动力学特征的磨床床身结构分析与优化设计
随着科学技术在机械生产中应用程度的提升，数控机床在未来将会倾向于床身重量更轻以及加工性能越高的状况。提高与改善床身的动力特性对于降低床身振动具有重要的实际意义。本文结合机床结构优化研究现状分析了立式铣床的结构性能，并在此基础上优化分析了机床模态。在实际的机床操控中，为了提升机床的生产效率需要解决床身静力设计不足的问题，同时也要增强床身的动力。本文在对床身模态分析之后，研究刚度设计中存在的薄弱因素，从而从有限元机机构以及筋板理论的角度探究如何优化机床并设计了相应的方案。结果表明，改进的方案具有较高的固有频率和更轻的重量，能够降低原方案重量的2.17%。
目录
一、研究背景与意义 1
（一） 研究背景 1
（二）研究意义 2
（三）机床结构优化研究现状 2
（四）课题来源与主要内容 4
二、 床身模态分析和结构优化 5
（一）模态分析基本概念 5
（二）有限元分析方法 5
（三）床身模态分析有限元模型 6
（四）结构优化方法 7
三、结构优化设计方案 10
（一）优化方案 10
（二）静力校核 13
结论 15
参考文献 16
致谢 17
一、研究背景与意义
（一） 研究背景
现代企业的生产加工与机床机械技术分不开，当前随着科技的发展，机床的种类和技术应用水平的不断提升，高速数控机床是企业中常用的自动化机床机械，其优势在于加工性能的高速度、高效率以及高 精度的特征，可以满足多种机床加工的要求。相关调查研究显示，机床的加工性能随着机床整体特性的提升而提升[1]。其中，组成机床特性的要素包括热特性、动特性与静特性，这些特性都同机床部件结构的性能以及接头的结构性能相关。
机床部件结构和支撑部件的性能好坏影响着机床整体的性能，其中机身床身的结构对零部件加工的质量以及精度构成影响，还包括机床的适用寿命和稳定性等。从整体性的角度研究机床有利于发现推动机床结构优化的方法，同时促进机床整体质量水平的提升。实验设计、计算机辅助设计、经验设计师现代机床设计历经的三个发展过程。普通机床床身的内部结构通常是 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: #351916072#
由机理组成，机理具有结构复杂的特性，在设计上也存在一定的问题，影响机床加工零部件的效率。有的设计者为了能够增加机床的使用强度，会选用软密的布置以及比较厚的肋骨，砂孔的形状和尺寸主要根据经验模型来设计。这种设计的方式有利于提升机床使用的安全性，但也存在废弃料过多、导致材料浪费的现象。并且材料的分布和结构也存在不合理的现象，影响机床的工作运转，并导致机床整体的刚度出现质量下降的现象。通常情况下，机床机身一半会采用下列结构，如图11所示。
如图11所示为外圆磨床床身简图。磨床床身是一种比较典型的机体零件， 它具有比较复杂的结构和较高精度的导轨面， 加工工艺也比较复杂。它的主要加工面是联接平面，导轨面和孔，而导轨面也是一些平面的组合。所以机体零件的加工主要是一些平面和孔的加工。
图11机床床身结构
（二）研究意义
在试验最初的时候，主要通过以往的经验以及对比来设计机床床身的结构。为了进一步实现床身刚的强度，引入了前苏联的研发经验，对筋板进行了加厚处理，对较密的也进行了加密的处理。在出砂孔的选择时，也是沿用以往的经验。通过此种方案得出的床身，其总体安全性更高，但是由于使用了过多的材料而经济性较差。而且在实行的时候常常由于尺寸以及形成的不切合，使得床身的刚度无法达到标准，进而最终的精度也下降[2]。在工作的过程中，在内外人员的共同作用下，使得导轨收到了来自运动以及液压油共同产生的热能的作用，以及环境温度的影响。
通过对床身结构性能的分析，可以使设计者快速发现原方案的不足，为进一步的优化过程提供参考和依据。特别是计算机技术的革新以及在机床领域的应用，增强了机床机身结构的稳定性。为了更好的适应国内外的发展形式，机床制造商需要加快技术研发和创新，生产出能够高质量生产的机床设备，提高生产效率，在速度以及生产质量上都取得相应的成就。企业在机床的制造方面，材料是整体机床制造成本占比较大的，因此机床的生产应以最快的速度实现。为了能够发挥机床材料的应用效率以及机床的结构性能，需要做好机床结构的分析以及生产目标的优化，才能让生产出的机床更好的适应市场发展的需要。
（三）机床结构优化研究现状
机构结构及其动力的优化采用的途径主要为：提高隔振效果、消除机床的振动源，继而提升结构抗振动力刚度。机床结构的优化设计既要满足既定需求和一定约束条件下，确定最佳的设计方案。正确运用优化技术是建立合理结构方案的重要前提，主要包括拓扑、形状以及尺寸优化三个层次，如图12所示。
图12 结构优化类型
事实上，机床在运转的过程中，其所产生的振动不能完全被消除，为了改善机床的动力特性，通常主要采用优化结构的方式来实现。关于结构优化方面的理论，在上个世纪初就已经非常普遍，在机床结构的优化设计上就有很多应用的实例。在模块的优化设计上，采用算法搜索的方式就能获得最佳的效果。当下我国的机床结构优化设计应从两个方面展开[3]:中小型模型的尺寸优化或拓扑优化;复杂的大型模型被优化或优化布局。罗振等[4]人在优化准则法以及坡道密度刚度插值格式的基础上，优化了拓扑优化设计数学模型以及设计变量的迭代公式，增强机床算法的稳定性，提出了机床结构优化的方法。徐燕申等[5]对结构构型利用传统的模块设计方法进行优化，将床身看作由若干个相对独立、拓扑结构变化不大的元结构组成的基本框架。通过综合分析元结构固有频率与基本尺度之间的关系、床身基频率与床身尺寸、元结构尺寸之间的关系，获取合理的床身与元结构尺寸，如图13所示。
图13 元结构床身设计
（四）课题来源与主要内容
本课题的研究对象是某机床制造商设计的立式铣床床身，通过有限元分析方法使设计人员对床身结构性能有了更清晰的认识，有利于优化机床的机构性能，减少机床设计的时间，并提升对机床结构性能的分析和优化。
目录
一、研究背景与意义 1
（一） 研究背景 1
（二）研究意义 2
（三）机床结构优化研究现状 2
（四）课题来源与主要内容 4
二、 床身模态分析和结构优化 5
（一）模态分析基本概念 5
（二）有限元分析方法 5
（三）床身模态分析有限元模型 6
（四）结构优化方法 7
三、结构优化设计方案 10
（一）优化方案 10
（二）静力校核 13
结论 15
参考文献 16
致谢 17
一、研究背景与意义
（一） 研究背景
现代企业的生产加工与机床机械技术分不开，当前随着科技的发展，机床的种类和技术应用水平的不断提升，高速数控机床是企业中常用的自动化机床机械，其优势在于加工性能的高速度、高效率以及高 精度的特征，可以满足多种机床加工的要求。相关调查研究显示，机床的加工性能随着机床整体特性的提升而提升[1]。其中，组成机床特性的要素包括热特性、动特性与静特性，这些特性都同机床部件结构的性能以及接头的结构性能相关。
机床部件结构和支撑部件的性能好坏影响着机床整体的性能，其中机身床身的结构对零部件加工的质量以及精度构成影响，还包括机床的适用寿命和稳定性等。从整体性的角度研究机床有利于发现推动机床结构优化的方法，同时促进机床整体质量水平的提升。实验设计、计算机辅助设计、经验设计师现代机床设计历经的三个发展过程。普通机床床身的内部结构通常是 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: #351916072#
由机理组成，机理具有结构复杂的特性，在设计上也存在一定的问题，影响机床加工零部件的效率。有的设计者为了能够增加机床的使用强度，会选用软密的布置以及比较厚的肋骨，砂孔的形状和尺寸主要根据经验模型来设计。这种设计的方式有利于提升机床使用的安全性，但也存在废弃料过多、导致材料浪费的现象。并且材料的分布和结构也存在不合理的现象，影响机床的工作运转，并导致机床整体的刚度出现质量下降的现象。通常情况下，机床机身一半会采用下列结构，如图11所示。
如图11所示为外圆磨床床身简图。磨床床身是一种比较典型的机体零件， 它具有比较复杂的结构和较高精度的导轨面， 加工工艺也比较复杂。它的主要加工面是联接平面，导轨面和孔，而导轨面也是一些平面的组合。所以机体零件的加工主要是一些平面和孔的加工。
图11机床床身结构
（二）研究意义
在试验最初的时候，主要通过以往的经验以及对比来设计机床床身的结构。为了进一步实现床身刚的强度，引入了前苏联的研发经验，对筋板进行了加厚处理，对较密的也进行了加密的处理。在出砂孔的选择时，也是沿用以往的经验。通过此种方案得出的床身，其总体安全性更高，但是由于使用了过多的材料而经济性较差。而且在实行的时候常常由于尺寸以及形成的不切合，使得床身的刚度无法达到标准，进而最终的精度也下降[2]。在工作的过程中，在内外人员的共同作用下，使得导轨收到了来自运动以及液压油共同产生的热能的作用，以及环境温度的影响。
通过对床身结构性能的分析，可以使设计者快速发现原方案的不足，为进一步的优化过程提供参考和依据。特别是计算机技术的革新以及在机床领域的应用，增强了机床机身结构的稳定性。为了更好的适应国内外的发展形式，机床制造商需要加快技术研发和创新，生产出能够高质量生产的机床设备，提高生产效率，在速度以及生产质量上都取得相应的成就。企业在机床的制造方面，材料是整体机床制造成本占比较大的，因此机床的生产应以最快的速度实现。为了能够发挥机床材料的应用效率以及机床的结构性能，需要做好机床结构的分析以及生产目标的优化，才能让生产出的机床更好的适应市场发展的需要。
（三）机床结构优化研究现状
机构结构及其动力的优化采用的途径主要为：提高隔振效果、消除机床的振动源，继而提升结构抗振动力刚度。机床结构的优化设计既要满足既定需求和一定约束条件下，确定最佳的设计方案。正确运用优化技术是建立合理结构方案的重要前提，主要包括拓扑、形状以及尺寸优化三个层次，如图12所示。
图12 结构优化类型
事实上，机床在运转的过程中，其所产生的振动不能完全被消除，为了改善机床的动力特性，通常主要采用优化结构的方式来实现。关于结构优化方面的理论，在上个世纪初就已经非常普遍，在机床结构的优化设计上就有很多应用的实例。在模块的优化设计上，采用算法搜索的方式就能获得最佳的效果。当下我国的机床结构优化设计应从两个方面展开[3]:中小型模型的尺寸优化或拓扑优化;复杂的大型模型被优化或优化布局。罗振等[4]人在优化准则法以及坡道密度刚度插值格式的基础上，优化了拓扑优化设计数学模型以及设计变量的迭代公式，增强机床算法的稳定性，提出了机床结构优化的方法。徐燕申等[5]对结构构型利用传统的模块设计方法进行优化，将床身看作由若干个相对独立、拓扑结构变化不大的元结构组成的基本框架。通过综合分析元结构固有频率与基本尺度之间的关系、床身基频率与床身尺寸、元结构尺寸之间的关系，获取合理的床身与元结构尺寸，如图13所示。
图13 元结构床身设计
（四）课题来源与主要内容
本课题的研究对象是某机床制造商设计的立式铣床床身，通过有限元分析方法使设计人员对床身结构性能有了更清晰的认识，有利于优化机床的机构性能，减少机床设计的时间，并提升对机床结构性能的分析和优化。
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