一、机床基本情况介绍

       本机床采用单柱移动结构，垂直刀架具有车铣复合功能，侧主轴箱具有铣镗功能，并在工作台上设有辅助夹爪，适应各种不同直径工件的加工要求，具有较广的加工范围。机床由工作台底座、工作台、主传动箱、C轴分度进给箱、立柱、床身、横梁、垂直车铣刀架、侧主轴箱、操作系统、电气系统、液压系统等部件组成（见图1）。

       图1：机床结构示意图

       床身固定在地基上，立柱固定在滑座上并随滑座一起在床身上移动，立柱传动箱安装在床身端面上，传动箱由交流电机驱动，经传动齿轮和丝杠—螺母实现立柱移位运动。床身导轨为静压卸荷导轨，能够确保立柱移动平稳、省力，立柱移至所需位置后自动夹紧在床身上。

       在立柱顶面安装横梁升降传动机构，由交流电机驱动，经蜗杆—蜗轮传动副及丝杠传动副，实现横梁升降运动，在立柱上装有横梁配重机构，使横梁运行平稳。

       床身及滑座均采用优质铸铁制造，立柱采用优质钢材焊接结构，并经二次时效处理消除内应力，以保持机床的刚度及精度稳定性。为验证该机床是否具备高精度、刚度大、抗震性好、可靠性高，能否平稳高效运转，通过分析该机床设计结构特点，对其立柱设计结构的受力分析是保证该机床稳定运行的关键。

       二、有限元分析内容及结论
 
 
       完成数控多功能单柱移动立式车床立柱结构的变形分析，分析立柱部件在考虑自重与刀架、横梁等重量时，立柱的变形值。

   
       确定不同工作状况：横梁在立柱移动状态下, 计算横梁行程为3米、4米、5米、6米，考虑刀架在不同位置时立柱的变形值。横梁底面距立柱底面9200mm，横梁行程6000mm，刀架左极限位置时滑枕中心距横梁左端面880mm，刀架行程4420mm。

       有限元分析的方案为，与立柱辅导轨相邻的右侧筋板统一沿机床坐标系Y向移动180mm，横筋立筋厚度均保持20mm不变。

       （一）零部件材料特性

       （二）分析边界条件

       （三）模型图、网格划分和加载图。

       图2：立柱有限元分析模型图

        
  
       图3：立柱有限元分析网络划分图

       在进行有限元分析的过程中，我们应注意刀架位于不同位置时，横梁和刀架的重心位置不同，要注意区别刀架分别位于左、中两种情况时重心的作用位置，下图左一为刀架位于左侧加载情况，下图右一为刀架位于中侧加载情况。

       针对不同位置的工作状况对立柱部件进行有限元分析，横梁和主轴箱采用力等效方式加载，便于模型简化和计算。等效力如下：
 
       1. 横梁、刀架和滑枕重力等效
       2. 前钢丝绳拉力等效
       3. 后钢丝绳拉力等效
       4. 前后钢丝绳拉力的配重
       5. 主轴箱重力等效
       6. 主轴箱平衡力等效
       7. 主轴箱配重力等效

       将立柱与滑座接触面做固定约束，立柱顶面（红色区域）施加30吨横梁配重载荷(前后钢丝绳拉力的配重)和8吨主轴箱滑枕配重载荷(主轴箱配重力等效)。

       通过分析计算，下面为横梁行程为3米、4米、5米、6米，考虑刀架在不同位置时立柱的前导轨1、前导轨2和后导轨的变形值。

        
  
       图4：横梁行程6米立柱各导轨变形值

       图5：横梁行程5米立柱各导轨变形值

       图6：横梁行程4米立柱各导轨变形值

       图7：横梁行程3米立柱各导轨变形值

      （ 四）结论

       分析上述曲线图，横梁在立柱移动状态下，行程为3米、4米、5米、6米，考虑刀架在不同位置时立柱的变形值具体为：

       横梁行程6米，刀架在横梁左端，最大变形值模型x方向0.473mm，y方向0.195mm；刀架在横梁中间，最大变形值模型x方向0.396mm，y方向0.183mm。
       横梁行程5米，刀架在横梁左端，最大变形值模型x方向0.463mm，y方向0.186mm；刀架在横梁中间，最大变形值模型x方向0.391mm，y方向0.176mm。
       横梁行程4米，刀架在横梁左端，最大变形值模型x方向0.456mm，y方向0.179mm；刀架在横梁中间，最大变形值模型x方向0.386mm，y方向0.170mm。
       横梁行程3米，刀架在横梁左端，最大变形值模型x方向0.446mm，y方向0.170mm；刀架在横梁中间，最大变形值模型x方向0.380mm，y方向0.162mm。

       综合对比分析上述数据，与类似机床的标准变形量相比，该立柱设计结构稳定，刚度大、抗震性好，能满足机床使用要求。