龙门加工中心整机动态特性分析

1 数控龙门加工中心整体方案

数控龙门加工中心的平台跨距大，作业速度快，整机性能对作业效率与加工质量影响极大。横梁结构质量大、刚度强是影响整机灵活性与定位精度的重要部件。本次研究通过模拟双横梁结构对数控龙门加工中心整体方案进行设计，图1即为在设计软件中模拟出的数控龙门加工中心结构示意图。

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1.床身 2.静横梁一 3.静横梁二 4.动横梁

5.滑块 6.滑枕 7.A\C双摆铣头 8.工件毛坯图1 龙门加工中心的结构示意图

2 机床受力分析

数控机床加速快、进给速度高，在进行性能评估时不能忽略惯性对机床的影响。本次研究利用ADAMS软件的动力学分析功能对机床受力情况进行研究。首先建立龙门加工中心的动力学模型，如图2所示；然后在立柱与床身、地面之间分别施加约束，在床身与静横梁之间、滑块与滑枕之间、静横梁动与横梁之间分别建立直线移动副；并将加速度设为g，分析此时数控机床各部件的受力情况。当机床部件沿着Y轴作加速度为g的直线运动时，ADAMS软件分析静横梁在X轴与Y轴方向的受力均为85kN左右；当机床部件沿着X轴运动时，ADAMS软件分析动横梁在X轴与Z轴方向的受力均为34.5kN左右。再对传统机床结构在相同运动条件下各部件的受力情况进行分析，横梁在X轴方向的受力约为266kN，远超双横梁结构下机床各部件所承受的压力。

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1.床身 2.横梁 3.滑块 4.滑枕 5.A\C双摆铣头 6.工件毛坯图2 龙门加工中心的动力学模型

3 机床有限元模型及动态特性

本文利用Hypermesh软件构建机床的有限元模型。首先建立数控龙门加工中心的三维几何模型，其次导入到处理软件进行求解分析，然后再导入Hypermesh软件中，建立有限元模型。在有限元模型中，可以运用Ansys软件对机床模态进行解析，分析机床的动态特性。

动态特性是指机床在运行状态下的稳定性，是影响工件的加工质量、刀具系统维护等的重要参数，尤其在现代机械加工行业，数控机床的切削速度进一步加快，动态特性分析已经成为机床设计与评估的重要内容。通过机床的有限元模型对其动态特性进行分析，发现影响机床性能的因素主要包括以下几个方面：

1）结合部的阻尼特性和刚性。组成龙门加工中心的零部件较多，各零部件间连接方式复杂多样，零部件之间的连接区域称为结合部，结合部的阻尼特性和刚性是影响机床整体动态性能的重要因素。统计数据表明，机床振动问题中约六成是由结合部引起的。

2）静态刚度是影响机床动态特性的另一重要因素。由于滑枕位于横梁中间位置时机床受力最大，变形最明显，选择这个位置作为静态刚度的初试分析位置，可得到更严谨的测试结果。

3）数控机床的加速快、进给速度高，启动和运行需要的驱动力都较大，这一过程中机床性能也会受到影响。借助有限元模型对机床动态特性进行预估和分析，能够有效促进机床结构的优化，对机床设计和制造具有极为重要的意义。