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2020-11-04
超重型數(shù)控龍門移動鏜銑床橫梁的有限元分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)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(shù)控龍門移動鏜銑床橫梁結(jié)構(gòu)型式進行有限元仿d真，建立橫梁體三維模型，并結(jié)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(qū)動系統(tǒng)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(shù)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(jié)果，對初步確定設計的橫梁的結(jié)構(gòu)形式進行優(yōu)化，再在此基礎上改進橫梁體結(jié)構(gòu)，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(jié)合面，對其靜剛度進行了有限元分析，理論分析結(jié)果有較好的實用價值。
文獻［6］針對數(shù)控重型龍門銑床超跨距橫梁由于跨度大質(zhì)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?qū)к壝娴拇髶隙瓤蛇_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?qū)к壝嫫鸸扒€進行了設計，并用優(yōu)化算法對其進行了優(yōu)化。例如根據(jù)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(zhì)心上的0D集中質(zhì)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(zhì)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?qū)к壸冃蔚淖冃吻€． 考慮了溜板左右 2 個接觸面對變形曲線的影響，采用優(yōu)化算法分多種情況設計和優(yōu)化了起拱曲線。經(jīng)分析，采用優(yōu)化算法得到起拱曲線遠優(yōu)于以往起拱曲線設計方法的效果。通過優(yōu)化設計，機床銑刀頭水平移動直線度誤差和角度偏差已經(jīng)遠低于國家標準規(guī)定的值。
文獻［4］中數(shù)控機床尤其是銑床，橫梁是很關鍵的結(jié)構(gòu)，其設計水平的好壞直接影響整個機床性能。對于橫梁的優(yōu)化主要從兩方面考慮: ①在不增加質(zhì)量的前提下，使橫梁上的大變形化，提高橫梁的靜剛度; ②優(yōu)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(chuàng)新，還能夠獲得更為廣泛的應用范圍。優(yōu)化的具體實施步驟如下: 首先，通過形狀及拓撲優(yōu)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(yōu)化確定合理的外形尺寸和肋板厚度。CAE 軟件優(yōu)化模塊可以定義多個設計變量和狀態(tài)變量，設計變量為自變量，狀態(tài)變量和目標函數(shù)都是設計變量的函數(shù)。如橫梁結(jié)構(gòu)的長、寬、高尺寸以及筋板厚度等定義為設計變量，橫梁結(jié)構(gòu)變形和應力隨設計變量的變化而變化，是設計變量的函數(shù)，可以定義為狀態(tài)變量，使結(jié)構(gòu)重量化定義為目標函數(shù)。
