機床結構的優化與受力分析及立柱設計

于文啟 王剛

摘 要： 機床結構的研究是提高現代機床精度、精密特征的一個重要途徑，分析機床整體結構，進行拓撲優化，在利用結構有限元分析方法，應用在機構的設計中，可以提高機床的設計效率和設計質量，同時對機床驅動受力分析，設計合理的機床結構和立柱機構，保證機床的強度。

關鍵詞： 拓撲優化；驅動受力分析；立柱結構

1.拓撲優化

對于像立式加工中心這種高精密機床的設計，設計內容比較繁瑣，控制系統、驅動系統、進給系統、換刀系統等，每個部分的設計都必須嚴格討論[1]，機床的設計流程如圖1.1。

機床的設計中主要是分為立項、設計、制造、調試與試驗，在立項環節是設計目標，制定一個機床的方向，設計是制定機床結構方案和理論分析，對機床進行結構優化、分析與校驗，然后是制造機床，生產一個樣機，對樣機進行試驗，調試修改不合理的位置，最后實現大批量生產。

機床的機構優化中包含以下幾種：

（1）尺寸優化，是在結構和拓撲不變的情況下，改變零件的尺寸或者截面，將零件的厚度或者性能最佳；

（2）形狀優化，通過分析設計零件最理想的形狀和邊界，一般骨架位置是對佳優化位置；

（3）拓撲優化，這種是對零件內部結構進行優化，是設計零件內部非實體區域的位置和數量，使其零件內部結構和布局以及節點聯結最優，如圖1.2。

拓撲的方法按照研究對象的不同可以分為分離散體結構和連續體結構，分散體結構包含桁架、骨架等，連續包含二維板殼和三維實體，常見的拓撲優化方法有均勻化方法和變密度方法[2]。

均勻法是在機床結構的材料中引入微結構單胞，通過這個方法，以單胞幾何尺寸和空間方位為變量，實現機床結構拓撲優化模型與尺寸優化的同一性和連續性。

變密度法是通過改變單元密度和材料物理屬性，它不僅可以采用結構的柔順度為優化的目標函數，還可以用于特征值優化、柔性機構的優化。

2驅動受力分析

不同機床和不同型號的機床，結構也不同，同時機床在工作時候所受的力也不同，機床在切削時候，各部件所受的力最復雜，機床各部件不僅需要承受自身的重力，還需要抵抗外部的載荷和切削載荷。

機床在切削的時候由于刀具與工件的作用，載荷也會不同，是在變化的，未來能保證機床的安全，所以在設計的時候需要滿足極限切削載荷，分析方法可以通過估算法和指數公式法這兩種。

估算法是通過機床動力元件電動機為基礎，分析最大動能下的切削力，通過實際載荷估算極限載荷，公式如下：

式中：F—主切削力的功率消耗；

P—電動機功率；

V—速度；

n—轉速；

i—傳動比；

D—工件直徑。

指數公式法是在機床切削參數不能確定的時候，通過結構切削條件為設計依據的受力分析法。

3立柱結構

立式加工中心立柱的結構設計要求如下：

（1）要求立柱的結構具有一定的剛度，能滿足零件高精密切削[3]；

（2）在進行設計的時候，要選取最大切削力為設計依據，通過這個數值進行計算；

（3）取主軸箱部件位于立柱導軌上、下極限以及中間常用切削位置作為立柱設計工況。

通過立柱裝配關系，利用有限元分析法，分析立柱載荷及約束的形式，如圖3.1，立柱上的主軸箱部件通過直線導軌副和滾珠絲杠副進行相連，切削力會通過它傳遞給立柱，通過切削載荷分析機床立柱力學模型，最后進行立柱設計。

結論

本文通過優化與分析，完成機床立柱結構的靜態分析和輕量化設計，分析機床結構中的力學分布，通過典型機床結構的模型設計，通過物理分析和結構拓撲優化，總結和設計機床的結構設計流程，形成整套的設計方法，提高機床整體加工精度和性能。

參考文獻

[1]陳心昭.權義魯主編.現代實用機床設計手冊.[M].北京：機械工業出版社.2006.

[2]邢俏芳主編.機床支撐件結構設計方法.[D].大連：大連理工大學.2013.

[3]馬超.機床結構設計方法研究及在立柱設計中的應用.[D].大連：大連理工大學.2010.