機床結構的優(yōu)化與受力分析及立柱設計

于文啟 王剛

摘 要： 機床結構的研究是提高現(xiàn)代機床精度、精密特征的一個重要途徑，分析機床整體結構，進行拓撲優(yōu)化，在利用結構有限元分析方法，應用在機構的設計中，可以提高機床的設計效率和設計質(zhì)量，同時對機床驅動受力分析，設計合理的機床結構和立柱機構，保證機床的強度。

關鍵詞： 拓撲優(yōu)化；驅動受力分析；立柱結構

1.拓撲優(yōu)化

對于像立式加工中心這種高精密機床的設計，設計內(nèi)容比較繁瑣，控制系統(tǒng)、驅動系統(tǒng)、進給系統(tǒng)、換刀系統(tǒng)等，每個部分的設計都必須嚴格討論[1]，機床的設計流程如圖1.1。

機床的設計中主要是分為立項、設計、制造、調(diào)試與試驗，在立項環(huán)節(jié)是設計目標，制定一個機床的方向，設計是制定機床結構方案和理論分析，對機床進行結構優(yōu)化、分析與校驗，然后是制造機床，生產(chǎn)一個樣機，對樣機進行試驗，調(diào)試修改不合理的位置，最后實現(xiàn)大批量生產(chǎn)。

機床的機構優(yōu)化中包含以下幾種：

（1）尺寸優(yōu)化，是在結構和拓撲不變的情況下，改變零件的尺寸或者截面，將零件的厚度或者性能最佳；

（2）形狀優(yōu)化，通過分析設計零件最理想的形狀和邊界，一般骨架位置是對佳優(yōu)化位置；

（3）拓撲優(yōu)化，這種是對零件內(nèi)部結構進行優(yōu)化，是設計零件內(nèi)部非實體區(qū)域的位置和數(shù)量，使其零件內(nèi)部結構和布局以及節(jié)點聯(lián)結最優(yōu)，如圖1.2。

拓撲的方法按照研究對象的不同可以分為分離散體結構和連續(xù)體結構，分散體結構包含桁架、骨架等，連續(xù)包含二維板殼和三維實體，常見的拓撲優(yōu)化方法有均勻化方法和變密度方法[2]。

均勻法是在機床結構的材料中引入微結構單胞，通過這個方法，以單胞幾何尺寸和空間方位為變量，實現(xiàn)機床結構拓撲優(yōu)化模型與尺寸優(yōu)化的同一性和連續(xù)性。

變密度法是通過改變單元密度和材料物理屬性，它不僅可以采用結構的柔順度為優(yōu)化的目標函數(shù)，還可以用于特征值優(yōu)化、柔性機構的優(yōu)化。

2驅動受力分析

不同機床和不同型號的機床，結構也不同，同時機床在工作時候所受的力也不同，機床在切削時候，各部件所受的力最復雜，機床各部件不僅需要承受自身的重力，還需要抵抗外部的載荷和切削載荷。

機床在切削的時候由于刀具與工件的作用，載荷也會不同，是在變化的，未來能保證機床的安全，所以在設計的時候需要滿足極限切削載荷，分析方法可以通過估算法和指數(shù)公式法這兩種。

估算法是通過機床動力元件電動機為基礎，分析最大動能下的切削力，通過實際載荷估算極限載荷，公式如下：

式中：F—主切削力的功率消耗；

P—電動機功率；

V—速度；

n—轉速；

i—傳動比；

D—工件直徑。

指數(shù)公式法是在機床切削參數(shù)不能確定的時候，通過結構切削條件為設計依據(jù)的受力分析法。

3立柱結構

立式加工中心立柱的結構設計要求如下：

（1）要求立柱的結構具有一定的剛度，能滿足零件高精密切削[3]；

（2）在進行設計的時候，要選取最大切削力為設計依據(jù)，通過這個數(shù)值進行計算；

（3）取主軸箱部件位于立柱導軌上、下極限以及中間常用切削位置作為立柱設計工況。

通過立柱裝配關系，利用有限元分析法，分析立柱載荷及約束的形式，如圖3.1，立柱上的主軸箱部件通過直線導軌副和滾珠絲杠副進行相連，切削力會通過它傳遞給立柱，通過切削載荷分析機床立柱力學模型，最后進行立柱設計。

結論

本文通過優(yōu)化與分析，完成機床立柱結構的靜態(tài)分析和輕量化設計，分析機床結構中的力學分布，通過典型機床結構的模型設計，通過物理分析和結構拓撲優(yōu)化，總結和設計機床的結構設計流程，形成整套的設計方法，提高機床整體加工精度和性能。

參考文獻

[1]陳心昭.權義魯主編.現(xiàn)代實用機床設計手冊.[M].北京：機械工業(yè)出版社.2006.

[2]邢俏芳主編.機床支撐件結構設計方法.[D].大連：大連理工大學.2013.

[3]馬超.機床結構設計方法研究及在立柱設計中的應用.[D].大連：大連理工大學.2010.