機床床身結構的優化淺析

趙福龍

（中航工業北京航空制造工程研究所，北京100024）

1 機床基本結構與功能概述

數控機床的主要結構可以分為電氣控制部分（包括輸入與輸出裝置、伺服系統和檢驗與反饋系統等）和機械結構部分。本文研究機床床身結構優化，不涉及相關電氣控制部分，故在此不作討論。數控機床的機械結構部分又被稱為機床的主機，是數控機床的主體部分，由機床床身、機床立柱、控制主軸和相應的進給機構組成［1］。

就目前發展趨勢來看，機床結構的發展向重載、高速和智能方向發展。機床的床身是機床主機的核心部件，各種關鍵機械零部件（例如機床工作臺和立柱、主軸等）的支撐與連接都需要依靠機床床身。而床身的動態性能對機床本身的性能影響巨大，尤其是數控機床精密度要求高、運行速度快并且各移動部件的慣量較大，刀具對機床振動影響敏感，因此機床床身的動態特性對整機的影響更為巨大。若機床床身的動態性能較低，會導致刀具無法處在最佳工作狀態，機床各類刀具的使用壽命會大幅下降，進而嚴重影響到數控機床加工零件的表面加工質量，最終降低零部件的加工水平。

2 機床床身結構優化相關內容

2.1 機床床身結構優化理論

機床床身結構優化一般是依據相關工作經驗以機床功能的改進與提升為目的，以改變機床整體或部分結構和改善重要工藝為手段，對機床相關的零部件進行結構優化。但是隨著有限元分析手段的廣泛應用，依靠模態分析方法研究關鍵結構的動態性能，進行關鍵結構部件的優化設計，成為了當前主流的優化設計方法。

數控機床關鍵零部件和相關機構的動態特性對機床的工作穩定程度和加工精度有十分重要的影響。因此對機床床身結構進行優化最關鍵的工作內容就是研究不同床身結構情形下，機床相應的動態性能的改變。

2.2 床身動態性能對結構優化的影響

機床床身結構動態性能的高低就是表示機床結構動態特征的物理量數值的大小，物理量包括機床床身結構的自振周期、自振頻率、振型形式和振動阻尼等基本數值。進行機床床身結構的模態分析，是機床床身結構動力學的主要任務，是研究機床床身結構動態性能的主要手段。

機床的床身屬于帶有筋板的框架型結構，床身的筋板設計和各個功能孔的布局對床身結構本身的動態性能影響很大。因此合理進行機床床身筋板的設計和相關功能孔的布局，對減少床身材料使用、降低整機質量和提高機床的動態性能都有著顯著的影響。這3個方面是機床結構優化設計的出發點，也就是說，機床床身的動態性能與其結構優化之間是緊密聯系、不可分割的。

2.3 有限元分析軟件ANSYS相關介紹［2］

ANSYS是一款常用的有限元分析軟件，其通過有限元基礎理論進行有限元分析。欲用ANSYS得到更精確的求解數據，可以使用縮小單元尺寸的方式，如果單元滿足收斂條件，則近似解收斂于真實值。有限元法按照所選基本未知量不同可分為位移法和力法。由于位移法便于編寫計算機程序，所以ANSYS使用位移法。以位移為基本未知量，然后根據幾何方程和材料的應力應變關系求解出應力場和應變場。ANSYS有限元分析一般包括以下幾步：建立相關的有限元模型，此步驟包括選擇單元類型、定義實常數、定義材料模型、建立幾何模型、進行網格劃分等；激活力學分析；施加載荷；求解和觀察結果。求解結果一般為力或者變形，可以使用表格、應力應變云圖等形式顯示計算結果，也可以生成動畫動態顯示計算結果。

當然，ANSYS有限元分析的過程不是絕對的，例如可以先建模型或者導入模型（本文使用模型導入法），然后再進行相關參數的設置。但無論如何，分析的相關步驟不可缺少，如果缺少可能導致最后結果不收斂，無法進行求解。

3 機床床身結構優化舉例

3.1 CK2120X新型數控機床床身有限元分析模型的建立

由于使用ANSYS軟件進行機床床身建模非常復雜，而且不便進行修改優化，因此筆者使用三維建模軟件SolidWorks建立機床床身模型，通過ANSYS與SolidWorks之間的無縫接口將三維模型導入到ANSYS軟件中，進行相關的有限元模態結構分析。

依據CK2120X型數控機床床身結構的工程圖紙，結合相關尺寸，建立了機床床身結構的三維模型，如圖1所示。

圖1 CK2120X機床床身三維模型圖

以節省材料和提高工作強度為目標，對機床床身的結構進行了優化。機床床身結構主體尺寸不變，僅對重要的筋板結構作出調整與簡化。優化后的三維模型如圖2所示。

3.2 基于ANSYS的機床床身結構有限元分析［3］

將上述三維模型通過無縫接口導入到ANSYS軟件中，進行相應的有限元分析。首先根據實際情況對模型施加相應的約束和動載荷，然后進行求解，最后進行模態擴展分析，觀察求解結果，求解結果以云圖的形式進行表示。

圖2 優化后的機床床身三維模型圖

3.3 機床床身結構優化分析

根據有限元分析結果可知，機床床身前端和變速箱安裝部位是機床床身結構中動態性能最差的部分，需要進行改進。根據所得到云圖的顏色變化可知，優化后的機床床身結構的模態形式為左右扭轉擺動形式，機床前端和變速箱安裝部位的結構動態特性有明顯改進。

此結果有力地說明了對機床結構的筋板進行優化改進可顯著提高機床床身結構的動態性能，如此便能間接提高機床整體的動態性能，改進機床的加工精度，達到結構優化的目的。

4 結語

本文抓住機床床身結構優化的一個關鍵點—機床床身動態性能優化，對機床床身結構的優化問題進行了簡要分析。以機床床身優化理論為起點，介紹了機床床身優化設計過程，為順利完成優化過程又對本次實例所使用的有限元分析軟件ANSYS的相關基礎理論進行了闡述，最后通過對機床床身模型優化進行實際操作，得出了相關結論。

通過實例分析可知，優化機床床身的筋板結構可以有效提高床身的固有頻率，是提高機床床身動態性能的有效措施。在實際的優化設計工作中，僅僅進行一種形式的優化可能無法得到最優的設計方案，因此實際優化設計工作中往往進行多種層次、多種方案的機床結構優化設計，在諸多方案中擇優而取，用來指導機床的實際研究與改進［4］。

［1］王富強，芮執元，雷春麗，等.基于元結構的精密機床床身結構動態分析和優化［J］.機械設計，2012（5）.

［2］張洪才.ANSYS14.0理論解析和工程應用實例［M］.北京：機械工業出版社，2012.

［3］耿新海.六主軸數控車床床身有限元分析與結構優化［D］.沈陽：沈陽工業大學，2009.

［4］張學玲，徐燕申，鐘偉泓.基于有限元分析的數控機床床身結構動態優化設計方法研究［J］.機械強度，2005（3）.