王磊

斗山機(jī)床（煙臺(tái)）有限公司 264006

摘要：數(shù)控機(jī)床機(jī)械結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)對(duì)于改善數(shù)控機(jī)床的整體運(yùn)行性能發(fā)揮著重要的作用，為了進(jìn)一步提高數(shù)控機(jī)床的加工精度和使用性能，應(yīng)堅(jiān)持?jǐn)?shù)控機(jī)床機(jī)械結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)，積極運(yùn)用先進(jìn)的技術(shù)和設(shè)計(jì)方法，不斷提高數(shù)控機(jī)床機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)水平。本文分析了數(shù)控機(jī)床機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)流程，闡述了數(shù)控機(jī)床機(jī)械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)，以供參考。

關(guān)鍵詞：數(shù)控機(jī)床；機(jī)械結(jié)構(gòu)；優(yōu)化設(shè)計(jì)

近年來(lái)，高速切削技術(shù)的快速發(fā)展，在很大程度上推動(dòng)了數(shù)控機(jī)床的高速發(fā)展，和傳統(tǒng)數(shù)據(jù)機(jī)床相比，對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行改良以后的數(shù)控機(jī)床其運(yùn)行速度明顯提高，各方面性能也有了明顯改善。然而我國(guó)數(shù)控機(jī)床機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)水平和國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家還有較大的差距，采用的設(shè)計(jì)手段和設(shè)計(jì)方法都比較落后，為了徹底改變這個(gè)局面，應(yīng)積極開(kāi)展機(jī)械結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)，運(yùn)用現(xiàn)代化計(jì)算機(jī)技術(shù)，做好數(shù)控機(jī)床的動(dòng)態(tài)特性分析，滿足數(shù)控機(jī)床運(yùn)行要求。

一、數(shù)控機(jī)床機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)流程

1、構(gòu)建動(dòng)力學(xué)模型

數(shù)控機(jī)床機(jī)械結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)必須構(gòu)建一個(gè)準(zhǔn)確、合理、科學(xué)的動(dòng)力學(xué)模型，在規(guī)劃設(shè)計(jì)過(guò)程中，基于數(shù)控機(jī)床的運(yùn)行要求，做好動(dòng)態(tài)分析，運(yùn)用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、混合建模法、實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)法、矩陣傳遞法、有限元法等多種方法進(jìn)行建模[1]，運(yùn)用數(shù)字仿真技術(shù)，對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)的不同設(shè)計(jì)模型進(jìn)行對(duì)比，分析數(shù)控機(jī)床運(yùn)行的動(dòng)態(tài)性能，針對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)中的薄弱環(huán)節(jié)，有針對(duì)性地進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)。

2、設(shè)計(jì)方法優(yōu)化

數(shù)控機(jī)床機(jī)械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)應(yīng)基于數(shù)控機(jī)床的初始參數(shù)，對(duì)各個(gè)設(shè)計(jì)變量進(jìn)行計(jì)算，有針對(duì)性地進(jìn)行調(diào)整和修改，在相關(guān)約束條件下使數(shù)控機(jī)床機(jī)械結(jié)構(gòu)處于最佳的動(dòng)態(tài)性能。當(dāng)前，數(shù)控機(jī)床機(jī)械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)可以采用三種新型設(shè)計(jì)方法：以最小值為基礎(chǔ)的優(yōu)化設(shè)計(jì)、以變分原理為基礎(chǔ)的優(yōu)化設(shè)計(jì)、能量和模態(tài)柔度平衡優(yōu)化設(shè)計(jì)。

二、數(shù)控機(jī)床機(jī)械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)

數(shù)控機(jī)床機(jī)械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)是一個(gè)非常專業(yè)、復(fù)雜的過(guò)程，需要應(yīng)用多種技術(shù)和方法，其中比較關(guān)鍵的是動(dòng)力學(xué)模型修正和阻尼矩陣優(yōu)化，并且通過(guò)優(yōu)化數(shù)控機(jī)床機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)變量，采用最合適的求解方法，更加準(zhǔn)確、快速地分析數(shù)控機(jī)床機(jī)械結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)性能。本文重點(diǎn)分析有限元建模方法和ANSYS軟件應(yīng)用。

1、有限元建模法

從上世紀(jì)八十年代就有人提出了動(dòng)態(tài)有限元分析法，后來(lái)數(shù)值模擬技術(shù)越來(lái)越成熟，越來(lái)越多的人認(rèn)識(shí)到有限元分析法的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，其這種建模方法的探討和研究也更加深入，在復(fù)雜機(jī)械結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)和動(dòng)力分析方面，有限元建模法的應(yīng)用非常廣泛，這種建模方法的計(jì)算格式非常規(guī)范，適應(yīng)性強(qiáng)、精度高，并且有限元建模法主要基于有限元法和彈性力學(xué)，通過(guò)構(gòu)建數(shù)控機(jī)床機(jī)械結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)模型，來(lái)計(jì)算機(jī)械結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)、振型、固有頻率等參數(shù)，還可以結(jié)合實(shí)際的數(shù)控機(jī)床運(yùn)行要求，實(shí)現(xiàn)數(shù)控機(jī)床機(jī)械結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)。當(dāng)前，有限元分析和計(jì)算軟件種類非常多，如Algor、Adina、Marc、Abaqus、Ansys、MSC/Nastran等[2]，這些軟件在實(shí)際應(yīng)用中一方面可以實(shí)現(xiàn)靜態(tài)的、線性的、簡(jiǎn)單的分析，還可以對(duì)數(shù)控機(jī)床機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)態(tài)、非線性、復(fù)雜的分析，其中Ansys軟件應(yīng)用效果最好。

2、Ansys軟件應(yīng)用

數(shù)控機(jī)床機(jī)械結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)往往需要進(jìn)行大量的計(jì)算和分析，整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程非常復(fù)雜，Ansys軟件系統(tǒng)通用有限元建模理論知識(shí)內(nèi)容，在機(jī)械制造、航空航天、石油化工、核工業(yè)等領(lǐng)域應(yīng)用非常廣泛。通過(guò)運(yùn)用Ansys軟件對(duì)數(shù)控機(jī)床機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，可以和二維三維CAD軟件相互結(jié)合，在計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)中對(duì)數(shù)控機(jī)床機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖進(jìn)行調(diào)整或者修改，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的交換和共享，有效提高了數(shù)控機(jī)床機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的效率和水平。同時(shí)，Ansys軟件系統(tǒng)具有強(qiáng)大的分析功能，可以全面分析數(shù)控機(jī)床的流體力學(xué)、電磁場(chǎng)、熱分布等，不僅可以進(jìn)行一些靜態(tài)的、簡(jiǎn)單的機(jī)械結(jié)構(gòu)線性分析，還可以實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)的、復(fù)雜的機(jī)械結(jié)構(gòu)非線性分析[3]，并且在設(shè)計(jì)過(guò)程中可以對(duì)數(shù)控機(jī)床機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行估計(jì)分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)。在應(yīng)用Ansys軟件時(shí)，可以根據(jù)數(shù)控機(jī)床的不同硬件結(jié)構(gòu)，兼容不同異構(gòu)平臺(tái)上的數(shù)據(jù)文件，并且利用自動(dòng)化的網(wǎng)絡(luò)劃分技術(shù)，支持共享內(nèi)存式和分布式并行，并行計(jì)算能力非常強(qiáng)大。另外，Ansys軟件和CAD接口設(shè)置，可以在Ansys系統(tǒng)中導(dǎo)入Solidworks、Catia、I-Deas等格式的CAD繪圖，根據(jù)數(shù)控機(jī)床機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求，構(gòu)建合理的有限元模型，然后進(jìn)行求解和處理，最終得到最佳的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。

結(jié)束語(yǔ)

數(shù)控機(jī)床機(jī)械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)應(yīng)積極運(yùn)用先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)，基于標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)劃的計(jì)算機(jī)建模和仿真，優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，結(jié)合有限元建模方法和機(jī)械動(dòng)力學(xué)，在虛擬動(dòng)態(tài)的計(jì)算機(jī)環(huán)境中，分析數(shù)控機(jī)床的動(dòng)態(tài)特性，改進(jìn)其機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，不斷提高數(shù)控機(jī)床的綜合性能。

參考文獻(xiàn)：

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