一種五軸搖籃體腹部筋板的布局方法研究

摘 要：隨著國內(nèi)數(shù)控機床產(chǎn)業(yè)的不斷升級，高端五軸機床的需求量與日俱增，但國內(nèi)高端五軸機床的產(chǎn)能和性能同發(fā)達國家相比還存在很大的差距，其中一個主要影響因素就是核心回轉(zhuǎn)部件的制造和裝配受限?，F(xiàn)通過對搖籃轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)的五軸加工中心的搖籃體腹部筋板的布局進行對比分析，探討一種高精度搖籃體的設(shè)計方法。

關(guān)鍵詞：數(shù)控機床;五軸機床;搖籃體腹部筋板

中圖分類號：TB472? 文獻標(biāo)志碼：A? 文章編號：1671-0797（2022）07-0037-05

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2022.07.010

0? ? 引言

數(shù)控機床是機械加工行業(yè)進行生產(chǎn)制造必要的基礎(chǔ)設(shè)備，數(shù)控機床質(zhì)量的優(yōu)劣直接影響加工件質(zhì)量的高低，而數(shù)控機床性能的優(yōu)劣直接影響加工效率的高低。在自主研發(fā)層面，我國的自動化企業(yè)尤其是數(shù)控機床企業(yè)大多數(shù)不重視創(chuàng)新能力發(fā)展，而是以仿造或生產(chǎn)低端產(chǎn)品為主[1]。

自2012年以來，國內(nèi)大量高端五軸加工中心如雨后春筍般破土而出，蓬勃發(fā)展，但由于作為五軸加工中心重要組成部分的回轉(zhuǎn)部件的設(shè)計及生產(chǎn)能力受限，很多企業(yè)均是“總成式”生產(chǎn)，即三軸光機增加外購的回轉(zhuǎn)部件，通過五軸數(shù)控系統(tǒng)的接入控制即形成一臺五軸加工中心。此種生產(chǎn)方式直接導(dǎo)致核心部件的生產(chǎn)非“自主可控”，可以預(yù)見，在不久的將來，在五軸加工中心的“紅?！备偁幹校覈髽I(yè)將徹底喪失競爭力?；剞D(zhuǎn)部件涉及多種核心部件，本文主要針對搖籃體部件的筋板布局方式進行分析。

1? ? 五軸加工中心回轉(zhuǎn)部件的類型

五軸加工中心（非車銑復(fù)合及并聯(lián)機床）是由三軸機床（X/Y/Z）增加兩個旋轉(zhuǎn)軸（AB/AC/BC）演變而來，主要結(jié)構(gòu)形式如圖1所示，每種形式包含不同類型，在此不一一贅述。

機床結(jié)構(gòu)動態(tài)性能的優(yōu)劣直接影響機床的工作性能和產(chǎn)品質(zhì)量[2]，于五軸加工中心而言，工件或者刀具直接裝夾在回轉(zhuǎn)部件上，從而加工件的質(zhì)量受到回轉(zhuǎn)部件動態(tài)性能的直接影響。縱然回轉(zhuǎn)部件的種類多種多樣，但對回轉(zhuǎn)部件的要求都是一致的，那就是要保證回轉(zhuǎn)部件的精度、剛性以及可靠性。其中回轉(zhuǎn)部件的輸出精度同伺服電機的輸出精度、傳動機構(gòu)（聯(lián)軸器、皮帶/齒輪、蝸輪蝸桿等）的傳動精度、軸承以及箱體精度有直接的關(guān)聯(lián)。本文就是要針對圖1（a）所示結(jié)構(gòu)的搖籃箱體，通過對結(jié)構(gòu)進行設(shè)計優(yōu)化，對其自身的精度、剛性等指標(biāo)進行分析，以得到一種較好的搖籃體設(shè)計方式。

2? ? 搖籃體設(shè)計需求及背景

作為常見的五軸機床類型，搖籃轉(zhuǎn)臺形式主要用于葉輪、2D或3D復(fù)雜曲面的凸輪、箱體等盤狀類零件、航空機匣、航空整體結(jié)構(gòu)件、人工鈦關(guān)節(jié)及支架等加工，廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車、醫(yī)療器械和模具制造領(lǐng)域。對于搖籃體設(shè)計需求的提取，是基于公司“CBB貨架產(chǎn)品共性技術(shù)研究及模塊搭建”項目，旨在搭建起公司研發(fā)體系的“細腰”模型，即通過底層各核心技術(shù)平臺，形成CBB（Common Building Block）模塊，針對不同終端的需求，通過CBB模塊功能性的交叉整合，從而非常高效地形成特定的解決方案，降低公司的研發(fā)、管理以及生產(chǎn)成本。

對于CBB模塊而言，終極目標(biāo)是形成“貨架”產(chǎn)品，輸出標(biāo)準(zhǔn)“接口”供功能性需求的調(diào)用。這就對CBB模塊的成熟度、可靠性、功能性以及經(jīng)濟性提出了較高的要求，一個處在階段性改進過程中的產(chǎn)品是無法上架的?；谝陨显颍瑩u籃轉(zhuǎn)臺部件要上架成為“貨架”產(chǎn)品，勢必要對該產(chǎn)品進行充分的技術(shù)論證及迭代，從箱體、力矩電機、中心軸、氣動夾鉗、軸承及轉(zhuǎn)臺等各個方面進行技術(shù)參數(shù)的分析論證，以期形成最佳的產(chǎn)品方案。由于涉及的零部件種類較多，無法用一篇文章全部覆蓋，本文僅對搖籃體的筋板設(shè)計進行分析。

對于搖籃體而言，腹部筋板布局優(yōu)劣直接影響到總體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、輸出精度以及經(jīng)濟性，不同的產(chǎn)品，筋板的布局方案不盡相同，其中以輻射均布及正交方式布局居多，本文主要對五軸加工中心搖籃體筋板不同布局方式對輸出精度的影響進行探討。

3? ? 搖籃箱體結(jié)構(gòu)優(yōu)化及性能分析的理論基礎(chǔ)

機械結(jié)構(gòu)的設(shè)計優(yōu)化系多種理論及學(xué)科相融合，不同領(lǐng)域和學(xué)科的方法也會隨著技術(shù)的進步不間斷融入到優(yōu)化設(shè)計中，其有代表性的理論與技術(shù)主要有計算機軟件開發(fā)、數(shù)學(xué)規(guī)劃、機械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計、三維結(jié)構(gòu)建模、有限元方法、目標(biāo)驅(qū)動優(yōu)化等多個方面[3]。本文主要采用三維結(jié)構(gòu)建模的方法，然后通過有限元分析來對比驗證所期待的結(jié)果。

機械結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化的數(shù)學(xué)模型來自于工程實際遇到的問題，主要包括設(shè)計變量、約束條件和目標(biāo)函數(shù)3個基本要素，下面進行簡單介紹[4]。

（1）設(shè)計變量：一般情況下用數(shù)學(xué)向量來描述多個設(shè)計變量：

x=[x1，x2，x3，…，xn-1，xn]T

式中：x為設(shè)計變量;n為設(shè)計變量的個數(shù);xn為第n個設(shè)計變量。

（2）約束條件：尺寸的改變引起的幾何約束問題以及對目標(biāo)函數(shù)的變化形成的性能約束問題。約束問題分為等式和不等式兩類。

等式約束函數(shù)：

gm（X）=0? ? m=0，1，2，…，n

不等式約束函數(shù)：

hi（X）≤0? ? i=0，1，2，…，n

（3）目標(biāo)函數(shù)：以設(shè)計過程中要達到的零部件性能優(yōu)化為指標(biāo)，包括多目標(biāo)函數(shù)和單目標(biāo)函數(shù)。

一般最優(yōu)化問題數(shù)學(xué)模型的基本表達式為：

min f（X） X∈D?Rn

s.t. gm（X）=0 （m=0，1，2，…，n）

hi （X）≤0 （i=0，1，2，…，n）

當(dāng)m=0時為不等式約束函數(shù)，i=0時為等式約束函數(shù)[5]。

基于以上基礎(chǔ)理論，在對搖籃箱體結(jié)構(gòu)性能進行有限元分析前，必須正確建立搖籃箱體的靜態(tài)結(jié)構(gòu)模型，然后建立其有限元模型，借助于有限元分析軟件求解計算，在對計算結(jié)果進行分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合結(jié)構(gòu)的負荷傳輸路徑、精度誤差累計傳遞途徑，經(jīng)過模擬分析，確定箱體合理的仿真結(jié)果。

4? ? 搖籃箱體結(jié)構(gòu)方案的優(yōu)化及分析

由于搖籃為機床使用過程中的運動部件，并且為回轉(zhuǎn)運動，在回轉(zhuǎn)過程中，搖籃轉(zhuǎn)臺自身的重量以及工件的重量所產(chǎn)生的彎矩，隨著回轉(zhuǎn)角度的變化，對搖籃體自身的變形有直接影響，從而直接影響到輸出精度。因此，在進行搖籃箱體設(shè)計時，要充分考慮常見工件的尺寸，根據(jù)裝夾后工件的高度來設(shè)計搖籃體的高度，保證工件裝夾過后，整體中心在回轉(zhuǎn)軸線上，從而使得變形量最小、精度最高。另外，搖籃箱體自身結(jié)構(gòu)剛性也是其中一個重要因素，兩邊側(cè)耳作為承重支點，其剛性高低直接影響到總體剛性強弱。綜上，兩邊側(cè)耳結(jié)構(gòu)需要進行設(shè)計優(yōu)化，以保證結(jié)構(gòu)剛性，同時兼顧輕量化要求。箱體腹部筋板布局也需要進行優(yōu)化，以減輕箱體總體重量并增加結(jié)構(gòu)剛性，從而得到最優(yōu)的設(shè)計方案。本文主要針對箱體腹部筋板布局進行設(shè)計方案論證并確定最佳的筋板布局方案。一般情況下，搖籃箱體采用整體鑄造，然后以機械加工的方式進行制造，常用材料為HT300，具體參數(shù)如表1所示。

搖籃轉(zhuǎn)臺主要部件如圖2所示，主要部件重量如表2所示。

按照實際工況，工件通過壓板固定在交換工作臺上，工件和交換工作臺的重力直接作用在臺面4個零點快換支撐點上（其中1個為輔助支撐），工作臺通過零點快換定位孔與臺面連接，而臺面重量則通過中心軸和軸承作用在搖籃箱體的轉(zhuǎn)臺軸承安裝面上，力矩電機的重力直接作用在搖籃箱體上。綜上，按照表2所示數(shù)據(jù)，對搖籃體進行受力變形分析。

對搖籃體腹部筋板按照以下5種方案進行布局規(guī)劃，如圖3所示。

分別按照圖3中5種筋板布局方式（其中方案1和方案3所示布局方式為當(dāng)前此類型零件常用筋板布局方式）對搖籃體兩側(cè)耳軸承安裝面進行固定約束，按照表2所示參數(shù)施加重力以及彎矩負載，分別對其進行有限元分析，結(jié)果如圖4及表3所示。

從仿真結(jié)果可以看出，12個筋板的設(shè)計方案相較于16個筋板，所對應(yīng)的搖籃體自重變形有明顯的降低，其中方案5的變形量較方案1降低約7.1%。按照方案2，考慮到搖籃體的經(jīng)濟性以及輕量化，對筋板進行減重處理，雖然搖籃體自重變形量稍有減小，但負載后遠端變形量明顯增大，相較于方案1的遠端變形量，增大幅度約為5.57%，說明減重處理后筋板強度大大降低，從而影響了搖籃體強度以及輸出精度。方案5設(shè)計的筋板布局形式，搖籃體自重變形量為5種方案中最小的，同時，搖籃基體的負載變形以及遠端變形雖然較其他筋板布局方式有所增大，但增大幅度相較于方案1和方案3而言，僅為3.1%左右，絕對量也僅為0.2 μm左右，相對于機床整機精度而言，其影響可以忽略。因此，方案5的筋板布局，從機床輸出精度以及經(jīng)濟性方面考慮，是相對較優(yōu)的方案。在本項目中，通過后期對本方案的搖籃轉(zhuǎn)臺部件裝配組合后進行模態(tài)分析，同加工過程中的激勵頻率相比較，也得到方案5為相對較優(yōu)方案的結(jié)論。最終通過理論分析及實驗驗證，確定采用該設(shè)計方案，并形成公司年產(chǎn)50套的“貨架”產(chǎn)品。

一般情況下，在進行鑄件設(shè)計時，通常會按照均布輻射、正交、Z字型等方式進行某些類型的筋板設(shè)計，但是通過以上對比分析可以發(fā)現(xiàn)，對于形狀復(fù)雜的鑄件，均布輻射或正交方式的筋板布局并非最佳的布局方式，在設(shè)計的過程中可以多嘗試幾種其他布局方式，通過對比分析得到相對較優(yōu)的方案。

5? ? 結(jié)語

對于五軸機床而言，回轉(zhuǎn)部件的精度直接影響到整機輸出精度，因此，回轉(zhuǎn)部件的設(shè)計需要充分考慮到經(jīng)濟性、可靠性以及精度可達性。本文針對搖籃轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)的五軸機床，對搖籃體的筋板布局進行設(shè)計分析，提出了一種相對較為合理的筋板布局方式，通過這種布局可以充分兼顧各方面的要求。當(dāng)然，隨著新技術(shù)、新材料、新功能部件的不斷出現(xiàn)，機床設(shè)計重點關(guān)注的方向也會發(fā)生轉(zhuǎn)變，在進行機床關(guān)鍵零部件設(shè)計的時候，應(yīng)充分進行多學(xué)科綜合考慮，將高端機床國產(chǎn)化推到一個更高的高度。

[參考文獻]

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收稿日期：2022-01-18

作者簡介：宋志鵬（1984—），男，山東乳山人，碩士研究生，工程師，研究方向：數(shù)控機床設(shè)計及制造。