某型精（jīng）密數控（kòng）機床床身的優化設計及性能分（fèn）析-數控機（jī）床（chuáng）市（shì）場網

您現在的位置：車床網> 技術前沿>某型精密數（shù）控機床床身的優化設計（jì）及性能分析

某型精密數控機床床身的優化設計及性能分析

2021-6-29 來源：沈機集團昆明機床股（gǔ）份有限公司作者：張偉華，賽雲祥（xiáng），李佳，黃（huáng）漢輝

摘要: 以某精密數控機床床身（shēn）為研究對象，利用有限（xiàn）元技術分析其靜動態特性，鎖定結構薄弱環節，以此為基礎，通過靈敏度法分析床身壁（bì）厚、筋板高度及厚度結構尺寸對床身動態特性的影響，並研究了床身內部筋板布局形式（shì）變化對床身動態特（tè）性的影響，最終給出該型機床整體床身的優選方（fāng）案。

關鍵詞: 精密數控機床（chuáng）; 床身; 優化設計; 有限元分析; 靜動態性能分析（xī）; 靈敏度

近年來，隨著航空、航（háng）天、汽車等行業的發（fā）展（zhǎn），對機床的回轉速度、進給速（sù）度、加工效率、加（jiā）工精度、性能穩定性、可靠性等方麵都提出較（jiào）高（gāo）的要求。精密數控機床廣泛應用於汽（qì）車、航空、航天、船舶、交通、能源、軍工等行業中大型（xíng）箱體類、盤類等精密零部件的（de）機械加工。為了使產品能夠適應市場需（xū）要，提高市場競爭力，公（gōng）司開展某（mǒu）精密（mì）數控機床（chuáng）係列產品（pǐn）的（de）關鍵技術研究及其（qí）工（gōng）程應用，圍繞某係列精密數控（kòng）機床（chuáng）的靜動態性能、精度、熱特性、穩定性及可靠性等方麵開展研究。

1、概述

某精密數控機床作為（wéi）高（gāo）速切削機床，必須具有較高的進給速度和加（jiā）速度，並在高速下仍有（yǒu）高的定位精度。在產品的設計中，其中的大件結構設計( 包括床身、主軸、立柱、工作（zuò）台、橫（héng）梁（liáng）等尺寸和質量較大的零件或部件) ，雖然件數不多，但質量卻占機床（chuáng）總（zǒng）質量的 80% ～ 85%。它們不僅是機床的運動支承件，而且是機床外觀的主要體現。機床的其它零部件，或（huò）者固定在大件上，或者工作時在大件的導軌上運動，因此（cǐ），大件結構的材料與製造工藝費用在設計中必須加以考慮。對機床進行優化設計的目的就是要使（shǐ）之在滿足結構性能的基礎上，具有合理的結構布局和最輕的（de）質量，文中僅以床身進行說明。此外，機床結構的動態性能的優劣直接影響機床（chuáng）的工作性能和產品（pǐn）質量，決定著機床的加工精度。所以研究機床動力學特性對加工性能和加工（gōng）精度的影響規律找到解決工程應用中出現的（de）機（jī）床振動、精度不穩定等問題，提升（shēng）機床的整體性能，為（wéi）高性能機床的產業化鋪平道路。某精（jīng）密（mì）數控機床，如圖 1 所示。其床身設計是其（qí）重難點之一，因為（wéi）它承載機床絕大部分的部件（jiàn）和載荷，其剛度、固有頻率等直接影響整機的加工性能和效率，因（yīn）此對床身進行優化設計及性能分（fèn）析（xī）具有重要意義。

圖 1 精密數控機床整（zhěng）體布局

2、床身結（jié）構（gòu）方案（àn）模型優化及性能（néng）分析的目的

確定床身載荷及約束條件後，建立床身的有限元模（mó）型，建立合（hé）理（lǐ）的結構單元、網格大小。通過載荷添加及邊界條件約束後，進行求解計算，通過拓撲優（yōu）化，獲取結構載（zǎi）荷傳遞（dì）路徑，確定（dìng）結構的概（gài）念造型，通過拓撲結（jié）構圓整，獲取（qǔ）床身的結構三維模型，對模型進行（háng）性能分析。通過對結構特征進（jìn）行參數建模（mó），並在（zài）有限元分析軟件中進行分析和（hé）優化，確定（dìng）結構特（tè）征的靈敏度，確定結構特征的較優結構尺寸，最終獲得床身靜動態性能較優的結構模型（xíng）。其優（yōu）化的數學模型為:

圖 2 結構方案優（yōu）化確定

床身性能分析及優化工作的主要內容和目的: ( 1) 確定載（zǎi）荷傳遞路線及主要結構特征。( 2) 考察床身在靜態載荷條件下的變形特性，對其靜剛（gāng）度進行校核和驗證。( 3) 考察主（zhǔ）要結（jié）構件固有的動態特（tè）性，分析其動態薄弱環節，為整機動態分析設計提供依據。( 4) 對不同的設計方案進行分析、比較和優選，進行床身的（de）輕量化設計。

3、床身結構方案的（de）優化及（jí）性能分析

3. 1 床（chuáng）身結構拓撲優化

以減小的材料質量為狀態變量，對床身的原始模型進行形狀拓撲（pū）優化計算（suàn），為後期的詳（xiáng）細設計提供（gòng）依據，目的（de）是確保其承載能力的基（jī）礎上減輕床身質量，降低製造成本首先，根據工藝需求分析，確定床身結構尺寸參數和初步結構方案，並對結構方案進行拓（tuò）撲優化，確定床身結構的載荷傳遞路（lù）徑。如圖 3 所示，根據設（shè）計任務書要求，床身結構確定為 T 字形（xíng）整體式床身（shēn）。建立床身三維結構骨架模型，對床身進行有限元劃分，並對（duì）床身地腳螺（luó）栓支撐進行約束，如圖 4所示，導軌上承受 20 000 N 工作台的載荷，30 000 N最大加工工件載（zǎi）荷，再加（jiā）上立柱滑板主軸箱載荷，其前處理如圖（tú） 5所示，床身材料彈性模量為 1. 5× 10（11次方）Pa，泊鬆比為 0. 25，密度為 7400 kg /m（3次方）。

圖 3 床身（shēn）結構初步方案圖

圖 4 床身地腳螺栓

以機床質量和體積因素為設計變量，以床身變（biàn）形最小、1 階固頻最大為約束條件，以質量降低（dī）為設計目標，對床（chuáng）身進行（háng）拓撲優（yōu）化，其優（yōu）化結（jié）果如圖 6 所示。通過對結構進行（háng）拓（tuò）撲優化，確定載荷的傳遞路徑及（jí）床身結構的主要支撐著力點。

圖 5 拓撲優化前處理

圖 6 整體（tǐ）式床身（shēn）的拓撲優化（huà）結果

3. 2 床身的（de）建模（mó）分析及（jí）優（yōu）化

對拓撲優化後（hòu）的結構進行結（jié）構圓整（zhěng），確定床身結構筋板主要布置形（xíng）式，並通過參數化建模軟件，建（jiàn）立床身結（jié）構三維（wéi）參數化模型。如圖（tú） 7 所示。

圖 7 整體床身結構的參數化模型

建立床身結（jié）構（gòu）的有限元模型，對床身（shēn）結構進行靜、動態分析，主要是: ( 1) 考（kǎo）察結構在（zài）靜態載荷條件（jiàn）下的變形（xíng）特性，對（duì）其靜剛度進行校核和驗證。( 2) 考察結構（gòu）固有的動態（tài）特性，分析其動態薄（báo）弱環節，為整（zhěng）機動（dòng）態（tài）分析設計提供依據。

3. 2. 1 不加工件，隻考慮工作台重力和床身自重

通過對床身的靜（jìng）力學分析，床身的整體變形（xíng）如（rú）圖 8 所示。分析（xī）結果顯示: 床身最大變形（xíng）約（yuē）為 8. 2 μm，導軌上的變形（xíng）為2～5. 6 μm，其中最大變形（xíng）為 5. 6 μm 出（chū）現在 Z 軸方向2. 15 m處( 床（chuáng）身後麵為零點) 。

圖 8 不加工件（jiàn），床身靜載變形圖

3. 2. 2 考慮（lǜ）實際工況載荷

以一種典型工（gōng）況為例: 工件和滑塊總質量為 5 t，作（zuò）用在上導軌上; X 向的切削力為 6 600 N; 立柱自重為 10 t，並考慮床身自重（chóng）。變形情況如圖 9 所示。結果顯示，此時最大變形約為16 μm;主要考慮導軌上的變形，其變形為 5 ～ 12. 4 μm; 其中最大變形12. 4 μm 仍出現在 Z 軸方向 2. 15 m 處( 床身後麵為零點) 。

圖 9 考慮實際工況下床身靜載變形圖

3. 3 模態分析

在床身底麵（miàn）施加位移約束，計算所（suǒ）得（dé）前 5 階模態（tài）頻率與振（zhèn）型如（rú）表 1 所示。

表 1 床（chuáng）身前 5 階模態頻率與振型

圖 10 給出了床身的前 3 階模態振型圖。其中第 1 階振（zhèn）型為床身上表麵的前後擺動; 第 2 階振型為床身中部（bù）的上下擺動（dòng）;第 3 階振型為床身兩側（cè）的扭動。

圖（tú） 10 床身前 3 階模（mó）態（tài）振型圖

由以上分析可（kě）以看出床身固有頻率（lǜ）比較高，考慮到主（zhǔ）激（jī）勵源頻率大約在 50 Hz 左右( 工作（zuò）轉（zhuǎn）速（sù）在 3 000 r/min) ，故床身滿足整機總體動態特性要求（qiú）。4 床身導軌及內部筋板的優化。

4. 1 前部床身導軌（guǐ）優化

其中: P1為前部床（chuáng）身兩根導軌的間距，P2為最大總變形，P3為導軌上表麵最大變（biàn）形。DP1點為寬度增加 60 mm 後，Dp2為寬度增加（jiā） 107 mm 後結果。原模型為 650 mm，增加 107 mm 後，其最大變形為（wéi） 8. 9 μm，變形減少 1. 1 μm。如表 2 所示。

表 2 導軌優（yōu）化後變形 mm

4. 2 前部床身筋（jīn）板厚度、高度參數（shù）優化

對筋板布置進行參數優化，通過改變筋板參數數值，進行計算分析，獲取筋板參數對床身變形的靈敏度圖，從而取得較優的筋板結構參數（shù），其優化形狀及（jí）參（cān）數如圖 11 ～圖 14所（suǒ）示。

圖 11 床身豎筋

圖 12 床身三（sān）角筋

圖 13 床身豎筋高度

圖 14 床身三角筋高度

( 1) 采（cǎi）用表 2 中第 3 組結果 C 時，導軌最大總（zǒng）變形減（jiǎn）小0. 6 μm，總質量減小 200 kg。此（cǐ）時 4 個參數分別為（wéi）: 筋板厚度:DS_LH 為 12.51 mm ( 減（jiǎn）小 8 mm) 、DS _SH 為 34.85 mm ( 增加4 mm) 、高度 DS_HSG 為 107. 7 mm( 增加 17 mm) ; DS_HKG 為80 mm( 減小 20 mm) 。如表（biǎo） 3 所示。

表 3 筋板參數優（yōu）化結果

( 2) 各參數的靈敏度。

文中以床身的壁厚、筋板高度及筋板厚（hòu）度作（zuò）為一組設計（jì）變量（liàng），利用靈敏度法分（fèn）析各結構參數變化對床身動態性能的影響。結果如圖 15 所示。

圖 15 床身各參（cān）數靈（líng）敏度

( 3) 最終床身優化結構。

①床身導軌變形較大，達到 10 μm。為減小變形，對床身筋板厚度、筋板（bǎn）高度進行優（yōu）化，優化後變形為 8 μm，變形減（jiǎn）少 20%。

②前部床身整體結構較差，僅對筋板厚度、高度（dù）進行優化變形減小有限。由於前部床身中間沒（méi）有支撐( 僅靠（kào）前部兩（liǎng）點) ，且導軌靠近（jìn）前部床身中間（jiān），故變形較大。通過不斷優化，導軌間距離增加 125 mm 後，變形減（jiǎn）小 1. 2 μm，變形減少 12%。其（qí）最終結果如圖 16 所示（shì）。

圖 16 整體式床（chuáng）身的最終三維結構

經過（guò）多次分析計算和相應的結構優化（huà），床身結構（gòu）的各項性能指標（biāo）均達到了設計（jì）目標值（zhí），取得了較好效果（guǒ）。

5、結（jié）論

通過有限元模型（xíng）確定結構方（fāng）案（àn），再對結構方案進行拓優化，靜、動態（tài）模態分析; 找出床身結構的薄弱（ruò）點，並不斷（duàn）優化導軌及（jí）內部筋（jīn）板的結構，達到最終的最（zuì）優結（jié）構。采（cǎi）用該方法，可獲得床身在（zài）不同載荷工況下承受的載荷大小，從而為精確計算不同工況（kuàng）下導軌變形提供準確載荷模型。可以快速獲取結構件在不同工作位（wèi）置及受力工況下靜動態性能，並（bìng）通過結構參數化設（shè）計可（kě）以獲取不同方案下（xià）結構的綜合性能（néng），從而能夠快速確定較佳的結構方案（àn）。推廣（guǎng）並運用在機床其他大件的優化設上，取得了良好的效果。

投稿箱：
如果您有（yǒu）機床行業、企業相關新聞稿件發表，或進行資訊合作（zuò），歡迎聯係本網編輯部，郵箱：skjcsc@vip.sina.com

更多（duō）相關信息

名企推薦（jiàn）

業（yè）界視點

| 更多（duō）

行業數據

| 更多

博文選萃

| 更多