木工五轴联动加工中心一体式横梁轻量化设计* Lightweight design of integrated beam for woodworking five-axis linkage machining center
张自鹏张寒松
（四川省青城机械有限公司，四川眉山620460）
摘要：基于SolidWorks对一体式横梁进行静力学分析和模态分析，得到一体式横梁的应力、位移和振动频率及振型。采用对角筋板抗扭理论，将木工五轴联动加工中心一体式横梁的筋板设计成V型。依据轻量化设计原则，以横梁质量最小为求解目标，设置横梁应力、位移和频率为约束条件，V型筋板厚度为变量，进行优化设计，得到最优解。分析结果得出，应力减小了2.05%，位移减小了1.22%，一阶频率增加了6.83%，质量减小了3.02%，实现了横梁的轻量化设计。研究成果对木工五轴联动加工中心的优化设计和实际生产有一定的工程应用价值和参考意义。
关键词：五轴联动；木工机械；轻量化；优化设计；有限元分析
中图分类号：TS642文献标识码：A文章编号：1005-1937（2020）03-001-04
Abstract：Based on SolidWorks，the static analysis and modal analysis of the integrated beam are carried out，and the stress，dis⁃placement，vibration frequency and mode of the integrated beam are o
btained.Based on the theory of torsion resistance of diagonal stiffeners，the stiffeners of the integrated crossbeam of woodworking five-axis linkage machining center are designed into a v-shape. According to the principle of light weight design，the minimum beam mass is taken as the goal to solve the problem，the stress，dis⁃placement and frequency of the beam are set as the constraint conditions，and the thickness of the v-shaped ribbed plate is taken as the variable，so as to optimize the design and get the optimal solution.The analysis results show that the stress is reduced by3.18%，the displacement is reduced by1.22%，the first-order frequency is increased by6.83%，the mass is reduced by3.02%，and the light⁃weight design of the beam is realized.The research results have certain engineering application value and reference significance for the optimization design and actual production of woodworking five-axis linkage machining center.
Key words：five-axislinkage；woodworking machinery；lightweight；optimizing design；finite element analysis
木工五轴联动加工中心作为我国木工机械企业的标志性产品，其制造水平代表了木工机床数控技术装备的最高水平，是先进制造和装备现代化的重要基石，其开发意义远大于实际市场需求的意义[1]。为满足定制实木家具中出现的特殊直纹曲面类零件、马鞍面零件、多次装夹导致精度不合要求的零件等结构特殊的零件加工需求[1]，我公司力求寻求一种更完善的加工方式，近年来开展了对
MDK8511×5T2型木工五轴联动加工中心的研发工作，整体采用定龙门式双工位结构，六轴五联动。
作为木材加工的高速机床，其高加速度、高精度的特点要求机床各部件必须质量小、刚性高，提高各部件的刚度成为高速机床结构设计的重要议题[2]。我公司研发的木工五轴联动加工中心将龙门横梁与立柱设计成一个整体，作为机床的重要组成部分，其刚度将对机床的动态性能产生较大的影响。
本文采用对角筋板抗扭理论，将木工五轴联动加工中心一体式横梁的筋板设计成V型。依据轻量化设计原则，对一体式横梁V型筋板厚度进行了分析与研究，经过改进和参数优化，得到了最佳筋板厚度，在变形量基本不变的情况下，横梁质量有所减少，应力有所减小，一阶固有频率有所提高，实现了轻量化设计的目的。为今后木工五轴联动加工中心的优化设计和实际生产提供一定的工程应用价值和理论依据。
1一体式横梁模型建立
在实际生产中，木工五轴联动加工中心多以定
*四川省重点研发项目（19ZDYF）
作者简介：张自鹏（1985—），男，工程师，主要从事木工机床设计及仿真工作。
张寒松（1986—），男，工程师，主要从事木工机床设计及仿真工作。
制化生产为主。为适应定制生产的灵活性需求，MDK8511×5T2型木工五轴联动加工中心通常采用优质钢板焊接而成，以便缩短生产周期，加快改型速度[3]
。在木工五轴联动加工中心设计过程中，将龙门横梁与立柱设计成一个整体。
利用SolidWorks 软件对一体式横梁建立全尺寸模型，为减少不必要的计算消耗，建模时对一体式横梁的螺纹孔、尖角等特征进行简化删除。全尺寸模型和简化模型如图1
所示。
a ）全尺寸模型
b ）简化模型
图1一体式横梁模型
一体式横梁由Q235A 钢板焊接而成，分析时认为一体式横梁密度一致，且各向同性。查阅手册，定义材料属性采用Q235A ，对应的参数为杨氏弹性模量E =2.06×105MPa ，泊松比ρ=0.29，密度ρ=7800kg/m 3，
屈服强度235MPa ，整机最大变形0.1mm 。
2
一体式横梁的静态分析和模态分析
2.1
约束与载荷
一体式横梁由多块钢板焊接而成，分析时看成
一个整体进行分析。如图2所示，在SolidWorks
Simulation Study 树中，“连结”文件夹下的零部件接触选项选“接合”。一体式横梁底部的地脚螺栓孔
施加“固定”约束，外部载荷添加“引力”和
“远程载
图2Simulation Study 树
荷”，“远程载荷”添加在两个导轨安装面，载荷大小为5390N 。2.2
划分网格
划分网格的情况直接影响有限元分析计算的速度、时间和精度，综合考虑各影响因素，采用基于曲率的实体网格，运用自动划分网格得到一体式横梁的网格模型如图3所示，总节点数86254，总单元数44474。2.3
静力学分析结果
网格划分完毕后，运行SolidWorks Simulation
自动求解。得到应力、位移图解信息。应力云图和位移云图如图4、图5
所示。
图4一体式横梁应力云图图5一体式横梁位移云图
从应力云图得出，最大应力为2.639MPa ，最大应力位于横梁下方斜支撑筋和立柱前斜筋的交点处。从
位移云图得出，最大位移为0.01961mm ，最大位移位于横梁上方导轨安装面中间位置处。最大应力小于材料许用应力，最大位移小于整机最大变形量，一体式横梁的强度和刚度均满足要求。2.4
模态分析结果
实际工作中，一体式横梁通过地脚螺栓放置在地面上，故对一体式焊接横梁进行约束模态分析，在横梁模型底部螺栓孔施加固定约束。有限元模型的建立方法与上述一致。经分析计算得到一体式横梁的前六阶固有频率和振型。前六阶固有频率及振型描述如表1所示。给出第一阶振型图，如图6所示。
从模态分析结果看出，一体式横梁的一阶固有频率低且一阶振型为横梁在Y 方向向后弯曲和Z 方
向向后偏摆。
图3
一体式横梁网格化模型
表1
前六阶模态频率及振型描述
阶数一阶二阶三阶四阶五阶六阶
频率/Hz
64.9790.00
161.14173.69199.30199.33振型描述
Y 方向向后弯曲和Z 方向向后偏摆Y 方向向左偏摆和Z 方向上下弯曲
Y 方向扭转Z 方向向上弯曲
weight代表什么意思
Y 方向向前弯曲和Z 方向向后偏摆
立柱筋板Y 方向扭转
注：X 方向为水平面内垂直于导轨安装面的方向；Y 方向为一体式焊
接横梁长度方向；Z
方向为一体式焊接横梁高度方向
图6一体式横梁一阶振型
木工五轴联动加工中心电主轴工作转速为18000r/min （600Hz ）；各直线轴驱动电机转速为
1500r/min （50Hz ）；各旋转轴驱动电机转速为3000r/min （50Hz ）。驱动电机作为一体式焊接横梁的主要外部激励，其频率小于一体式横梁一阶固有
频率并且与之接近。
3一体式横梁的轻量化设计
由一体式横梁静动态分析结果得知，一体式横
梁的结构需进行进一步的优化改进，以提高一体式横梁静动态特性，进而改善木工五轴联动加工中心的整体性能。3.1
优化方案
通过改进结构的尺寸和筋板布置可以提高结构的静动态特性。为了使改进后一体式横梁便于装配，不改变结构尺寸，只改变内部筋板的布置形式，根据对角筋板抗扭理论[4-5]，一体式横梁的筋板设计成V 型，其局部结构如图7所示。筋板厚度8mm ～12mm ，用SolidWorks 进行优化求解，得到最
优厚度。
图7一体式横梁V 型筋板局部结构示意图
3.2创建优化算例并定义参数
创建一个新的设计算例，设置优化属性。设计
变量定义为V 型筋板厚度，范围为8mm ～12mm ；约束条件定义为应力、位移和频率，数据来源于上述Simulation 静动态分析结果，具体为应力小于2.639MPa 、位移小于0.01961mm 、频率大于65Hz ；优化目标为质量最小化。设计算例属性中，设计算例质量选“快速结果”。优化属性设置如图8所示。
3.3
优化结果分析
在设计算例中点击“运行”
进行优化计算求
图8优化属性设置
图9
优化结果视图
解。待分析结束后得到结果视图，如图9所示。
从优化结果看到，在约束条件和质量最小目标设定下，V型筋板厚度的最优结果为8mm，此时一体式横梁的最小质量为1867.75kg。对比优化前后，质量减小了3.02%，应力减小了2.05%，位移减小了1.22%，一阶固有频率增加了6.83%，轻量化改进后的一体式横梁结构取得了理想的效果。优化后一体式横梁的应力云图和位移云图如图10所示。优化前后结果对比如表2
所示。
a）应力云图b）位移云图
图10一体式横梁优化后应力云图和位移云图
4结论
本文通过SolidWorks Simulation对MDK8511×
5T2型木工五轴联动加工中心一体式横梁进行静
动态分析，得出横梁一阶振型表现为横梁在Y方
向向后弯曲和Z方向向后偏摆，通过对一体式横
表2优化前后结果对比
质量/kg
应力/MPa
位移/mm
一阶频率/Hz
二阶频率/Hz
三阶频率/Hz
四阶频率/Hz
五阶频率/Hz
六阶频率/Hz
优化前
1925.96
2.639
0.01961
64.97
90.00
161.14
173.69
199.30
199.33
优化后
1867.75
2.585
0.01937
69.41
96.62
123.32
187.45
224.19
283.30
百分比
-3.02%
-2.05%
-1.22%
+6.83%
+7.36%
-2.38%
+7.92%
+12.49%
+42.13%
梁进行结构改进以进一步提高其静动态特性。根
据对角筋板抗扭理论，一体式横梁的筋板设计成
V型，依据轻量化设计原则，以一体式横梁质量最
小为求解目标，设置横梁应力、位移和频率为约束
条件，V型筋板厚度为变量，进行优化设计，得到V
型筋板最优厚度，分析结果，质量减小了3.02%，应
力减小了2.05%，位移减小了1.22%，一阶固有频
率增加了6.83%，实现了横梁的轻量化设计，取得
了理想的效果。研究成果对木工五轴联动加工中
心的优化设计和实际生产有一定的工程应用价值
和参考意义。
参考文献：
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[3]张怀凤.焊接结构件的机床大件[J].机械，2011，38（S1）：91-93.
[4]谢黎明，李大明，沈浩，等.基于有限元分析的现场铣床横梁结构优化[J].组合机床与自动化加工技术，2008（9）：37-39.
[5]张森，杨玉萍，季彬彬，等.龙门加工中心横梁组件静动态分析及结构改进[J].组合机床与自动化加工技术，2013（8）：55-57.
（收稿日期：2020.07.01）

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