龍門加工中心橫梁系統靜動熱態特性的研究之總結與展望
總結本課題運用有限元分析和理論計算方法，針對XH2130龍門加工中心的橫梁系 統進行靜動熱態特性分析，得到橫梁系統的靜態變形結果、各階固有頻率、動態響 應、導軌和滾珠絲杠的熱變形結果，為橫梁系統的優化和變形補償提供設計方法和 理論參考。本文研宄所取得的研宄成果和結論如下：(1)對橫梁系統的靜態特性研宄。建立機床的整機模型和橫梁系統模型，詳細 的分析了約束和邊界條件，以及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，并與沒有考慮平衡油缸的靜態分析結果對比發現，添加平衡油缸能夠很好 減少橫梁系統的變形。最后，在多種工況下，進行多模型計算，得到橫梁的靜態特 性分析結果發現：橫梁的X方向和Z方向的變形量基本保持恒定，并且隨著滑座、 橫梁和滑枕位置的變化而產生的變化很小，橫梁Y方向的變形量與滑座的行程有較 大的關系，而與橫梁和滑枕位置的變化關系較小。當滑座位置在橫梁中間位置時， 橫梁變形量和Y方向變形量******，向兩端逐漸減小，其******位移可達到 0.08092539mm。(2)對橫梁進行動態特性分析。通過模態分析得到六階振型和固有頻率；通過 對比發現橫梁一階固有頻率理論計算值（61.926Hz)和有限元分析值（63.005Hz) 非常接近，驗證有限元模型建立和模態分析的正確性。在模態分析基礎上，對橫梁 進行諧響應分析發現，橫梁在頻率55Hz、80Hz和115Hz時的振幅******，對應橫梁 的第二、四階模態，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，可知在有效范圍內滾珠絲杠不會發生 共振。(3)對橫梁系統的滾珠絲杠進行熱分析。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一結構耦合分析，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 變形分布情況可知系統最高溫度為35.871 °C，發生在滾珠絲杠兩端的深溝球軸承內圈與滾珠絲杠配合處。滾珠絲杠熱變形******熱位移量為15.593|im，滾珠絲杠兩端變 形較大，說明兩端軸承的發熱對滾珠絲杠的熱變形有很大影響。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特性研宄。建立橫梁導軌的有限元模型，得到導軌的 靜態分析結果：該橫梁的上下導軌在受力情況下，變形趨勢是向上凸。根據補償原 理，描繪出導軌面的補償曲線；建立熱力學模型，得到導軌的穩態和瞬態溫度場分 布和熱變形結果。導軌與滑塊相接觸的四個位置區域溫度最高，值為29.204°C，并 且成對稱分布，在4018s左右溫升趨于穩定，之后達到熱平衡狀態；對比發現瞬態 熱結構耦合總變形量比穩態熱結構耦合總變形量大6.542|im，說明熱源移動對導軌 的變形有較大影響。6.2展望本文對橫梁系統的靜、動、熱特特性進行了分析，取得了一定的研宄成果，但 由于時間的限制，課題的研宄仍存在一些不足之處，須進一步進行研宄和探討，主 要體現在以下幾個方面：(1)XH2130龍門加工中心結構十分復雜，若完全根據實際情況建立模型，則 網格劃分的難度會增強許多，在靜態分析時候故對整機進行結構簡化處理，分析結 果與實際結構必然存在一定的誤差；在動、熱態分析時候，難以給出真實的邊界條 件，參數的理論計算還不具有普遍性。因此，需要對這些進行完善，使得精確計算 結果成為可能。(2)對橫梁系統的關鍵部件導軌和滾珠絲杠子系統進行熱態分析時候，熱源的 考慮還需進一步完善，充分考慮加工發熱、外部環境溫度變化，建立熱態分析模型 時候綜合考慮到對流換熱、輻射、熱傳導，使得模型建立更加合理分析結果更加精確。(3)對橫梁系統靜動熱態特性有限元分析得到理論計算的驗證，但理論計算的 參數還需要進一步的實驗驗證，這樣才能更好的驗證和指導橫梁系統的設計和優化。 有限元分析結果、理論計算結果和實驗結果三者對比分析需要進一步研宄和探索的 工作。