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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。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。但是无论是哪种镗铣头，其结构是都是有主轴、滑枕部件、进给部件、平衡油缸和主传动箱等部件构成，其中：1、主轴部件，主轴锥孔为气动拉刀，油泵站可以和整机上的油泵站通用。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***。

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。观察这时横梁Z轴方向上的节点位移和变形，如图9所示，横梁受力发生弯曲变形，Z轴方向上大位移为0．250mm，这个位移值偏大，要减少。横梁体有限元划分结构如图 4 所示。

文献［4］中数控机床尤其是铣床，横梁是很关键的结构，其设计水平的好坏直接影响整个机床性能。对于横梁的优化主要从两方面考虑: ①在不增加质量的前提下，使横梁上的大变形化，提高横梁的静刚度; ②优化中初阶固有频率不小于设定值，提高横梁的动刚度。例如根据横梁、溜板、滑枕式镗铣头等横梁部件三维模型的装配位置，在质心上的0D集中质量单元上添加横梁、溜板、滑枕式镗铣头等横梁部件的集中质量30t的重量，并对横梁体模型空间施加重力加速度:9．81m/s2。优化的具体实施步骤如下: 首先，通过形状及拓扑优化确定横梁佳的截面轮廓和肋板布置方案，得到概念模型; 其次，通过尺寸优化确定合理的外形尺寸和肋板厚度。CAE 软件优化模块可以定义多个设计变量和状态变量，设计变量为自变量，状态变量和目标函数都是设计变量的函数。如横梁结构的长、宽、高尺寸以及筋板厚度等定义为设计变量，横梁结构变形和应力随设计变量的变化而变化，是设计变量的函数，可以定义为状态变量，使结构重量化定义为目标函数。