卧式加工中心床身蜂窝状支撑结构设计与优化

0 前言

加工中心的精度与关键件、床身大件的精度表现密切相关，近年来随着机床高速切削领域的发展，床身、立柱等仅以经验值保守设计的零部件对加工中心整机的性能影响更加明显。随着有限元分析理论与软件、振动测量与分析仪器的发展，近年来国内研究人员对机床大件的动态性能与轻量化进行了大量研究。对床身等大件的优化有以下两种思路:(1)在保证结构质量不增加的情况下提高结构的动态特性。如于长亮等［1］以整机为研究对象用灵敏度法辨识出整机的刚度薄弱环节为立柱后，对立柱设置质量为约束条件进行了模态优化;(2)保证固有频率不变的情况下采用尺寸优化、拓扑优化等方法对零件进行轻量化设计。如任帅等人［2］以床身的质量为优化目标，在保证静动态特性不变的情况下，采用拓扑优化的方式对床身进行了轻量化设计。郭垒等人［3］基于灵敏度分析的方法对机床进行轻量化设计。刘成颖等［4－5］采用元结构的方法对床身“井”字形支撑结构进行分析并对出砂孔尺寸进行了二次优化。

蜂窝结构早期被应用于航空领域应用。蜂窝构造非常精巧，结构性能好，比强度、比刚度高。目前，在荷兰、英国等发达国家蜂窝结构的研究与应用非常成熟，随着我国制造技术的快速发展，对蜂窝结构的研究正趋于成熟，其应用也逐步扩展开来。对蜂窝的研究主要集中在蜂窝夹层的静力学研究。王博等人［6－7］研究了低速冲击下不同蜂窝结构坍塌行为，以及蜂窝夹层结构在低速冲击下的动力响应。

本文作者通过将加工中心床身原有的支撑结构改进为蜂窝状支撑结构，并利用参数化建模方法，分析蜂窝状结构胞单元参数、排布方式与床身一阶固有频率、质量、静变形、等效应力之间的关系，得到蜂窝状结构对床身性能的最佳优化效果。采用灰色关联法对计算结果处理分析，并采用熵权法改进灰色法，使得其成为一种适于床身优化的综合性评价标准。以我国西北某机床厂生产的某型卧式加工中心床身优化为例，利用ANSYSWorkbench进行参数化设计，采用MATLAB软件进行数据处理和灰色关联法分析选出最佳优化方案。

1 床身性能分析与优化

目标提出1.1某型卧式加工中心床身性能分析1.1.1床身基本参数某卧式加工中心为我国西北某机床厂推出的一种高性能、高效率的自动换刀数控机床，其基本参数如表1所示，床身结构模型如图1所示。加工中心力的传递路线:工件－夹具－工作台－床身。床身所受静载荷包括以下3个方面:(1)工作台质量从机床说明书查得工作台材料为HT300，密度ρ=7200kg/m3，从表1可得工作台的基本尺寸。

宇匠数控备注：为保证文章的完整度，本文核心内容由PDF格式显示，如未有显示请刷新或转换浏览器尝试，手机浏览可能无法正常使用！

结论

(1)用蜂窝状结构替换某型卧式加工中心床身原有的“井”字形支撑结构。结果表明优化后的机床床身各性能指标得到全面提升。床身一阶固有频率提高约24.1%，床身质量减轻约7.4%，静变形降低约26%，等效应力减小约35.1%。
(2)蜂窝结构主要以胞单元拓扑得到，便于建立数学模型进行参数化设计，是一种卧式加工中心床身优化很好的方法。

卧式加工中心床身蜂窝状支撑结构设计与优化

产品中心

星瀚S系列高速加工中心

星瀚系列高速加工中心

超声波陶瓷雕铣中心

联系我们

产品中心

数控文章

其它栏目

关注官方微信