探討AWE下立式加工中心床身的優化設計分析

周守勝，陳剛

(沈陽機床股份有限公司中捷立加分公司，遼寧 沈陽 110142)

?

探討AWE下立式加工中心床身的優化設計分析

周守勝，陳剛

(沈陽機床股份有限公司中捷立加分公司，遼寧 沈陽 110142)

摘要：立式加工中為高自動化的多功能數控機床,其床身的優化設計，能夠提高加工中心的支撐作用。在AWE下立式加工中心的床身優化設計，主要是以床身的靜剛度、固有頻率等，作為反映床身的結構靜動態性約束條件，基于有限元方法及數學優化理論的虛擬優化技術，對床身結構加以優化分析，在床身不發生改變的情況下，有效減輕床身重量，改善床身的低階頻率，進而有效提升床身的結構性能。

關鍵詞：AWE;立式加工中心;床身優化設計

1前言

床身是機床最重要的支承部件，對各零部件其中支撐的作用。因此，機床床身的結構，直接決定著整個機床的加工精度，及產品生產的安全性、穩定性。為了實現機床的高速、高效運行，需要確保機床床身的良好動態特性與靜態剛度，對多床身有限元加以分析，并對床身的頻率與剛度約束進行優化，確保床身的價值能夠得到充分發揮。

2機床的床身結構優化

在機床的床身優化中，AN-SYSWorkbench主要提供了試驗設計中的優化技術，也就是DOE技術。AN-SYSDesignXplorer能夠針對組合件及零件，設計出最佳的方案，并依據DOE，對所需求解的設計重點進行確定，確保結構優化最有效率。AN-SYSDesignXplorer，是一種將傳統與非傳統進行有效結合的技術，設計過程中能夠同時對多個設計方案進行考慮，并對現有產品進行修改，結合實際狀況或是新的條件，在最短時間內得到最佳方案。同時，這種分析結果所呈現出來的數據、圖形，能夠更加明確、清晰，對影響產品性能的因子進行及時的獲取。在DOE技術下，可以根據所輸入的參數數目，采用蒙特卡羅抽樣方式，對設計的參數樣點加以采集，并對每個樣點的響應結果進行計算，通過二次插值函數構造，來設計空間響應面及曲線[1]。

在對機床床身進行優化設計，要依據AWE立式加工中心的整體結構，對筋板厚度、床身壁厚等加以優化，確保筋板的出沙孔尺寸為筋板厚度的+16CM。同時，要結合機床設計原則，確保床身低階頻率，高于機床運行時的共振頻率，并盡量減輕床身的重量。考慮到筋板厚度及出沙孔的關系，因此，要將筋板厚度設置為床身頻率的最主要影響因素。

3床身結構的有限元分析

為了確保計算的精度與速度，可盡可能的使有限元模型，來對有限元分析進行簡化。在設計有限元模型過程中，要對單元類型進行合理的選擇，同時在編排節點當中，要注意盡量減少對應單元的節點帶寬及號差，進而有效減少資料的存儲量。由于ANSYS-Workbench及PROE都擁有直接的雙向接口，可在PROE內建立模型，之后再導入到ANSYSWorkbench內加以計算[2]。

3.1物理模型的設立

由于機床的床身實際結構較為復雜，且各部位的筋板、窗孔、曲面等各不相同，幾何形狀也具有多變的特征。所以，在優化設計中，為適應有限元分計算，需要對整個過程進行簡化處理，多不影響床身剛度的小倒角、小凸臺、小圓弧等細微結構略去，并在機床的建模中，對筋和壁厚使用參數化的建模方式，為后續的優化設計提供便利的條件。

3.2床身的有限元分析

在床身的有限元分析中，運用模態分析，便能夠確定床身結構的固有頻率、振型。而固有頻率及振型，正是承受整個機床動態載荷的重要參數。在進行相關的模態分析過程中，一般使用BlockLanczos這一默認的求解方法，并使用Lanczos算法，通過一組向量來實現遞歸。BlockLanczos方法較適用于大型對稱的矩陣求解，并適合殼與實體以及由殼組成的模型，精確度與收斂速度都較強。

3.3床身的靜剛度解析

對于床身的靜剛度分析，首先需要確保所設定的邊界界條件具有準確性，通過機床最大尺寸加工工件及機床的主電動機功率，以及主軸的轉速，來對機床的額定扭矩及額定力加以計算。在這個當中，還要由Fx∶Fy∶Fz=0.3∶0.5∶1.0，得出三個切削的分力，再對立柱、主軸箱、床鞍等進行分別的重量計算，并將以上重量作為床身上的附加質量加以處理[3]。同時，要在相應的坐標位置，創建各部件的質量單元模擬。由于機床的床身結構復雜，所以需要使用Workbench來進行自動網格劃分，并注意在Workbench內，不必選取單元類型，且主要是運用Hex Domi-nant的四面體及六面體相結合的方式進行劃分。

4結論

機床的床身，直接決定著機床的整體工作效率，并對機床上的各基礎部件具有支撐作用，能夠對產品的生產精度產生影響。所以，要提高生產效率，確保產品質量，還需要對機床的床身進行優化設計。尤其是立式加工中心的床身，更是要對各組成部件有限元靜態及模態加以分析，計算出各階的固有頻率、振型，設計得出較為合理的優化方案。

參考文獻：

[1]高東強,陳超群.立式加工中心床身靜動態特性分析及優化[J].機械設計與制造,2013,(12):221-223+227.

[2]曹文霞,錢多德.某型高速立式加工中心床身模態分析與優化[J].制造業自動化,2013,(21):79-81.

[3]楊玉萍,張森.數控立式加工中心床身筋板結構設計與分析[J].機械設計與制造,2013,(12):38-40.

中圖分類號：TH16

文獻標志碼：A

文章編號：1671-1602(2016)14-0052-01