本發明涉及到移動式定梁龍門機床制造領域，也涉及到此類龍門機床定梁龍門框筋板的優化設計領域，更具體地涉及到對此類機床焊接型橫梁十字交叉形筋板結構的設計。

背景技術：

龍門式機床主要有加工跨距大、加工效率高、剛度高的特點，適應于批量或高精度加工。在航空、航天、汽車、模具等制造行業中得到廣泛的應用。橫梁是龍門式機床重要組成部分之一，起著連接滑座、滑鞍等關鍵部件的作用，橫梁自身的結構及布局決定了其本身的動、靜態特性，而橫梁筋板的動、靜態特性又直接關系到龍門式機床的整機性能。要提高此類機床的加工效率、精度，必須考慮機床橫梁筋板結構的靜動態特性。

龍門式加工中心橫梁受力為兩端簡支梁支承形式，橫梁所承受的力除了橫梁本身、滑枕、滑座、主軸等的自重外，還要承受由于主軸箱等的懸掛而產生的傾覆和扭轉力矩。不同筋板結構的橫梁抗彎、抗扭能力不同。筋板的作用是將局部載荷傳遞給其他壁板，從而使整個支承件能比較均勻地承受載荷，縱向隔板能提高抗彎剛度，橫向隔板能提高抗扭剛度，而斜向隔板能提高抗彎剛度，又能提高抗扭剛度。因此必須選擇合理的橫梁筋板結構布置，以提高橫梁的抗彎、抗扭能力。

如今，許多研究工作已經進行了有關的機床或橫梁剛度的分析問題。國內外在機床研究方面主要采用有限元分析方法，對結構靜、動剛度和動態穩定性進行評估，對比分析不同截面的橫梁結構，得出剛度更優的橫梁結構。另外，本發明的實施例以某龍門式銑擠復合數控機床的橫梁為研究對象，用有限元法對橫梁進行了靜、動態特性分析，并結合振動測試實驗驗證。最終確定本發明的移動式定梁龍門框機床的焊接型橫梁十字交叉形筋板結構設計更加合理，剛性、動態特性等綜合性能更好，對此類機床的制造更有意義。

技術實現要素：

本發明的目的是針對移動式定梁龍門機床(圖1)，該機床為龍門框架移動，工作臺固定式結構，該結構包括工作臺、床身、橫梁、滑鞍、滑枕、液壓系統、潤滑系統、冷卻過濾系統、排屑裝置、旋轉式操作面板以及電控系統等部件，其中橫梁是機床關鍵的結構部件。機床占地面積小、工作臺承重大、使用方便、自動化程度高等特點。本發明更具體地針對此類機床橫梁筋板結構的優化設計，提出一種焊接型橫梁的十字交叉形筋板結構。該發明的提出可降低此類機床的整機重量，提高機床的整體剛度，進而提高機床切削速度和綜合性能。

為實現上述目的，本方法采用的具體步驟如下：

步驟一：十字交叉形筋板結構的移動式定梁龍門框靜力分析

首先對移動式定梁龍門框進行三維建模，因為橫梁整體采用焊接結構，而斜向隔板能提高抗彎剛度，又能提高抗扭剛度，為了滿足焊接結構剛度不足的問題，除設計與橫梁截面平行的筋板外，十字交叉的筋板為厚度10mm的鋼板由橫梁截面對角交叉形成，筋板長度與橫梁長度一致。將建立好的三維模型導入到有限元分析軟件ANSYS Workbench中。橫梁材質為鋼材Q235，溜板及滑枕材質為灰鑄鐵HT300，使用Solid186單元進行網格劃分，單元尺寸設置為40mm。

模擬橫梁真實工況設置約束條件為：橫梁兩端與滑座接觸面處豎直方向Z向進行約束。在橫梁一端安裝電機的位置處添加柱坐標系，將水平Y向即柱坐標X向進行約束。橫梁另一端對稱位置只約束水平Y方向。這三個約束形式，能夠保證橫梁靜力分析精確求解。

當滑枕和溜板裝配在移動式定梁龍門框中部位置時，模擬橫梁所受垂向力極限情況下的靜力變形，分析其垂直Z向的最大變形量。

步驟二：十字交叉形筋板結構的移動式定梁龍門框的動力學分析

步驟2.1：定梁龍門框的模態分析

只從靜力方面分析定梁龍門框的特性是不夠的，需要進一步分析其動態特性。對橫梁自由模態進行分析，由于橫梁的前幾階固有頻率對定梁龍門框性能影響最大，本方法選擇十字交叉形筋板結構的橫梁的前三階模態，進而得到其固有頻率。

步驟2.1：定梁龍門框水平0.5g加速度的變形分析

根據機床性能要求定梁龍門框需要在接近0.5g加速度下運行，在不考慮橫梁自重的情況下分析0.5g恒加速度極限情況下的定梁結構的穩態變形。在定梁水平方向直接作用一個0.5g恒加速度力場，模擬橫梁在0.5g加速度啟動過程，加速度突然從零變到0.5g，在水平方向的變形情況。分析橫梁在極限情況下變形量是否滿足性能要求。

步驟三：十字交叉形筋板結構的移動式定梁龍門框的振動測試實驗

步驟3.1：對定梁龍門框采用錘擊法進行水平激勵

將定梁龍門框用吊車吊起，定梁龍門框的下端與地面之間懸空，此時，定梁龍門框處于自由模態。首先測定梁龍門框的水平方向模態，將加速度傳感器安裝在橫梁前導軌和下導軌面的X方向上，每個導軌面上均勻分布6個傳感器。測試時，采用信號采集分析儀器進行數據的采集與處理分析，用錘擊法測試橫梁X向的模態。每次試驗力錘錘擊次數為50次，設置采樣頻率為1024Hz，分辨率為0.5。

最后，將得到的所有測點的數據用matlab軟件編程處理，得到各測點X方向的頻響函數并由LMS系統軟件得到測點X方向的振型圖。

步驟3.2：對定梁龍門框采用錘擊法進行豎直激勵

在自由模態下，測試豎直方向的模態，將加速度傳感器安裝在橫梁前導軌和下導軌面的Z方向上，每個導軌面上均勻分布6個傳感器。測試時，采用信號采集分析儀器進行數據的采集與處理分析，用錘擊法測試橫梁Z向的模態。每次試驗力錘錘擊次數為50次，設置采樣頻率為1024Hz，分辨率為0.5。

同樣，將得到的所有測點的數據用matlab軟件編程處理，得到各測點Z方向的頻響函數并由LMS系統軟件得到測點Z方向的振型圖。

附圖說明

圖1移動式定梁龍門機床整機結構示意圖

圖2定梁十字交叉式筋板的結構示意圖等軸測圖。

圖3定梁十字交叉式筋板的結構示意圖左視圖。

具體實施方式

步驟一：十字交叉形筋板結構的移動式定梁龍門框靜力分析

將建立移動式定梁龍門框的三維模型，如圖2所示，有關橫梁剛度公式如下所示：扭轉角度；

GI＝Gβhb³稱為抗扭剛度；

β也是與比值h/b有關的系數；

(梁軸線變形后的曲率)EI為梁的抗彎剛度。

定梁龍門框的變形，主要是彎扭變形。而抗彎剛度、抗扭剛度都是截面慣性矩的函數，隨定梁龍門框截面慣性矩的增大而增加。縱向隔板能提高抗彎剛度，橫向隔板能提高抗扭剛度，而斜向隔板能提高抗彎剛度，又能提高抗扭剛度。因為橫梁整體采用焊接結構，為了滿足焊接結構剛度不足的問題，除設計與橫梁截面平行的筋板外，十字交叉的筋板為厚度10mm的鋼板由橫梁截面對角交叉形成(圖3)，筋板長度與橫梁長度一致。導入到有限元分析軟件ANSYS Workbench中。橫梁材質為鋼材Q235，溜板及滑枕材質為灰鑄鐵HT300，材料參數為：彈性模量：126GPa，泊松比：0.27，密度：7200。采用自由網格劃分的方式，使用Solid186單元進行網格劃分，單元尺寸設置為40mm。模擬橫梁真實工況設置約束條件為：橫梁兩端與滑座接觸面處豎直方向Z向進行約束。在橫梁一端安裝電機的位置處添加柱坐標系，將水平Y向即柱坐標X向進行約束。橫梁另一端對稱位置只約束水平Y方向。這三個約束形式，能夠保證橫梁靜力分析精確求解。

當滑枕和溜板裝配在移動式定梁龍門框中部位置時，模擬橫梁所受垂向力極限情況下的靜力變形，分析其垂直Z向的最大變形量。

步驟二：定梁龍門框的動力學分析

步驟2.1：定梁龍門框的模態分析

只從靜力方面分析定梁龍門框的特性是遠遠不夠的，需要進一步分析其動態特性。對橫梁自由模態進行分析，由于橫梁的前幾階固有頻率對其性能影響最大，所以只對這種十字交叉形筋板結構的橫梁的前三階模態進行研究。定梁第一到第三階固有頻率列表如表1所示，并可進一步得到該橫梁的振型圖。由此可知，十字交叉形式筋板結構的定梁抗振性良好。

步驟2.1：定梁龍門框水平0.5g加速度的變形分析

根據機床性能要求定梁龍門框需要在接近0.5g加速度下運行，在不考慮橫梁自重的情況下分析0.5g恒加速度極限情況下的定梁結構的穩態變形。在定梁水平方向直接作用一個0.5g恒加速度力場，模擬橫梁在0.5g加速度啟動過程中(加速度突然從零變到0.5g)，在水平方向的變形情況。

通過計算分析可知十字交叉形筋板結構的焊接型移動式定梁龍門框的動態特性較高，極限加速度情況下完全可以滿足機床性能要求，而且其工藝要求不高，便于制造加工。

步驟三：十字交叉形筋板結構的移動式定梁龍門框的振動測試實驗

步驟3.1：對定梁龍門框采用錘擊法進行水平激勵

移動式定梁龍門框的安放用吊車吊起，其下端與地面之間懸空。橫梁處于自由模態，首先測其水平方向的模態，將加速度傳感器安裝在橫梁前導軌和下導軌面的X方向上，每個導軌面上均勻分布6個傳感器。能夠滿足測得橫梁在X方向的所有振型，移動式定梁龍門框錘擊點位于橫梁一端下導軌面一側位置。

測試時，采用比利時LMS公司的信號采集分析儀器進行數據的采集與處理分析，用錘擊法測試橫梁X向的模態。每次試驗力錘錘擊次數為50次，設置采樣頻率為1024Hz，分辨率為0.5。

將得到的所有測點的數據通過matlab軟件編程處理做出頻響函數曲線，顯然，所有測點的頻響函數均在三個頻率處出現了峰值。任取一個測點的頻響函數在LMS軟件中進行LSCE運算并觀察陣型，最終得到移動式定梁龍門框在豎直方向的兩個共振頻率大約為96.003Hz，237.75Hz。通過LMS系統軟件做出移動式定梁龍門框在這兩個頻率處的振型。

步驟3.2：對定梁龍門框采用錘擊法進行豎直激勵

繼續測試移動式定梁龍門框在豎直方向上的模態。移動式定梁龍門框用吊車吊起，其下端與地面之間懸空，處于自由模態，測試其豎直方向的模態。將加速度傳感器安裝在橫梁前導軌和下導軌面的Z方向上，每個導軌面上均勻分布6個傳感器。滿足能夠測得橫梁在Z方向的所有振型，移動式定梁龍門框錘擊點位于橫梁一端下導軌面位置。

測試時，采用比利時LMS公司的信號采集分析儀器進行數據的采集與處理分析，用錘擊法測試橫梁Z向的模態。每次試驗力錘錘擊次數為50次，設置采樣頻率為1024Hz，分辨率為0.5。

最后將得到的所有測點的數據由matlab軟件編程處理得到頻響函數曲線，所有測點的頻響函數均在五個頻率處出現了峰值。任取一個測點的頻響函數進行LSCE運算并觀察陣型，最終確定移動式定梁龍門框在豎直方向的共振頻率大約為101.854Hz，108.807Hz，211.973Hz。

通過LMS軟件對頻響函數做LSCE運算，得到移動式定梁龍門框在豎直方向上的固有頻率為：101.85Hz，108.807Hz，211.973Hz，。通過LMS系統軟件做出移動式定梁龍門框在這三個頻率處的振型。移動式定梁龍門框在三個固有頻率處的陣型如表2所示。

表1有限元分析移動式定梁龍門框固有頻率

表2移動式定梁龍門框固有頻率