文档介绍：精密制造与自动化年第期
基于有限元分析的机床结构优化设计
苏渤王永泉朱祥陈花玲
.西安交通大学机械工程学院西安;
.沈机集团昆明机床股份有限公司昆明
摘要介绍了对某型号加工中心机床结构的有限元分析。详细分析了整机的前几阶模态。研究后发现由于立柱
和支撑板设计的不合理,就会导致机床固有频率较低,振动增大,机床精度下降。针对加工中心机床部件的结构
特点,对于立柱,筋板进行结构优选和设计参数优化,并对支撑板采用了拓扑优化和参数优化结合的方法。研究
结果表明,通过有限元分析,加工中心机床结构参数得到了较好的优化,从而使整机性能得到了提高。
关键词有限元分析模态分析参数优化拓扑优化
现代机床正朝着高性能、高精度、高速度、模
块化的方向发展。高速机床在工作时切削用量一般
不大,所承受的工作载荷相对较小,故其静态强度
和刚度一般能满足设计要求,而机床的动态性能则
成为影响机床工作性能和机床产品质量的主要因
素【。采用有限元技术,通过结构和拓扑优化,可
以综合考虑结构的静动态特性,在设计阶段就可以
预知结构的薄弱环节,并进行改进。由此避免大量
的人力、物力和财力的浪费,提高设计质量,降低
设计成本,缩短设计周期。
本文以某型高速数控镗铣复合加工中心的结
构分析设计为例,在设计阶段引进有限元分析技
术,找出设计中存在的问题,并针对具体情况采用
不同的优化方法对其进行改进,不但提高了整机的图原来整机的模型图
动态特性,而且节省了材料,降低了生产成本。
该型号机床前三阶的模态分析结果见表。
整机建模及有限元分析
某型号加工中心,它可实现铣、镗、钻等多种表前三阶模态分析结果
工序复合,主要用于大型箱体类、盘类等精密零部模态阶数固有频率/ 振型
件加工。主轴最高转速可达/,具有加工. 立柱沿向摆动
速度快,精度高等特点。. 立柱沿向摆动
对整机的动力学分析。. 立柱整体扭转
首先建立整机的模型。包括前床身、后
床身、立柱、支撑板、主轴箱和工作台等六个主要该型号加工中心主要工作转速在/,故
大件构成。主激振力频率在,由表的模态分析可以看
模态分析是机床动力学分析的基础,主要用于确出,一阶和二阶固有频率接近,可以判定机
定机床结构的模态参数,即固有频率和相应振型, 床工作时会发生共振,引起较大的加工误差。而由
对于机床的动态特性设计、结构优化设计、操作空图所示的前两阶振型图可以看出,变形主要发生
间设计以及控制等方面均有重要指导意义。在立柱部分,因此,立柱、支撑板和床身之间结合
精密制造与自动化年第期
而作为机床最大的移动部件,它的质量的减小,可果和原来结果对比见表。
以明显减小移动过程中的惯性力,提升机床性能,因显然,优化后的立柱抗扭刚度和抗弯刚度都有
此,轻量化也作为优化设计的一个重要指标。所以,在了一定的提高,而质量下降了.%。较大地改善了
优化过程中保证立柱质量小于原来的%。优化目标立柱的动态特性。
即保证质量下降的同时,使结构的前两阶固有频率得. 支撑板的优化设计
到提升,优化设计参数集见表。支撑板起着支撑立柱的作用,由于它的变形会
直接累加到刀具的误差的优势方向,它上面变形会
表优化设