高精高速機床結構設計及有限元分析

余 潔，陳勁杰，徐增豪

（上海理工大學 機械工程學院，上海 200093）

隨著制造業的高速發展，高新技術如多樣化結構、多傳感技術和控制技術智能化等，均集成應用至數控機床設計中，我國數控技術和產業發展在一定程度上改變了成套設備全面依賴進口的弊端，但大部分高檔數控系統和產品仍然高度依賴國外進口，國產數控機床缺乏市場競爭力的現狀已嚴重制約我國裝備制造業的發展［1］。

裝備制造業被譽為“工業母機”，直接體現國家的生產力水平，亦為區別發達國家和發展中國家的主要因素。數控機床在裝備制造業現代化進程中的地位已顯得尤為關鍵，其性能、質量和數量也成為了如今衡量一個國家和區域綜合實力的重要標志。隨著汽車、船舶和航天飛行器等先進設備行業的迅猛發展，零件加工精度的要求也不斷提高，加工中心的發展趨勢為高速度、高精度、高柔性、高可靠性和數控智能化。其中，高速度和高精度直接影響加工效率和加工質量，因而發展高精高速的加工中心顯得極其重要［2］。

高速切削加工始于德國著名物理學家Salomon的高速切削理論，隨著切削速度增加，切削溫度呈現先升高后降低的拋物線變化趨勢。在波峰附近，由于切削刀具無法承受相應的切削溫度而被稱為加工“死谷”。但切削速度越過加工“死谷”后，切削溫度降低至可加工范圍，從而可使用現有刀具進行超高速加工，大幅提升機床生產效率［3］。

針對目前我國機床加工中心的高精高速發展趨勢和機床自身特點，本文在現有設計方案上提出改進措施，重新設計了高精高速小型龍門加工中心，并對其主要結構進行有限元分析，為高精高速數控機床的發展和應用提供參考依據。

1 設計方案改進

1.1 原設計方案分析

傳統數控雕刻機的進給系統一般為滾珠絲杠或齒輪／齒條與線性導軌配合，滾珠絲杠與線性導軌配合的進給方式驅動力大，而齒輪或齒條與線性導軌則進給速度快，但精度相對較低。上述兩種進給系統均為接觸式傳動，存在的摩擦副直接影響機床定位精度且會產生較大工作噪聲。不斷地工作摩擦易使絲杠或齒輪、齒條磨損，更換、維修成本較高。因此，高速切削的要求迫使機床摒棄了傳統的回轉型伺服電機與滾珠絲杠配合的伺服進給系統，而改用電機與工作臺之間為零傳動的直線電機系統。這種零傳動方式可直接驅動工作臺進行直線運動，使工作臺的加速度提高至傳動機床的10～20倍。圖1為現有的一種直線電機驅動工作的機床設計方案。

圖1 某直線電機驅動工作的機床三維裝配圖

從圖中可知，整個橫梁部分沿工作臺移動，初步估算加工零件與橫梁共為800 kg，加速度為10 m／s2，產生的慣性力高達8 000 N。由于立柱兩端基本懸空，且兩端結構不能保證完全對稱，因此在高速加工時，橫梁兩端難以維持平衡。機床在高速運行時，由于慣性力很大，容易引起劇烈振動，不僅會造成機床相關零件損壞、降低導軌精度，而且往復作用會產生較高的疲勞載荷，大大降低機床使用壽命。

橫梁結構安全由中間部分的鋼板保護，因此對鋼板的強度和剛度有較大要求。通過有限元分析，得到鋼板在8 000 N慣性力的均勻作用下的變形情況，如圖2所示。

圖2 鋼板受力變形情況

由圖2可知，其最大撓度為0.628 mm，遠大于該機床直線電機與定子之間允許的間隙誤差0.2 mm。為降低最大撓度，可通過增加鋼板的厚度以提高其剛度，但會帶來鋼板質量增加的弊端，導致橫梁結構部分十分笨重，這不符合高精高速機床的設計理念，因此這種方案不可取。

1.2 新改進方案分析

為避免橫梁結構的高速移動產生的巨大慣性力，新方案中將橫梁與龍門架固定于床身，換成工作臺移動，以減輕移動部件質量，而且降低了電機工作功率，可有效提高導軌和直線電機的壽命。新設計方案機床主要部件裝配圖見圖3。

圖3 新設計方案機床主要部件裝配圖

由圖3可知，龍門架直接固定在機床床身的靠后兩段，工作臺位于機床中間，通過直線電機和直線導軌前后移動，工作臺兩側為懸空結構，使用肋板支撐工作臺移動部件。床身中間的下端為鐵屑箱，有效地利用了機床空間并增加了床基質量。此設計方案既保持了整體結構動平衡，同時大大減輕了移動部件質量。與原設計方案相比，主要有如下改進：

（1）保證了加工精度。由于機床為小型龍門加工機構，對工作臺的尺寸要求更小。因此，新方案中減小了工作臺尺寸，既滿足了設計要求，又減小了移動部件質量，同時節省了材料。床身中間的肋板連接結構，中間空隙利于排屑，架空式的結構使機床散熱更快，防止機床各部件熱變形，有助于提高機床的加工精度；

（2）減小了零件損耗。由于移動部件質量更輕，運動靈活性增強，機床運行阻力更小，從而降低零件的損耗；

（3）保護了直線電機和導軌。由于工作臺尺寸減小，導軌分布距離變小，支撐力降低，從而減小了工作臺與導軌之間的摩擦力，降低了導軌和直線電機的損耗。同時，由于所需驅動力減小，可選用功率更小的直線電機，在運行時產生的熱量大大減少，降低了機床部件受到熱變形的危險，進一步保證了加工精度。

2 床身有限元分析

機床床身是機床受力最重要的部件，幾乎承受著整個機床的重量，與其接觸的結構較多，受力情況較為復雜，經簡化后主要分為三部分：床身自重、龍門架及橫梁重力和工作臺重力。為了保證其強度和剛度滿足要求，達到加工精度的要求，對其進行靜力學分析和動力學模態分析，以便在后期改進設計中優化受力較大部位，使機床結構更加合理［4－6］。

床身結構簡化模型和網格劃分如圖4所示。

圖4 床身結構簡化模型和網格劃分

2.1 靜力學分析

經計算，該小型機床的龍門架與床身接合面上的均布載荷為43 000 Pa，導軌安裝面上的均布載荷為88 000 Pa，機床自身估重為40 000 N，分布在機床地面的均布載荷為22 500 Pa。在ANSYS軟件中，通過Menu＞Preprocessor＞Loads＞Define Loads＞Apply＞Structural＞Pressure＞On Areas，選擇相應的受力面并添加相應的載荷，對受力面完成載荷施加過程。通過分析計算，得到床身靜力狀態下應力云圖和位移云圖如圖5所示。

圖5 床身靜力狀態下應力云圖和位移云圖

具體變形參數如表1所示。

表1 床身靜力分析結果

從表1可知，床身所受最大應力為1.2 MPa，遠小于床身材料的許用應力，因此床身結構滿足估算載荷下的強度要求。從圖5可知，龍門架與床身連接面和導軌安裝面的變形量相對較大，所受應力也較大。在優化設計中，應著重在這兩處作出改進，以加強其剛度和強度，保證機床的安全運行，滿足機床的加工精度。

2.2 模態分析

模態分析主要研究兩個重要參數：固有頻率和振型。通過分析固有頻率，使機床避開外部激勵頻率，從而避免共振帶來的嚴重后果。通過分析模態振型，可以了解部件的彎曲剛度及扭轉剛度分布，是機床動力學優化的重要依據。圖6和表2分別為機床前六階固有頻率和振型。

圖6中第一階和第六階龍門架與床身接觸的前端部分變形較大，第二階模態安裝導軌的部分也有很大的變形，第四階整個機床的變形都有點大，會影響機床構件的穩定性，進而影響機床的加工精度。對于機床變形較大的地方，在設計中需要進行改善，盡量避免因為振動引起的大變形，提高機床加工加工精度。

3 結 論

圖6 床身前六階模態振型

表2 床身前六階固有頻率

高精高速加工中心是未來機床行業的發展趨勢，如何達到高精度和高速度的要求是機床設計的主要研究方向。本文通過分析現有設計方案的特點，并預估了加工零件時機床所受載荷，對現有設計方案提出改進措施，減小了移動部件質量，降低了高速運動時機床產生的慣性載荷，保證了機床工作的安全性。同時，增加了鐵屑箱，并設計了排屑結構，在有利于排屑的同時還可使機床散熱更快，使機床達到高精高速的設計要求。對優化方案的機床床身進行了靜力學分析和模態分析，得到了其各階模態的固有頻率和振型，為機床的進一步優化提供了參考依據。

［1］ 李 欣.淺談我國機械加工中心的現狀及發展趨勢［J］.科技致富向導，2010，（6）：54.

［2］ 魯方霞，鄧朝暉.數控機床的發展趨勢及國內發展現狀［J］.工具技術，2006，3（40）：44－48.

［3］ 沈琳燕.高速外圓磨削機理的仿真與實驗研究［D］.上海：東華大學，2010.

［4］ Ahmadi K，Ahmadian H.Modelling machine tool dynamics using a distributed parameter tool–holder joint interface［J］.International Journal of Machine Tools and Manufacture，2007，47（12）：1916－1928.

［5］ Lee S W，Mayor R，Ni J.Dynamic analysis of a mesoscale machine tool［J］.Journal of manufacturing science and engineering，2006，128（1）：194－203.

［6］ 陳 明，周思柱，高云全，等.基于 ANSYS的轉盤靜力及模態分析優化設計［J］.湖北工業大學學報，2009，24（2）：71－73.