桌麵數控車床結構的優化設計
2017-7-6 來源：四川（chuān）大學製造科學與工程學院 作（zuò）者：黃紀剛，方輝，蔣滔，董（dǒng）秀麗
摘要：針對微小零件的加工製造，設計了１台桌（zhuō）麵級數控車床。用Ｓｏｌｉｄｗｏｒｋｓ軟件進行車床的結構（gòu）設計，重點使用Ｓｏｌｉｄｗｏｒｋｓ軟件中的 Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ Ｘｐｒｅｓｓ模塊對車床關鍵部件的結構（gòu）進行有限元靜力學分析，經過計算求解，模擬出各部件在實際（jì）工作時所受的應力（lì）以及應變分布情況。根據計算結果，對結構進行針對性地優化。在優化的過程中，主要以質量最小化為優化目標，使結構在滿足力（lì）學性能的前提下，盡可能輕量（liàng）化，以降低成本。最（zuì）終根據優化後（hòu）的設計方案構建出桌（zhuō）麵級（jí）車床（chuáng）。
關鍵詞（cí）：車床；Ｓｏｌｉｄｗｏｒｋｓ；優化設計；有限元分析
隨著社會的發展，人們趨（qū）於追求許多（duō）常用（yòng）產品的小型化和微型化，製造業將麵臨越來越多加工微小零件的情況（kuàng）［１］。目前，數控（kòng）機床作為製造業 主要的製造設備，具有效率高、加工（gōng）能力強等優（yōu）點，但對於一些價值較低的微小（xiǎo）零件來說，常規尺度的數控（kòng）機床的加工成本較高。針對這樣的需求，設計了（le）１台（tái）桌麵級數控車床，並采用有限元分析（xī）方法對初始設計方案進行了（le）優化。
桌（zhuō）麵級機床的發展是對製造技術和製造裝備的有益補充［２］，它具有體積小、成本低、結構簡單、傳動效率高等特點，具有廣泛的適用性。
１.車床結構設計
機械結構設計的（de）傳統方法需要大量的手工繪圖，並（bìng）根據設計者的經（jīng）驗來確定機械零件的結構。這種方法（fǎ）不僅勞動量大，而且（qiě）無法科學地考（kǎo）察機械件結構設計的合理性，從而難（nán）以在設計初期（qī）及時發現設計的不當之處，導（dǎo）致出錯率高，容易造成經濟上的（de）浪費。隨著 ＣＡＤ 軟件（jiàn）的出現和流行，機械結構設計的傳統方法逐漸被摒棄，利用功能強大的 ＣＡＤ 軟件幫助（zhù）設計人（rén）員完成（chéng）機械結構的設計成為了現代機械設計的主流方法。利用現代 ＣＡＤ 軟件設計機械（xiè）結構不僅能有效地避免勞動量大、出錯率高、缺乏（fá）力學驗證等不（bú）足，同時也縮短了設計（jì）周期、降低了設成本［３］。Ｓｏｌｉｄｗｏｒｋｓ軟件是目前行業內（nèi）主（zhǔ）流的 ＣＡＤ軟件之一，其功能強大，集三（sān）維建模、工（gōng）程圖製作、虛擬裝配、運動仿（fǎng）真、有限元分析優化等功能於一體，完全能夠滿足現代機械設計的全部（bù）要求［４］。本文采用Ｓｏｌｉｄｗｏｒｋｓ軟件設（shè）計了桌麵型（xíng）車床的結構，設計流程框圖如圖１所示（shì）。
圖１ 桌麵型車床的結構設計流程框圖
設（shè）計的桌麵級（jí）數控車床的裝配體如圖 ２ 所示。其主要技術參數如下：１）床身尺寸為５８０ｍｍ×２６０ｍｍ×１８０ｍｍ，中心高為４０ｍｍ；Ｘ、Ｙ 方向行程分別為２８０ 、１５０ｍｍ；選（xuǎn）用自（zì）定心三爪卡（kǎ）盤，其（qí）夾持直徑為２～２２ｍｍ；２）Ｘ、Ｙ 方向 分 別 由 １ 對 線 性 導 軌 實 現 其 進 給運（yùn）動的導向。設計中選用 ＴＨＫ 超小化設計的 ＲＳＲ係列（liè）導軌，其（qí） 行 走 平 行 度（dù） 精 度 可 達 ０．０１７ ｍｍ。Ｘ軸 導 軌（guǐ） 選 型 為（wéi） ２ＲＳＲ５Ｎ３００Ｌ，Ｙ 軸 導 軌 選 型 為２ＲＳＲ３Ｎ１６０Ｌ；選 用（yòng） 精 密 滾 珠 絲 杠 作（zuò） 為（wéi） 車 床 傳 動件，Ｘ 軸 絲 杠 選 型 為 ＢＮＫ１２０２，Ｙ 軸 絲 杠 選 型為（wéi） ＢＮＫ１００２。３）主軸（zhóu）傳動采取（qǔ）傳動比為 １∶１．４的同步帶一級傳動，減少（shǎo）了許多中間傳動機構，降低了傳動的誤（wù）差（chà），提高傳動效率；同時，主軸箱的結構簡單（dān），整體尺寸較小，符合該桌麵型數（shù）控機床的設計理（lǐ）念［５］。
圖２ 桌麵級數控車床裝配體的設計原理圖
２.基於Ｓｏｌｉｄｗｏｒｋｓ軟件的結構分析（xī）
Ｓｏｌｉｄｗｏｒｋｓ軟件具備優秀的有限元分析（xī）能力（lì），可供設計者在製作工程圖進入實際加（jiā）工之前，對所設計的（de）零部件結構進行科（kē）學地分析並優化求解，以達到結構最（zuì）優（yōu）。采用Ｓｏｌｉｄｗｏｒｋｓ軟件進行結（jié）構有限元分析的一般流程為前處理、分（fèn）析計算以及後處理［６］。前處理包括建（jiàn）立有限元模型（xíng）、添加夾具、添加載荷以及指定材（cái）料；分析計（jì）算是軟件根（gēn）據設置自動進行網格劃分以（yǐ）及計（jì）算求解；後處理則包括計算結果的顯示與分析，檢查其正確性，並可生成分析報表［７］。通（tōng）過有限元對結構進行分析後，采用Ｓｏｌｉｄ－ｗｏｒｋｓ軟件進（jìn）一步對結構進行優化。現以床身為例，說明利用該軟（ruǎn）件對結構進行分析及優化的過程。床身是機床的（de）基礎，本次設計（jì） 采用的是 臥式床身結構，並（bìng）在床身下（xià）方布置排屑孔及排屑槽。床身采用優（yōu）質鑄鐵整體鑄造（zào）而成，並合理布置筋板，使床身在具有良好剛性的同時，用料最少，節約成本。另外，設計的床身上的所有加工表麵均位於鑄造麵上部，使之後的加工更加簡單；主軸箱安裝（zhuāng）麵與 Ｘ 方向導軌安裝麵的基準一致，能有效保（bǎo）證主軸中心與 Ｘ軸平行。床（chuáng）身的前處理過程如圖３所示。
圖３ 床身前處（chù）理過程
１）床身結構的有限（xiàn）元建模圖３（ａ）為桌麵（miàn）型車床床身的有限元模型。 建立其床身有限元模型時，忽（hū）略了各處的過渡（dù）圓角以及床身（shēn）上的所有螺栓孔，因為（wéi）這（zhè）些結（jié）構不會對床身整體（tǐ）的質量（liàng）及力學性能產（chǎn）生大的（de）影響 ，忽略這些結構能簡化模型，提高計算速度８］。 模型建立完成後，選擇Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ Ｘｐｒｅｓｓ插件為床身定義算例。
２）添加夾具添加夾具即為（wéi）分析對象添加固定約束。設（shè）計的車床通過床身底部的 ４ 個平麵支撐，指定床身的固定約束，如圖３（ｂ）所示（shì）。
３）添加載荷床身主要受到（dào）主軸箱（xiāng）以及進給機構的正壓力，通過Ｓｏｌｉｄｗｏｒｋｓ中質量屬性（xìng）估算出主軸箱自（zì）重約為１７８Ｎ，進（jìn）給機構自重約為１６３Ｎ。分別為主軸箱支撐麵和導軌安裝麵添（tiān）加正壓力（lì）為１４．３５０、１３．００８ｋＰａ，如圖３（ｃ）所示。
４）指定材料指定床身材料為灰（huī）鑄鐵，灰鑄鐵的泊鬆比為０．２７，拉 伸 強 度 為１５１ ＭＮ／ｍ２，抗 壓 強 度 為 ５７２ＭＮ／ｍ２，如圖３（ｄ）所示。
５）分析與（yǔ）計算根據（jù）設置（zhì）的參數，采用 Ｓｏｌｉｄｗｏｒｋｓ對床（chuáng）身結構進行有限元分析計算，模擬床身在工作狀態下所受的應力及其變形情況，如圖（tú）４所（suǒ）示。由結果分（fèn）析可（kě）知：床身（shēn）所受最大應力出（chū）現在床（chuáng）身中部，約為４６．２０９１８ｋＰａ；最大應（yīng）變出現在床身中部兩側，變形量約為２．２×１０－４ ｍｍ。
圖４ 分析結果
３.結（jié）構（gòu）優（yōu）化
由計算結果可知（zhī），床身受到的最大應力遠 小（xiǎo）於其拉伸強度，且變形很小，其結構還可進一步（bù）優化。由床身結構有限元分析（xī）的應力分布和應變分布（bù）能夠看出（chū），床身主軸（zhóu）箱（xiāng）安裝部位的應力和應變都最小，故可作為結構優化的重點部位。在有限元分（fèn）析的基礎上，采用 Ｓｏｌｉｄｗｏｒｋｓ軟件對結構（gòu）進行優化，需要指定優化（huà）的變量、給定約束條件以及確（què）定優化的目標。本文主要針對（duì）桌麵級車床的輕量（liàng）化設計（jì），故指定床身主（zhǔ）軸箱安裝部位的厚度為變量，以安全係數為約束（shù）條件，優（yōu）化求解的目標為質量最小化。床身結構優化設置和結果如圖５所示。指定變量的初始尺寸為２０ｍｍ，同時人為設置變量的上、下限分別為３５和１０ｍｍ，設置的最小安全係數（shù）為２．３。采用Ｓｏｌｉｄｗｏｒｋｓ進行優化求（qiú）解，優化後變量尺寸（cùn）為２７ｍｍ，即主軸箱安裝部位（wèi）的厚度減少了７ｍｍ。床身（shēn）初始質量約為３２．８６２ｋｇ，優化後質量約為３０．６７４ｋｇ。通過比（bǐ）較可知，優化後的床身結構更加合理，降低（dī）了成本。
圖５ 床（chuáng）身結構優化（huà）設置和結果
通過對關鍵部件結構的有限元靜力學分析以及結構優化（huà），使設計方案更為合理，最終完成了桌麵級車床的設計，並構建（jiàn）了其實體，如圖６所示。
圖６ 桌麵級車床（chuáng）實體
４.結（jié）論
１）采用 Ｓｏｌｉｄｗｏｒｋｓ軟件進行機械結構設計（jì），便於設計者查看、校（xiào）對、修（xiū）改以及表達設計方案，能極大提高設（shè）計效率。２）采用Ｓｏｌｉｄｗｏｒｋｓ軟件對結構進行有限元靜力（lì）學分析，計算出各部件在工作狀（zhuàng）態下的應力和應變分布（bù）情況，供設計者考察結構設計的合理性，同時也為結構優化指明了方向。３）Ｓｏｌｉｄｗｏｒｋｓ軟件在（zài）結構優化中（zhōng）的應用，能幫助設計者科學地優化其設計方案，以追求結構設計的最（zuì）優化。
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