本發(fā)明涉及到移動(dòng)式定梁龍門機(jī)床制造領(lǐng)域，也涉及到此類龍門機(jī)床定梁龍門框筋板的優(yōu)化設(shè)計(jì)領(lǐng)域，更具體地涉及到對(duì)此類機(jī)床焊接型橫梁十字交叉形筋板結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。

背景技術(shù)：

龍門式機(jī)床主要有加工跨距大、加工效率高、剛度高的特點(diǎn)，適應(yīng)于批量或高精度加工。在航空、航天、汽車、模具等制造行業(yè)中得到廣泛的應(yīng)用。橫梁是龍門式機(jī)床重要組成部分之一，起著連接滑座、滑鞍等關(guān)鍵部件的作用，橫梁自身的結(jié)構(gòu)及布局決定了其本身的動(dòng)、靜態(tài)特性，而橫梁筋板的動(dòng)、靜態(tài)特性又直接關(guān)系到龍門式機(jī)床的整機(jī)性能。要提高此類機(jī)床的加工效率、精度，必須考慮機(jī)床橫梁筋板結(jié)構(gòu)的靜動(dòng)態(tài)特性。

龍門式加工中心橫梁受力為兩端簡支梁支承形式，橫梁所承受的力除了橫梁本身、滑枕、滑座、主軸等的自重外，還要承受由于主軸箱等的懸掛而產(chǎn)生的傾覆和扭轉(zhuǎn)力矩。不同筋板結(jié)構(gòu)的橫梁抗彎、抗扭能力不同。筋板的作用是將局部載荷傳遞給其他壁板，從而使整個(gè)支承件能比較均勻地承受載荷，縱向隔板能提高抗彎剛度，橫向隔板能提高抗扭剛度，而斜向隔板能提高抗彎剛度，又能提高抗扭剛度。因此必須選擇合理的橫梁筋板結(jié)構(gòu)布置，以提高橫梁的抗彎、抗扭能力。

如今，許多研究工作已經(jīng)進(jìn)行了有關(guān)的機(jī)床或橫梁剛度的分析問題。國內(nèi)外在機(jī)床研究方面主要采用有限元分析方法，對(duì)結(jié)構(gòu)靜、動(dòng)剛度和動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)估，對(duì)比分析不同截面的橫梁結(jié)構(gòu)，得出剛度更優(yōu)的橫梁結(jié)構(gòu)。另外，本發(fā)明的實(shí)施例以某龍門式銑擠復(fù)合數(shù)控機(jī)床的橫梁為研究對(duì)象，用有限元法對(duì)橫梁進(jìn)行了靜、動(dòng)態(tài)特性分析，并結(jié)合振動(dòng)測試實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。最終確定本發(fā)明的移動(dòng)式定梁龍門框機(jī)床的焊接型橫梁十字交叉形筋板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更加合理，剛性、動(dòng)態(tài)特性等綜合性能更好，對(duì)此類機(jī)床的制造更有意義。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是針對(duì)移動(dòng)式定梁龍門機(jī)床(圖1)，該機(jī)床為龍門框架移動(dòng)，工作臺(tái)固定式結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)包括工作臺(tái)、床身、橫梁、滑鞍、滑枕、液壓系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)、冷卻過濾系統(tǒng)、排屑裝置、旋轉(zhuǎn)式操作面板以及電控系統(tǒng)等部件，其中橫梁是機(jī)床關(guān)鍵的結(jié)構(gòu)部件。機(jī)床占地面積小、工作臺(tái)承重大、使用方便、自動(dòng)化程度高等特點(diǎn)。本發(fā)明更具體地針對(duì)此類機(jī)床橫梁筋板結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，提出一種焊接型橫梁的十字交叉形筋板結(jié)構(gòu)。該發(fā)明的提出可降低此類機(jī)床的整機(jī)重量，提高機(jī)床的整體剛度，進(jìn)而提高機(jī)床切削速度和綜合性能。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本方法采用的具體步驟如下：

步驟一：十字交叉形筋板結(jié)構(gòu)的移動(dòng)式定梁龍門框靜力分析

首先對(duì)移動(dòng)式定梁龍門框進(jìn)行三維建模，因?yàn)闄M梁整體采用焊接結(jié)構(gòu)，而斜向隔板能提高抗彎剛度，又能提高抗扭剛度，為了滿足焊接結(jié)構(gòu)剛度不足的問題，除設(shè)計(jì)與橫梁截面平行的筋板外，十字交叉的筋板為厚度10mm的鋼板由橫梁截面對(duì)角交叉形成，筋板長度與橫梁長度一致。將建立好的三維模型導(dǎo)入到有限元分析軟件ANSYS Workbench中。橫梁材質(zhì)為鋼材Q235，溜板及滑枕材質(zhì)為灰鑄鐵HT300，使用Solid186單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，單元尺寸設(shè)置為40mm。

模擬橫梁真實(shí)工況設(shè)置約束條件為：橫梁兩端與滑座接觸面處豎直方向Z向進(jìn)行約束。在橫梁一端安裝電機(jī)的位置處添加柱坐標(biāo)系，將水平Y(jié)向即柱坐標(biāo)X向進(jìn)行約束。橫梁另一端對(duì)稱位置只約束水平Y(jié)方向。這三個(gè)約束形式，能夠保證橫梁靜力分析精確求解。

當(dāng)滑枕和溜板裝配在移動(dòng)式定梁龍門框中部位置時(shí)，模擬橫梁所受垂向力極限情況下的靜力變形，分析其垂直Z向的最大變形量。

步驟二：十字交叉形筋板結(jié)構(gòu)的移動(dòng)式定梁龍門框的動(dòng)力學(xué)分析

步驟2.1：定梁龍門框的模態(tài)分析

只從靜力方面分析定梁龍門框的特性是不夠的，需要進(jìn)一步分析其動(dòng)態(tài)特性。對(duì)橫梁自由模態(tài)進(jìn)行分析，由于橫梁的前幾階固有頻率對(duì)定梁龍門框性能影響最大，本方法選擇十字交叉形筋板結(jié)構(gòu)的橫梁的前三階模態(tài)，進(jìn)而得到其固有頻率。

步驟2.1：定梁龍門框水平0.5g加速度的變形分析

根據(jù)機(jī)床性能要求定梁龍門框需要在接近0.5g加速度下運(yùn)行，在不考慮橫梁自重的情況下分析0.5g恒加速度極限情況下的定梁結(jié)構(gòu)的穩(wěn)態(tài)變形。在定梁水平方向直接作用一個(gè)0.5g恒加速度力場，模擬橫梁在0.5g加速度啟動(dòng)過程，加速度突然從零變到0.5g，在水平方向的變形情況。分析橫梁在極限情況下變形量是否滿足性能要求。

步驟三：十字交叉形筋板結(jié)構(gòu)的移動(dòng)式定梁龍門框的振動(dòng)測試實(shí)驗(yàn)

步驟3.1：對(duì)定梁龍門框采用錘擊法進(jìn)行水平激勵(lì)

將定梁龍門框用吊車吊起，定梁龍門框的下端與地面之間懸空，此時(shí)，定梁龍門框處于自由模態(tài)。首先測定梁龍門框的水平方向模態(tài)，將加速度傳感器安裝在橫梁前導(dǎo)軌和下導(dǎo)軌面的X方向上，每個(gè)導(dǎo)軌面上均勻分布6個(gè)傳感器。測試時(shí)，采用信號(hào)采集分析儀器進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集與處理分析，用錘擊法測試橫梁X向的模態(tài)。每次試驗(yàn)力錘錘擊次數(shù)為50次，設(shè)置采樣頻率為1024Hz，分辨率為0.5。

最后，將得到的所有測點(diǎn)的數(shù)據(jù)用matlab軟件編程處理，得到各測點(diǎn)X方向的頻響函數(shù)并由LMS系統(tǒng)軟件得到測點(diǎn)X方向的振型圖。

步驟3.2：對(duì)定梁龍門框采用錘擊法進(jìn)行豎直激勵(lì)

在自由模態(tài)下，測試豎直方向的模態(tài)，將加速度傳感器安裝在橫梁前導(dǎo)軌和下導(dǎo)軌面的Z方向上，每個(gè)導(dǎo)軌面上均勻分布6個(gè)傳感器。測試時(shí)，采用信號(hào)采集分析儀器進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集與處理分析，用錘擊法測試橫梁Z向的模態(tài)。每次試驗(yàn)力錘錘擊次數(shù)為50次，設(shè)置采樣頻率為1024Hz，分辨率為0.5。

同樣，將得到的所有測點(diǎn)的數(shù)據(jù)用matlab軟件編程處理，得到各測點(diǎn)Z方向的頻響函數(shù)并由LMS系統(tǒng)軟件得到測點(diǎn)Z方向的振型圖。

附圖說明

圖1移動(dòng)式定梁龍門機(jī)床整機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

圖2定梁十字交叉式筋板的結(jié)構(gòu)示意圖等軸測圖。

圖3定梁十字交叉式筋板的結(jié)構(gòu)示意圖左視圖。

具體實(shí)施方式

步驟一：十字交叉形筋板結(jié)構(gòu)的移動(dòng)式定梁龍門框靜力分析

將建立移動(dòng)式定梁龍門框的三維模型，如圖2所示，有關(guān)橫梁剛度公式如下所示：扭轉(zhuǎn)角度；

GI＝Gβhb³稱為抗扭剛度；

β也是與比值h/b有關(guān)的系數(shù)；

(梁軸線變形后的曲率)EI為梁的抗彎剛度。

定梁龍門框的變形，主要是彎扭變形。而抗彎剛度、抗扭剛度都是截面慣性矩的函數(shù)，隨定梁龍門框截面慣性矩的增大而增加?？v向隔板能提高抗彎剛度，橫向隔板能提高抗扭剛度，而斜向隔板能提高抗彎剛度，又能提高抗扭剛度。因?yàn)闄M梁整體采用焊接結(jié)構(gòu)，為了滿足焊接結(jié)構(gòu)剛度不足的問題，除設(shè)計(jì)與橫梁截面平行的筋板外，十字交叉的筋板為厚度10mm的鋼板由橫梁截面對(duì)角交叉形成(圖3)，筋板長度與橫梁長度一致。導(dǎo)入到有限元分析軟件ANSYS Workbench中。橫梁材質(zhì)為鋼材Q235，溜板及滑枕材質(zhì)為灰鑄鐵HT300，材料參數(shù)為：彈性模量：126GPa，泊松比：0.27，密度：7200。采用自由網(wǎng)格劃分的方式，使用Solid186單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，單元尺寸設(shè)置為40mm。模擬橫梁真實(shí)工況設(shè)置約束條件為：橫梁兩端與滑座接觸面處豎直方向Z向進(jìn)行約束。在橫梁一端安裝電機(jī)的位置處添加柱坐標(biāo)系，將水平Y(jié)向即柱坐標(biāo)X向進(jìn)行約束。橫梁另一端對(duì)稱位置只約束水平Y(jié)方向。這三個(gè)約束形式，能夠保證橫梁靜力分析精確求解。

當(dāng)滑枕和溜板裝配在移動(dòng)式定梁龍門框中部位置時(shí)，模擬橫梁所受垂向力極限情況下的靜力變形，分析其垂直Z向的最大變形量。

步驟二：定梁龍門框的動(dòng)力學(xué)分析

步驟2.1：定梁龍門框的模態(tài)分析

只從靜力方面分析定梁龍門框的特性是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，需要進(jìn)一步分析其動(dòng)態(tài)特性。對(duì)橫梁自由模態(tài)進(jìn)行分析，由于橫梁的前幾階固有頻率對(duì)其性能影響最大，所以只對(duì)這種十字交叉形筋板結(jié)構(gòu)的橫梁的前三階模態(tài)進(jìn)行研究。定梁第一到第三階固有頻率列表如表1所示，并可進(jìn)一步得到該橫梁的振型圖。由此可知，十字交叉形式筋板結(jié)構(gòu)的定梁抗振性良好。

步驟2.1：定梁龍門框水平0.5g加速度的變形分析

根據(jù)機(jī)床性能要求定梁龍門框需要在接近0.5g加速度下運(yùn)行，在不考慮橫梁自重的情況下分析0.5g恒加速度極限情況下的定梁結(jié)構(gòu)的穩(wěn)態(tài)變形。在定梁水平方向直接作用一個(gè)0.5g恒加速度力場，模擬橫梁在0.5g加速度啟動(dòng)過程中(加速度突然從零變到0.5g)，在水平方向的變形情況。

通過計(jì)算分析可知十字交叉形筋板結(jié)構(gòu)的焊接型移動(dòng)式定梁龍門框的動(dòng)態(tài)特性較高，極限加速度情況下完全可以滿足機(jī)床性能要求，而且其工藝要求不高，便于制造加工。

步驟三：十字交叉形筋板結(jié)構(gòu)的移動(dòng)式定梁龍門框的振動(dòng)測試實(shí)驗(yàn)

步驟3.1：對(duì)定梁龍門框采用錘擊法進(jìn)行水平激勵(lì)

移動(dòng)式定梁龍門框的安放用吊車吊起，其下端與地面之間懸空。橫梁處于自由模態(tài)，首先測其水平方向的模態(tài)，將加速度傳感器安裝在橫梁前導(dǎo)軌和下導(dǎo)軌面的X方向上，每個(gè)導(dǎo)軌面上均勻分布6個(gè)傳感器。能夠滿足測得橫梁在X方向的所有振型，移動(dòng)式定梁龍門框錘擊點(diǎn)位于橫梁一端下導(dǎo)軌面一側(cè)位置。

測試時(shí)，采用比利時(shí)LMS公司的信號(hào)采集分析儀器進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集與處理分析，用錘擊法測試橫梁X向的模態(tài)。每次試驗(yàn)力錘錘擊次數(shù)為50次，設(shè)置采樣頻率為1024Hz，分辨率為0.5。

將得到的所有測點(diǎn)的數(shù)據(jù)通過matlab軟件編程處理做出頻響函數(shù)曲線，顯然，所有測點(diǎn)的頻響函數(shù)均在三個(gè)頻率處出現(xiàn)了峰值。任取一個(gè)測點(diǎn)的頻響函數(shù)在LMS軟件中進(jìn)行LSCE運(yùn)算并觀察陣型，最終得到移動(dòng)式定梁龍門框在豎直方向的兩個(gè)共振頻率大約為96.003Hz，237.75Hz。通過LMS系統(tǒng)軟件做出移動(dòng)式定梁龍門框在這兩個(gè)頻率處的振型。

步驟3.2：對(duì)定梁龍門框采用錘擊法進(jìn)行豎直激勵(lì)

繼續(xù)測試移動(dòng)式定梁龍門框在豎直方向上的模態(tài)。移動(dòng)式定梁龍門框用吊車吊起，其下端與地面之間懸空，處于自由模態(tài)，測試其豎直方向的模態(tài)。將加速度傳感器安裝在橫梁前導(dǎo)軌和下導(dǎo)軌面的Z方向上，每個(gè)導(dǎo)軌面上均勻分布6個(gè)傳感器。滿足能夠測得橫梁在Z方向的所有振型，移動(dòng)式定梁龍門框錘擊點(diǎn)位于橫梁一端下導(dǎo)軌面位置。

測試時(shí)，采用比利時(shí)LMS公司的信號(hào)采集分析儀器進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集與處理分析，用錘擊法測試橫梁Z向的模態(tài)。每次試驗(yàn)力錘錘擊次數(shù)為50次，設(shè)置采樣頻率為1024Hz，分辨率為0.5。

最后將得到的所有測點(diǎn)的數(shù)據(jù)由matlab軟件編程處理得到頻響函數(shù)曲線，所有測點(diǎn)的頻響函數(shù)均在五個(gè)頻率處出現(xiàn)了峰值。任取一個(gè)測點(diǎn)的頻響函數(shù)進(jìn)行LSCE運(yùn)算并觀察陣型，最終確定移動(dòng)式定梁龍門框在豎直方向的共振頻率大約為101.854Hz，108.807Hz，211.973Hz。

通過LMS軟件對(duì)頻響函數(shù)做LSCE運(yùn)算，得到移動(dòng)式定梁龍門框在豎直方向上的固有頻率為：101.85Hz，108.807Hz，211.973Hz，。通過LMS系統(tǒng)軟件做出移動(dòng)式定梁龍門框在這三個(gè)頻率處的振型。移動(dòng)式定梁龍門框在三個(gè)固有頻率處的陣型如表2所示。

表1有限元分析移動(dòng)式定梁龍門框固有頻率

表2移動(dòng)式定梁龍門框固有頻率