龙门式玻璃钻孔机横梁静动态分析及结构改进

陈 喆, 欧阳八生*, 谢永泉

(1.南华大学 机械工程学院,湖南 衡阳 421001;2.佛山山夏自动化机械有限公司,广东 佛山 528305)

0 引 言

玻璃是一种硬脆材料，在建筑、家具、装饰等行业应用非常广泛，由于大尺寸、厚型玻璃加工的需要，某企业自主研发了DAS系列1+1-3015龙门式玻璃钻孔机(如图1所示)，其结构主要由上、下机头组、立柱、横梁、玻璃输送装置、玻璃夹具等组成。该机床横梁采用龙门结构，长、宽、高的尺寸为4 180 mm×232 mm×1 170 mm，可满足大尺寸玻璃(宽度达3 015 mm)加工需要，其加强筋结构形状参考桥梁结构设计；加工方式采用上下对钻，上下横梁各装有两个主轴动力头，如图2所示，可达到加工厚型玻璃(厚度达12 mm)的需要。但这种大尺寸龙门式玻璃对向钻孔机床是公司首次研发，市面上也未见相关报道，在使用过程中，由于机头横向运动时横梁受机头自重而容易产生较大变形，导致机头主轴与工作台不垂直，难以满足上下双向对钻的加工精度要求，因此提高横梁性能对钻孔机的结构设计非常重要。

1—立柱；2—上机头组；3—下机头组；4—玻璃夹具；5—横梁；6—玻璃输送装置。图1 DAS系列龙门式玻璃钻孔机Fig.1 DAS series gantry glass drilling machine

本文以横梁为研究对象，运用有限元软件workbench对现有结构进行了静力和模态分析，为提高横梁的刚度，对横梁加强筋结构的形状和位置及结构进行改进，分析和比较横梁的静动态特性，不但要求保证足够的刚度，而且尽量减轻横梁的重量，以满足在保证加工精度的前提下，节约制造成本。

1—下主轴动力头；2—滑枕；3—滑座；4—上主轴动力头。图2 龙门式钻孔机主轴结构图Fig.2 Gantry boring machine spindle structure

1 横梁的实体模型

通过solidworks对现有横梁进行三维建模，为了便于有限元分析计算并减少计算量，在实体建模过程中，对横梁进行了适当简化，去除了倒角、圆角、螺纹孔、定位孔等特征，得到简化后的横梁二维结构，如图3所示。

图3 简化横梁二维结构Fig.3 Simplify the structure of beam 2 d

2 现有横梁的静动态分析

2.1 网格划分

将横梁的实体模型导入有限元分析软件中。横梁为铸造件，材料为QT400-18，材料属性设置为:弹性模量取1.61×105MPa，泊松比取0.274，密度取7 010 kg/m3。网格划分采用solid187单元结构，单元大小设置为15 mm，运用自由网格划分得到横梁的有限元模型，如图4所示。

图4 横梁有限元模型Fig.4 The beam finite element model

2.2 约束与载荷

忽略横梁与导轨之间的接触变形，近似将接触看作刚性接触[1]，横梁与立柱通过螺丝连接，为了省去立柱的模拟计算量，将横梁和立柱的接触面设置成固定。当两对上下机头组件运动到横梁中间，滑枕在滑座上运动到终点时，此时横梁的弯曲变形最大[2]，按此工位进行模拟。将横梁的自重力和两对上下机头组件的重力作为施加载荷，静态分析时切削力在垂直方向与重力是相反的，有利于减少变形，为了计算出最大变形情况，忽略了切削力。为了模拟方便减少计算量，4个机头组件的自重采用加载力的方式加载在横梁螺栓孔上，机头加载力可通过对单个机头称重测得为4 018 N。

2.3 横梁变形量模拟结果及分析

通过有限元模拟分析得到横梁上部在水平方向、竖直方向及总位移变形量，如图5所示，从图可知，横梁变形相对中心呈对称分布，其最大变形量发生在中间部位，总变形量最大可达135 μm，没有满足上下主轴110 μm精度要求。

2.4 横梁模态模拟结果及分析

运用有限元对横梁进行模态分析时，不需要考虑对其施加外部载荷，只需要设置好约束条件即可[3]。边界约束条件与静态分析一致，取前六阶模态频率及振型进行研究，图6为横梁的一阶振型图，从振型图可知横梁中间变形较大。前六阶模态频率及振型描述如表1所示，从振型描述中可知一阶、二阶的振型是横梁的水平移动，三阶、四阶的振型是上下部分的扭转变形。通常刚度较弱的模态为低阶模态[4]，因此横梁的竖直刚度要优于水平刚度，横梁的变形主要发生在上下横梁的中间部分。

图5 横梁变形量Fig.5 The beam deformation

图6 横梁一阶振型图Fig.6 The beam first vibration mode figure

表1 横梁频率及振型Table 1 Beam frequency and vibration mode

3 横梁改进设计

通过对龙门式钻孔机结构进行整体分析，为了不影响横梁后续的装配，考虑不改变外部整体形状和尺寸，只对横梁内部筋板的形状和位置及结构进行改进，减少因自重产生的变形，以改善横梁的静动态特性，提高龙门钻孔机的加工精度。

3.1 横梁形状改进

通过对X、V、O型等形状进行模拟比较分析，发现X型结构相对较好，因此本设计将横梁筋板形状由原来的V型改为X型结构，如图7所示。为了方便与原V型结构比较，横梁筋板厚度和宽度都不变，横梁所施加的载荷与约束条件也相同。

图7 形状改进X型二维图Fig.7 X 2 d figure of shape improvement

3.2 横梁位置及结构改进

通过模态分析知道水平刚度比较弱，主要原因是由于载荷在导轨面上会产生弯矩，导致水平变形比较大。对横梁原筋板分析发现，在不影响装配的前提下，筋板可以往载荷方向移动6 mm以减少由于主轴重力载荷产生的弯矩。

为了减少竖直方向的变形，在横梁下面增设两条凹型梁，筋板的厚度为25 mm不变，筋板的宽度减为60 mm，更改后的横梁截面图，如图8所示。

图8 位置及结构改进横梁截面图Fig.8 Beam section graph of position and structure improvement

3.3 改进后横梁模拟结果及分析

按照前面介绍的分析方法对改进后的两种横梁分别进行静态分析和模态分析，其结果如表2所示，分析可知，横梁加强筋的形状对横梁的刚性和自重影响较大，X型结构比原来的V型更好，其总位移变形量为108 μm，比原来减少了20%，水平方向变形量和竖直方向变形量也均有所减少，但竖直方向比水平方向的变形量减少更多，说明加强筋的形状对横梁在竖直方向的刚性影响较大，而水平方向的变形量主要是由于主轴重力载荷形成的弯矩而产生的，因此横梁加强筋的位置也需要改进。

表2 横梁改进对比表Table 2 Contrast table of beam improvement

对横梁加强筋的位置和结构进一步改进，从表中模拟结果分析可知，加强筋位置改变对水平方向变形量减少明显，比原来减少了22.7%，总位移变形量为102 μm，比原来减少了24.4%，能达到机床设计110 μm精度要求。

改进后横梁总质量都有所减少，比原结构轻了136 kg，节约了材料。通过固有频率的特性可知频率和质量成反比，改进后横梁质量减轻，前6阶频率都有所提高，说明其动态特性良好，提高了横梁结构的稳定性。

4 结 论

通过有限元软件workbench对龙门式钻孔机的横梁进行了静态分析和模态分析，得到如下结论:

1)原横梁的刚性较差，容易因横梁自重和动力头自重等载荷产生变形，模拟结果说明其最大变形出现在中心位置，最大变形量达135 μm，没有满足上下主轴110 μm精度要求。

2)横梁加强筋的形状对横梁的刚性和自重影响较大，通过模拟分析可知，X型结构比原来的V型更好，其最大变形量为108 μm，比原来减少了20%，而质量减少5.95%，频率有所提高。

3)对横梁板的结构及加强筋位置进行改进，通过模拟分析可知，改进后结构质量比原来减少了9.7%，而横梁最大变形量为102 μm，比原来减少了24.4%，频率都有所提高。

通过对横梁加强筋的形状、位置及结构进行改进，结果分析表明改进后结构既满足轻量化、低成本需要，又能达到机床精度要求。