數控機床機械結構優化設計探討

王磊

斗山機床（煙臺）有限公司 264006

摘要：數控機床機械結構的優化設計對于改善數控機床的整體運行性能發揮著重要的作用，為了進一步提高數控機床的加工精度和使用性能，應堅持數控機床機械結構的動態優化設計，積極運用先進的技術和設計方法，不斷提高數控機床機械結構設計水平。本文分析了數控機床機械結構設計流程，闡述了數控機床機械結構優化設計的關鍵技術，以供參考。

關鍵詞：數控機床；機械結構；優化設計

近年來，高速切削技術的快速發展，在很大程度上推動了數控機床的高速發展，和傳統數據機床相比，對機械結構進行改良以后的數控機床其運行速度明顯提高，各方面性能也有了明顯改善。然而我國數控機床機械結構設計水平和國外發達國家還有較大的差距，采用的設計手段和設計方法都比較落后，為了徹底改變這個局面，應積極開展機械結構的動態設計，運用現代化計算機技術，做好數控機床的動態特性分析，滿足數控機床運行要求。

一、數控機床機械結構設計流程

1、構建動力學模型

數控機床機械結構的優化設計必須構建一個準確、合理、科學的動力學模型，在規劃設計過程中，基于數控機床的運行要求，做好動態分析，運用人工神經網絡、混合建模法、實驗模態法、矩陣傳遞法、有限元法等多種方法進行建模[1]，運用數字仿真技術，對機械結構的不同設計模型進行對比，分析數控機床運行的動態性能，針對機械結構中的薄弱環節，有針對性地進行優化和改進。

2、設計方法優化

數控機床機械結構優化設計應基于數控機床的初始參數，對各個設計變量進行計算，有針對性地進行調整和修改，在相關約束條件下使數控機床機械結構處于最佳的動態性能。當前，數控機床機械結構優化設計可以采用三種新型設計方法：以最小值為基礎的優化設計、以變分原理為基礎的優化設計、能量和模態柔度平衡優化設計。

二、數控機床機械結構優化設計的關鍵技術

數控機床機械結構優化設計是一個非常專業、復雜的過程，需要應用多種技術和方法，其中比較關鍵的是動力學模型修正和阻尼矩陣優化，并且通過優化數控機床機械結構設計變量，采用最合適的求解方法，更加準確、快速地分析數控機床機械結構動態性能。本文重點分析有限元建模方法和ANSYS軟件應用。

1、有限元建模法

從上世紀八十年代就有人提出了動態有限元分析法，后來數值模擬技術越來越成熟，越來越多的人認識到有限元分析法的應用優勢，其這種建模方法的探討和研究也更加深入，在復雜機械結構的動態設計和動力分析方面，有限元建模法的應用非常廣泛，這種建模方法的計算格式非常規范，適應性強、精度高，并且有限元建模法主要基于有限元法和彈性力學，通過構建數控機床機械結構動力學模型，來計算機械結構的動力響應、振型、固有頻率等參數，還可以結合實際的數控機床運行要求，實現數控機床機械結構的動態設計。當前，有限元分析和計算軟件種類非常多，如Algor、Adina、Marc、Abaqus、Ansys、MSC/Nastran等[2]，這些軟件在實際應用中一方面可以實現靜態的、線性的、簡單的分析，還可以對數控機床機械結構進行動態、非線性、復雜的分析，其中Ansys軟件應用效果最好。

2、Ansys軟件應用

數控機床機械結構的優化設計往往需要進行大量的計算和分析，整個設計過程非常復雜，Ansys軟件系統通用有限元建模理論知識內容，在機械制造、航空航天、石油化工、核工業等領域應用非常廣泛。通過運用Ansys軟件對數控機床機械結構進行優化設計，可以和二維三維CAD軟件相互結合，在計算機操作系統中對數控機床機械結構設計圖進行調整或者修改，實現設計數據的交換和共享，有效提高了數控機床機械結構設計的效率和水平。同時，Ansys軟件系統具有強大的分析功能，可以全面分析數控機床的流體力學、電磁場、熱分布等，不僅可以進行一些靜態的、簡單的機械結構線性分析，還可以實現動態的、復雜的機械結構非線性分析[3]，并且在設計過程中可以對數控機床機械結構進行估計分析和優化設計。在應用Ansys軟件時，可以根據數控機床的不同硬件結構，兼容不同異構平臺上的數據文件，并且利用自動化的網絡劃分技術，支持共享內存式和分布式并行，并行計算能力非常強大。另外，Ansys軟件和CAD接口設置，可以在Ansys系統中導入Solidworks、Catia、I-Deas等格式的CAD繪圖，根據數控機床機械結構設計要求，構建合理的有限元模型，然后進行求解和處理，最終得到最佳的優化設計方案。

結束語

數控機床機械結構優化設計應積極運用先進的科學技術，基于標準、規劃的計算機建模和仿真，優化設計方法，結合有限元建模方法和機械動力學，在虛擬動態的計算機環境中，分析數控機床的動態特性，改進其機械結構設計，不斷提高數控機床的綜合性能。

參考文獻：

[1]王洪川.DL-20MST數控機床關鍵零部件結構優化設計[D].大連理工大學，2013.

[2]李士弘.數控雕刻機機械結構參數化優化設計[D].西安工業大學，2012.

[3]張興朝.基于有限元分析的模塊化數控機床結構動態設計研究[D].天津大學，2011.