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超重型数控龙门移动镗铣床横梁的有限元分析与结构优化

2． 6 机床卸荷梁与卸荷轮装置［1］

卸荷梁与卸荷轮装置用于消除溜板和滑枕式镗铣头等重力对该机床横梁体位移可能较大的问题。3、20公斤以上：又被称为大型镗铣头，这类产品的结构一定比较大，而精度则相对要低，与以上两种相比，该类产品灵敏度也要弱一些，主要被应用在一些大型的机床上，加工范围倒是挺广泛的。卸荷梁的设计原理是通过预先计算重量，在横梁上设置一个带曲线的卸荷梁，卸荷梁为钢结构件制成，由双支点将所受之力由丝杆传递于立柱上，避免了横梁产生弯曲变形，以消除溜板和滑枕镗铣头对横梁直线度的挠度影响。横梁导轨可加工成直线，保证镗铣头运动的直线度并使溜板与横梁导轨面均匀接触。比较一般横梁反变形( 起拱曲线［6］) 加工或镶装导轨需调整精度，卸荷梁无论在加工性能还是使用性能上都更加优越。

2． 4 横梁有限元优化

对超重型数控龙门移动镗铣床横梁进行结构优化设计。比较一般横梁反变形(起拱曲线［6］)加工或镶装导轨需调整精度，卸荷梁无论在加工性能还是使用性能上都更加优越。应用 Siemens PLM Software NX7． 5 软件进行横梁有限元优化设计［10 － 11］，对原横梁结构进行减轻重量，从而达到横梁结构轻量化设计的目标。创建求解方案，选择 NX NASTＲAN 有限元优化模块进行横梁优化设计。减小横梁壁厚和加强肋厚度，从而减少了横梁质量，具体在横梁质量减少 2． 5% 的情况下对机床横梁静特性进行了有限元优化设计。表 2 为优化前后横梁静特性对比，可见在横梁质量减少了 2． 5% 的情况下，优化设计后横梁的大位移从 0． 25 mm 减小到0． 192 mm，即横梁的大位移减少了 23． 2% ; 也就是说在横梁载荷不变的情况下横梁的静刚度提高了23． 2% ，有明显效果。

2． 2 建立横梁体有限元模型

运用 Siemens PLM Software NX7． 5 软件高de 级分析模块建立横梁有限元分析模型，为了减少有限元网格数量和歧异网格的生成，针对横梁体上对分析结果影响不大的圆角、小孔和台阶等结构作一定的简化处理( 即忽略不计) ; 采用 10 节点四面体有限单元网格对横梁体有限元模型进行网格划分，划分结果为: 横梁部件中的单元数目为 328 149，节点数目为 397 719。超重型数控龙门移动镗铣床横梁的有限元分析与结构优化2．1建立横梁体三维模型分析中初步确定横梁体截面结构形式及尺寸［1］，如图2所示。横梁体有限元划分结构如图 4 所示。

某超重型数控动梁龙门移动镗铣床正视图及各轴方向如图 1 所示［1］，其机床基础件如床身、滑座、立柱、横梁、工作台等基础件均采用树脂砂造型高强度铸铁，并经时效处理，连接梁采用高刚性焊接件。由于设计真主要分析的目的为横梁体在受力情况下的变形情况，并且考虑到模型的大小和计算机的计算量，将溜板、滑枕式镗铣头等三维模型简化为0D集中质量单元，并采用1D单元连接，具体简化模型如图5所示。龙门框架由左右立柱、连接梁等组成，左右立柱上端与连接梁紧固连接，立柱下端直接与滑座紧固连接，形成高刚度的龙门框架结构。图 1 中 Y 轴: 横梁与溜板，Z 轴:溜板与滑枕。动梁龙门横梁上配置有一个大功率的交流调速滑枕式镗铣头，滑枕式镗铣头通过溜板与横梁连接。