數(shù)控機床機械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計探討

王磊

斗山機床（煙臺）有限公司 264006

摘要：數(shù)控機床機械結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計對于改善數(shù)控機床的整體運行性能發(fā)揮著重要的作用，為了進一步提高數(shù)控機床的加工精度和使用性能，應(yīng)堅持數(shù)控機床機械結(jié)構(gòu)的動態(tài)優(yōu)化設(shè)計，積極運用先進的技術(shù)和設(shè)計方法，不斷提高數(shù)控機床機械結(jié)構(gòu)設(shè)計水平。本文分析了數(shù)控機床機械結(jié)構(gòu)設(shè)計流程，闡述了數(shù)控機床機械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)，以供參考。

關(guān)鍵詞：數(shù)控機床；機械結(jié)構(gòu)；優(yōu)化設(shè)計

近年來，高速切削技術(shù)的快速發(fā)展，在很大程度上推動了數(shù)控機床的高速發(fā)展，和傳統(tǒng)數(shù)據(jù)機床相比，對機械結(jié)構(gòu)進行改良以后的數(shù)控機床其運行速度明顯提高，各方面性能也有了明顯改善。然而我國數(shù)控機床機械結(jié)構(gòu)設(shè)計水平和國外發(fā)達國家還有較大的差距，采用的設(shè)計手段和設(shè)計方法都比較落后，為了徹底改變這個局面，應(yīng)積極開展機械結(jié)構(gòu)的動態(tài)設(shè)計，運用現(xiàn)代化計算機技術(shù)，做好數(shù)控機床的動態(tài)特性分析，滿足數(shù)控機床運行要求。

一、數(shù)控機床機械結(jié)構(gòu)設(shè)計流程

1、構(gòu)建動力學模型

數(shù)控機床機械結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計必須構(gòu)建一個準確、合理、科學的動力學模型，在規(guī)劃設(shè)計過程中，基于數(shù)控機床的運行要求，做好動態(tài)分析，運用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、混合建模法、實驗?zāi)B(tài)法、矩陣傳遞法、有限元法等多種方法進行建模[1]，運用數(shù)字仿真技術(shù)，對機械結(jié)構(gòu)的不同設(shè)計模型進行對比，分析數(shù)控機床運行的動態(tài)性能，針對機械結(jié)構(gòu)中的薄弱環(huán)節(jié)，有針對性地進行優(yōu)化和改進。

2、設(shè)計方法優(yōu)化

數(shù)控機床機械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計應(yīng)基于數(shù)控機床的初始參數(shù)，對各個設(shè)計變量進行計算，有針對性地進行調(diào)整和修改，在相關(guān)約束條件下使數(shù)控機床機械結(jié)構(gòu)處于最佳的動態(tài)性能。當前，數(shù)控機床機械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計可以采用三種新型設(shè)計方法：以最小值為基礎(chǔ)的優(yōu)化設(shè)計、以變分原理為基礎(chǔ)的優(yōu)化設(shè)計、能量和模態(tài)柔度平衡優(yōu)化設(shè)計。

二、數(shù)控機床機械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)

數(shù)控機床機械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計是一個非常專業(yè)、復雜的過程，需要應(yīng)用多種技術(shù)和方法，其中比較關(guān)鍵的是動力學模型修正和阻尼矩陣優(yōu)化，并且通過優(yōu)化數(shù)控機床機械結(jié)構(gòu)設(shè)計變量，采用最合適的求解方法，更加準確、快速地分析數(shù)控機床機械結(jié)構(gòu)動態(tài)性能。本文重點分析有限元建模方法和ANSYS軟件應(yīng)用。

1、有限元建模法

從上世紀八十年代就有人提出了動態(tài)有限元分析法，后來數(shù)值模擬技術(shù)越來越成熟，越來越多的人認識到有限元分析法的應(yīng)用優(yōu)勢，其這種建模方法的探討和研究也更加深入，在復雜機械結(jié)構(gòu)的動態(tài)設(shè)計和動力分析方面，有限元建模法的應(yīng)用非常廣泛，這種建模方法的計算格式非常規(guī)范，適應(yīng)性強、精度高，并且有限元建模法主要基于有限元法和彈性力學，通過構(gòu)建數(shù)控機床機械結(jié)構(gòu)動力學模型，來計算機械結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)、振型、固有頻率等參數(shù)，還可以結(jié)合實際的數(shù)控機床運行要求，實現(xiàn)數(shù)控機床機械結(jié)構(gòu)的動態(tài)設(shè)計。當前，有限元分析和計算軟件種類非常多，如Algor、Adina、Marc、Abaqus、Ansys、MSC/Nastran等[2]，這些軟件在實際應(yīng)用中一方面可以實現(xiàn)靜態(tài)的、線性的、簡單的分析，還可以對數(shù)控機床機械結(jié)構(gòu)進行動態(tài)、非線性、復雜的分析，其中Ansys軟件應(yīng)用效果最好。

2、Ansys軟件應(yīng)用

數(shù)控機床機械結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計往往需要進行大量的計算和分析，整個設(shè)計過程非常復雜，Ansys軟件系統(tǒng)通用有限元建模理論知識內(nèi)容，在機械制造、航空航天、石油化工、核工業(yè)等領(lǐng)域應(yīng)用非常廣泛。通過運用Ansys軟件對數(shù)控機床機械結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計，可以和二維三維CAD軟件相互結(jié)合，在計算機操作系統(tǒng)中對數(shù)控機床機械結(jié)構(gòu)設(shè)計圖進行調(diào)整或者修改，實現(xiàn)設(shè)計數(shù)據(jù)的交換和共享，有效提高了數(shù)控機床機械結(jié)構(gòu)設(shè)計的效率和水平。同時，Ansys軟件系統(tǒng)具有強大的分析功能，可以全面分析數(shù)控機床的流體力學、電磁場、熱分布等，不僅可以進行一些靜態(tài)的、簡單的機械結(jié)構(gòu)線性分析，還可以實現(xiàn)動態(tài)的、復雜的機械結(jié)構(gòu)非線性分析[3]，并且在設(shè)計過程中可以對數(shù)控機床機械結(jié)構(gòu)進行估計分析和優(yōu)化設(shè)計。在應(yīng)用Ansys軟件時，可以根據(jù)數(shù)控機床的不同硬件結(jié)構(gòu)，兼容不同異構(gòu)平臺上的數(shù)據(jù)文件，并且利用自動化的網(wǎng)絡(luò)劃分技術(shù)，支持共享內(nèi)存式和分布式并行，并行計算能力非常強大。另外，Ansys軟件和CAD接口設(shè)置，可以在Ansys系統(tǒng)中導入Solidworks、Catia、I-Deas等格式的CAD繪圖，根據(jù)數(shù)控機床機械結(jié)構(gòu)設(shè)計要求，構(gòu)建合理的有限元模型，然后進行求解和處理，最終得到最佳的優(yōu)化設(shè)計方案。

結(jié)束語

數(shù)控機床機械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計應(yīng)積極運用先進的科學技術(shù)，基于標準、規(guī)劃的計算機建模和仿真，優(yōu)化設(shè)計方法，結(jié)合有限元建模方法和機械動力學，在虛擬動態(tài)的計算機環(huán)境中，分析數(shù)控機床的動態(tài)特性，改進其機械結(jié)構(gòu)設(shè)計，不斷提高數(shù)控機床的綜合性能。

參考文獻：

[1]王洪川.DL-20MST數(shù)控機床關(guān)鍵零部件結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計[D].大連理工大學，2013.

[2]李士弘.數(shù)控雕刻機機械結(jié)構(gòu)參數(shù)化優(yōu)化設(shè)計[D].西安工業(yè)大學，2012.

[3]張興朝.基于有限元分析的模塊化數(shù)控機床結(jié)構(gòu)動態(tài)設(shè)計研究[D].天津大學，2011.