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1、·應(yīng)用研究·李曉園尹志宏張明旭等數(shù)控龍門鏜銑床橫梁結(jié)構(gòu)特性分析及優(yōu)化69數(shù)控龍門鏜銑床橫梁結(jié)構(gòu)特性分析及優(yōu)化李曉園，尹志宏，張明旭，張強，徐凱(昆明理工大學(xué)機電工程學(xué)院，云南昆明650093)摘要：運用現(xiàn)代設(shè)計方法對某型號數(shù)控機床龍門鏜銑床橫梁結(jié)構(gòu)進行了靜動態(tài)特性分析，并精確提取了橫粱結(jié)合面的邊界條件；然后對橫梁進行參數(shù)優(yōu)化，建立了以橫梁的內(nèi)部筋板和壁厚為優(yōu)化設(shè)計變量，以結(jié)構(gòu)質(zhì)量以及一階固頻為狀態(tài)變量，以結(jié)構(gòu)最大變形為目標(biāo)函數(shù)的數(shù)學(xué)優(yōu)化模型，并采用拉格朗日二次規(guī)劃法進行優(yōu)化計算，最終得到滿足條件的設(shè)計變量。通過對橫梁進行
2、參數(shù)優(yōu)化，提高了橫梁的綜合性能。關(guān)鍵詞：橫梁；靜態(tài)分析；動態(tài)分析；固有頻率；優(yōu)化中圖分類號：TH12文獻標(biāo)識碼：A文章編號：1672—1616(2012)07—0069—04數(shù)控龍門鏜銑床是機床制造業(yè)的一種基礎(chǔ)設(shè)主軸系統(tǒng)全部懸掛在橫梁的一側(cè)，使橫梁受溜板和備，在大型機械零件的精加工中起著舉足輕重的作主軸系統(tǒng)的重力作用，并且此重力不在橫梁的重心用。大型數(shù)控鏜銑床由橫梁、立柱、床身等部件組位置，同時在切削加工過程中主軸系統(tǒng)要承受切削成，而機床的加工精度很大程度上取決于這些部件力和切削扭矩，最終由立柱來支撐整個加工系統(tǒng)。的靜態(tài)
3、和動態(tài)特性，因此在設(shè)計階段有必要對其進橫梁采用Pro／E建立模型，為了得到更精確的行剛度、強度和抗振性分析，以提高整機的工作性分析結(jié)果，幾何模型的簡化是一個重要的環(huán)節(jié)。幾能?1。橫梁作為機床的大型基礎(chǔ)部件之一，承受何模型直接影響分網(wǎng)過程、網(wǎng)格形式和計算精度著主軸系統(tǒng)的自重和加工過程的切削力，其靜動剛等，良好的結(jié)構(gòu)模型可以節(jié)約計算資源，縮短計算度的高低直接影響機床的加工精度和壽命。因此運行時間，提高分析效率l3J。最后在建立有限元在設(shè)計過程中引入現(xiàn)代設(shè)計理論，考慮其靜動態(tài)特模型時對凸臺、倒角、螺紋孔、油孔等局部特征進行性就
4、顯得尤為重要J。簡化，簡化后的模型如圖2所示。蕊囂1模型的建立數(shù)控龍門鏜銑床龍門結(jié)構(gòu)如圖1所示。整個躅靛國?！猯=㈣0．5∞圖2橫梁簡化模型f該橫梁長度為4760mm、寬度為1060mm、高—^、M度為1068mm，材料為HT300。橫梁兩端為2個立柱支撐，在單獨對橫梁進行分析時加工過程所承圖1數(shù)控龍門鏜銑床龍門結(jié)構(gòu)受的切削力和切削扭矩最終作用在橫梁上，同時還收稿日期：2011—11—08作者簡介：李曉園(1985一)，男，河南武陟人，昆明理工大學(xué)碩士研究生，主要研究方向為機電系統(tǒng)動力學(xué)?！?yīng)用研究·李曉園尹志宏張明旭等
5、數(shù)控龍門鏜銑床橫梁結(jié)構(gòu)特性分析及優(yōu)化713橫梁結(jié)構(gòu)優(yōu)化25mm，然后再對剩余的2個參數(shù)同時進行分析，即橫梁內(nèi)部前面正向筋板高度和縱向筋板條數(shù)。在對整機進行靜變形分析后，發(fā)現(xiàn)在刀架部分的對橫梁縱向筋板條數(shù)進行分析時，由圖6可知，從變形有33#m，而橫梁的變形最大值為29t~m，橫梁5條到9條變形仍然過大。由此可以看出，從5條的變形直接影響了整機的精度，所以減小橫梁的變到9條的變化區(qū)間不是優(yōu)化的區(qū)間范圍，為縮小優(yōu)形是提高機床精度的關(guān)鍵。橫梁的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對哪化區(qū)間，減少運算時間，將筋板條數(shù)定為9條到15部分進行優(yōu)化需要分析確定
6、。由于加工工件的寬條范圍內(nèi)。最終得到橫梁質(zhì)量和橫梁最大變形隨度由用戶確定，而此寬度直接決定了橫梁的跨度；橫梁內(nèi)部前面橫向筋板高度和縱向筋板條數(shù)的變橫梁的截面寬度是由立柱的形狀決定的，而高度由溜板、主軸及加工條件確定，至于上面的槽等外部化曲線，如圖7所示。表4參數(shù)變化結(jié)構(gòu)由于要安裝溜板、導(dǎo)軌等部件，其結(jié)構(gòu)也被確定，所以可以優(yōu)化的內(nèi)容即為橫梁的內(nèi)部筋板形狀參數(shù)區(qū)間／mm變形變化m質(zhì)量變化／kg固頻變化／I-Iz和位置以及外壁的厚度，因此下一步進行橫梁的參數(shù)優(yōu)化。在此次優(yōu)化過程中，共設(shè)計了8個參數(shù)為輸入量，分別為橫向筋板的厚度
7、(為梯形，上底為dS一E一0E，￡z(o囂E衛(wèi)00一m．m12001，下底為dS一02)，正面筋板高度為dS—O3，底面筋板高度為ds一04，背面筋板高度為ds一05，外壁厚度為ds一06，縱向筋板的條數(shù)ds一07，橫梁縱向筋板的厚度Cls一08。橫梁的參數(shù)設(shè)置如圖5(a)和(b)所示。對以上8個參數(shù)進行分析，不同參數(shù)所對應(yīng)的變形變化、質(zhì)量變化、一階固有頻率變化見表4。-___二_如07dg08一(a)橫梁橫向截面圖圖6縱向筋板條數(shù)對最大變形的影響ds(b)橫梁端部截面圖圖5橫梁參數(shù)設(shè)置由表4可知，參數(shù)dS一01、dS一
8、02、ds～04、dS一05、ds06、dS圖7橫向筋板高度和縱向筋板條數(shù)的變化曲線一一08這6個參數(shù)對質(zhì)量的影響很大，但是對變形的影響很小，所以取這6個參數(shù)的最小橫梁在最初設(shè)計時沒有有效地考慮其靜動態(tài)值，分別為20mm、26ram、108mm、126mm、45ram、特性，造成橫梁的靜變形過大即靜剛度不足，為此72
