龙门加工中心横梁结构设计与分析

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32机 械 设计 与 制造Machinery Design & Manufacture第 10期2013年 lO月龙门加工中心横梁结构设计与分析张 森一，杨玉萍 ，季彬彬 ，邱自学 ，刘传进z(1．南通大学 机械工程学院，江苏 南通 226019；2．南通国盛机电集团有限公司，江苏 南通 226002)摘 要：横梁的静动态特性对工件的几何精度和表面质量有重要影响，为获得具有较好静动态特性的横梁结构，在横梁材料、外部尺寸、壁厚、筋板厚度相同的条件下，仅改变筋板的类型，设计了四种横梁结构；运用有限元分析软件分别对其进行静力学分析和模态分析，得到了四种横梁的最大位移变形量和前六阶模态频率及振型；结果表明：v型结构横梁的总位移变形量最小，为27．6txm，一阶模态频率为102．2Hz，具有较好的静动态特性，是最优设计方案；为横梁的结构设计提供 了理论依据。

关键词：龙门加工中心；横梁；结构设计；有限元分析中图分类号：TH16 文献标识码：A 文章编号：1001—3997(2013)10—0032—03Gantry Machining Center Crossbeam Structure Design and AnalysisZHANG Sen ，YANG Yu-ping ，JI Bin—bin ，QIU zi—xue ，LIU Chuan-jin(1．School of Mechanical Engineering Nantong University，Jiangsu Nantong 226019，China；2．Nantong Guosheng Electromechanical Group Company Ltd．，Jiangsu Nantong 226002，China)Abstract：The static and dynamic characteristics of the beam has impoaant 胡uence on work piece geometry precision andsulface quality，in order to obtain better characteristics of static and dynamic ofthe beam structure，in the beam material，external dimensions，wall thickness，reinforcing plate thickness of the salne conditions，only changes reinforcing plate type，designs the four different beam structures；the staics and the modal were analyzed by using the finite element analysissoftware，finally getting the maximum displacement deformation offour kinds ofbeams and modalfrequency ofthe first sixstages．The analysis results show that the minimum ofthe overall displacement deformation V type reinforcingplate structurebeam 27．6 m，andfirst stage modalfrequency is 102．2Hz，which has better static and dynamic characteristics，and itthe most optimal scheme，for designing ofthe beam structure provides theoretical basis.

Key Words：Gantry Machining Center；Crossbeam；Structure Design；Finite Element Analysis1引言随着航空航天、工程机械、交通运输等的快速发展 ，装备制造业领域对零件的几何精度和表面加工质量提出了更高的要求，这也促进了机床向高精度、高效率、轻量化方向发展。横梁是龙门加工中心的一个重要部件，承载着滑座、滑枕等部件；横梁的静动态特I生直接影响着整机的性能_1_和工件的几何精度及表面加工质量，所以对于龙门加工中心来说确定具有较好静动态特性的横梁结构非常重要圈。结合企业里龙门加工中心横梁使用的筋板类型，设计出了四种横梁结构，然后运用有限元分析软件分别对其进行静力学分析及模态分析，根据分析结果，选出最优的方案确定横梁的结构，为横梁结构设计提供了必要的理论依据。

2横梁结构设计横梁的静动态特性与它的材料、结构尺寸、形状和筋板结构有着密切的关系，根据横梁所受载荷的特点，通过合理设计横梁内部筋板的结构是提高横梁局部刚度的重要方式13]。在横梁材料、外形尺寸、壁厚、筋板厚度等因素相同的前提下，仅改变筋板结构，设计出了四种方案，如图 1所示。方案 1为十型结构，方案 2为井型结构，方案3为 x型结构，方案 4为 v型结构。

方案 1十型结构 方案 2井型结构脚 方案 3 X型结构 方案 4 V型结构图 1四种横梁结构示意图Fig．1 Model of the Four Styles Crossbeam Structure3横梁的力学模型龙门加工中心横梁由立柱支撑，通过螺栓与立柱紧密连接，受力模型可简化为简支梁形式，同时横梁还承载着滑座、滑枕、主来稿日期：2012—12—04基金项目：南通市产学研协同创新项目(BC2012007)作者简介：张 森，(1987一)，男，山东济宁人，硕士研究生，主要研究方向：现代机械设计理论与方法；杨玉萍，(1965一)，女，江苏南通人 ，硕士，教授，硕士生导师，主要研究方向：机械设计及理论第 l0期 张 森等：龙门加工中心横梁结构设计与分析 33轴箱等部件，滑座在横梁上左右运动，滑枕在滑座上做上下运动。

横梁 自身的重力 ，滑座、滑枕和主轴箱的重力及切削反力引起横粱的弯曲变形，滑座滑枕主轴箱等部件在横梁上运动可看作是悬臂梁形式，其重力还会引起横梁产生一定的扭转变形 滑座在横梁上左右运动时，横梁会产生不同程度的弯曲变形，当滑座处于横梁中间位置，滑枕运动到最低点时，横梁产生最大的弯曲变形151，所以按此种情况求解横梁受力。由于横梁沿导轨方向所受摩擦力很小，为方便求解，将横梁与导轨、导轨与滑块之间看作刚性接触，忽略沿导轨方向受力；横梁与滑座通过两条直线导轨和四个滑块连接，连接部位即为所受载荷位置，将滑块受力分解为 y、z两个方向的力，对滑座等构件看作整体进行受力分析161，建立力学模型。如图 2所示。

图2横梁装配图与受力简化模型Fig．2 Beam Assembly Drawing and the Simplified Mechanical Mmodel根据企业提供的龙门加工中心工作参数，结合切削力经验公式，取主切削力大小为 2560N，轴向力大小为 1600N；对整体列静力平衡方程和变形协调方程161，求解H{各滑块的受力大小，然后根据作用力与反作用力的关系，获得横梁所受载荷的大小。 l=7341N， l=一17882N； 2=7159N， 2=一17882N； j=-5901N，Fz3=-1090N；F,4=一6083N， 4=一1090N。

4四种横梁结构的静力学分析4．1横梁模型的建立及网格划分横梁结构比较复杂，采用三维solid works软件进行实体建模，为便于有限元计算，对横梁模型进行适当的简化，去除不必要的螺纹孔 、倒角、圆角等特征．然后导入有限元分析软件中。，横梁材料为 HT250，材料属性设置为：弹性模量取(1．3~1 )MPa，泊松比取 0．27，密度取 7200k~m，，采用 8节点的solid45单元结构，运用自由网格划分类型对四种横梁进行划分网格。

4_2约束与载荷图3载荷与约束施加情况Fig．3Loads and Constraints Applied Situation of the Beam横梁与立柱之间通过螺栓连接，约束横梁上与固定螺栓位置相对应的螺纹孔的全部自由度作为边界条件，即固定与螺栓位置相对应的螺纹孔的各个 自由度来实现对横梁的约束 ；在弯曲变形最大的位置施加载荷，将根据力学模型计算出的载荷力转化成压力作用于工作面上，施加自身重力，载荷与约束施加情况，如图3所示。

4．3求解结果与分析运用有限元分析软件进行求解处理，得到了四种横梁结构的总位移变形量及 、y、Z三个方向上最大位移变形量情况；且由分析结果知四种横梁的最大应力均小于材料的屈服应力。四种横梁的质量及静变形量对比，如表 1所示。四种横粱的总位移变形量云图，如图 4所示。

方案 1十型结构_ 【爆 攀一苎， l I 圈 盏盏i
一置 I 目 —嚣 一 方案2蚪型结构方案 3 X型结构N ¨? "l、、、●．I276~3；IⅥ{“
— — ．_ ■I 唧 虢 ●5，l 、五 E霸方案4 V型结构罔4四种横梁结构的总位移变彤量云Fig．4 Displacement Deformation of Four Kinds of Beams表 1四种横梁的质量及静力变形量对比(单位：u m、kg)Tab．1 Mass and Static Deformationof the Four Beam (Unit：lam、kg)横梁结构 总位移变形量 方向变形量 y方向变形量 z方向变形艟 质量从分析结果可以看出：四种横梁都发生了弯曲变形，v型横粱结构的总位移变形量最小为27．6 m，在 、}，、 个方向上的34 机械设计与制造No．1O0ct．2013最大位移基本上也都小于其他三种结构，具有较好的静特性；十字型横梁结构的总位移变形量最大为34．81xm，静特性最差，这与它结构简单质量轻有关；比较后二三种方案说明：在质量相近的情况下．将横筋变成斜筋提高了横梁的静特性；从提高横梁静特性的角度来选，V型横梁结构是最好方案。

5四种横梁结构的模态分析仅分析横梁的静特性不能完全反应横梁的性能，为此对横梁进行模态分析。通过模态分析可以得到横梁的固有频率和振型，从而可以确定横梁的振动特陛．为研究机床在加工过程中横梁产生的振动现象及横梁动态将I生的优化设计提供依据日。横梁的前几阶同有频率对动态性能影响最大，提高结构的前几阶固有频率可以提高结构刚性，避免共 。运用有限元分析软件分别对四种横梁进行了模态分析，取前六阶频率及振型情况进行研究。四种横梁的第一阶振型云图，如图 5所示。前六阶频率及振型情况，如表2所示。通过模态分析可知，不同结构横梁的各阶频率有一定的差异，但因为横梁外形尺寸、壁厚等条件相同，前六阶的振型基本相同。

、?51I、¨ {¨{II、lIH 、iIM、1、鼍魍圈 II——●●—_—～ 方案 4 V型结构图 5四种横梁结构的第一阶振型云图Fig．5 First Frequency Mode Shape of Four Styles Beam Structure表 2四种横梁结构的前六阶频率及振型情况(单位：Hz)Tab．2 The 6 Order Modal Frequencies and ModeShapes of the Four Styles Crossbeam Structure(Unit：Hz)6结论(1)在横梁外部尺寸、材料、壁厚、筋板厚度等因素相同的条件下，所分析的四种结构中，v型横梁结构具有较好的静动态特性，应采用该结构作为横梁结构；(2)适当增加横向筋板的数量或采用斜筋结构可以提高横梁的静动态特性；(3)对不同的横梁结构方案，通过运用有限元分析软件进行静力学分析和模态分析，可以选出最优的设计方案，为横梁的结构设计提供了必要的理论依据。

参考文献[1]王艳青 ，仲高艳，常永标．大型五轴联动加工中心横梁结构设计[J]．机床与液压，2012，40(13)：l14-l17.

(Wang Yan-qing，Zhong Gao-yan，Chang Yong—biao．Design of beamstructures for large five—axis machining center lJ』．Machine andHydraulics，2012，40(13)：1 14-1 17．)[2]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，201l，39(22)：40-42.

(Tang Zhen-yu，Li Duan-neng．Design and analysis of beam stifenedplates of large gantry machine center [J]．Machine and Hydraulics，201 l，39(22)：4 42．)[3]张磊，谢志坤 ，李焱．基于有限元的高速龙门五轴加工中心动静态优化设计[J]．机械设计与制造，2011(12)：36-38.

(Zhang Lei，Xie Zhi—kun，Li Yan．Optimized design for static anddynamic characteristics of high—speed 5一axisgantry-type machiningcenter based on FEM 【J j．Machinery Design and Manufacture，201 l(12)：36—38．)[4]罗传林 ，李锻能．龙门式机床横梁的结构设计研究[J]．机电工程技术，206．35(3)|45—47.

(Luo Chuan—lin，Li Duan-neng．Design and research of the structural ofcross rail in the planer type machines[J]．M&E Engineering Technology.

2006 35(3)45—47．)[5]许丹，刘强，袁松梅．一种龙门式加工中心横梁的动力学仿真研究[j1.

振动与冲击，2008，27(2)：l68—172.

(Xu Dan，Liu Qiang，Yuan Song—mei．The research ofdynamic character-isticsofgantrymachining center crossbeam lJ]Journal ofVibrationandShock，2008，27(2)：168—172．)[6]宫玉林．加工中心十字滑台结构优化设计及静刚度试验[D]．大连：大连理工大学。2010.

(Gong Yu—lin．Structural optimization design and static stifness test ofcross slide ofmachining center[D]．Dalian：Dalian University ofTechnol—ogy。2010．)[7]谢黎明，李大明，沈浩．基于有限元分析的现场铣床横梁结构优化[J].

组合机床与自动化加工技术。2008(9)：37—39.

(Xie Li-ming，Li Da-ming，Shen Hao．Optimum design of scene milingmachine beam based on finite element analysis lJ j。Modular Machine ToolandAutomaticManufacturingTechnique，200(9)：37—39．)[8]石彦华。GS5200龙门五面加工中心横梁部件动态特性分析[J]．制造技术与机床，20o9(5)：74-77.

(Shi Yah—hua．Beam pans dynamic characteristic analysis of GS5200gantry five-face machine center lJ J．Manufact—uring Technology andMachineTo01．2009(5)：74—77．)[9]侯红玲，邱志惠，赵永强．高速切削机床横梁的静态与动态分析[J]．机械设计与制造，2006(5)：38—39.

(Hou Hong—ling．Qiu Zhi-hui。Zhao Yong-qiang．Static and dynam icanalysis for beam of high—speed cuting machine tool[J]．MachineryDesignandManufacture．2006(5)：38—39．)