一種五軸搖籃體腹部筋板的布局方法研究

摘 要：隨著國內數控機床產業的不斷升級，高端五軸機床的需求量與日俱增，但國內高端五軸機床的產能和性能同發達國家相比還存在很大的差距，其中一個主要影響因素就是核心回轉部件的制造和裝配受限?，F通過對搖籃轉臺結構的五軸加工中心的搖籃體腹部筋板的布局進行對比分析，探討一種高精度搖籃體的設計方法。

關鍵詞：數控機床;五軸機床;搖籃體腹部筋板

中圖分類號：TB472? 文獻標志碼：A? 文章編號：1671-0797（2022）07-0037-05

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2022.07.010

0? ? 引言

數控機床是機械加工行業進行生產制造必要的基礎設備，數控機床質量的優劣直接影響加工件質量的高低，而數控機床性能的優劣直接影響加工效率的高低。在自主研發層面，我國的自動化企業尤其是數控機床企業大多數不重視創新能力發展，而是以仿造或生產低端產品為主[1]。

自2012年以來，國內大量高端五軸加工中心如雨后春筍般破土而出，蓬勃發展，但由于作為五軸加工中心重要組成部分的回轉部件的設計及生產能力受限，很多企業均是“總成式”生產，即三軸光機增加外購的回轉部件，通過五軸數控系統的接入控制即形成一臺五軸加工中心。此種生產方式直接導致核心部件的生產非“自主可控”，可以預見，在不久的將來，在五軸加工中心的“紅海”競爭中，我國企業將徹底喪失競爭力?；剞D部件涉及多種核心部件，本文主要針對搖籃體部件的筋板布局方式進行分析。

1? ? 五軸加工中心回轉部件的類型

五軸加工中心（非車銑復合及并聯機床）是由三軸機床（X/Y/Z）增加兩個旋轉軸（AB/AC/BC）演變而來，主要結構形式如圖1所示，每種形式包含不同類型，在此不一一贅述。

機床結構動態性能的優劣直接影響機床的工作性能和產品質量[2]，于五軸加工中心而言，工件或者刀具直接裝夾在回轉部件上，從而加工件的質量受到回轉部件動態性能的直接影響?？v然回轉部件的種類多種多樣，但對回轉部件的要求都是一致的，那就是要保證回轉部件的精度、剛性以及可靠性。其中回轉部件的輸出精度同伺服電機的輸出精度、傳動機構（聯軸器、皮帶/齒輪、蝸輪蝸桿等）的傳動精度、軸承以及箱體精度有直接的關聯。本文就是要針對圖1（a）所示結構的搖籃箱體，通過對結構進行設計優化，對其自身的精度、剛性等指標進行分析，以得到一種較好的搖籃體設計方式。

2? ? 搖籃體設計需求及背景

作為常見的五軸機床類型，搖籃轉臺形式主要用于葉輪、2D或3D復雜曲面的凸輪、箱體等盤狀類零件、航空機匣、航空整體結構件、人工鈦關節及支架等加工，廣泛應用于航空航天、汽車、醫療器械和模具制造領域。對于搖籃體設計需求的提取，是基于公司“CBB貨架產品共性技術研究及模塊搭建”項目，旨在搭建起公司研發體系的“細腰”模型，即通過底層各核心技術平臺，形成CBB（Common Building Block）模塊，針對不同終端的需求，通過CBB模塊功能性的交叉整合，從而非常高效地形成特定的解決方案，降低公司的研發、管理以及生產成本。

對于CBB模塊而言，終極目標是形成“貨架”產品，輸出標準“接口”供功能性需求的調用。這就對CBB模塊的成熟度、可靠性、功能性以及經濟性提出了較高的要求，一個處在階段性改進過程中的產品是無法上架的?；谝陨显?，搖籃轉臺部件要上架成為“貨架”產品，勢必要對該產品進行充分的技術論證及迭代，從箱體、力矩電機、中心軸、氣動夾鉗、軸承及轉臺等各個方面進行技術參數的分析論證，以期形成最佳的產品方案。由于涉及的零部件種類較多，無法用一篇文章全部覆蓋，本文僅對搖籃體的筋板設計進行分析。

對于搖籃體而言，腹部筋板布局優劣直接影響到總體結構穩定性、輸出精度以及經濟性，不同的產品，筋板的布局方案不盡相同，其中以輻射均布及正交方式布局居多，本文主要對五軸加工中心搖籃體筋板不同布局方式對輸出精度的影響進行探討。

3? ? 搖籃箱體結構優化及性能分析的理論基礎

機械結構的設計優化系多種理論及學科相融合，不同領域和學科的方法也會隨著技術的進步不間斷融入到優化設計中，其有代表性的理論與技術主要有計算機軟件開發、數學規劃、機械結構優化設計、三維結構建模、有限元方法、目標驅動優化等多個方面[3]。本文主要采用三維結構建模的方法，然后通過有限元分析來對比驗證所期待的結果。

機械結構設計優化的數學模型來自于工程實際遇到的問題，主要包括設計變量、約束條件和目標函數3個基本要素，下面進行簡單介紹[4]。

（1）設計變量：一般情況下用數學向量來描述多個設計變量：

x=[x1，x2，x3，…，xn-1，xn]T

式中：x為設計變量;n為設計變量的個數;xn為第n個設計變量。

（2）約束條件：尺寸的改變引起的幾何約束問題以及對目標函數的變化形成的性能約束問題。約束問題分為等式和不等式兩類。

等式約束函數：

gm（X）=0? ? m=0，1，2，…，n

不等式約束函數：

hi（X）≤0? ? i=0，1，2，…，n

（3）目標函數：以設計過程中要達到的零部件性能優化為指標，包括多目標函數和單目標函數。

一般最優化問題數學模型的基本表達式為：

min f（X） X∈D?Rn

s.t. gm（X）=0 （m=0，1，2，…，n）

hi （X）≤0 （i=0，1，2，…，n）

當m=0時為不等式約束函數，i=0時為等式約束函數[5]。

基于以上基礎理論，在對搖籃箱體結構性能進行有限元分析前，必須正確建立搖籃箱體的靜態結構模型，然后建立其有限元模型，借助于有限元分析軟件求解計算，在對計算結果進行分析的基礎上，結合結構的負荷傳輸路徑、精度誤差累計傳遞途徑，經過模擬分析，確定箱體合理的仿真結果。

4? ? 搖籃箱體結構方案的優化及分析

由于搖籃為機床使用過程中的運動部件，并且為回轉運動，在回轉過程中，搖籃轉臺自身的重量以及工件的重量所產生的彎矩，隨著回轉角度的變化，對搖籃體自身的變形有直接影響，從而直接影響到輸出精度。因此，在進行搖籃箱體設計時，要充分考慮常見工件的尺寸，根據裝夾后工件的高度來設計搖籃體的高度，保證工件裝夾過后，整體中心在回轉軸線上，從而使得變形量最小、精度最高。另外，搖籃箱體自身結構剛性也是其中一個重要因素，兩邊側耳作為承重支點，其剛性高低直接影響到總體剛性強弱。綜上，兩邊側耳結構需要進行設計優化，以保證結構剛性，同時兼顧輕量化要求。箱體腹部筋板布局也需要進行優化，以減輕箱體總體重量并增加結構剛性，從而得到最優的設計方案。本文主要針對箱體腹部筋板布局進行設計方案論證并確定最佳的筋板布局方案。一般情況下，搖籃箱體采用整體鑄造，然后以機械加工的方式進行制造，常用材料為HT300，具體參數如表1所示。

搖籃轉臺主要部件如圖2所示，主要部件重量如表2所示。

按照實際工況，工件通過壓板固定在交換工作臺上，工件和交換工作臺的重力直接作用在臺面4個零點快換支撐點上（其中1個為輔助支撐），工作臺通過零點快換定位孔與臺面連接，而臺面重量則通過中心軸和軸承作用在搖籃箱體的轉臺軸承安裝面上，力矩電機的重力直接作用在搖籃箱體上。綜上，按照表2所示數據，對搖籃體進行受力變形分析。

對搖籃體腹部筋板按照以下5種方案進行布局規劃，如圖3所示。

分別按照圖3中5種筋板布局方式（其中方案1和方案3所示布局方式為當前此類型零件常用筋板布局方式）對搖籃體兩側耳軸承安裝面進行固定約束，按照表2所示參數施加重力以及彎矩負載，分別對其進行有限元分析，結果如圖4及表3所示。

從仿真結果可以看出，12個筋板的設計方案相較于16個筋板，所對應的搖籃體自重變形有明顯的降低，其中方案5的變形量較方案1降低約7.1%。按照方案2，考慮到搖籃體的經濟性以及輕量化，對筋板進行減重處理，雖然搖籃體自重變形量稍有減小，但負載后遠端變形量明顯增大，相較于方案1的遠端變形量，增大幅度約為5.57%，說明減重處理后筋板強度大大降低，從而影響了搖籃體強度以及輸出精度。方案5設計的筋板布局形式，搖籃體自重變形量為5種方案中最小的，同時，搖籃基體的負載變形以及遠端變形雖然較其他筋板布局方式有所增大，但增大幅度相較于方案1和方案3而言，僅為3.1%左右，絕對量也僅為0.2 μm左右，相對于機床整機精度而言，其影響可以忽略。因此，方案5的筋板布局，從機床輸出精度以及經濟性方面考慮，是相對較優的方案。在本項目中，通過后期對本方案的搖籃轉臺部件裝配組合后進行模態分析，同加工過程中的激勵頻率相比較，也得到方案5為相對較優方案的結論。最終通過理論分析及實驗驗證，確定采用該設計方案，并形成公司年產50套的“貨架”產品。

一般情況下，在進行鑄件設計時，通常會按照均布輻射、正交、Z字型等方式進行某些類型的筋板設計，但是通過以上對比分析可以發現，對于形狀復雜的鑄件，均布輻射或正交方式的筋板布局并非最佳的布局方式，在設計的過程中可以多嘗試幾種其他布局方式，通過對比分析得到相對較優的方案。

5? ? 結語

對于五軸機床而言，回轉部件的精度直接影響到整機輸出精度，因此，回轉部件的設計需要充分考慮到經濟性、可靠性以及精度可達性。本文針對搖籃轉臺結構的五軸機床，對搖籃體的筋板布局進行設計分析，提出了一種相對較為合理的筋板布局方式，通過這種布局可以充分兼顧各方面的要求。當然，隨著新技術、新材料、新功能部件的不斷出現，機床設計重點關注的方向也會發生轉變，在進行機床關鍵零部件設計的時候，應充分進行多學科綜合考慮，將高端機床國產化推到一個更高的高度。

[參考文獻]

[1] 馬新旭.高架橋式龍門加工中心橫梁部件結構設計及其靜動態特性研究[D].廣州：廣東工業大學，2008.

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[3] 李煜.針對機械制造裝備的有限元靜、動態分析及結構優化[D].天津：天津大學，2013.

[4] 游斌弟.復雜機械結構模糊優化方法及工程應用[D].哈爾濱：哈爾濱理工大學，2007.

[5] 朱學敏，王宗彥，吳淑芳，等.液壓支架頂梁的結構靜力分析及優化[J].礦山機械，2012，40（10）：20-23.

收稿日期：2022-01-18

作者簡介：宋志鵬（1984—），男，山東乳山人，碩士研究生，工程師，研究方向：數控機床設計及制造。