元模态分析与结构优化
3.立式加工中心工作台系统的动态特性分析
及结构优化4.基于动态精度的直驱型高速机床主轴箱静动态特性分析5.立式加工中心主轴箱静动态特性分析及拓扑优化
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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。
龙门式起重机的结构设计与性能优化分析
龙门式起重机的结构设计与性能优化分析龙门式起重机是一种常见的大型起重设备，广泛应用于港口、工地、仓库等场所。
在结构设计和性能优化方面，龙门式起重机需要综合考虑其承载能力、稳定性、工作效率和安全性等因素。
一、结构设计1. 主梁设计：主梁是龙门式起重机的主要承载结构，需要按照所需的起重能力和跨度进行合理设计。
主梁材料通常选择钢结构，高强度、刚性好，能够满足起重机的工作要求。
2. 支腿设计：龙门式起重机通常有两根支腿，支腿的设计需要考虑平衡起重机的重心，稳定机身。
支腿通常采用跨字式结构，可以提供更好的稳定性。
3. 提升机构设计：提升机构是起重机的核心部分，需要具备良好的承载能力和操作灵活性。
提升机构包括卷扬机、钢丝绳、滑轮等组成，能够提供可靠的起升功能。
4. 小车设计：小车是起重机上横移的装置，通常由电动机、行走轮、驱动机构等组成。
小车设计应考虑平稳移动、灵活操作和较大的承载能力。
二、性能优化分析1. 结构强度优化：通过材料选取和结构设计优化，提高起重机的结构强度和刚度，使其能够承受更大的起重能力和外力冲击。
2. 运动性能优化：通过优化起重机的运动机构，减小摩擦力和阻力，提高起重机的运动速度和精度，提高工作效率。
3. 能耗优化：采用先进的节能技术，如变频调速技术和能量回收技术，减少起重机的能耗，降低运营成本。
4. 安全性优化：加强起重机的安全保护装置，如限位器、断路器、防碰撞装置等，确保起重过程中的安全性。
5. 自动化控制优化：应用自动化控制系统，提高起重机的智能化水平，实现远程控制和自动化操作，降低人为操作错误的风险。
6. 维护性优化：设计起重机时，考虑易维修性和易保养性，减少故障发生的可能性，并方便维修和维护工作的进行。
结构设计和性能优化是龙门式起重机研发过程中重要的一环。
通过合理的结构设计和性能优化，可以提升起重机的承载能力、工作效率和安全性，满足不同场所的具体需求。
同时，结构设计和性能优化也应考虑可持续性发展的原则，采用环保和节能的设计理念，为工业发展和环境保护做出贡献。
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。
龙门式机械手的动静特性及结构优化
２０１８年５月第４６卷第９期机床与液压ＭＡＣＨＩＮＥＴＯＯＬ＆ＨＹＤＲＡＵＬＩＣＳＭａｙ２０１８Ｖｏｌ ４６Ｎｏ ９ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ ｉｓｓｎ １００１－３８８１ ２０１８ ０９ ０１５收稿日期：２０１６－１１－０８作者简介：谢嘉亮（１９９２ ），男，硕士，主要从事机械设计及其自动化方向㊂Ｅ－ｍａｉｌ：３２７６２３０５２＠ｑｑ ｃｏｍ㊂龙门式机械手的动静特性及结构优化谢嘉亮，张春良，朱建国，林贺邦，燕科帆，孔令倩（广州大学机械与电气工程学院，广东广州５１０００６）摘要：龙门式机械手结构设计多采用对己有的设计图纸修改的方法进行，导致设计出的结构的安全裕度过大，既浪费材料，又增加了整机的质量㊂运用ＡＮＳＹＳ有限元分析软件，选取机架在最不稳定工况下研究了结构的静㊁动态特性，运用灵敏度方法对结构系统的设计变量进行计算，筛选出了对龙门式机械手的动静态性能影响较大的设计变量并对其进行尺寸优化㊂对比优化前后的具体参数，得出了机械手在优化后性能有了一定的提升㊂关键词：龙门式机械手；静态分析；模态分析；优化中图分类号：ＴＰ２４１ ２㊀㊀文献标志码：Ａ㊀㊀文章编号：１００１－３８８１（２０１８）０９－０６５－６ＤｙｎａｍｉｃａｎｄＳｔａｔｉｃＣｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆＧａｎｔｒｙＭａｎｉｐｕｌａｔｏｒａｎｄＩｔｓＳｔｒｕｃｔｕｒａｌＯｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎＸＩＥＪｉａｌｉａｎｇ，ＺＨＡＮＧＣｈｕｎｌｉａｎｇ，ＺＨＵＪｉａｎｇｕｏ，ＬＩＮＨｅｂａｎｇ，ＹＡＮＫｅｆａｎ，ＫＯＮＧＬｉｎｇｑｉａｎ（ＭｅｃｈａｎｉｃａｌａｎｄＥｌｅｃｔｒｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＣｏｌｌｅｇｅ，ＧｕａｎｇｚｈｏｕＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，ＧｕａｎｇｚｈｏｕＧｕａｎｇｄｏｎｇ５１０００６，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｓｔｒｕｃｔｕｒａｌｄｅｓｉｇｎｏｆｔｈｅｇａｎｔｒｙｍａｎｉｐｕｌａｔｏｒｉｓｍｏｓｔｌｙｍｏｄｉｆｉｅｄｂｙｔｈｅｅｘｉｓｔｉｎｇｄｅｓｉｇｎｄｒａｗｉｎｇｓ，ｗｈｉｃｈｌｅａｄｓｔｏｔｈｅｄｅｓｉｇｎｏｆｔｈｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆｔｈｅｓａｆｅｔｙｍａｒｇｉｎｉｓｔｏｏｌａｒｇｅ，ｂｏｔｈａｗａｓｔｅｏｆｍａｔｅｒｉａｌｓ，ａｎｄｉｎｃｒｅａｓｅｔｈｅｑｕａｌｉｔｙｏｆｔｈｅｍａｃｈｉｎｅ．ＡＮＳＹＳｆｉ⁃ｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔａｎａｌｙｓｉｓ（ＦＥＡ）ｓｏｆｔｗａｒｅｉｓｕｓｅｄｔｏｓｅｌｅｃｔｓｔａｔｉｃａｎｄｄｙｎａｍｉｃｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｔｈｅｆｒａｍｅｕｎｄｅｒｔｈｅｍｏｓｔｕｎｓｔａｂｌｅｃｏｎｄｉ⁃ｔｉｏｎｓ．Ｔｈｅｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙｏｆｔｈｅｓｔｒｕｃｔｕｒａｌｓｙｓｔｅｍｗａｓｕｓｅｄｔｏｃａｌｃｕｌａｔｅｔｈｅｄｅｓｉｇｎｖａｒｉａｂｌｅｓ，ａｎｄｔｈｅｄｅｓｉｇｎｖａｒｉａｂｌｅｓｗｈｉｃｈｈａｄａｃｅｒｔａｉｎｉｍｐａｃｔｏｎｓｔａｔｉｃａｎｄｄｙｎａｍｉｃｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｏｆｔｈｅｇａｎｔｒｙｍａｎｉｐｕｌａｔｏｒｗｅｒｅｓｃｒｅｅｎｅｄａｎｄｏｐｔｉｍｉｚｅｄｆｏｒｓｉｚｅ．Ｃｏｍｐａｒｅｄｗｉｔｈｔｈｅｓｐｅｃｉｆｉｃｐａｒａｍｅｔｅｒｓｂｅｆｏｒｅａｎｄａｆｔｅｒｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ，ｔｈｅｏｐｔｉｍａｌｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｏｆｔｈｅｍａｎｉｐｕｌａｔｏｒｈａｓｂｅｅｎｉｍｐｒｏｖｅｄ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｇａｎｔｒｙｔｙｐｅｍａｎｉｐｕｌａｔｏｒ；Ｓｔａｔｉｃａｎａｌｙｓｉｓ；Ｍｏｄａｌａｎａｌｙｓｉｓ；Ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ０㊀前言随着劳动力成本的不断上升，工业自动化设备在很多领域正越来越多地被广泛使用，其中工业机械手凭借其稳定性好㊁适应面广㊁效率高等优点，成为工业自动化生产的理想工具㊂与人相比，机械手可以在有毒㊁有害㊁危险的环境下连续工作，比如焊接㊁喷漆等；也可以完成频繁㊁单调㊁重复的劳动，比如上下料㊁搬运等［１－２］㊂龙门式工业机械手是当前国内外工业生产中大量使用的一种自动化设备，其总体结构如图１所示㊂但其结构设计多采用经验和对己有的设计图纸修改的方法进行，这将导致生产出来的整机安全系数太大，最终浪费了大量材料，以及提高了制造成本㊂因此，如何在确保安全性能的前提下，设计出整体性能较高的机械手，是一个值得深入研究的重要课题㊂本文作者采用ＳｏｌｉｄＷｏｒｋｓ软件建立了机架的几何模型，将其导入ＡＮＳＹＳＷｏｒｋｂｅｎｃｈ中，在最不稳定工况下进行动㊁静态分析，根据机械手动态性能影响最大的固有频率运用灵敏度方法对结构系统的设计变量进行计算，对机械手机构进行优化［３］㊂１㊀静态分析龙门式工业机械手的几何简化模型如图２所示㊂因上料过程中机械手在Ｙ轴横梁上有很多种不同的工况，现只对应力值和位移值最大的工况进行分析，即为理论上结构最不稳定的状态㊂由材料力学知识可知，当升降机构处于横梁中心时，其应力值和位移值均达到最大，故选取该工况为机械手上料过程中机架的最不稳定工况［４－５］㊂图１㊀龙门式机械手结构简图图２㊀龙门式机械手的几何简化模型将建好的三维模型导入ＡＮＳＹＳＷｏｒｋｂｅｎｃｈ后，为了尽量减小在网格划分中有限元计算的难度和计算时间，将三维模型中的倒角㊁螺纹等不重要特征省略，另外省略了对整个模型结构的动静态性能分析结果影响不大，且不属于文中所关心的结构范围之内的驱动电机㊁拖链㊁托板等辅助元件，并将螺栓连接简化成刚性连接［６］㊂在材料的使用方面，支撑立柱所使用的材料为Ｑ２３５，Ｘ轴横梁及Ｙ轴纵梁使用的材料为４５号钢，Ｚ轴竖梁为铝合金ＬＹ１２㊂其具体的材料参数如表１所示㊂建立好的有限元模型如图３所示㊂表１㊀材料特性材料密度／（ｋｇ㊃ｍ－３）弹性模数／（１０－４ＭＰａ）泊松比体积弹性模量／（１０１０ＭＰａ）剪切模量／（１０１０ＭＰａ）屈服强度／ＭＰａ正切模量／ＭＰａ４５钢７８９０２０．９０．２６９１５．０７９８．２３４８３５５６００Ｑ２３５钢７８６０２１．２０．２８８１６．６６８．２２９８２３５３９０ＬＹ１２铝合金２８５０７．４２０．３６８．８３３３２．７２７９２７５４２５图３㊀龙门式机械手的有限元模型龙门式机械手在进行板材搬运作业时，外部载荷主要为板材和真空吸附抓取机构的质量载荷（预估为７００Ｎ）㊂在ＡＮＳＹＳ中，载荷施加将其以Ｆｏｒｃｅ作用力的方式加载在Ｚ轴竖梁的最下端，边界条件在３个立柱的底面添加Ｆｉｘｅｄ约束㊂其应力图和位移图如图４㊁５所示㊂图４㊀等效应力云图图５㊀位移形变云图由图４㊁５可知，在极限工况时最大应力值约为２ ２１８６ＭＰａ，远低于所用材料的屈服强度，最大位移值约为０ １３６ｍｍ，对线性滑轨和齿轮齿条影响很小，因此龙门式机械手的静刚度和静强度均符合要求，且所用材料的使用余量较大㊂同时该工况为理论上最不稳定的工况，故机械手在其他任何位置时，机架的应力值和位移值都将分别小于２ ２１８６ＭＰａ和０ １３６ｍｍ㊂２ 动态分析２ １㊀模态分析模态参数（固有频率和振型）是承受动态载荷结构设计中的主要参数，其反映了机械系统的动态性能㊂从理论上对结构最不稳定状态下的模型进行模态分析，并描述了各个振型及其可能产生的原因，为龙门式机械手的进一步的谐响应分析和系统的优化设计提供重要的模态参数㊂㊃６６㊃机床与液压第４６卷因模态分析只与结构的形状㊁约束形式㊁材料特性等有关，而与其他输入（例如载荷）无关，所以只需要对龙门式机械手的３个支撑立柱的底面添加固定约束（即ＦｉｘＳｕｐｐｏｒｔ），得出结构系统的固有频率和振型㊂由于在结构振动中，在低频下产生的加速度比较小，所以惯性力的影响也比较小，此时外力占主导因素，结构的最大变形取决于外力幅值和结构刚度㊂而在高频情况下，加速度变大，惯性力的影响上升为主导因素，在外力快速变化时，结构来不及变形，或跟不上外力的变化速度，这时变形就不如低频时的大，故高阶模态对振动特性的影响很小，低阶模态更能准确反映系统自由振动时的变形情况㊂因此文中提取了机架的前６阶模态，得到了机架的前６阶固有频率，并得到了前６阶模态振型图，如图６所示㊂图６㊀龙门式机械手前６阶模态振型图㊀㊀利用ＡＮＳＹＳ求解出结构的前６阶模态振型图后，从得到的振型图中可归纳出表２中的内容㊂第１阶固有振型反映了龙门式机械手的Ｘ轴纵向水平振动；第２阶固有振型反映了龙门式机械手的Ｙ轴横向水平振动，可由滑台总成水平启动㊁制动等原因激励起振；第３㊁５㊁６阶固有振型反映了龙门式机械手的扭转振动；第４阶固有振型反映了龙门式机械手的Ｚ轴垂直振动，可由垂直起升机构启动㊁制动㊃７６㊃第９期谢嘉亮等：龙门式机械手的动静特性及结构优化㊀㊀㊀等原因激励起振㊂表２㊀龙门式机械手前６阶模态振型描述阶数固有频率／Ｈｚ振型描述１２７．２４３沿Ｘ轴左右摆动２３０．７１８沿Ｙ轴前后摆动３３９．０７４在ＸＯＹ平面内扭动４４７．３３沿Ｚ轴上下摆动５５４．４９２在ＸＯＺ平面内扭动６６２．０２７在ＹＯＺ平面内扭动２ ２㊀谐响应分析为了解各阶固有频率对机械结构动载荷的响应情况，有必要对起重上料机结构系统进行谐响应分析㊂将模态分析与谐响应分析相结合，确定对龙门式机械手结构系统动态性能影响最大的模态频率㊂谐响应分析过程中，需要设置用于分析的最小频率和最大频率㊂因高阶模态在结构阻尼的作用下衰减很快，所以文中只考虑了０ ６３Ｈｚ频率范围内的低阶模态的结构响应情况㊂图７为龙门式机械手跨中节点垂直位移响应曲线㊂图７㊀龙门式机械手跨中节点位移响应曲线从图７中可看出，在不同激振频率的作用下：垂直位移响应最大峰值约为３ １３ｍｍ，对应的频率约为４７ ５Ｈｚ㊂将这个频率与模态分析的前６阶固有频率值进行对比，得出龙门式机械手跨中节点位移出现峰值时的频率与模态分析中的第４阶固有频率（ｆ４＝４７ ３３Ｈｚ）非常靠近，误差约为０ ３６％，故第４阶固有频率易引起龙门式机械手的模态共振，它对龙门式机械手结构的动态性能影响最大，故选取第４阶的频率作为动态优化设计的目标或状态变量［７］㊂３ 结构优化设计基于灵敏度分析的优化方法是结构优化设计中最常用的方法，是指在一个系统中改变一个或多个设计变量后对其某个系统参数的敏感程度或变化率㊂灵敏度分析能正确有效地指出结构的动态薄弱部位及修改方向，方便设计人员选择最有效的修改方案［８］㊂选取龙门式机械手的３根支撑立柱㊁Ｘ轴横梁㊁Ｙ轴纵梁，Ｚ轴竖梁作为研究对象进行尺寸优化㊂在灵敏度分析中，把研究对象截面的长度㊁高度和厚度定为初始设计变量，它们的截面均可看成是由４块矩形板件焊接组成的 口 字形形状㊂如果４块矩形板件的尺寸都取相同的数值，并进行力学效能分析，从中可以看出４块矩形板件的效能将有所差异，设计人员通常参考力学效能最差的一块板件的尺寸，这样就导致其他３块板件在结构性能上的 浪费 ，因此文中选取两个平行矩形板件的长度㊁高度和厚度作为初始设计变量，如图８所示，这种方法能较好地满足其性能要求，并且控制部件的整体质量不至于过大㊂所有长度㊁高度和厚度尺寸的具体位置如图９所示，考察整体质量㊁４阶固有频率对所有长度㊁高度和厚度尺寸的灵敏度分析㊂图８㊀一个部件中初始设计变量的选取图９㊀所有初始设计变量在龙门式机械手中的分布通过利用利用有限元分析软件ＡＮＳＹＳ优化模块中的ＰａｒａｍｅｔｅｒｓＣｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ（参数相关性优化分析工具）方法，计算得出各个设计变量对整机总质量和第４阶固有频率的灵敏度如表３和表４所示：表３㊀设计变量对整机总质量的灵敏度表设计变量质量灵敏度／（ｋｇ㊃ｍｍ－１）设计变量质量灵敏度／（ｋｇ㊃ｍｍ－１）ＤＨ１０ＤＶ１１－０．０６９４７４９４７ＤＨ２０ＤＶ１２－０．０２９８５８９８６ＤＶ３－０．０１３６０９３６１ＤＨ１３－０．０２９１７４９１７ＤＶ４０．０８３４２０３４２ＤＨ１４－０．０６６４２６６４３ＤＨ５０．０７１１６７１１７ＤＶ１５－０．００４５７２４５７ＤＨ６－０．０２５１１８５１２ＤＶ１６０．０６６２５８６２６ＤＶ７０．０２７８５４７８５ＤＨ１７－０．０３５８９５５９ＤＶ８－０．０１０６０９０６１ＤＨ１８－０．０３９７９５９８ＤＨ９－０．１３７２８１７２８ＤＶ１９０．０８３８０４３８ＤＨ１０－０．０２１７８２１７８ＤＶ２０－０．１７４４８５４４９㊃８６㊃机床与液压第４６卷表４㊀设计变量对第４阶固有频率的灵敏度设计变量第４阶固有频率灵敏度／（Ｈｚ㊃ｍｍ－１）设计变量第４阶固有频率灵敏度／（Ｈｚ㊃ｍｍ－１）ＤＨ１０ＤＶ１１－０．０１１９６５１９７ＤＨ２０ＤＶ１２－０．０５３８６１３８６ＤＶ３０．０６８５０２８５ＤＨ１３－０．０５８５４１８５４ＤＶ４－０．１９５３７９５３８ＤＨ１４－０．０２１６７４１６７ＤＨ５０．０３９３３９９３４ＤＶ１５０．０８３８０４３８ＤＨ６０．０８６１６８６１７ＤＶ１６－０．０９０８８５０８９ＤＶ７０．１００６４２０６４ＤＨ１７０．０１７２２１７２２ＤＶ８０．０１８８０５８８１ＤＨ１８－０．０９２６６１２６６ＤＨ９－０．０６１１７０１１７ＤＶ１９０．０１４０１７４０２ＤＨ１０－０．１６３５７６３５８ＤＶ２０－０．２１０３６９０３７㊀㊀灵敏度为正值时，表示目标函数与设计变量成正比，其随设计变量的增大而增大；灵敏度为负值时，则表示目标函数与设计变量成反比，其随设计变量的增大而减小㊂为了提高龙门式机械手结构系统动态优化的效率，应选取在不同目标函数下计算所得的灵敏度值（绝对值）较大的参数作为设计变量㊂从表３的数据可以看出，ＤＶ４㊁ＤＨ５㊁ＤＨ９㊁ＤＶ１１㊁ＤＨ１４㊁ＤＶ１６㊁ＤＶ１９这７个尺寸对整机质量的影响较大，其他的尺寸对整机质量的影响较小；从表４的数据可以看出，ＤＶ３㊁ＤＶ４㊁ＤＨ６㊁ＤＶ７㊁ＤＨ９㊁ＤＨ１０㊁ＤＶ１２㊁ＤＨ１３㊁ＤＶ１５㊁ＤＶ１６㊁ＤＨ１８㊁ＤＶ２０这１２个尺寸，对４阶固有频率的影响较大，其他的尺寸对４阶固有频率的影响较小，对结构的动态特性的提升程度不大㊂综上分析可得出结论：将ＤＶ３㊁ＤＶ４㊁ＤＨ５㊁ＤＨ６㊁ＤＶ７㊁ＤＨ９㊁ＤＨ１０㊁ＤＶ１１㊁ＤＶ１２㊁ＤＨ１３㊁ＤＨ１４㊁ＤＶ１５㊁ＤＶ１６㊁ＤＨ１８㊁ＤＶ１９㊁ＤＶ２０这１６个尺寸定为尺寸优化的设计变量㊂利用有限元分析软件ＡＮＳＹＳ中的ＲｅｓｐｏｎｓｅＳｕｒ⁃ｆａｃｅＯｐｔｉｍａｔｉｏｎ模块，采用筛选方法（ＳｃｅｎｅｉｎｇＭｅｔｈ⁃ｏｄ），本次设置采样数目为１０００，通过对这１０００个采样数进行计算，将产生３个候选优化值１㊁２㊁３，优化值如表５所示㊂优化值１㊁２㊁３的选取优先级逐次降低，所以选择优先级最高的优化值１来进行优化计算㊂表５㊀候选优化值设计变量优化值１优化值２优化值３设计变量优化值１优化值２优化值３ＤＶ３１０８．６９２９．５５６ＤＶ１２６．６３９３５．１７４１１２．１５５ＤＶ４２３．０８９９２．４３３７ＤＨ１３１２７．３４１３７．３１０７．８１ＤＨ５１９３．６４１９６．８１９８．４５ＤＨ１４１８８．７９２３６．１４２０５．５８ＤＨ６１７８．９１１３０．６４１９４ＤＶ１５６．８０７６１４．９５３９．８３３３ＤＶ７５．０３３５９．３８６５１３．９３５ＤＶ１６１１．３９５１１．１１２１０．３２３ＤＨ９１９７．９９１０８．７７１８９．０１ＤＨ１８８．８０４４９．０２６４５．３８５７ＤＨ１０１５８．４６１３８．１１６５．９６ＤＶ１９７．８８０６９．５２６４１４．６５３ＤＶ１１１２．７６９７．２９２８１０．４４４ＤＶ２０１０９．０３１７９．５４１０９．４７㊀㊀优化后的设计变量是一组离散的数据，需要根据灵敏度值的正负，经过人工圆整后，获得比较满意的尺寸㊂龙门式机械手各设计变量优化前后比较见表６㊂表６㊀优化前后各设计变量数据对比设计变量初值／ｍｍ优化圆整值／ｍｍ设计变量初值／ｍｍ优化圆整值／ｍｍＤＶ３５１０．０ＤＶ１２１０６．５ＤＶ４５２．０ＤＨ１３１５０１２７．０ＤＨ５１５０１９３．５ＤＨ１４２００１８９．０ＤＨ６１５０１７９．０ＤＶ１５１０７．０ＤＶ７１０５．０ＤＶ１６１０１１．５ＤＨ９１５０１９８．０ＤＨ１８１０９．０ＤＨ１０１５０１５８．５ＤＶ１９１０８．０ＤＶ１１１０１３．０ＤＶ２０１５０１０９．０㊀㊀用优化圆整后的设计变量对龙门式机械手进行重新建模，并再次进行静㊁动态分析，分析结果与优化前数据比较见表７，８㊂表７㊀优化前后前６阶主要评价参数对比项目ｆ１ｆ２ｆ３ｆ４ｆ５ｆ６原设计／Ｈｚ２７．２４３３０．７１８３９．０７４４７．３３５４．４９２６２．０２７优化后／Ｈｚ３０．４５１３３．７１３４３．０８７４９．６９５５７．９３３６３．４８６变化率／％１１．８９．７５１０．３５６．３１２．３５表８㊀优化前后各结构主要评价参数对比项目σＬｍａｘ／ＭＰａｙＬｍａｘ／ｍｍλｍａｘ／ｍｍＷ０／ｋｇ原设计２．２１８６０．１３６３６０．１３７３８６０８优化后２．２６０８０．１５６８３０．１５５９４５７４变化率／％１．９１５１３．５１－５．５９㊀㊀龙门式机械手结构系统优化后等效应力云图㊁位移变形云图㊁第４阶振型㊁Ｙ轴跨中节点的位移响应曲线如图１０ １２㊂图１０㊀优化后等效应力云图㊃９６㊃第９期谢嘉亮等：龙门式机械手的动静特性及结构优化㊀㊀㊀图１１㊀优化后位移变形云图图１２㊀优化后的第４阶模态振型通过对动态优化后的龙门式机械手的静㊁动态进行分析，可得到如下结论：由图１０可以看出龙门式机械手的最大等效应力为２ ２６０８ＭＰａ，比原设计增加了１ ９％，但仍远低于材料的许用应力，所以优化后结构的静强度满足要求㊂由图１１可以看出龙门式机械手的最大变形位移为０ １５６８３ｍｍ，比原设计增加了１５％，但仍小于设计要求规定的许用位移变形，所以优化后结构的静刚度满足要求㊂由表７可以看出，结构各阶模态的固有频率数值均不低于原先的固有频率㊂对龙门式机械手动态性能影响最大的第４阶模态频率为ｆ４＝４９ ６９５Ｈｚ，比原设计提高了５％，提高较明显，并且第３㊁５阶模态频率均不靠近谐响应分析中对应的频率４７ ５Ｈｚ，故此动刚度值比较合适㊂由表８可以看出，结构质量减轻了３４ｋｇ，降幅达５ ５９％，经济性能明显提高㊂龙门式机械手跨中节点的最大动位移为０ １５５９４ｍｍ，比原设计有所增大，但仍小于设计许用值㊂４㊀结论运用ＡＮＳＹＳ有限元分析软件研究了龙门式机械手结构的静㊁动态特性；通过优化研究对象的截面的设计变量进行灵敏度分析，筛选出了对龙门式机械手的动静态性能影响较大的设计变量，并对其进行尺寸优化，实现了从有限元建模，静㊁动态分析㊁优化设计的较完整的设计流程㊂运用灵敏度方法对结构系统的设计变量进行计算，选取了１６个对系统影响较大的设计变量㊂运用优化模块对１６个设计变量进行优化，用优化圆整后的设计变量对龙门式机械手进行重新建模，并再次进行静㊁动态分析，获得了对实际设计具有一定参考意义的优化结果㊂但是，由于有限元软件在计算功能上的局限性以及龙门式机械手动态特性和起升运动过程的复杂性，因此未来在还需在瞬态动力学方面继续深入㊂参考文献：［１］何兰．工业机械手研究及应用［Ｊ］．电子世界，２０１３（２３）：１６７－１６８．［２］张海英，刘胜明．基于ＰＬＣ的气动吸盘式工业机械手设计［Ｊ］．机械工程师，２０１０（１１）：３２－３３．ＺＨＡＮＧＨＹ，ＬＩＵＳＭ．ＤｅｓｉｇｎｏｆＰｎｅｕｍａｔｉｃＭａｎｉｐｕｌａｔｏｒＢａｓｅｄｏｎＰＬＣ［Ｊ］．ＭｅｃｈａｎｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒ，２０１０（１１）：３２－３３．［３］ＤＡＶＩＤＨ．ＴｈｅＰｏｓｓｉｂｉｌｉｔｉｅｓｏｆＯｖｅｒｈｅａｄＣｒａｎｅＭｏｄｅｒｎｉｚａ⁃ｔｉｏｎ［Ｊ］．ＭｅｔａｌＰｒｏｄｕｃｉｎｇａｎｄＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇ，２００４，４２（６）：２９－３０．［４］谢占功，朱建国，陈贤帅，等．龙门式机械手关键零件的动静态特性及接触分析［Ｊ］．机电工程技术，２０１６，４５（３）：７２－７６．ＸＩＥＺＧ，ＺＨＵＪＧ，ＣＨＥＮＸＳ，ｅｔａｌ．ＣａｎｔｒｙＭａｎｉｐｉｌａｔｏｒＤｙｎａｍｉｃａｎｄＳｔａｔｉｃＣｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓａｎｄＣｏｎｔａｃｔＡｎａｌｙｓｉｓｏｆＫｅｙＰａｒｔｓ［Ｊ］．Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ＆ＥｌｅｃｔｒｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＴｅｃｈ⁃ｎｏｌｏｇｙ，２０１６，４５（３）：７２－７６．［５］于锋钊，赵明扬，辛立明，等．基于ＡＮＳＹＳ的龙门式直角坐标机器人横梁分析［Ｊ］．机械设计与制造，２００８，４６（５）：１８２－１８３．ＹＵＦＺ，ＺＨＡＯＭＹ，ＸＩＮＬＭ，ｅｔａｌ．ＡｎａｌｙｓｉｓｏｎＢｅａｍｏｆｔｈｅＰｒｏｔａｌ⁃ｔｙｐｅＣａｒｔｅＳｉａｎ⁃ｃｏｏｒｄｉｎａｔｅＲｏｂｏｔＢａｓｅｄｏｎＡＮ⁃ＳＹＳ［Ｊ］．ＭａｃｈｉｎｅｒｙＤｅｓｉｇｎ＆Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅ，２００８，４６（５）：１８２－１８３．［６］宋婷婷．桥式起重机桥架的有限元模型及动态特性分析［Ｄ］．昆明：昆明理工大学，２０１２．［７］陈非琛．龙门式机械手动静态特性分析及结构优化［Ｄ］．长沙：湖南大学，２０１４．［８］陈敏，缪冬生，陈惇，等．一种新型滚动丝杆螺母副的研究与应用［Ｊ］．机械传动，２００９，３３（４）：１０３－１０５．（责任编辑：卢文辉）㊃０７㊃机床与液压第４６卷。
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Ｖ ｏ ｌ ２ ７ Ｎ ｏ ６ Ｄ ｅ ｃ ２ ０ １ ４
文章编号： １ ６ ７ ３ １ ５ ４ ９ （ ２ ０ １ ４ ） ０ ６ ０ ０ ４ ７ ０ ４
Ｄ Ｏ Ｉ ： １ ０ ． １ １ ８ ６ ３ ／ ｊ ． ｓ ｕ ｓ ｅ ． ２ ０ １ ４ ． ０ ６ ． １ ２
图 ６ 滑枕结构调整前后对比图
结构改进前后， 整机静力及模态分析结构见表 ４与 表５ 。从静力分析结果比较中可以发现： 横梁及滑枕结 构的改善不仅使质量有微弱减轻， 同时其刀尖位移变形 量也减小了 １ ９ ６ ％， 这说明对于提高该龙门加工中心的 加工精度及工作性能是行之有效地。 模态分析结果中， 新整机前五阶固有频率与改进前 整机数值相比， 都有了小幅提高， 这说明通过对滑枕和
表 ４ 整机机构改进前后静力结果分析
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
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。
表 １ 材料属性
材料 Ｈ Ｔ ３ ０ ０ 高速钢 结构钢 密度 ／ （ ｋ ｇ ／ ｍ ２ ） ７ ３ ４ ０ １ ４ ８ ０ ０ ７ ８ ５ ０ 弹性模量 ／ Ｇ Ｐ ａ １ ５ ４ Ｅ＋ １ １ ２ Ｅ＋ １ １ ２ Ｅ＋ １ １ 泊松比 ０ ２ ７ ０ ３ ０ ３
图 ３ 整机受 ｘ 向切削力时的应力结果
图 ４ 一、 二阶模态 表 ３ 前 ６阶模态分析数值
阶数 １ ２ ３ ４ ５ ６ 频率 ／ Ｈ ｚ ３ ０ １ ７ ７ ３ ２ ５ １ ５ ５ ２ ３ ３ ５ ６ ０ ８ ０ ３ ６ ３ ４ ６ ４ ６ ６ ８ ７ ３ 振型描述 立柱、 纵梁、 横梁沿 Ｙ方向左右振动 横梁、 滑座、 滑枕绕 Ｙ轴翻转 立柱、 横梁、 滑座、 滑枕绕 Ｙ轴翻转 支撑座绕 Ｙ轴前后翻转 整机绕 Ｚ轴转动 立柱和纵梁在 Ｙ向左右振动
１ ０ ］ 动性能的关键 ［ ， 本文通过 Ａ Ｎ Ｓ Ｙ ＳＷｏ ｒ ｋ ｂ ｅ ｎ ｃ ｈ计算前
六阶整机固有频率。前两阶固有频率值如图 ４所示， 总 体前六阶固有频率及振型见表 ３ 图 ５ 横梁筋板结构调整前后对比图
（ ２ ）滑枕结构改进
第２ ７卷第 ６期 ２ ０ １ ４年 １ ２月
四川理工学院学报（ 自然科学版）
Ｊ ｏ ｕ ｒ ｎ ａ ｌ ｏ ｆ Ｓ ｉ ｃ ｈ ｕ ａ ｎＵ ｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｙｏ ｆ Ｓ ｃ ｉ ｅ ｎ ｃ ｅ＆Ｅ ｎ ｇ ｉ ｎ ｅ ｅ ｒ ｉ ｎ ｇ （ Ｎ ａ ｔ ｕ ｒ ａ ｌ Ｓ ｃ ｉ ｅ ｎ ｃ ｅＥ ｄ ｉ ｔ ｉ ｏ ｎ ）
图 １ 龙门加工中心简化模型
均为 １ ６ ０ ０Ｎ 。其分析结果对比见表 ２ ， 图 ３给出了整机 受ｘ 向切削力作用下的应力情况。
表 ２ 整机同时受重力及切削力情况下的分析结果
分析情 况及位 置图示 总位移及各向最 ｍ ｍ 大位移 ／ 总位移 受ｘ 向 切削力 ｘ 向 ｙ 向 ｚ 向 总位移 受ｙ 向 切削力 ｘ 向 ｙ 向 ｚ 向 总位移 受ｚ 向 切削力 ｘ 向 ｙ 向 ｚ 向 ０ １ ６ ３ ０ ０ １ ３ ８ ０ ０ ０ ０ ９ ２ ０ １ ０ ６ ０ ０ １ ３ ６ ０ ０ ０ ９ ７ ０ ０ ０ ３ ６ ０ ０ ０ ９ ７ ６ ０ １ ２ ５ ０ ０ １ ０ ７ ０ ０ ０ ０ ８ ９ ０ ０ ８ ９ ６ １ １ ５ ６ １ １ ９ ８ １ ２ ９ ２ 最大应力 ／ Ｍ Ｐ ａ 与只受自重 情况相较的位 移增量 ／ ｍ ｍ ０ ０ ０ ９ ０ ０ ０ ０ １ ０ ０ ０ ０ ０ ４ ０ ０ ０ ５ ８ － ０ ０ １ ８ ０ － ０ ０ ４ ０ ０ ０ ２ ７ ２ ０ ０ ０ ２ ６ － ０ ０ ２ ９ ０ ０ ０ ３ ０ ０ ０ ０ ０ ０ １ － ０ ０ １ ０ ６
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四川理工学院学报（ 自然科学版） ２ ０ １ ４年 １ ２月
３ 龙门整机静力分析
静刚度 是 金 属 切 削 机 床 中 最 重 要 的 性 能 指 标 之 一
［ ９ ］
， 本文根据龙门加工中心在 实 际 工 作 中 的 受 力 情
况， 考虑其自重、 垂直于切削速度方向上的切削力分量 及滑枕和十字滑座等在不同工位对整机形变的影响， 针 对滑枕处于最下端、 十字滑座处于横梁中部、 横梁处于 纵梁尾部这一最恶劣的工况进行分析研究。分析时将 只受重力及同时受重力和切削力这两种情况进行对比 分析。 根据实际安装情况， 分析时将整机底部进行全约 、 ｙ 、 ｚ 三向切削力， 该力 束， 并针对不同情况施加重力及 ｘ 为机床主轴在 ３ ０ ０ ０ｒ ｍ ｐ 下进行切削时所受切削力， 各向
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四川理工学院学报（ 自然科学版） ２ ０ １ ４年 １ ２月 横梁结 构 有 限 元 分 析 !&#% 机 床 与 液 压 $'(""$-. )""+, "-/% "-"
变形量 改变 ％ 比率 ／ 减小 １ ９ ６ 减小 ０ ０ ０ ０ ７
横梁结构改进， 整机的动态性能有所提高。
［ １ ］
引 言
龙门加工中心已成为加工制造行业的重要工艺加 工设备之一 。鉴于广泛的市场需求， 国内外主要机床
生产商 也 开 始 研 发 各 种 高 速、 高精度的龙门加工中
２ ］ 。龙门加工中心整体结构复杂， 由多个大型零部件 心［
１ 整机实体建模
本文采用 Ｓ ｏ ｌ ｉ ｄ Ｗｏ ｒ ｋ ｓ进行龙门加工中心各零部件 的三维建模。其零部件结构较为复杂， 且由于加工、 安 装、 定位等工艺需要， 其结构存在工艺孔、 过渡圆角、 小 凸台等细小特征。这些结构特征尺寸较小， 如果进行精 确建模， 将会导致网格划分时单元尺 寸 过 小 且 数 目 过 多， 需耗费大量时间进行计算， 但对整体的分析结果影 响甚小， 建模时需对这些特征进行简化或加以忽略。整 机模型如图 １所示。 模型建立完成后， 运用 Ａ Ｎ Ｓ Ｙ ＳＷｏ ｒ ｋ ｂ ｅ ｎ ｃ ｈ与 Ｓ ｏ ｌ ｉ ｄ Ｗｏ ｒ ｋ ｓ 的无缝连接直接导入 Ａ Ｎ Ｓ Ｙ Ｓ 软件中， 该方法很好 地避免了复杂零件结构细节数据的丢失， 保证了零件结
７ ８ ］ 。 构的完整性 ［
组装而成， 只针对部件进行研究无法切实得出整机的加 工精度值， 因此有必要对整机进行动、 静态特性分析。 目前， 针对龙门加工中心已有许多学者对其开展研 究。丁长春
［ ３ ］
等对龙门加工中的立柱结构进行静力学
［ ４ ］
分析， 并最终完成结构优化。王芳 计。张飞
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侧靠近支撑处。因此， 改进方案为： 在应力较为集中处 进行纵向加筋， 并调整前端横梁横向筋板密度以改善其 中部的弯曲现象。筋 板 结 构 调 整 前 后 情 况， 如 图 ５所 示。
４ 龙门整机模态分析
龙门加工中心的静态特性在一定程度上反应了其 静刚度， 并能由此判断机床的抗变形能力。为保证加工 中心具有很好的加工精度和加工效率， 还要求整机结构 具有良好的动态特性， 而机械结构前几阶模态是机床振
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。
５ 横梁及立柱的结构优化
通过前文分析可知， 设计中应适当提高横梁的抗扭 刚度， 并同时调整滑枕至合理长度， 最终减小重力及切 削力作用下的机床变形。这是该加工中心提高其动、 静 态性能的关键。 （ １ ）横梁结构改进 根据整机静力分析可知， 十字滑座位于横梁中部 时， 其应力变化情况左右对称且应力较大处位于横梁两
结合表 ２及图 ３可以发现， 最大应力值出现在十字 滑座与横梁连接处， 其值为 １ ２ ９ ２Ｍ Ｐ ａ ， 此时刀具受 ｘ 向 切削力。由此 可 见 该 加 工 中 心 ｘ向 静 刚 度 相 对 较 弱。 在该情况下各向位移量也为最大， 刀尖处总位移量达