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0前言

龍門五軸加工中心可以通過五軸控制實現(xiàn)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(jié)構有良好的動靜態(tài) 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(tài)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(tài)特性分析；李焱等人^[1]分析了龍門加工中的靜剛度 并對結(jié)構進行優(yōu)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(tài)特 性并找出其薄弱部位一橫梁；改進其結(jié)構后并通過 實驗驗證了改進設計的有效性。

1整機靜態(tài)特性分析

1.1靜力學分析

國產(chǎn)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(jié)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(wǎng)格劃分時，采用SOLID 45單元對實體進 行網(wǎng)格劃分，由于結(jié)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(jié)合 部。機床結(jié)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(jié)點來定義，每個節(jié)點有 6個自由度個自定義單元中有兩個節(jié)點就有12 個自由度，就需要用12 x 12階的矩陣來*定義該 單元的剛度、阻尼或質(zhì)量信息⁰。用戶自定義單元的 實常數(shù)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(yōu)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(jié)果如圖3所示。工件上的大變形為 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(nèi)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(jié) 果見表1。由表1可知，機床在y方向上變形量大, 剛度小。

1.3查找整機薄弱環(huán)節(jié)

為找出機床的薄弱部件，根據(jù)文獻7],利用 數(shù)控機床串聯(lián)剛場理論，結(jié)合其串聯(lián)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統(tǒng)，系統(tǒng)剛性低于整機中剛性低的部件。由圖5分析各部件對系統(tǒng) 剛性的影響，找出薄弱環(huán)節(jié)，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(tǒng)的剛度較低。

2動態(tài)特性分析

模態(tài)分析作為研究結(jié)構動力分析的基礎，解決 了結(jié)構動力分析中的一個重要問題即進行結(jié)構的固 有振動特性分析⁸。通過模態(tài)分析計算出結(jié)構的固 有振動特性后，可以為系統(tǒng)的振動故障診斷、預報 以及結(jié)構動力特性的優(yōu)化設計提供依據(jù)。對機床底 部進行全約束，采用空間迭代法⁹提取模態(tài)，限于 篇幅，得到整機的前2階模態(tài)振型如圖6所示。前 四階模態(tài)及振型描述如表2。低階模態(tài)是影響機床 動態(tài)特性的主要因素^M，由整機的前4階模態(tài)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(jié)合，說明橫梁是機床的薄弱環(huán)節(jié)，需要 進一步優(yōu)化其結(jié)構。

3 基于原結(jié)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(xù)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(jié)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(jié)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(jié)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(fā)現(xiàn)橫 梁在整體系統(tǒng)中的變形比例已大大降低，各部件的變 形比例也愈發(fā)合理。其中改進結(jié)構3各部件變形量的 比例合理。因此以結(jié)構3有限元分析為基礎，進 行實際的結(jié)構改進。

圖8結(jié)構改進前后各部件變形在系統(tǒng)變形的比例 對改進后整機進行動靜態(tài)特性分析，以改進 結(jié)構3為例，得到改進前后結(jié)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(jié)構后整機的動靜態(tài)特性均取得了較好的 效果。

4實驗測試結(jié)果與分析

為測量改進后橫梁結(jié)構實際變形量，與有限元分 析結(jié)果進行對比，進行了橫梁變形量的測量實驗，測 量現(xiàn)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(jié)構改變前后y向位移變 化^8]如圖10。從圖10發(fā)現(xiàn)，改進后結(jié)構與原始結(jié)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(jié)果與有限元分析 結(jié)果也基本相符。

5.結(jié)論

通過引用用戶自定義單元模擬加工中心的結(jié)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(fā)現(xiàn)其y向剛度薄弱。通 過對加工中心進行模態(tài)分析，與靜力學分析相結(jié)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(jié)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(fā)現(xiàn)結(jié)構3合 理。將改進后結(jié)構與原有結(jié)構通過有限元計算和實際 實驗測量的方式進行對比，發(fā)現(xiàn)計算結(jié)果和測量結(jié)果 基本吻合。通過改進橫梁結(jié)構，實現(xiàn)了提高整機動靜 態(tài)特性的目的。 ?原有橫梁結(jié)構沒有外 部任何突出部分，而3種方案如圖7。