加工中心作為制造機器的機器，在航空航天、船舶機械，汽車等行業(yè)中得到廣泛的應用。作為加工中心的主要結(jié)構(gòu)部件，加工中心橫梁在加工中心的動、靜態(tài)性能方面起到極為重要的作用¹¹¹。對于移動橫梁，因自身重力及外載荷作用引起的橫梁形變對加工中心加工性能有著重要的影響，因此減輕移動橫梁的重量，提高橫梁剛性對橫梁系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設計意義重大。

國內(nèi)外在加工中心關(guān)鍵零部件的研究上主要采用優(yōu)化筋板整體結(jié)構(gòu)，利用仿生學原理布置筋板結(jié)構(gòu)，優(yōu)化零部件外形尺寸等方法，從而達到優(yōu)化設計的目的。文獻[]]對筋肋分布形式進行拓撲優(yōu)化設計，從而提高橫梁靜、動態(tài)特性。文獻H采用仿真分析軟件，證明了橫梁中部導軌一滑塊結(jié)合部是橫梁最薄弱地方，同時分析了導軌接觸剛度和導軌接觸阻尼對系統(tǒng)固有頻率的影響情況；文獻H分析了橫梁四種筋板結(jié)構(gòu)，論證了 〇字型設計的最優(yōu)性及〇字高與寬的比值越接近1,橫梁性能越好，文獻&]采用了仿生學原理，對加工中心立柱進行優(yōu)化設計，提高立柱性能。SUI⑴KTN SV等人對梁單元進行了能量流動的分析與優(yōu)化^H。

然而上述方法考慮了如何合理選擇和布置筋板結(jié)構(gòu)及筋板的厚度，對橫梁有限元仿真分析主要集中在橫梁最薄弱的中間位置，忽視了其它位置橫梁的形變情況，也未直接提出針對薄弱位置的結(jié)構(gòu)改進措施。本文中構(gòu)建了橫梁振動力學簡圖，并對最大變形量和_階固有頻率作了理論計算。以橫梁的質(zhì)量~總形變，固有頻率為優(yōu)化目標，通過改進橫梁上下導軌局部結(jié)構(gòu)，同時對優(yōu)化后的橫梁受力導軌面的不同位置施加相同載荷，獲得橫梁受力導軌面變形曲線，證明了優(yōu)化設計后橫梁的可靠性。

1移動橫梁變形量及一階固有頻率理論計算

橫梁在左右兩側(cè)受到滾珠絲杠螺母的支撐力，在橫梁上下導軌上承受滑板、主軸箱等零部件的重量(見圖1)。結(jié)合機械振動學和材料力學將橫梁簡化成如圖2所示的橫梁振動力學簡圖。

3移動橫梁優(yōu)化設計3_1橫梁優(yōu)化設計

根據(jù)橫梁靜態(tài)分析結(jié)果，選擇橫梁上下導軌支撐筋板作為設計變量，以橫梁總形變最小及重量最小為目標函數(shù)。在優(yōu)化設計分析過程中，保證優(yōu)化前與優(yōu)化后的橫梁所施加的載荷與約束相同。

如圖6所示，因滑板部件位于橫梁中間位置時，橫梁形變最大，為提高橫梁剛性，將橫梁上導軌部位的下支撐筋板設計成⁴5。傾斜狀；將橫梁下導軌部位的上支撐筋板設計成45。傾斜狀。

_由以上分析可知優(yōu)化后橫梁上導軌面在豎直方向上受力減少了 F/,彎矩減小了 FJ。因下導軌支撐筋板設計與上導軌類似,這里不做具體介紹。

3.2橫梁優(yōu)化結(jié)果分析

對優(yōu)化后的橫梁模型進行有限元分析，對比優(yōu)化前后滑板部件位于橫梁中間位置時的有限元分析主要性能參數(shù)，如表3所示，優(yōu)化后橫梁形變總位移減小了10.6%,質(zhì)量減輕了 i36kg, _階固有頻率也有所增加,J、y、f軸向形變均有減少，且_F向形變降低幅度最大,降幅達13. 1 % ,說明優(yōu)化后橫梁的整體剛度有所提高，輕量化效果明顯。

橫梁各階振型頻率與振幅如表4所示，可以發(fā)現(xiàn),在振幅基本不變的情況下，優(yōu)化后橫梁的前6階固有頻率均有所提高，且均大于加工中心最大激振頻率（加工中心主軸轉(zhuǎn)速為〇 -eOOOr/min,主軸對橫梁的激振頻率為0?100Hz)^M，說明橫梁的優(yōu)化設計是合理的。

為對比優(yōu)化前后橫梁其他位置的變形情況，分別對優(yōu)化前后橫梁滑板部件位于橫梁不同位置時的靜態(tài)特性進行分析。因該橫梁滑板在橫梁上的行程為3700mm,因此從距橫梁左側(cè)1200mm處開始取受力面中心，依次每間隔200mm進行不同位置的靜態(tài)特性有限元分析，取至距橫梁左側(cè)4.8m處為止。分析出的橫梁總變形曲線圖如圖8所示，優(yōu)化前后橫梁最大形變位置均位于橫梁中間位置，并且向橫梁兩側(cè)隨著距離的增大形變逐漸減小,優(yōu)化后橫梁形變減小明顯。

4結(jié)論

(1) 對橫梁進行結(jié)構(gòu)簡化并建立振動力學模型^理論計算原橫梁的最大變形量和一階固有頻率，其結(jié)果與仿真結(jié)果相近。通過優(yōu)化設計橫梁外形結(jié)構(gòu)，對比優(yōu)化前后橫梁靜、動態(tài)特性，優(yōu)化后的橫梁中間薄弱位置總變形減小了 10.6%,y向形變減少了 13. 1%,橫梁整體質(zhì)量減輕了 136kg,—階固有頻率也有所增加，橫梁整體剛性得到了提高,取得了良好的輕量化效果。證明了該優(yōu)化設計方法的合理可性，為其它零部件優(yōu)化設計提供了借鑒方法。

(2) 文中僅對橫梁上下導軌處的結(jié)構(gòu)進行了設計與改進，從而達到提高橫梁剛性及輕量化效果。若對橫梁內(nèi)部筋板結(jié)構(gòu)(井字形,口字形,x形，等）進行設計與分析，以及針對橫梁變形問題采取相應的補償措施，將進一步優(yōu)化橫梁結(jié)構(gòu)與性能,這將作為今后的研究方向。