一種新型龍門銑床主結(jié)構(gòu)的設(shè)計

開劍波　王益軒　韓斌斌　黃新武　張永軍

(西安工程大學(xué)機電工程學(xué)院，陜西 710048)

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一種新型龍門銑床主結(jié)構(gòu)的設(shè)計

開劍波王益軒韓斌斌黃新武張永軍

(西安工程大學(xué)機電工程學(xué)院，陜西 710048)

龍門銑床是切削加工中的重要設(shè)備，具有加工跨距大、加工效率高、剛度高等特點，適合大型零件的加工，在航空、航天、汽車等制造行業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用[1]。常見的龍門銑床結(jié)構(gòu)布局是：橫梁安裝在立柱前壁面表面的滑軌上，托板、滑枕等部件懸掛在橫梁的前壁面。顯然龍門銑床大部分功能部件均懸掛于立柱和橫梁的前壁面，懸臂結(jié)構(gòu)布局會產(chǎn)生很大的附加載荷，立柱、橫梁等結(jié)構(gòu)受到加工載荷和附加彎扭載荷的共同作用。為保證結(jié)構(gòu)有足夠的剛度，需要增大龍門銑床立柱、橫梁等部件的尺寸，但這又引起結(jié)構(gòu)自身重量大、剛度不足、動態(tài)特性差等問題。

隨著高速切削技術(shù)的發(fā)展和普及，常規(guī)龍門銑床結(jié)構(gòu)的弊端日益凸顯，不能很好地適應(yīng)高速、高精度加工的需求，改進(jìn)其結(jié)構(gòu)形式以滿足加工需求具有重要意義。

1龍門銑床結(jié)構(gòu)研究現(xiàn)狀

關(guān)于龍門銑床結(jié)構(gòu)分析優(yōu)化方面的研究很多，但這些研究大多是利用優(yōu)化設(shè)計技術(shù)對立柱、橫梁等部件結(jié)構(gòu)的內(nèi)部筋板布局進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，龍門銑床部件懸臂結(jié)構(gòu)布局方面改進(jìn)較少。近幾年，一些企業(yè)開始從龍門銑床的主要部件結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu)布局、驅(qū)動形式等方面對龍門結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)。

劉傳倫[2]等提出雙橫梁龍門結(jié)構(gòu)，建立了雙橫梁龍門銑床模型。沈陽機床廠生產(chǎn)的GMB20m5x系列移動龍門型五軸加工中心[3]采用雙橫梁結(jié)構(gòu)，將滑鞍對稱裝配在雙橫梁上壁面的導(dǎo)軌上，消除了滑鞍、滑枕等部件前掛懸臂裝配對結(jié)構(gòu)的影響。但滑鞍采用單邊驅(qū)動方式，需要克服Y向不同步而產(chǎn)生的位移誤差。

此外，近幾年，在精密加工機床中應(yīng)用的重心驅(qū)動技術(shù)和雙驅(qū)動技術(shù)也逐漸應(yīng)用到大型機床中，機床的結(jié)構(gòu)剛度、運行的平穩(wěn)性和加工精度均大幅提高[4]。沈陽機床的GMB3080WM型龍門鏜銑加工中心的滑枕導(dǎo)軌分布在過滑枕重心的對角線上，滑枕可以均勻承受各個方向的切削力載荷。張秀印[5]對龍門雙驅(qū)動技術(shù)和龍門同步控制技術(shù)進(jìn)行研究，建立了雙邊驅(qū)動龍門結(jié)構(gòu)。

2新型龍門結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計

分析發(fā)現(xiàn)，造成傳統(tǒng)龍門結(jié)構(gòu)懸臂布局的根本原因在于橫梁、立柱、托板等部件的自身結(jié)構(gòu)形狀及部件間裝配組合形式，因此需要對傳統(tǒng)龍門銑床的橫梁、立柱等部件的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，改變原來的結(jié)構(gòu)形式和裝配形式，使其可以實現(xiàn)部件前后對稱裝配。

新型龍門銑床結(jié)構(gòu)的設(shè)計如下：

(1)部件結(jié)構(gòu)方面：立柱、橫梁、托板等部件設(shè)計為前后對稱結(jié)構(gòu)，機床前后對稱面對稱裝配定位，從而實現(xiàn)整機結(jié)構(gòu)關(guān)于前后對稱面對稱。

(2)導(dǎo)軌布局方面：參考重心驅(qū)動技術(shù)、重心補償設(shè)計及布置部件間的導(dǎo)軌，各部件上滑動導(dǎo)軌對稱分布，在靜態(tài)和工作狀態(tài)下，使機床結(jié)構(gòu)的重心都在其結(jié)構(gòu)對稱面內(nèi)，改善龍門結(jié)構(gòu)部件的受力狀態(tài)，避免因部件重心偏置而產(chǎn)生附加載荷，提高機床的剛度和精度。

(3)驅(qū)動方面：部件的驅(qū)動裝置前后對稱分布，運用同步驅(qū)動技術(shù)進(jìn)行伺服控制，為機床部件提供對稱的驅(qū)動力。根據(jù)雙邊驅(qū)動結(jié)構(gòu)設(shè)計立柱、橫梁等部件結(jié)構(gòu)，根據(jù)結(jié)構(gòu)受力情況對稱安排驅(qū)動絲杠，可以解決單根絲杠因載荷突變或分布不均而引起的絲杠失穩(wěn)振動問題，提升機床的承載能力和穩(wěn)定性。

3傳統(tǒng)龍門銑床與新型龍門銑床結(jié)構(gòu)對比

根據(jù)上面的設(shè)計思想對傳統(tǒng)移動橫梁式數(shù)控龍門銑床主要結(jié)構(gòu)部件的幾何結(jié)構(gòu)、部件間的裝配布局及驅(qū)動結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)。改進(jìn)前后龍門銑床主要部件的裝配模型如圖1和圖2所示。

圖1　傳統(tǒng)龍門銑床模型

圖2　新型龍門銑床結(jié)構(gòu)模型

由圖1和圖2可以看出，改進(jìn)前后龍門銑床的組成部件和工作原理相同，通過控制X、Y、Z三個方向耦合運動實現(xiàn)對工件的切削加工。

傳統(tǒng)龍門銑床結(jié)構(gòu)部件在整體布局上呈前部懸掛形式，橫梁裝配在立柱的前壁面，托板、滑枕部件與橫梁的前壁面裝配定位，所有部件都相對左右立柱向前懸臂裝配。

新型龍門銑床的結(jié)構(gòu)部件均前后對稱裝配，整體結(jié)構(gòu)實現(xiàn)前后對稱。從整機結(jié)構(gòu)布局方面看，新型龍門銑床結(jié)構(gòu)明顯優(yōu)于傳統(tǒng)龍門銑床結(jié)構(gòu)。

4新龍門銑床主要部件結(jié)構(gòu)設(shè)計

新型龍門銑床主要由立柱、橫梁、托板、滑枕等部件構(gòu)成。

(1)立柱結(jié)構(gòu)

新立柱的幾何結(jié)構(gòu)、表面導(dǎo)軌分布和驅(qū)動裝置安排都根據(jù)雙邊驅(qū)動思想設(shè)計，改進(jìn)后的立柱模型如圖3、圖4所示。左右立柱結(jié)構(gòu)相同，左右對稱放置。

圖3　新型龍門銑床立柱

圖4　立柱驅(qū)動絲杠

立柱表面有三條豎直導(dǎo)軌，前后壁面對稱分布二條豎直滑動導(dǎo)軌，右壁面中部有一條豎直滑動導(dǎo)軌。三條導(dǎo)軌使移動橫梁前后對稱地裝配定位在立柱上。立柱的前后內(nèi)側(cè)對稱安裝兩根豎直絲杠，機床的承載力、加速性能和驅(qū)動平穩(wěn)性均大幅度提高。

立柱結(jié)構(gòu)力學(xué)性能方面。傳統(tǒng)立柱的一條豎直滑動導(dǎo)軌既承受前后方向的負(fù)載，又要承受左右方向的負(fù)載，導(dǎo)軌受力情況復(fù)雜，對導(dǎo)軌的綜合性能要求極高。新立柱通過3條導(dǎo)軌將這兩個方向的載荷分開，由前后壁面的滑動導(dǎo)軌承受前后方向的載荷，右側(cè)壁面滑動導(dǎo)軌承受左右方向的載荷，導(dǎo)軌和立柱的力學(xué)結(jié)構(gòu)性能得到很大改善。

(2)橫梁結(jié)構(gòu)

將雙橫梁整合為一條橫梁，不僅可以解決雙橫梁的安裝定位問題，還具備雙橫梁結(jié)構(gòu)特點，可以實現(xiàn)梁上部件對稱裝配的優(yōu)點，模型如圖5所示。

圖5　新型橫梁

新型橫梁由前后對稱的2條矩形梁和左右端部滑塊構(gòu)成。橫梁表面的4對滑動導(dǎo)軌對稱排布。兩端部的前后滑動導(dǎo)軌使橫梁前后對稱地裝配在立柱上，實現(xiàn)橫梁與立柱前后對稱裝配?；?、主軸等安裝在橫梁中間的空槽內(nèi)，橫梁中部的2條矩形梁的上壁面各有一條水平導(dǎo)軌，托板前后對稱地安裝在橫梁上，從而使所有功能部件在前后方向上對稱裝配。

驅(qū)動橫梁上下運動的絲杠安裝在立柱上，前后各有1條驅(qū)動絲杠。橫梁的前后矩形梁的上部各有1條驅(qū)動絲杠，驅(qū)動梁上部件相對橫梁左右運動。

(3)托板結(jié)構(gòu)

托板是連接橫梁和滑枕的重要部件，主要對托板結(jié)構(gòu)的導(dǎo)軌布局、驅(qū)動裝置布局進(jìn)行改進(jìn)，改進(jìn)后托板結(jié)構(gòu)模型如圖6所示。

托板在結(jié)構(gòu)上前后、左右均對稱，托板的左右內(nèi)壁面上各有一個槽，在左右槽內(nèi)安裝驅(qū)動裝置，為滑枕提供左右對稱的驅(qū)動力。

傳統(tǒng)托板懸掛在橫梁的前壁面，這種懸臂結(jié)構(gòu)產(chǎn)生很大的附加彎矩，結(jié)構(gòu)力學(xué)特性差，托板容易彎曲變形。新型托板與橫梁前后雙滑塊對稱裝配，如圖7所示，可以避免附加載荷的產(chǎn)生，結(jié)構(gòu)力學(xué)性能得到優(yōu)化。

(4)滑枕結(jié)構(gòu)

方滑枕結(jié)構(gòu)的改進(jìn)主要集中在滑枕與托板接觸導(dǎo)軌的分布。傳統(tǒng)方滑枕單面與托板配合，改進(jìn)后的方滑枕四個邊角處均有4條滑動導(dǎo)軌，托板與滑枕通過這4條對稱分布的滑動導(dǎo)軌配合裝配，機床工作時銑刀所受的切削力載荷均勻地傳遞給托板、橫梁、立柱等結(jié)構(gòu)，改善了滑枕和托板的受力情況。

圖6　新型托板

圖7　新型托板與橫梁裝配圖

改進(jìn)后的龍門銑床整體結(jié)構(gòu)及主要部件的結(jié)構(gòu)比傳統(tǒng)龍門銑床有很多改進(jìn)，對稱結(jié)構(gòu)布局避免了附加載荷的產(chǎn)生，大大減小機床部件在加工中實際受到的載荷，橫梁、立柱等結(jié)構(gòu)的受力狀況也得到了很大改善，大幅度提升了結(jié)構(gòu)力學(xué)性能。

5有限元分析

龍門銑床常用于重型零件的切削加工，并且結(jié)構(gòu)跨度大，結(jié)構(gòu)部件的剛度對于保證機床加工精度具有重要作用，尤其是橫梁和立柱部件，不僅承受托板、滑枕等部件的重量，還承受刀具切削工件產(chǎn)生的切削載荷的作用，是龍門銑床最重要的基礎(chǔ)部件，對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行剛度變形分析具有重要意義。龍門銑床切削加工時，切削力波動緩慢，部件主要受靜態(tài)載荷作用，對結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力學(xué)分析就可以反映結(jié)構(gòu)在實際加工過程中的變形情況。

對整機有限元分析占用計算機資源較大，去掉橫梁上的托板和滑枕等結(jié)構(gòu)，只對立柱和橫梁構(gòu)成的龍門架進(jìn)行有限元分析，分析托板位于橫梁中間位置時結(jié)構(gòu)的變形情況，根據(jù)加工經(jīng)驗設(shè)定切削力為5 000 N，將部件的重力和作用在滑枕上的切削力載荷折算到托板與橫梁接觸的導(dǎo)軌面上，轉(zhuǎn)化為作用在橫梁導(dǎo)軌上的壓力載荷和扭矩。分析結(jié)果如圖8、圖9所示。

圖8　橫梁總變形圖

由圖8和圖9可知，在重力和切削力共同作用下，橫梁總位移的最大變形量為0.016 mm，橫梁的最大等效應(yīng)力為0.49 MPa，在材料的屈服強度范圍內(nèi)，這表明建立的龍門結(jié)構(gòu)的剛度和強度較好。

6結(jié)論

針對傳統(tǒng)龍門銑床結(jié)構(gòu)上的懸臂問題進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)，找到造成龍門銑床結(jié)構(gòu)懸臂布局的根本原因，結(jié)合最新的機床設(shè)計思想和驅(qū)動技術(shù)對龍門銑床的主要部件結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計。改進(jìn)后的龍門銑床是一種全新的龍門銑床結(jié)構(gòu)，部件的結(jié)構(gòu)、驅(qū)動裝置、導(dǎo)軌對稱，保證了機床在靜態(tài)和動態(tài)情況下整體結(jié)構(gòu)的重心始終處于機床對稱面內(nèi)，完全可以避免附加載荷的產(chǎn)生，機床的靜、動態(tài)性能大幅度提高，大大改善了龍門結(jié)構(gòu)的受力狀況，有助于提高機床的剛度和加工精度。

圖9　等效應(yīng)力圖

參考文獻(xiàn)

[1]羅傳林,李鍛能. 龍門式機床橫梁的結(jié)構(gòu)設(shè)計研究[J]. 機電工程技術(shù), 2006(3): 45-47.

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編輯陳秀娟

摘要：常規(guī)龍門銑床橫梁、托板等結(jié)構(gòu)部件是單面懸掛裝配，這種結(jié)構(gòu)布局會產(chǎn)生很大的懸臂效應(yīng)。本文針對該結(jié)構(gòu)缺陷進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計，建立一種對稱結(jié)構(gòu)的新型龍門銑床結(jié)構(gòu)模型，可以避免懸臂效應(yīng)的產(chǎn)生。

關(guān)鍵詞：龍門銑床；橫梁；懸臂效應(yīng)；對稱結(jié)構(gòu)

Main Structure Design of a New Type Gantry Milling Machine

Kai Jianbo, Wang Yixuan, Han Binbin, Huang Xinwu, Zhong Yongjun

Abstract：Most components of conventional gantry milling machine were assembled in single face, such as beam and slide saddle, the structure layout would cause evident cantilever effect. Regarding to this structure defect, a new type gantry milling machine model with symmetrical structure has been established that could avoid cantilever effect.

Key words：gantry milling machine; beam; cantilever effect; symmetrical structure

作者簡介：開劍波(1989—)，男，碩士研究生，主要研究方向為CAD、CAE、CAM及虛擬樣機技術(shù)。

收稿日期：2015—06—15

中圖分類號：TH122

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A