数控机床机械结构优化设计探讨

王磊

斗山机床（烟台）有限公司 264006

摘要：数控机床机械结构的优化设计对于改善数控机床的整体运行性能发挥着重要的作用，为了进一步提高数控机床的加工精度和使用性能，应坚持数控机床机械结构的动态优化设计，积极运用先进的技术和设计方法，不断提高数控机床机械结构设计水平。本文分析了数控机床机械结构设计流程，阐述了数控机床机械结构优化设计的关键技术，以供参考。

关键词：数控机床；机械结构；优化设计

近年来，高速切削技术的快速发展，在很大程度上推动了数控机床的高速发展，和传统数据机床相比，对机械结构进行改良以后的数控机床其运行速度明显提高，各方面性能也有了明显改善。然而我国数控机床机械结构设计水平和国外发达国家还有较大的差距，采用的设计手段和设计方法都比较落后，为了彻底改变这个局面，应积极开展机械结构的动态设计，运用现代化计算机技术，做好数控机床的动态特性分析，满足数控机床运行要求。

一、数控机床机械结构设计流程

1、构建动力学模型

数控机床机械结构的优化设计必须构建一个准确、合理、科学的动力学模型，在规划设计过程中，基于数控机床的运行要求，做好动态分析，运用人工神经网络、混合建模法、实验模态法、矩阵传递法、有限元法等多种方法进行建模[1]，运用数字仿真技术，对机械结构的不同设计模型进行对比，分析数控机床运行的动态性能，针对机械结构中的薄弱环节，有针对性地进行优化和改进。

2、设计方法优化

数控机床机械结构优化设计应基于数控机床的初始参数，对各个设计变量进行计算，有针对性地进行调整和修改，在相关约束条件下使数控机床机械结构处于最佳的动态性能。当前，数控机床机械结构优化设计可以采用三种新型设计方法：以最小值为基础的优化设计、以变分原理为基础的优化设计、能量和模态柔度平衡优化设计。

二、数控机床机械结构优化设计的关键技术

数控机床机械结构优化设计是一个非常专业、复杂的过程，需要应用多种技术和方法，其中比较关键的是动力学模型修正和阻尼矩阵优化，并且通过优化数控机床机械结构设计变量，采用最合适的求解方法，更加准确、快速地分析数控机床机械结构动态性能。本文重点分析有限元建模方法和ANSYS软件应用。

1、有限元建模法

从上世纪八十年代就有人提出了动态有限元分析法，后来数值模拟技术越来越成熟，越来越多的人认识到有限元分析法的应用优势，其这种建模方法的探讨和研究也更加深入，在复杂机械结构的动态设计和动力分析方面，有限元建模法的应用非常广泛，这种建模方法的计算格式非常规范，适应性强、精度高，并且有限元建模法主要基于有限元法和弹性力学，通过构建数控机床机械结构动力学模型，来计算机械结构的动力响应、振型、固有频率等参数，还可以结合实际的数控机床运行要求，实现数控机床机械结构的动态设计。当前，有限元分析和计算软件种类非常多，如Algor、Adina、Marc、Abaqus、Ansys、MSC/Nastran等[2]，这些软件在实际应用中一方面可以实现静态的、线性的、简单的分析，还可以对数控机床机械结构进行动态、非线性、复杂的分析，其中Ansys软件应用效果最好。

2、Ansys软件应用

数控机床机械结构的优化设计往往需要进行大量的计算和分析，整个设计过程非常复杂，Ansys软件系统通用有限元建模理论知识内容，在机械制造、航空航天、石油化工、核工业等领域应用非常广泛。通过运用Ansys软件对数控机床机械结构进行优化设计，可以和二维三维CAD软件相互结合，在计算机操作系统中对数控机床机械结构设计图进行调整或者修改，实现设计数据的交换和共享，有效提高了数控机床机械结构设计的效率和水平。同时，Ansys软件系统具有强大的分析功能，可以全面分析数控机床的流体力学、电磁场、热分布等，不仅可以进行一些静态的、简单的机械结构线性分析，还可以实现动态的、复杂的机械结构非线性分析[3]，并且在设计过程中可以对数控机床機械结构进行估计分析和优化设计。在应用Ansys软件时，可以根据数控机床的不同硬件结构，兼容不同异构平台上的数据文件，并且利用自动化的网络划分技术，支持共享内存式和分布式并行，并行计算能力非常强大。另外，Ansys软件和CAD接口设置，可以在Ansys系统中导入Solidworks、Catia、I-Deas等格式的CAD绘图，根据数控机床机械结构设计要求，构建合理的有限元模型，然后进行求解和处理，最终得到最佳的优化设计方案。

结束语

数控机床机械结构优化设计应积极运用先进的科学技术，基于标准、规划的计算机建模和仿真，优化设计方法，结合有限元建模方法和机械动力学，在虚拟动态的计算机环境中，分析数控机床的动态特性，改进其机械结构设计，不断提高数控机床的综合性能。

参考文献：

[1]王洪川.DL-20MST数控机床关键零部件结构优化设计[D].大连理工大学，2013.

[2]李士弘.数控雕刻机机械结构参数化优化设计[D].西安工业大学，2012.

[3]张兴朝.基于有限元分析的模块化数控机床结构动态设计研究[D].天津大学，2011.