元结构和框架优选的数控机床床身结构动态设

楚丹妮

摘要：本文针对数控机床床身提出了数控机床大零件结构设计要素结构的概念和基本框架。把由床身筋膜板构成的格柜称作筋膜箱，床身的宏观构造就是数控机床的基本框架。筋膜箱的动力特性会对机床的床身的动力特性造成直接的影响。将变量设计为筋膜箱的各个边的长度以及筋板的厚度和清砂孔的径长。将筋膜板的固有频率作为优化的目标，进行有限元模型的的动态设计，得到与之相关的筋膜箱设计变量变化曲线图：当床身高度和床身宽度相近时，床身的动力特性发挥良好。利用有限元分析方法研究了简化床身结构的动力特性，总结了數控机床床身设计的一般指导原则，可用于数控机床床身结构的初步设计。

关键词：元结构;框架优选;数控机床床身结构;动态设计

中图分类号：TG659 文献标识码：A 文章编号：1672-1578（2019）02-0268-01

引言：在数控机床的整个构造部件中，机床床身结构是数控机床结构中一个及其重要的部件，它的作用主要是用于将机床各个部件与连接数控机床的工作台进行连接，起到立柱等关键作用。数控机床的床身结构的尺寸以及布局形式的设计，是决定数控机床自身动力特性的关键，如果动力以及静态刚度设计与车身整体结构不契合，就会导致车身的刚度不足，在工作过程中容易出现变形，晃动等故障，在加工过程中如果加工刀具在进行零件加工时出行变形和晃动等情况，就会导致零件加工的尺寸出现偏差，即精度降低。尤其是在数控机床在进行高精度的零件加工或者承载较大的切削加工时，如果车床出现故障，那么造成的损失是极大的，因此对数控机床车身结构进行研究和质量提升就显得极其重要。

1.元结构和基本框架的概念分析

元结构的基本原理就是将数控机床的组成构件构成的形状进行分解，最后我们可以得到一些基础的单元结构被称作元结构，如果我们从动态设计的观点去对这些分散的元结构进行优化，得到一些与之相关的变量，根据这些变量建立有限元模型，最后得到相应的优化尺寸参数标准，例如，对六面体加固板的三边是由a、b、c、以及板厚w组成的元结构，如果将目标优化变量a、b、c设计为固有频率和振型，i和清砂孔径d，可以得到合理的单元结构尺寸模型，进行快速设计。

模块框架优化的原理就是将数控机床的模块构建作为一个基本的结构模型，比如数控机床床身的，长、宽、高，长度以及宽度由加工零件的范围来决定，高度就利用固有频率的优化来得出结论。立柱，主轴箱的规律也由此而来。并通过对机床质量和固有频率分布的研究，确定机床床身质量和固有频率范围的变化，这样一来机床床身结构参数就会很容易控制了。

2.数控机床床身结构动态设计分析

机床床身由纵横方向的筋板组成，运用筋板结构进行合理设计。不仅可以是床身的重量减轻，而且还可以使床身的刚度得到保障。水平和垂直的筋板围绕组成一个个的加强筋板箱。这是机床床身的主要单元结构之一。筋板的动力特性会对机床的动力特性造成直接影响。下本就分别分析对出砂孔、配筋边长和配筋板厚度对筋板动力特性的影响进行相关的分析。

筋板出砂孔与筋板格固有频率的关系分析。普通数控机床床身多采用铸件，床身钢板有砂孔。砂孔的大小和数量会影响床层的基本频率。参考文献中《基于元结构和框架优选的数控机床床身结构动态设计研究》一文中将床体的一根筋板作为研究对象，将其简化为板单元所围合的六面体钢筋结构。分析了自然频率与出砂孔数量和大小的关系。通过该实验研究数据我们得出结论：一般在设计筋板时，在保证床身刚度的前提下，采用砂孔的孔大、数多，可以最大程度的减轻床身的重量。从以上分析可以看出，用圆孔代替矩形孔制砂，可以获得更高的固有频率。在砂洞不大的情况下，砂洞的数量对加固的固有频率影响不大，可以设计4-6个砂洞作为加固单元。

筋板格长度，宽度以及筋板厚度对筋板格固有频率的影响分析。在产品的系列设计中，如果改变数控机床床身尺寸，而床身内部结构的布局保持不变，则肋骨尺寸的改变会影响其固有频率。

筋板边长参数对筋板格固有频率的影响分析。在数控机床的布置中，很难使钢筋格精确为六面体。当配筋每边长度变化较大时，配筋容易产生变形和振动，振动频率较低。在布置床身筋板时，即使各筋板格形状接近立方体，也应控制筋板与水平隔板在垂直和水平方向上的密度，使其保持平衡。

3.结语

由上分析我们可以得出结论，在进行机床床身结构构造是，机床床身结构框架的高度应该与床身的宽度保持一致，考虑到人的因素，应该进宽度比例在百分之七十到百分之一百之间。当设计的筋板格形状不是正六面体时，应使短边与长边的比例保持在百分之八十到百分之一百之间。出砂孔应该设置为圆形或者椭圆形。