VMC1000L立式加工中心整機(jī)結(jié)構(gòu)優(yōu)化與驗證

潘石群 陳攀 張小明

摘 ? 要：該文采用有限元方法對VMC1000L立式加工中心進(jìn)行靜力結(jié)構(gòu)分析，根據(jù)分析結(jié)論對機(jī)床的薄弱環(huán)節(jié)進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，并通過對比分析明確結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的整機(jī)較優(yōu)化前最大變形減少19.5%，且經(jīng)抽樣檢測驗證了結(jié)構(gòu)優(yōu)化方向的正確性。在實現(xiàn)整機(jī)結(jié)構(gòu)優(yōu)化的同時，為后續(xù)機(jī)型的設(shè)計和結(jié)構(gòu)優(yōu)化、分析驗證提供了相應(yīng)的理論依據(jù)和技術(shù)途徑。

關(guān)鍵詞：立式加工中心;VMC1000L;仿真分析;結(jié)構(gòu)優(yōu)化

中圖分類號：TH122 ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 前言

結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計是在滿足各種規(guī)范或某些特定要求的條件下，使結(jié)構(gòu)的某種指標(biāo)（例如重量、造價、剛度或頻率等）達(dá)到最佳的設(shè)計方法。結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計根據(jù)設(shè)計變量的類型，可分為3個層次：尺寸優(yōu)化、形狀優(yōu)化、拓?fù)鋬?yōu)化。

VMC1000L立式加工中心在批量生產(chǎn)之初，存在機(jī)床靜態(tài)性能不穩(wěn)定、裝配效率低以及立柱、橫向滑座等機(jī)床關(guān)鍵零件機(jī)械加工質(zhì)量不穩(wěn)定的問題。因此，企業(yè)亟需對該立式加工中心整機(jī)結(jié)構(gòu)優(yōu)化與驗證方面展開研究，以解決生產(chǎn)中遇到的問題，并為后續(xù)機(jī)型的研發(fā)設(shè)計、結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供理論依據(jù)和技術(shù)途徑。

1 VMC1000L立式加工中心

VMC1000L立式加工中心采用立柱固定、工作臺移動的結(jié)構(gòu)，主要由床身、立柱、橫向滑座、工作臺和主軸箱等5個部件組成。相關(guān)部件自重和負(fù)載情況見表1，載荷位置如圖1所示。

2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

機(jī)床的靜態(tài)、動態(tài)和熱態(tài)特性對其產(chǎn)品性能有重要影響。結(jié)合生產(chǎn)實際，該文研究的主要目的在于解決機(jī)床靜態(tài)性能及機(jī)床關(guān)鍵零件機(jī)械加工質(zhì)量不穩(wěn)定問題，即靜剛性問題，不涉及動態(tài)和熱態(tài)。

2.1 線性靜力結(jié)構(gòu)分析

結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析主要用來分析由于穩(wěn)定外載荷所引起的系統(tǒng)或零部件的位移、應(yīng)力、應(yīng)變和作用力。經(jīng)分析（ANSYS Workbench軟件。零件材料按實際屬性設(shè)置。不考慮慣性和阻尼影響;網(wǎng)格自動劃分為10節(jié)點的四面體單元solid187和20節(jié)點的六面體單元solid186。接觸面：導(dǎo)軌與滑塊之間為“No seperation”，其他“Bonded”），整機(jī)最大應(yīng)力集中點位于床身與地腳螺栓的連接處（9.27 MPa），其余應(yīng)力主要集中在立柱左側(cè)與床身的連接處以及立柱左側(cè)及導(dǎo)軌面附近等位置（應(yīng)力值均在材料承載范圍內(nèi)）;最大變形位于主軸箱右前方筋板角點位置（0.1617 mm），變形方式為立柱前傾、主軸箱向下彎曲，主要是受主軸組件重力、刀庫組件重力、附屬裝置重力和機(jī)床“C”字型懸臂結(jié)構(gòu)等的影響，對整機(jī)靜態(tài)性能影響較大（如Z軸線運動的直線度、Z 軸與X/Y 軸運動的垂直度等）。應(yīng)力、變形分布云圖如圖2、圖3所示。

2.2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進(jìn)

數(shù)控機(jī)床床身結(jié)構(gòu)的設(shè)計尺寸和筋板布局形式，決定了其本身的各種靜、動態(tài)特性，即靜、動剛度。結(jié)合生產(chǎn)要求，以不改變零件的外形尺寸及其與周邊配件的接口位置為原則，對立柱、主軸箱的筋板布局形進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，優(yōu)化內(nèi)容見表2和見表3，結(jié)構(gòu)如圖4～圖5所示。

3 仿真分析驗證

經(jīng)分析（同等條件下），優(yōu)化后的整機(jī)最大應(yīng)力集中點（床身與地腳螺栓的連接處）和最大變形位置（主軸箱右前方兩加強筋角點位置）與優(yōu)化前基本保持一致，且最大變形量大幅減小（-19.5%），僅最大應(yīng)力值略有增大（仍遠(yuǎn)小于材料的許用值），優(yōu)化效果較明顯。優(yōu)化后的整機(jī)應(yīng)力、變形分布云圖如圖6～圖7所示，新、舊整機(jī)靜態(tài)性能對比見表4。

4 Z軸線運動的直線度檢驗

從數(shù)據(jù)庫中隨機(jī)抽取10臺VMC1000L立式加工中心出廠檢測數(shù)據(jù)報告（優(yōu)化前、后各5臺），通過求取算術(shù)平均值的方式，分別計算出機(jī)床優(yōu)化前、后Z軸線方向從行程零點到最大行程位置之間各節(jié)點處的直線度數(shù)值（在平行于Y軸線的YZ平面內(nèi)，以“-Z”方向的行程極限位置為基準(zhǔn)對千分表進(jìn)行歸零處理，以行程間距50 mm為節(jié)距沿“+Z”方向移動主軸箱并記錄千分表讀數(shù)，如圖8所示），詳細(xì)數(shù)據(jù)見表5，對應(yīng)曲線圖如圖9所示。

從表5 和圖9可見，結(jié)構(gòu)優(yōu)化后機(jī)床Z軸線運動的直線度明顯優(yōu)于優(yōu)化前，結(jié)構(gòu)優(yōu)化對Z軸線運動的直線度提升效果明顯。

5 結(jié)論

1）該文對VMC1000L立式加工中心整機(jī)進(jìn)行靜力結(jié)構(gòu)分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化，并通過仿真分析結(jié)果對比，明確優(yōu)化后的整機(jī)較優(yōu)化前最大變形減小19.5%，機(jī)床靜態(tài)剛性提升效果顯著，從理論上驗證了結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案的優(yōu)化效果。

2）通過“Z軸線運動的直線度” 的檢測結(jié)果，驗證了結(jié)構(gòu)優(yōu)化、仿真分析驗證方向的正確性。為后續(xù)機(jī)型的設(shè)計和結(jié)構(gòu)優(yōu)化、分析驗證提供了理論依據(jù)和技術(shù)途徑。

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