龍門加工中心橫梁系統靜動熱態特性的研究之課題研究方法及目的
課題研究方法及目的1.4.1課題研究的方法本文采用有限元分析與理論計算相結合的方法對橫梁系統進行靜動熱態特性分 析。橫梁系統的技術研宄路線如圖1-1所示：首先簡單的介紹了 XH2130加工中心的特點，并建立了有限元模型，充分考慮 到平衡油缸對橫梁變形的影響，然后利用ANSYS Workbench對橫梁的靜動態特性 分析，得到橫梁多模型計算結果和各階振型。然后通過理論計算得到橫梁系統在運 行過程中導軌和滾珠絲杠系統的發熱量和對流換熱系數，并把計算結果作為邊界條 件和載荷，加載到熱力學模型中，得到橫梁系統的溫度場分布和熱變形情況。最后 考慮橫梁系統的熱變形對其靜動態熱性的影響，并與之前的靜動態特性作比較，分 析其靜動態性能的變化。1.4.2課題研究的目的由于龍門加工中心橫梁系統作為承載部件，其靜動熱態性能對機床的加工性能 和切削性能有很大影響，本文以XH2130龍門加工中心的橫梁系統作為研宄對象， 研宄其靜動熱態特性，得到橫梁系統多模型計算結果，各階固有頻率和動態響應曲 線以及導軌和滾珠絲杠系統溫度場和熱變形分析。這為機床橫梁系統的優化提供了 研宄方法和理論依據，具有較高的參考價值。1.5課題研究的主要內容本文針對XH2130龍門加工中心的橫梁系統靜動熱態特性進行研宄，采用有限 元分析方法，通過PRO/E建立機床的三維模型，包括立柱、橫梁、滑座、滑枕、導 軌、滾珠絲杠系統等，裝配好之后導入到ANSYS Workbench中，確定合理的邊界 條件，對模型進行靜動熱態特性分析，分別得到機床的應力、應變結果和橫梁的前 六階模態以及諧響應曲線，導軌和滾珠絲杠系統的熱變形結果，對設計出具有良好 的靜動熱態的整機結構有著非常重要的意義。本課題的主要研宄內容如下：首先，介紹了 XH2130龍門加工中心的主要結構，并建立了龍門加工中心整機 和橫梁的有限元模型，定義了機床的坐標，詳細的介紹了有限元分析時的約束和邊 界條件。然后在受力分析時充分的考慮到平衡油缸對其關鍵部件的影響。在多種工 況下，進行多模型計算，得到的靜態特性分析結果及橫梁變形量曲線。(2)橫梁系統模態分析和諧響應分析基于模態分析理論進行概述，得到振動分析方程。然后建立橫梁有限元分析模 型，進行模態分析得到六階振型和固有頻率；通過固有頻率理論計算結果和有限元 分析結果對比發現非常接近，驗證有限元模型建立和模態分析的正確性。在模態分 析的基礎上，對橫梁進行諧響應分析，得到橫梁上下導軌處X、Y、Z方向位移對頻 率的響應曲線，并提出諧響應改進的方法。最后對橫梁系統中的滾珠絲杠進行模態 分析，得到六階振型和各階臨界轉速，可知在有限范圍內滾珠絲杠不會發生共振。(3)橫梁系統中滾珠絲杠熱分析對滾珠絲杠系統進行熱態特性分析以及熱變形分析。首先，分析滾珠絲杠的熱 源，通過計算得出各個發熱部件的發熱量，和對流換熱系數。通過有限元建模分析 得到滾珠絲杠系統的穩態溫度場分布云圖。然后，對滾珠絲杠系統進行熱-結構耦合 分析，得到滾珠絲杠系統在熱載荷的影響下滾珠絲杠系統的總熱變形和X、Y、Z三 個方向上的熱變形分布情況。最后，分析影響滾珠絲杠系統熱變形的主要因素，并 提出改善滾珠絲杠系統熱態特性的主要措施。(4)橫梁系統中導軌變形研宄對橫梁上下導軌的變形情況進行分析，繪制出導軌變形曲線和補償曲線，并通 過數值分析得到擬合補償曲線方程；最后，通過對橫梁系統中的導軌熱源分析和傳 熱分析，計算出導軌的發熱量和對流換熱系數，并以此為邊界條件和載荷對導軌進 行熱態特性分析，與靜態載荷作用下變形對比，分析導軌熱態特性對靜態特性的影 響，并提出減少導軌變形的有效措施。