數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化探究

李啟高

（廣東聯(lián)塑科技實(shí)業(yè)有限公司，廣東佛山 528000）

數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化探究

李啟高

（廣東聯(lián)塑科技實(shí)業(yè)有限公司，廣東佛山 528000）

現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床在應(yīng)用過(guò)程中具有高風(fēng)險(xiǎn)、高精密、高速度和高效率等特性，這給數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提出了更高的挑戰(zhàn)。分析數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)化策略，旨在確保數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)的合理性。

數(shù)控機(jī)床；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；優(yōu)化對(duì)策

在數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化過(guò)程中，設(shè)計(jì)師必須創(chuàng)新思維，提升設(shè)計(jì)制造技術(shù)，有效增強(qiáng)數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)的開發(fā)能力。探究數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化策略具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義，所以必須全面掌握數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)所依據(jù)的基本原則，讓數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成為適時(shí)之需。

1 數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)化

1.1 基于質(zhì)量輕型化的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

在優(yōu)化數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的過(guò)程中，應(yīng)該盡量保證數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)達(dá)到靜、動(dòng)態(tài)特性及熱態(tài)特性等性能指標(biāo)，保證移動(dòng)部件的質(zhì)量盡可能輕。但是，傳統(tǒng)的數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的觀念就是機(jī)床的剛度越大越好，而現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的觀念則是質(zhì)量越輕越好。如果數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)移動(dòng)部件的質(zhì)量較輕，不但能夠提高數(shù)控機(jī)床的動(dòng)態(tài)性能，而且還能夠最大限度的減少驅(qū)動(dòng)功率，節(jié)約能源，減少材料使用。在傳統(tǒng)觀念下為了保證數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)的剛度，則主要是選擇加大數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)件的壁厚。其中，數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)的壁厚與質(zhì)量是一種立方的關(guān)系，而壁厚與剛度則主要是一種線性關(guān)系。同時(shí)，在這個(gè)過(guò)程中還具有一個(gè)非常重要的指標(biāo)就是剛度的質(zhì)量比。隨著數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)壁厚不斷增加，則會(huì)讓數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)的剛度質(zhì)量隨之降低。因此，在數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)過(guò)程中，應(yīng)該準(zhǔn)確合理的布置數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)件的形狀和筋板，堅(jiān)持質(zhì)量輕型化的原則，真正實(shí)現(xiàn)數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)的高剛度和高剛度質(zhì)量比。下面以數(shù)控車床的移動(dòng)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件十字拖板為例，如圖1，這種數(shù)控機(jī)床設(shè)計(jì)主要是一種扁平的結(jié)構(gòu)，所以在布置筋板的過(guò)程中應(yīng)該全面考慮因扭轉(zhuǎn)產(chǎn)生的變形，多選擇使用米字形的筋板，以便從根本上提高數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)中拖板的抗扭能力。其中，固有頻率w=（k/m）1/2，式中的m為數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)本身的質(zhì)量，而k則表示數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)的剛度，這便能夠非常清晰的看出：當(dāng)數(shù)控機(jī)床零件在結(jié)構(gòu)與材質(zhì)相同的前提下，如果當(dāng)固有頻率隨著質(zhì)量的增加而減少時(shí)，則可以選擇一字筋板來(lái)代替一些非主要承受的數(shù)控機(jī)床部位材料。

圖1 數(shù)控車床十字拖板三維結(jié)構(gòu)圖

1.2 基于計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)對(duì)機(jī)床結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模、仿真及優(yōu)化設(shè)計(jì)

在數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)的概念設(shè)計(jì)階段中，應(yīng)該全面考慮數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中所需產(chǎn)品的性能，并且在一定的設(shè)計(jì)空間中找出最佳和最合理的產(chǎn)品設(shè)計(jì)思路。例如，在進(jìn)行CAD實(shí)體建模的過(guò)程中，應(yīng)該根據(jù)整個(gè)數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)的功能，以及具備的靜、動(dòng)態(tài)特性要求構(gòu)建有限元模型。同時(shí)，還需要采用科學(xué)合理的結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析、動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)和熱分析等方法，綜合設(shè)計(jì)數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)的形狀、尺寸等特性參數(shù)，從而優(yōu)化數(shù)控機(jī)床的結(jié)構(gòu)。其中，優(yōu)化的數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有良好的動(dòng)態(tài)特征和穩(wěn)定性，有利于達(dá)到控制振動(dòng)和提高運(yùn)行可靠性的目的，如圖2。通常在優(yōu)化數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的過(guò)程中采用的是拓?fù)鋬?yōu)化方法，其主要目標(biāo)是找到承受單載荷或者多載荷結(jié)構(gòu)件的最佳材料分配方案[2]。因此，在特定的設(shè)計(jì)空間中，應(yīng)該找到最佳的制定加載和邊界條件的方案。例如，當(dāng)數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)的剛度不變時(shí)，其體積最小化，能夠在一定程度上減輕數(shù)控機(jī)床的質(zhì)量；如果當(dāng)數(shù)控機(jī)床的體積不變，剛度最大化，將會(huì)減少數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)的變形；如果當(dāng)數(shù)控機(jī)床的體積不變，第一固有頻率最大化，則能夠提高動(dòng)態(tài)的性能。因此，優(yōu)化數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)是一種反復(fù)的過(guò)程，所以應(yīng)該從概念設(shè)計(jì)開始到不同的設(shè)計(jì)階段，都需要巧妙借助相應(yīng)的軟件來(lái)優(yōu)化數(shù)控機(jī)床的結(jié)構(gòu)，從而保障數(shù)控機(jī)床的性能。

圖2 基于有限元分析技術(shù)的機(jī)床優(yōu)化流程圖

1.3 基于模塊化思想實(shí)現(xiàn)機(jī)床結(jié)構(gòu)優(yōu)化創(chuàng)新

模塊化是實(shí)現(xiàn)機(jī)床大規(guī)模定制快速響應(yīng)設(shè)計(jì)的重要方式之一，所謂的模塊化，即將機(jī)床整體分為若干基礎(chǔ)模塊，而后結(jié)合功能需求進(jìn)行重新組合。就機(jī)床結(jié)構(gòu)與布局而言，是可根據(jù)產(chǎn)品需求來(lái)進(jìn)行組合的，而機(jī)床的模塊結(jié)構(gòu)，包括硬件、軟件與控制系統(tǒng)等則是有著一定的標(biāo)準(zhǔn)，且不同模塊之間有著統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)化界面。因此，機(jī)床的設(shè)計(jì)應(yīng)以產(chǎn)品需求為基礎(chǔ)，通過(guò)改變機(jī)床功能，實(shí)現(xiàn)無(wú)功能冗余。

該模塊化的結(jié)構(gòu)不僅讓產(chǎn)品具備了更高的柔性，更極大縮短了產(chǎn)品改性換代所需時(shí)間，不僅滿足了產(chǎn)品的加工需求，亦簡(jiǎn)化了機(jī)床的功能與結(jié)合，從而有利于專業(yè)化的大規(guī)模生產(chǎn)。此外，該模塊化結(jié)構(gòu)還進(jìn)一步提高了產(chǎn)品質(zhì)量與成熟度，并降低了產(chǎn)品的生產(chǎn)成本?？梢?，將模塊化引進(jìn)各類新技術(shù)，包括直線電機(jī)技術(shù)、滾動(dòng)導(dǎo)軌技術(shù)等，不僅有利于實(shí)現(xiàn)所謂的“零傳動(dòng)”，還能簡(jiǎn)化機(jī)床結(jié)構(gòu)，進(jìn)而有利于模塊的重組與調(diào)整。

4 結(jié)束語(yǔ)

總而言之，當(dāng)前我國(guó)的高端機(jī)床與國(guó)外先進(jìn)廠家生產(chǎn)的數(shù)控機(jī)床存在一定的差距，所以需要采用實(shí)驗(yàn)研究、理論分析和計(jì)算機(jī)模擬等多種方法開展大量的基礎(chǔ)性研究工作。創(chuàng)新數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理念，積極融入先進(jìn)的數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)，以便能夠?yàn)榭蛻籼峁└咚俣?、更高精度和更高生產(chǎn)效率的數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工藝范圍，從而保證數(shù)控機(jī)床具有較好的性能。

Modern CNC machine tools in the application process with high risk，high precision，high speed and high efficiency and other characteristics，which give CNC machine tool structure design put forward higher challenges.Analysis of CNC machine tool structure design optimization strategy，designed to ensure the rationality of CNC machine tool structure.

CNC machine tools；structural design；optimization countermeasures

表2 加藥前后濾前水含油、懸浮物

TG659

A

1003-6490（2017）01-0175-02

2017-01-15

張永剛（1984—），男，黑龍江大慶人，工程師，主要研究方向?yàn)橛吞镂鬯幚怼?/p>

收稿日期：2017-01-06

作者簡(jiǎn)介： 李啟高（1981—），男，廣東信宜人，主要研究方向?yàn)闄C(jī)械設(shè)計(jì)。