针对现有的龙门加工中心机械主轴存在的转速低、振动噪声大和散热不良的缺点,设计了一种由定转子驱动的机械主轴单元。该定转子单元类似电主轴,外部采用冷却套,并在主轴中心出水,有利于降低温升,带走定转子的热量;轴承采用油脂润滑的方式,不需要任何附加装置和特别维护,降低了成本;机械主轴采用液压打刀缸和碟簧实现拉松刀,轴端采用迷宫密封和气密封相结合的形式,防止切削液和杂质进入轴承内部引起轴承振动或烧伤;联轴器采用碳纤维材料,并在联轴器中间设计连接水管用于中心出水,既降低了两轴偏移引起的附加载荷,又降低了加工时产生的局部高温,延长刀具寿命。测试结果表明,该主轴克服了皮带式主轴在转速高时振动大和直联式机械主轴温升大的缺点,降低了主轴由于高速旋转产生的噪声和振动,提高了主轴的加工精度和稳定性。

根据现有龙门加工中心Z轴滑枕平衡油缸的设计缺陷,创新提出了一种断电无泄漏平衡油缸。详细介绍了断电无泄漏平衡油缸的结构及工作原理。断电无泄漏平衡油缸结构简单、成本低,且在江苏恒力组合机床有限公司VMC龙门系列加工中心设备上得到成功的应用。

为了优化龙门加工中心功能部件动作时序以提高生产效率,按照功能-运动-动作对龙门加工中心进行结构化分解,根据结构化分解和符号有向图提出了龙门加工中心功能部件动作模型。在模型分析过程中引入甘特图技术,辅助龙门加工中心换头换刀动作的设计工作。采用PMC控制结合宏程序的方法,实现新动作的立卧刀库换刀电气控制,提高了功能部件动作效率。

为了兼顾龙门加工中心立柱结构具有更高的静动态刚度和更轻的重量的要求,基于SIMP变密度法拓扑优化理论,结合平均频率公式对各优化目标进行折衷化处理,并利用层次分析法选定子目标权重,建立了以立柱结构的相对密度为设计变量,同时考虑最小柔度和最大频率的多目标函数,并将结构体积的百分数作为约束函数对其进行优化得到新的立柱结构方案。结果表明：改进后的立柱质量减少8.96%,最大变形降低38.63%,一阶固有频率提高6.87%,满足设计指标要求。

龙门加工中心移动横梁承受滑座、滑枕等零部件的重量及自身重力的情况下产生弯曲变形,为降低横梁受力变形量和提高横梁静动态特性,采用两种方法对横梁进行优化设计。设计了8种横梁筋板结构及对横梁上导轨面悬臂支撑结构进行了优化设计,运用有限元分析软件对横梁进行了静力学与模态特性分析,得到横梁结构总形变位移量和前六阶振型频率。结果表明,因横梁自重引起的变形占总变形的45.1%;“井”型结构设计最优,其总形变位移量降低了8.98%,质量减轻了329kg,一阶固有频率提高了2.40%,具有良好的静动态特性;筋板结构设计的作用主要体现在减轻横梁质量上,上导轨悬臂支撑结构倾斜设计的作用主要体现在减小横梁弯曲变形上,两种方法的结合使用可有效提高横梁性能。

五轴龙门加工中心在现场安装过程中,地脚螺栓安装预紧力导致机床床身变形将影响加工中心的几何精度,而产生的应力分布特性将影响加工中心的精度保持性。论文在分析螺栓预紧模型的基础上,提出了基于最小变形安装误差和均匀螺栓结合面压力分布的地脚螺栓组分步预紧工艺方法,并量化分析了预紧顺序、分步加载预紧步数以及预紧力分配比例对于导轨安装面几何精度、结合面压力分布均匀性以及精度保持性的影响。仿真结果表明,该方法能够实现五轴龙门加工中心地脚螺栓组快速,有效的安装,解决了传统经验安装效率低,精度难以保证的问题。

基于HyperMesh平台,采用密度拓扑优化方法,以应变能最小为目标,以体积分数、位移为响应建立结构拓扑优化模型,运用该模型完成GMCU2060龙门加工中心横梁横截面的拓扑优化设计,然后利用尺寸优化方法得到横梁的最优尺寸,建立横梁的三维模型,并对其进行动静态分析.分析结果表明：在最大位移几乎不变的情况下,改进后的横梁质量减少了7.5％,一阶固有频率由104 Hz提高到120Hz,满足设计指标要求.

机床横梁的静动态性能对机床的加工精度影响很大,因此需要对横梁进行优化设计以提高其静动态性能.对原横梁进行有限元分析,并对横梁筋板结构、横梁支撑导轨面结构进行了优化设计.对比优化前后横梁的静力学特性和模态特性,优化后的横梁在最大应力和-阶固有频率基本不变的情况下,其中质量减轻最为明显,减轻了499kg,最大变形量减少了7.84%,轻量化效果明显,提高了横梁性能.

针对龙门五轴加工中心的基本结构及技术指标特点,归纳其产品检测的主要检测指标。提出了龙门五轴加工中心精度检测的基本要求,总结了几何精度检测、运动精度检测、定位精度和重复定位精度检测、工作精度检测、S件加工精度检测的检测方法。给出速度和加速度动态检测、机床模态检测的检测方法。分析了主轴静刚度检测、主轴热变形检测、S件切削振动检测的检测方法。

针对龙门五轴加工中心的结构特点,提出其可靠性试验的总体试验流程及方法。归纳了龙门五轴加工中心可靠性试验几何精度、位置精度、运动参数、典型试件加工的评定方法。设计了XY轴的加载试验、主轴的加载试验、空转加速试验。对某GMC2550型龙门五轴加工中心进行可靠性试验,利用试验数据计算其可靠性指标的平均故障间隔时间。