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。
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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
４ ８
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
５ ０
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
［ ５ ］
４ ９
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