龙门式机床横梁筋板结构分析与优化.pdf

第 1期 2 0 1 4年 1月 机 械 设计 与 制 造 Ma c h i n e r y De s i g nMa n u f a c t u r e 1 5 龙 门式机床横梁筋板结构分析与优化 周乐， 袁军堂， 汪振华 南京理工大学， 江苏 南京2 1 0 0 9 4 摘要 横梁作为龙门式机床的主要支承部件， 其性能好坏直接影响机床的使用性能和制造成本， 因此， 设计合理可靠的 横梁结构很有必要。用有限元法对四种筋板的横梁进行了静动态特性分析， 得出O字型筋板横梁性能最好； 改变 O字型 横梁中O字个数 ， 对七种不同O字个数的横梁进行静动态特性分析对比， 得 出O字的个数控制在使 O字高宽之比为 1 时该横梁性能最佳； 改变横梁厚度， 对十二种不同厚度的横梁进行了模态分析， 结果显示， 横梁动态性能在一定的范围内 可达到最佳状 态。 关键词 龙门式机床； 横梁； 筋板； 静动态特性 中图分类号 T HI 6 ； T G 5 0 2 ． 3 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 1 3 9 9 7 2 0 1 4 0 1 0 0 1 5 0 3 An a l y s i s a n d Op t i mi z a t i o n o f t h e S t r u c t u r a l o f Be a m i n t h e P l a n e r T y p e Ma c h i n e s Z HO U L e ，YUAN J u n - t a n g ，WANG Z h e n - h u a N a n j i n g U n i v e r s i t y o f S c i e n c e T e c h n o l o g y ， J i a n g s u N a n j i n g 2 1 0 0 9 4 ， C h i n a A b s t r a c t T h e b e a m is o n e o ft h e m a i n s u p p o r t i n gp a r t s oft h e p l a n e r t y p e m a c h i n e s a n d t h e q u d i t y oft h e b e a m％s t r u c t u r al C an d i r e c t l ya f f e c t t h e p e o r manc e ofm ach i n e s andt h e c o s t ofm a c h i n i n g ， acc o r d i n g l y r e a s o n a b l e and r e l i abl e 如s ofb e a m s t r u c t u r e i s nec e s s a r y ． F i n i t e e l e me n t ana l y s is m e t h o d is u s e d t O anal y z e the s t a t i c a n d d y n amic c h ara c t e r i s t i c s off o ． r d iffe r e n t ri b b e d p l at e s t r u c t u r al b e a m， a n d t h e r e s u l t s p r o v e O- s h a p e d is t h e b e s t d b b e d p l a t e s h ape ． C h ang i n g t h e 0 n u mb e r of 0 一 s h ape d n b b e d p l a t e b e am ， and t h e n i t ana l y z e s t h e s t at i c a n d d y n ami c c h aract e r is t i c s ofs e v e n d iffe r e n t b e a ms ． T h e s i m u l ati o n r e s u l t s s h o w t h at t h e b e a m h a s t h e b e s t s t ati c a n d d y n ami c c h aract e r i s t i c s w h e n t h e h e i g h t t o w i d t h of t h e 0 c l o s e s to 1 ． C h ang i n g t h e t h ic k nes s o ft h e b e am ，and t h e n a n aly z e s the d y n a mi c c h aract e r is t i c oft w e l v e d if f e r e n t b e a m s ． I t s h o w s t h a t b e a md y n a mi c p e rf o r manc e C an r e a c h o p t i m a l s t ate w h e ni n a c e r t ai nt h i c k n e s s r ang e ． Ke y W o r d s P l a n e r Ty p e M a c h i n e ； Be a m ； Ri b b e d Pl a t e ； S t a ti c a n d Dy n a mi c Ch a r a c t e r i s ti c s 1引言 龙门式机床主要有加工跨距大、加工效率高、刚度高的特 点， 适应于批量或高精度加工。 在航空、 航天、 汽车、 模具等制造行 业中得到广泛的应用。横梁是龙门式机床关键部件之一， 起着连 接滑座 、 滑鞍等关键部件的作用， 横梁 自身的结构及布局决定了 其动、 静态特性， 而横梁筋板的动、 静态特性又直接关系到龙门式 机床的整机性能。 要提高机床的加工效率、 精度， 必须考虑机床结 构的静动态特性【 l j。 国内外在机床研究方面主要采用有限元分析方法 ， 对结构 静 、 动刚度和动态稳定性进行评估[2 - 3 1 。 文献H 研究比较了大型五轴 联动加工中心的四种横梁结构， 用静力学分析比较最大变形的方 法选出了最优的横梁结构。文献 在 对某液压镦锻机前横梁结构 研究的基础上， 建立了前横梁的有限元模型和结构优化数学模型 并编制了相关程序并进行了优化， 获得了理想的结构参数， 为液 压机横梁结构设计提供了新的思路和方法。文献 提出一种对龙 门加工中心横梁部件的纵、 横截面的筋肋分布形式进行拓扑优化 的方法。文献[ 时一种国产龙门式加工中心的横梁关键部件进行 研究， 分析了结合面参数变化对横梁滑箱系统整体动态特性的影 响。 文献I8 JX q 截面形状不同的几种结构的梁进行静力和模态分析， 将强度较好的梁， 用模态分析得到刚度更好的梁。 文献时 四种大 型筋板横梁结构进行了静动态特性分析， 从 中选出了最优筋板结 构的横梁， 但他只进行了横向比较， 没有进行纵向分析， 因此有必 要对机床横梁进行进一步研究。 2横梁筋板结构设计 龙门式加工中心横梁受力为两端简支梁支承形式 ，横梁所 承受的力除了横梁本身 、 滑枕、 滑鞍、 主轴等的自重外， 还要承受 由于主轴箱等的悬挂而产生的倾覆和扭转力矩。 不同筋板结构的 横梁抗弯、 抗扭能力不同。 因此必须选择合理的横梁筋板结构 ， 以 提高横梁的抗弯、 抗扭能力。 选取了四 种横梁筋板结构 井字型结 构、 w 型结构、 米字型结构、 0字型结构。四种横梁长、 宽 、 高分别 为 2 ,2 5 0 mm、 4 0 0 m m、 4 0 0 mm， 横梁壁厚和筋板厚度都是 3 0 m m。 四 种横梁三维模型， 如图 1 所示。 来稿 15 t 期 2 0 1 3 0 7 1 4 。 基金项 目 国家科技重大专项 2 0 1 2 Z X 0 4 0 1 0 0 1 1 作者简介 周乐， 1 9 8 7 - ， 女， 江苏泰兴人， 硕士研究生， 主要研究方向 机床力学与数字化设计； 袁军堂， 1 9 6 2 一 ， 男， 江苏宿迁人， 博士， 教授， 博士研究生导师， 主要研究方向 先进制造工艺与装备及复杂薄壁构件精密加工技术 No ． 1 J a n ． 2 0 1 4 机械 设 计 与 制造 1 7 图6横梁尺寸示意图 F i g ．6 Be a m S i z e S c h e ma t i c Di a g r a m 横梁的部分尺寸示意图， 如图 6 所示。图中A是一个 O字 的宽 ， B 是横梁的厚， H是 O字的高。 七种横梁的H、 A 、 H ／ A的值， 如表 1 所示。结合表 1 与图4可知， 横梁中 O字的高宽之比越接 近 1 ， 横梁的最大变形量越小， 即横梁的抗变形能力越好。 表 1 O字高与宽的比值 Ta b． 1 Th e Ra t i o o f t h e He i g h t a n d W i d t h o f 0 七种不同 0字个数横梁的前五阶固有频率对 比折线图， 如 图7所示。 由该图可知， 0字个数从 3 个增加到 6 个， 横梁的各阶 固有频率在逐渐上升， 继续增加， 频率逐渐降低。 该曲线的走势和 静力分析得到的曲线走势相符合。因此， 可确定当 0字的高宽之 比越接近 1 ， 横梁的性能越好。 瓣 聪 3 个 。字 5 个 。字 7个 。字 9 个 。字 4个 。字 6 个 。字8 个 。字 图 7不同0字个数横梁各阶固有频率对比 Fi g ．7 Co mp a r i s o n o f Na t u r a l F r e q u e n c y o f Di f f e r e n t O Nu mbe r Be a ms 4 ． 2厚度 B变化对横梁性能的影响 表 2不同厚度横梁固有频率比较 Ta b ． 2 Co mp ar is o n o f Na t u r a l F r e q u en c y 0 f Diff e r e n t Th ic k n e s s B e a m 设计了从 3 8 0 m m到 4 9 0 m m不同厚度的十二种横梁，对其 分别进行了模态分析。横梁厚度 B的值对横梁性能的影响可从 表 2看出， 当 B从 3 8 0 m m到 4 4 0 mm每隔 1 0 m m增加时 ， 横梁固 有频率逐步上升， 继续增大 B的值时， 横梁固有频率却在下降。 因此设计横梁时应根据有限元分析结果来确定横梁的厚度。 5结论 综上分析， 得出以下结论 1 在井字 、 w型、 米字、 O字筋板 结构的横梁中， O字型结构横梁除了工艺性能优越之外，抗弯抗 扭性能也比其它三种横梁好， 井字型结构横梁性能最差， 它的最 大变形量是 O字型筋板横梁的 3 ． 7 6倍； O字型筋板横梁的各阶 固有频率也比其它三种横梁各阶固有频率高 0字型第一阶比井 字型高 9 7 H z ， 比w型高 3 9 Hz ， 比米字型高 1 H z 。 2 0字型结构 横梁中， o字的个数控制在使 0字高宽之比为 1 时，该横梁性能 最佳。 3 0字型横梁的厚度 B对其性能有影响， 并不是厚度越高 越好， 在这里的条件下， 厚度 B取 4 4 0 m m时横梁性能最佳。 参考文献 [ 1 ] 关英俊， 母德强， 赵扬． G M C U 2 0 6 0 龙门加工中心横梁结构有限元分析 [ J ] ．机床与液压 ， 2 0 1 1 ， 3 9 1 1 1 3 1 1 3 4 ． G u a n Y i n g - 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l i n g ，Q i u Z h i h u i ，Z h a o Y o n g q i a n g ． S t a t i c d y n a m i c a n a l y s i s fo r b e a m o f h i g h s p e e d c u t t i n g m a c h i n e t o o l[ J 3 ． M a c h i n e ry D e s i g n Manu f a c t u r e 。 2 0 0 6 5 3 8 3 9 ． [ 9 ] 唐振宇 ， 李锻能．大型龙门式加工中心横梁筋板设计与分析[ J ] ． 机床 与液压， 2 0 1 1 ， 3 9 2 2 4 0 I 4 2 ． T a n g Z h e n - y u ， L i Du a n - n ang ． D e s i g n a n d a n a l y s i s o f b e a m s t i f f e n e d p l a t e s o f l a r g e g a n t r y m a c h i n e c e n t e r[ J ] ． M a c h i n e T o o l H y d r a u l i c s 。 2 0 1 1 ， 3 9 2 2 4 0 - 4 2 ．