龍門加工中心橫梁系統(tǒng)靜動(dòng)熱態(tài)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(jì)算相結(jié)合的方法對(duì)橫梁系統(tǒng)進(jìn)行靜動(dòng)熱態(tài)特性分 析。橫梁系統(tǒng)的技術(shù)研宄路線如圖1-1所示：首先簡(jiǎn)單的介紹了 XH2130加工中心的特點(diǎn)，并建立了有限元模型，充分考慮 到平衡油缸對(duì)橫梁變形的影響，然后利用ANSYS Workbench對(duì)橫梁的靜動(dòng)態(tài)特性 分析，得到橫梁多模型計(jì)算結(jié)果和各階振型。然后通過(guò)理論計(jì)算得到橫梁系統(tǒng)在運(yùn) 行過(guò)程中導(dǎo)軌和滾珠絲杠系統(tǒng)的發(fā)熱量和對(duì)流換熱系數(shù)，并把計(jì)算結(jié)果作為邊界條 件和載荷，加載到熱力學(xué)模型中，得到橫梁系統(tǒng)的溫度場(chǎng)分布和熱變形情況。最后 考慮橫梁系統(tǒng)的熱變形對(duì)其靜動(dòng)態(tài)熱性的影響，并與之前的靜動(dòng)態(tài)特性作比較，分 析其靜動(dòng)態(tài)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(tǒng)作為承載部件，其靜動(dòng)熱態(tài)性能對(duì)機(jī)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(tǒng)作為研宄對(duì)象， 研宄其靜動(dòng)熱態(tài)特性，得到橫梁系統(tǒng)多模型計(jì)算結(jié)果，各階固有頻率和動(dòng)態(tài)響應(yīng)曲 線以及導(dǎo)軌和滾珠絲杠系統(tǒng)溫度場(chǎng)和熱變形分析。這為機(jī)床橫梁系統(tǒng)的優(yōu)化提供了 研宄方法和理論依據(jù)，具有較高的參考價(jià)值。1.5課題研究的主要內(nèi)容本文針對(duì)XH2130龍門加工中心的橫梁系統(tǒng)靜動(dòng)熱態(tài)特性進(jìn)行研宄，采用有限 元分析方法，通過(guò)PRO/E建立機(jī)床的三維模型，包括立柱、橫梁、滑座、滑枕、導(dǎo) 軌、滾珠絲杠系統(tǒng)等，裝配好之后導(dǎo)入到ANSYS Workbench中，確定合理的邊界 條件，對(duì)模型進(jìn)行靜動(dòng)熱態(tài)特性分析，分別得到機(jī)床的應(yīng)力、應(yīng)變結(jié)果和橫梁的前 六階模態(tài)以及諧響應(yīng)曲線，導(dǎo)軌和滾珠絲杠系統(tǒng)的熱變形結(jié)果，對(duì)設(shè)計(jì)出具有良好 的靜動(dòng)熱態(tài)的整機(jī)結(jié)構(gòu)有著非常重要的意義。本課題的主要研宄內(nèi)容如下：首先，介紹了 XH2130龍門加工中心的主要結(jié)構(gòu)，并建立了龍門加工中心整機(jī) 和橫梁的有限元模型，定義了機(jī)床的坐標(biāo)，詳細(xì)的介紹了有限元分析時(shí)的約束和邊 界條件。然后在受力分析時(shí)充分的考慮到平衡油缸對(duì)其關(guān)鍵部件的影響。在多種工 況下，進(jìn)行多模型計(jì)算，得到的靜態(tài)特性分析結(jié)果及橫梁變形量曲線。(2)橫梁系統(tǒng)模態(tài)分析和諧響應(yīng)分析基于模態(tài)分析理論進(jìn)行概述，得到振動(dòng)分析方程。然后建立橫梁有限元分析模 型，進(jìn)行模態(tài)分析得到六階振型和固有頻率；通過(guò)固有頻率理論計(jì)算結(jié)果和有限元 分析結(jié)果對(duì)比發(fā)現(xiàn)非常接近，驗(yàn)證有限元模型建立和模態(tài)分析的正確性。在模態(tài)分 析的基礎(chǔ)上，對(duì)橫梁進(jìn)行諧響應(yīng)分析，得到橫梁上下導(dǎo)軌處X、Y、Z方向位移對(duì)頻 率的響應(yīng)曲線，并提出諧響應(yīng)改進(jìn)的方法。最后對(duì)橫梁系統(tǒng)中的滾珠絲杠進(jìn)行模態(tài) 分析，得到六階振型和各階臨界轉(zhuǎn)速，可知在有限范圍內(nèi)滾珠絲杠不會(huì)發(fā)生共振。(3)橫梁系統(tǒng)中滾珠絲杠熱分析對(duì)滾珠絲杠系統(tǒng)進(jìn)行熱態(tài)特性分析以及熱變形分析。首先，分析滾珠絲杠的熱 源，通過(guò)計(jì)算得出各個(gè)發(fā)熱部件的發(fā)熱量，和對(duì)流換熱系數(shù)。通過(guò)有限元建模分析 得到滾珠絲杠系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)分布云圖。然后，對(duì)滾珠絲杠系統(tǒng)進(jìn)行熱-結(jié)構(gòu)耦合 分析，得到滾珠絲杠系統(tǒng)在熱載荷的影響下滾珠絲杠系統(tǒng)的總熱變形和X、Y、Z三 個(gè)方向上的熱變形分布情況。最后，分析影響滾珠絲杠系統(tǒng)熱變形的主要因素，并 提出改善滾珠絲杠系統(tǒng)熱態(tài)特性的主要措施。(4)橫梁系統(tǒng)中導(dǎo)軌變形研宄對(duì)橫梁上下導(dǎo)軌的變形情況進(jìn)行分析，繪制出導(dǎo)軌變形曲線和補(bǔ)償曲線，并通 過(guò)數(shù)值分析得到擬合補(bǔ)償曲線方程；最后，通過(guò)對(duì)橫梁系統(tǒng)中的導(dǎo)軌熱源分析和傳 熱分析，計(jì)算出導(dǎo)軌的發(fā)熱量和對(duì)流換熱系數(shù)，并以此為邊界條件和載荷對(duì)導(dǎo)軌進(jìn) 行熱態(tài)特性分析，與靜態(tài)載荷作用下變形對(duì)比，分析導(dǎo)軌熱態(tài)特性對(duì)靜態(tài)特性的影 響，并提出減少導(dǎo)軌變形的有效措施。