总结
本课题运用有限元分析和理论计算方法,针对XH2130龙门加工中心的横梁系 统进行静动热态特性分析,得到横梁系统的静态变形结果、各阶固有频率、动态响 应、导轨和滚珠丝杠的热变形结果,为横梁系统的优化和变形补偿提供设计方法和 理论参考。本文研宄所取得的研宄成果和结论如下:
(1) 对横梁系统的静态特性研宄。建立机床的整机模型和横梁系统模型,详细 的分析了约束和边界条件,以及在受力分析时充分的考虑到平衡油缸对其关键部件 的影响,并与没有考虑平衡油缸的静态分析结果对比发现,添加平衡油缸能够很好 减少横梁系统的变形。最后,在多种工况下,进行多模型计算,得到横梁的静态特 性分析结果发现:横梁的X方向和Z方向的变形量基本保持恒定,并且随着滑座、 横梁和滑枕位置的变化而产生的变化很小,横梁Y方向的变形量与滑座的行程有较 大的关系,而与横梁和滑枕位置的变化关系较小。当滑座位置在横梁中间位置时, 横梁变形量和Y方向变形量最大,向两端逐渐减小,其最大位移可达到 0.08092539mm。
(2) 对横梁进行动态特性分析。通过模态分析得到六阶振型和固有频率;通过 对比发现横梁一阶固有频率理论计算值(61.926Hz)和有限元分析值(63.005Hz) 非常接近,验证有限元模型建立和模态分析的正确性。在模态分析基础上,对横梁 进行谐响应分析发现,横梁在频率55Hz、80Hz和115Hz时的振幅最大,对应横梁 的第二、四阶模态,并提出谐响应改进的方法。最后,对横梁系统中的滚珠丝杠进 行模态分析,得到六阶振型和各阶临界转速,可知在有效范围内滚珠丝杠不会发生 共振。
(3) 对横梁系统的滚珠丝杠进行热分析。通过有限元建模分析得到滚珠丝杠系 统的稳态温度场分布云图。然后,对滚珠丝杠系统进行热一结构耦合分析,得到滚 珠丝杠系统在热载荷的影响下滚珠丝杠系统的总热变形和X、Y、Z三个方向上的热 变形分布情况可知系统最高温度为35.871 °C,发生在滚珠丝杠两端的深沟球轴承内圈与滚珠丝杠配合处。滚珠丝杠热变形最大热位移量为15.593|im,滚珠丝杠两端变 形较大,说明两端轴承的发热对滚珠丝杠的热变形有很大影响。最后,分析影响滚 珠丝杠系统热变形的主要因素,并提出改善滚珠丝杠系统热态特性的主要措施。
(4) 横梁系统中导轨变形特性研宄。建立横梁导轨的有限元模型,得到导轨的 静态分析结果:该横梁的上下导轨在受力情况下,变形趋势是向上凸。根据补偿原 理,描绘出导轨面的补偿曲线;建立热力学模型,得到导轨的稳态和瞬态温度场分 布和热变形结果。导轨与滑块相接触的四个位置区域温度最高,值为29.204°C,并 且成对称分布,在4018s左右温升趋于稳定,之后达到热平衡状态;对比发现瞬态 热结构耦合总变形量比稳态热结构耦合总变形量大6.542|im,说明热源移动对导轨 的变形有较大影响。
6.2展望
本文对横梁系统的静、动、热特特性进行了分析,取得了一定的研宄成果,但 由于时间的限制,课题的研宄仍存在一些不足之处,须进一步进行研宄和探讨,主 要体现在以下几个方面:
(1) XH2130龙门加工中心结构十分复杂,若完全根据实际情况建立模型,则 网格划分的难度会增强许多,在静态分析时候故对整机进行结构简化处理,分析结 果与实际结构必然存在一定的误差;在动、热态分析时候,难以给出真实的边界条 件,参数的理论计算还不具有普遍性。因此,需要对这些进行完善,使得精确计算 结果成为可能。
(2) 对横梁系统的关键部件导轨和滚珠丝杠子系统进行热态分析时候,热源的 考虑还需进一步完善,充分考虑加工发热、外部环境温度变化,建立热态分析模型 时候综合考虑到对流换热、辐射、热传导,使得模型建立更加合理分析结果更加精确。
(3) 对横梁系统静动热态特性有限元分析得到理论计算的验证,但理论计算的 参数还需要进一步的实验验证,这样才能更好的验证和指导横梁系统的设计和优化。 有限元分析结果、理论计算结果和实验结果三者对比分析需要进一步研宄和探索的 工作。
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