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超重型数控龙门移动镗铣床横梁的有限元分析与结构优化

本文利用 CAD/CAE /CAM 集成软件 Siemens PLMSoftware NX7． 5 对上述确定的超重型数控龙门移动镗铣床横梁结构型式进行有限元仿d真，建立横梁体三维模型，并结合实际工况建立有限元模型，约束条件为横梁两端固定，分析横梁体受自重、溜板和镗铣头滑枕等重力作用下的变形情况，得到横梁的应力、应变情况。溜板与滑枕通过丝杠驱动系统可在横梁上左右移动(见图1)，在单个导轨面上溜板与横梁有左右2个接触面，同立柱导轨一样，横梁静压导轨的各接触面也均为静压油支撑，通过压板等可保证溜板紧贴横梁的导轨面。为能得到超重型数控龙门移动镗铣床横梁部件静变形，本文分别从横梁的弯曲变形、镗铣头主轴箱的前倾等方面进行有限元分析，通过评估横梁受力的分析结果，对初步确定设计的横梁的结构形式进行优化，再在此基础上改进横梁体结构，使机床性能符合要求。

文献［5］考虑了大型龙门机床横梁部件中各零件间结合面，对其静刚度进行了有限元分析，理论分析结果有较好的实用价值。

文献［6］针对数控重型龙门铣床超跨距横梁由于跨度大质量大，安装完毕后由于重力和溜板、滑枕作用力会向下弯曲，其中 Z 向导轨面的大挠度可达到1 mm，严重影响加工精度的问题，采用对导轨面预起拱的方法来补偿横梁变形对加工精度的影响。对超跨距横梁 Z 向导轨面起拱曲线进行了设计，并用优化算法对其进行了优化。例如根据横梁、溜板、滑枕式镗铣头等横梁部件三维模型的装配位置，在质心上的0D集中质量单元上添加横梁、溜板、滑枕式镗铣头等横梁部件的集中质量30t的重量，并对横梁体模型空间施加重力加速度:9．81m/s2。首先用有限元方法仿d真计算了超跨距横梁实际工作时的变形，并拟合了横梁 Z 向导轨变形的变形曲线． 考虑了溜板左右 2 个接触面对变形曲线的影响，采用优化算法分多种情况设计和优化了起拱曲线。经分析，采用优化算法得到起拱曲线远优于以往起拱曲线设计方法的效果。通过优化设计，机床铣刀头水平移动直线度误差和角度偏差已经远低于国家标准规定的值。

文献［4］中数控机床尤其是铣床，横梁是很关键的结构，其设计水平的好坏直接影响整个机床性能。对于横梁的优化主要从两方面考虑: ①在不增加质量的前提下，使横梁上的大变形化，提高横梁的静刚度; ②优化中初阶固有频率不小于设定值，提高横梁的动刚度。这样，不仅能够促进镗铣头本身技术的进步和创新，还能够获得更为广泛的应用范围。优化的具体实施步骤如下: 首先，通过形状及拓扑优化确定横梁佳的截面轮廓和肋板布置方案，得到概念模型; 其次，通过尺寸优化确定合理的外形尺寸和肋板厚度。CAE 软件优化模块可以定义多个设计变量和状态变量，设计变量为自变量，状态变量和目标函数都是设计变量的函数。如横梁结构的长、宽、高尺寸以及筋板厚度等定义为设计变量，横梁结构变形和应力随设计变量的变化而变化，是设计变量的函数，可以定义为状态变量，使结构重量化定义为目标函数。