淺談機(jī)床床身結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

劉東興

摘要：通過對無筋板框架結(jié)構(gòu)中墊鐵位置、筋板布置、筋板尺寸三個重要部分的優(yōu)化設(shè)計(jì)，在很大程度上提高了機(jī)床的性能。這種機(jī)床也更適合于許多高強(qiáng)度和特殊情況。本文建立了相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，針對機(jī)床的各個部分，根據(jù)其性質(zhì)進(jìn)行探索，找出一些較為基本和實(shí)用的改進(jìn)方法。但在本文要求的基礎(chǔ)上，操作者應(yīng)結(jié)合機(jī)床在實(shí)際中的獨(dú)特特點(diǎn)，合理優(yōu)化零件尺寸，從而全面改善機(jī)床的缺點(diǎn)，提高機(jī)床的性能，使機(jī)床更加安全高效在工作中。

關(guān)鍵詞：機(jī)床床身結(jié)構(gòu)優(yōu)化優(yōu)化技術(shù)

機(jī)床床身是數(shù)控機(jī)床的重要組成部分，其設(shè)計(jì)合理性對機(jī)床使用周期和質(zhì)量都會產(chǎn)生較大影響?；跀?shù)學(xué)計(jì)算模型構(gòu)建，對無筋板框架結(jié)構(gòu)墊鐵位置、筋板布局以及筋板尺寸三大主要部位進(jìn)行優(yōu)，為機(jī)床床身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供理論參考。

一、優(yōu)化設(shè)計(jì)方法

根據(jù)機(jī)床本身的性質(zhì)以及以往的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，現(xiàn)可以提出以下三個設(shè)計(jì)步驟：首先，將機(jī)床最大靜動態(tài)剛度作為分析要點(diǎn)，根據(jù)典性能確認(rèn)主要目的，著重優(yōu)化機(jī)床床身墊鐵結(jié)構(gòu);其次，依次營造各種不一樣的工況環(huán)境，在每種環(huán)境下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，記錄相關(guān)數(shù)據(jù)，著重優(yōu)化機(jī)床內(nèi)部加筋板布局;最后，為了實(shí)現(xiàn)節(jié)省材料以及減輕機(jī)床自身負(fù)擔(dān)的目的，應(yīng)當(dāng)實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)質(zhì)量最小化的目的，著重優(yōu)化機(jī)床構(gòu)件尺寸。

（一）無筋板框架結(jié)構(gòu)墊鐵位置優(yōu)化。在機(jī)床設(shè)計(jì)中，墊鐵位置是研究人員重點(diǎn)探討對象，通常墊鐵位置是否恰當(dāng)會直接對機(jī)床本身產(chǎn)生相應(yīng)的作用，對其穩(wěn)定性以及可靠性的提升都有很大的幫助。根據(jù)實(shí)驗(yàn)時(shí)的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)和數(shù)據(jù)，優(yōu)化以往的數(shù)學(xué)模型，建立新型數(shù)學(xué)模型，通過數(shù)學(xué)模型內(nèi)的數(shù)據(jù)聯(lián)系以及數(shù)學(xué)特征進(jìn)行求解。另外，在一些特殊情況下還可以再利用一些其他的數(shù)學(xué)方法比如多島遺傳算法等來進(jìn)一步演算推導(dǎo)，最終則可以獲得最佳的墊鐵位置方案。

（二）筋板布局優(yōu)化。再墊鐵位置優(yōu)化完成后，機(jī)床的性能也就有一定程度的提升，因此，在此基礎(chǔ)上，就可以對筋板布局進(jìn)行科學(xué)探討，制定相應(yīng)的優(yōu)化方案，建立數(shù)學(xué)模型（1）如下：

（三）筋板的尺寸優(yōu)化。在筋板制造中所用到的材料一般都不會很經(jīng)濟(jì)，所以注重節(jié)省不必要的材料可以有效減少開支。因此，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)當(dāng)充分研究筋板的性質(zhì)特點(diǎn)，以此為基礎(chǔ)進(jìn)行優(yōu)化，改變筋板的結(jié)構(gòu)或者在不必要的地方減少適當(dāng)?shù)牟牧?。一般情況下，在建模過程中可以以床身質(zhì)量為出發(fā)點(diǎn)，利用數(shù)學(xué)理論中的方差、加權(quán)平均值等進(jìn)行設(shè)計(jì)。

二、案例分析

（一）研究對象分析。下面將選用一款良好的數(shù)控外圓磨床作為研究對象。這款機(jī)床內(nèi)部具有6塊橫隔板，框架厚約30mm，筋板厚約30mm。接下來將對這款機(jī)床進(jìn)行相關(guān)分析。

（二）機(jī)床床身墊鐵位置的優(yōu)化設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)中應(yīng)當(dāng)從實(shí)際出發(fā)，充分研究墊鐵位置的不同對機(jī)床性能帶來的不同影響，依照實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)找出最合理的位置。在實(shí)驗(yàn)中要首先制定數(shù)學(xué)模型，根據(jù)機(jī)床本身的性質(zhì)以及機(jī)床材料來進(jìn)行合理分析，初步建立一個合理的數(shù)學(xué)模型。接著根據(jù)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行優(yōu)化，設(shè)計(jì)出最簡模型，這樣實(shí)驗(yàn)的難度也會大大減少。最后根據(jù)數(shù)學(xué)模型的要求進(jìn)行墊鐵調(diào)整，通過不同位置的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對比找出最準(zhǔn)確的位置，得出科學(xué)的結(jié)論。因此，在墊鐵位置優(yōu)化后，各方面性能都會提升，有利于工作。

（三）筋板布局優(yōu)化。通過墊鐵位置優(yōu)化，后續(xù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)將會減少許多難度。在筋板布局中，已經(jīng)得到了前文所述的數(shù)學(xué)模型，但是此模型還有一些不足，難以全面解決問題的根本，因此，還需要對此模型進(jìn)行處理。根據(jù)實(shí)際工作中的一些故障經(jīng)驗(yàn)可以知道，筋板承重部分相對于其他部位承載著更多的任務(wù)，是十分重要的地方，但同時(shí)也經(jīng)常出現(xiàn)一些問題。另外，在筋板布局改善后，床體的剛度方面也有較大的改善，避免了許多影響因素。同時(shí)，還可以降低固有頻率，是機(jī)床趨于完善。因此，在研究中要針對于承重部分進(jìn)行深入的分析，對數(shù)學(xué)模型進(jìn)行充分的優(yōu)化設(shè)計(jì)，在實(shí)驗(yàn)中要進(jìn)行多次精密的嘗試，對于一些特殊情況下還要觀察是否要用鏤空結(jié)構(gòu)。

（四）構(gòu)件尺寸優(yōu)化。構(gòu)件尺寸是機(jī)床設(shè)計(jì)中的重要內(nèi)容，有著牽一發(fā)動全身的效果，如果構(gòu)件尺寸不合理，則很有可能大大降低機(jī)床的運(yùn)轉(zhuǎn)效率。在設(shè)計(jì)中首先應(yīng)當(dāng)從板筋材料以及板筋布局出發(fā)，詳細(xì)了解其基本性質(zhì)工作特點(diǎn)，然后就可以進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，通過模型進(jìn)行研究分析，制定最佳方案，找出最合適的構(gòu)件尺寸。另外，必須要從初始設(shè)計(jì)出發(fā)進(jìn)行探討，不然很可能不會獲得正面的效果，甚至還可能造成不好的影響。

（五）優(yōu)化結(jié)果對比。在經(jīng)過一系列的優(yōu)化設(shè)計(jì)后，機(jī)床的性能都有顯著的改善和提升，具體表現(xiàn)如下：優(yōu)化后的機(jī)床的床身數(shù)據(jù)方面都有可觀的結(jié)果，在左極限部位的工作效果有很多改善，中間位置的韌性等方面同樣大大加強(qiáng)。機(jī)床的質(zhì)量減少了許多，減少了材料的使用，同時(shí)工作效率也沒有受到影響。除此之外，機(jī)床的耐久度相比于之前也有較大的提升，為現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展提供了有力的保障。

三、結(jié)語

綜上所述，機(jī)械制造業(yè)是國家發(fā)展的重要基礎(chǔ)。特別是在中國，隨著科學(xué)技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、文化等各方面的快速發(fā)展，機(jī)械制造業(yè)越來越需要成為重要的基礎(chǔ)。機(jī)床設(shè)備作為機(jī)械制造業(yè)的核心，是科研人員的重要研究對象。但是，現(xiàn)階段我國機(jī)床設(shè)計(jì)大多還是傳統(tǒng)的，缺乏創(chuàng)新，工藝比較繁瑣，企業(yè)在操作過程中很可能產(chǎn)生較大的障礙，無法正常工作。因此，下面將對機(jī)床本身進(jìn)行分析和探討，并提出優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，旨在為我國機(jī)床的發(fā)展提供一些理論依據(jù)。