大幅面雕刻机机床床身结构研究

刘薇娜 霍春燕 杨立峰

（长春理工大学，吉林 长春130022）

0 引言

在当代社会，传统的手工雕刻方式因其生产效率低下、劳动强度大的缺点，已不能满足人类日益增长的物质需要，将精湛的雕刻加工与现代化的工业生产方式相结合已是雕刻行业的发展大趋势。自20世纪90年代中期雕刻机进入中国市场以来，国产设备以小功率、小幅面雕刻为主，无法对材料进行大功率、大幅面加工。这就导致企业的生产受到很大的限制，因此适合于大幅面加工的数控雕刻机的研制已刻不容缓。雕刻机机床在进行雕刻加工时纵向产生的切削力非常大，这就要求机床必须具备可靠的刚性。因此，对于大幅面雕刻机来说，作为支撑部件的机床床身十分重要，其结构性能的好坏直接影响机床的各项性能指标［1］。本文通过查找和研究资料，合理设计出一款适合企业生产要求的大幅面雕刻机的床身结构，然后通过ANSYS有限元分析软件对其进行结构的模态分析，判断出机床在加工过程中容易损坏的薄弱部位及结构的共振区域，为下一步的结构改进设计提供了理论依据。

1 雕刻机床身框架的结构设计

床身框架是机床的基本组成部分。国内外大部分雕刻机机床床身的结构都是采用铸铁铸造而成，但是铸造件需要铸模，且随着铸件尺寸的增加，成本较高，同时铸件结构内部组织容易存在缩孔、气孔等铸造缺陷，严重影响铸件质量。相比较而言，焊接钢具有很好的弹性模量，容易获得较大的截面面积，加工方便，通用性较高，可以随时更换损坏的部件，在应用过程中通常会使用加强筋来提高其刚度。所以设计时机床地脚材料采用铸钢，以保持可靠的刚度要求，机床立柱结构采用方钢型材，机床工作台以及框架均通过焊接工艺成型。同时为了提高机床的刚度，在机床的2个侧面分别添加2个加强筋。机床主要承受来自Z轴方向的力产生的弯矩，因此侧面的加强筋和加强板是十分必要的，其增加了机床的整体强度。添加直筋板除了可提高刚度外，也能减小薄壁振动和局部变形［2］。

为了保证雕刻机在加工过程中的稳定性，机床床身必需添加地脚。地脚主要用于机械设备的支撑安装、水平调整，以免工作时发生位移和倾覆。活地脚一般用于固定在工作时有强烈冲击和振动的重型设备。对于地脚截面形状的选择而言，机床承受的力主要是沿Z轴方向的，对于机床底座来讲受竖直方向的压力较大，所以要确保底座的抗弯刚度，故选择方形截面。

因为雕刻机幅面较大，工作时对稳定性的要求也很高，底座要十分稳固，所以采用8个地脚结构。地脚确定了整个机床的基准采用铸造形式。大幅面雕刻机属于大型机床，机床的长度为2 500 mm，宽度为2 000 mm，8个地脚通过地脚螺栓固定。床身结构如图1所示。

图1 床身的三维结构

机床支撑件主要指的是立柱、横梁、底座等基础件，其主要作用是支承安装在上面的零部件，并保证零部件之间正确的相互位置关系和相对运动轨迹［3］。因此，在选择材料时必须要求抗变形和抗破裂。焊接结构材料一般选择优质低碳钢。在加强筋方面，用方钢作为立柱与底座的焊接连接，立柱采用规格为100 mm×100 mm×900 mm的方钢。

2 雕刻机床身框架结构的有限元模态分析

2.1 床身框架结构的有限元模型

几何模型是进行有限元分析的基础和前提，本文采用Catia软件建立机床床身的三维实体模型，然后将其转换成IGS格式，再导入ANSYS Workbench进行模态分析。在建模过程中，对结构进行了适当的简化和修改，忽略模型中对分析结果影响较小的特征，如部分倒角、小孔等［4］。图2为简化后的机床床身三维实体模型。

图2 床身三维实体模型

ANSYS作为最受欢迎的一款仿真软件，其最重要的前期处理工作是网格划分，网格划分的好坏直接影响求解的准确性和求解速度。结构网格大多数都自动划分为四面体网格，但六面体网格是最优选择。在选择网格类型和疏密程度时，一定要考虑分析的目的和精度。很少情况下可以选择自动划分，一般都是采用自动、手动相结合的网格划分模式。有限元网格划分图如图3所示。

图3 床身有限元网格划分模型

2.2 床身框架结构的模态分析

模态分析即自由振动分析，是系统辨别方法在工程振动领域中的应用。模态分析关心的是结构的固有特性，每一个模态都具有特定的固有频率、阻尼比和模态振型，这与结构的外载荷和运动状态无关，所以模态分析中不存在结构和热载荷。模态分析的最终目的是判断出系统的模态参数，得到各阶频率及振型，为机床床身结构的振动特性分析、结构薄弱环节和可能破坏区域、结构动力特性的优化设计提供依据。

模态分析中坐标的变换矩阵为模态矩阵，其每一列都代表模态振型，因此存在对应于其固有频率的无限多个振型。机床床身的振动系统是一个具有无限多个自由度的振动系统。高阶振型阻尼值一般也较高，在振动中起的作用也较小。相对来讲，低阶模态对振动系统影响较大。因此，对机床床身的有限元模型的求解，不需求出振动系统的全部固有频率和振型。通过ANSYS分析，得到床身结构的前4阶振型图，如图4所示。

综合床身的模态频率及振型进行对比分析知：其一阶模态振型是沿床身X轴方向的来回振动，床身由下到上振动的幅度不断增强，最大振幅发生在床身的顶部；二阶模态振型为机床沿Y轴方向的来回振动；三阶模态为床身整体绕Z轴的扭转振动，幅度最大值发生在床身顶部的4个角上；四阶模态为床身沿Z轴方向的膨胀挤压振动，对床身结构有很大的破坏性。床身两侧的扭转振动及沿Z轴方向的弯曲振动比较大，是床身结构中相对比较容易出现问题的环节。可通过适当增加结合部固定螺栓的预紧力，加大床身与立柱结合面的厚度及提高结合面加工质量等方法来提高该结合面的刚度。而且由于立柱本身的扭转振动也出现在低阶模态之中，对机床性能影响较大，可以考虑采用适当调整筋板位置及大小、两侧加翼等方法来提高其刚度。针对床身沿Z轴的大幅度振动，可考虑设置筋板增强该方向上的刚度。

3 结语

本文根据雕刻机实际工作情况设计出具体的机床床身框架结构，且机床框架是焊接成型的形式，适度添加了加强筋，选择了合适的地脚截面形状，并通过Catia三维软件对地脚及机床床身总体框架结构进行了三维模型的绘制。应用ANSYS Workbench有限元分析软件通过合理的网格划分对床身结构进行分析，找出结构在工作中易出现问题的部分，保证各部件相对位置的协调，使得大幅面雕刻机机床的结构更合理。同时应进一步提高雕刻机的固有频率，增强机床整体的动态性能，以使得下一步的优化设计更有针对性，为后续设计奠定基础。

图4 床身的振型图

［1］倪晓宇，易红，汤文成，等.机床床身结构的有限元分析与优化［J］.制造技术与机床，2005，2（2）：47～50

［2］毛志云，高东强，黎忠炎.桁架结构工作台的性能研究［J］.轻工机械，2011，29（1）：29～32

［3］Hu Xiaokai，Song Zhitan g，Pan Zhongcai，et al.Planarization machining of sapphire wafers with boron carbide and colloidal silica as abrasives［J］.Applied Surface Science，2009（255）：8 230～8 234

［4］胡于进，王璋奇.有限元分析及应用［M］.北京：清华大学出版社，2009