龍門加工中心橫梁系統靜動熱態特性的國內、外研究現狀
橫梁系統靜動熱態特性的國內、外研究現狀龍門加工中心的橫梁系統作為機床的主要承載部件系統。它的靜動熱態性能會 對機床的加工精度和機床的切削性能影響非常大。因此，對龍門加工中心的橫梁系 統的靜動熱態性能的研宄一直被研宄機構和高校所關注。又由于近年來我國對于大 型龍門加工中心機床的研宄正朝著高速化、高精度化方向發展，因而對于橫梁系統 的設計與性能研宄更加重要，也成為企業和眾多學者研宄的重點。1.3.1國內研究現狀近年來，國內的許多研宄機構和大學都對龍門加工中心橫梁系統的靜動熱態特 性進行了深入的研宄。李伯基等人運用有限元軟件從結構設計上分析橫梁的變形情 況，并闡述了制造工藝對橫梁導軌變形產生的影響[7];關英俊等人建立移動龍門加 工中心橫梁有限元模型，對橫梁進行靜動態剛度分析，提出了改進優化方案[8];李 焱等人基于有限元分析軟件建立機床整機以及主要部件的有限元模型，并進行簡化 處理，分析邊界條件和約束得到靜力學分析結果，通過結構優化處理可知提高橫梁 與滑枕處的靜剛度，可以改善整機靜剛度[9];侯紅玲等人基于有限元分析軟件，對截面形狀不同的幾種結構的梁進行靜力和模態分析，并從強度較好的梁中選取出剛 度好的梁。通過模態分析得到一階頻率的振型和結構的變形云圖，并初步得到較為 合理的橫梁結構[1°]。霍軍周等人運用UG平臺建立雙擺銑頭的力學模型，討論兩種極限工況下動態 性能，基于模態分析結果得到其固有動態屬性；借助諧響應模塊分析出雙擺銑頭在 不同頻率下的響應曲線和對應的應力與變形值，最后確定雙擺銑頭發生共振的頻率 范圍，從而以實現高精度的銑削和延長刀具的壽命[11]。陳水勝等人對XK2535鏜銑床的橫梁進行了熱特性分析，充分分析橫梁熱源和 計算對流換熱系數，并對其進行熱穩態特性分析[12]。蘇宇峰等人利用有限元分析軟 件ANSYS對CX8075型車銑復合加工中心的橫梁進行熱穩態特性進行分析[13]。尹紅 基于有限元分析方法，通過計算得到主要部件的發熱量和對流換熱系數。針對高速 龍門五軸加工中心橫梁部件建立了熱力學耦合模型，并進行熱力學性能分析，獲得 影響橫梁部件熱變形的主要構件，并進行了結構優化。最后，通過分析對比測試數 據，驗證了模型建立的正確性[14]。劉寶俊建立滾珠絲杠傳動系統和導軌的熱力學模 型，通過理論計算得到其發熱量與對流換熱系數，并將計算結果施加到模型中，得 到其穩態溫度場和瞬態溫度場分布，在此基礎上進行熱-結構耦合分析，得到機床進 給系統熱變形；并充分考慮多因素對滾珠絲杠傳動系統熱變形的影響。最后，開發 了集成溫度和位移采集的多通道數據采集器，對其進行測量試驗，將熱誤差模擬分 析的結果與試驗結果進行對比，驗證方法的正確性[15]。1.3.2國外研究現狀國外的學者對機床的橫梁系統靜動熱態特性也進行了大量的研宄。Sim-Min Kim[16]等研宄了螺栓預緊力對磨床砂輪的振動特性影響。運用有限元方 法建模分析得到砂輪的模態分析結果，并通過試驗方法得到砂輪的動態振動特性結 果，將兩者對比得到誤差在5%之內。M.Zatarain[17]基于有限元方法建立立柱移動式 銑床、橫梁、立柱等部件在內的整機模型，并進行了模態分析得到固有頻率，在此 基礎上對模型的幾種優化方案比較，最后選擇其中較合理的結構。£五叮狀扮[18]等人 將滾珠導軌結合部模型等價為滾動溝槽間的點接觸方式的質量彈簧有限元模型，并 通過理論計算得出彈簧剛度值。Zaeh，厘王[19]等人對絲杠用梁單元進行動態建模，將螺母等效為質量節點，運用彈簧剛度矩陣對螺母與絲杠節點之間的接觸進行等效 模擬，并將理論計算結果和模擬結果對比驗證。Yun Won Soo[2°]等建立機床進給驅動系統的有限元熱態分析模型，得到進給系 統的溫度場分布，通過設計MLCM和GEA算法，用其分析進給系統子部件滾珠絲 杠的線性定位誤差，并且通過激光干涉儀進行實驗測量驗證了該模型的有效性和可 靠性。Huang SC[21]建立絲杠螺母、滾珠絲杠前后軸承等熱力學模型，得到其熱源的 溫度場分布，并把溫度作為預測模型的變量，運用多元線性回歸的方法，預測滾珠 絲杠在不同轉速下的熱變形情況。\\^等[22]與幻111等[23]對施加軸向負載的滾珠絲杠 進行有限元研宄，并分析了在不同轉速下和運行時間下的溫度場分布，通過實驗驗 證有限元分析結果。雖然國內外學者對橫梁系統的靜動態特性進行了一系列的研宄，但大多數都是 把橫梁系統的靜動熱態特性分開進行研宄的，很少有對橫梁系統進行靜動熱態綜合 性研宄的；且多數的靜態特性分析從橫梁結構對其變形的影響來分析的。由于重型 機床的結構件自身的重量增加了驅動電機的功率，增加絲杠的負擔，因此在垂直移 動部件上采用平衡油缸來平衡結構自身的重力，并充分考慮到平衡油缸對橫梁變形 的影響，這對加工過程的可靠性、有效性及部件壽命的提高都具有十分重要的意義。