移动式定梁龙门框十字交叉形筋板的设计方法与流程

本发明涉及到移动式定梁龙门机床制造领域，也涉及到此类龙门机床定梁龙门框筋板的优化设计领域，更具体地涉及到对此类机床焊接型横梁十字交叉形筋板结构的设计。

背景技术：

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，横梁自身的结构及布局决定了其本身的动、静态特性，而横梁筋板的动、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，必须考虑机床横梁筋板结构的静动态特性。

龙门式加工中心横梁受力为两端简支梁支承形式，横梁所承受的力除了横梁本身、滑枕、滑座、主轴等的自重外，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，而斜向隔板能提高抗弯刚度，又能提高抗扭刚度。因此必须选择合理的横梁筋板结构布置，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。另外，本发明的实施例以某龙门式铣挤复合数控机床的横梁为研究对象，用有限元法对横梁进行了静、动态特性分析，并结合振动测试实验验证。最终确定本发明的移动式定梁龙门框机床的焊接型横梁十字交叉形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。

技术实现要素：

本发明的目的是针对移动式定梁龙门机床(图1)，该机床为龙门框架移动，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。本发明更具体地针对此类机床横梁筋板结构的优化设计，提出一种焊接型横梁的十字交叉形筋板结构。该发明的提出可降低此类机床的整机重量，提高机床的整体刚度，进而提高机床切削速度和综合性能。

为实现上述目的，本方法采用的具体步骤如下：

步骤一：十字交叉形筋板结构的移动式定梁龙门框静力分析

首先对移动式定梁龙门框进行三维建模，因为横梁整体采用焊接结构，而斜向隔板能提高抗弯刚度，又能提高抗扭刚度，为了满足焊接结构刚度不足的问题，除设计与横梁截面平行的筋板外，十字交叉的筋板为厚度10mm的钢板由横梁截面对角交叉形成，筋板长度与横梁长度一致。将建立好的三维模型导入到有限元分析软件ANSYS Workbench中。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40mm。

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。

步骤二：十字交叉形筋板结构的移动式定梁龙门框的动力学分析

步骤2.1：定梁龙门框的模态分析

只从静力方面分析定梁龙门框的特性是不够的，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定梁龙门框性能影响最大，本方法选择十字交叉形筋板结构的横梁的前三阶模态，进而得到其固有频率。

步骤2.1：定梁龙门框水平0.5g加速度的变形分析

根据机床性能要求定梁龙门框需要在接近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定梁结构的稳态变形。在定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。

步骤三：十字交叉形筋板结构的移动式定梁龙门框的振动测试实验

步骤3.1：对定梁龙门框采用锤击法进行水平激励

将定梁龙门框用吊车吊起，定梁龙门框的下端与地面之间悬空，此时，定梁龙门框处于自由模态。首先测定梁龙门框的水平方向模态，将加速度传感器安装在横梁前导轨和下导轨面的X方向上，每个导轨面上均匀分布6个传感器。测试时，采用信号采集分析仪器进行数据的采集与处理分析，用锤击法测试横梁X向的模态。每次试验力锤锤击次数为50次，设置采样频率为1024Hz，分辨率为0.5。

最后，将得到的所有测点的数据用matlab软件编程处理，得到各测点X方向的频响函数并由LMS系统软件得到测点X方向的振型图。

步骤3.2：对定梁龙门框采用锤击法进行竖直激励

在自由模态下，测试竖直方向的模态，将加速度传感器安装在横梁前导轨和下导轨面的Z方向上，每个导轨面上均匀分布6个传感器。测试时，采用信号采集分析仪器进行数据的采集与处理分析，用锤击法测试横梁Z向的模态。每次试验力锤锤击次数为50次，设置采样频率为1024Hz，分辨率为0.5。

同样，将得到的所有测点的数据用matlab软件编程处理，得到各测点Z方向的频响函数并由LMS系统软件得到测点Z方向的振型图。

附图说明

图1移动式定梁龙门机床整机结构示意图

图2定梁十字交叉式筋板的结构示意图等轴测图。

图3定梁十字交叉式筋板的结构示意图左视图。

具体实施方式

步骤一：十字交叉形筋板结构的移动式定梁龙门框静力分析

将建立移动式定梁龙门框的三维模型，如图2所示，有关横梁刚度公式如下所示：扭转角度；

GI＝Gβhb³称为抗扭刚度；

β也是与比值h/b有关的系数；

(梁轴线变形后的曲率)EI为梁的抗弯刚度。

定梁龙门框的变形，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，随定梁龙门框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，而斜向隔板能提高抗弯刚度，又能提高抗扭刚度。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，除设计与横梁截面平行的筋板外，十字交叉的筋板为厚度10mm的钢板由横梁截面对角交叉形成(图3)，筋板长度与横梁长度一致。导入到有限元分析软件ANSYS Workbench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：126GPa，泊松比：0.27，密度：7200。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40mm。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：定梁龙门框的动力学分析

步骤2.1：定梁龙门框的模态分析

只从静力方面分析定梁龙门框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，所以只对这种十字交叉形筋板结构的横梁的前三阶模态进行研究。定梁第一到第三阶固有频率列表如表1所示，并可进一步得到该横梁的振型图。由此可知，十字交叉形式筋板结构的定梁抗振性良好。

步骤2.1：定梁龙门框水平0.5g加速度的变形分析

根据机床性能要求定梁龙门框需要在接近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定梁结构的稳态变形。在定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。

通过计算分析可知十字交叉形筋板结构的焊接型移动式定梁龙门框的动态特性较高，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。

步骤三：十字交叉形筋板结构的移动式定梁龙门框的振动测试实验

步骤3.1：对定梁龙门框采用锤击法进行水平激励

移动式定梁龙门框的安放用吊车吊起，其下端与地面之间悬空。横梁处于自由模态，首先测其水平方向的模态，将加速度传感器安装在横梁前导轨和下导轨面的X方向上，每个导轨面上均匀分布6个传感器。能够满足测得横梁在X方向的所有振型，移动式定梁龙门框锤击点位于横梁一端下导轨面一侧位置。

测试时，采用比利时LMS公司的信号采集分析仪器进行数据的采集与处理分析，用锤击法测试横梁X向的模态。每次试验力锤锤击次数为50次，设置采样频率为1024Hz，分辨率为0.5。

将得到的所有测点的数据通过matlab软件编程处理做出频响函数曲线，显然，所有测点的频响函数均在三个频率处出现了峰值。任取一个测点的频响函数在LMS软件中进行LSCE运算并观察阵型，最终得到移动式定梁龙门框在竖直方向的两个共振频率大约为96.003Hz，237.75Hz。通过LMS系统软件做出移动式定梁龙门框在这两个频率处的振型。

步骤3.2：对定梁龙门框采用锤击法进行竖直激励

继续测试移动式定梁龙门框在竖直方向上的模态。移动式定梁龙门框用吊车吊起，其下端与地面之间悬空，处于自由模态，测试其竖直方向的模态。将加速度传感器安装在横梁前导轨和下导轨面的Z方向上，每个导轨面上均匀分布6个传感器。满足能够测得横梁在Z方向的所有振型，移动式定梁龙门框锤击点位于横梁一端下导轨面位置。

测试时，采用比利时LMS公司的信号采集分析仪器进行数据的采集与处理分析，用锤击法测试横梁Z向的模态。每次试验力锤锤击次数为50次，设置采样频率为1024Hz，分辨率为0.5。

最后将得到的所有测点的数据由matlab软件编程处理得到频响函数曲线，所有测点的频响函数均在五个频率处出现了峰值。任取一个测点的频响函数进行LSCE运算并观察阵型，最终确定移动式定梁龙门框在竖直方向的共振频率大约为101.854Hz，108.807Hz，211.973Hz。

通过LMS软件对频响函数做LSCE运算，得到移动式定梁龙门框在竖直方向上的固有频率为：101.85Hz，108.807Hz，211.973Hz，。通过LMS系统软件做出移动式定梁龙门框在这三个频率处的振型。移动式定梁龙门框在三个固有频率处的阵型如表2所示。

表1有限元分析移动式定梁龙门框固有频率

表2移动式定梁龙门框固有频率