機床床身變形的計算機仿真

摘 要：機床床身的變形直接影響著機床的加工精度，論文首先將機床床身簡化為超靜定梁，采用分段積分法建立撓度方程，然后應用ANSYS分析軟件對床身進行有限元仿真分析，獲得靜載作用下的變形云圖，最后對比理論值與仿真值，從而驗證了理論模型的正確性，為提高數控機床的精度及優化設計奠定了理論基礎。

關鍵詞：機床床身；變形；ANSYS

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.07.034

0 緒論

機床床身的變形嚴重影響機床加工精度，為此國內外學者針對床身引起的機床精度損失開展了相應的研究工作。李艷[1]以牛頭式電火花加工機床為研究對象進行了仿真分析，Z軸施加配重，而且有利于減小機床的變形；李初曄[2]利用有限元對數控龍門銑床的承載變形進行了分析；呂亞楠[3]針對并聯機床的靜剛度進行了仿真分析；朱祥[4]利用有限元軟件建立了大型落地式鏜銑床TKS6916整機模型。田楊等[5]應用有限元-邊界元耦合的方法建立了重型數控機床-基礎系統的承載變形模型，并將光纖技術引入到承載變形檢測中。

由于機床床身的復雜性，單純的進行仿真分析必然浪費大量的計算資源，本文將床身考慮成超靜定梁，建立了理論模型，通過仿真分析驗證了理論模型的正確性，從而可應用該模型進行床身變形分析，為機床設計提供了簡單、可行的計算方法。

1 理論模型

機床床身與混凝土基礎通過地腳螺栓固接，因此可視機床床身為如圖1所示的超靜定梁，本文通過分段獨立的積分法求得梁結構的撓度方程。

由材料力學知識可知梁的撓曲線近似微分方程有：

對于段：通過一次積分得到轉角方程：

通過再一次積分得到撓曲線方程：

段：通過一次積分得到轉角方程：

通過再一次積分得到撓曲線方程：

利用如下位移邊界條件、力邊界條件和連續條件解得積分常數、（）

，…，，

2 床身變形仿真分析

通過CAD軟件與CAE軟件的無縫對接，本文應用大型CAD軟件UG建立機床三維模型，導入ANSYS中進行床身變形仿真計算，在施加約束過程中，論文選擇直接對底部滑座施加載荷，免去機床橫梁與立柱的有限元計算，通過多次嘗試選擇網格大小為0.2m的網格劃分網格，將機床自重的一半施加到滑座上，從而完成床身的有限元分析，得到的有限元仿真云圖如圖2所示。

3 結論

論文將機床床身簡化成超靜定梁，應用工程力學知識推導了梁結構的變形方程，通過CAD與CAE軟件無縫接口技術，對床身部分進行了有限元的仿真分析。通過仿真分析，驗證了床身變形理論模型的正確性，為機床的設計提供了一種直觀的計算方法，解決了依靠分析軟件進行的復雜仿真問題。

參考文獻：

[1]李艷，楊大勇，劉建勇.基于有限元分析的電火花加工機床變形研究[J].航天制造技術，2012（06）：38-41.

[2]李初曄，王海濤，馮長征，馬巖.高速數控龍門銑床有限元分析高速數控龍門銑床有限元分析[J].制造技術與機床，2013（02）：75-79.

[3]呂亞楠，王立平，關立文.一種冗余并聯機床靜剛度有限元分析與優化設計[J].機械設計與制造，2008（02）：1-3.

[4]朱祥，寸花英，李坤，劉意，閆偉.大型落地式鏜銑床TKS6916整機有限元分析[J].機床與液壓，2013（01）：124-127.

[5]田楊，蔡力鋼，劉志峰，王全鐵，寧越，張柯.重型龍門數控機床-基礎系統承載變形[J].北京工業大學學報，2016（01）：9-16.

基金項目：遼寧省教育廳科學研究一般項目（L2014589）

作者簡介：吳瓊（1982-），男，遼寧鐵嶺人，工程碩士，講師，研究方向：數學計算方向。