劉薇娜 霍春燕 楊立峰

（長春理工大學(xué)，吉林 長春130022）

0 引言

在當(dāng)代社會，傳統(tǒng)的手工雕刻方式因其生產(chǎn)效率低下、勞動強(qiáng)度大的缺點，已不能滿足人類日益增長的物質(zhì)需要，將精湛的雕刻加工與現(xiàn)代化的工業(yè)生產(chǎn)方式相結(jié)合已是雕刻行業(yè)的發(fā)展大趨勢。自20世紀(jì)90年代中期雕刻機(jī)進(jìn)入中國市場以來，國產(chǎn)設(shè)備以小功率、小幅面雕刻為主，無法對材料進(jìn)行大功率、大幅面加工。這就導(dǎo)致企業(yè)的生產(chǎn)受到很大的限制，因此適合于大幅面加工的數(shù)控雕刻機(jī)的研制已刻不容緩。雕刻機(jī)機(jī)床在進(jìn)行雕刻加工時縱向產(chǎn)生的切削力非常大，這就要求機(jī)床必須具備可靠的剛性。因此，對于大幅面雕刻機(jī)來說，作為支撐部件的機(jī)床床身十分重要，其結(jié)構(gòu)性能的好壞直接影響機(jī)床的各項性能指標(biāo)［1］。本文通過查找和研究資料，合理設(shè)計出一款適合企業(yè)生產(chǎn)要求的大幅面雕刻機(jī)的床身結(jié)構(gòu)，然后通過ANSYS有限元分析軟件對其進(jìn)行結(jié)構(gòu)的模態(tài)分析，判斷出機(jī)床在加工過程中容易損壞的薄弱部位及結(jié)構(gòu)的共振區(qū)域，為下一步的結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計提供了理論依據(jù)。

1 雕刻機(jī)床身框架的結(jié)構(gòu)設(shè)計

床身框架是機(jī)床的基本組成部分。國內(nèi)外大部分雕刻機(jī)機(jī)床床身的結(jié)構(gòu)都是采用鑄鐵鑄造而成，但是鑄造件需要鑄模，且隨著鑄件尺寸的增加，成本較高，同時鑄件結(jié)構(gòu)內(nèi)部組織容易存在縮孔、氣孔等鑄造缺陷，嚴(yán)重影響鑄件質(zhì)量。相比較而言，焊接鋼具有很好的彈性模量，容易獲得較大的截面面積，加工方便，通用性較高，可以隨時更換損壞的部件，在應(yīng)用過程中通常會使用加強(qiáng)筋來提高其剛度。所以設(shè)計時機(jī)床地腳材料采用鑄鋼，以保持可靠的剛度要求，機(jī)床立柱結(jié)構(gòu)采用方鋼型材，機(jī)床工作臺以及框架均通過焊接工藝成型。同時為了提高機(jī)床的剛度，在機(jī)床的2個側(cè)面分別添加2個加強(qiáng)筋。機(jī)床主要承受來自Z軸方向的力產(chǎn)生的彎矩，因此側(cè)面的加強(qiáng)筋和加強(qiáng)板是十分必要的，其增加了機(jī)床的整體強(qiáng)度。添加直筋板除了可提高剛度外，也能減小薄壁振動和局部變形［2］。

為了保證雕刻機(jī)在加工過程中的穩(wěn)定性，機(jī)床床身必需添加地腳。地腳主要用于機(jī)械設(shè)備的支撐安裝、水平調(diào)整，以免工作時發(fā)生位移和傾覆?；畹啬_一般用于固定在工作時有強(qiáng)烈沖擊和振動的重型設(shè)備。對于地腳截面形狀的選擇而言，機(jī)床承受的力主要是沿Z軸方向的，對于機(jī)床底座來講受豎直方向的壓力較大，所以要確保底座的抗彎剛度，故選擇方形截面。

因為雕刻機(jī)幅面較大，工作時對穩(wěn)定性的要求也很高，底座要十分穩(wěn)固，所以采用8個地腳結(jié)構(gòu)。地腳確定了整個機(jī)床的基準(zhǔn)采用鑄造形式。大幅面雕刻機(jī)屬于大型機(jī)床，機(jī)床的長度為2 500 mm，寬度為2 000 mm，8個地腳通過地腳螺栓固定。床身結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 床身的三維結(jié)構(gòu)

機(jī)床支撐件主要指的是立柱、橫梁、底座等基礎(chǔ)件，其主要作用是支承安裝在上面的零部件，并保證零部件之間正確的相互位置關(guān)系和相對運動軌跡［3］。因此，在選擇材料時必須要求抗變形和抗破裂。焊接結(jié)構(gòu)材料一般選擇優(yōu)質(zhì)低碳鋼。在加強(qiáng)筋方面，用方鋼作為立柱與底座的焊接連接，立柱采用規(guī)格為100 mm×100 mm×900 mm的方鋼。

2 雕刻機(jī)床身框架結(jié)構(gòu)的有限元模態(tài)分析

2.1 床身框架結(jié)構(gòu)的有限元模型

幾何模型是進(jìn)行有限元分析的基礎(chǔ)和前提，本文采用Catia軟件建立機(jī)床床身的三維實體模型，然后將其轉(zhuǎn)換成IGS格式，再導(dǎo)入ANSYS Workbench進(jìn)行模態(tài)分析。在建模過程中，對結(jié)構(gòu)進(jìn)行了適當(dāng)?shù)暮喕托薷?，忽略模型中對分析結(jié)果影響較小的特征，如部分倒角、小孔等［4］。圖2為簡化后的機(jī)床床身三維實體模型。

圖2 床身三維實體模型

ANSYS作為最受歡迎的一款仿真軟件，其最重要的前期處理工作是網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格劃分的好壞直接影響求解的準(zhǔn)確性和求解速度。結(jié)構(gòu)網(wǎng)格大多數(shù)都自動劃分為四面體網(wǎng)格，但六面體網(wǎng)格是最優(yōu)選擇。在選擇網(wǎng)格類型和疏密程度時，一定要考慮分析的目的和精度。很少情況下可以選擇自動劃分，一般都是采用自動、手動相結(jié)合的網(wǎng)格劃分模式。有限元網(wǎng)格劃分圖如圖3所示。

圖3 床身有限元網(wǎng)格劃分模型

2.2 床身框架結(jié)構(gòu)的模態(tài)分析

模態(tài)分析即自由振動分析，是系統(tǒng)辨別方法在工程振動領(lǐng)域中的應(yīng)用。模態(tài)分析關(guān)心的是結(jié)構(gòu)的固有特性，每一個模態(tài)都具有特定的固有頻率、阻尼比和模態(tài)振型，這與結(jié)構(gòu)的外載荷和運動狀態(tài)無關(guān)，所以模態(tài)分析中不存在結(jié)構(gòu)和熱載荷。模態(tài)分析的最終目的是判斷出系統(tǒng)的模態(tài)參數(shù)，得到各階頻率及振型，為機(jī)床床身結(jié)構(gòu)的振動特性分析、結(jié)構(gòu)薄弱環(huán)節(jié)和可能破壞區(qū)域、結(jié)構(gòu)動力特性的優(yōu)化設(shè)計提供依據(jù)。

模態(tài)分析中坐標(biāo)的變換矩陣為模態(tài)矩陣，其每一列都代表模態(tài)振型，因此存在對應(yīng)于其固有頻率的無限多個振型。機(jī)床床身的振動系統(tǒng)是一個具有無限多個自由度的振動系統(tǒng)。高階振型阻尼值一般也較高，在振動中起的作用也較小。相對來講，低階模態(tài)對振動系統(tǒng)影響較大。因此，對機(jī)床床身的有限元模型的求解，不需求出振動系統(tǒng)的全部固有頻率和振型。通過ANSYS分析，得到床身結(jié)構(gòu)的前4階振型圖，如圖4所示。

綜合床身的模態(tài)頻率及振型進(jìn)行對比分析知：其一階模態(tài)振型是沿床身X軸方向的來回振動，床身由下到上振動的幅度不斷增強(qiáng)，最大振幅發(fā)生在床身的頂部；二階模態(tài)振型為機(jī)床沿Y軸方向的來回振動；三階模態(tài)為床身整體繞Z軸的扭轉(zhuǎn)振動，幅度最大值發(fā)生在床身頂部的4個角上；四階模態(tài)為床身沿Z軸方向的膨脹擠壓振動，對床身結(jié)構(gòu)有很大的破壞性。床身兩側(cè)的扭轉(zhuǎn)振動及沿Z軸方向的彎曲振動比較大，是床身結(jié)構(gòu)中相對比較容易出現(xiàn)問題的環(huán)節(jié)?？赏ㄟ^適當(dāng)增加結(jié)合部固定螺栓的預(yù)緊力，加大床身與立柱結(jié)合面的厚度及提高結(jié)合面加工質(zhì)量等方法來提高該結(jié)合面的剛度。而且由于立柱本身的扭轉(zhuǎn)振動也出現(xiàn)在低階模態(tài)之中，對機(jī)床性能影響較大，可以考慮采用適當(dāng)調(diào)整筋板位置及大小、兩側(cè)加翼等方法來提高其剛度。針對床身沿Z軸的大幅度振動，可考慮設(shè)置筋板增強(qiáng)該方向上的剛度。

3 結(jié)語

本文根據(jù)雕刻機(jī)實際工作情況設(shè)計出具體的機(jī)床床身框架結(jié)構(gòu)，且機(jī)床框架是焊接成型的形式，適度添加了加強(qiáng)筋，選擇了合適的地腳截面形狀，并通過Catia三維軟件對地腳及機(jī)床床身總體框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了三維模型的繪制。應(yīng)用ANSYS Workbench有限元分析軟件通過合理的網(wǎng)格劃分對床身結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，找出結(jié)構(gòu)在工作中易出現(xiàn)問題的部分，保證各部件相對位置的協(xié)調(diào)，使得大幅面雕刻機(jī)機(jī)床的結(jié)構(gòu)更合理。同時應(yīng)進(jìn)一步提高雕刻機(jī)的固有頻率，增強(qiáng)機(jī)床整體的動態(tài)性能，以使得下一步的優(yōu)化設(shè)計更有針對性，為后續(xù)設(shè)計奠定基礎(chǔ)。

圖4 床身的振型圖

［1］倪曉宇，易紅，湯文成，等.機(jī)床床身結(jié)構(gòu)的有限元分析與優(yōu)化［J］.制造技術(shù)與機(jī)床，2005，2（2）：47～50

［2］毛志云，高東強(qiáng)，黎忠炎.桁架結(jié)構(gòu)工作臺的性能研究［J］.輕工機(jī)械，2011，29（1）：29～32

［3］Hu Xiaokai，Song Zhitan g，Pan Zhongcai，et al.Planarization machining of sapphire wafers with boron carbide and colloidal silica as abrasives［J］.Applied Surface Science，2009（255）：8 230～8 234

［4］胡于進(jìn)，王璋奇.有限元分析及應(yīng)用［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2009