周守勝，陳剛

(沈陽(yáng)機(jī)床股份有限公司中捷立加分公司，遼寧 沈陽(yáng) 110142)

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探討AWE下立式加工中心床身的優(yōu)化設(shè)計(jì)分析

周守勝，陳剛

(沈陽(yáng)機(jī)床股份有限公司中捷立加分公司，遼寧 沈陽(yáng) 110142)

摘要：立式加工中為高自動(dòng)化的多功能數(shù)控機(jī)床,其床身的優(yōu)化設(shè)計(jì)，能夠提高加工中心的支撐作用。在AWE下立式加工中心的床身優(yōu)化設(shè)計(jì)，主要是以床身的靜剛度、固有頻率等，作為反映床身的結(jié)構(gòu)靜動(dòng)態(tài)性約束條件，基于有限元方法及數(shù)學(xué)優(yōu)化理論的虛擬優(yōu)化技術(shù)，對(duì)床身結(jié)構(gòu)加以?xún)?yōu)化分析，在床身不發(fā)生改變的情況下，有效減輕床身重量，改善床身的低階頻率，進(jìn)而有效提升床身的結(jié)構(gòu)性能。

關(guān)鍵詞：AWE;立式加工中心;床身優(yōu)化設(shè)計(jì)

1前言

床身是機(jī)床最重要的支承部件，對(duì)各零部件其中支撐的作用。因此，機(jī)床床身的結(jié)構(gòu)，直接決定著整個(gè)機(jī)床的加工精度，及產(chǎn)品生產(chǎn)的安全性、穩(wěn)定性。為了實(shí)現(xiàn)機(jī)床的高速、高效運(yùn)行，需要確保機(jī)床床身的良好動(dòng)態(tài)特性與靜態(tài)剛度，對(duì)多床身有限元加以分析，并對(duì)床身的頻率與剛度約束進(jìn)行優(yōu)化，確保床身的價(jià)值能夠得到充分發(fā)揮。

2機(jī)床的床身結(jié)構(gòu)優(yōu)化

在機(jī)床的床身優(yōu)化中，AN-SYSWorkbench主要提供了試驗(yàn)設(shè)計(jì)中的優(yōu)化技術(shù)，也就是DOE技術(shù)。AN-SYSDesignXplorer能夠針對(duì)組合件及零件，設(shè)計(jì)出最佳的方案，并依據(jù)DOE，對(duì)所需求解的設(shè)計(jì)重點(diǎn)進(jìn)行確定，確保結(jié)構(gòu)優(yōu)化最有效率。AN-SYSDesignXplorer，是一種將傳統(tǒng)與非傳統(tǒng)進(jìn)行有效結(jié)合的技術(shù)，設(shè)計(jì)過(guò)程中能夠同時(shí)對(duì)多個(gè)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行考慮，并對(duì)現(xiàn)有產(chǎn)品進(jìn)行修改，結(jié)合實(shí)際狀況或是新的條件，在最短時(shí)間內(nèi)得到最佳方案。同時(shí)，這種分析結(jié)果所呈現(xiàn)出來(lái)的數(shù)據(jù)、圖形，能夠更加明確、清晰，對(duì)影響產(chǎn)品性能的因子進(jìn)行及時(shí)的獲取。在DOE技術(shù)下，可以根據(jù)所輸入的參數(shù)數(shù)目，采用蒙特卡羅抽樣方式，對(duì)設(shè)計(jì)的參數(shù)樣點(diǎn)加以采集，并對(duì)每個(gè)樣點(diǎn)的響應(yīng)結(jié)果進(jìn)行計(jì)算，通過(guò)二次插值函數(shù)構(gòu)造，來(lái)設(shè)計(jì)空間響應(yīng)面及曲線[1]。

在對(duì)機(jī)床床身進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，要依據(jù)AWE立式加工中心的整體結(jié)構(gòu)，對(duì)筋板厚度、床身壁厚等加以?xún)?yōu)化，確保筋板的出沙孔尺寸為筋板厚度的+16CM。同時(shí)，要結(jié)合機(jī)床設(shè)計(jì)原則，確保床身低階頻率，高于機(jī)床運(yùn)行時(shí)的共振頻率，并盡量減輕床身的重量。考慮到筋板厚度及出沙孔的關(guān)系，因此，要將筋板厚度設(shè)置為床身頻率的最主要影響因素。

3床身結(jié)構(gòu)的有限元分析

為了確保計(jì)算的精度與速度，可盡可能的使有限元模型，來(lái)對(duì)有限元分析進(jìn)行簡(jiǎn)化。在設(shè)計(jì)有限元模型過(guò)程中，要對(duì)單元類(lèi)型進(jìn)行合理的選擇，同時(shí)在編排節(jié)點(diǎn)當(dāng)中，要注意盡量減少對(duì)應(yīng)單元的節(jié)點(diǎn)帶寬及號(hào)差，進(jìn)而有效減少資料的存儲(chǔ)量。由于ANSYS-Workbench及PROE都擁有直接的雙向接口，可在PROE內(nèi)建立模型，之后再導(dǎo)入到ANSYSWorkbench內(nèi)加以計(jì)算[2]。

3.1物理模型的設(shè)立

由于機(jī)床的床身實(shí)際結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，且各部位的筋板、窗孔、曲面等各不相同，幾何形狀也具有多變的特征。所以，在優(yōu)化設(shè)計(jì)中，為適應(yīng)有限元分計(jì)算，需要對(duì)整個(gè)過(guò)程進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，多不影響床身剛度的小倒角、小凸臺(tái)、小圓弧等細(xì)微結(jié)構(gòu)略去，并在機(jī)床的建模中，對(duì)筋和壁厚使用參數(shù)化的建模方式，為后續(xù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供便利的條件。

3.2床身的有限元分析

在床身的有限元分析中，運(yùn)用模態(tài)分析，便能夠確定床身結(jié)構(gòu)的固有頻率、振型。而固有頻率及振型，正是承受整個(gè)機(jī)床動(dòng)態(tài)載荷的重要參數(shù)。在進(jìn)行相關(guān)的模態(tài)分析過(guò)程中，一般使用BlockLanczos這一默認(rèn)的求解方法，并使用Lanczos算法，通過(guò)一組向量來(lái)實(shí)現(xiàn)遞歸。BlockLanczos方法較適用于大型對(duì)稱(chēng)的矩陣求解，并適合殼與實(shí)體以及由殼組成的模型，精確度與收斂速度都較強(qiáng)。

3.3床身的靜剛度解析

對(duì)于床身的靜剛度分析，首先需要確保所設(shè)定的邊界界條件具有準(zhǔn)確性，通過(guò)機(jī)床最大尺寸加工工件及機(jī)床的主電動(dòng)機(jī)功率，以及主軸的轉(zhuǎn)速，來(lái)對(duì)機(jī)床的額定扭矩及額定力加以計(jì)算。在這個(gè)當(dāng)中，還要由Fx∶Fy∶Fz=0.3∶0.5∶1.0，得出三個(gè)切削的分力，再對(duì)立柱、主軸箱、床鞍等進(jìn)行分別的重量計(jì)算，并將以上重量作為床身上的附加質(zhì)量加以處理[3]。同時(shí)，要在相應(yīng)的坐標(biāo)位置，創(chuàng)建各部件的質(zhì)量單元模擬。由于機(jī)床的床身結(jié)構(gòu)復(fù)雜，所以需要使用Workbench來(lái)進(jìn)行自動(dòng)網(wǎng)格劃分，并注意在Workbench內(nèi)，不必選取單元類(lèi)型，且主要是運(yùn)用Hex Domi-nant的四面體及六面體相結(jié)合的方式進(jìn)行劃分。

4結(jié)論

機(jī)床的床身，直接決定著機(jī)床的整體工作效率，并對(duì)機(jī)床上的各基礎(chǔ)部件具有支撐作用，能夠?qū)Ξa(chǎn)品的生產(chǎn)精度產(chǎn)生影響。所以，要提高生產(chǎn)效率，確保產(chǎn)品質(zhì)量，還需要對(duì)機(jī)床的床身進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。尤其是立式加工中心的床身，更是要對(duì)各組成部件有限元靜態(tài)及模態(tài)加以分析，計(jì)算出各階的固有頻率、振型，設(shè)計(jì)得出較為合理的優(yōu)化方案。

參考文獻(xiàn)：

[1]高東強(qiáng),陳超群.立式加工中心床身靜動(dòng)態(tài)特性分析及優(yōu)化[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造,2013,(12):221-223+227.

[2]曹文霞,錢(qián)多德.某型高速立式加工中心床身模態(tài)分析與優(yōu)化[J].制造業(yè)自動(dòng)化,2013,(21):79-81.

[3]楊玉萍,張森.數(shù)控立式加工中心床身筋板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造,2013,(12):38-40.

中圖分類(lèi)號(hào)：TH16

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1671-1602(2016)14-0052-01