关键词： 机床
机床结构（精选十篇）
机床结构 篇1
此外, 2009年全行业产品月度进口额在6月和9月份相继攀升到9亿美元以上, 10月又迅速下滑到全年最低值6.3亿美元, 11月回升至8.1亿美元, 接近上年同期水平。全年月度进口额同比呈现锯齿形波动。2009年我国机床工具产品进口波动较大, 呈现出不稳定状态。
多年以来, 外商投资企业以设备投资贸易方式进口的机床一直占我国机床进口额一半以上。金融危机过后, 该方式进口的机床明显的减少。以数控机床为例, 2009年上半年外商投资企业作为投资贸易进口的数控机床同比下降26.2%, 在数控机床进口额中占比减少了10个百分点, 而以一般贸易方式进口的数控机床呈现快速增长趋势, 同比增长31.2%, 所占份额接近50%。据中国机床工具协会有关人士分析, 其原因之一是各国经济下滑, 外资进入减少;二是国家对外资进口设备税收优惠政策进行了调整, 在一定程度上减少了作为设备投资的机床进口。
数控机床结构特点 篇2
在数控机床发展的初级阶段，人们通常认为任何设计优良的传统机床只要装备了数控装置就能成为一台完善的数控机床，当时采取的主要方法是在传统的机床上进行改装，或者以通用机床为基础进行局部的改进设计，这些方法在当时还是很有必要的。但随着数控技术的发展，考虑到它的控制方式和使用特点，对机床的生产率、加工精度和寿命提出了更高的要求。因此，传统机床的一些弱点(例如结构刚性不足、抗振性差、滑动面的摩擦阻力较大及传动元件中的间隙等)就越来越明显地暴露出来，它的某些基本结构限制着数控机床技术性能的发挥。现以机床的精度为例，数控机床通过数字信息来控制刀具与工件的相对运动，它要求在相当大的进给速度范围内能达到较高的精度。当进给速度范围在5～15000mm/min，最大加速度为1500mm/s2时，定位通常精度为±0.05～±0.015mm；进行轮廓加工时，在5～mm/min的进给范围内，精度为0.02～0.05mm。如此高的加工要求就不难理解远在二十多年前已逐步由改装现有机床转变为针对数控的要求设计新机床的原因，
用数控机床加工中、小批量工件时，要求在保证质量的前提下比传统加工方法有更好的经济性。数控机床价格较贵，因此每小时的加工费用比传统机床的要高。如果不采取措施大幅度地压缩单件加工工时，就不可能获得较好的经济效果。刀具材料的发展使切削速度成倍地提高，它为缩短切削时间提供了可能；加快换刀及变速等操作，又为减少辅助时间创造了条件。然而这些要求将会明显地增加机床的负载和负载状态下的运转时间，因而对机床的刚度及寿命都提出了新的要求。此外，为了缩短装夹与运送工件的时间，以及减少工件在多次装夹中所引起的定位误差，要求工件在一台数控机床上的一次装夹中能先后进行粗加工和精加工，要求机床既能承受粗加工时的最大切削功率，又能保证精加工时的高精度，所以机床的结构必须具有很高的强度、刚度和抗振性。除了排除操作者的技术熟练程度对产品质量的影响，以避免人为造成的废品和返修品，数控系统不但要对刀具的位置或轨迹进行控制，而且还要具备自动换刀和补偿等其他功能，因而机床的结构必须有很高的可靠性，以保证这些功能的正确执行。数控机床机械结构优化设计探讨 篇3
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.
VC系列机床结构简介 篇4
V C(vertical m achining center英文字母缩写)系列立式加工中心是我公司生产批量最大,开发时间最早的中小型立式加工中心,该类机床适用于扁平类、盘类、模具等零件的多品种小批量生产。经过我们技术人员的改造设计,该系列机型更加实用且外形美观,机床主体由床身、立柱、鞍座、工作台、主轴箱、刀库、电器柜等几大部分组成,下面就机械部分做一一介绍:
1 床身
床身由高强度低应力铸铁铸成,鞍座、工作台、立柱均装在床身之上。该床身的设计比传统的底座加大加宽,钣金外防护罩直接安装在底座的四围边缘,防止加工过程中切削液的飞溅。两个排屑口位置最低,也利于切削液的排出。见图1。
床身上部固装Y轴滚珠丝杠和Y轴伺服电机。Y轴滚珠丝杠采用双向消除轴向间隙结构。床身上还装有两个行程挡块,Y轴校准点位置(Y=0)和Y轴行程的极限位置,就由这两个挡块配合行程开关来确定。
2 立柱
立柱装在床身后部,刀库安装在立柱上,主轴箱在立柱的导轨上上下移动(Z轴)。Z轴滚珠丝杠装在立柱的前面,Z轴伺服电机装在立柱的顶部。Z轴滚珠丝杠副的安装结构见图2。
立柱采用了“人”字型的结构(见图3),增加了它的刚性和强度。Y轴的伺服电机放置在立柱的下面,维修方便,防水效果好。立柱的前面靠近一侧导轨的附近装有上下两个行程挡块,与行程开关配合控制Z轴校准点位置(Z=620m m)和Z轴行程的极限位置。立柱顶部的两侧装有两个吊装柱,起吊机床时,和床身上的两个吊装柱配合使用。立柱内腔有一个重量平衡块,通过链条、链轮等反吊于主轴箱的上端面,用于平衡主轴箱重量,以提高Z轴定位精度。新机床安装和安装后使用过程中应检查或经常检查链条的完好情况,运行中不能有障碍物,以防止链条破断造成恶性事故。普通立式加工中心采用的是重锤平衡,也有厂家使用氮气平衡机构来进行重量的平衡,这种情况一般是立柱与主轴箱均作为滑动部件的时候。
3 主轴箱
主轴箱通过压板和楔铁以及与之固联的丝杠螺母座与Z轴滚珠丝杠连接。Z轴伺服电机旋转,可使主轴箱沿Z轴作上下运动。Z轴的两个行程开关位于主轴箱的右侧,主轴箱下部是不锈钢板防护罩。主轴部件结构见图4:
机床主轴通过一组精密轴承装在主轴箱上。主轴电机通过同步带带动主轴进行正、反向旋转。机床主轴旋转能力最高可达8000r/m in,而主轴电机有最高6000r/m in和8000r/m in的区别,用户可根据实际需要和经济状况进行选择。
4 刀库
本机床有斗笠式刀库和机械手刀库两种型式供用户任选。均是24个刀位,有1-24数字标识。标准配置是斗笠式刀库(见图5),刀库挂在立柱左侧,采用刀盘整体送进和退回的方式直接换刀。刀具装在刀库的刀盘上,若满装时,允许刀具最大直径φ90m m,若间装(相邻无刀)时,允许刀具最大的直径是φ150m m。最大刀具重量6-8kg,刀盘的总承重68kg。刀盘上部装有间歇传动机构,在电动机带动下,驱动轴每转一转,刀盘转过一个刀位,开关发出一个信号,使数控系统记住每把刀的位置。这种布局的机床结构简单,但刀库容量的扩展受到布局方式的限制。
5 鞍座
鞍座沿床身上的矩形导轨前后移动(Y轴),鞍座底部通过与其固定装在一起的丝杠螺母座与Y轴滚珠丝杠固联。Y轴伺服电机带动丝杠旋转,可使鞍座沿Y轴方向做直线运动。鞍座上面与Y轴垂直方向,安装X轴滚珠丝杠和伺服电机。X轴滚珠丝杠也采用双向消除轴向间隙结构,用户不得自行调整。X轴滚珠丝杠副的安装与Y轴的完全相同,只是行程不同。鞍座前侧上方中间部位安装有X轴的两个行程开关,鞍座底部装有Y轴的两个行程开关用于两轴各自运行中校准点(X=0)位置确定及超程断电保护。鞍座的前面和后面分别装有伸缩式导轨防护罩。
6 工作台
工作台沿着鞍座的导轨左右移动(X轴),工作台的底部通过安装丝杠座与X轴滚珠丝杠固联。X轴伺服电机旋转,可使工作台沿X轴直线运动。工作台下面装有2个行程挡块,和行程开关配合,控制X轴行程的极限位置(超程断电)。工作台上面有五条T型槽,供装夹工件、夹具、转台等。其中中间T型槽为基准T型槽,工作台的左右两端均装有伸缩式防护罩。
7 电气柜
电气柜装在机床立柱的右侧。内有数控系统、主轴伺服驱动器及X、Y、Z轴伺服驱动器,及机床各种电源装置,电气控制元件。柜内预留有第四轴驱动器、各选择项功能所必须的接触器、开关等电气元件的安装位置。电气柜的门把手就是总电源开关,只有在断电状态下才能打开柜门。非本机操作人员,不允许任意打开电气柜。任何人员均不得擅自松动柜内元器件、随意搭线或在柜内堆放物品。
8 结束语
该V C系列机床的结构改型设计后,机床的床身刚性提高,机床的防漏功能得到很大的提高,满足了用户的功能需求且与改型的防护部分设计相得益彰,提升了产品的档次,我公司已经批量生产该机型,取得了很好的社会效益。
摘要：本文简述了VC系列机床各部分的机械结构,介绍了该系列机床改型后的设计,提高了机床的刚性,更加的实用而且外形美观,批量化生产后,满足了用户的功能需求,提升了产品的市场占有率。
关键词：VC,机床结构,改型设计
参考文献
机床结构 篇5
4；功率输出；K1-K4四种选择 ．．．．．．．．．．．．．．．．5最大加工厚度《400mm ．．．．．．．．．．．．．6；(工．．最．大．加．工．效．率．》．70．．以．上．．．件．厚．度．60-80mm ．．．．．．．7；使用电源；交流电压；220v脉间选择；．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．四个按下和，脉宽选择；另选四个标．．．．8．．4．．．．．．．．．．．．8．和，功率选择；正常放在低压，脉宽选择．4．．．．．．．．．．．．．．．．．．为只按键，为，合上
为．4．．．．．．4,8,16,32．．．．．．．．．．．．8,16．．．．．24ns，在切割加工时脉宽越小，加工能量越．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．低，加工工件光洁度越好，但速度越慢，脉，．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．间选择为、2、4、8 ．．．．1．．．．．．．脉间计算为相加合上和为，代表脉．．．．．．．．．2．．4．．6．．．．．冲间隙等于6倍的脉宽，．．．．．．．．．．．脉间越大、切割电流及能量越小有利于工件．．．．．．．．．．．．．．．．．．．的加工，电火花线切割加工分类高速和低速．．．．．．．．．．．．．．．．．．．两种，．．．DK7740的含义；D为机床类别代号表示电加工机床K为机床特征代号为数控机床，前7，组代号；为电火花加工机床，后7；高速为7，低速为5,40；参数代号，为工作台横向行程为400mm，电火花线切割加工的工艺过程 1，工件加工前的准备 2，加工程序的编制3 3，工艺基准的确定4 4，切割路线的选择5 5，电极丝初始位置的确定6 6，加工条件的选择7 7，加工穿丝孔8 8，工件找正和装夹9 9，电极丝传丝、找正10 10，正式线切割加工11 11，检验
电火花线切割加工的常规步骤 1，启动机床电源进入系统编制加工程序 2，检查各部件是否正常包括电压、电流、水泵、储丝筒
3，进行储丝筒上丝、条丝、电极丝找正 4，装夹工件，根据工件厚度调整Z轴至适当位置并锁紧
5，移动X、Y坐标确定切割起始位置 6，开启工作液泵，调节加工液流量 7，运行加工程序即开始加工调整参数 8，监控运行，发现工作液堵塞及时疏通 9，每段程序完毕后都应该检查纵横，手轮刻度是否与指令规定的坐标相等，确保零件加工的顺利进行 10，成品检验。
电火花机床的基本知识
．．．．．．．．．．AP;低压电流选择开关，设定范围；0-60A 注意事项；1，放电中可用FT变更设定 2，设定值大，加工电流大，火花大，速度较快，表面粗糙，间隙较大
3，设定值小，加工电流小，火花小，速度较慢，表面较细，间隙较小
4，加工电流设定需与放电弧休止幅配合，可能达到最佳之放电效果 5，修改分类
6，条件选用即键锁定 TA;放电时间调整
1，放电时间与电流配合来决定表面粗细度，最小百万分之二秒可达Rmax6-9um，最大百分之1800秒，可达到Rax90-120um 2，放电时间约90um以上才能配合无消耗加工，放电时间和电流值成正比，若放电时间短，电流大，则消耗增多 3，各种金属材质的不同对放电时间的需要也不同，放电时间设定范围为2-120us 1，以相同加工电流加工时，设定值大，表面粗，间隙大，电极消耗小，设定值小，表面细，间隙小，电极消耗大 2，输入方式，以条件选择增减键设定 TB；放电休止时间调整
1，休止时间为放电产生离子化后，回复绝缘状态之休止时间过程，一般放电平稳时休止时间短，效率较高，电极保护层厚，但容易造成排屑不良，必须考虑设定电极脉动及理想的喷浇位置。
2，休止时间短，电流大，休止时间长，电流小但每次的放电电流相同
3，休止时间的长短也需配合材质的性质方能获得最佳结果，休止时间具备功能如下；
1.调整第一阶段时间，即表示该休止时间能配合放电时间的阶段比例自动调整，此项说明系在稳定正常的放电加工情况F依操作所表示的第一阶段 2.当加工进行时，放电情况不稳定时，则考虑调整阶段，延长休止时间 3.依照低压电流说明，正面放电面积小于电流数进时，必须考虑调整，段阶延长休止时间，4.休止幅设定；1-9（2-900us）以相同的加工电流加工时，设定值越小，效率高，速度快，排屑不易，设定值大，效率低，速度慢，易排渣 SP,伺服敏感度调整 ．．．．．．．．．．1，设定范围-9 ．．．．．．1．．．2，设定值大，第二段速度快，设定值．．．．．．．．．．．．．．．．．小，第二段速度慢，适用精加工或．．．．．．．．．．．．．．．小极加工 ．．．．3，伺服调整，必须与放电时间配合，．．．．．．．．．．．．．．．．．以且电压表稳定为良好 ．．．．．．．．．．4，伺服为间隙保持器，在放电加工上．．．．．．．．．．．．．．．．．占有极重要之地位，因此我们设计．．．．．．．．．．．．．．．极为周深，放能进行困难之加工 ．．．．．．．．．．．．．．4GP；放电正面间隙电压调整 ．．．．．．．．．．．．．．1，加工间隙电压设定范围-120V ．．．．．．．．．．．．30．．．．．．．2，设定值小，放电间隙电压低，效率．．．．．．．．．．．．．．．．．较高，速度快，排渣不易 ．．．．．．．．．．．3，设定值大，放电间隙电压高，效率．．．．．．．．．．．．．．．．．较低，速度慢，排渣易 ．．．．．．．．．．4，中粗加工适合电压为-50V ．．．．．．．．．．．45．．．．．．5，细加工适合电压为60V以上 ．．．．．．．．．．．．．．．5UP机头上升、下降时间调整 ．．．．．．．．．．．．．．1，设定范围1-15 ．．．．．．．．．．2，设定值小，上升排渣距离小，加工．．．．．．．．．．．．．．．．．不浪费时间 ．．．．．3，设定值大，上升排渣距离大，加工．．．．．．．．．．．．．．．．．费时较长 ．．．．4，设定0为不跳跃 ．．．．．．．．．5，设定值小，加工之时间少，易排渣．．．．．．．．．．．．．．．．．设定值大，加工之时间长，不易排．．．．．．．．．．．．．．．渣 ．-加工较深的孔径或有底模具，加工排．．．．．．．．．．．．．．．．．屑不易，打开此伺服脉动装置，帮助．．．．．．．．．．．．．．．．排除加工屑，提高加工效率，一般加．．．．．．．．．．．．．．．．工时每分钟动作较多，中粗加工时每．．．．．．．．．．．．．．．．分钟动作较少 ．．．．．．2，伺服．．．．SEKVO．．．．．退刀时自动关闭电源．．．．．．．．．避免有二次放电现象产生设定范围 ．．．．．．．．．．．．．．．6BP高压电流选择开关 ．．．．．．．．．．．段阶
电流 ．．．．0 ．1 ．2 ．3 ．4 ．5 ．
0A ．．
机床结构 篇6
关键词：数控机床；上下料机械手；机械结构设计
随着科技的发展，社会对于生产活动的生产效率和生产过程的安全性都提出了更高的要求。机械手在数控机床上的有效应用，不仅大大的提高了生产效率和生产活动的安全性，同时还形成了一条完全自动化和无人化的生产线。对于机械手的结构设计的研究和应用一直以来也是人们关注的重点。
一、数控机床机械手发展现状
在我国，人们越来越重视对于新技术的研究和开发，对于数控机床机械手的机械结构设计的研究力度也在不断的加大。现阶段我国的数控机床机械手的发展现状大致可以总结为以下四点：
第一，现阶段我国的机械架构正在向模块化和可重构化发展；第二，作为机械手体系发展的一个主要方向，PC机的开放型控制器的研发也在不断研究和革新中，其发展也将使数控机床的机械手得到进一步完善，不断的向网络化和标准化发展，并强化器件集成度，使架构设计更为精巧，模块化架构也得以很好的应用，这些进展也将使数控机床的机械手体系的安全性和可靠性得到大幅度的提升，也会使机械手的维修和防护变得更为的便捷易操作；第三，是对机械手的传感器进行了完善和更新，传感器对于机械手整个体系而言十分的重要，当下，除了运用传统的速度传感器、位置传感器，先进的视觉传感器、听觉传感器、触觉传感器也被引进机械手整个体系当中，使机械手的智能化程度越来越高；第四，是机械手装配、焊接方面的发展，模块化、系统化和标准化是其发展和推进的方向。
二、机械手的结构设计
工业机械手的结构形式主要有4种：直角坐标结构、圆柱坐标结构、球坐标结构和关节型结构。
圆柱坐标机械手需要依靠1个回转运动及2个直线运动来实现它的空间运动，圆柱状的工作空间是其主要的特点。相对而言，这种机械手构造简单、精确度较高，经常被用来做搬运之用。图1为机械手模拟工作布局图，该机械手可以根据实际操作的需要进行3种不同的运动，其中手臂的伸缩和立柱升降为直线运动，另一个为手臂的回转运动，因此其自由度数目为3。综合考虑，为满足数控机床的设计要求，我们选择圆柱坐标式机械手，原因在于圆柱坐标机械手结构简单，精确度较高，且工作范围相对较大。
三、机械手各部件的设计
（一）机械手手爪结构设计
手爪是用来进行操作及作业的装置，其种类很多，根据操作及作业方式的不同，分为搬运用、加工用、测量用手爪等。机械手手爪是根据机械手作业要求来设计的，在满足作业要求的前提下，机械手手爪还要具有体积小、重量轻、结构紧凑、通用性强等特点，同时要便于安装和维修，易于实现计算机控制。结合具体的工作情况，本设计采用连杆杠杆式手爪。连杆杠杆式手爪在活塞的推力作用下，连杆和杠杆使手爪产生夹紧（放松）运动。由于杠杆的力放大作用，这种手爪有可能产生较大的夹紧力，其通常与弹簧联合使用。手爪的具体结构形式如图1所示。
图1 机械手末端执行手爪结构图
（二）机械手手腕结构设计
机械手手腕是机械手操作机的最末端，与手爪相连接，它与机械手手臂配合，使手爪作空间运动，完成所需要的作业动作。因此要求手腕设计应尽量小巧轻盈，结构紧凑。一根据作业需要，设计机械手手腕的自由度。一般情况下，自由度数目愈多，腕部的灵活性愈高，对作业的适应能力也愈强。但自由度的增加，必然会使腕部结构更复杂，控制更困难，成本也会相应增加。因此，手腕的自由度数应根据实际作业要求来确定。为保证工作时力的傳递和运动的连贯，腕部结构要有足够的强度和刚度。要设有可靠的传动间隙调整机构，以减小空回间隙，提高传动精度。手腕各关节轴转动要有限位开关，并设置硬限位，以防止超限造成机械损坏。通过对数控机床上下料作业的具体分析，考虑数控机床加工的具体形式及对机械手上下料作业的具体要求，在满足系统工艺要求的前提下提高安全性和可靠性，为使机械手的结构尽量简单，降低控制难度，本设计手腕不增加自由度，实践证明这是完全能满足作业要求的，3个自由度来实现机床的上下料完全足够。具体的手腕（手臂、手爪连接梁）结构如图2所示。
图2：手腕（手臂、手爪连接梁）结构
（三）机械手手臂结构设计
机械手手臂在工作时要承受一定的载荷，且其运动本身具有一定的速度，其工作空间的形状和大小与机械手手臂的长度、手臂关节的转动范围有密切的关系，因此手臂尺寸设计应满足其工作空间要求。同时，为了提高机械手的运动速度与控制精度，应在保证机械手手臂有足够强度和刚度的条件下，尽可能在结构上、材料上设法减轻手臂的重量；为提高机械手手臂运动的响应速度、减小电机负载，机械手手臂相对其关节回转轴应尽可能在重量上平衡；还要尽可能使机械手手臂各关节轴相互平行，相互垂直的轴则要尽可能相交于一点，这样可以使机械手运动学正逆运算简化，有利于机械手的控制。由于机械手手臂运动为直线运动，且考虑到搬运工件重量、机械手动态性能及运动的稳定性、安全性和较高的刚度要求，因此选择液压驱动方式。液压驱动方式是利用液压系统进行控制，传动刚度大！可实现连续位置控制。其通过液压缸直接驱动，液压缸既是驱动元件，又是执行运动件，因此不用再额外设计执行件。液压缸可实现直线运动，控制简单，易于实现计算机的控制。因控制和具体工作的要求，机械手手臂的结构不能太大，若仅仅通过增大液压缸的直径来提高刚度，是不能满足系统刚度要求的。所以，在设计时另外增设了导杆机构，小臂增设了2个导杆，与活塞杆一起构成等边三角形的截面形式，尽量提高其刚度；大臂增设了4个导杆，呈正四边形布置，为减小质量，各个导杆均采用空心结构。增设导杆能显著提高机械手的运动刚度和稳定性，较好地解决了结构稳定性的问题。
（四）机械手手臂的平衡机构设计
关节机械手手臂一般都需要平衡装置，以减小驱动器的负荷，缩短启动时间。弹簧平衡机构简单、造价低、工作可靠、平衡效果好、易维修，应用广泛。本机械手采用圆柱坐标式结构，而且在手臂的结构设计以及整个机械手的设计和布局中都重点考虑了机械手手臂的平衡问题，通过合理布局，优化设计结构，使得手臂本身尽可能达到平衡。若实际工作中平衡结果不满意，则设置弹簧平衡机构进行平衡。
结束语
保作为机械手的重要组成部分，机械手的机械结构的设计对于机械手的工作性能、用途和经济性都有不同程度的影响。因此必须重视机械手的机械结构的设计工作，并进行深入的研究，确保能够更为科学合理的对机械手进行结构设计。
参考文献：
[1] 吕鹏飞.浅议数控机床上下料机械手的机械结构设计[J].机电信息，2013.
机床结构 篇7
数控机床在工作过程中要承受复杂的静动态载荷和从外界传来的振动, 为保证加工质量和效率, 要求其结构具有良好的动静态性能[1,2]。对数控机床进行结构优化设计, 是降低成本、提高性能的有效途径。结构优化设计包括尺度优化、形状优化和拓扑优化三种[3]。首先是拓扑优化, 即确定结构的最优拓扑;其次是形状优化, 即确定结构的最优形状;最后是尺度优化, 即确定结构各部分的尺寸。经过上述过程可以获得结构的优化设计结果。目前, 机床结构优化设计研究主要有以下两个方面:①从整体结构出发, 对机床进行参数或拓扑优化设计[4,5];②利用元结构的思想, 对构成机床结构的单元进行研究, 以提高机床床身的性能[6,7]。上述工作对改善机床结构动、静态性能, 提高其抗振性能, 节省材料起到了重要作用。但直接对机床结构进行拓扑结构优化忽略了对其工艺性的考虑, 优化结果难以适应制造过程;采用元结构分析方法则没有考虑机床结构的整体参数与局部结构参数间的关系。
公理设计[8]要求产品设计要同时满足性能、功能和可制造性的要求。可适应设计[9]则要求设计不仅有良好的性能, 而且要对制造过程具有良好的适应性, 适应快速变型设计的需要。为了使结构优化的结果更好地适应于制造过程, 本文将模块化设计思想和元结构[6]方法用于结构设计中。采用CAE或者CAD软件的二次开发语言构建基于功能要求和制造约束的结构模型, 该模型通过参数驱动可以得到不同的元结构组合形式, 甚至可以适应于不同的功能要求。在此基础上, 通过一定优化算法, 来寻找满足制造约束的最优的结构。由于建模时考虑到了制造约束, 从而使得优化结果更好地适应于制造过程。
1 机床结构可适应优化方法
文献[4]采用元结构的方法来分析和优化机床结构, 本文将元结构看成工艺过程中可能得到的单元结构。基于元结构的机床结构可适应优化设计的原理:将机床结构的不同设计方案看成是满足工艺约束情况下不同参数和形式的元结构组合的结果;然后采用一定的优化算法, 从上述众多方案中寻找满足功能要求和工艺约束的最优设计方案。
机床结构可适应优化设计过程如图1所示。整个优化设计过程主要包含如下步骤:
(1) 根据对结构的功能要求, 确定结构的初步设计方案。
(2) 按照功能要求将结构分解为若干的子结构, 进而根据工艺特点, 将子结构分解为若干的元结构。
(3) 对元结构进行组合, 获得满足功能要求的可能结构方案, 并使用CAD或CAE软件的二次开发语言建立结构方案集的一般模型。
(4) 建立对机床结构诸多性能指标的评价模型, 并以此作为优化设计目标。
(5) 建立优化模型进行求解。
2 结构一般模型的建立
2.1结构分解
首先, 对被优化机床结构S按照功能进行分解, 将其分为接口子结构、承载子结构和加强子结构。接口子结构主要是该部件与其他部件连接的区域, 在优化设计时要保证接口参数不发生变化。承载子结构是该结构的主要承载区域, 它的有无将影响结构的功能。加强子结构是为改善结构性能而添加的结构, 它不影响结构的功能。被优化结构可视为若干接口子结构、工作子结构及加强子结构按照一定规则进行连接后得到的结果, 即
S=fc (SS) (1)
其中, fc (·) 为子结构连接的规则;SS为组成结构S的子结构集合, 是由m个接口子结构Ii、n个承载子结构Wi及k个加强子结构Ri构成的集合, 即
接下来对每个子结构进行分解, 根据工艺过程, 分解成若干种元结构。这些元结构忽略参数的不同, 只考虑形状的不同。子结构SSi为若干元结构按照一定规则进行组合的结果, 可以表示为
SSi=gci (USi) (2)
式中, gci为子结构SSi的元结构连接的规则;USi为组成子结构的元结构集合;Xij为组成子结构的第j种元结构的设计变量。
2.2设计变量的选取
机床结构的设计变量包括描述机床元结构设计变量、元结构组合顺序的设计变量以及描述机床结构整体的设计变量。结构的设计变量X可表示为
X=XU∪XT∪XA (3)
式中, XU为元结构的设计变量;XT为结构整体的设计参数;XA为元结构组合顺序的参数。
2.3元结构的组合
在对元结构进行组合时, 可通过坐标树控制法来理清元结构间的位置关系, 实现其准确定位和连接。坐标树是一种由局部坐标系构成的层次结构, 在初始状态下, 坐标树只有一个根节点, 新的坐标系可以相对于根节点来定义, 可以通过新指定父节点而加入新的节点。当某节点变化时, 其后的节点也跟着变化。在设计时首先确定整个结构的坐标系, 并确定整个结构的坐标原点O, 即坐标树的根节点;然后以其为基准确定每个元结构的原点和坐标系, 即元结构的局部坐标系。元结构的局部坐标系与整个模块坐标原点之间关系明确后, 元结构块的局部改变不影响整个结构的坐标系。
在进行结构分解、设计变量选取和确定元结构组合关系的基础上, 采用CAD或CAE软件二次开发语言构建修改方案集的参数化一般模型, 通过驱动设计参数便可获得所有可能的修改方案。
3 结构性能综合评价和优化模型
3.1结构性能综合评价
机床结构性能涉及静刚度、固有频率、质量等诸多评价指标。建立一个能全面反映机床结构性能的综合评价函数是结构优化的基础。可适应设计强调各个修改方案的连续性和继承性, 对性能综合评价函数要体现结构原始方案和各修改方案性能之间的联系[10]。通过不同的结构方案性能与初始方案的相对优劣来度量各个方案的性能优劣, 反映各个方案的改进的效果。机床结构性能综合评价函数可以表示为
式中, Xj为方案j的设计变量, Xj={xj1, xj2, …, xjn};Pji为方案j的第i个性能指标, j=0为初始方案;wi为性能评价指标i的权值向量, 若为望小特性的性能指标, 则取对应的权值为负, 且
式 (4) 的结果为机床结构各个性能指标与原方案相对值加权之和, 它反映了各个设计方案之间性能相对值的加权之和的变化, 体现了可适应设计的设计原则, 将各个设计方案之间联系起来了。可以将此评价值作为结构优化设计的目标函数。
3.2优化模型
在建立结构修改方案的参数化一般模型和结构的性能评价函数后, 便可使用一定的优化算法对其进行优化求解, 该求解过程是一个对结构设计参数和元结构组合方式进行综合改进, 使综合评价值达到最佳的过程。优化模型如下:
4 立柱可适应优化实例
图2为某大型圆柱内齿轮铣齿机结构示意图, 立柱通过横滑板和拖板分别与床身和铣头连接。立柱作为一个移动部件, 在设计时主要考虑以下因素:①机床的整体布局已经确定, 修改时不影响机床的关联尺寸;②有良好动静态性能;③立柱的制造安装工艺性;④质量要小, 降低成本。
4.1立柱的结构分解
立柱采用铸造工艺, 初始方案见图3, 根据功能将立柱分解为S1、S2、S3、S4、S5和S6等子结构。其中, S3和S5为接口子结构;S1和S6属于结构承载的子结构;S2和S4属于加强子结构。对子结构进一步分解可得图4所示的元结构, 即铸件的筋格。材料选用铸铁, 其弹性模量为145GPa, 泊松比为0.27, 密度为7250kg/m3。
4.2立柱一般模型的建立
根据图3和图4对立柱的分解结果, 可确定结构可能的修改方向:保证立柱的轮廓尺寸不变, 增加或减少沿Z轴和Y轴的元结构的数量;确定子结构S4的有无以及子结构S1的尺寸W1的变化;确定S3的尺寸HB;确定S2结构沿Z轴元结构数目变化等。由此可确定表1所示的设计变量。
通过坐标树的控制, 保证元结构拼装连接后的筋板连通。采用ANSYS软件本身提供的二次开发语言APDL来创建一个参数化的一般模型, 通过参数驱动可以获得修改方案集中的各个方案。图5所示为通过参数驱动得到的部分修改方案。
对立柱使用有限元计算方法来获取其固有频率以及外力作用下的静变形等。计算的边界条件如下:对底部边缘施加全约束;对立柱正面和侧面施加均布力计算立柱的抗弯和抗扭刚性, 如图6所示。
4.3综合评价函数
对立柱优化设计时取以下的性能评价指标:①质量;②静刚度, 包括抗弯刚度和抗扭刚度;③约束状态和自由状态的前三阶固有频率。各性能指标的权值和原方案的初始值见表2。
4.4优化模型建立和求解
文中使用优化软件iSight进行优化建模求解, 并将有限元软件ANSYS作为求解器, 同时选择多岛遗传算法 (multi-island genetic algorithm) 进行优化计算。图7所示为目标函数的迭代过程, 图8所示为通过优化计算获得的方案。
4.5优化结果
表2列出原始方案、部分典型结构优选方案以及重新设计后方案的对比情况, 可以看出立柱的综合评价指标和各单项指标均有了较大的提高。根据优化结果对立柱进行重新设计, 只需调整出砂孔位置, 删除了局部的小三角筋格, 如图9所示。因在方案优化时考虑立柱的制造工艺, 故只要进行很小的调整便可以得到性能优良且适应工艺要求的结构设计方案。
5 结束语
本文在可适应设计原理指导下, 给出了一种基于元结构的机床结构优化方法。该方法不仅可通过选择合理的结构尺寸参数, 而且可通过选择不同的元结构组合形式, 得到更加合理的拓扑结构形式;在优化过程中考虑了工艺的约束, 使得优化结果具有良好的工艺适应性。大型内齿轮铣齿机立柱的优化实例证明, 该优化设计方法可以获得性能优良且适应于工艺过程的设计方案, 为机床结构优化提供了一种有效方法。
参考文献
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机床床身模态分析及结构改进 篇8
车铣复合加工中心是把车削和铣削工艺整合,在一台机床上实现对工件的车削和铣削加工,这种整合比分别车削和铣削的加工精度更高[1,2,3]。斜床身动态性能直接影响机床整机性能,特别是对机床整机的抗振性能、加工精度等影响较大。分析斜床身结构的固有频率和振型,可为斜床身设计改进提供依据,避免因共振造成的经济损失。对机床床身动态性能研究的方法应用最多的是模态分析法。通过模态分析结果,判断振型对加工精度的影响,优化改进斜床身,达到机床对加工质量和加工精度的使用要求。将低阶固有频率作为动态分析改进设计的优化目标,提高床身固有频率,有效提高机床稳定性,提高对工件的加工精度,为下一步斜床身车铣复合加工中心的改进设计打下基础[4]。
1 机床床身有限元模型的建立
MJ-520MC/Y配置卧式回轮动力型刀架,机床Y轴进给采用虚拟Y轴结构进行平面铣削作业[5],整机三维模型如图1所示。
1.1 模型简化
斜床身结构复杂,难以完全按照实物建立有限元模型。在有限元网格划分前需简化斜床身。简化的原则是:(1)在CAD建模时力求精确,真实地模拟结构的静动态特性;(2)直线化和平面化处理CAD模型中的小锥度、小曲面[6]。
根据以上原则简化斜床身的模型:删除导轨上的所有螺纹孔。车铣复合加工中心整机模型如图1所示,简化后斜床身(如图2所示)结构的力学特性未发生改变,但为后续高效分析计算提供帮助。
1.2 定义单元属性与网格划分
1.2.1 定义单元属性
由于斜床身结构复杂,是不规则的几何体,所以选用四面体单元模拟真实结构,经考虑,选择SOLID187四面体单元[7]。
1.2.2 网格划分
在网格划分时,需遵循以下几点原则:(1)模型结构和实际结构尽可能相同;(2)根据计算精度和计算规模来选择合适的单元大小;(3)单元体应尽量匀称齐整。
2 模态分析
2.1 斜床身的材料特性
斜床身材料为灰铸铁,具体的材料参数见表1。
2.2 载荷施加
对于包含预应力效应的模态分析,其固有频率分析结果比不包含预应力时大,更符合实际情况。所以本文采用包含预应力效应的模态分析,对受力情况转化计算。
由于牵扯零件众多,篇幅有限,其分析过程不做介绍,其受力结果直接给出。机床接触构件示意图如图3所示。
假定刀架、主轴箱、尾座等部件的材料都为普通碳钢,将车床模型导入Solide Works中,得出它们的质量分别为650kg、470kg、240kg。那么,它们对斜床身的作用力即为各自的重力G1、G2、G3,分别是6500kg、4700kg、2400kg。这三个力分别施加在它们各自的支撑处。斜床身受到的外力经过计算,分别是G1为6500N,G2为4700N,G3为2400N,M1为400N·m,M2为613N·m,M3为613N·m[8]。
2.3 有限元分析及结果讨论
通过自由划分网格和扫掠的方法将模型划分,划分网格的有限元模型如图4所示。
对斜床身施加约束条件,斜床身是由底面11个螺栓固定在底座上,分别对床身的11个节点施加x、y、z三个方向的完全约束[9]。
机床工作时,只有少数低阶模态起主要作用,所以只分析前六阶模态,通过ANSYS Workbench分析求解,分析得到固有频率和振型,通过模态分析可分析得到各阶模态振型(见表2)和振型图(如图5~图10所示)。
3 结果分析与结构改进
分析斜床身振型可知,前六阶振型中,其上导轨变形量较大,两侧变形量较小;分析固有频率可知,前六阶固有频率较低,因此单位刚度较低,稳定性较差。为提高固有频率,改进其结构尺寸、上导轨和底座厚度。但为保证其加工范围要求,斜床身主要结构尺寸不变,因此只改进上导轨和底座厚度。具体改进措施为:(1)增加上导轨厚度。改善上导轨结构受力,提高稳定性,保证加工精度;(2)增加底座厚度。增加底座稳定性,减小变形量,增加斜床身稳定性。
改进后底座结构加工工艺难度与改进前相比相差较小。上导轨承担托板的垂直方向和水平方向载荷,改善了导轨受力状态,更适合精密元件加工。改进后的斜床身模型如图11所示。对改进后斜床身模型进行模态分析,通过模态分析可分析得到各阶模态振型(见表3)和振型图(如图12~图17所示)。
对比改进前后振型得,改进后床身变形量变小;对比改进前后固有频率(详细见表4)得,固有频率得到提高,斜床身结构刚度得到改善,稳定性和加工精度得到提高。
4 结语
(1)利用ANSYS Workbench有限元软件对斜床身进行模态分析,分析得到各阶模态振型图和斜床身变形特点,确定影响机床动态特性的主要因素为上导轨和底座。
(2)优化改进斜床身的上导轨和底座,与原结构相比,加工工艺难度相差较小,改善了上导轨的受力状态,机床稳定性和加工精度得到提高。
机床结构 篇9
关键词：机床床身,结构分析,优化设计,有限元分析
0 引言
近年来, 随着科技快速发展, 机床设计领域逐步由传统设计向现代设计过渡。目前, 国内机床结构的一般设计过程为:根据设计要求进行半经验半理论的传统设计, 完成三维CAD绘图, 然后对初步设计进行CAE分析, 进而根据分析结果进行再设计再优化;如此反复, 直至性能达到要求, 最后才进行加工制造。在进行CAE分析时, 如何根据结构的不同特点选取与之匹配的现代设计方法对其进行优化, 从而有效提升机床的性能指标, 成为近年来研究的热点[1]。
机床床身结构是机床关键的基础部件, 起着支撑工作台、立柱等关键零部件的作用。其静动态特性对机床的加工精度和效率起着至关重要的影响。床身的静动态性能集中体现在静力学性能和低阶模态特性上。因此, 以大型CAE分析软件ANSYS Workbench 13.0为平台, 用有限元的方法, 在床身结构动态特性灵敏度分析的基础上, 对用传统设计法设计的金属板料渐进成形机床进行了静力学性能分析和模态分析, 实现机床结构与动态性能优化。该方法可以推广到机床其他部位的结构优化中, 从而为机床结构的改进、机床的优化设计提供了重要的方法。
1 结构特点与受力分析
在分析及优化之前, 要搞清楚该机床床身本身的结构特点及其与外界是如何连接的, 从而得出正确的约束和受力, 进而为有限元分析前处理提供正确的前提条件。图1、图2为床身的结构示意图。
1—导轨安装面;2—左右立柱安装面;3—y向伺服进给系统安装面
1.1 结构特点
该机床装配完成后, 床身底部四个角会有4个顶尖支撑。上部有导轨安装面、左右立柱安装面、y向伺服进给系统安装面。床身内部为纵横交错的筋板结构, 筋板数量为3行×1列, 每块筋板及前后壁上都开有4个减重孔。
1.2受力分析
床身在静力状态下工作时, 除自身重力外, 导轨安装面上受到其上两根滑轨、4个滑块、工作台、升降台部件、加工工件的重力 (F1) 作用;传动丝杠安装面受到其上y向伺服进给系统重力 (F2) 作用;左右立柱安装面受到其上立柱、横梁、z向伺服进给系统、z向托板、电主轴、钻夹头、成形工具头等重力 (F3) 作用。
2 有限元模型的建立
利用ANSYS Workbench 13.0和三维软件Solid Works良好接口关系, 首先在Solid Works中, 要将模型进行一定的简化, 即忽略小的倒角、圆角和对结构性能影响不大的小尺寸[2], 然后直接导入ANSYS Workbench 13.0中, 从而完成几何模型的转换。选用Workbench中Static Structure (ANSYS) 模块进行有限元模型的进一步建立。首先定义材料属性, 在Engineering Date中定义材料属性, 该机床床身材料为灰铸铁, 密度为7 200 kg/m3, 弹性模量为1.1×105MPa, 泊松比0.28。定义完材料属性后, 在model子模块中进行网格划分。划分时, 充分利用ANSYS Workbench对大部件的自动划分功能。划分完成后, 就建立起了该床身有限元模型。机床床身模型划分单元数36 254个, 节点数59 615个, 有限元模型图如图3所示。
3 床身分析
3.1 静力分析
床身静力学性能主要是考虑在最大外载荷的情况下, 床身的变形能力, 即静刚度。
1) 施加载荷和约束
对已经建立起来的有限元模型进行前处理即施加载荷和约束。首先施加边界条件和约束, 对于床身底部4个角与顶尖结合处为圆心、半径为5的4个圆形面施加全约束。其次, 加载床身自身的重力作用。最后, 施加F1, F2, F3。床身受力和约束示意如图4所示。
2) 求解
经过正确的前处理, 加载合适有效的约束和作用力, 既可以进行求解。求解出的总变形量最大值为3.67×10-2mm、平均 (von-Mises) 应变最大值1.245 1×10-4、平均 (von-Mises) 应力最大值为13.696 MPa。
3.2 模态分析
模态是动力学性能的重要参数之一。就床身而言, 其低阶频率的高低更能反应该部件的性能。为了保证模态数据和实际工况的一致性, 进行模态计算时, 要将实际状态下约束要素施加在床身上。在ANSYS Workbench13.0平台中, 利用Modal (ANSYS) 模块及Static Structure (AN-SYS) 模块中建立起来的前处理模型, 将两者直接连接进行计算, 求解得到该机床床身的模态。前4阶模态频率见表1, 前4阶模态振型为图5, 图6, 图7, 图8所示。
3.3 分析结果
分析结果表明床身所受的最大应力13.696 MPa, 远低于床身材料灰铸铁的最大需用应力值。床身结构的一阶固有频率为151.52 Hz, 与电主轴引起的震源频率比较接近, 容易与外界发生耦合。需要提高床身结构的一阶固有频率。
一阶振型为床身的中心部位上下振动。床身中心部位的振动最大。二阶振型为中间两侧部位左右摆动。并且立柱安装面部位的前段扭动最大。三阶阵型为床身两侧立柱安装部位左右在y-z平面内摆动。4阶振型为床身两侧在x-y平面内上下摆动。由此可见床身中间部分与两侧部分的连接刚度不够。
4 床身结构的改进与分析
4.1 床身结构动态灵敏度分析[3]
床身的动态特性灵敏度指模态参数对设计变量的灵敏度, 可以用Δf/Δx来表示, 其中f为结构的固有频率, x为设计变量。以动态特性灵敏度分析为依据, 对床身进行进一步的优化设计。
4.2 床身结构筋板数目的改进设计
床身结构的改进是针对原始结构在经验类比的基础上设计的。内部筋板影响结构动刚度的重要因素[4]。为考察床身不同筋板结构对其动态性能的影响, 对其筋板结构进行改进设计。筋板结构的改变包括筋板布局形式的改变及筋板数目的改变。
床身内部筋板结构如图2所示。采取只改变床身内部筋板数目的改进方案。根据模态分析的结果, 拟定3种改进方案:1) 改变床身横向筋板的数目, 其他筋板不变;2) 改变床身横向筋板的数目, 纵向筋板数目改为2条;3) 改变床身横向筋板的数目, 去掉减重孔1 (图1中) , 其他筋板数目不变。图9, 图10, 图11为三种方案床身固有频率随着横向筋板数目增加的变化曲线。
通过图9、图10、图11可以看出随着筋板数目的增加, 床身各阶频率均有增加。这说明增加筋板的数目, 可以提高床身的动刚度。3根筋板数目到4根筋板各阶频率升高的速度最快, 超过4根筋板后频率升高的速度变慢。因此, 在保证床身有较好刚度的同时保证材料消耗最少。选取方案1、2、3中的4根筋板数目为各个方案的最优方案。
由于固有频率与质量的量纲不同, 采用相对灵敏度, 及对3种方案进行比较。通过表2, 可以看出, 结构改进方案3中质量对各阶频率的影响率最大, 同时方案3中的质量增加较少, 因此可选取方案3为最终结构改进方案继续优化。
5 床身结构的进一步改进与优化
选取方案3为结构改进方案继续进行优化, 在保证提高原有结构动态刚度的同时考虑床身质量。设床身质量与模态前4固有频率分别为m, F1, F2, F3, F4, 选取床身的前侧壁厚、后侧壁厚、左侧壁厚、右侧壁厚、顶面壁厚、底面壁厚、横向筋板厚、纵向筋板厚、左右突出部分内横向筋板厚、孔1直径、孔3直径分别为设计变量x1, x2, x3, x4, x5, x6, x7, x8, x9, x10, x11。并对变量间做关联处理a1=x1=x2=x3=x4=x5=x6, a2=x7, a3=x8, a4=x9, a5=x10, a6=x11。目标函数为F1>f1, f1为原有结构的1阶固有频率。根据实际情况, 限定各个变量的范围为:16!a1, a2, a3, a4!26, 30!a5!45, 40!a6!65。运用ANSYS Workbench优化设计功能模块, 将设计变量a1, a2, a3, a4, a5, a6通过solidworks传递给ANSYS Workbench。经优化后得床身的优化集, 选出1阶频率最高的5组作为方案3的最终设计集 (见表3) 。计算出各组的1阶频率相当于质量的相对灵敏度。可以看出第三组数据质量对1阶固有频率的影响率最高。所以选择第三组为最终优化设计方案。兼顾床身的动态性能及质量。
从表4中可以看出, 优化后的床身结构动态刚度有所增加, 并且静力分析最大变形也有所减小。
6 结论
以Solidworks为设计平台, 以ANSYS Workbench为分析优化平台, 对该机床床身进行了结构分析及优化设计。最终得出以下结论:
1) 通过对原始床身的初步分析, 发现1阶固有频率较低, 以及结构上的不足, 拟定了三种不同的改进方案, 基于床身结构动态特性灵敏度分析, 确定了最优的结构改进方案。避免了设计的盲目性。
2) 通过对床身结构参数 (包括壁厚、筋板厚、减重孔大小) 的优化设计, 进一步对床身结构进行优化, 列出1阶频率最高的优化集, 最后根据床身质量对1阶频率影响的灵敏度分析比较, 确定了最终的优化结构, 兼顾了动态特性与质量。
3) 文中的优化设计方法与步骤可以推广到机床其他部件的结构优化设计中。本文没有对床身内部筋板的布局形式进行改进设计, 直接进行筋板数目的改进设计。如有必要, 设计方法中可以加入床身布局形式的改进设计, 然后再对筋板数目进行改进设计。
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机床结构 篇10
立柱是某型成形磨齿机样机的主要受力部件之一。立柱结构的尺寸及内部筋板的布置会直接影响机床的加工精度。对于立柱这种大型铸件的结构设计, 国内大都采用经验设计和基本的静态分析[1~10], 这样设计出的立柱在保证机床加工精度的同时会造成质量过大, 因此立柱的结构优化还可有进一步提升的空间。
本研究通过Pro/E软件建立数控磨齿机床立柱的三维模型, 运用ANSYS有限元软件, 对原立柱模型壳体进行拓扑分析, 根据分析结果提出两种新的壳体设计方案。结合拓扑分析中的载荷路径和这两种壳体设计, 提出7种不同的筋板布局, 并与原立柱模型一同进行静力分析和模态分析, 找出合理的优化结果。
1 立柱静力分析
1.1 载荷分析
立柱是数控磨齿机床的主要支撑部件, 用于连接主轴箱和拖板等, 其工作时承受复杂的空间载荷:立柱自重是均布载荷;拖板及主轴箱的自重是集中载荷;磨削力的大小方向是可变外载荷。其中, 立柱自重可以通过对立柱施加重力加速度来施加;集中载荷可通过平移至立柱的顶部并对其施加正压力和弯矩来实现;磨削力通过主轴箱、拖板最终传递到立柱与拖板连的那部分竖直导轨上, 这种传递可被分解为压力和弯扭矩。
某型数控磨齿机结构示意图如图1所示。
其基本力学公式为:
式中:N总—立柱所受的总压力, G1—立柱的自重, G2—由拖板的自重带来的集中载荷, G3—由主轴箱自重带来的集中载荷, FM—由磨削力传递给立柱导轨的压力, M总—立柱所受的总弯矩和总扭矩, M2—对立柱施加拖板的自重带来的集中载荷发生力偏移带来的弯矩和扭矩, M3—对立柱施加主轴箱的自重带来的集中载荷发生力偏移带来的弯矩和扭矩, MM—对立柱导轨施加铣削力产生力偏移带来的弯矩和扭矩。
这些载荷会使立柱产生扭转和变形。
1.2 施加边界条件
立柱通过导轨结合立在床身上, 通过丝杠带动立柱在床身上做前进和后退。本研究不考虑床身和立柱接合面的受力关系, 把立柱在床身上进行的前、后进给运动看作匀速运动, 因此本研究对立柱底部导轨面进行全约束。
2 对立柱外壳进行拓扑优化
本研究设定立柱四周壁厚为35 mm, 清除立柱内部筋板布置, 立柱使用的材料为灰铸铁;密度7 800 kg/m3;弹性模量210 GPa;泊松比0.3。本研究采用自由网格划分并对立柱的外壳进行拓扑优化。对立柱外壳进行拓扑分析时, 同时设定拖板位于立柱导轨的顶端。
立柱外壳拓扑分析结果如图2所示。
从拓扑分析的结果来看, 立柱的外壳有部分区域对载荷路径的分布没有影响。本研究由此对立柱的壳体提出两种新的设计方案。这两种方案是根据拓扑优化时去除材料百分比的不同而得到的。
立柱壳体改进方案如图3所示。
本研究结合壳体形状和对立柱拓扑分析时载荷路径的分布, 所提出的新的筋板布置方案如图4所示。
3 几种筋板布局方案和原立柱的比较
为了使评估的结果更加简洁明了, 本研究提出以下性能指标要求[11]:
(1) 由于立柱载荷一定, 刚度指标可以转化为变形指标;
(2) 为了使实际变形数值更加明显, 不单独考虑横向与垂向的变形, 而是考虑综合变形, 且只考虑竖直导轨上最大的节点位移。
因此, 最终评价指标为:δmax及1/ (δmax·m) 。
其中:δmax—滑块上节点最大静态位移;m—结构质量。
3.1 静力分析
本研究对这8种不同结构的立柱进行静力分析时, 假设定拖板位于立柱导轨的顶端。静力分析结果如表1所示。从表1中数据观察, 8种结构质量刚度比相差不大, 而斜角45°筋1立柱是这8种结构中最优的, 其次是26.25°筋1型立柱。利用ANSYS软件对斜角45°筋1型和斜角26.25°筋1型这两种筋板布置的立柱进行静力分析, 其结果如图5所示。
3.2 模态分析
模态分析结果如表2所示。因为对系统振动影响较大的主要是低阶固有频率, 本研究提取前三阶固有频率进行分析。从表2可以看出, 改进后的立柱结构固有频率多数要优于原结构。
结合上述静力分析的结果, 斜角45°筋1型和斜角26.25°筋1型这两种筋板布置的质量刚度比要优于原立柱模型, 其中斜角45°筋1型的质量刚度比是最优的;而斜角26.25°筋1型立柱的固有频率要比斜角45°筋1型立柱高。并且斜角45°筋1型立柱的质量比原立柱模型减少6.56%, 斜角26.25°筋1型立柱的质量比原立柱模型减少9.83%。
4 结束语
本研究对原有立柱模型的壳体进行了拓扑分析, 通过去除材料的不同百分比, 获得不同的结果;对壳体提出了两种不同的设计方案。笔者结合拓扑分析得出的载荷路径和新的壳体方案, 给出了7种不同的新筋板布置方式。
通过对新、旧结构进行静力分析和模态分析发现, 斜角45°筋1型和斜角26.25°筋1型这两种筋板布置的质量刚度比要优于原立柱模型, 其中斜角45°筋1型的质量刚度比是最优的;斜角26.25°筋1型立柱的一阶固有频率比原模型提高12.86%, 而斜角45°筋1型立柱的一阶固有频率比原模型提高9.09%;斜角45°筋1型立柱的质量比原立柱模型减少6.56%, 斜角26.25°筋1型立柱的质量比原立柱模型减少9.83%。技术人员可在加工精度要求较高的场合选用斜角45°筋1型立柱, 在加工精度要求不高的场合选用斜角26.25°筋1型立柱。
摘要：针对用传统设计方法设计的成型磨齿机床立柱在保证设备精度的同时会造成重量过大的问题, 运用有限元设计方法建立了立柱的三维有限元模型, 并利用ANSYS软件对立柱壳体进行了拓扑分析。由拓扑分析得出的载荷路径与立柱壳体模型相结合, 提出了7种不同筋板布局的立柱结构。研究结果表明, 与原立柱进行对比, 斜角45°筋1型立柱的质量刚度比最优, 斜角26.25°筋1型次之, 而原立柱的质量刚度比最差;通过模态分析得到的新壳体模型斜角26.25°筋1型立柱的一阶固有频率比原模型提高了12.86%, 而斜角45°筋1型立柱的一阶固有频率比原模型提高了9.09%;斜角45°筋1型立柱的质量比原立柱模型减少6.56%, 斜角26.25°筋1型立柱的质量比原立柱模型减少了9.83%。
关键词：立柱,拓扑分析,壳体,筋板布局,ANSYS
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