趙福龍

（中航工業(yè)北京航空制造工程研究所，北京100024）

1 機(jī)床基本結(jié)構(gòu)與功能概述

數(shù)控機(jī)床的主要結(jié)構(gòu)可以分為電氣控制部分（包括輸入與輸出裝置、伺服系統(tǒng)和檢驗(yàn)與反饋系統(tǒng)等）和機(jī)械結(jié)構(gòu)部分。本文研究機(jī)床床身結(jié)構(gòu)優(yōu)化，不涉及相關(guān)電氣控制部分，故在此不作討論。數(shù)控機(jī)床的機(jī)械結(jié)構(gòu)部分又被稱為機(jī)床的主機(jī)，是數(shù)控機(jī)床的主體部分，由機(jī)床床身、機(jī)床立柱、控制主軸和相應(yīng)的進(jìn)給機(jī)構(gòu)組成［1］。

就目前發(fā)展趨勢(shì)來看，機(jī)床結(jié)構(gòu)的發(fā)展向重載、高速和智能方向發(fā)展。機(jī)床的床身是機(jī)床主機(jī)的核心部件，各種關(guān)鍵機(jī)械零部件（例如機(jī)床工作臺(tái)和立柱、主軸等）的支撐與連接都需要依靠機(jī)床床身。而床身的動(dòng)態(tài)性能對(duì)機(jī)床本身的性能影響巨大，尤其是數(shù)控機(jī)床精密度要求高、運(yùn)行速度快并且各移動(dòng)部件的慣量較大，刀具對(duì)機(jī)床振動(dòng)影響敏感，因此機(jī)床床身的動(dòng)態(tài)特性對(duì)整機(jī)的影響更為巨大。若機(jī)床床身的動(dòng)態(tài)性能較低，會(huì)導(dǎo)致刀具無(wú)法處在最佳工作狀態(tài)，機(jī)床各類刀具的使用壽命會(huì)大幅下降，進(jìn)而嚴(yán)重影響到數(shù)控機(jī)床加工零件的表面加工質(zhì)量，最終降低零部件的加工水平。

2 機(jī)床床身結(jié)構(gòu)優(yōu)化相關(guān)內(nèi)容

2.1 機(jī)床床身結(jié)構(gòu)優(yōu)化理論

機(jī)床床身結(jié)構(gòu)優(yōu)化一般是依據(jù)相關(guān)工作經(jīng)驗(yàn)以機(jī)床功能的改進(jìn)與提升為目的，以改變機(jī)床整體或部分結(jié)構(gòu)和改善重要工藝為手段，對(duì)機(jī)床相關(guān)的零部件進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。但是隨著有限元分析手段的廣泛應(yīng)用，依靠模態(tài)分析方法研究關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)性能，進(jìn)行關(guān)鍵結(jié)構(gòu)部件的優(yōu)化設(shè)計(jì)，成為了當(dāng)前主流的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。

數(shù)控機(jī)床關(guān)鍵零部件和相關(guān)機(jī)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性對(duì)機(jī)床的工作穩(wěn)定程度和加工精度有十分重要的影響。因此對(duì)機(jī)床床身結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化最關(guān)鍵的工作內(nèi)容就是研究不同床身結(jié)構(gòu)情形下，機(jī)床相應(yīng)的動(dòng)態(tài)性能的改變。

2.2 床身動(dòng)態(tài)性能對(duì)結(jié)構(gòu)優(yōu)化的影響

機(jī)床床身結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)性能的高低就是表示機(jī)床結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)特征的物理量數(shù)值的大小，物理量包括機(jī)床床身結(jié)構(gòu)的自振周期、自振頻率、振型形式和振動(dòng)阻尼等基本數(shù)值。進(jìn)行機(jī)床床身結(jié)構(gòu)的模態(tài)分析，是機(jī)床床身結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)的主要任務(wù)，是研究機(jī)床床身結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)性能的主要手段。

機(jī)床的床身屬于帶有筋板的框架型結(jié)構(gòu)，床身的筋板設(shè)計(jì)和各個(gè)功能孔的布局對(duì)床身結(jié)構(gòu)本身的動(dòng)態(tài)性能影響很大。因此合理進(jìn)行機(jī)床床身筋板的設(shè)計(jì)和相關(guān)功能孔的布局，對(duì)減少床身材料使用、降低整機(jī)質(zhì)量和提高機(jī)床的動(dòng)態(tài)性能都有著顯著的影響。這3個(gè)方面是機(jī)床結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的出發(fā)點(diǎn)，也就是說，機(jī)床床身的動(dòng)態(tài)性能與其結(jié)構(gòu)優(yōu)化之間是緊密聯(lián)系、不可分割的。

2.3 有限元分析軟件ANSYS相關(guān)介紹［2］

ANSYS是一款常用的有限元分析軟件，其通過有限元基礎(chǔ)理論進(jìn)行有限元分析。欲用ANSYS得到更精確的求解數(shù)據(jù)，可以使用縮小單元尺寸的方式，如果單元滿足收斂條件，則近似解收斂于真實(shí)值。有限元法按照所選基本未知量不同可分為位移法和力法。由于位移法便于編寫計(jì)算機(jī)程序，所以ANSYS使用位移法。以位移為基本未知量，然后根據(jù)幾何方程和材料的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系求解出應(yīng)力場(chǎng)和應(yīng)變場(chǎng)。ANSYS有限元分析一般包括以下幾步：建立相關(guān)的有限元模型，此步驟包括選擇單元類型、定義實(shí)常數(shù)、定義材料模型、建立幾何模型、進(jìn)行網(wǎng)格劃分等；激活力學(xué)分析；施加載荷；求解和觀察結(jié)果。求解結(jié)果一般為力或者變形，可以使用表格、應(yīng)力應(yīng)變?cè)茍D等形式顯示計(jì)算結(jié)果，也可以生成動(dòng)畫動(dòng)態(tài)顯示計(jì)算結(jié)果。

當(dāng)然，ANSYS有限元分析的過程不是絕對(duì)的，例如可以先建模型或者導(dǎo)入模型（本文使用模型導(dǎo)入法），然后再進(jìn)行相關(guān)參數(shù)的設(shè)置。但無(wú)論如何，分析的相關(guān)步驟不可缺少，如果缺少可能導(dǎo)致最后結(jié)果不收斂，無(wú)法進(jìn)行求解。

3 機(jī)床床身結(jié)構(gòu)優(yōu)化舉例

3.1 CK2120X新型數(shù)控機(jī)床床身有限元分析模型的建立

由于使用ANSYS軟件進(jìn)行機(jī)床床身建模非常復(fù)雜，而且不便進(jìn)行修改優(yōu)化，因此筆者使用三維建模軟件SolidWorks建立機(jī)床床身模型，通過ANSYS與SolidWorks之間的無(wú)縫接口將三維模型導(dǎo)入到ANSYS軟件中，進(jìn)行相關(guān)的有限元模態(tài)結(jié)構(gòu)分析。

依據(jù)CK2120X型數(shù)控機(jī)床床身結(jié)構(gòu)的工程圖紙，結(jié)合相關(guān)尺寸，建立了機(jī)床床身結(jié)構(gòu)的三維模型，如圖1所示。

圖1 CK2120X機(jī)床床身三維模型圖

以節(jié)省材料和提高工作強(qiáng)度為目標(biāo)，對(duì)機(jī)床床身的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化。機(jī)床床身結(jié)構(gòu)主體尺寸不變，僅對(duì)重要的筋板結(jié)構(gòu)作出調(diào)整與簡(jiǎn)化。優(yōu)化后的三維模型如圖2所示。

3.2 基于ANSYS的機(jī)床床身結(jié)構(gòu)有限元分析［3］

將上述三維模型通過無(wú)縫接口導(dǎo)入到ANSYS軟件中，進(jìn)行相應(yīng)的有限元分析。首先根據(jù)實(shí)際情況對(duì)模型施加相應(yīng)的約束和動(dòng)載荷，然后進(jìn)行求解，最后進(jìn)行模態(tài)擴(kuò)展分析，觀察求解結(jié)果，求解結(jié)果以云圖的形式進(jìn)行表示。

圖2 優(yōu)化后的機(jī)床床身三維模型圖

3.3 機(jī)床床身結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析

根據(jù)有限元分析結(jié)果可知，機(jī)床床身前端和變速箱安裝部位是機(jī)床床身結(jié)構(gòu)中動(dòng)態(tài)性能最差的部分，需要進(jìn)行改進(jìn)。根據(jù)所得到云圖的顏色變化可知，優(yōu)化后的機(jī)床床身結(jié)構(gòu)的模態(tài)形式為左右扭轉(zhuǎn)擺動(dòng)形式，機(jī)床前端和變速箱安裝部位的結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性有明顯改進(jìn)。

此結(jié)果有力地說明了對(duì)機(jī)床結(jié)構(gòu)的筋板進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)可顯著提高機(jī)床床身結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)性能，如此便能間接提高機(jī)床整體的動(dòng)態(tài)性能，改進(jìn)機(jī)床的加工精度，達(dá)到結(jié)構(gòu)優(yōu)化的目的。

4 結(jié)語(yǔ)

本文抓住機(jī)床床身結(jié)構(gòu)優(yōu)化的一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)—機(jī)床床身動(dòng)態(tài)性能優(yōu)化，對(duì)機(jī)床床身結(jié)構(gòu)的優(yōu)化問題進(jìn)行了簡(jiǎn)要分析。以機(jī)床床身優(yōu)化理論為起點(diǎn)，介紹了機(jī)床床身優(yōu)化設(shè)計(jì)過程，為順利完成優(yōu)化過程又對(duì)本次實(shí)例所使用的有限元分析軟件ANSYS的相關(guān)基礎(chǔ)理論進(jìn)行了闡述，最后通過對(duì)機(jī)床床身模型優(yōu)化進(jìn)行實(shí)際操作，得出了相關(guān)結(jié)論。

通過實(shí)例分析可知，優(yōu)化機(jī)床床身的筋板結(jié)構(gòu)可以有效提高床身的固有頻率，是提高機(jī)床床身動(dòng)態(tài)性能的有效措施。在實(shí)際的優(yōu)化設(shè)計(jì)工作中，僅僅進(jìn)行一種形式的優(yōu)化可能無(wú)法得到最優(yōu)的設(shè)計(jì)方案，因此實(shí)際優(yōu)化設(shè)計(jì)工作中往往進(jìn)行多種層次、多種方案的機(jī)床結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，在諸多方案中擇優(yōu)而取，用來指導(dǎo)機(jī)床的實(shí)際研究與改進(jìn)［4］。

［1］王富強(qiáng)，芮執(zhí)元，雷春麗，等.基于元結(jié)構(gòu)的精密機(jī)床床身結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)分析和優(yōu)化［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)，2012（5）.

［2］張洪才.ANSYS14.0理論解析和工程應(yīng)用實(shí)例［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2012.

［3］耿新海.六主軸數(shù)控車床床身有限元分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化［D］.沈陽(yáng)：沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)，2009.

［4］張學(xué)玲，徐燕申，鐘偉泓.基于有限元分析的數(shù)控機(jī)床床身結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法研究［J］.機(jī)械強(qiáng)度，2005（3）.