机床结构的优化与受力分析及立柱设计

于文启 王刚

摘 要： 机床结构的研究是提高现代机床精度、精密特征的一个重要途径，分析机床整体结构，进行拓扑优化，在利用结构有限元分析方法，应用在机构的设计中，可以提高机床的设计效率和设计质量，同时对机床驱动受力分析，设计合理的机床结构和立柱机构，保证机床的强度。

关键词： 拓扑优化；驱动受力分析；立柱结构

1.拓扑优化

对于像立式加工中心这种高精密机床的设计，设计内容比较繁琐，控制系统、驱动系统、进给系统、换刀系统等，每个部分的设计都必须严格讨论[1]，机床的设计流程如图1.1。

机床的设计中主要是分为立项、设计、制造、调试与试验，在立项环节是设计目标，制定一个机床的方向，设计是制定机床结构方案和理论分析，对机床进行结构优化、分析与校验，然后是制造机床，生产一个样机，对样机进行试验，调试修改不合理的位置，最后实现大批量生产。

机床的机构优化中包含以下几种：

（1）尺寸优化，是在结构和拓扑不变的情况下，改变零件的尺寸或者截面，将零件的厚度或者性能最佳；

（2）形状优化，通过分析设计零件最理想的形状和边界，一般骨架位置是对佳优化位置；

（3）拓扑优化，这种是对零件内部结构进行优化，是设计零件内部非实体区域的位置和数量，使其零件内部结构和布局以及节点联结最优，如图1.2。

拓扑的方法按照研究对象的不同可以分为分离散体结构和连续体结构，分散体结构包含桁架、骨架等，连续包含二维板壳和三维实体，常见的拓扑优化方法有均匀化方法和变密度方法[2]。

均匀法是在机床结构的材料中引入微结构单胞，通过这个方法，以单胞几何尺寸和空间方位为变量，实现机床结构拓扑优化模型与尺寸优化的同一性和连续性。

变密度法是通过改变单元密度和材料物理属性，它不仅可以采用结构的柔顺度为优化的目标函数，还可以用于特征值优化、柔性机构的优化。

2驱动受力分析

不同机床和不同型号的机床，结构也不同，同时机床在工作时候所受的力也不同，机床在切削时候，各部件所受的力最复杂，机床各部件不仅需要承受自身的重力，还需要抵抗外部的载荷和切削载荷。

机床在切削的时候由于刀具与工件的作用，载荷也会不同，是在变化的，未来能保证机床的安全，所以在设计的时候需要满足极限切削载荷，分析方法可以通过估算法和指数公式法这两种。

估算法是通过机床动力元件电动机为基础，分析最大动能下的切削力，通过实际载荷估算極限载荷，公式如下：

式中：F—主切削力的功率消耗；

P—电动机功率；

V—速度；

n—转速；

i—传动比；

D—工件直径。

指数公式法是在机床切削参数不能确定的时候，通过结构切削条件为设计依据的受力分析法。

3立柱结构

立式加工中心立柱的结构设计要求如下：

（1）要求立柱的结构具有一定的刚度，能满足零件高精密切削[3]；

（2）在进行设计的时候，要选取最大切削力为设计依据，通过这个数值进行计算；

（3）取主轴箱部件位于立柱导轨上、下极限以及中间常用切削位置作为立柱设计工况。

通过立柱装配关系，利用有限元分析法，分析立柱载荷及约束的形式，如图3.1，立柱上的主轴箱部件通过直线导轨副和滚珠丝杠副进行相连，切削力会通过它传递给立柱，通过切削载荷分析机床立柱力学模型，最后进行立柱设计。

结论

本文通过优化与分析，完成机床立柱结构的静态分析和轻量化设计，分析机床结构中的力学分布，通过典型机床结构的模型设计，通过物理分析和结构拓扑优化，总结和设计机床的结构设计流程，形成整套的设计方法，提高机床整体加工精度和性能。

参考文献

[1]陈心昭.权义鲁主编.现代实用机床设计手册.[M].北京：机械工业出版社.2006.

[2]邢俏芳主编.机床支撑件结构设计方法.[D].大连：大连理工大学.2013.

[3]马超.机床结构设计方法研究及在立柱设计中的应用.[D].大连：大连理工大学.2010.