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大型數(shù)控龍門導(dǎo)軌磨床作為機床行業(yè)必不可少的工作母機，其加工精度直接影響到其他機床關(guān)鍵零部件的導(dǎo)軌精度，從而間接影響了各類終端產(chǎn)品的加工精度。與國外相比，我國龍門導(dǎo)軌磨床起步稍晚，目前在磨削精度、機床精度保持性及可靠性、自動化程度等方面還存在一定差距。近幾年來，以上海重型機床廠、華東數(shù)控股份有限公司為代表的一批生產(chǎn)廠家，不斷加大自主研發(fā)力度，大幅度提高了我國龍門導(dǎo)軌磨床的技術(shù)水平［1］。

活動橫梁作為龍門導(dǎo)軌磨床的重要承載件之一，是加工過程中最薄弱的一個環(huán)節(jié)，其靜、動態(tài)剛度對安裝在橫梁上面的磨頭部件的運動精度有很大影響，對整機加工精度的穩(wěn)定性也起著至關(guān)重要的作用［2］。隨著計算機技術(shù)和數(shù)值計算方法的迅速發(fā)展，數(shù)字化設(shè)計與結(jié)構(gòu)仿真分析在機械工程中的應(yīng)用越來越廣泛，仿真分析結(jié)果在產(chǎn)品的設(shè)計與制造過程中起著重要的指導(dǎo)作用。目前已有不少學(xué)者通過有限元、邊界元或其它數(shù)值方法，對不同類型機床的整機或零部件做了靜態(tài)、動態(tài)、模態(tài)、熱變形等分析，并以分析結(jié)果為依據(jù)改進(jìn)原有結(jié)構(gòu)，提高機床的靜、動態(tài)性能。例如劉獻(xiàn)軍等［3］曾利用Hyperworks軟件對大型平面磨床的橫梁進(jìn)行了靜力學(xué)分析，根據(jù)結(jié)果設(shè)計了卸荷裝置以減小橫梁的變形;馬海［4］、Peng等［5］曾利用Abaqus等軟件對橫梁和立柱進(jìn)行靜、動態(tài)分析，并基于靈敏度分析的方法對零件進(jìn)行了輕量化設(shè)計;張森等［6］利用有限元軟件對橫梁組件進(jìn)行了靜、動態(tài)分析，并改進(jìn)了橫梁的筋板結(jié)構(gòu);另外還有對整機［7］或床身［8－9］等進(jìn) 行有限元分析的例子，均非常有效地為提高機床性能提供了設(shè)計參考依據(jù)。

設(shè)計橫梁結(jié)構(gòu)時主要考慮以下3個方面:一是加工工藝性要好，易于制造和裝配;二是靜剛度要高，在靜載荷或緩慢勻速運動載荷下的變形量小;三是動剛度要好，在外界激振力作用下的抗振性高［2］。綜合以上3個因素，本文對某大型數(shù)控龍門導(dǎo)軌磨床的活動橫梁進(jìn)行了有限元分析及結(jié)構(gòu)改進(jìn)。首先采用Solid-Works軟件對龍門組件(包括雙立柱、固定連接梁以及活動橫梁)進(jìn)行三維建模，然后利用Abaqus軟件進(jìn)行靜態(tài)和模態(tài)分析，重點研究橫梁的導(dǎo)軌變形量以及結(jié)構(gòu)的固有頻率。根據(jù)有限元分析結(jié)果以及仿生學(xué)原理［10］，改進(jìn)橫梁結(jié)構(gòu)件的斷面形狀以及筋板布置形式，優(yōu)化拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。最后通過比較原有結(jié)構(gòu)與改進(jìn)后結(jié)構(gòu)的橫梁基準(zhǔn)軌變形曲線，驗證設(shè)計的合理性和有效性。

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結(jié) 語

本文針對大型數(shù)控龍門導(dǎo)軌磨床的龍門組件，使用有限元軟件Abaqus進(jìn)行了靜力學(xué)分析和模態(tài)分析，得到了活動橫梁在臥、立磨頭橫向拖板作用下的靜力變形以及前六階固有頻率和振型。從分析結(jié)果可知活動橫梁的最大變形出現(xiàn)在承載立磨頭的懸臂部位，其次是承載臥磨頭的中間部位，主要為彎曲和扭轉(zhuǎn)變形。在不影響外部裝配的情況下，本文對活動橫梁的內(nèi)部筋板結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)，首先根據(jù)王蓮葉脈的分布規(guī)律進(jìn)行了第一次仿生改進(jìn)，為了降低結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，又依據(jù)三角形穩(wěn)固原理進(jìn)行了第二次改進(jìn)。相比于原結(jié)構(gòu)，第二次改進(jìn)后質(zhì)量減輕了6.83%，懸臂部位的最大變形量減小了1.62%，中間部位的最大變形量減小低了5.85%，固有頻率也有所提高。最后考察了改進(jìn)前后橫梁基準(zhǔn)導(dǎo)軌的位移曲線，再次驗證了改進(jìn)結(jié)構(gòu)的靜剛度有了明顯提高，為實際工程中橫梁結(jié)構(gòu)的設(shè)計提供了理論依據(jù)。

龍門導(dǎo)軌磨床橫梁的靜動態(tài)分析及結(jié)構(gòu)改進(jìn)*

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