引言
龍門加工中心在制造業(yè)中是很重要的加工設(shè) 備之一，由于其具有跨距大、結(jié)構(gòu)合理、剛性好、通 過(guò)工件寬度大等優(yōu)點(diǎn)，因此被廣泛應(yīng)用在航空、航 天、汽車工業(yè)、模具、大型復(fù)雜零件制造等諸多領(lǐng) 域，以實(shí)現(xiàn)其高速度、高精度、高效率的“三高”加工 要求[13].其工作臺(tái)是龍門加工中心的重要組成部 件，_方面，它的靜剛度將直接影響機(jī)床的加工精 度和精度穩(wěn)定性；另_方面，在機(jī)床的設(shè)計(jì)和制造 過(guò)程中，人們總是希望在滿足機(jī)床的強(qiáng)度和剛度的 條件下盡可能地減輕零部件的質(zhì)量[]，因此，對(duì)加 工中心工作臺(tái)進(jìn)行靜剛度研究是十分必要的.機(jī)床 的靜剛度是指機(jī)床在靜態(tài)力作用下抵抗變形的能 力，其值越大，表明機(jī)床的靜剛度越好[5].
1工作臺(tái)幾何模型的建立
用solidworks建立龍門加工中心工作臺(tái)的三 維實(shí)體模型，其整體尺寸為1 000x582x140 mm， 考慮到_些細(xì)小結(jié)構(gòu)對(duì)工作臺(tái)整體性能影響很小， 根據(jù)圣維南原理[]，在不影響工作臺(tái)剛度和強(qiáng)度的 條件下，為提高有限元分析的效率，對(duì)部分局部特 征如工藝孔、凸臺(tái)、倒角、螺紋特征等進(jìn)行了合適的 簡(jiǎn)化處理，即去除這些局部特征[7 8].在有限元分析 時(shí)，為方便、準(zhǔn)確地施加載荷和約束，用solid- works建立工件和絲杠母座的三維實(shí)體模型，并 將它們裝配在一起.根據(jù)工作臺(tái)筋板的不同，有以 下三種方案的工作臺(tái)設(shè)計(jì)形式：
(1) 方案1:0形筋工作臺(tái)
筋板在工作臺(tái)內(nèi)部左右、前后對(duì)稱分布，0形 直徑為75 mm,相距498 mm,每個(gè)0形筋分布等 夾角為60 °的6條輪輻，筋板厚度為15 mm，高度 為120 mm.并且筋板上有幾何尺寸為120 x 24 mm和60 x 24 mm的矩形槽孔，槽孔的圓角半徑 為10 mm.這種類型的筋板結(jié)構(gòu)是目前龍門工作 臺(tái)應(yīng)用的的形式之_，其三維模型如圖1 (a)所示.
(2) 方案2:橢圓形筋工作臺(tái)
工作臺(tái)內(nèi)部分布著5條橢圓形筋板，工作臺(tái)中 心為橢圓圓心，長(zhǎng)、短軸上兩條相鄰筋板間距分別 為50 mm和52 mm,筋板厚度為10 mm,高度為 120 mm.其結(jié)構(gòu)相對(duì)0形筋較簡(jiǎn)單，易于加工制 造，這種類型的筋板結(jié)構(gòu)也適用于龍門工作臺(tái)，是 較為新穎的設(shè)計(jì)，其三維模型如圖1 ( b )所示.
(3) 方案3:井字形筋工作臺(tái)
在工作臺(tái)內(nèi)部分布著間隔均勻的筋板，長(zhǎng)度方 向7條，間距為118 mm,寬度方向6條，間距為75 mm,筋板厚度為10 mm,高度為120 mm,組成井 字形，并且筋板上有幾何尺寸為72 x40 mm和60 x40 mm的矩形槽孔，槽孔的圓角半徑為10 mm. 這種筋板同樣結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于加工制造，也是龍門 加工中心工作臺(tái)應(yīng)用較為普遍的筋板類型之一，其 三維模型如圖1(c)所示.
2分析方案設(shè)計(jì)
工件在加工時(shí)，為順利完成作業(yè)，可能會(huì)裝夾 到工作臺(tái)上的不同位置，就會(huì)使工作臺(tái)有不同的靜 變形，從而測(cè)定的靜剛度也會(huì)有所不同.
為了準(zhǔn)確地表述工作臺(tái)的靜剛度，又由于工作 臺(tái)是對(duì)稱的，因此可在工作臺(tái)的1/4處均勻的取 5 4個(gè)點(diǎn)，以起始側(cè)邊角處為坐標(biāo)原點(diǎn)，第一點(diǎn)距工 作臺(tái)x向邊界50 mm, y向邊界50 mm,記為1.然 后，按兩點(diǎn)之間x向和y向分別相距50 mm和 38. 2 mm再取53個(gè)點(diǎn)，分別記為2,3,…54.將尺 寸100x100x50 mm的工件與工作臺(tái)裝配，并使 工件的底面中心分別位于這些點(diǎn)上，再將絲杠母座 也裝配到工作臺(tái)上.其中，工件底面中心位于1點(diǎn) 處的裝配體如圖2所示.
3靜力學(xué)分析
ansys workbench 是 ansys 公司開發(fā)的 新一代協(xié)同仿真集成平臺(tái)，是做有限元分析的大型 通用cae軟件，其易用性、通用性及兼容性相比 傳統(tǒng)ansys有了很大提高.其典型的靜力學(xué)分析 步驟為：前處理（導(dǎo)入幾何模型、材料屬性選擇、劃 分網(wǎng)格）、施加載荷和約束、求解[911].
3. 1前處理
通過(guò) solidworks 和 ansys workbench 無(wú)縫 連接導(dǎo)入ansys workbench中，這樣避免了因 格式轉(zhuǎn)換重新生成有限元模型時(shí)，模型特征的丟 失，省去了模型重建的時(shí)間[12].工作臺(tái)裝配體各部 分的材料屬性如表1所示.
劃分網(wǎng)格時(shí)精度選取高精度 其余選項(xiàng)均按默認(rèn)進(jìn)行網(wǎng)格劃分１３ 網(wǎng)格劃分后工作臺(tái)的有限元模型如圖３所示．
３．２ 施加載荷和約束
工作臺(tái)沿 ｘ向做進(jìn)給運(yùn)動(dòng) 滑塊與線性導(dǎo)軌的約束可以設(shè)定為ｘ向自由運(yùn)動(dòng) ｙ向 ｚ向不能移動(dòng) 絲杠母座與絲杠屬于過(guò)盈配合 不允許發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng) 故對(duì)絲杠母座的一個(gè)端面施加約束時(shí)ｙ向 ｚ向自由運(yùn)動(dòng) ｘ向不能移動(dòng)．
3.3計(jì)算結(jié)果與分析
因要計(jì)算靜剛度，所以需要求解工作臺(tái)的變形 量，因此設(shè)置求解結(jié)果為變形量，得到三種不同布 筋方案的工作臺(tái)在各個(gè)位置處的總變形量，由于篇 幅有限，在此只列出工件在井字形筋工作臺(tái)上1處 時(shí)的工作臺(tái)總變形，如圖4所示.
計(jì)算工件在0形筋工作臺(tái)、橢圓形筋工作臺(tái) 和井字形筋工作臺(tái)54個(gè)位置處的復(fù)合靜剛度，考 慮到在實(shí)際加工時(shí)，工件不會(huì)被裝夾到工作臺(tái)邊緣 處，因此沒(méi)有在邊緣處取點(diǎn).再由工作臺(tái)的對(duì)稱性， 得到整個(gè)工作臺(tái)除邊緣處的復(fù)合靜剛度.將各組數(shù) 據(jù)導(dǎo)入到matlab軟件中，
在1/4工作臺(tái)上：0形筋工 作臺(tái)的大復(fù)合靜剛度為1 563 n/pm，位置坐標(biāo)
為（250,291);小復(fù)合靜剛度為563 n/>m，位置 坐標(biāo)為（100,252. 8).橢圓形筋工作臺(tái)的大復(fù)合 靜剛度為1 740 n/>m，位置坐標(biāo)為（300,291); 小復(fù)合靜剛度為703 n/m，位置坐標(biāo)為（500, 138. 2).井字形筋工作臺(tái)的大復(fù)合靜剛度為 2 009 n/m，位置坐標(biāo)為（300,291);小復(fù)合靜 剛度為600 n/>m，位置坐標(biāo)為（100,252. 8).綜上 看來(lái)，三種不同的工作臺(tái)小復(fù)合靜剛度都位于邊 緣處和了形槽附近，應(yīng)盡量避免工件裝夾于工作 臺(tái)這些區(qū)域的附近；其大復(fù)合靜剛度都位于支座 附近，工件裝夾于工作臺(tái)的這些區(qū)域，可提高其加 工精度.
井字形筋工作臺(tái)的平均復(fù)合 靜剛度大，工件在其上加工時(shí)，變形小，加工精 度高.但是，井字形筋的靜剛度標(biāo)準(zhǔn)差也是大 的，其靜剛度分布不均勻，在進(jìn)行加工時(shí)，位置的選 擇對(duì)工件的加工精度影響很大.
4結(jié)論
用solidworks軟件建立了龍門加工中心工作 臺(tái)3種三維實(shí)體模型，在ansys workbench軟件 中進(jìn)行了靜力學(xué)分析，后使用matlab軟件繪 制了工作臺(tái)的靜剛度圖譜，可得到以下結(jié)論：
從工作臺(tái)質(zhì)量上看：井字形筋工作臺(tái)質(zhì)量 比橢圓形筋工作臺(tái)質(zhì)量輕10. 14kg，比0形筋工作 臺(tái)輕14. 11kg，其慣性力對(duì)工作臺(tái)的影響小當(dāng)
工件加工需要工作臺(tái)經(jīng)常做高速運(yùn)動(dòng)時(shí)，建議選用 井字形筋工作臺(tái).
(1) 從工作臺(tái)平均復(fù)合靜剛度上看：井字形筋 工作臺(tái)平均復(fù)合靜剛度比橢圓形筋工作臺(tái)高 11. 85%，比0形筋工作臺(tái)高18. 68%，其變形 小，加工精度高.當(dāng)工件的某些部位加工精度要 求較高時(shí)，可參考靜剛度圖譜，將工件裝夾于合適 位置，建議選用井字形筋工作臺(tái).
(3 )從工作臺(tái)靜剛度標(biāo)準(zhǔn)差上看：井字形筋工 作臺(tái)的靜剛度標(biāo)準(zhǔn)差比0形筋工作臺(tái)和橢圓形筋 工作臺(tái)分別高23. 10%和12. 46%，0形筋工作臺(tái) 的靜剛度波動(dòng)范圍小，分布更均勻.當(dāng)工件的加 工要求其加工精度整體分布比較均勻時(shí)，建議選用 0形筋工作臺(tái).
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