龍門式玻璃鉆孔機橫梁靜動態分析及結構改進

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、裝飾等行業應用非常廣泛，由于大尺寸、厚型玻璃加工的需要，某企業自主研發了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，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對現有結構進行了靜力和模態分析，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 現有橫梁的靜動態分析

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 橫梁模態模擬結果及分析

運用有限元對橫梁進行模態分析時，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分析一致，取前六階模態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為低階模態[4]，因此橫梁的豎直剛度要優于水平剛度，橫梁的變形主要發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，發現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現，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分析和模態分析，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，說明其動態特性良好，提高了橫梁結構的穩定性。

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分析和模態分析，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。