数控龙门镗铣床横梁结构特性分析及优化.pdf

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1、·应用研究·李晓园尹志宏张明旭等数控龙门镗铣床横梁结构特性分析及优化69数控龙门镗铣床横梁结构特性分析及优化李晓园，尹志宏，张明旭，张强，徐凯(昆明理工大学机电工程学院，云南昆明650093)摘要：运用现代设计方法对某型号数控机床龙门镗铣床横梁结构进行了静动态特性分析，并精确提取了横粱结合面的边界条件；然后对横梁进行参数优化，建立了以横梁的内部筋板和壁厚为优化设计变量，以结构质量以及一阶固频为状态变量，以结构最大变形为目标函数的数学优化模型，并采用拉格朗日二次规划法进行优化计算，最终得到满足条件的设计变量。通过对横梁进行

2、参数优化，提高了横梁的综合性能。关键词：横梁；静态分析；动态分析；固有频率；优化中图分类号：TH12文献标识码：A文章编号：1672—1616(2012)07—0069—04数控龙门镗铣床是机床制造业的一种基础设主轴系统全部悬挂在横梁的一侧，使横梁受溜板和备，在大型机械零件的精加工中起着举足轻重的作主轴系统的重力作用，并且此重力不在横梁的重心用。大型数控镗铣床由横梁、立柱、床身等部件组位置，同时在切削加工过程中主轴系统要承受切削成，而机床的加工精度很大程度上取决于这些部件力和切削扭矩，最终由立柱来支撑整个加工系统。的静态

3、和动态特性，因此在设计阶段有必要对其进横梁采用Pro／E建立模型，为了得到更精确的行刚度、强度和抗振性分析，以提高整机的工作性分析结果，几何模型的简化是一个重要的环节。几能⋯1。横梁作为机床的大型基础部件之一，承受何模型直接影响分网过程、网格形式和计算精度着主轴系统的自重和加工过程的切削力，其静动刚等，良好的结构模型可以节约计算资源，缩短计算度的高低直接影响机床的加工精度和寿命。因此运行时间，提高分析效率l3J。最后在建立有限元在设计过程中引入现代设计理论，考虑其静动态特模型时对凸台、倒角、螺纹孔、油孔等局部特征进行性就

4、显得尤为重要J。简化，简化后的模型如图2所示。蕊嚣1模型的建立数控龙门镗铣床龙门结构如图1所示。整个躅靛国。—l=㈣0．5∞图2横梁简化模型f该横梁长度为4760mm、宽度为1060mm、高—^、M度为1068mm，材料为HT300。横梁两端为2个立柱支撑，在单独对横梁进行分析时加工过程所承图1数控龙门镗铣床龙门结构受的切削力和切削扭矩最终作用在横梁上，同时还收稿日期：2011—11—08作者简介：李晓园(1985一)，男，河南武陟人，昆明理工大学硕士研究生，主要研究方向为机电系统动力学。·应用研究·李晓园尹志宏张明旭等

5、数控龙门镗铣床横梁结构特性分析及优化713横梁结构优化25mm，然后再对剩余的2个参数同时进行分析，即横梁内部前面正向筋板高度和纵向筋板条数。在对整机进行静变形分析后，发现在刀架部分的对横梁纵向筋板条数进行分析时，由图6可知，从变形有33#m，而横梁的变形最大值为29t~m，横梁5条到9条变形仍然过大。由此可以看出，从5条的变形直接影响了整机的精度，所以减小横梁的变到9条的变化区间不是优化的区间范围，为缩小优形是提高机床精度的关键。横梁的结构复杂，对哪化区间，减少运算时间，将筋板条数定为9条到15部分进行优化需要分析确定

6、。由于加工工件的宽条范围内。最终得到横梁质量和横梁最大变形随度由用户确定，而此宽度直接决定了横梁的跨度；横梁内部前面横向筋板高度和纵向筋板条数的变横梁的截面宽度是由立柱的形状决定的，而高度由溜板、主轴及加工条件确定，至于上面的槽等外部化曲线，如图7所示。表4参数变化结构由于要安装溜板、导轨等部件，其结构也被确定，所以可以优化的内容即为横梁的内部筋板形状参数区间／mm变形变化m质量变化／kg固频变化／I-Iz和位置以及外壁的厚度，因此下一步进行横梁的参数优化。在此次优化过程中，共设计了8个参数为输入量，分别为横向筋板的厚度

7、(为梯形，上底为dS一E一0E，￡z(o嚣E卫00一m．m12001，下底为dS一02)，正面筋板高度为dS—O3，底面筋板高度为ds一04，背面筋板高度为ds一05，外壁厚度为ds一06，纵向筋板的条数ds一07，横梁纵向筋板的厚度Cls一08。横梁的参数设置如图5(a)和(b)所示。对以上8个参数进行分析，不同参数所对应的变形变化、质量变化、一阶固有频率变化见表4。-___二_如07dg08一(a)横梁横向截面图图6纵向筋板条数对最大变形的影响ds(b)横梁端部截面图图5横梁参数设置由表4可知，参数dS一01、dS一

8、02、ds～04、dS一05、ds06、dS图7横向筋板高度和纵向筋板条数的变化曲线一一08这6个参数对质量的影响很大，但是对变形的影响很小，所以取这6个参数的最小横梁在最初设计时没有有效地考虑其静动态值，分别为20mm、26ram、108mm、126mm、45ram、特性，造成横梁的静变形过大即静刚度不足，为此72