VMC850B加工中心工作臺的優化設計研究

閆宮君

（甘肅機電職業技術學院，甘肅天水741000）

0 引言

在數控機床的實際使用過程中，數控機床的種類、生產水平與工業加工精度反映了一個國家的工業與裝備制造業的發展水平[1-3]。

為了提升VMC850B加工中心的加工精度與技術要求，工作臺在加工過程中應滿足高抗振性、高平穩性等要求，本文對VMC850B加工中心的工作臺進行了優化設計，以求提升工作臺的抗振性[4]。同時，對工作臺的關鍵構件進行選型優化，使其具有良好的動態特征，避免工作臺振動造成加工精度降低等問題。加工中心工作臺經過優化設計后，通過對比實驗的形式對優化結果進行了檢測，以驗證此次優化設計的有效性與可行性。

1 工作臺優化設計

1.1 工作臺靜態構架有限元分析

在此次優化方案設計中，需對工作臺的靜態架構進行有限元分析，在此之前，應運用SolidWorks三維軟件，對VMC850B加工中心工作臺進行三維建模，并將三維模型導入ANSYS軟件中，通過ANSYS軟件，對工作臺的點、線、面、體展開幾何模型構建，并對構建結果進行網格劃分，確定模型的節點與單元，然后完成VMC850B加工中心工作臺模型的構建工作。在此過程中，使用布爾操作，以便于對模型中的數據進行修改與剔除。在有效元模型構建過程中控制網格劃分密度，使用ANSYS軟件中的默認網格控制，生成適用于工作臺的網絡劃分結果，為保證網格劃分的有效性，應進行多次反復劃分，得到相應的仿真結果。VMC850B工作臺靜態架構分析簡圖如圖1所示。

圖1 VMC850B工作臺靜態架構分析簡圖

由圖1可知，在導軌與工作臺連接處的應力最大，過大的應力會影響工作臺的疲勞程度和使用壽命，從而間接影響工作臺的抗振動性能。

1.2 阻尼器的添加與應用

本文在有限元分析模型的基礎上，對工作臺的部分構件展開優化，在部分關鍵零部件中進行動態優化設計，避免工作臺振動問題的發生。由于機床本身存在動力源，工作臺在加工過程中會出現相應的受迫振動和刺激振動，這些振動會影響工作臺的使用效果，因此需要在工作臺中尋找相應的共振點，并在此點增加調諧阻尼器。基于工作臺結構的復雜性，在工作頻率范圍內完全避免整機的共振是較為困難的，因此將調諧阻尼器可簡化為一個單自由度振動系統，使其內部具有質量較大的阻尼彈簧，通過此種阻尼器吸收主要振型的振動，并實現對工作臺的控制。采用此種控制方式，提升工作臺的抗振性、平穩性以及阻尼特性。將上述分析與設定結果應用到現有的VMC850B加工中心工作臺中，以此完成優化。

2 實驗結果分析

2.1 實驗環境設定

為驗證此研究中完成的VMC850B加工中心工作臺優化設計結果的科學性，本文構建了實驗環節對其展開分析。在此次實驗過程中，使用文中優化后的工作臺與其他方法優化后的工作臺進行對比，以此完成分析過程。

實驗時，通過對工作臺進行沖擊實驗比較文中優化后的工作臺與使用其他方法優化后的工作臺的使用差異。此次實驗中使用沖擊力錘與激振器作為實驗設備。通過沖擊力錘為工作臺提供脈沖信號，驗證工作臺應用效果。為提升實驗的對照性，增加激振器作為第二組實驗設備，對工作臺施加一個同源信號，驗證兩種環境下，工作臺的抗振能力。

從理論上來講，不論何種實驗方法，只要對工作臺施加合適的振動，均可以得到實驗結果，且實驗結果會出現一定的差異。因此，在實驗對象的選擇上會增加其他指標以增加實驗的全面性與代表性。

2.2 實驗指標選取

在此次實驗過程中，將實驗指標設定為工作臺振動時間與關鍵構件的位移長度。在實驗過程中共進行500次實驗，每50次為一組，計算其平均位移長度與振動時間。在實驗過程中涉及了大量的數據計算與處理環節，注意數據的精準度與末位保留情況。

2.3 實驗結果分析

根據上述設定的實驗環節與驗證方式，得到的工作臺振動時長實驗結果如表1所示，工作臺關鍵構件位移長度實驗結果如表2所示。

表1 工作臺振動時長實驗結果

根據表1實驗結果可以看出，使用文中設計方法優化后工作臺的振動時間最短，且區間分布較為穩定。使用其他兩種方法優化后的工作臺振動時間較長，且區間不穩定。同時，對比兩種實驗器具實驗結果可知，在兩種不同工具的影響下，使用文中設計方法優化后的工作臺振動時間較為一致，其他兩種方法優化后的實驗結果差異度較大，可見目前使用的優化方法使用效果具有一定的局限性，使用效果不佳。文中設計方法可對多種器具的影響進行緩解，提升工作臺使用過程中的穩定性。

表2 工作臺關鍵構件位移長度實驗結果

根據表2實驗結果可以看出，使用文中設計方法優化后的工作臺的關鍵構件位移距離最短，實驗結果較為穩定地控制在合理區間內。使用其他兩種方法優化后的工作臺關鍵構件位移距離較遠，且實驗結果較為分散。同時，對比兩種實驗器具實驗結果可知，在兩種不同工具的影響下，使用文中設計方法優化后的工作臺可對關鍵構件進行合理控制，可避免出現構件不良情況。使用傳統方法優化后并沒有對于工作臺構件移動情況展開合理的優化，可見目前應用的優化方法對于工作臺關鍵構件位置的控制能力較差，不利于數控機床的使用。

結合工作臺關鍵構件位移長度實驗結果與工作臺振動時長實驗結果分析可知，文中設計方法的使用效果明顯優于傳統方法的使用效果，在日后的工作臺控制中可以選用文中設計方法作為工作臺優化的主要方案。

3 結語

本文結合了目前使用的新興技術，完成了加工中心工作臺的優化設計，并取得了一定的成果，使工作臺在外觀不變的前提下，性能得到進一步提升，同時通過實驗證實了此次優化方案的適用性。但是仍有不少問題有待進一步研究和探討，如進一步將調諧阻尼器技術應用在制造加工中，最大限度地提升工作臺的使用效果等。