機床床身結構優(yōu)化設計

王囡 黎世輝

摘要：機床床身是數(shù)控機床的重要組成部分，其設計合理性對機床使用周期和質(zhì)量都會產(chǎn)生較大影響。基于數(shù)學計算模型構建，對無筋板框架結構墊鐵位置、筋板布局以及筋板尺寸三大主要部位進行優(yōu)，為機床床身結構設計提供理論參考。

關鍵詞：機床床身 結構優(yōu)化 優(yōu)化技術

機械制造業(yè)是國家發(fā)展的重要基礎，尤其現(xiàn)在我國的科技、經(jīng)濟、文化等方面發(fā)展迅速，更需要機械制造業(yè)作為重要基礎，機床設備作為機械制造業(yè)的核心，是科研人員的重要研究對象。但是，現(xiàn)階段我國機床設計大部分仍然是傳統(tǒng)型，缺乏創(chuàng)新，過程較為繁瑣，企業(yè)在運營過程中很可能會因此產(chǎn)生較大的障礙，無法正常的工作。所以，下面將針對機床本身進行分析探討，提出優(yōu)化設計方案，旨在為我們國家的機床發(fā)展提供一些理論基礎。

一、優(yōu)化設計方法

根據(jù)機床本身的性質(zhì)以及以往的設計經(jīng)驗，現(xiàn)可以提出以下三個設計步驟：首先，將機床最大靜動態(tài)剛度作為分析要點，根據(jù)其性能確認主要目的，著重優(yōu)化機床床身墊鐵結構;其次，依次營造各種不一樣的工況環(huán)境，在每種環(huán)境下進行實驗，記錄相關數(shù)據(jù)，著重優(yōu)化機床內(nèi)部加筋板布局;最后，為了實現(xiàn)節(jié)省材料以及減輕機床自身負擔的目的，應當實現(xiàn)結構質(zhì)量最小化的目的，著重優(yōu)化機床構件尺寸。

（一）無筋板框架結構墊鐵位置優(yōu)化。在機床設計中，墊鐵位置是研究人員重點探討對象，通常墊鐵位置是否恰當會直接對機床本身產(chǎn)生相應的作用，對其穩(wěn)定性以及可靠性的提升都有很大的幫助。根據(jù)實驗時的相關經(jīng)驗和數(shù)據(jù)，優(yōu)化以往的數(shù)學模型，建立新型數(shù)學模型，通過數(shù)學模型內(nèi)的數(shù)據(jù)聯(lián)系以及數(shù)學特征進行求解。另外，在一些特殊情況下還可以再利用一些其他的數(shù)學方法比如多島遺傳算法等來進一步演算推導，最終則可以獲得最佳的墊鐵位置方案。

（二）筋板布局優(yōu)化。再墊鐵位置優(yōu)化完成后，機床的性能也就有一定程度的提升，因此，在此基礎上，就可以對筋板布局進行科學探討，制定相應的優(yōu)化方案，建立數(shù)學模型（1）如下：

（三）筋板的尺寸優(yōu)化。在筋板制造中所用到的材料一般都不會很經(jīng)濟，所以注重節(jié)省不必要的材料可以有效減少開支。因此，在設計時應當充分研究筋板的性質(zhì)特點，以此為基礎進行優(yōu)化，改變筋板的結構或者在不必要的地方減少適當?shù)牟牧?。一般情況下，在建模過程中可以以床身質(zhì)量為出發(fā)點，利用數(shù)學理論中的方差、加權平均值等進行設計。

二、案例分析

（一）研究對象分析。下面將選用一款良好的數(shù)控外圓磨床作為研究對象。這款機床內(nèi)部具有6塊橫隔板，框架厚約30mm，筋板厚約30mm。接下來將對這款機床進行相關分析。

（二）機床床身墊鐵位置的優(yōu)化設計。在設計中應當從實際出發(fā)，充分研究墊鐵位置的不同對機床性能帶來的不同影響，依照實驗數(shù)據(jù)找出最合理的位置。在實驗中要首先制定數(shù)學模型，根據(jù)機床本身的性質(zhì)以及機床材料來進行合理分析，初步建立一個合理的數(shù)學模型。接著根據(jù)數(shù)學模型進行優(yōu)化，設計出最簡模型，這樣實驗的難度也會大大減少。最后根據(jù)數(shù)學模型的要求進行墊鐵調(diào)整，通過不同位置的實驗數(shù)據(jù)對比找出最準確的位置，得出科學的結論。因此，在墊鐵位置優(yōu)化后，各方面性能都會提升，有利于工作。

（三）筋板布局優(yōu)化。通過墊鐵位置優(yōu)化，后續(xù)的優(yōu)化設計將會減少許多難度。在筋板布局中，已經(jīng)得到了前文所述的數(shù)學模型，但是此模型還有一些不足，難以全面解決問題的根本，因此，還需要對此模型進行處理。根據(jù)實際工作中的一些故障經(jīng)驗可以知道，筋板承重部分相對于其他部位承載著更多的任務，是十分重要的地方，但同時也經(jīng)常出現(xiàn)一些問題。另外，在筋板布局改善后，床體的剛度方面也有較大的改善，避免了許多影響因素。同時，還可以降低固有頻率，是機床趨于完善。因此，在研究中要針對于承重部分進行深入的分析，對數(shù)學模型進行充分的優(yōu)化設計，在實驗中要進行多次精密的嘗試，對于一些特殊情況下還要觀察是否要用鏤空結構。

（四）構件尺寸優(yōu)化。構件尺寸是機床設計中的重要內(nèi)容，有著牽一發(fā)動全身的效果，如果構件尺寸不合理，則很有可能大大降低機床的運轉(zhuǎn)效率。在設計中首先應當從板筋材料以及板筋布局出發(fā)，詳細了解其基本性質(zhì)工作特點，然后就可以進行數(shù)學建模，通過模型進行研究分析，制定最佳方案，找出最合適的構件尺寸。另外，必須要從初始設計出發(fā)進行探討，不然很可能不會獲得正面的效果，甚至還可能造成不好的影響。

（五）優(yōu)化結果對比。在經(jīng)過一系列的優(yōu)化設計后，機床的性能都有顯著的改善和提升，具體表現(xiàn)如下：優(yōu)化后的機床的床身數(shù)據(jù)方面都有可觀的結果，在左極限部位的工作效果有很多改善，中間位置的韌性等方面同樣大大加強。機床的質(zhì)量減少了許多，減少了材料的使用，同時工作效率也沒有受到影響。除此之外，機床的耐久度相比于之前也有較大的提升，為現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展提供了有力的保障。

三、結語

綜上所述，通過無筋板框架結構墊鐵位置、筋板布局和筋板尺寸這三個重要部位的相關優(yōu)化設計，機床的性能得到了很大程度上的提升，機床也更加適應許多高強度以及特殊情況。本文建立了相關的數(shù)學模型，針對機床床身的各個部位，依照其性質(zhì)進行探索發(fā)現(xiàn)，尋找出一些較為基礎實用的改進方式。但是在本文的基礎要求之上，操作人員在實際中還要結合機床自身獨特的特點，合理優(yōu)化構件尺寸等，這樣才可以全面完善機床的不足，提升機床性能，是機床在工作中更加安全高效。