龙门加工中心横梁力学分析及导轨变形补偿

随着工程机械、轨道交通、航空航天、能源等行业的快速发展，大、重型机械零部件被大量应用于关键装备制造产品上。龙门机床作为加工大、重型零件的主力机床，在重型装备制造业领域发挥着重大的作用

。作为龙门机床的主要支撑件，横梁在机床的动、静态特性方面起到极为重要的作用，同时横梁导轨的变形影响加工精度，进而影响机床的性能，所以研究横梁的静态特性和变形情况，对于提高整机的加工精度和效率具有重要的意义。

当反常出现后，当自然界以某种方式违反支配常规科学所做的预测后，此时科学共同体成员则会对反常的现象和领域进行一定的研究，以便找出问题所在，通过调整范式来消解这种反常。“发现始于意识到反常，即始于认识到自然界总是以某种方法违反支配常规科学的范式所做的预测。”[2]44由此可见，出现反常现象后，调整范式是关键的一步。范式有能力迫使科学共同体成员去处理这种反常，因此，范式不仅仅是被动的被利用的，它也有主动的一面。科学共同体依赖于范式的时候，范式便由被动的状态变为主动的状态，由静态转变为动态。

近年来,国内的许多大学和研究机构对机床的横梁进行了深入的研究。李伯基等人运用有限元软件从结构设计上分析横梁的变形情况，并阐述了制造工艺对横梁导轨变形产生的影响

；关英俊等人建立移动龙门加工中心横梁有限元模型，对横梁进行静动态刚度分析，提出了改进优化方案

；李焱等人采用有限元分析技术对机床整机及主要部件进行了静力学分析，发现横梁与滑枕为影响整机静刚度的薄弱环节，对横梁与滑枕的结构进行优化改进，从而提高了机床的静刚度

；侯红玲等人利用有限元分析软件，在材料和截面空间尺寸相似的情况下，对截面形状不同的几种结构的梁进行静力和模态分析，将强度较好的梁，用模态分析得到刚度更好的梁。通过结构的变形和一阶频率的振型研究比较，初步确定了较为合理的横梁结构

。

虽然国内学者对横梁的静动态特性进行了一系列的研究，但均是从横梁结构对其变形的影响来分析的。由于重型机床的结构件自身的重量增加了驱动电机的功率，增加丝杠的负担，因此在垂直移动部件上采用平衡油缸来平衡结构自身的重力，并充分考虑到平衡油缸对横梁变形的影响，对提高机床的X轴、Z轴运动的定位精度、加工精度以及加工过程的快速性、稳定性及部件寿命的提高都具有十分重要的意义

。

自我国实现改革开放后，社会经济体制得到了迅速发展，而当代企业的发展在这样的环境下也得到了大力推进，以此同时，其在发展过程中也面临着诸多挑战。由此，当代企业必须加强对危急意识的培养，在不断完善自身管理体系的同时，结合社会的发展需求成立一套具备针对性的企业管理系统。所谓管理会计是指将企业管理以及会计工作相互结合，不仅突破了传统财务管理的局限性，同时能够分析企业生产环节以及财务数据等方面来实现对企业管理重点的有效预测，以此为企业的生产经营等提供可靠保障。

1 XH2130龙门加工中心简介

由于重型机床的结构件的自身重量的影响，为了降低驱动电机的功率，减小丝杠的负担，在垂直移动部件上采用了平衡油缸来平衡结构的自身重力。在XH2130型龙门加工中心中，上下运动(沿Y方向)的活动部件包括：动横梁和滑枕，因此，在动横梁和滑枕上各设计了两个平衡油缸，用于平衡结构的自身重力。

横梁、滑枕液压自动平衡系统对机床加工精度的提高，加工过程的快速性、稳定性及部件寿命的提高都具有十分重要的意义。其功能是通过液压系统平衡掉横梁、滑枕等运动部件的自重，在各种工况下减小伺服电机的无用负荷动，降低了横梁的挠度变形，从而保持了横梁移动的精度

。横梁上安装伺服电机通过减速箱驱动丝杠实现Y轴滑座的移动。

机床坐标定义：

X轴：工作台沿床身导轨往复运动；Y轴：滑座沿横梁导轨作往复运动；

Z轴：滑枕沿滑座导轨作往复运动；W轴：横梁沿立柱导轨作往复运动；

在有限元模型计算时，采用的坐标系如图所示，X方向为滑座的运动方向，Y方向为滑枕的运动正方向，也是重力加速度的方向，Z方向为工作台的运动方向，该坐标系与所定义的机床坐标有所不同，因此，本文以下部分除非特别说明，用X方向、Y方向、Z方向指代有限元模型及计算结果，用X轴、Y轴、Z轴指代机床坐标，用于表示机床各个结构的运动位置。

2 有限元模型

2.1 定义材料属性和网格划分

为减少有限元网格划分时间,提高网格质量，在建模时对整机模型进行适当的简化，然后导入ANSYS有限元析软件中，材料属性如表1所示:

再者，美国对伊朗的制裁规则较一般法律文件具有更强的灵活性。这主要是考虑到制裁涉及的外交和政治复杂性，要为美国政府留下操作空间。例如，在判断构成受到制裁的“重大交易”问题上，制裁规则要求财政部综合考虑交易的数量、金额、频率等因素做出判断，并没有规定明确的判断标准③Iranian Financial Sanctions Regulations, 31 C.F.R. §561.404.。同时，其制裁方式也具有多样性。例如，在违反“次级制裁”的情况下，国务卿和财政部有从12项惩罚措施中任意选择5项对相关主体进行制裁的权力。

1)约束条件

再次量特殊角：课件出示各种开口的角。让学生先猜猜其大小，而后充分讨论，操作交流，得出此类特殊角的量法与向左向右角的量法本质是一致的,都是点对中心点，边对“0线边”，看清内外圈，再看另一边。不同的是量角器的摆放位置。

利用Epidata3.0软件录入所有的数据，采用SPSS20.0统计学软件对本次研究的观察指标进行统计，计量资料用（±s）表示，组间比较采用t检验，计数资料用n（%）表示，组间比较采用χ2检验，P＜0.05为差异具有统计学意义。

2.2 约束及加载条件

运用自由网格划分类型对整机进行划分网格，设置相对大小为Coarse，划分网格结果如图1所示，共有212219个节点，110945个网格单元

。

基于综合集成赋权法建立了涵盖从签订合同开始到售后维护阶段的全过程供应商评价指标体系和以正太分布和2/8原则相结合的供应商分级，利用供应商的综合评价得分将供应商分为A级(处于行业领先水平)、B级(高于行业平均水平)、C级(处于行业一般水平)和D级(低于行业平均水平)四个等级，并分别制定了相应的管理策略，将绩效评估与分级管理相结合，实现了供应商的差异化管理。供应商分级适用于物资供应商数量较多(>9)的情况，供应商数量越多正太分布效果越明显。

①机床立柱固定在地面上，故将两个立柱的地面设置成固定约束；

②动横梁通过立柱上的滚珠丝杠实现上下移动，设置丝母座沿导轨Y方向位移约束；滑座丝母座沿X方向位移约束；滑枕丝母座沿Y方向位移约束。

2)受力情况

①自身重力：重量加速度设置为Y方向，重力加速度大小为9806.6mm/s

。

②切削力：由设计参数可知切削最大扭矩为1200Nm，切削刀盘的直径为300mm。因此，切削力为：1200/0.15=8000N。切削扭矩作用在滑枕顶部电主轴与滑枕相连接的表面上，切削载荷作用在滑枕内部用于固定铣头的圆形固定座，采用轴承载荷的方式进行加Bearing Load=8000N。

③在横梁和滑枕上增加平衡油缸时受力情况

XH2130龙门加工中心要由床身、工作台、立柱、定横梁、动横梁、滑座、滑枕、附件头库、刀库、液压系统、润滑系统、电气系统等部件组成，为工作台移动，采用双立柱横梁升降，龙门固定式结构。其中动横梁采用箱式铸造结构，由滚珠丝杠驱动，沿立柱导轨上下移动。导轨形式为矩形导轨，表面粘贴有塑料导轨板，具有摩擦系数小、运动精度高、使用寿命长、抗振性好、刚性高等优点。上下移动时增加了液压自动平衡系统。

动横梁平衡油缸固定在两个立柱上，用拉杆拉住动横梁的两端的吊块，因此，作用在立柱上的反作用力是未简化情况下，动横梁上所有零件重量的总和：动横梁质量(9300kg)+滑座质量(2220kg)+ 滑枕质量(2108kg)=13628kg，平均每一个立柱上的反作用力为66822N。而实际加载在动横梁吊块上的平衡拉力为简化后的模型质量总和113570N，平均在每个吊块上的拉力即为56785N。

滑枕平衡油缸是为克服滑枕上所有零件的自身重力的，两个滑枕平衡油缸分别位于滑枕的两侧，并固定在滑座上，拉杆末端固定在滑枕的顶端。作用在滑枕上的拉力为简化后的模型重量：94849.8N，而作用在滑块上的反作用力为滑枕结构的实际重量：20672N

。

2.3 多模型计算

为了解机床各结构件运动到不同位置时，横梁的受力变形情况，按照龙门结构内各零件的运动行程，如动横梁(W=0～1200mm)滑座(Y=0～4200mm)滑枕(Z = 0～1000mm)，对每个结构设置5个运动关键点，分别位于行程的0%，25%，50%，75%和100%的位置，统计如表2所示：

2.4 静态分析及结果

滑座Y=2100mm,滑枕Z=1000mm,动横梁W=1200mm的计算变形量得知，变形量较大的位置在立柱上固定动横梁平衡油缸刚的位置，此处的变形对加工精度的影响较小，但是仍然可以考虑修改此处的结构。

通过分析以上计算结果可见，横梁的X方向和Z方向的变形量基本保持恒定，并且随着滑座、横梁和滑枕位置的变化而产生的变化很小，横梁Y方向的变形量与滑座的行程有较大的关系，而与横梁和滑枕位置的变化关系较小。当滑座位置在横梁中间位置时，横梁变形量和Y方向变形量最大，向两端逐渐减小，其最大位移可达到0.08092539mm，并通过对滑枕变形分析可知，滑枕行程越大，则其变形量也越大，究其原因，由于滑枕伸出滑座后，就变成了一个悬臂梁的结构，当切削力作用在末端时，悬臂梁伸出的长度越大，变形量也就越大。由上可知，可以考虑修改滑枕伸出的结构，或者增加其他辅助支撑的结构来提高横梁、滑枕的刚度。

1)当无切削力仅受重力时，变形情况如图2：

内镜是一种重要的医用工具,其对于消化道、支气管等疾病的临床诊断与治疗具有重要作用。内镜检查时,需要将内镜和患者的血液、组织或者体液等密切接触,才能够发挥作用,完成诊断与治疗,因而内镜检查是一种侵入性操作[1]。一旦内镜清洗不到位,消毒不彻底,极容易将病原菌带给患者,进而导致患者出现医源性感染,威胁患者生命健康安全。基于此,本研究随机选取了610件处于临用状态的内镜,针对内镜清洗消毒护理存在的问题与策略进行了分析,现报道如下。

2)当受到切削力方向为X=-8000N时，变形情况如图3：

5)当受到切削力方向为Z=-8000N时，变形情况如图6：

4)当受到切削力方向为Z=+8000N时，变形情况如图5：

3)当受到切削力方向为X=+8000N时，变形情况如图4：

第一组图表显示了职业与服务提供之间的相关关系，目的是为了以图表的方式阐明：尽管经济问题必然是医院社会服务要解决的重大问题，但却并非是唯一重大的问题。这些表格同样反映在三等病人之间社会分类的范围问题。许多相似的职业和服务类型被分组列表于一般性题目之下，以便使表格简洁明了。“Steering”一词表示，探访那些由外面的社会机构或医疗机构转介的病人。通过特定诊所，而且在将他们转回最初来源机构之时，为他们撰写一份包含医生发现的问题和推荐保健护理措施的报告。

通过多模型计算后，得到横梁 X、Y、Z 和总变形量图。观察数据可知，横梁和滑枕的位置变化对于横梁的变形影响很小，所以这里重点分析滑座的位置对于横梁变形的影响，具体情况如下所示：

3 横梁导轨变形补偿

通过结合横梁导轨实际工况，对导轨面建立有限元分析模型，并对两个导轨面做标记为上导轨、下导轨，分析横梁的两个导轨面的变形情况，并绘制出导轨的变形曲线。

分析结果表明：该横梁的上下导轨在受力情况下，变形趋势是向上凸，完全符合受力分析和实际变形情况。根据补偿原理，描绘出导轨面的补偿曲线，依照补偿曲线将横梁导轨面加工成补偿曲线型导轨面。

由于补偿曲线是根据系列点而连成的曲线，不遵循一定的规律。为了得到导轨的补偿变形曲线方程，需要对变形曲线进行拟合。经过试验以六阶多项式拟合效果最好，得到的拟合曲线如图13所示，并得到拟合补偿曲线方程：

二是由评价实践主体具备的“技巧、技能”等处在的状态、水平发展成为对实践主体及事物所处状态、层次的评价。如《天问》：“穆王巧挴，夫何为周流。”洪兴祖补注：“巧挴，言巧于贪求也。”[15]由此，“巧”有了“擅长、善于”义。

经过长期努力，各地面对城市洪涝灾害时的反应速度不断加快，处理措施更加完善，应急处置能力不断提高。北京市2013年汛期共出动抢险人员50万人次，排除积水30处次，处理塌方和滑坡40点次，转移群众3.7万人次，有力保障了人民生命财产安全。上海市遭遇2013年第23号强台风“菲特”袭击，全市普降大暴雨到特大暴雨，上海各地区、各行业按照防汛责任制和工作预案，迅速形成了较完整的防汛抗灾组织体系，出动抢险、排水、巡查人员2万余人次，出动各类应急抢险车辆1200余台次，动员社会各界力量广泛参与防风抗灾，全力保障城市安全运转。

上导轨拟合补偿曲线方程：Y

=7E-08x

-5E-06x

+0.0001x

-0.0011x

+0.0047x

-0.0091x-0.0318;

下导轨拟合补偿曲线方程：Y

=5E-08x

-4E-06x

+8E-05x

-0.0008x

+0.0027x

-0.0048x-0.0355;

拟合度分别为0.9972，0.9965。两个曲线的拟合度很高，拟合成功

。

4 结论

1、横梁的X方向和Z方向的变形量基本保持恒定，并且随着滑座、横梁和滑枕位置的变化而产生的变化很小，横梁Y方向的变形量与滑座的行程有较大的关系，而与横梁和滑枕位置的变化关系较小。当滑座位置在横梁中间位置时，则其横梁变形量和Y方向变形量最大，向两端逐渐减小，其最大位移可达到0.08092539mm，并通过对滑枕变形分析得，滑枕行程越大，则其变形量也越大。可以考虑修改滑枕伸出的结构，或者增加其他辅助支撑的结构来提高横梁、滑枕的刚度。

2、横梁上下导轨在受力情况下，变形趋势是向上凸，完全符合受力分析和实际变形情况。根据补偿原理，描绘出导轨面的补偿曲线，依照补偿曲线将横梁导轨面加工成补偿曲线型导轨面。基于拟合的导轨补偿变形曲线方程，对横梁的设计和改进提供了一定理论依据。

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