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直线电机资讯|直驱式高速龙门五轴加工中心横梁的设计

发布时间:2020-06-17 11:07:31 阅读次数:158 发布者:2020欧洲杯比分网  来源:深圳博智达机器人
导读: 龙门式加工中心是现代航空航天、汽车制造、大型模具加工等制造企业不可或缺的一种关键设备。龙门式加工中心主要有横梁移动式、工作台移动式、动龙门式几种结构形式。其中横梁...
龙门式加工中心是现代航空航天、汽车制造、大型模具加工等制造企业不可或缺的一种关键设备。龙门式加工中心主要有横梁移动式、工作台移动式、动龙门式几种结构形式。其中横梁移动式,也就是通常所说的桥式龙门加工中心,特别是桥式高速龙门五轴加工中心在大型模具加工行业得到了广泛的应用。
 
汽车工业中的模具制造以及航空航天工业中的复杂零件加工,要求高速五轴加工中心来实现,随着科技的不断发展直线电机驱动技术也就逐渐应用于高速龙门五轴加工中心,横梁是龙门式机床的主要支撑件,对整个机床的性能影响非常大,因此应该根据载荷情况以及机床的设计参数要求进行横梁的结构设计,并进行相关的分析研究,本文所研究的机床横梁就是主要针对直驱式高速龙门五轴加工中心而设计的。
 
2高速龙门五轴加工中心横梁的载荷特点
 
由于高速龙门五轴加工中心的结构特点,横梁两端由桥梁或者立柱支撑,中间悬挂滑板和滑枕、铣削头等零部件。导致横梁的导轨面需要承载较大的重力及翻转力矩,容易产生变形。
 
高速龙门五轴加工中心横梁的受力结构可以简化为两点简支梁的支撑形式,引起横梁变形的主要原因是横梁自身重力以及悬挂在横梁上的滑板、滑枕、铣削头的重力和加工过程中的切削力,当横梁上的移动部件移动到横梁中部时,引起横梁的下垂弯曲变形最大;另外,由于横梁上的移动部件呈悬臂状态,移动部件的重力还会引起横梁的扭转变形;在机床设计过程中,应根据高速龙门五轴加工中心的受力机构和工作状态要求,对横梁的载荷特点进行分析,以此作为高速龙门五轴加工中心的横梁结构设计的理论依据。
 
3焊接横梁与铸造横梁的优劣比较
 
目前,欧美等先进工业国家的机床基础大件逐步以焊接件或新材料结构取代了铸件结构,一是为了达到绿色环保要求,二是焊接件在机床大件应用上,尤其是小批量的移动部件比铸造件更具优势,本文针对高速龙门五轴加工中心横梁,分别对铸件结构和焊接件结构进行分析,比较两种结构的优缺点。
 
高速龙门五轴加工中心横梁同时承受重力、拉力和弯矩作用。为了减小变形,提高抗振性,横梁要求有较好的刚度。高速龙门五轴加工中心横梁焊接件与铸件对比有以下特点:
 
(1)焊接件所用碳钢材料的弹性模量和力学性能高于铸件所采用的铸铁材料,根据弹性模量公式E=σ/ε(E为弹性模量,σ为应力,ε为应变)可知,在应力σ相同时,E大则产生的应变ε小。
 
在结构尺寸相同时,E值大的材料刚度高。因此,在同样载荷作用下,钢结构的静刚度比较大。在受迫振动时,提高静刚度可以降低振幅,提高其固有频率,从而避免发生共振。而对自激振动,提高静刚度可以提高自激振动稳定性的极限。
 
(2)由于钢板焊接件重量比铸件轻,相同刚性的钢板焊接结构的重量仅为铸件的60%左右,所以根据公式ωn=K/m(其中ωn为固有频率,K为刚度,m为质量)可知,减轻重量可以提高固有频率,有利于避免共振的发生。合理的焊接结构固有频率可以比铸造结构高50%。
 
而龙门横梁跨距大,重量减轻也可以减小下垂,提高机床几何精度;同时,对于直驱式龙门机床,减轻重量对提高快移速度和加速度起决定性作用。
 
(3)铸铁的内阻尼比钢平均高出3.2倍。但焊接件阻尼主要来自于钢板材料内阻尼和构件结合面间的摩擦,而材料内阻尼只占很小比例,构件结合面间的摩擦阻尼却约占全部阻尼的90%左右。
 
所以,其抗振性并不比铸件低多少,通过合理的焊接方法和焊接结构,焊接件的阻尼甚至可以高于铸件。
 
(4)焊接结构生产周期短,生产过程不需要制造木模和浇注,节省部分制造成本,适合小批量和单件生产。
 
经过以上对比分析不难看出,首先焊接件刚度优于同等外形尺寸的铸件;其次,同等外形尺寸焊接件结构重量比铸件小,对于龙门机床横梁这种大跨距的结构,减轻重量便可以减小弯曲变形的程度,减轻横梁重量也就是减轻了移动部件的质量;同时焊接件用材少,也节省了成本;对于单件或小批量生产,焊接件生产周期相对较短。
 
所以无论是从性能,还是从工艺、成本、周期等诸方面因素来看,焊接件都是更适合于龙门机床横梁的制造形式;尤其是对于直驱式高速龙门五轴加工中心,要求具有高速度、高加速度,还要求高刚性,焊接横梁更能体现出其优于铸造件的各项性能。
 
 
 
4直驱式高速龙门五轴加工中心横梁结构设计
 
GMC2550u高速龙门五轴加工中心的横梁外形采用类似梯形结构,在保证刚度的前提下尽可能地减轻横梁的重量,外形如图1所示,与通常龙门式加工中心横梁不同之处在于:
 
(1)GMC2550u机床焊接横梁光栅尺安装面位于横梁顶面,而不是与同导轨安装面同面,避免了直线电机的强电流带来的电磁干扰,同时也便于防尘、防切屑;
 
(2)采用直线电机驱动,所以焊接横梁前侧面只有上线导轨安装面,而没有丝杠或者齿条安装面,大大简化了结构;
 
(3)直驱用焊接横梁与桥梁的接合通过横梁两侧底座的底板,去除了普通龙门机床所用的结构繁琐复杂的连接滑座。
 
经过焊接件和铸造件的对比分析,GMC2550u高速龙门五轴加工中心的横梁定为焊接结构,焊接钢板选用刚性较高的16Mn材料。周边板材均用25mm厚钢板,中间筋板采用16mm厚钢板,导轨安装面和直线电机安装面均采用12mm厚钢板;横梁跨距6250mm,宽950mm,高1050mm。
 
横梁的刚度不足是影响变形的主要原因。加强筋是焊接结构设计的重要组成部分,合理地布置加强筋能收到重量轻、刚度高、成本低的良好效益;经过实践证明,现代机床的床身系统,由于加强筋的合理布置,因弹性变形而导致的加工误差,在总误差中一般不会大于10%~15%。
 
在横梁结构设计中,考虑到机床的工作环境等方面因素,对横梁内部基本结构进行对比分析,为提高横梁抗扭刚度采用了对角筋板抗扭理论,将横梁内部的筋板布置为X型;并辅以一道横筋板,并且X型筋板前后布置,中间加一道竖筋板,增强抗扭系数,横筋板和纵筋板将和横梁四周的侧板一样发挥扭转极惯性矩作用,增强横梁的抗扭刚度。横梁的剖面及内部筋板布置如图2、图3所示。
 
 
 
按照上述结构用Pro/E对横梁进行三维建模,将三维模型导入ANSYS进行分析,横梁模型结构如图1所示,横梁重约8959kg,经ANSYS分析重力作用下的变形如图4所示,主轴前端最大变形0.253mm,X方向切削力作用下变形如图5所示,主轴前端最大变形0.304mm。变形量基本在允许范围之内,产生的变形量可以通过编程进行补偿,以达到机床的设计要求。
 
通过对高速龙门五轴加工中心横梁载荷特点的分析以及焊接结构与铸造结构的对比分析,确定了的本项目的结构设计方案以及制造方式,最后经过ANSYS分析得出该横梁结构以及制造方式都是适合高速龙门五轴加工中心,尤其是对直驱式动龙门更有优势,据此设计出了GMC2550u型机床的焊接横梁。要设计制造更精密的龙门式加工中心,还需对横梁的设计进一步的深入研究。

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