王曉雷，姚子生，李博

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

隨著科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，對機床床身進行優(yōu)化的算法日趨完善，也對用來加工機械零件的機床設(shè)計提出了更高的要求，促進了對機床床身的研究，如何分析機床床身的結(jié)構(gòu)進而實現(xiàn)對其優(yōu)化的目標，成為機床床身研究的重要課題。而優(yōu)化機床床身結(jié)構(gòu)的一個重要基礎(chǔ)就是對機床床身結(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)上正確實施，才能設(shè)計出高效優(yōu)化的機床床身結(jié)構(gòu)。

1 立式加工中心相關(guān)概念

立式加工中心（見圖1）是帶有刀庫和自動換刀裝置的自動化多功能數(shù)控機床，主要應(yīng)用于加工板類、盤類等復(fù)雜零件，它的功能強大，可以完成多項工序，屬于多軸多聯(lián)動機床。相比于普通機床，立式加工中心雖然對箱體類加工范圍要小，但是有更多的優(yōu)點。因此，立式加工中心機床符合我國工業(yè)迅速發(fā)展的要求。本文主要探討在對立式加工中心機床床身的結(jié)構(gòu)進行有限元分析的基礎(chǔ)上，進行結(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，可以將機床結(jié)構(gòu)分為機床床身和相關(guān)部件（包含支撐滑座、連接工作臺、立柱等）兩個部分。過去人們設(shè)計機床時，只能應(yīng)用模糊的方法來分析機床床身應(yīng)當如何設(shè)計。比如人們只能粗略的估計，床身大致的體積應(yīng)當是多少，如果體積太小，可能影響機床性能；如果體積太大，可能因為不適宜安置，不適合應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中。人們只能估計，應(yīng)當把機床床身設(shè)計成立式的或臥式的，或者其它結(jié)構(gòu)的。因為那時人們只能憑設(shè)計者的直覺和工人的經(jīng)驗來設(shè)計機床床身，所以人們設(shè)計的床身相對的結(jié)構(gòu)比較單一，或者床身的功能只能滿足某一個方面的需求。比如有些床身設(shè)計的剛度足夠了，而其它的性能又不足了。應(yīng)用機床床身結(jié)構(gòu)的有限元分析，可讓機床床身整體性能和局部設(shè)計都能達到設(shè)計的需求。

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)來分析機床床身的設(shè)計?，F(xiàn)應(yīng)用三維CAD軟件Pro/e建立一個機床床身的基本模型，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，可滿足機床床身的基本設(shè)計。將機床床身設(shè)計導(dǎo)入到ANSYS10．0軟件中。ANSYS10．0軟件提供了導(dǎo)入Pro/e設(shè)計圖形的功能。將模型導(dǎo)入后，輸入各種與實體材料有關(guān)的參數(shù)，軟件能給出靜力學(xué)分析。該次設(shè)計設(shè)置的靜力學(xué)分析參數(shù)設(shè)置如下：單元材料定為HT250，軟件默認的相應(yīng)參數(shù)就是楊氏模量E=125Gpa；密度=7300kg/m3；泊松比=0．25，軟件會依此數(shù)據(jù)做靜力學(xué)分析。靜力學(xué)分析是指在沒有外力作用的情況下，機床床身的物理性力學(xué)性參數(shù)值。靜力學(xué)分析需要做好兩個方面的控制。第一，不需要把結(jié)果控制得過于精密，因為后續(xù)需要做有限動態(tài)元的分析，數(shù)據(jù)分析會有較大的變化，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)計結(jié)果大致的滿足需求，然后進行有限動態(tài)元的分析。在開展有限動態(tài)學(xué)分析以前，應(yīng)用軟件的功能，把設(shè)計的結(jié)果網(wǎng)格化。在設(shè)計機床床身時，不僅需要設(shè)計出整個機床床身的物理力學(xué)性能，還需要了解每個局部位置的物理力學(xué)性能。在設(shè)計中，需要調(diào)整筋板、曲面、窗孔、小孔、凸臺等一系列的設(shè)計細節(jié)，讓機床的床身既能在厚度、幾何形狀的功能上滿足設(shè)計的需求，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)點四面體單元SOLID92,分網(wǎng)方式為智能8級分網(wǎng)。軟件以此來建立模型約束，它會詳細的給出每個網(wǎng)格局部單元的物理力學(xué)性能分析。建立有限元動態(tài)分析的目標是機床結(jié)構(gòu)及機械零部件的振動特性。在靜態(tài)力學(xué)分析中，已經(jīng)固定了機床床身材料的設(shè)計。在材料不變的前提下，機床結(jié)構(gòu)設(shè)計不同，機床床身每個局部位置的物理力學(xué)性能不同?，F(xiàn)需要能過調(diào)整機床結(jié)構(gòu)來盡可能讓每個局部位置的物理力學(xué)性能參數(shù)滿足設(shè)計的需求。機床結(jié)構(gòu)及零部件設(shè)計又能決定機床的振動特性。機床的振動與零件加工的質(zhì)量密切相關(guān)。機床在實際運作時，振動越大，零件切削表面質(zhì)量越粗糙，機床及零件的磨損也較大。此時要應(yīng)用機床結(jié)構(gòu)及零部件設(shè)計的微調(diào)來讓設(shè)計結(jié)果滿足需求。比如一個單元結(jié)構(gòu)應(yīng)用圓孔還是方孔，都會影響機床床身的自重及結(jié)構(gòu)，它會讓設(shè)計結(jié)果改變。圖2和圖3就是微調(diào)的實例。

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)化立式加工中心機床床身結(jié)構(gòu)的舉措

優(yōu)化立式加工中心機床床身的結(jié)構(gòu)，主要就是要在確保機床強度的基礎(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，提高機床床身的負載能力，使得結(jié)構(gòu)更加優(yōu)化。經(jīng)過上文的闡述，可以看出，機床的動態(tài)負載能力受到床身結(jié)構(gòu)前幾階固有頻率的影響，當動載荷頻率接近于結(jié)構(gòu)固有頻率之一時，結(jié)構(gòu)會出現(xiàn)過度振動。一旦機床出現(xiàn)較大的振動，就會影響機床床身的承載能力。為此，我們在優(yōu)化機床床身結(jié)構(gòu)時就可以調(diào)整前幾階低頻，微調(diào)機床床身設(shè)計的各種細節(jié)內(nèi)容。之所以稱這種微調(diào)為有限動態(tài)元分析，是因為現(xiàn)在如果僅微調(diào)一個細節(jié)的位置，會帶來機床振動特性的變化，然而可以通過微調(diào)多個細節(jié)的位置，使機床的振動特性不改變，而實際上機床結(jié)構(gòu)的每個細節(jié)設(shè)計已經(jīng)動態(tài)關(guān)聯(lián)了，而設(shè)計則既能滿足機身結(jié)構(gòu)設(shè)計的需求，又滿足了振動特性設(shè)計的需求。

4 結(jié)語

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