李啟高

（廣東聯(lián)塑科技實業(yè)有限公司，廣東佛山 528000）

數(shù)控機床結構設計與優(yōu)化探究

李啟高

（廣東聯(lián)塑科技實業(yè)有限公司，廣東佛山 528000）

現(xiàn)代數(shù)控機床在應用過程中具有高風險、高精密、高速度和高效率等特性，這給數(shù)控機床結構設計提出了更高的挑戰(zhàn)。分析數(shù)控機床結構設計的優(yōu)化策略，旨在確保數(shù)控機床結構的合理性。

數(shù)控機床；結構設計；優(yōu)化對策

在數(shù)控機床結構設計與優(yōu)化過程中，設計師必須創(chuàng)新思維，提升設計制造技術，有效增強數(shù)控機床結構的開發(fā)能力。探究數(shù)控機床結構設計與優(yōu)化策略具有非常重要的現(xiàn)實意義，所以必須全面掌握數(shù)控機床結構設計所依據(jù)的基本原則，讓數(shù)控機床結構設計成為適時之需。

1 數(shù)控機床結構設計的優(yōu)化

1.1 基于質(zhì)量輕型化的結構優(yōu)化設計

在優(yōu)化數(shù)控機床結構設計的過程中，應該盡量保證數(shù)控機床結構達到靜、動態(tài)特性及熱態(tài)特性等性能指標，保證移動部件的質(zhì)量盡可能輕。但是，傳統(tǒng)的數(shù)控機床結構設計的觀念就是機床的剛度越大越好，而現(xiàn)代數(shù)控機床結構設計的觀念則是質(zhì)量越輕越好。如果數(shù)控機床結構移動部件的質(zhì)量較輕，不但能夠提高數(shù)控機床的動態(tài)性能，而且還能夠最大限度的減少驅動功率，節(jié)約能源，減少材料使用。在傳統(tǒng)觀念下為了保證數(shù)控機床結構的剛度，則主要是選擇加大數(shù)控機床結構件的壁厚。其中，數(shù)控機床結構的壁厚與質(zhì)量是一種立方的關系，而壁厚與剛度則主要是一種線性關系。同時，在這個過程中還具有一個非常重要的指標就是剛度的質(zhì)量比。隨著數(shù)控機床結構壁厚不斷增加，則會讓數(shù)控機床結構的剛度質(zhì)量隨之降低。因此，在數(shù)控機床結構的設計過程中，應該準確合理的布置數(shù)控機床結構件的形狀和筋板，堅持質(zhì)量輕型化的原則，真正實現(xiàn)數(shù)控機床結構的高剛度和高剛度質(zhì)量比。下面以數(shù)控車床的移動關鍵結構件十字拖板為例，如圖1，這種數(shù)控機床設計主要是一種扁平的結構，所以在布置筋板的過程中應該全面考慮因扭轉產(chǎn)生的變形，多選擇使用米字形的筋板，以便從根本上提高數(shù)控機床結構中拖板的抗扭能力。其中，固有頻率w=（k/m）1/2，式中的m為數(shù)控機床結構本身的質(zhì)量，而k則表示數(shù)控機床結構的剛度，這便能夠非常清晰的看出：當數(shù)控機床零件在結構與材質(zhì)相同的前提下，如果當固有頻率隨著質(zhì)量的增加而減少時，則可以選擇一字筋板來代替一些非主要承受的數(shù)控機床部位材料。

圖1 數(shù)控車床十字拖板三維結構圖

1.2 基于計算機應用技術對機床結構進行建模、仿真及優(yōu)化設計

在數(shù)控機床結構的概念設計階段中，應該全面考慮數(shù)控機床結構設計中所需產(chǎn)品的性能，并且在一定的設計空間中找出最佳和最合理的產(chǎn)品設計思路。例如，在進行CAD實體建模的過程中，應該根據(jù)整個數(shù)控機床結構的功能，以及具備的靜、動態(tài)特性要求構建有限元模型。同時，還需要采用科學合理的結構靜力學分析、動態(tài)設計和熱分析等方法，綜合設計數(shù)控機床結構的形狀、尺寸等特性參數(shù)，從而優(yōu)化數(shù)控機床的結構。其中，優(yōu)化的數(shù)控機床結構設計具有良好的動態(tài)特征和穩(wěn)定性，有利于達到控制振動和提高運行可靠性的目的，如圖2。通常在優(yōu)化數(shù)控機床結構設計的過程中采用的是拓撲優(yōu)化方法，其主要目標是找到承受單載荷或者多載荷結構件的最佳材料分配方案[2]。因此，在特定的設計空間中，應該找到最佳的制定加載和邊界條件的方案。例如，當數(shù)控機床結構的剛度不變時，其體積最小化，能夠在一定程度上減輕數(shù)控機床的質(zhì)量；如果當數(shù)控機床的體積不變，剛度最大化，將會減少數(shù)控機床結構的變形；如果當數(shù)控機床的體積不變，第一固有頻率最大化，則能夠提高動態(tài)的性能。因此，優(yōu)化數(shù)控機床結構是一種反復的過程，所以應該從概念設計開始到不同的設計階段，都需要巧妙借助相應的軟件來優(yōu)化數(shù)控機床的結構，從而保障數(shù)控機床的性能。

圖2 基于有限元分析技術的機床優(yōu)化流程圖

1.3 基于模塊化思想實現(xiàn)機床結構優(yōu)化創(chuàng)新

模塊化是實現(xiàn)機床大規(guī)模定制快速響應設計的重要方式之一，所謂的模塊化，即將機床整體分為若干基礎模塊，而后結合功能需求進行重新組合。就機床結構與布局而言，是可根據(jù)產(chǎn)品需求來進行組合的，而機床的模塊結構，包括硬件、軟件與控制系統(tǒng)等則是有著一定的標準，且不同模塊之間有著統(tǒng)一的標準化界面。因此，機床的設計應以產(chǎn)品需求為基礎，通過改變機床功能，實現(xiàn)無功能冗余。

該模塊化的結構不僅讓產(chǎn)品具備了更高的柔性，更極大縮短了產(chǎn)品改性換代所需時間，不僅滿足了產(chǎn)品的加工需求，亦簡化了機床的功能與結合，從而有利于專業(yè)化的大規(guī)模生產(chǎn)。此外，該模塊化結構還進一步提高了產(chǎn)品質(zhì)量與成熟度，并降低了產(chǎn)品的生產(chǎn)成本?？梢姡瑢⒛K化引進各類新技術，包括直線電機技術、滾動導軌技術等，不僅有利于實現(xiàn)所謂的“零傳動”，還能簡化機床結構，進而有利于模塊的重組與調(diào)整。

4 結束語

總而言之，當前我國的高端機床與國外先進廠家生產(chǎn)的數(shù)控機床存在一定的差距，所以需要采用實驗研究、理論分析和計算機模擬等多種方法開展大量的基礎性研究工作。創(chuàng)新數(shù)控機床結構設計理念，積極融入先進的數(shù)控機床結構設計技術，以便能夠為客戶提供更高速度、更高精度和更高生產(chǎn)效率的數(shù)控機床結構設計工藝范圍，從而保證數(shù)控機床具有較好的性能。

Modern CNC machine tools in the application process with high risk，high precision，high speed and high efficiency and other characteristics，which give CNC machine tool structure design put forward higher challenges.Analysis of CNC machine tool structure design optimization strategy，designed to ensure the rationality of CNC machine tool structure.

CNC machine tools；structural design；optimization countermeasures

表2 加藥前后濾前水含油、懸浮物

TG659

A

1003-6490（2017）01-0175-02

2017-01-15

張永剛（1984—），男，黑龍江大慶人，工程師，主要研究方向為油田污水處理。

收稿日期：2017-01-06

作者簡介： 李啟高（1981—），男，廣東信宜人，主要研究方向為機械設計。