龍門加工中心橫梁系統(tǒng)靜動(dòng)熱態(tài)特性的國內(nèi)、外研究現(xiàn)狀
橫梁系統(tǒng)靜動(dòng)熱態(tài)特性的國內(nèi)、外研究現(xiàn)狀龍門加工中心的橫梁系統(tǒng)作為機(jī)床的主要承載部件系統(tǒng)。它的靜動(dòng)熱態(tài)性能會 對機(jī)床的加工精度和機(jī)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(tǒng)的靜動(dòng)熱態(tài)性能的研宄一直被研宄機(jī)構(gòu)和高校所關(guān)注。又由于近年來我國對于大 型龍門加工中心機(jī)床的研宄正朝著高速化、高精度化方向發(fā)展，因而對于橫梁系統(tǒng) 的設(shè)計(jì)與性能研宄更加重要，也成為企業(yè)和眾多學(xué)者研宄的重點(diǎn)。1.3.1國內(nèi)研究現(xiàn)狀近年來，國內(nèi)的許多研宄機(jī)構(gòu)和大學(xué)都對龍門加工中心橫梁系統(tǒng)的靜動(dòng)熱態(tài)特 性進(jìn)行了深入的研宄。李伯基等人運(yùn)用有限元軟件從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上分析橫梁的變形情 況，并闡述了制造工藝對橫梁導(dǎo)軌變形產(chǎn)生的影響[7];關(guān)英俊等人建立移動(dòng)龍門加 工中心橫梁有限元模型，對橫梁進(jìn)行靜動(dòng)態(tài)剛度分析，提出了改進(jìn)優(yōu)化方案[8];李 焱等人基于有限元分析軟件建立機(jī)床整機(jī)以及主要部件的有限元模型，并進(jìn)行簡化 處理，分析邊界條件和約束得到靜力學(xué)分析結(jié)果，通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化處理可知提高橫梁 與滑枕處的靜剛度，可以改善整機(jī)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(jié)構(gòu)的梁進(jìn)行靜力和模態(tài)分析，并從強(qiáng)度較好的梁中選取出剛 度好的梁。通過模態(tài)分析得到一階頻率的振型和結(jié)構(gòu)的變形云圖，并初步得到較為 合理的橫梁結(jié)構(gòu)[1°]?；糗娭艿热诉\(yùn)用UG平臺建立雙擺銑頭的力學(xué)模型，討論兩種極限工況下動(dòng)態(tài) 性能，基于模態(tài)分析結(jié)果得到其固有動(dòng)態(tài)屬性；借助諧響應(yīng)模塊分析出雙擺銑頭在 不同頻率下的響應(yīng)曲線和對應(yīng)的應(yīng)力與變形值，最后確定雙擺銑頭發(fā)生共振的頻率 范圍，從而以實(shí)現(xiàn)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(jìn)行了熱特性分析，充分分析橫梁熱源和 計(jì)算對流換熱系數(shù)，并對其進(jìn)行熱穩(wěn)態(tài)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(fù)合加工中心的橫梁進(jìn)行熱穩(wěn)態(tài)特性進(jìn)行分析[13]。尹紅 基于有限元分析方法，通過計(jì)算得到主要部件的發(fā)熱量和對流換熱系數(shù)。針對高速 龍門五軸加工中心橫梁部件建立了熱力學(xué)耦合模型，并進(jìn)行熱力學(xué)性能分析，獲得 影響橫梁部件熱變形的主要構(gòu)件，并進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化。最后，通過分析對比測試數(shù) 據(jù)，驗(yàn)證了模型建立的正確性[14]。劉寶俊建立滾珠絲杠傳動(dòng)系統(tǒng)和導(dǎo)軌的熱力學(xué)模 型，通過理論計(jì)算得到其發(fā)熱量與對流換熱系數(shù)，并將計(jì)算結(jié)果施加到模型中，得 到其穩(wěn)態(tài)溫度場和瞬態(tài)溫度場分布，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行熱-結(jié)構(gòu)耦合分析，得到機(jī)床進(jìn) 給系統(tǒng)熱變形；并充分考慮多因素對滾珠絲杠傳動(dòng)系統(tǒng)熱變形的影響。最后，開發(fā) 了集成溫度和位移采集的多通道數(shù)據(jù)采集器，對其進(jìn)行測量試驗(yàn)，將熱誤差模擬分 析的結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比，驗(yàn)證方法的正確性[15]。1.3.2國外研究現(xiàn)狀國外的學(xué)者對機(jī)床的橫梁系統(tǒng)靜動(dòng)熱態(tài)特性也進(jìn)行了大量的研宄。Sim-Min Kim[16]等研宄了螺栓預(yù)緊力對磨床砂輪的振動(dòng)特性影響。運(yùn)用有限元方 法建模分析得到砂輪的模態(tài)分析結(jié)果，并通過試驗(yàn)方法得到砂輪的動(dòng)態(tài)振動(dòng)特性結(jié) 果，將兩者對比得到誤差在5%之內(nèi)。M.Zatarain[17]基于有限元方法建立立柱移動(dòng)式 銑床、橫梁、立柱等部件在內(nèi)的整機(jī)模型，并進(jìn)行了模態(tài)分析得到固有頻率，在此 基礎(chǔ)上對模型的幾種優(yōu)化方案比較，最后選擇其中較合理的結(jié)構(gòu)。£五叮狀扮[18]等人 將滾珠導(dǎo)軌結(jié)合部模型等價(jià)為滾動(dòng)溝槽間的點(diǎn)接觸方式的質(zhì)量彈簧有限元模型，并 通過理論計(jì)算得出彈簧剛度值。Zaeh，厘王[19]等人對絲杠用梁單元進(jìn)行動(dòng)態(tài)建模，將螺母等效為質(zhì)量節(jié)點(diǎn)，運(yùn)用彈簧剛度矩陣對螺母與絲杠節(jié)點(diǎn)之間的接觸進(jìn)行等效 模擬，并將理論計(jì)算結(jié)果和模擬結(jié)果對比驗(yàn)證。Yun Won Soo[2°]等建立機(jī)床進(jìn)給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的有限元熱態(tài)分析模型，得到進(jìn)給系 統(tǒng)的溫度場分布，通過設(shè)計(jì)MLCM和GEA算法，用其分析進(jìn)給系統(tǒng)子部件滾珠絲 杠的線性定位誤差，并且通過激光干涉儀進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測量驗(yàn)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(xué)模型，得到其熱源的 溫度場分布，并把溫度作為預(yù)測模型的變量，運(yùn)用多元線性回歸的方法，預(yù)測滾珠 絲杠在不同轉(zhuǎn)速下的熱變形情況。\\^等[22]與幻111等[23]對施加軸向負(fù)載的滾珠絲杠 進(jìn)行有限元研宄，并分析了在不同轉(zhuǎn)速下和運(yùn)行時(shí)間下的溫度場分布，通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn) 證有限元分析結(jié)果。雖然國內(nèi)外學(xué)者對橫梁系統(tǒng)的靜動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行了一系列的研宄，但大多數(shù)都是 把橫梁系統(tǒng)的靜動(dòng)熱態(tài)特性分開進(jìn)行研宄的，很少有對橫梁系統(tǒng)進(jìn)行靜動(dòng)熱態(tài)綜合 性研宄的；且多數(shù)的靜態(tài)特性分析從橫梁結(jié)構(gòu)對其變形的影響來分析的。由于重型 機(jī)床的結(jié)構(gòu)件自身的重量增加了驅(qū)動(dòng)電機(jī)的功率，增加絲杠的負(fù)擔(dān)，因此在垂直移 動(dòng)部件上采用平衡油缸來平衡結(jié)構(gòu)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。