龍門式玻璃鉆孔機橫梁靜動態(tài)分析及結構改進

陳 喆, 歐陽八生*, 謝永泉

(1.南華大學 機械工程學院,湖南 衡陽 421001;2.佛山山夏自動化機械有限公司,廣東 佛山 528305)

0 引 言

玻璃是一種硬脆材料，在建筑、家具、裝飾等行業(yè)應用非常廣泛，由于大尺寸、厚型玻璃加工的需要，某企業(yè)自主研發(fā)了DAS系列1+1-3015龍門式玻璃鉆孔機(如圖1所示)，其結構主要由上、下機頭組、立柱、橫梁、玻璃輸送裝置、玻璃夾具等組成。該機床橫梁采用龍門結構，長、寬、高的尺寸為4 180 mm×232 mm×1 170 mm，可滿足大尺寸玻璃(寬度達3 015 mm)加工需要，其加強筋結構形狀參考橋梁結構設計；加工方式采用上下對鉆，上下橫梁各裝有兩個主軸動力頭，如圖2所示，可達到加工厚型玻璃(厚度達12 mm)的需要。但這種大尺寸龍門式玻璃對向鉆孔機床是公司首次研發(fā)，市面上也未見相關報道，在使用過程中，由于機頭橫向運動時橫梁受機頭自重而容易產生較大變形，導致機頭主軸與工作臺不垂直，難以滿足上下雙向對鉆的加工精度要求，因此提高橫梁性能對鉆孔機的結構設計非常重要。

1—立柱；2—上機頭組；3—下機頭組；4—玻璃夾具；5—橫梁；6—玻璃輸送裝置。圖1 DAS系列龍門式玻璃鉆孔機Fig.1 DAS series gantry glass drilling machine

本文以橫梁為研究對象，運用有限元軟件workbench對現(xiàn)有結構進行了靜力和模態(tài)分析，為提高橫梁的剛度，對橫梁加強筋結構的形狀和位置及結構進行改進，分析和比較橫梁的靜動態(tài)特性，不但要求保證足夠的剛度，而且盡量減輕橫梁的重量，以滿足在保證加工精度的前提下，節(jié)約制造成本。

1—下主軸動力頭；2—滑枕；3—滑座；4—上主軸動力頭。圖2 龍門式鉆孔機主軸結構圖Fig.2 Gantry boring machine spindle structure

1 橫梁的實體模型

通過solidworks對現(xiàn)有橫梁進行三維建模，為了便于有限元分析計算并減少計算量，在實體建模過程中，對橫梁進行了適當簡化，去除了倒角、圓角、螺紋孔、定位孔等特征，得到簡化后的橫梁二維結構，如圖3所示。

圖3 簡化橫梁二維結構Fig.3 Simplify the structure of beam 2 d

2 現(xiàn)有橫梁的靜動態(tài)分析

2.1 網格劃分

將橫梁的實體模型導入有限元分析軟件中。橫梁為鑄造件，材料為QT400-18，材料屬性設置為:彈性模量取1.61×105MPa，泊松比取0.274，密度取7 010 kg/m3。網格劃分采用solid187單元結構，單元大小設置為15 mm，運用自由網格劃分得到橫梁的有限元模型，如圖4所示。

圖4 橫梁有限元模型Fig.4 The beam finite element model

2.2 約束與載荷

忽略橫梁與導軌之間的接觸變形，近似將接觸看作剛性接觸[1]，橫梁與立柱通過螺絲連接，為了省去立柱的模擬計算量，將橫梁和立柱的接觸面設置成固定。當兩對上下機頭組件運動到橫梁中間，滑枕在滑座上運動到終點時，此時橫梁的彎曲變形最大[2]，按此工位進行模擬。將橫梁的自重力和兩對上下機頭組件的重力作為施加載荷，靜態(tài)分析時切削力在垂直方向與重力是相反的，有利于減少變形，為了計算出最大變形情況，忽略了切削力。為了模擬方便減少計算量，4個機頭組件的自重采用加載力的方式加載在橫梁螺栓孔上，機頭加載力可通過對單個機頭稱重測得為4 018 N。

2.3 橫梁變形量模擬結果及分析

通過有限元模擬分析得到橫梁上部在水平方向、豎直方向及總位移變形量，如圖5所示，從圖可知，橫梁變形相對中心呈對稱分布，其最大變形量發(fā)生在中間部位，總變形量最大可達135 μm，沒有滿足上下主軸110 μm精度要求。

2.4 橫梁模態(tài)模擬結果及分析

運用有限元對橫梁進行模態(tài)分析時，不需要考慮對其施加外部載荷，只需要設置好約束條件即可[3]。邊界約束條件與靜態(tài)分析一致，取前六階模態(tài)頻率及振型進行研究，圖6為橫梁的一階振型圖，從振型圖可知橫梁中間變形較大。前六階模態(tài)頻率及振型描述如表1所示，從振型描述中可知一階、二階的振型是橫梁的水平移動，三階、四階的振型是上下部分的扭轉變形。通常剛度較弱的模態(tài)為低階模態(tài)[4]，因此橫梁的豎直剛度要優(yōu)于水平剛度，橫梁的變形主要發(fā)生在上下橫梁的中間部分。

圖5 橫梁變形量Fig.5 The beam deformation

圖6 橫梁一階振型圖Fig.6 The beam first vibration mode figure

表1 橫梁頻率及振型Table 1 Beam frequency and vibration mode

3 橫梁改進設計

通過對龍門式鉆孔機結構進行整體分析，為了不影響橫梁后續(xù)的裝配，考慮不改變外部整體形狀和尺寸，只對橫梁內部筋板的形狀和位置及結構進行改進，減少因自重產生的變形，以改善橫梁的靜動態(tài)特性，提高龍門鉆孔機的加工精度。

3.1 橫梁形狀改進

通過對X、V、O型等形狀進行模擬比較分析，發(fā)現(xiàn)X型結構相對較好，因此本設計將橫梁筋板形狀由原來的V型改為X型結構，如圖7所示。為了方便與原V型結構比較，橫梁筋板厚度和寬度都不變，橫梁所施加的載荷與約束條件也相同。

圖7 形狀改進X型二維圖Fig.7 X 2 d figure of shape improvement

3.2 橫梁位置及結構改進

通過模態(tài)分析知道水平剛度比較弱，主要原因是由于載荷在導軌面上會產生彎矩，導致水平變形比較大。對橫梁原筋板分析發(fā)現(xiàn)，在不影響裝配的前提下，筋板可以往載荷方向移動6 mm以減少由于主軸重力載荷產生的彎矩。

為了減少豎直方向的變形，在橫梁下面增設兩條凹型梁，筋板的厚度為25 mm不變，筋板的寬度減為60 mm，更改后的橫梁截面圖，如圖8所示。

圖8 位置及結構改進橫梁截面圖Fig.8 Beam section graph of position and structure improvement

3.3 改進后橫梁模擬結果及分析

按照前面介紹的分析方法對改進后的兩種橫梁分別進行靜態(tài)分析和模態(tài)分析，其結果如表2所示，分析可知，橫梁加強筋的形狀對橫梁的剛性和自重影響較大，X型結構比原來的V型更好，其總位移變形量為108 μm，比原來減少了20%，水平方向變形量和豎直方向變形量也均有所減少，但豎直方向比水平方向的變形量減少更多，說明加強筋的形狀對橫梁在豎直方向的剛性影響較大，而水平方向的變形量主要是由于主軸重力載荷形成的彎矩而產生的，因此橫梁加強筋的位置也需要改進。

表2 橫梁改進對比表Table 2 Contrast table of beam improvement

對橫梁加強筋的位置和結構進一步改進，從表中模擬結果分析可知，加強筋位置改變對水平方向變形量減少明顯，比原來減少了22.7%，總位移變形量為102 μm，比原來減少了24.4%，能達到機床設計110 μm精度要求。

改進后橫梁總質量都有所減少，比原結構輕了136 kg，節(jié)約了材料。通過固有頻率的特性可知頻率和質量成反比，改進后橫梁質量減輕，前6階頻率都有所提高，說明其動態(tài)特性良好，提高了橫梁結構的穩(wěn)定性。

4 結 論

通過有限元軟件workbench對龍門式鉆孔機的橫梁進行了靜態(tài)分析和模態(tài)分析，得到如下結論:

1)原橫梁的剛性較差，容易因橫梁自重和動力頭自重等載荷產生變形，模擬結果說明其最大變形出現(xiàn)在中心位置，最大變形量達135 μm，沒有滿足上下主軸110 μm精度要求。

2)橫梁加強筋的形狀對橫梁的剛性和自重影響較大，通過模擬分析可知，X型結構比原來的V型更好，其最大變形量為108 μm，比原來減少了20%，而質量減少5.95%，頻率有所提高。

3)對橫梁板的結構及加強筋位置進行改進，通過模擬分析可知，改進后結構質量比原來減少了9.7%，而橫梁最大變形量為102 μm，比原來減少了24.4%，頻率都有所提高。

通過對橫梁加強筋的形狀、位置及結構進行改進，結果分析表明改進后結構既滿足輕量化、低成本需要，又能達到機床精度要求。