0前言

龙门五轴加工中心可以通过五轴控制实现对任意 方向孔及复杂型面进行加工，能满足加工范围大能力 强的需求，广泛应用于航空航天、模具、汽车等需要 高精度加工的领域。而保证机床结构有良好的动静态 特性是获得高精度加工的前提基础¹。从已有的研究 来看，史科科等²对某型卧式机床进行了动静态特性 分析；周新建等³是对立式加工中心进行的整机动静 态特性分析；李焱等人^[1]分析了龙门加工中的静刚度 并对结构进行优化。本文作者以某型龙门五轴加工中 心整机为研究对象，运用有限元技术分析其动静态特 性并找出其薄弱部位一横梁；改进其结构后并通过 实验验证了改进设计的有效性。

1整机静态特性分析

1.1静力学分析

国产的某型龙门五轴加工中心由床身、立柱、横 梁、主轴箱、工作台和双摆头等部件组成，如图1所 示。由于龙门加工中心几何结构复杂，在建立有限元 模型时，不可能考虑所有细微复杂的几何因素，因此 只考虑一些起主导作用的因素来建立整机的简化模 型。采用Pro/E软件先将各部件建立三维实体模型并 装配得到整机模型，导入ANSYS的Workbench应用 平台，设置机床的材料属性。其中立柱的材料为 HT250，弹性模量为1. 2 x10⁵ MPa，密度为7 210 kg/ m³，泊松比0.22;横梁等其他大件用Q235A，弹性 模量为2. 1 x 10⁵ MPa，密度为7 860 kg/m³，泊松比 0.3。进行网格划分时，采用SOLID 45单元对实体进 行网格划分，由于结合部的刚度特性对整机的静刚度 有重大影响，因此采用用户自定义单元来模拟结合 部。机床结合部包括直线电机初级-次级、直线滚动 导轨滑块-轨道、滚珠丝杠丝母-丝杠和螺栓。用户 自定义单元用空间任意两个节点来定义，每个节点有 6个自由度个自定义单元中有两个节点就有12 个自由度，就需要用12 x 12阶的矩阵来定义该 单元的刚度、阻尼或质量信息⁰。用户自定义单元的 实常数需要给一个12x12的矩阵中的元素分别赋值,

静刚度作为衡量机床性能优劣的重要指标，对于 龙门加工中心来说，它自身的重力对机床的变形和加 工精度有着重要的影响⁶。计算机床在重力作用下的 变形情况，结果如图3所示。工件上的变形为 0. 039 mm,主轴上端面的变形为0. 197 mm。

在整机有限元模型中，按照实际工况设置边界约 束条件，将床身地脚孔内圆柱面作为固定约束。分别 在主轴端面和工件的对应面上施加x、y、z三个方 向，大小为5 000 N的力。以x向静刚度为例，得到 的整机的变形情况如图4, 3个方向的静刚度对比结 果见表1。由表1可知，机床在y方向上变形量, 刚度最小。

1.3查找整机薄弱环节

为找出机床的薄弱部件，根据文献7],利用 数控机床串联刚场理论，结合其串联刚度图谱分析出 各部件变形占整机位移量的比例见图5。由于整机是 —个机床一刀具一工件组成的串联系统，系统刚性低于整机中刚性的部件。由图5分析各部件对系统 刚性的影响，找出薄弱环节，进而提高整机刚度。由 图5可知，横梁在y方向上变形量较大，占到整体工 艺变形比率高达40%以上，导致y向刚度相对较低。 分析其原因可能为：横梁的刚度不足；立柱绕y轴抗 弯刚度不足；主轴箱系统的刚度较低。

2动态特性分析

模态分析作为研究结构动力分析的基础，解决 了结构动力分析中的一个重要问题即进行结构的固 有振动特性分析⁸。通过模态分析计算出结构的固 有振动特性后，可以为系统的振动故障诊断、预报 以及结构动力特性的优化设计提供依据。对机床底 部进行全约束，采用空间迭代法⁹提取模态，限于 篇幅，得到整机的前2阶模态振型如图6所示。前 四阶模态及振型描述如表2。低阶模态是影响机床 动态特性的主要因素^M，由整机的前4阶模态振型 可知，机床振动主要集中在立柱和横梁上，与静力 学分析相结合，说明横梁是机床的薄弱环节，需要 进一步优化其结构。

3 基于原结构的改进设计

由前面的分析可知，横梁在y向的刚度不足，由 于其刚度是连续变化的，而横梁中间没有支撑点，其 柔度较大。为增加其在y向的抗弯刚度，考虑到需要 在原有横梁的基础上进行改进结构，因此提出3种改 进方案以便于进一步进行分析。原有横梁结构没有外 部任何突出部分，而3种方案如图7。

对改进后3种结构各部件进行有限元分析，得到 各部件在y向占整机变形量的比值如图8。可发现横 梁在整体系统中的变形比例已大大降低，各部件的变 形比例也愈发合理。其中改进结构3各部件变形量的 比例合理。因此以结构3有限元分析为基础，进 行实际的结构改进。

图8结构改进前后各部件变形在系统变形的比例 对改进后整机进行动静态特性分析，以改进 结构3为例，得到改进前后结构对比见表3。由此 看出，机床在x, y,z向静刚度均有所增强，尤其 在原来薄弱的y向，增大了 24. 3%,而且其低阶 频率均有所提高，其一阶频率提高了 18. 8%。说 明改进结构后整机的动静态特性均取得了较好的 效果。

4实验测试结果与分析

为测量改进后横梁结构实际变形量，与有限元分 析结果进行对比，进行了横梁变形量的测量实验，测 量现场如图9。按照实际装配情况将横梁置于立柱 上，以工作台水平为基准，将千分表放置于滑枕下, 以横梁右端为起始点，得到结构改变前后y向位移变 化^8]如图10。从图10发现，改进后结构与原始结构 相比，在y向的位移明显下降，说明横梁在y向变形 量减小，刚度增加。而且实验测试结果与有限元分析 结果也基本相符。

5.结论

通过引用用户自定义单元模拟加工中心的结合部，建立了龙门五轴加工中心的有限元模型后对其3 个方向的静刚度进行比较，发现其y向刚度薄弱。通 过对加工中心进行模态分析，与静力学分析相结合找 到整机的薄弱部位一横梁。在不改变原有横梁的基 础上，通过增加外部结构的方式对原有横梁进行改进 设计并提出3种方案。通过比较发现结构3合 理。将改进后结构与原有结构通过有限元计算和实际 实验测量的方式进行对比，发现计算结果和测量结果 基本吻合。通过改进横梁结构，实现了提高整机动静 态特性的目的。 ?原有横梁结构没有外 部任何突出部分，而3种方案如图7。