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超重型數控龍門移動鏜銑床橫梁的有限元分析與結構優化

本文利用 CAD/CAE /CAM 集成軟件 Siemens PLMSoftware NX7． 5 對上述確定的超重型數控龍門移動鏜銑床橫梁結構型式進行有限元仿d真，建立橫梁體三維模型，并結合實際工況建立有限元模型，約束條件為橫梁兩端固定，分析橫梁體受自重、溜板和鏜銑頭滑枕等重力作用下的變形情況，得到橫梁的應力、應變情況。溜板與滑枕通過絲杠驅動系統可在橫梁上左右移動(見圖1)，在單個導軌面上溜板與橫梁有左右2個接觸面，同立柱導軌一樣，橫梁靜壓導軌的各接觸面也均為靜壓油支撐，通過壓板等可保證溜板緊貼橫梁的導軌面。為能得到超重型數控龍門移動鏜銑床橫梁部件靜變形，本文分別從橫梁的彎曲變形、鏜銑頭主軸箱的前傾等方面進行有限元分析，通過評估橫梁受力的分析結果，對初步確定設計的橫梁的結構形式進行優化，再在此基礎上改進橫梁體結構，使機床性能符合要求。

文獻［5］考慮了大型龍門機床橫梁部件中各零件間結合面，對其靜剛度進行了有限元分析，理論分析結果有較好的實用價值。

文獻［6］針對數控重型龍門銑床超跨距橫梁由于跨度大質量大，安裝完畢后由于重力和溜板、滑枕作用力會向下彎曲，其中 Z 向導軌面的大撓度可達到1 mm，嚴重影響加工精度的問題，采用對導軌面預起拱的方法來補償橫梁變形對加工精度的影響。對超跨距橫梁 Z 向導軌面起拱曲線進行了設計，并用優化算法對其進行了優化。例如根據橫梁、溜板、滑枕式鏜銑頭等橫梁部件三維模型的裝配位置，在質心上的0D集中質量單元上添加橫梁、溜板、滑枕式鏜銑頭等橫梁部件的集中質量30t的重量，并對橫梁體模型空間施加重力加速度:9．81m/s2。首先用有限元方法仿d真計算了超跨距橫梁實際工作時的變形，并擬合了橫梁 Z 向導軌變形的變形曲線． 考慮了溜板左右 2 個接觸面對變形曲線的影響，采用優化算法分多種情況設計和優化了起拱曲線。經分析，采用優化算法得到起拱曲線遠優于以往起拱曲線設計方法的效果。通過優化設計，機床銑刀頭水平移動直線度誤差和角度偏差已經遠低于國家標準規定的值。

文獻［4］中數控機床尤其是銑床，橫梁是很關鍵的結構，其設計水平的好壞直接影響整個機床性能。對于橫梁的優化主要從兩方面考慮: ①在不增加質量的前提下，使橫梁上的大變形化，提高橫梁的靜剛度; ②優化中初階固有頻率不小于設定值，提高橫梁的動剛度。這樣，不僅能夠促進鏜銑頭本身技術的進步和創新，還能夠獲得更為廣泛的應用范圍。優化的具體實施步驟如下: 首先，通過形狀及拓撲優化確定橫梁佳的截面輪廓和肋板布置方案，得到概念模型; 其次，通過尺寸優化確定合理的外形尺寸和肋板厚度。CAE 軟件優化模塊可以定義多個設計變量和狀態變量，設計變量為自變量，狀態變量和目標函數都是設計變量的函數。如橫梁結構的長、寬、高尺寸以及筋板厚度等定義為設計變量，橫梁結構變形和應力隨設計變量的變化而變化，是設計變量的函數，可以定義為狀態變量，使結構重量化定義為目標函數。