一种数控铣床底座优化设计方法及优化设计的底座与流程

本发明涉及数控铣床底座优化设计技术领域，具体涉及一种数控铣床底座优化设计方法及优化设计的底座。

背景技术：

目前机床制造技术快速发展，机床整体加工性能一般体现在三方面，分别是高精度，高速度和高可靠性。所以提高机床整体加工性能至关重要，数控铣床的静动态刚度的高低直接影响铣床的加工精度和寿命。在传统设计方法阶段，只有通过试制样机及动态特性测试，才能知道所设计产品的动态性能，虽然我国在世界上是机床产量最多的国家，但是由于设计方法比较落后，生产出的机床很难满足高效、高精度等加工要求，在工作转速范围内容易发生共振，因振动而影响加工精度的问题经常发生，因此，如何把动态优化设计方法应用到数控铣床上，设计、优化出适合我国国内用户需求的铣床，不仅在经济上具有重大意义，同时对我国国防工业的发展也具有深远的意义。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术之不足，提供一种可以解决工作转速范围内容易发生共振，因振动而影响加工精度的数控铣床底座优化设计方法及优化设计的底座。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种数控铣床底座优化设计方法，包括：

步骤S10，建立优化前铣床底座模型；

步骤S20，将步骤S10中建立的底座模型导入有限元分析软件，对优化前模型进行静力分析，获得X、Y及Z方向的静刚度；

步骤S30，对优化前模型进行网格划分，选取若干个实体单元进行有限元分析；

步骤S40，在模型中心放置载荷体，将模型底面的螺栓孔设为固定约束，进行分析，获得总应力云图；

步骤S50，依据步骤S40的分析，对模型进行优化设计；

步骤S60，保持底座原有的边界条件、载荷值和加载方式不变，对底座进行模态分析及静力分析，所述实体单元体通过十个节点来定义；

步骤S70，模态测试，采用单点激励多点拾振的锤击法进行试验，通过固定激振锤激励位置及移动传感器的位置来拾取机床底座的振动；

步骤S80，将底座模态试验结果与有限元模拟结果进行比较。

进一步的，步骤S10中，铣床底座建模是利用ansys参数化建模或三维建模软件行建模。

进一步的，步骤S30中，所述实体单元体通过若干个节点来定义，每个节点沿着X、Y、Z方向有3个平移的自由度。

进一步的，步骤S50中，所述对模型进行优化设计的步骤包括：

步骤S51，在底座底部的中心周围增加若干个位移约束；

步骤S52，减薄底座四周的材料；

步骤S53，将底座角落处的四个小的窗格合成一个大的窗格。

进一步的，在步骤S70中，模态测试的模态阶次为10。

进一步的，在步骤S70中，测点位置为36个。

进一步的，依据步骤S80的比较结果，修改设计变量，生成新的优化模型，再次进行优化设计，进行模态试验结果与有限元模拟结果比较。

本发明还提供一种采用上述优化设计方法设计的底座，包括基座、工作台和设置在所述基座两侧的两支撑板；所述工作台设置在所述基座上方；所述小的窗格均匀分布在所述基座的底部。

进一步的，所述大的窗格的内腔的深度小于所述小的窗格的内腔的深度。

进一步的，根所述大的窗格的内腔的深度与所述小的窗格的内腔的深度比为1:1.25。

进一步的，所述支撑板上均匀分布有若干个肋板；所述肋板的一端均抵挡在所述支撑板的挡板上，所述肋板的另一端均抵挡在所述基座的侧壁上。

进一步的，所述支撑板上还设置有若干个支撑板窗格；所述支撑板窗格位于相邻两个肋板之间。

本发明提供的技术方案带来的有益效果是：

(1)本发明提供的数控铣床底座优化设计方法确保数控铣床在工作转速范围内不致发生共振，避免因振动而影响加工精度；

(2)本发明优化设计的底座在低阶固有频率处，模态试验结果与有限元模拟仿真结果的差异量在-15％至-10％之间；在高阶固有频率，模态试验结果与有限元模拟仿真结果的差异量在-10％左右，由此可以得出有限元模拟仿真结果能较好的反应模态试验测试的真实情况，机床底座的有限元仿真与模态试验拟合的较好。

以下结合附图及实施例对本发明作进一步详细说明，但本发明的一种数控铣床底座优化设计方法及优化设计的底座不局限于实施例。

附图说明

图1是本发明的流程图；

图2是本发明的数控铣床底座的立体结构图；

图3是本发明的数控铣床底座上加载荷体的立体结构图；

图4是本发明的底座优化前的立体结构图；

图5是本发明的底座优化后的立体结构图；

图6是本发明底座优化前加载荷体的总应力云图一；

图7是本发明底座优化前加载荷体的总应力云图二；

图8是本发明的测点的结构图；

图9是本发明的底座优化后总位移变形云图一；

图10是本发明的底座优化后总位移变形云图二。

附图标记：100、测点，200、载荷体，310、基座，320、工作台，321、台面，3211、第一分隔梁，3212、第二分隔梁，322、小的窗格，323、大的窗格，330、支撑板，331、支撑板窗格，332、肋板，333、挡板。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参考图1至图10，如图1所示的一种数控铣床底座优化设计方法，包括以下步骤：

步骤S10，建立如图2所示的优化前铣床底座模型，其中，铣床底座建模是利用ansys参数化建模或三维建模软件进行建模。

步骤S20，将步骤S10中的底座模型导入有限元分析软件，对优化前模型进行静力分析，获得X、Y、Z方向的静刚度。

步骤S30，对优化前模型进行网格划分，选取若干个实体单元进行有限元分析，在步骤S30中，所述实体单元体通过若干个节点来定义，每个节点沿着X、Y、Z方向有3个平移的自由度，所述实体单元具有二次位移模式，可以更好的模拟不规则模型。所述实体单元体通过十个节点来定义，所述实体单元是高阶三维十节点固体结构单元。

以结构尺寸、配重质量、配重位置、支承刚度作为设计变量，以位移最小化和质量最轻为目标函数对数控铣床进行多工况结构优化设计，确保数控铣床在工作转速范围内不致发生共振，避免因振动而影响加工精度。

步骤S40，如图3所示，在模型中心放置载荷体200，将模型底面的螺栓孔设为固定约束，进行分析，获得总应力云图；优选的，为了真实的模拟底座的受载情况，在工作台中心放置一块1200mm×800mm×400mm的铁块，模拟底座的受力情况，底座底面有22个螺栓孔，全部设为固定约束，即6个方向的自由度都被限制住。

优选的，所述载荷体200为铁块。

步骤S50，依据步骤S40的分析，对模型进行优化设计；由于数控铣床床身结构的设计尺寸和布局形式，决定了其本身的各种静态特性。由底座的静态校核可知，在步骤S50，对模型进行优化设计的步骤为：步骤S51，由于底座底部的变形比较大，在底座底部的中心周围增加多个约束；步骤S52，如图4所示，因为底座四周的变形量较少，在底座四周去除一些材料，具体的，把四周的支撑肋板减薄；步骤S53，如图5所示，将底座角落处的四个小的窗格322合成一个大的窗格323。

步骤S60，保持底座原有的边界条件、载荷值和加载方式不变，对底座进行模态分析及静力分析，计算得到铣床前10阶固有频率及相应的振型。

如图9和图10所示的底座优化后总位移变形云图可看出：底座在去除一部分材料后，变形量比未优化前的变形量少，同时，底部的结构也比之前的要简单些，在加工，铸造等方面比之前要容易些，满足设计要求。

步骤S70，模态测试，采用单点激励多点拾振的锤击法试验方法，通过固定激振锤激励位置，移动传感器的位置来拾取机床底座的振动；对机床动态性能进行分析优化，而机床的加工性能与动态性能密切相关，在兼顾机床的成本同时，使得机床具有质量轻、成本低、使用方便的特点，如图8所示为模态测试测点100位置的布置，在步骤S70中，模态测试的模态阶次为10。

步骤S80，底座模态试验结果与有限元模拟结果进行比较，得到最大剪切应力值，并与理论计算值比较，以验证所述有限元模型的设定正确性，验证模型的可行性，比较数控铣床底座静力分析实验结果与有限元计算值，分析误差产生的原因。

依据步骤S80的比较结果，修改设计变量，生成新的优化模型，再次进行优化设计，进行模态试验结果与有限元模拟结果比较，通过模态试验验证了有限元模拟结果的准确性与可靠性。

具体的，如图8所示，在步骤S70中，测点100位置为36个，对底座模态试验结果与有限元模拟结果比较。

模态试验结果与有限元模拟结果比较如下表1所示：

表1

由对比数据可得：对机床底座，在低阶固有频率处，模态试验结果与有限元模拟仿真结果的差异量在-15％至-10％之间；对于底座的高阶固有频率，模态试验结果与有限元模拟仿真结果的差异量在-10％左右，由此可以得出有限元模拟仿真结果能较好的反应模态试验测试的真实情况，机床底座的有限元仿真与模态试验拟合的较好。

由图6和图7的总应力云图可看出：床身最大的变形发生在于工件与工作台接触位置，主要由于铁块与工作台的接触位置所受到的压强最大。铁块与工作台接触区域发生变形，但是变形量较小。从应力分来看,最大应力为l.OlMPa，发生在铁块与工作台接触区域，与变形云图一致。在床身与工作台接触区域均有应力分部，但是都较小，远低于材料的极限应力，符合应力要求。

本发明中的数控铣床底座优化设计方法是通过Pro/Engineer三维建模软件建立数控铣床底座结构的有限元模型，利用有限元分析方法，在ANSYS中对数控铣床底座进行静力分析和模态分析，并结合有限元分析结果，对数控铣床底座进行结构优化设计，采用的数控铣床底座的材料为HT250，其弹性模量为1.1×105MPa，其泊松比为0.28，其密度为7.28×10³kg/m³，本发明提供的数控铣床底座优化设计方法确保数控铣床在工作转速范围内不致发生共振，避免因振动而影响加工精度。

通过有限元软件对某数控机床厂的数控铣床底座进行优化设计，模拟仿真结果表明：数控铣床底座在受到静压力的作用下，其工件与工作台接触位置所受到的压强最大；优化后，变形量减小，且底部结构简单，易于加工。

通过模拟仿真分析发现，进行底座的参数多目标优化设计,降低机床底座的应变量，同时减少底座的质量。通过对新方案与原方案进行对比,优化后，取得了较好的优化结果。为机床设计人员进行有针对性的结构优化设计提供一定的理论依据，避免盲目，大大缩短设计周期，对企业的生产设计具有一定的理论导向作用。

所采用的模态分析基本理论包括：由振动理论定义，多自由度系统以某个固有频率振动时所呈现的振动形态称为模态。模态分析的核心内容是确定用以描述结构系统动态特性的相关参数。

对于一个多自由度线性系统，其运动微分方程为：

MX”+CX'+KX＝F (t)

其中，M表示质量矩阵；K表示刚度矩阵；X表示位移向量；X'表示位移向量的一阶导数；X”表示位移向量的二阶导数；F(t)表示作用力向量；t表示时间；当F(t)＝0时，忽略阻尼C的影响，方程变为：

MX"+KX＝0

自由振动时，结构上各点作简谐振动，各节结点位移

X＝Φ-e^jωt

由上面两式可得

(K-ω²M)Φ＝0

求出特征值ω²和特征值Φ。

根据公式ω＝2πf，因此可求得系统各阶固有频率及模态振型。

本发明还提供一种采用上述数控铣床底座优化设计方法优化设计的数控铣床底座，如图2和图4所示，包括基座310、工作台320和支撑板330，所述工作台320设置在所述基座310上，所述支撑板330设置在所述基座310的两侧，所述工作台320具有台面321，所述小的窗格322和所述大的窗格323均分布在所述基座310的底部的台面321上，所述台面321上还具有相互交错的若干个第一分隔梁3211和第二分隔梁3212，所述小的窗格322位于所述第一分隔梁3211和第二分隔梁3212分隔的区域内。

如图5所示，所述支撑板330上均匀分布有若干个肋板332，所述肋板332的一端均抵挡在所述支撑板330的挡板333上，所述肋板332的另一端均抵挡在所述基座310的侧壁上，所述支撑板330上还具有若干个支撑板窗格331，所述支撑板窗格331位于相邻两个肋板332之间。

优选的，所述大的窗格323的内腔的深度小于所述小的窗格322的内腔的深度。

优选的，所述大的窗格323的内腔的深度与所述小的窗格322的内腔的深度比为1:1.25。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。