龍門加工中心橫梁系統(tǒng)靜動熱態(tài)特性的研究之總結(jié)與展望
總結(jié)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(tǒng)進行靜動熱態(tài)特性分析，得到橫梁系統(tǒng)的靜態(tài)變形結(jié)果、各階固有頻率、動態(tài)響 應(yīng)、導(dǎo)軌和滾珠絲杠的熱變形結(jié)果，為橫梁系統(tǒng)的優(yōu)化和變形補償提供設(shè)計方法和 理論參考。本文研宄所取得的研宄成果和結(jié)論如下：(1)對橫梁系統(tǒng)的靜態(tài)特性研宄。建立機床的整機模型和橫梁系統(tǒng)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(guān)鍵部件 的影響，并與沒有考慮平衡油缸的靜態(tài)分析結(jié)果對比發(fā)現(xiàn)，添加平衡油缸能夠很好 減少橫梁系統(tǒng)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(tài)特 性分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)：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(chǎn)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(guān)系，而與橫梁和滑枕位置的變化關(guān)系較小。當(dāng)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(tài)特性分析。通過模態(tài)分析得到六階振型和固有頻率；通過 對比發(fā)現(xiàn)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(tài)分析的正確性。在模態(tài)分析基礎(chǔ)上，對橫梁 進行諧響應(yīng)分析發(fā)現(xiàn)，橫梁在頻率55Hz、80Hz和115Hz時的振幅******，對應(yīng)橫梁 的第二、四階模態(tài)，并提出諧響應(yīng)改進的方法。最后，對橫梁系統(tǒng)中的滾珠絲杠進 行模態(tài)分析，得到六階振型和各階臨界轉(zhuǎn)速，可知在有效范圍內(nèi)滾珠絲杠不會發(fā)生 共振。(3)對橫梁系統(tǒng)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(tǒng)的穩(wěn)態(tài)溫度場分布云圖。然后，對滾珠絲杠系統(tǒng)進行熱一結(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三個方向上的熱 變形分布情況可知系統(tǒng)最高溫度為35.871 °C，發(fā)生在滾珠絲杠兩端的深溝球軸承內(nèi)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(fā)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(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)軌變形特性研宄。建立橫梁導(dǎo)軌的有限元模型，得到導(dǎo)軌的 靜態(tài)分析結(jié)果：該橫梁的上下導(dǎo)軌在受力情況下，變形趨勢是向上凸。根據(jù)補償原 理，描繪出導(dǎo)軌面的補償曲線；建立熱力學(xué)模型，得到導(dǎo)軌的穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)溫度場分 布和熱變形結(jié)果。導(dǎo)軌與滑塊相接觸的四個位置區(qū)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(wěn)定，之后達到熱平衡狀態(tài)；對比發(fā)現(xiàn)瞬態(tài) 熱結(jié)構(gòu)耦合總變形量比穩(wěn)態(tài)熱結(jié)構(gòu)耦合總變形量大6.542|im，說明熱源移動對導(dǎo)軌 的變形有較大影響。6.2展望本文對橫梁系統(tǒng)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(xiàn)在以下幾個方面：(1)XH2130龍門加工中心結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，若完全根據(jù)實際情況建立模型，則 網(wǎng)格劃分的難度會增強許多，在靜態(tài)分析時候故對整機進行結(jié)構(gòu)簡化處理，分析結(jié) 果與實際結(jié)構(gòu)必然存在一定的誤差；在動、熱態(tài)分析時候，難以給出真實的邊界條 件，參數(shù)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(jié)果成為可能。(2)對橫梁系統(tǒng)的關(guān)鍵部件導(dǎo)軌和滾珠絲杠子系統(tǒng)進行熱態(tài)分析時候，熱源的 考慮還需進一步完善，充分考慮加工發(fā)熱、外部環(huán)境溫度變化，建立熱態(tài)分析模型 時候綜合考慮到對流換熱、輻射、熱傳導(dǎo)，使得模型建立更加合理分析結(jié)果更加精確。(3)對橫梁系統(tǒng)靜動熱態(tài)特性有限元分析得到理論計算的驗證，但理論計算的 參數(shù)還需要進一步的實驗驗證，這樣才能更好的驗證和指導(dǎo)橫梁系統(tǒng)的設(shè)計和優(yōu)化。 有限元分析結(jié)果、理論計算結(jié)果和實驗結(jié)果三者對比分析需要進一步研宄和探索的 工作。