摘 要

近几年来，随着基础设施建设在中国的全面铺开，中国制造业的迅猛发展，各项工程领域对于机械产品的需求也越来越大，要求越来越高。煤炭、汽车、钢铁、房地产、建材、机械、电子、化工等一批以重工业为基础的高增长行业发展势头强劲，构成了对机床市场尤其是数控机床的巨大需求。中国需要大量高效、精确、可靠、智能的机械产品服务于各行各业，为了满足国内需求，也为了与国际同行竞争，中国的机床工业亟待升级。

我国的数控机床无论从产品种类、技术水平、质量和产量上都取得了很大的发展，在一些关键技术方面也取得了重大突破。但从整体来看，中高端机床项目发展上落于国外主流水准，仍然处于一个追赶的过程当中。尤其在重型机床方面，我国与国际先进水平还有很大差距，重型机床是机床工业中最重要最复杂的制造设备，能体现一个国家的装备制造业水平。作为重型机床主要的支撑件的横梁，其对机床性能有着非常重要的影响，关系到产品的加工精度和加工效率。

本文以北京一机精机机床有限公司的TH6363型大型数控龙门铣床的横梁为对象开展研究。主要内容为针对数控机床的横梁进行受力分析，确定各部分载荷对于该机床横梁的影响，并建立有限元分析模型，利用ANSYS Workbench软件进行静动态特性分析，得到了极端工况下横梁的位移和应力情况，通过对横梁的模态特性分析，对横梁进行优化和改进，基于优化后的横梁数据进行有限元建模，进行相应的动静态特性分析和模态特性分析，对优化前后进行对比，验证轻量化设计化后各项性能是否提高，以实现满足生产需要、降低成本、同时提高机床精度的要求。

关键词：机床横梁；结构；建模；有限元分析；优化

Abstract

In recent years, with the full development of infrastructure construction across China and the rapid progress of its manufacture industry, the demand for mechanical products from various engineering fields is also growing greatly. Coal, automobile, steel, real estate, building materials, machinery, electronics, chemical and other heavy industry-based high-growth industries are gaining strong momentum of development, which has generated huge demands for machine tool market, especially for CNC machine tools. China needs a large number of efficient, accurate, reliable, intelligent mechanical products to serve in all walks of life, in order to meet domestic demand, and compete with international counterparts, China's machine tool industry is in urgent need for upgrading.
In terms of product categories, technical level, quality and production，China's CNC machine tools have made great progress, and have made a few major breakthrough in some key technologies. But on the whole, the development of high-end machine tool project is still behind the mainstream of foreign standards, we are still in a process of catching up. Especially in the heavy machine industry, which is the most important and most complex manufacturing equipment in the machine industry, reflecting a country's equipment manufacturing industry level, where there is a big gap between China and the international advanced level. As the main support for a heavy machine tool, the beam exerts great influence on the performance of a machine, related to the product processing accuracy and efficiency.
This paper is based on the TH6363 large-scale CNC gantry milling machine, made by Beijing Jingji Seiki Machine Tool Co., Ltd. The main content is to analyze the force of the beam of CNC gantry machine, determine the maximum force on the load of the beam of the machine tool, use SolidWorks to build the finite element model of the beam, use ANSYS Workbench to analyze the static characteristic, and get the maximum under static load Displacement and maximum stress. Through the modal characteristic analysis of the beam, the first four order frequencies of the beam and the corresponding modes are obtained, and then the topology optimization analysis is carried out. The beams are optimized and improved according to the optimization results. Based on the optimized The finite element modeling of the beam data is carried out to analyze the static characteristics and the modal characteristics. The static characteristics and the modal characteristics are compared before and after the optimization, and the performance of the optimized design is improved to improve the beam weight and rigidity Of the product features, both to meet the production needs, reduce costs, but also improve the accuracy of machine tools, shorten the manufacturing cycle.
Key words: machine beam; structure; modeling; finite element analysis; optimization

目录

第1章 绪论 1

1.1 课题的来源 1

1.2 课题研究的背景 1

1.3 国内外研究现状 1

1.4 课题研究的目的及意义 2

1.5 课题研究的主要内容 2

第2章 机床横梁的静动态特性分析及优化 4

2.1 横梁的受力分析 4

2.2 横梁的有限元建模 6

2.2.1 横梁的实体建模 6

2.2.2 添加材料属性 6

2.2.3 网格划分 7

2.3 横梁的静动态特性分析 8

2.3.1 横梁的静力学分析 8

2.3.2 横梁的模态特性分析 11

2.4 横梁的拓扑优化分析 14

2.4 小结 15

第3章 横梁结构的改进设计 16

3.1 轻量化设计 16

3.2 前后静动态特性对比 17

3.3 小结 20

第4章 环境影响及经济性分析 21

第5章 全文总结和展望 22

参考文献 23

第1章 绪论

1.1 课题的来源

随着制造业的崛起，同时也是配合国家“中国智造”的政策和号召，中国的数控机床正朝着高速、高精和高效的方向进行升级。横梁是作为数控机床工作平台的关键零件，它的结构特性直接影响到机床的加工精度和工作稳定性，本文以提高机床性能为目标，在保证或者强化横梁强度的前提下对其进行轻量化设计，为数控机床的升级提供理论指导。

1.2 课题研究的背景

近些年中国制造业高速发展,在汽车、能源、船舶、航天、铁路等行业,对机械产品的设计要求越来越高,如高效率、高精度、智能化、可靠性等方面,这需要大量的高端数控机床来支撑，高端机床在制造业各个领域的普及已成为趋势。我国的数控机床行业经过十几年的迅猛发展,无论是产品的技术水平还是自主生产能力都取得了长足进步。中国数控机床行业的发展令人瞩目，2012年我国机床行业实现工业总产值 7,211 亿元，2013 年我国机床工具行业工业总产值8,026.30 亿元，同比增长 11.31%，2014 年我国机床工具行业工业总产值为 8,186亿元。自2002起，中国就一直是世界上机床的最大消费国和进口国。但行业高速发展的背后，我们也注意到，我国关键零部件的生产依然受制于人，产品利润不高、大而不强、缺乏核心科技。作为世界第一的机床消费国和生产国，我国的机床结构设计却仍然依赖类比和经验，造成了结构的尺寸过剩、质量过大和性能欠佳等问题。机床作为“生产机器的机器”，是重工业中最重要最复杂的制造设备之一，其战略意义不容忽视，机床的生产能力能体现一个国家整体的制造业水平。

1.3 国内外研究现状

国外的结构轻量化研究主要有以下几个方面:（1）提出新的设计理念,应用先进的制造工艺得到新的轻量化结构;（2）将拓扑优化和形状优化引等结构优化方法应用到结构轻量化设计过程中;（3）提出新的优化算法，并应用到结构轻量化设计过程中;（4）利用软硬件优势，全面考虑动态分析过程中的各种约束,对尺寸参数进行优化而得到轻量化结构。

国内的结构轻量化研究主要有以下几个方面：（1）结构尺寸的优化。通过建模软件，建立零件的几何模型，并将影响结构性能的重要尺寸定义为优化变量；（2）结构布局的改进。除了对结构尺寸进行优化外，通过改变结构的筋板布置形式或采用其他结构形状，往往也能提高结构的动、静态性能；（3）采用特殊的轻质结构。机床的支承部件( 如床身、立柱等) 采用的材料需要具有足够的强度、刚度和高阻尼特性，使机床受到的工作载荷带来的振动力很快衰减。所以可以使用特殊的轻质结构，如采用纤维增强塑料和钛铝合金等轻质材料来制造滑板和工作台。