元結構和框架優選的數控機床床身結構動態設

楚丹妮

摘要：本文針對數控機床床身提出了數控機床大零件結構設計要素結構的概念和基本框架。把由床身筋膜板構成的格柜稱作筋膜箱，床身的宏觀構造就是數控機床的基本框架。筋膜箱的動力特性會對機床的床身的動力特性造成直接的影響。將變量設計為筋膜箱的各個邊的長度以及筋板的厚度和清砂孔的徑長。將筋膜板的固有頻率作為優化的目標，進行有限元模型的的動態設計，得到與之相關的筋膜箱設計變量變化曲線圖：當床身高度和床身寬度相近時，床身的動力特性發揮良好。利用有限元分析方法研究了簡化床身結構的動力特性，總結了數控機床床身設計的一般指導原則，可用于數控機床床身結構的初步設計。

關鍵詞：元結構;框架優選;數控機床床身結構;動態設計

中圖分類號：TG659 文獻標識碼：A 文章編號：1672-1578（2019）02-0268-01

引言：在數控機床的整個構造部件中，機床床身結構是數控機床結構中一個及其重要的部件，它的作用主要是用于將機床各個部件與連接數控機床的工作臺進行連接，起到立柱等關鍵作用。數控機床的床身結構的尺寸以及布局形式的設計，是決定數控機床自身動力特性的關鍵，如果動力以及靜態剛度設計與車身整體結構不契合，就會導致車身的剛度不足，在工作過程中容易出現變形，晃動等故障，在加工過程中如果加工刀具在進行零件加工時出行變形和晃動等情況，就會導致零件加工的尺寸出現偏差，即精度降低。尤其是在數控機床在進行高精度的零件加工或者承載較大的切削加工時，如果車床出現故障，那么造成的損失是極大的，因此對數控機床車身結構進行研究和質量提升就顯得極其重要。

1.元結構和基本框架的概念分析

元結構的基本原理就是將數控機床的組成構件構成的形狀進行分解，最后我們可以得到一些基礎的單元結構被稱作元結構，如果我們從動態設計的觀點去對這些分散的元結構進行優化，得到一些與之相關的變量，根據這些變量建立有限元模型，最后得到相應的優化尺寸參數標準，例如，對六面體加固板的三邊是由a、b、c、以及板厚w組成的元結構，如果將目標優化變量a、b、c設計為固有頻率和振型，i和清砂孔徑d，可以得到合理的單元結構尺寸模型，進行快速設計。

模塊框架優化的原理就是將數控機床的模塊構建作為一個基本的結構模型，比如數控機床床身的，長、寬、高，長度以及寬度由加工零件的范圍來決定，高度就利用固有頻率的優化來得出結論。立柱，主軸箱的規律也由此而來。并通過對機床質量和固有頻率分布的研究，確定機床床身質量和固有頻率范圍的變化，這樣一來機床床身結構參數就會很容易控制了。

2.數控機床床身結構動態設計分析

機床床身由縱橫方向的筋板組成，運用筋板結構進行合理設計。不僅可以是床身的重量減輕，而且還可以使床身的剛度得到保障。水平和垂直的筋板圍繞組成一個個的加強筋板箱。這是機床床身的主要單元結構之一。筋板的動力特性會對機床的動力特性造成直接影響。下本就分別分析對出砂孔、配筋邊長和配筋板厚度對筋板動力特性的影響進行相關的分析。

筋板出砂孔與筋板格固有頻率的關系分析。普通數控機床床身多采用鑄件，床身鋼板有砂孔。砂孔的大小和數量會影響床層的基本頻率。參考文獻中《基于元結構和框架優選的數控機床床身結構動態設計研究》一文中將床體的一根筋板作為研究對象，將其簡化為板單元所圍合的六面體鋼筋結構。分析了自然頻率與出砂孔數量和大小的關系。通過該實驗研究數據我們得出結論：一般在設計筋板時，在保證床身剛度的前提下，采用砂孔的孔大、數多，可以最大程度的減輕床身的重量。從以上分析可以看出，用圓孔代替矩形孔制砂，可以獲得更高的固有頻率。在砂洞不大的情況下，砂洞的數量對加固的固有頻率影響不大，可以設計4-6個砂洞作為加固單元。

筋板格長度，寬度以及筋板厚度對筋板格固有頻率的影響分析。在產品的系列設計中，如果改變數控機床床身尺寸，而床身內部結構的布局保持不變，則肋骨尺寸的改變會影響其固有頻率。

筋板邊長參數對筋板格固有頻率的影響分析。在數控機床的布置中，很難使鋼筋格精確為六面體。當配筋每邊長度變化較大時，配筋容易產生變形和振動，振動頻率較低。在布置床身筋板時，即使各筋板格形狀接近立方體，也應控制筋板與水平隔板在垂直和水平方向上的密度，使其保持平衡。

3.結語

由上分析我們可以得出結論，在進行機床床身結構構造是，機床床身結構框架的高度應該與床身的寬度保持一致，考慮到人的因素，應該進寬度比例在百分之七十到百分之一百之間。當設計的筋板格形狀不是正六面體時，應使短邊與長邊的比例保持在百分之八十到百分之一百之間。出砂孔應該設置為圓形或者橢圓形。