龍門五軸加工中心薄弱環節的改進設計

0前言

龍門五軸加工中心可以通過五軸控制實現對任意方向孔及復雜型面進行加工，能滿足加工范圍大能力強的需求，廣泛應用于航空航天、模具、汽車等需要高精度加工的領域。而保證機床結構有良好的動靜態特性是獲得高精度加工的前提基礎¹。從已有的研究來看，史科科等²對某型臥式機床進行了動靜態特性分析；周新建等³是對立式加工中心進行的整機動靜態特性分析；李焱等人^{^[1]}分析了龍門加工中的靜剛度并對結構進行優化。本文作者以某型龍門五軸加工中心整機為研究對象，運用有限元技術分析其動靜態特性并找出其薄弱部位一橫梁；改進其結構后并通過實驗驗證了改進設計的有效性。

1整機靜態特性分析

1.1靜力學分析

國產的某型龍門五軸加工中心由床身、立柱、橫梁、主軸箱、工作臺和雙擺頭等部件組成，如圖1所示。由于龍門加工中心幾何結構復雜，在建立有限元模型時，不可能考慮所有細微復雜的幾何因素，因此只考慮一些起主導作用的因素來建立整機的簡化模型。采用Pro/E軟件先將各部件建立三維實體模型并裝配得到整機模型，導入ANSYS的Workbench應用平臺，設置機床的材料屬性。其中立柱的材料為 HT250，彈性模量為1. 2 x10⁵ MPa，密度為7 210 kg/ m³，泊松比0.22;橫梁等其他大件用Q235A，彈性模量為2. 1 x 10⁵ MPa，密度為7 860 kg/m³，泊松比 0.3。進行網格劃分時，采用SOLID 45單元對實體進行網格劃分，由于結合部的剛度特性對整機的靜剛度有重大影響，因此采用用戶自定義單元來模擬結合部。機床結合部包括直線電機初級-次級、直線滾動導軌滑塊-軌道、滾珠絲杠絲母-絲杠和螺栓。用戶自定義單元用空間任意兩個節點來定義，每個節點有 6個自由度個自定義單元中有兩個節點就有12 個自由度，就需要用12 x 12階的矩陣來完全定義該單元的剛度、阻尼或質量信息⁰。用戶自定義單元的實常數需要給一個12x12的矩陣中的元素分別賦值,

靜剛度作為衡量機床性能優劣的重要指標，對于龍門加工中心來說，它自身的重力對機床的變形和加工精度有著重要的影響⁶。計算機床在重力作用下的變形情況，結果如圖3所示。工件上的最大變形為 0. 039 mm,主軸上端面的變形為0. 197 mm。

在整機有限元模型中，按照實際工況設置邊界約束條件，將床身地腳孔內圓柱面作為固定約束。分別在主軸端面和工件的對應面上施加x、y、z三個方向，大小為5 000 N的力。以x向靜剛度為例，得到的整機的變形情況如圖4, 3個方向的靜剛度對比結果見表1。由表1可知，機床在y方向上變形量最大, 剛度最小。

1.3查找整機薄弱環節

為找出機床的薄弱部件，根據文獻7],利用數控機床串聯剛場理論，結合其串聯剛度圖譜分析出各部件變形占整機位移量的比例見圖5。由于整機是 —個機床一刀具一工件組成的串聯系統，系統剛性低于整機中剛性最低的部件。由圖5分析各部件對系統剛性的影響，找出薄弱環節，進而提高整機剛度。由圖5可知，橫梁在y方向上變形量較大，占到整體工藝變形比率高達40%以上，導致y向剛度相對較低。分析其原因可能為：橫梁的剛度不足；立柱繞y軸抗彎剛度不足；主軸箱系統的剛度較低。

2動態特性分析

模態分析作為研究結構動力分析的基礎，解決了結構動力分析中的一個重要問題即進行結構的固有振動特性分析⁸。通過模態分析計算出結構的固有振動特性后，可以為系統的振動故障診斷、預報以及結構動力特性的優化設計提供依據。對機床底部進行全約束，采用空間迭代法⁹提取模態，限于篇幅，得到整機的前2階模態振型如圖6所示。前四階模態及振型描述如表2。低階模態是影響機床動態特性的主要因素^M，由整機的前4階模態振型可知，機床振動主要集中在立柱和橫梁上，與靜力學分析相結合，說明橫梁是機床的薄弱環節，需要進一步優化其結構。

3 基于原結構的改進設計

由前面的分析可知，橫梁在y向的剛度不足，由于其剛度是連續變化的，而橫梁中間沒有支撐點，其柔度較大。為增加其在y向的抗彎剛度，考慮到需要在原有橫梁的基礎上進行改進結構，因此提出3種改進方案以便于進一步進行分析。原有橫梁結構沒有外部任何突出部分，而3種方案如圖7。

對改進后3種結構各部件進行有限元分析，得到各部件在y向占整機變形量的比值如圖8。可發現橫梁在整體系統中的變形比例已大大降低，各部件的變形比例也愈發合理。其中改進結構3各部件變形量的比例最為合理。因此以結構3有限元分析為基礎，進行實際的結構改進。

圖8結構改進前后各部件變形在系統變形的比例對改進后整機進行動靜態特性分析，以改進結構3為例，得到改進前后結構對比見表3。由此看出，機床在x, y,z向靜剛度均有所增強，尤其在原來薄弱的y向，增大了 24. 3%,而且其低階頻率均有所提高，其一階頻率提高了 18. 8%。說明改進結構后整機的動靜態特性均取得了較好的效果。

4實驗測試結果與分析

為測量改進后橫梁結構實際變形量，與有限元分析結果進行對比，進行了橫梁變形量的測量實驗，測量現場如圖9。按照實際裝配情況將橫梁置于立柱上，以工作臺水平為基準，將千分表放置于滑枕下, 以橫梁右端為起始點，得到結構改變前后y向位移變化^8]如圖10。從圖10發現，改進后結構與原始結構相比，在y向的位移明顯下降，說明橫梁在y向變形量減小，剛度增加。而且實驗測試結果與有限元分析結果也基本相符。

5.結論

通過引用用戶自定義單元模擬加工中心的結合部，建立了龍門五軸加工中心的有限元模型后對其3 個方向的靜剛度進行比較，發現其y向剛度薄弱。通過對加工中心進行模態分析，與靜力學分析相結合找到整機的薄弱部位一橫梁。在不改變原有橫梁的基礎上，通過增加外部結構的方式對原有橫梁進行改進設計并提出3種方案。通過比較發現結構3最為合理。將改進后結構與原有結構通過有限元計算和實際實驗測量的方式進行對比，發現計算結果和測量結果基本吻合。通過改進橫梁結構，實現了提高整機動靜態特性的目的。 ?原有橫梁結構沒有外部任何突出部分，而3種方案如圖7。

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