大幅面雕刻機機床床身結構研究

劉薇娜 霍春燕 楊立峰

（長春理工大學，吉林 長春130022）

0 引言

在當代社會，傳統的手工雕刻方式因其生產效率低下、勞動強度大的缺點，已不能滿足人類日益增長的物質需要，將精湛的雕刻加工與現代化的工業生產方式相結合已是雕刻行業的發展大趨勢。自20世紀90年代中期雕刻機進入中國市場以來，國產設備以小功率、小幅面雕刻為主，無法對材料進行大功率、大幅面加工。這就導致企業的生產受到很大的限制，因此適合于大幅面加工的數控雕刻機的研制已刻不容緩。雕刻機機床在進行雕刻加工時縱向產生的切削力非常大，這就要求機床必須具備可靠的剛性。因此，對于大幅面雕刻機來說，作為支撐部件的機床床身十分重要，其結構性能的好壞直接影響機床的各項性能指標［1］。本文通過查找和研究資料，合理設計出一款適合企業生產要求的大幅面雕刻機的床身結構，然后通過ANSYS有限元分析軟件對其進行結構的模態分析，判斷出機床在加工過程中容易損壞的薄弱部位及結構的共振區域，為下一步的結構改進設計提供了理論依據。

1 雕刻機床身框架的結構設計

床身框架是機床的基本組成部分。國內外大部分雕刻機機床床身的結構都是采用鑄鐵鑄造而成，但是鑄造件需要鑄模，且隨著鑄件尺寸的增加，成本較高，同時鑄件結構內部組織容易存在縮孔、氣孔等鑄造缺陷，嚴重影響鑄件質量。相比較而言，焊接鋼具有很好的彈性模量，容易獲得較大的截面面積，加工方便，通用性較高，可以隨時更換損壞的部件，在應用過程中通常會使用加強筋來提高其剛度。所以設計時機床地腳材料采用鑄鋼，以保持可靠的剛度要求，機床立柱結構采用方鋼型材，機床工作臺以及框架均通過焊接工藝成型。同時為了提高機床的剛度，在機床的2個側面分別添加2個加強筋。機床主要承受來自Z軸方向的力產生的彎矩，因此側面的加強筋和加強板是十分必要的，其增加了機床的整體強度。添加直筋板除了可提高剛度外，也能減小薄壁振動和局部變形［2］。

為了保證雕刻機在加工過程中的穩定性，機床床身必需添加地腳。地腳主要用于機械設備的支撐安裝、水平調整，以免工作時發生位移和傾覆。活地腳一般用于固定在工作時有強烈沖擊和振動的重型設備。對于地腳截面形狀的選擇而言，機床承受的力主要是沿Z軸方向的，對于機床底座來講受豎直方向的壓力較大，所以要確保底座的抗彎剛度，故選擇方形截面。

因為雕刻機幅面較大，工作時對穩定性的要求也很高，底座要十分穩固，所以采用8個地腳結構。地腳確定了整個機床的基準采用鑄造形式。大幅面雕刻機屬于大型機床，機床的長度為2 500 mm，寬度為2 000 mm，8個地腳通過地腳螺栓固定。床身結構如圖1所示。

圖1 床身的三維結構

機床支撐件主要指的是立柱、橫梁、底座等基礎件，其主要作用是支承安裝在上面的零部件，并保證零部件之間正確的相互位置關系和相對運動軌跡［3］。因此，在選擇材料時必須要求抗變形和抗破裂。焊接結構材料一般選擇優質低碳鋼。在加強筋方面，用方鋼作為立柱與底座的焊接連接，立柱采用規格為100 mm×100 mm×900 mm的方鋼。

2 雕刻機床身框架結構的有限元模態分析

2.1 床身框架結構的有限元模型

幾何模型是進行有限元分析的基礎和前提，本文采用Catia軟件建立機床床身的三維實體模型，然后將其轉換成IGS格式，再導入ANSYS Workbench進行模態分析。在建模過程中，對結構進行了適當的簡化和修改，忽略模型中對分析結果影響較小的特征，如部分倒角、小孔等［4］。圖2為簡化后的機床床身三維實體模型。

圖2 床身三維實體模型

ANSYS作為最受歡迎的一款仿真軟件，其最重要的前期處理工作是網格劃分，網格劃分的好壞直接影響求解的準確性和求解速度。結構網格大多數都自動劃分為四面體網格，但六面體網格是最優選擇。在選擇網格類型和疏密程度時，一定要考慮分析的目的和精度。很少情況下可以選擇自動劃分，一般都是采用自動、手動相結合的網格劃分模式。有限元網格劃分圖如圖3所示。

圖3 床身有限元網格劃分模型

2.2 床身框架結構的模態分析

模態分析即自由振動分析，是系統辨別方法在工程振動領域中的應用。模態分析關心的是結構的固有特性，每一個模態都具有特定的固有頻率、阻尼比和模態振型，這與結構的外載荷和運動狀態無關，所以模態分析中不存在結構和熱載荷。模態分析的最終目的是判斷出系統的模態參數，得到各階頻率及振型，為機床床身結構的振動特性分析、結構薄弱環節和可能破壞區域、結構動力特性的優化設計提供依據。

模態分析中坐標的變換矩陣為模態矩陣，其每一列都代表模態振型，因此存在對應于其固有頻率的無限多個振型。機床床身的振動系統是一個具有無限多個自由度的振動系統。高階振型阻尼值一般也較高，在振動中起的作用也較小。相對來講，低階模態對振動系統影響較大。因此，對機床床身的有限元模型的求解，不需求出振動系統的全部固有頻率和振型。通過ANSYS分析，得到床身結構的前4階振型圖，如圖4所示。

綜合床身的模態頻率及振型進行對比分析知：其一階模態振型是沿床身X軸方向的來回振動，床身由下到上振動的幅度不斷增強，最大振幅發生在床身的頂部；二階模態振型為機床沿Y軸方向的來回振動；三階模態為床身整體繞Z軸的扭轉振動，幅度最大值發生在床身頂部的4個角上；四階模態為床身沿Z軸方向的膨脹擠壓振動，對床身結構有很大的破壞性。床身兩側的扭轉振動及沿Z軸方向的彎曲振動比較大，是床身結構中相對比較容易出現問題的環節。可通過適當增加結合部固定螺栓的預緊力，加大床身與立柱結合面的厚度及提高結合面加工質量等方法來提高該結合面的剛度。而且由于立柱本身的扭轉振動也出現在低階模態之中，對機床性能影響較大，可以考慮采用適當調整筋板位置及大小、兩側加翼等方法來提高其剛度。針對床身沿Z軸的大幅度振動，可考慮設置筋板增強該方向上的剛度。

3 結語

本文根據雕刻機實際工作情況設計出具體的機床床身框架結構，且機床框架是焊接成型的形式，適度添加了加強筋，選擇了合適的地腳截面形狀，并通過Catia三維軟件對地腳及機床床身總體框架結構進行了三維模型的繪制。應用ANSYS Workbench有限元分析軟件通過合理的網格劃分對床身結構進行分析，找出結構在工作中易出現問題的部分，保證各部件相對位置的協調，使得大幅面雕刻機機床的結構更合理。同時應進一步提高雕刻機的固有頻率，增強機床整體的動態性能，以使得下一步的優化設計更有針對性，為后續設計奠定基礎。

圖4 床身的振型圖

［1］倪曉宇，易紅，湯文成，等.機床床身結構的有限元分析與優化［J］.制造技術與機床，2005，2（2）：47～50

［2］毛志云，高東強，黎忠炎.桁架結構工作臺的性能研究［J］.輕工機械，2011，29（1）：29～32

［3］Hu Xiaokai，Song Zhitan g，Pan Zhongcai，et al.Planarization machining of sapphire wafers with boron carbide and colloidal silica as abrasives［J］.Applied Surface Science，2009（255）：8 230～8 234

［4］胡于進，王璋奇.有限元分析及應用［M］.北京：清華大學出版社，2009