【摘 要】
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为了达到大型、高速的设计要求,对五轴联动加工中心总体布局及横梁部件结构进行了设计:总体布局采用龙门框架结构,用碳纤维复合材料和少量的铝合金取代传统的金属结构,实现特别轻质的运动结构;龙门架采用碳纤维复合材料空心圆柱杆状元件组成类桁架结构形成边框,外面用碳纤维复合材料夹层板通过层压的方式形成支撑平面,该结构使得加工中心具有较高的抗变形能力和较轻的质量。在此基础上,根据加工中心横梁部件的结构特点,以提
【基金项目】
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昆山市产学研合作科技成果培育项目:大型高速五轴联动数控加工中心研发及产业化（KH1003）；
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为了达到大型、高速的设计要求,对五轴联动加工中心总体布局及横梁部件结构进行了设计:总体布局采用龙门框架结构,用碳纤维复合材料和少量的铝合金取代传统的金属结构,实现特别轻质的运动结构;龙门架采用碳纤维复合材料空心圆柱杆状元件组成类桁架结构形成边框,外面用碳纤维复合材料夹层板通过层压的方式形成支撑平面,该结构使得加工中心具有较高的抗变形能力和较轻的质量。在此基础上,根据加工中心横梁部件的结构特点,以提高横梁部件的结构刚性为目的,利用有限元分析软件ANSYS对横梁部件进行静动态特性分析及结构优化设计,并对优化前后的横梁部件进行了整体性能分析,主要研究内容及结论如下:（1）根据大型五轴联动加工中心的总体布局及各部分的结构特点,用三维绘图软件Pro/E建立大型五轴联动加工中心的整机模型;分析了横梁部件中的接触问题,并以直线导轨为例进行了接触问题处理方法的相似性实验验证,经过对直线导轨仿真结果与实验结果的分析对比,验证了横梁部件结合面处理方法的正确性;对横梁部件进行适当的简化,将简化后的模型导入ANSYS软件中,设定其单元类型和材料属性,然后划分网格建立横梁部件的有限元模型。（2）根据横梁部件的边界条件施加载荷,对其进行静动态特性分析。分析横梁部件在承载重力和X、Y、Z三个方向上的切削力后结构的变形状况及模态振动情况。通过分析,找出了横梁部件中龙门架结构和滑鞍结构在初始结构设计中存在的问题。（3）设计出四种不同方案的龙门架结构和两种不同方案的滑鞍结构,对各结构进行静态特性分析比较,找出了最优结构;对优化前后的龙门架及滑鞍结构进行动态特性对比,对比结果表明优化后的龙门架和滑鞍结构的静动态性能均有很大的提高。（4）对优化后的横梁部件整体进行静态、模态分析,查看优化后横梁部件在重力和切削力作用下的静态变形及模态振动的固有频率和振型;建立优化后的整机模型,并对其进行静动态特性分析,获得了静力学分析的变形情况和模态分析的低阶固有频率和振型,为提高加工中心性能提供了依据。
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