探讨AWE下立式加工中心床身的优化设计分析

周守胜，陈刚

(沈阳机床股份有限公司中捷立加分公司，辽宁 沈阳 110142)



探讨AWE下立式加工中心床身的优化设计分析

周守胜，陈刚

(沈阳机床股份有限公司中捷立加分公司，辽宁 沈阳 110142)

摘要：立式加工中为高自动化的多功能数控机床,其床身的优化设计，能够提高加工中心的支撑作用。在AWE下立式加工中心的床身优化设计，主要是以床身的静刚度、固有频率等，作为反映床身的结构静动态性约束条件，基于有限元方法及数学优化理论的虚拟优化技术，对床身结构加以优化分析，在床身不发生改变的情况下，有效减轻床身重量，改善床身的低阶频率，进而有效提升床身的结构性能。

关键词：AWE;立式加工中心;床身优化设计

1前言

床身是机床最重要的支承部件，对各零部件其中支撑的作用。因此，机床床身的结构，直接决定着整个机床的加工精度，及产品生产的安全性、稳定性。为了实现机床的高速、高效运行，需要确保机床床身的良好动态特性与静态刚度，对多床身有限元加以分析，并对床身的频率与刚度约束进行优化，确保床身的价值能够得到充分发挥。

2机床的床身结构优化

在机床的床身优化中，AN-SYSWorkbench主要提供了试验设计中的优化技术，也就是DOE技术。AN-SYSDesignXplorer能够针对组合件及零件，设计出最佳的方案，并依据DOE，对所需求解的设计重点进行确定，确保结构优化最有效率。AN-SYSDesignXplorer，是一种将传统与非传统进行有效结合的技术，设计过程中能够同时对多个设计方案进行考虑，并对现有产品进行修改，结合实际状况或是新的条件，在最短时间内得到最佳方案。同时，这种分析结果所呈现出来的数据、图形，能够更加明确、清晰，对影响产品性能的因子进行及时的获取。在DOE技术下，可以根据所输入的参数数目，采用蒙特卡罗抽样方式，对设计的参数样点加以采集，并对每个样点的响应结果进行计算，通过二次插值函数构造，来设计空间响应面及曲线[1]。

在对机床床身进行优化设计，要依据AWE立式加工中心的整体结构，对筋板厚度、床身壁厚等加以优化，确保筋板的出沙孔尺寸为筋板厚度的+16CM。同时，要结合机床设计原则，确保床身低阶频率，高于机床运行时的共振频率，并尽量减轻床身的重量。考虑到筋板厚度及出沙孔的关系，因此，要将筋板厚度设置为床身频率的最主要影响因素。

3床身结构的有限元分析

为了确保计算的精度与速度，可尽可能的使有限元模型，来对有限元分析进行简化。在设计有限元模型过程中，要对单元类型进行合理的选择，同时在编排节点当中，要注意尽量减少对应单元的节点带宽及号差，进而有效减少资料的存储量。由于ANSYS-Workbench及PROE都拥有直接的双向接口，可在PROE内建立模型，之后再导入到ANSYSWorkbench内加以计算[2]。

3.1物理模型的设立

由于机床的床身实际结构较为复杂，且各部位的筋板、窗孔、曲面等各不相同，几何形状也具有多变的特征。所以，在优化设计中，为适应有限元分计算，需要对整个过程进行简化处理，多不影响床身刚度的小倒角、小凸台、小圆弧等细微结构略去，并在机床的建模中，对筋和壁厚使用参数化的建模方式，为后续的优化设计提供便利的条件。

3.2床身的有限元分析

在床身的有限元分析中，运用模态分析，便能够确定床身结构的固有频率、振型。而固有频率及振型，正是承受整个机床动态载荷的重要参数。在进行相关的模态分析过程中，一般使用BlockLanczos这一默认的求解方法，并使用Lanczos算法，通过一组向量来实现递归。BlockLanczos方法较适用于大型对称的矩阵求解，并适合壳与实体以及由壳组成的模型，精确度与收敛速度都较强。

3.3床身的静刚度解析

对于床身的静刚度分析，首先需要确保所设定的边界界条件具有准确性，通过机床最大尺寸加工工件及机床的主电动机功率，以及主轴的转速，来对机床的额定扭矩及额定力加以计算。在这个当中，还要由Fx∶Fy∶Fz=0.3∶0.5∶1.0，得出三个切削的分力，再对立柱、主轴箱、床鞍等进行分别的重量计算，并将以上重量作为床身上的附加质量加以处理[3]。同时，要在相应的坐标位置，创建各部件的质量单元模拟。由于机床的床身结构复杂，所以需要使用Workbench来进行自动网格划分，并注意在Workbench内，不必选取单元类型，且主要是运用Hex Domi-nant的四面体及六面体相结合的方式进行划分。

4结论

机床的床身，直接决定着机床的整体工作效率，并对机床上的各基础部件具有支撑作用，能够对产品的生产精度产生影响。所以，要提高生产效率，确保产品质量，还需要对机床的床身进行优化设计。尤其是立式加工中心的床身，更是要对各组成部件有限元静态及模态加以分析，计算出各阶的固有频率、振型，设计得出较为合理的优化方案。

参考文献：

[1]高东强,陈超群.立式加工中心床身静动态特性分析及优化[J].机械设计与制造,2013,(12):221-223+227.

[2]曹文霞,钱多德.某型高速立式加工中心床身模态分析与优化[J].制造业自动化,2013,(21):79-81.

[3]杨玉萍,张森.数控立式加工中心床身筋板结构设计与分析[J].机械设计与制造,2013,(12):38-40.

中图分类号：TH16

文献标志码：A

文章编号：1671-1602(2016)14-0052-01