一种提高高架桥式龙门机床横梁横向刚度的设计方法技术

本发明专利技术公开了一种提高高架桥式龙门机床横梁横向刚度的设计方法，属于高架桥式龙门机床制造领域。对高架桥式龙门机床横梁进行了的静力分析，高架桥式龙门机床的动力学分析，横梁的模态分析；横梁水平0.5g加速度的变形分析；本发明专利技术更具体地针对此类机床横梁的结构和筋板结构的优化设计，提出一种提高高架桥式龙门机床横梁横向刚度的设计方法。该发明专利技术的提出可降低此类机床的整机重量，提高横梁的横向刚度，进而提高机床的整体刚度，最终提高机床切削速度和综合性能。

A design method for improving transverse rigidity of viaduct type Longmen machine tool cross beam

The invention discloses a design method for improving the transverse rigidity of the cross beam of an elevated bridge gantry machine tool, which belongs to the manufacturing field of an elevated bridge gantry machine tool. The static analysis, dynamic analysis and modal analysis of the elevated bridge gantry machine tool cross beam are carried out; the deformation analysis of the horizontal acceleration of 0.5g of the cross beam is carried out; the present invention more specifically aims at the optimization design of the structure of the machine tool cross beam and the rib structure, and puts forward a kind of elevated bridge gantry machine tool to improve the structure of the elevated bridge gantry machine tool cross beam. The design method of transverse stiffness of bed beams. The invention can reduce the weight of the machine tool, improve the transverse stiffness of the beam, and then improve the overall stiffness of the machine tool, and ultimately improve the cutting speed and comprehensive performance of the machine tool.

【技术实现步骤摘要】
一种提高高架桥式龙门机床横梁横向刚度的设计方法
本专利技术涉及到高架桥式龙门机床制造领域，也涉及到此类龙门机床横梁的优化设计领域，更具体地涉及到对此类机床焊接型横梁结构及横梁筋板结构的设计。
技术介绍
龙门式机床是加工装备中必不可少的一种机床。主要应用于大型零件的加工。龙门式机床主要有加工跨距大、加工效率高、刚度高的特点，适应于批量或高精度加工。在航空、航天、汽车、模具等制造行业中得到广泛的应用。横梁是龙门式机床重要组成部分之一，起着连接滑座、滑鞍等关键部件的作用，横梁自身的结构与横梁筋板结构决定了其本身的动、静态特性，所以横梁筋板的动、静态特性又直接关系到龙门式机床的整机性能。要提高此类机床的加工效率、精度，必须考虑机床横梁与横梁筋板结构的动、静态特性，由于机床在工作过程中横梁的启停、加速会在横梁的横向上产生很大的作用力，为了提高机床的精度，因此需要提高横梁的横向刚度。龙门式加工中心横梁受力为两端简支梁支承形式，横梁所承受的力有横梁本身、滑枕、溜板、主轴等的自重，此外，还要承受由于主轴箱等的悬挂而产生的倾覆和扭转力矩。不同筋板结构的横梁抗弯、抗扭能力不同。筋板的作用是将局部载荷传递给其他壁板，从而使整个支承件能比较均匀地承受载荷，纵向隔板能提高抗弯刚度，横向隔板能提高抗扭刚度。因此必须选择合理的横梁结构和横梁筋板结构，以提高横梁的抗弯、抗扭能力。如今，许多研究工作已经进行了有关的机床或横梁刚度的分析问题。国内外在机床研究方面主要采用有限元分析方法，对结构静、动刚度和动态稳定性进行评估，对比分析不同截面的横梁结构，得出刚度更优的横梁结构。本专利技术是根据筋板的作用，在某高架桥式龙门机床的横梁内部布置筋板，用有限元法对横梁进行了静、动态特性分析。最终确定本专利技术的高架桥式龙门机床的焊接型横梁结构和横梁筋板结构设计更加合理，刚性、动态特性等综合性能更好，对此类机床的制造更有意义。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对高架桥式龙门机床(图1)，该机床为横梁移动，工作台固定式结构，该结构包括工作台、床身、横梁、滑鞍、滑枕、液压系统、润滑系统、冷却过滤系统、排屑装置、旋转式操作面板以及电控系统等部件，其中横梁是机床关键的结构部件。机床占地面积小、工作台承重大、使用方便、自动化程度高等特点。为实现上述目的，本方法采用的具体步骤如下：一种提高高架桥式龙门机床横梁横向刚度的设计方法，步骤一：高架桥式龙门机床横梁静力分析；首先对高架桥式龙门机床横梁进行三维建模，因为横梁整体采用焊接结构，为了满足焊接结构刚度不足的问题，首先加厚了横梁结构前后两侧的壁厚，其次，设计与横梁截面平行和垂直的筋板(图2)。将建立好的三维模型导入到有限元分析软件ANSYSWorkbench中。对其进行静力学分析。横梁材质为钢材Q235，溜板及滑枕材质为灰铸铁HT300，使用Solid186单元进行网格划分，单元尺寸设置为50mm。模拟横梁真实工况设置约束条件为：横梁两端与滑座接触面处竖直方向Z向进行约束。在横梁一端安装电机的位置处添加柱坐标系，将水平Y向即柱坐标X向进行约束。横梁另一端对称位置只约束水平Y方向。这三个约束形式，能够保证横梁静力分析精确求解。当滑枕和溜板装配在移动式定梁龙门框中部位置时，模拟横梁所受垂向力极限情况下的静力变形，分析其垂直Z向的最大变形量。步骤二：高架桥式龙门机床横梁的动力学分析；步骤2.1：高架桥式龙门机床横梁的模态分析；只从静力方面分析横梁的特性是不够的，需要进一步分析其动态特性。对横梁自由模态进行分析，由于横梁的前几阶固有频率对横梁性能影响最大，本方法选择所设计横梁的前三阶模态，进而得到其固有频率。步骤2.1：高架桥式龙门机床横梁横向0.5g加速度的变形分析；根据机床性能要求横梁需要在接近0.5g加速度下运行，在不考虑横梁自重的情况下分析0.5g恒加速度极限情况下的横梁结构的稳态变形。在横梁水平方向直接作用一个0.5g恒加速度力场，模拟横梁在0.5g加速度启动过程，加速度突然从零变到0.5g，在水平方向的变形情况。分析横梁在极限情况下变形量是否满足性能要求。与现有技术相比较，本专利技术更具体地针对此类机床横梁结构与横梁筋板结构的优化设计，提出一种提高高架桥式龙门机床横梁横向刚度的设计方法。该专利技术的提出可降低此类机床的整机重量，提高横梁的横向刚度，进而提高机床的整体刚度，最终提高机床切削速度和综合性能。附图说明图1高架桥式龙门机床整机结构示意图。图2横梁横截面结构示意图。图3横梁筋板的结构示意图等轴测图。图4横梁外观示意图。具体实施方式以下结合附图和实施例对本专利技术进行进一步详细说明。步骤一：高架桥式龙门机床横梁的静力分析；将建立的高架桥式龙门机床横梁的三维模型，如图4所示，有关横梁刚度公式如下所示：表示扭转角度；T表示转矩，l表示机床横梁的长度；GI＝Gβhb3称为抗扭刚度；β也是与比值h/b有关的系数；EI为梁的抗弯刚度，为梁轴线变形后的曲率；横梁的变形，主要是弯扭变形。而抗弯刚度、抗扭刚度都是截面惯性矩的函数，随横梁截面惯性矩的增大而增加。纵向隔板能提高抗弯刚度，横向隔板能提高抗扭刚度。因为横梁整体采用焊接结构，为了满足焊接结构刚度不足的问题，设计了与横梁截面平行的筋板外(图3)，横向筋板的厚度为60mm，纵向筋板的厚度为10mm。横向筋板的形状如图2所示，纵向筋板的形状与位置如图2所示。导入到有限元分析软件ANSYSWorkbench中。横梁材质为钢材Q235，溜板及滑枕材质为灰铸铁HT300，材料参数为：弹性模量：130GPa，泊松比：0.25，密度：7300kg/m3。采用自由网格划分的方式，使用Solid186单元进行网格划分，单元尺寸设置为50mm。模拟横梁真实工况设置约束条件为：横梁两端与滑座接触面处竖直方向Z向进行约束。在横梁一端安装电机的位置处添加柱坐标系，将水平Y向即柱坐标X向进行约束。横梁另一端对称位置只约束水平Y方向。这三个约束形式，能够保证横梁静力分析精确求解。当滑枕和溜板装配在移动式定梁龙门框中部位置时，模拟横梁所受垂向力极限情况下的静力变形，分析其垂直Z向的最大变形量。步骤二：高架桥式龙门机床横梁的动力学分析；步骤2.1：横梁的模态分析；只从静力方面分析横梁的特性是远远不够的，需要进一步分析其动态特性。对横梁自由模态进行分析，由于横梁的前几阶固有频率对其性能影响最大，所以只对这种横梁的前三阶模态进行研究。横梁第一到第三阶固有频率，并可进一步得到该横梁的振型图。由此可知，这种设计方法设计出的横梁抗振性良好。步骤2.1：横梁水平0.5g加速度的变形分析；根据机床性能要求横梁需要在接近0.5g加速度下运行，在不考虑横梁自重的情况下分析0.5g恒加速度极限情况下的横梁结构的稳态变形。在横梁水平方向直接作用一个0.5g恒加速度力场，模拟横梁在0.5g加速度启动过程中(加速度突然从零变到0.5g)，在水平方向的变形情况。通过计算分析可知焊接型高架桥式龙门机床横梁的动态特性较高，极限加速度情况下完全可以满足机床性能要求，而且其工艺要求不高，便于制造加工。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种提高高架桥式龙门机床横梁横向刚度的设计方法，步骤一：高架桥式龙门机床横梁静力分析；首先对高架桥式龙门机床横梁进行三维建模，因为横梁整体采用焊接结构，为了满足焊接结构刚度不足的问题，首先加厚了横梁结构前后两侧的壁厚，其次，设计与横梁截面平行和垂直的筋板；将建立好的三维模型导入到有限元分析软件ANSYS Workbench中；对其进行静力学分析；横梁材质为钢材Q235，溜板及滑枕材质为灰铸铁HT300，使用Solid186单元进行网格划分，单元尺寸设置为50mm；模拟横梁真实工况设置约束条件为：横梁两端与滑座接触面处竖直方向Z向进行约束；在横梁一端安装电机的位置处添加柱坐标系，将水平Y向即柱坐标X向进行约束；横梁另一端对称位置只约束水平Y方向；这三个约束形式，能够保证横梁静力分析精确求解；当滑枕和溜板装配在移动式定梁龙门框中部位置时，模拟横梁所受垂向力极限情况下的静力变形，分析其垂直Z向的最大变形量；步骤二：高架桥式龙门机床横梁的动力学分析；步骤2.1：高架桥式龙门机床横梁的模态分析；只从静力方面分析横梁的特性是不够的，需要进一步分析其动态特性；对横梁自由模态进行分析，由于横梁的前几阶固有频率对横梁性能影响最大，本方法选择所设计横梁的前三阶模态，进而得到其固有频率；步骤2.1：高架桥式龙门机床横梁横向0.5g加速度的变形分析；根据机床性能要求横梁需要在接近0.5g加速度下运行，在不考虑横梁自重的情况下分析0.5g恒加速度极限情况下的横梁结构的稳态变形；在横梁水平方向直接作用一个0.5g恒加速度力场，模拟横梁在0.5g加速度启动过程，加速度突然从零变到0.5g，在水平方向的变形情况；分析横梁在极限情况下变形量是否满足性能要求。...

【技术特征摘要】
1.一种提高高架桥式龙门机床横梁横向刚度的设计方法，步骤一：高架桥式龙门机床横梁静力分析；首先对高架桥式龙门机床横梁进行三维建模，因为横梁整体采用焊接结构，为了满足焊接结构刚度不足的问题，首先加厚了横梁结构前后两侧的壁厚，其次，设计与横梁截面平行和垂直的筋板；将建立好的三维模型导入到有限元分析软件ANSYSWorkbench中；对其进行静力学分析；横梁材质为钢材Q235，溜板及滑枕材质为灰铸铁HT300，使用Solid186单元进行网格划分，单元尺寸设置为50mm；模拟横梁真实工况设置约束条件为：横梁两端与滑座接触面处竖直方向Z向进行约束；在横梁一端安装电机的位置处添加柱坐标系，将水平Y向即柱坐标X向进行约束；横梁另一端对称位置只约束水平Y方向；这三个约束形式，能够保证横梁静力分析精确求解；当滑枕和溜板装配在移动式...

【专利技术属性】
技术研发人员：蔡力钢，吴涛，白春生，王一杰，郭铁能，
申请(专利权)人：北京工业大学，
类型：发明
国别省市：北京,11