王曉雷，姚子生，李博

（1.沈陽(yáng)優(yōu)尼斯智能裝備有限公司；2.上海優(yōu)尼斯工業(yè)服務(wù)有限公司沈陽(yáng)分公司，遼寧 沈陽(yáng) 110141）

隨著科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，對(duì)機(jī)床床身進(jìn)行優(yōu)化的算法日趨完善，也對(duì)用來(lái)加工機(jī)械零件的機(jī)床設(shè)計(jì)提出了更高的要求，促進(jìn)了對(duì)機(jī)床床身的研究，如何分析機(jī)床床身的結(jié)構(gòu)進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)其優(yōu)化的目標(biāo)，成為機(jī)床床身研究的重要課題。而優(yōu)化機(jī)床床身結(jié)構(gòu)的一個(gè)重要基礎(chǔ)就是對(duì)機(jī)床床身結(jié)構(gòu)采取正確、合理的分析方法，只有合理分析，在分析的基礎(chǔ)上正確實(shí)施，才能設(shè)計(jì)出高效優(yōu)化的機(jī)床床身結(jié)構(gòu)。

1 立式加工中心相關(guān)概念

立式加工中心（見(jiàn)圖1）是帶有刀庫(kù)和自動(dòng)換刀裝置的自動(dòng)化多功能數(shù)控機(jī)床，主要應(yīng)用于加工板類、盤類等復(fù)雜零件，它的功能強(qiáng)大，可以完成多項(xiàng)工序，屬于多軸多聯(lián)動(dòng)機(jī)床。相比于普通機(jī)床，立式加工中心雖然對(duì)箱體類加工范圍要小，但是有更多的優(yōu)點(diǎn)。因此，立式加工中心機(jī)床符合我國(guó)工業(yè)迅速發(fā)展的要求。本文主要探討在對(duì)立式加工中心機(jī)床床身的結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析的基礎(chǔ)上，進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化的方法。

圖1 立式加工中心結(jié)構(gòu)模型

2 機(jī)床床身結(jié)構(gòu)的有限元分析

參看圖1的立式加工中心結(jié)構(gòu)模型，可以將機(jī)床結(jié)構(gòu)分為機(jī)床床身和相關(guān)部件（包含支撐滑座、連接工作臺(tái)、立柱等）兩個(gè)部分。過(guò)去人們?cè)O(shè)計(jì)機(jī)床時(shí)，只能應(yīng)用模糊的方法來(lái)分析機(jī)床床身應(yīng)當(dāng)如何設(shè)計(jì)。比如人們只能粗略的估計(jì)，床身大致的體積應(yīng)當(dāng)是多少，如果體積太小，可能影響機(jī)床性能；如果體積太大，可能因?yàn)椴贿m宜安置，不適合應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中。人們只能估計(jì)，應(yīng)當(dāng)把機(jī)床床身設(shè)計(jì)成立式的或臥式的，或者其它結(jié)構(gòu)的。因?yàn)槟菚r(shí)人們只能憑設(shè)計(jì)者的直覺(jué)和工人的經(jīng)驗(yàn)來(lái)設(shè)計(jì)機(jī)床床身，所以人們?cè)O(shè)計(jì)的床身相對(duì)的結(jié)構(gòu)比較單一，或者床身的功能只能滿足某一個(gè)方面的需求。比如有些床身設(shè)計(jì)的剛度足夠了，而其它的性能又不足了。應(yīng)用機(jī)床床身結(jié)構(gòu)的有限元分析，可讓機(jī)床床身整體性能和局部設(shè)計(jì)都能達(dá)到設(shè)計(jì)的需求。

有限元分析的方法，是應(yīng)用了三維建模技術(shù)及數(shù)字模型技術(shù)來(lái)分析機(jī)床床身的設(shè)計(jì)?，F(xiàn)應(yīng)用三維CAD軟件Pro/e建立一個(gè)機(jī)床床身的基本模型，三維CAD軟件是最常使用的三維立體設(shè)計(jì)及繪制的軟件，它能建立各種形狀復(fù)雜的三維立體模型，可滿足機(jī)床床身的基本設(shè)計(jì)。將機(jī)床床身設(shè)計(jì)導(dǎo)入到ANSYS10．0軟件中。ANSYS10．0軟件提供了導(dǎo)入Pro/e設(shè)計(jì)圖形的功能。將模型導(dǎo)入后，輸入各種與實(shí)體材料有關(guān)的參數(shù)，軟件能給出靜力學(xué)分析。該次設(shè)計(jì)設(shè)置的靜力學(xué)分析參數(shù)設(shè)置如下：?jiǎn)卧牧隙镠T250，軟件默認(rèn)的相應(yīng)參數(shù)就是楊氏模量E=125Gpa；密度=7300kg/m3；泊松比=0．25，軟件會(huì)依此數(shù)據(jù)做靜力學(xué)分析。靜力學(xué)分析是指在沒(méi)有外力作用的情況下，機(jī)床床身的物理性力學(xué)性參數(shù)值。靜力學(xué)分析需要做好兩個(gè)方面的控制。第一，不需要把結(jié)果控制得過(guò)于精密，因?yàn)楹罄m(xù)需要做有限動(dòng)態(tài)元的分析，數(shù)據(jù)分析會(huì)有較大的變化，所以這一階段不需要特別精密的控制數(shù)據(jù)分析的質(zhì)量。第二，需要分析與機(jī)床整體性能影響特別大的數(shù)據(jù)，比如導(dǎo)軌和床身的連接方式、床身壁和筋板用殼單元或板單元的數(shù)據(jù)精度是需要控制的。調(diào)整參數(shù)，使靜力學(xué)分析獲得的設(shè)計(jì)結(jié)果大致的滿足需求，然后進(jìn)行有限動(dòng)態(tài)元的分析。在開(kāi)展有限動(dòng)態(tài)學(xué)分析以前，應(yīng)用軟件的功能，把設(shè)計(jì)的結(jié)果網(wǎng)格化。在設(shè)計(jì)機(jī)床床身時(shí)，不僅需要設(shè)計(jì)出整個(gè)機(jī)床床身的物理力學(xué)性能，還需要了解每個(gè)局部位置的物理力學(xué)性能。在設(shè)計(jì)中，需要調(diào)整筋板、曲面、窗孔、小孔、凸臺(tái)等一系列的設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)，讓機(jī)床的床身既能在厚度、幾何形狀的功能上滿足設(shè)計(jì)的需求，又能在物理力學(xué)性能上滿足需求的。網(wǎng)格劃分參數(shù)設(shè)定為：自由網(wǎng)絡(luò)、全局控制、單元類型10節(jié)點(diǎn)四面體單元SOLID92,分網(wǎng)方式為智能8級(jí)分網(wǎng)。軟件以此來(lái)建立模型約束，它會(huì)詳細(xì)的給出每個(gè)網(wǎng)格局部單元的物理力學(xué)性能分析。建立有限元?jiǎng)討B(tài)分析的目標(biāo)是機(jī)床結(jié)構(gòu)及機(jī)械零部件的振動(dòng)特性。在靜態(tài)力學(xué)分析中，已經(jīng)固定了機(jī)床床身材料的設(shè)計(jì)。在材料不變的前提下，機(jī)床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不同，機(jī)床床身每個(gè)局部位置的物理力學(xué)性能不同?，F(xiàn)需要能過(guò)調(diào)整機(jī)床結(jié)構(gòu)來(lái)盡可能讓每個(gè)局部位置的物理力學(xué)性能參數(shù)滿足設(shè)計(jì)的需求。機(jī)床結(jié)構(gòu)及零部件設(shè)計(jì)又能決定機(jī)床的振動(dòng)特性。機(jī)床的振動(dòng)與零件加工的質(zhì)量密切相關(guān)。機(jī)床在實(shí)際運(yùn)作時(shí)，振動(dòng)越大，零件切削表面質(zhì)量越粗糙，機(jī)床及零件的磨損也較大。此時(shí)要應(yīng)用機(jī)床結(jié)構(gòu)及零部件設(shè)計(jì)的微調(diào)來(lái)讓設(shè)計(jì)結(jié)果滿足需求。比如一個(gè)單元結(jié)構(gòu)應(yīng)用圓孔還是方孔，都會(huì)影響機(jī)床床身的自重及結(jié)構(gòu)，它會(huì)讓設(shè)計(jì)結(jié)果改變。圖2和圖3就是微調(diào)的實(shí)例。

圖2 優(yōu)化前振型一階圖

圖3 優(yōu)化后振型一階圖

3 優(yōu)化立式加工中心機(jī)床床身結(jié)構(gòu)的舉措

優(yōu)化立式加工中心機(jī)床床身的結(jié)構(gòu)，主要就是要在確保機(jī)床強(qiáng)度的基礎(chǔ)上，減輕床身的重量，保留必須保留的零件，去除不必要的零件，改變床身零件的幾何形狀，提高機(jī)床床身的負(fù)載能力，使得結(jié)構(gòu)更加優(yōu)化。經(jīng)過(guò)上文的闡述，可以看出，機(jī)床的動(dòng)態(tài)負(fù)載能力受到床身結(jié)構(gòu)前幾階固有頻率的影響，當(dāng)動(dòng)載荷頻率接近于結(jié)構(gòu)固有頻率之一時(shí)，結(jié)構(gòu)會(huì)出現(xiàn)過(guò)度振動(dòng)。一旦機(jī)床出現(xiàn)較大的振動(dòng)，就會(huì)影響機(jī)床床身的承載能力。為此，我們?cè)趦?yōu)化機(jī)床床身結(jié)構(gòu)時(shí)就可以調(diào)整前幾階低頻，微調(diào)機(jī)床床身設(shè)計(jì)的各種細(xì)節(jié)內(nèi)容。之所以稱這種微調(diào)為有限動(dòng)態(tài)元分析，是因?yàn)楝F(xiàn)在如果僅微調(diào)一個(gè)細(xì)節(jié)的位置，會(huì)帶來(lái)機(jī)床振動(dòng)特性的變化，然而可以通過(guò)微調(diào)多個(gè)細(xì)節(jié)的位置，使機(jī)床的振動(dòng)特性不改變，而實(shí)際上機(jī)床結(jié)構(gòu)的每個(gè)細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)已經(jīng)動(dòng)態(tài)關(guān)聯(lián)了，而設(shè)計(jì)則既能滿足機(jī)身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的需求，又滿足了振動(dòng)特性設(shè)計(jì)的需求。

4 結(jié)語(yǔ)

本文在簡(jiǎn)單介紹有限元分析和立式加工中心機(jī)床的含義之后展開(kāi)討論，在提出方案時(shí)，以優(yōu)化機(jī)床床身結(jié)構(gòu)后確保機(jī)床的固有頻率，避免因?yàn)閮?yōu)化而造成機(jī)床振動(dòng)頻率加快，從而影響機(jī)床的負(fù)載能力。