高速立式加工中心工作台的有限元分析和拓扑优化
高速立式加工中心工作台的设计与静态性能的有限元分析
Ｈ ｉ ｈ－ｐ ｅ ｅ ｔｃ ｌＭ ａ ｈｉ ｎ ｎ ｅ ｏ ｋｂ ｎ ｈ ｇ ｓ ｅ ｄ Ｖ ｒ ｉａ ｃ ｎｉ ｇ Ｃｅ ｔ ｒ Ｗ ｒ ｅ ｃ
Ｗ ＡＮＧ ｉｙ ｎ，Ｗ ＥＮ ａ— ｉ ｇ，Ｌ ｉ Ｍｅ— ａ Ｈｕ ｉｘｎ ＩＪｅ
（ ｃ ｏｌ ｆ ｃ ａ ｏｉ Ｅ ｇ ｅｒ ｇ Ｓ ａｎ ｉ ｎｖｒ ｔ ｏ Ｓ ｉ ｃ Ｓ ｈｏ ｏ ｈｔ ｎｃ ｎ ｉ ｅｉ ， ｈ ａｘ Ｕ ｉｅ ｉ ｆ ｃ ｎｅ＆ Ｔ ｃｎ ｌ ｙ Ｘ ’ｎ７ ０ ２ ， ｈｎ ） Ｍｅ ｒ ｎ ｎ ｓｙ ｅ ｅｈ ｏｏ ， ｉａ １ ０ １ Ｃ ｉ ｇ ａ Ａｂｔａ ｔ Ｔ ｅ ｔｅｈ －ｃｕａｙ ｒｑ ｉ ｍ ｎ ｏ Ｖ ５ ｉ － ｅｄ ｖｒｃｌ ｃ ｉｎ ｅｔｒｅｉ ｅ ｓｒｃ ： ｏｍｅｔ ｈ ｉ ａｃｒｃ ｅｕｒ ｅ ｔ ｆ Ｇ ８ ０ｈ曲 ｓ ｅ ｅｔ ａ ｍａｈｎ ｇｃｎｅｄｓ ｎｄ ｅ Ｄ ｐ ｉ ｉ ｇ
关键词 ： 工作 台； 态性能分 析 ； 限元 ； ｎｙ 静 有 Ａ ｓｓ
中 图 分 类 号 ： Ｈ１ ；Ｇ ５ Ｔ ６ Ｔ ６ 文献标识 码 ： Ａ
Ｔｈｅ Ｄ ｅ ｉ ｎ ａ ｔ ｔｃ Ｃｈａ ａ ｔ ｒｓｉ ｓＦｉ ｔ ｅ ｅ ｓｇ ｎｄ Ｓ ａ ｉ ｒ ｃ ｅ ｉｔｃ ｎｉｅ Ｅｌｍ ｎｔＡｎａｙ ｉ ｏ ｌｓｓ ｆ ｒ
ｔ ｏ ｄ ｆｅｅ ｔｋｉｄ ｏ ｃ ｓｒ ｐｓ ｔｕ ｔ ｒ ｏ ｋ ｅ ｃ ，ａ ａｙｚｅ ｈｅｒ ｓ ａｉ ｈａａ ｔｒｓ ｉｓ ｗ ｉｆ ｒｎ ｎ ｓ ｆｂａ ｋ ｔａ ｓｒ ｃ ｕ ｅ ｗ ｒ ｂ ｎ ｈ ｎ ｌ ｄ ｔ ｉ ｔ ｔｃ ｃ ｒｃ ｅ ｉｔｃ ｗｉｈ ａ ｓ ｓ ｆ－ ｔ ｎ ｙｓ ｏ ｔ ｗａ ｅ ａ ｄ ｇｖ ｎ ｔ ｅｒ ｆ ｒ ａ ｉｎ ｐａｔ ｍ Ａ ｃ ｏ ｄｉｇ ｔ ｈｅ ａ ａｙｓｓ ｒ ｓ ｌｓ ｈ ｏ ｅ ａ ｂｅｔ ｒｗｏ ｋ ｅ ｃ ｔｕｃｒ ｅ ｒ ｎ ｉｅ ｈ ｉ ｏ ｍ ｔｏ ｔｅ ｃ ｒ ｎ ｏ ｔ ｎ ｌ ｉ ｅ ｕ ｔ ，ｃ ｏ ｓ ｔｅ ｒ ｂ ｎ ｈ ｓｒ ｔ ． ｕ Ｔｈ ｎａｙｓｓ ｒ ｓ ｔｉ ｈ ｗｎ ｔ ｔｃ ａ ｇｎ ｈ ｔ ｃｕ ｅ ｏ ｃ ｓｒ ｐｓ ｃ ｎ ｉ ｐ ｏ ｅ ｔ ｅ ｗ ｏ ｋ ｅ ｈ ｓｉｆ ｅ ｓＩ ｅ ａ ｌ ｉ ｅ ｕｌ ｓ ｓ ｏ ｈａ ｈ ｎ ｉｇ ｔ ｅ ｓｒ ｔ ｒ ｆｂａ ｋ ｔａ ａ ｍ ｒ ｖ ｈ ｒ ｂ ｎｃ ｔｆｎ ｓ ．ｔ ｕ ｍａ ｓ ａｂａ ｅ ｆ ｒｗ ｏ ｋ ｎ ｈ ｏ ｉ ｉ ｅ ｅ ｉｎ． ｋｅ ｓ ｏ ｒ ｂｅ ｃ ｐｔ ｚ ｄ ｄ ｓｇ ｍ
立式加工中心立柱结构有限元分析及改进研究
—256—技术改造立式加工中心立柱结构有限元分析及改进研究崔争第 方秀菊 曲耀辉 颜 荣（中科美菱低温科技股份有限公司，安徽 合肥 230000）摘 要：立式加工中心是现代机械制造加工中十分重要的加工设备，包含了床身、主轴线以及立柱等。
为了进一步改进立柱结构，利用Solidworks 2018三维软件进行建模，并通过SOLIDWORKS Simulation 开展有限元分析，得到立柱结构应力图与位移图，以此为基础进行改进设计，在降低立柱结构重量的同时，缩小了最大位移量，并有效避免了应力集中。
关键词：立式加工中心；立柱结构；有限元；改进伴随着现代制造业的不断发展，对加工中心的需求量越来越多，所以，将现代设计方法融入到加工中心结构设计与完善工作中，力求进一步降低加工中心设备加工难度与周期。
一直以来，国内外都十分重视机床设备的优化与创新，依托于现代计算机辅助设计软件，使得机床动态设计工作更加成熟，可以根据设备使用环境的拓扑来弥补使用问题。
本文从两个方面入手进行分析和改进，其一是对立式加工中心材料运用的改进，既可以保证加工的便捷性，避免产生材料浪费，还能够改善加工中心性能；其二，对立柱结构中的大件进行改进，降低机构质量。
一、立式加工中心结构建模与有限元分析（一）模型建立立式加工中心涵盖的主要部件有床身、主轴箱以及立柱等，立柱通过螺栓与床身紧固在一起，主轴箱顺着导轨在立柱上做进给运动，可见立柱是立式加工中心十分重要的部件。
本研究中的立柱是通过整体铸造再进行机加工得到的，内侧为空心结构，在外侧壁上设置有加强筋，保证立柱强度。
加工中心工作时，立柱是需要承受较大的力，需要对立柱的强度进行仿真分析。
利用Solidworks 2018三维软件进行建模，如图1所示。
图1 加工中心立柱模型（二）有限元分析利用Solidworks 软件对力主结构进行简化，去除掉结构中的工艺孔、倒角、对强度影响不大的复杂结构等，加载SOLIDWORKS Simulation 开展有限元分析，假如结构中各个材料密度均匀，连接牢靠。
高速立式加工中心主轴箱敏感度分析及优化
摘要 ： 于有 限元 分析 方 法利 用拓扑 优化 和敏 感 度 分析 对 主轴 箱进行 了快 速设 计 及 优 化 。首 先 ， 箱体 基 对 毛坯 进行 宏观 结构 的拓 扑优 化 ， 结合 工 艺将 结 构 中所 有 不 需要 的 材料 去 除 ， 而 达 到 结构 的合 理 布 局 ， 从 实现 快速 设计 。其 次 ， 对初 步建 立 的主轴 箱 结构进 行敏 感度 分 析 ， 快 有效 设 计 变量 的 建 立 。最 大程 度 加
快产 品投放 的速 度 ， 产 品具 备更 强 的市场 效应 。 使
要求越来 越高 ， 主轴进 给 速度 和最 大扭 矩 的要求 也 逐 对
步提高 。加工 中心 的高速 化 ， 得最 初配 备 的主轴 箱 等 使 关键部件 的刚度和精 度要 求难 以满 足 ， 主轴箱 性 能 的研
究 成 为 现 代 制 造 技 术 发 展 中 不 可 抗 拒 的 历 史 潮 流 ， 为 作
Ａｂ ｔａ ｔ ｓｒ ｃ ：Ｂａ ｅ ｎ ｔ ｅ ｆｎ ｔ ｌｍ ｅ ｔ ａ ｌ ｉ ｓ ｄ ｏ ｈ ｉｅ ｅｅ ｎ ｎａｙｓｓ ｅｈｏ ｈ ａ ｄ ｄ ｓｇ ｎ ｐｔ ｉ ａ ｉｎ ｏ ｐｉ ｄ ｅ ｂｏ ｉ ｍ ｔ ｄ ｔ ｅ ｒ ｐｉ ｅ ｉｎ ａ ｄ ｏ ｉ ｚ ｔｏ ｆ ｓ ｎ ｌ ｘ ｂｅ ｍ ｍ ａ ｙ ｕ ｉｇ ｔ ｐｏｌｇｃ ｌ ｐｔｍ ｉ ａ ｉｎ ａ ｄ ｓ ｎ ｉｉｉｙ ａ ｌ ｉ． ｒ ｔ ｍ ａ ｅ ｔ ｐｏｌｇｃ ｌ ｐｔｍ ｉ ａ ｉｎ ｏ ａ ｒ ’ ｄｅｂ ｓｎ ｏ ｏ ｉａ ｏ ｉ ｚ ｔｏ ｎ ｅ ｓｔｖ ｔ ｎａｙｓｓ Ｆｉｓ ， ｄ ｏ ｏ ｉａ ｏ ｉ ｚ ｔｏ ｆｍ ｃ ｏ ｓ ｏ ｃ ｌｓ ｒ ｃ ｕ ｅ ｆ ｒｂ ｘ ｂ ａ ｋ，ｃ ｍ ｂｎｉ ｈ ｅ ｈ ｉｓ ｄ ｓｇ ｅ ｏ ｅ ｔ ｅ ｍａ ｅ ｉｌｏ ｌ ｎ ｅ ｏ ，Ｓ ｓ ｔ ‘ ｃ ｐｉａ ｔｕ ｔ ｒ ｏ ｏ ｌｎ ｏ ｉ ｎｇｔ ｅ ｔ ｃ ｎ ｃ ｅ ｉ ｒ ｍ ｖ ｈ ｔｒａ ｆａｌ ｅ ｄ ｎ ｔ Ｏ ａ ｏ ａ ｎ
高速立式加工中心滑座的拓扑优化
Ｃ Ｄ模型 的参数 ， 高设 计 效 率 ； Ａ Ａ 提 ③ ＷＥ的几 何 建
模模 块 、 限 元分 析 模 块 和 优 化设 计 模块 之 间可 以 有
进 行 双 向参 数 互 ห้องสมุดไป่ตู้ 调 用 。
１ 三 维建 模
在 进行 Ｄ Ｇ ５ Ｖ ８ ０高速立式加 工 中心滑座设计 时 ， 参考 了相 同系列 加工 中心 Ｄ ８ ０立式 加工 中心 的滑 Ｖ５
座 ， 用 Ｓ ｌ ｒｓ 立 了 四 种 滑 座 方 案 的 三 维 模 采 ｏｉ Ｗｏｋ 建 ｄ
（１ 案Ｉ ａ方
（ ｃ ）方案 Ⅲ
型 。根 据圣 维南 原 理 ， 倒 圆、 角 、 钉 孑 和 一 些 对 倒 螺 Ｌ 尺寸较小 的键槽 等进 行 了适 当 的简化 忽 略… 。其 布 筋结构 如图 １ 所示 。
摘 要 ： 用 Ｓｌ ｒｓ 滑 座 的 四 种 方 案 进 行 了三 维 建 模 ， 用 Ａ Ｓ ＳＷｏｋ ｅｃ 使 ｏ ｄＷｏｋ 对 ｉ 采 Ｎ Ｙ ｒｂｎ ｈ对 各 滑 座 模 型 进 行 了静 刚度 分 析 ， 定 出 了较 优 的 滑 座 模 型 ， 运 用 Ａ Ｓ ＳＤ ｓ ｎ ｐｏｅ 对 其 进 行 了优 化 设 计 ， 证 确 并 Ｎ Ｙ ｅｉ Ｘ ｌ ｒ ｇ ｒ 保
ｍｉ ｅ ｔｕｃ ｕ ｅ ｉ ｅ ｕｃ ｄ． ｚ ｄ ｓｒ ｔ ｒ ｓ ｒｄ ｅ
Ｋｅ ｒ ｙ ｗｏ ｄｓ：ｓｉ ｅ ｓ ａ ｉ ｔｆｎ ｓ ； ｏ ｌｇｃ ｌｏ ｉ ｉａ ｉｎ ｌ ； ｔｔｃ ｓｉｆ ｅ ｓ ｔ ｐｏｏ ｉａ ｐｔｍ ｚ ｔｏ ｄ
Ｏ 引 言
加工 中心作 为 基 础 机 械产 品 ， 先进 制 造 技 术 是 的载 体和装 备 工 业 的基 本 生 产 手 段 ， 着 生 产要 求 随
基于ANYSY的高速加工中心主轴箱有限元分析及优化
７ ０ ２ ，Ｃ ｉａ １ ０ １ ｈｎ ）
Ａ ｂ ｔ ａ ｔ Ｂａ ｅ ｎ ｅ ｐｅｉｎ ｅ ａ ｄ ｔ ｅ ｕｓ ｏ ａ ｌ ｅｈｏ ｓ ｏ ｒ ｄ ｆｅｅ ｆ ｒ ｓ ｆ ｆｂ ｉ ｅｎｆ ｒ ｅ ｓｒ ｅ ： ｓ ｄ ｏ ｘ ｒｅ ｃ ｎ ｈ ｅ ｏｆｃ ｍｐａ ｂ ｅ ｍ ｔ ｄ ，ｆ ｕ ｉｆ ｒｎｔ ｏ ｍ ｏ ａ ｒｃ ｒ ｉ ｏ ｃ － ｒ ｍ ｅ ｔｈ ａ ｓｏｃ ｏ ｅｓ ｆ ｈ ｇ ｓ ｄ ｖｅｔｃ ｌｍａ ｈ ｎ ｇ ｃ ｎ ｅ ｅ ｄ ｓｇ ｅ ｎ ｅ ｄ ｔ ｋ ｍ ｄ ｌ ｏ ｉｈ。ｐｅ ｒｉａ ｃ ｉ ｉ ｅ ｔｒ ａ ｅ ｉｎ ｄ．Ｉ ｔｏ ｕ ｉ ｇ ａ ｑ ａｉｙ ｉｔ ｔ ｅ ｎ ｒ ｎ ｒ ｄ ｃｎ ｕ ｌ ｐｏｎ ｏ ｔ ｓｍ ｕｌｔ ｈｅｓ ｔａ ｏ ａ ｉｎ ｏ ｏ ｌｔ ｍ ｉｅｅｅ ｅ ｔａ ａｙｓｓ ｂ ｃ ｕ ｅｔ ｅ ｏ ｆ ｅ ｆｔ ｅｔ ｏ ｏ ａ ｉ ｎ ｉ ｎｄ－ ｉ ａ ｅ ｔ ｐａ ｉｌ ｃ ｔｏ ｆｔ ｏ ｉ ｉ ｆ ｔ ｌｍ ｎ ｎ ｌ ｉ， ｅ ａ ｓ ｈ ｆｓ ｔｏ ｈ ｏ ｌｌｃ ｔｏ ｓｉ ｉ ｌ ｐｎ
ｉ ｉｅ ｅｅ ｎ ｎ ｌ ｉ．Ｂｙ ｃ ｍ ｐａ ｉｇ ｈ ｔｆｎ ｓ ｆ ｍｕｌｉｎ ｔ ｏ ｋ ｒ ｉ ｆ ｒ ｅ ｅ ｔ ｓ ｎｄｅ ｂ ｘ ｉ ａ ｉ ｍ ， ｆｎｔ ｌｍ ｅ ｔ ａ ａｙｓｓ ｏ ｒｎ ，ｔ ｅ ｓ ｉｆ ｅ ｓ ｏ ｔ－ ｅｗ ｒ ｅ ｏ ｃ ｍ ｎ ｐｉ ｌ ｏ ｓ ｍ ｘｍｕ ｎ
ｄ ｆ ｒ ｔｏ ｆｈ ａ ｔ ｃ ｓ ｍｏ ｅｖｉｉ Ｃａｃ ａ ｉｇ ｔ ｅ ｓ ｉｆ ｅ ｓｉ ｌ ｄｒ ｃｉ ｎ ｆｔ ｅ ｓ ｎｄ ｅｂｏ ｙ ＡＮＳ ｅ ｏ ｍａｉ ｎ ｏ ｅ ｄｓｏ ｋ ｉ ｒ ｖ ｄ． ｌｕｌｔ ｈ ｔｆｎ ｓ ｎ ａｌ ｉｅ ｔｏ ｓ ｏ ｈ ｐｉ ｌ ｘ ｂ ｎ ＹＳ
基于AnsysWorkbench的立式加工中心床身有限元分析和优化设计
［１］ 李德雨．基于 ＡＮＳＹＳＷｏｒｋｂｅｎｃｈ 的多层波纹管自振频率 计算［Ｊ］．矿山机械，２００５，（６）：Ｐ８３－８４．
［２］ 王艳辉．精密机床床身的模态分析与结构优选［Ｊ］．机械设 计与制造，２００５，（３）：Ｐ７６－７７．
第 ３１ 卷 第 ９ 期 ２００９－０９ 【１３１】
由于机床机构过于复杂，采用 ＷＯＲＫＢＥＮＣＨ
自动划分网格，在 Ｗｏｒｋｂｅｎｃｈ 中一般不需要选取单
元类型，划分方法是Ｈｅｘ Ｄｏｍｉｎａｎｔ 运用的是四面体 与六面体结合的划分方式，由于在导轨处有许多无
图 ３ 机床床身 １ 阶模态云图
法简化的小的阶梯，在这些地方采用局部的细化网
格的方法来划分，得到 ４４４８３ 个单元 １３５１４４ 个节点。
度，应该使有限元模型尽量简化。同时建立有限元 模型时，应合理选择单元类型，并在编排节点时， 尽量减少相关单元的节点号差、带宽，以减少资料 存储量。ＡＮＳＹＳＷｏｒｋｂｅｎｃｈ 和 ＰＲＯＥ 具有直接的 双向接口，可以在 Ｐ Ｒ Ｏ Ｅ 中建模然后再导入 ＡＮＳＹＳＷｏｒｋｂｅｎｃｈ 进行计算。 １．１ 建立物理模型
件。通过机床主电动机功
率和机床加工工件的最 大尺寸，以及主轴转速，计算机床的额定扭矩和额 定力，由 Ｆｘ：Ｆｙ：Ｆｚ＝０．３：０．５：１．０ 得到 ３ 个切削分力，计 算立柱，床鞍，主轴箱等构件的重量并将上述重量 均作为作用在床身上的附加质量处理，即在相应坐
快，但要求比 Ｓｕｂｓｐａｃｅ 法内存多大概 ５０％。Ｂｌｏｃｋ Ｌａｎｃｚｏｓ 法采用稀疏矩阵方程求解器［２］。
床身的实际结构很复杂，有繁多的筋板、曲面、 窗孔，各处厚度不相同，几何形状也多变。为了适 应有限元计算，必须将其简化处理，略去许多不影 响床身刚度的细微结构（如小倒角、小圆弧、小凸 台等）。简化后的床身模型如图 １ 所示。
立式数控加工中心的加工工序改进和简化
立式数控加工中心的加工工序改进和简化现代制造业中，数控加工是一种高精度、高效率的加工方法，能够满足各类零部件的需求。
而立式数控加工中心作为一种常见的数控加工设备，具有结构简单、操作方便、加工范围广等优势，被广泛应用于各个行业。
然而，在使用立式数控加工中心进行加工过程中，仍然存在着一些工序需要改进与简化的问题。
首先，对于立式数控加工中心加工工序的改进和简化，可以从工艺流程的优化入手。
通过对工艺流程进行细致的分析，可以发现一些冗余的工序和低效的操作，从而进行相应的改进和简化。
例如，通过合理布置工装夹具、优化刀具路径以及合理安排加工顺序，可以减少不必要的工艺环节和加工次数，提高加工效率和加工质量。
同时，合理选择加工参数也是改进和简化立式数控加工中心加工工序的重要因素。
不同材料和工件的加工参数应进行详细的分析和优化，以实现最佳的加工效果。
例如，通过合理调整切削速度、进给速度和切削深度等参数，可以提高加工速度和加工质量，减少工序的繁琐性和重复性，从而进一步改进和简化加工工序。
另外，采用先进的刀具和夹具技术也是改进立式数控加工中心加工工序的有效措施之一。
刀具作为加工中心的重要组成部分，直接影响着加工效率和加工质量。
通过选用高性能的刀具，如硬质合金刀具、涂层刀具等，可以提高加工质量和切削效率，减少刀具更换的频率，简化加工工序的同时也减少了生产成本。
此外，合理利用现代化的数控编程技术也是改进和简化立式数控加工中心加工工序的重要途径之一。
通过使用CAD/CAM软件进行数控编程，可以实现复杂工艺的自动编程和模拟仿真，缩短准备时间，减少人为错误和重复工作，提供更加精确的工序控制。
在改进立式数控加工中心加工工序的过程中，还应注重人员培训和技术支持。
通过培训操作人员的加工技能，提高其对设备的操作熟练度和对加工工艺的理解，可以进一步提高加工效率和加工质量，降低故障率和生产成本。
同时，及时提供技术支持和维护保养，保证设备的正常运行和长时间稳定性，为工序改进和简化提供良好的技术保障。
高速加工中心立柱结构的拓扑优化
结构 动 态设 计方 法。 为提 高拓 扑优 化的精 度 ， 结构 优 化过 程 中 ， 在 同时也 考 虑 了非设 计 区域 的 动
态特性 。将 该方 法应 用到 ＸＨ ６ ０高速 加 工 中心 的 立柱 结 构 优 化 中， 而提 高 了机 床 的整机 动 ６５ 从
态特性 。
关 键词 ： 拓扑 优化 ； 态设 计 ； 态特 性 动 动
２ Ｉ Ｍ 拓 扑 优 化模 型 的建 立 Ｃ
结 构优 化 的 目的是 让 所设 计 的结 构 在满 足工 作要 求 的前提 下 ， 其整 体 受 力 均 匀性 能优 良 ， 使 用 材经 济轻 巧合 理 。而 拓 扑 优 化方 法 是 满 足这 一 要 求 的 比较理 想 的结 构优 化 方 法 之 一… １。该 方 法 是
床 身
函数 ， 体积为约束 的优化模型 ， 在模 型的建立过程
中 ， 考虑 到 了安装在 立柱上 的 主轴箱对 其动态 特 也 性 的影 响 ， 把主 轴 箱用 相 同的 质量 块 来模 拟 代 替 ， 这样 得 到的立柱 的优化 结果 ， 将使 整个机 床 的动态 性能 得到更 好 的改善 。
大 。因此 ， 选择 加 工 中心 的立 柱 为对 象 ， 于 Ｉ Ｍ 基 Ｃ
： 柱
（ｉｄｐｎｅ ｔ ｏ ｔ ｕｕ ｐ ｉ ） 扑 优 化 方 ｎｅｅｄｎ —ｃｎｉ ｏｓｍａｐｎ 拓 ｎ ｇ 法 ， 其结 构进 行 拓 扑优 化 ， 对 以通 过提 高立 柱 的 动 态性能来 达 到提 高整 机 动态性 能 的 目的 。 针对 立柱 结构 ， 中以结构 的 固有频 率 为 目标 文
图 １ 加 工 中心 的 Ｃ Ｄ模 型 Ａ
１ Ｘ ６ ５ 高 速 卧 式 加 工 中 心 的 Ｈ ６０ Ｃ ＡＤ 模 型 与模 态分 析
应用有限元方法对高速电主轴的优化设计
应用有限元方法对高速电主轴的优化设计摘要：介绍了高速电主轴的结构特点，应用有限元分析软件ANsYs以刚度为目标对高速电主轴进行了优化设计，并对优化后的结构进行了热态校核。
关键词：高速电主轴；优化设计；有限元；热态分析90年代以来，我国的机床制造业发展迅速，设计和制造水平都有很大的提高，整体趋向高速、精密、绿色等方向发展，特别是近几年，代表着先进制造水平的数控机床和加工中心；很多国内厂家已开始产生。
在2003年北京国际机床展上，参展的主轴转速超过10000r／min的高速加工中心共有53台，其中国内产品占到24台。
但同时也不可否认，我国机床与国外先进的设计和制造水平相比还有比较大的差距，很多诸如电主轴、控制系统等关键部件，仍然依赖国外配套，自主开发能力不足。
在这种情况下，只有解决并提高关键部件的设计制造水平，才能摆脱对国外技术的依赖，从根本上促进我国机床行业持续发展。
我校高速加工实验室自90年代以来一直从事机床关键部件高速电主轴和快速进给单元的研究，自行开发了国内第一个高速大功率电主轴——GD一Ⅱ型电主轴，该电主轴采用“零传动”的传动方式，电机内置在机床主轴上，直接驱动主轴转动，从而去掉了传统传动链上的皮带、齿轮、联接键等，通过采用变频调速技术使主轴达到很高的转速，它的典型结构和系统组成如图l所示…。
主要具有以下几个特点：(1)结构简单紧凑，能很好地解决传统皮带或齿轮等方式传动在高速运转条件下所引起的振动和噪声问题。
(2)提高生产率，可在最短时间内实现高转速，也即是主轴回转时具有极大的角加速度。
(3)电机内置于主轴两支承之间，可有效地提高主轴系统的刚度，同时也提高了系统的固有频率，从而提高了其临界转速值。
目前，在试验成功的基础上，这种电主轴已经进入产业化，为了达到更高的设计要求和水平，并保证电主轴更高的可靠性，我们采用了有限元分析(Finite Element Analysis)对电主轴进行优化设计。
立式加工中心动力学分析及结构优化研究
立式加工中心动力学分析及结构优化研究罗和平;汲军;杨赫然;穆士博【摘要】研究了通过机床的动态特性分析进行结构优化的方法,提出了一种新的优化设计方案.针对对机床整机模态特性和谐响应特性,在有限元分析软件中对机床动态性能进行了仿真.分析结果表明,主轴箱和立柱为机床敏感部位,因此使用有限元分析软件对主轴箱进行拓扑优化,并且为立柱增加筋板.根据优化结果重新设计机床主轴箱和立柱结构,将优化后与未优化的机床的分析结果进行对比,结果表明机床的动态性能得到明显改善,主轴箱各阶固有频率提高10％左右,机床整机固有频率提高4％左右,x方向上的响应峰值减少约2％.【期刊名称】《重型机械》【年(卷),期】2018(000)001【总页数】5页(P31-35)【关键词】立式加工中心;主轴箱;模态分析;谐响应分析;拓扑优化【作者】罗和平;汲军;杨赫然;穆士博【作者单位】沈阳机床股份有限公司,辽宁沈阳110142;沈阳机床股份有限公司,辽宁沈阳110142;沈阳工业大学机械工程学院,辽宁沈阳110870;沈阳工业大学机械工程学院,辽宁沈阳110870【正文语种】中文【中图分类】TH1640 前言数控机床加工精度与机床结构、材料、伺服驱动系统、数控系统、加工过程有着密切联系。
现代数控机床向着高速、高精度、高性能的方向发展，对机床的动态性能提出了更高需求。
因此对机床动态性能深入细致的研究是必要的。
机床的动态特性是由其自身的质量、阻尼、刚度以及外部激励共同决定的。
对机床的动态特性研究包括了模态分析，谐响应分析等分析。
其中机床模态分析得到的结果是后面分析计算的基石，通常根据机床动力学分析结果来对机床进行优化设计达到改善机床的动态性能的目的。
近些年国内有许多针对机床的动态特性的研究。
其中文献［1］中研究了机床振动的基本理论，机床动力学建模与动态性能优化设计的方法；在文献［2］中针对机床立柱的结构动力学分析提出了一个新的基于拓扑优化方法的立柱结构设计，有效的提高了机床的动态特性；文献［3］对机床床身和立柱在有限元软件中进行了谐响应分析；文献［4］、［5］中分别使用 Ansys workbench和ABAQUS对机床工作台和夹具进行了结构优化设计；在文献［6］中，针对板条状结构提出了基于变密度理论固体各向同性微结构材料惩罚模型法的拓扑优化设计方法并且证明了该方法的实用性；文献［7］中将拓扑优化的方法进一步的推广到更一般的多物理及多学科的问题求解中，使得拓扑优化设计在工程中得到更好的应用；文献［8］在Hypermesh中完成了机床横梁的轻量化设计；文献［9］、［10］中分别在Ansys和Abaqus中对超高速机床主轴和立式加工中心进行了模态分析。
立式加工中心立柱动静态特性分析与拓扑优化_蒲凡
1
立柱模型的建立
图1 立柱结构实体模型
基于 Workbench 软件建立立柱模型可分为两步： 立柱实体模型的建立与有限元模型的建立 。 1． 1 立柱实体模型的建立 考虑到主轴箱通过滑块和丝杠与立柱直接相连 ， 对立柱这一支承件来说主轴箱作为其较大的集中质 量， 并且在工作过程中， 切削力是借助主轴箱的滑块 作用到立柱的 两 根 导 轨 上， 所以主轴箱对立柱的抗 、 弯 抗扭和固有频率等动静态特性有着较大影响。 为 了保证后续分析与优化过程中加载的准确性和方便 性， 将主轴箱模型也一并建出， 通过主轴箱进行力的 分析， 使得立柱的受力情况更符合实际 。 为提高建模效率， 使用 SolidWorks 软件建立立柱 结构实体模型， 然后， 利用软件间无缝连接的优势直 接导入 Workbench 中转化为有限元模型。 在建立三 维实体模型时， 为了有利于后续有限元分析的开展， 考虑到一些小特征对整体模型的动静态特性影响较 小， 故笔者对部分局部特征进行了合理的简化， 去掉 细小特征如倒角、 圆角及螺纹等。 简化后立柱结构实 体模型如图 1 所示。 1． 2 立柱有限元模型的建立 根据实际情况分析， 主轴箱位于立柱最上端极限
DOI： 10． 16731 / j． cnki． 1671 － 3133． 2017． 01． 014
Dynamic and static characteristic analysis and topological optimization for column of vertical machining center
： （ 1） （ 2）
f
K Mc
mm ； f 为 每 转 进 给 量 ， mm / 式中： d 为最大钻头直径 ， zFf、 yFf 分 别 为 钻 削 进 给 力 系 数 和 指 数 ； C Mc 、 r ； C Ff 、 K Mc 分 别 zMc、 yMc 分别 为 切 削 转 矩 系 数 和 指 数 ； K Ff 、 为进给力和转矩的修正系数 ， 一般情况下 ， 可取 K Ff 、 K Mc 为 1 。 将有关参数代入式（ 1 ） 、 式（ 2 ） 计算可得： 1． 2 0． 75 = 11 287N F f = 410 × 30 × 0． 36 M c = 0． 117 × 30 2． 2 × 0． 36 0． 8 = 92N·m 2． 1． 2 端铣工况下载荷分析 选 依据该立式加工中心在铣削工况下常用情况， 取端铣刀， 刀具材料为硬质合金， 工件材料为碳钢， 主 切削力 F c 可按下列经验公式 F c = 9 ． 81 × 789 ． 3 × a e 横向进给力 F x 为： Fx = 0． 3Fc 纵向进给力 F y 为： Fy = 垂向进给力 F z 为： Fz = 0． 5Fc mm； f z 为每齿进给量， mm / 式中： a e 为被加工表面宽度， mm； z 为铣刀齿数； d 为铣刀直径， z； a p 为切削深度， mm； n 为铣刀转速， r / min。 将相关参数代入公式计算可得： F c = 9． 81 × 789． 3 × 30 1． 1 × 0． 12 0． 75 × 16 × 6 × 50 － 1． 3 × 8 000 － 0． 2 = 6 552N F x = 1 966N F y = 5 323N F z = 3 276N 钻削两种典型工况下载 根据立式加工中心端铣、 荷分析结果表明： 端铣工况下载荷更加复杂， 并且各 向分力也比较大， 在端铣工况下对立柱进行动静态特 性分析， 更能全面反映立柱动静态性能。 72
立式数控加工中心的加工工艺规划和优化策略
立式数控加工中心的加工工艺规划和优化策略立式数控加工中心是一种多功能的高精度加工设备，广泛应用于各行各业的制造领域。
在实际应用过程中，为了实现高效、精确和稳定的加工效果，需要进行加工工艺规划和优化策略的设计。
本文将从工艺规划和优化策略两个方面进行探讨，并提出相应的解决方案。
一、工艺规划1. 材料选择：根据加工零件的要求以及生产成本等考虑因素，选择适用的材料。
材料的选择应综合考虑硬度、韧性、热稳定性以及加工性能等因素。
2. 切削参数选择：通过实验和经验总结，选择合适的切削速度、进给速度和切削深度等切削参数。
切削参数的选择应根据材料性质、刀具性能和机床的稳定性等因素进行合理取舍。
3. 工艺路线规划：根据零件的形状、复杂度和加工要求等因素，设计合理的工艺路线。
工艺路线的规划应考虑能否实现一次装夹完成多个加工工序以及加工顺序的先后关系等因素。
二、优化策略1. 加工刀具优化：选择合适的刀具材料和刀具类型，并进行刀具的均衡布局和合理配备。
刀具的优化可以提高加工效率和降低加工成本。
2. 刀具路径优化：通过优化刀具路径，减少切削次数和切削长度，提高切削效率并降低切削力。
刀具路径的优化还可以减少卡铣和毛刺等缺陷的产生。
3. 加工参数优化：通过系统实验和分析，优化切削速度、进给速度和切削深度等参数，提高加工效率和加工质量。
三、加工工艺规划和优化策略的应用案例以立式数控加工中心加工汽车零部件为例，介绍加工工艺规划和优化策略的应用案例。
1. 工艺规划：根据汽车零部件的要求，选择适用的材料，并设计合理的工艺路线。
经过实验和经验总结，选择合适的切削参数。
2. 优化策略：通过优化刀具的布局和选择合适的刀具材料，提高刀具寿命和加工效率。
同时，优化刀具路径和加工参数，减少切削次数和提高加工质量。
四、存在的问题及解决方案在立式数控加工中心的加工过程中，可能会出现以下问题：1. 刀具磨损严重：解决方案是定期更换刀具，并且选择高品质的刀具材料。
高速立式加工中心主轴箱结构分析及优化
168机械设计与制造M achi ner yD es i gn&M anuf act ur e第12期20l O 年12月文章编号：l ool 一3997(2010)12加168—02高速立式加工中心主轴箱结构分析及优化奉陆君1文怀兴1吕玉清：(1陕西科技大学机电工程学院，西安710021)(2宁夏中卫大河机床有限责任公司，中卫755000)St r uC t ure anaI ys i s a nd O pt -r ni za t l on 0f hi gh s pe ed V er t i cal pr O ces s i ng c ent er Spi ndIe boxL U Junl ，W E NH uai —xi n91，I ⅣY u —qi n92(1Col l egeof M echni cal and E l ect r i ca lEngi neer i ng ，ShaI l 】【i U ni ver s i t y of Sci ence andTechnol og)，，X i ’舳71002l ，C hi na)(2N i ngxi aD a he M ach i ne T001Co ，堋)．，Zhongwei755000，C hi na)【摘要】以高速立式加工中心主轴箱为研究对象，为满足高速加工中心整体性能的需要，利用pm 僵软件，建立了四种主轴箱结构的三维模型，分别进行了主轴箱的力学分析和静刚度计算，并对最优设计方案进行了合理的结构优化。
在满足主轴箱刚度的前提下，减少了重量，降低了成本。
为主轴箱动态性能的分析研究奠定了基础，为提高机床性能提供理论依据。
关键词：主轴箱；pr o ／E ；静刚度【Abst r act 】ye 以记面朋韶砌l i 蟛ce 船r 彬施D V G850印i ，蒯e 6饿∞￡砘r ese 伽^D 巧ect ，讥D r I 如r 幻sm i 以加e pe 咖，7加聊e 矿m 凹^i ni 昭ce ，蹴r ，so es ≠如倦kd o ￡^Me —di 聊瑚i o ，以，加如Z 矿z 船曲讹￡柳印流一d ％60菇琊e 旷pr o ／E s 够加删，c 凹7诒d D Ⅲ琥e ，，掰c^觎如d 珊t 咖括∞谢sfi 矛％ss c 如“勉i o 瑚协如据丌，zi ，配口化∞o ，I 曲如strz ￡c 舌Ⅱ，谢∞以9p 砌孔拓越iD 扎pr(，黝．7讫P 阳s Ⅱ如s^o 钟￡^m 朋它磨es “，eo 厂f^e s ￡拚；陀s s o 厂spi 蒯跆6蹦，r ed ∽ed 埘e 动￡锄df D 埘er cos 托^prD ￡}i 如sD 如“凡dm i 帆如r 彻nf ys 蠡i ngthe 由彻n 幻pe 咖嗍e 妒印眺抛6∞，翻耐pM 枷音口f 胁D 阳￡i cZ 6∞诂加ri ，印聊ei 喈￡船pe 咖愀e 矿，noc 危i 加．K ey w or ds ：Spi nm ebox ；Pm ／E ；St at i cst j f f ne 鲻中图分类号：T H l 22文献标识码：Al H I J 吞高速加工有生产率高、切削力小、工件热变形小、加工精度和表面质量高等四大优点。
拓扑优化设计的有限元分析使用教程
拓扑优化设计的有限元分析使用教程拓扑优化设计是一种优化设计方法，通过对结构的拓扑形状进行优化，以提高结构的性能和效率。
有限元分析是拓扑优化设计中常用的分析方法，能够对结构进行精确的应力和位移分析。
本篇文章将对拓扑优化设计的有限元分析使用进行详细介绍。
第一步：建立有限元模型在进行有限元分析之前，首先需要建立结构的有限元模型。
有限元模型是对实际结构进行离散化的模型，通过对结构进行网格划分，将结构分割成一系列小的单元。
常用的有限元单元包括三角形单元、四边形单元、六面体单元等。
根据实际情况选择适合的有限元单元进行建模。
第二步：定义材料属性和边界条件在建立有限元模型之后，需要为模型定义材料属性和边界条件。
材料属性包括材料的弹性模量、泊松比、密度等。
边界条件包括结构的支撑条件和施加的载荷条件。
根据实际情况为结构定义合适的材料属性和边界条件。
第三步：进行有限元分析有限元分析是对结构进行数值计算的过程，涉及到求解结构的位移和应力。
有限元分析可以通过商业软件实现，例如ABAQUS、ANSYS等。
在进行有限元分析之前，需要选择合适的求解算法和计算参数，并进行设置。
第四步：结果后处理有限元分析完成后，需要对分析结果进行后处理。
后处理包括对位移和应力结果进行可视化和分析。
可以使用后处理软件，如Paraview、Tecplot等，将结果导入进行可视化展示。
通过对结果进行分析，可以评估结构的性能以及进行结构的优化。
第五步：拓扑优化设计在进行有限元分析之后，可以根据分析结果进行拓扑优化设计。
拓扑优化设计的目标是优化结构的形态和拓扑结构，以满足特定的性能要求。
拓扑优化设计方法包括基于密度的方法、基于演化的方法、基于参数化的方法等。
根据实际情况选择适合的拓扑优化设计方法进行优化。
第六步：迭代优化拓扑优化设计是一个迭代的过程，需要进行多次优化迭代来逐步优化结构。
在每次优化迭代中，根据上次的优化结果进行结构的调整和更新，并重新进行有限元分析和后处理。
立式数控加工中心的加工路径规划和优化技术
立式数控加工中心的加工路径规划和优化技术立式数控加工中心作为一种用于金属零件加工的高精度设备，已经广泛应用于制造业中。
在使用立式数控加工中心进行加工时，合理的加工路径规划和优化技术能够提高加工效率、降低成本，并获得更好的加工质量。
本文将介绍立式数控加工中心的加工路径规划和优化技术的相关知识和方法。
1. 加工路径规划加工路径规划是指确定零件在加工过程中的运动轨迹，用以指导立式数控加工中心的工作。
合理的加工路径规划能够最大程度地减少切削时间、提高加工效率。
1.1 基本原则加工路径规划的基本原则包括：确定加工零件的初始位置和加工顺序、确保切削刀具的切削方向和刀具路径不发生冲突、最大程度地减少刀具快速移动的时间。
1.2 加工顺序规划加工顺序规划是指确定零件的加工顺序。
一般来说，应该优先加工尺寸精度高、形状复杂的零件，再加工尺寸较低要求、形状简单的零件。
加工顺序的合理规划能够减少刀具的闲置时间，提高加工效率。
1.3 切削方向优化切削方向的优化是指在不影响加工质量的前提下，优化刀具路径，减少切削时间和切削力。
合理的切削方向可以减少切削时刀具的快速移动，减少刀具损耗和振动。
2. 加工路径优化技术加工路径优化技术是指通过一系列优化方法和算法，寻找到最佳的加工路径，以实现优化加工效果。
以下将介绍一些常见的加工路径优化技术。
2.1 最佳路径搜索算法最佳路径搜索算法是指通过数学模型和计算方法，寻找到最佳加工路径。
常见的最佳路径搜索算法包括最短路径算法、最优路径算法等。
这些算法通过计算加工路径的长度、时间等指标，从而找到对应的最佳路径。
2.2 基于遗传算法的路径优化遗传算法是一种模拟自然进化过程的优化方法，适用于解决复杂的优化问题。
在加工路径优化中，通过使用遗传算法，可以将加工路径表示为一个染色体，并不断进化优化，以找到最优解。
遗传算法的优势在于可以应对复杂的约束条件和多目标优化问题。
2.3 基于人工智能的路径优化人工智能技术在路径优化中也得到了广泛应用。
基于ANSYS Workbench的DVG850工作台拓扑优化
基于ANSYS Workbench的DVG850工作台拓扑优化高东强;毛志云;张功学;黎忠炎【期刊名称】《机械设计与制造》【年(卷),期】2011(000)002【摘要】以DVG850高速立式加工中心工作台为例,利用SolidWorks软件强大的三维实体设计功能,精确地实现了工作台的三维建模,通过专有程序接口将模型导入到ANSYS Workbench软件中.利用ANSYS Workbench有限元分析软件的静力学分析功能,对工作台进行静力学分析,并根据计算结果校核了工作台的静刚度.应用ANSYS Workbench中的拓扑优化模块对工作台结构进行改进.改进后的工作台保持了原结构的静刚度,但质量却比原方案减少23.2kg.【总页数】2页(P62-63)【作者】高东强;毛志云;张功学;黎忠炎【作者单位】陕西科技大学,机电工程学院,西安,710021;陕西科技大学,机电工程学院,西安,710021;陕西科技大学,机电工程学院,西安,710021;陕西科技大学,机电工程学院,西安,710021【正文语种】中文【中图分类】TH16【相关文献】1.基于ANSYS Workbench的DVG850滑座的拓扑优化 [J], 夏田;马晓钢;张功学2.基于ANSYS WORKBENCH某型数控铣床工作台静模态分析 [J], 李和明3.基于ANSYS Workbench的立式车床回转工作台结构优化设计 [J], 魏锋涛;宋俐;代媛4.基于 ANSYS Workbench的立式加工中心工作台动特性研究 [J], 冯成国;曹巨江;张磊5.基于ANSYS Workbench的DVG850工作台系统的模态分析及优化 [J], 弋江淼;高东强;张菲;林欢因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
文献综述-立式加工中心
文献综述引言：在机床开发的过程中，CAD\CAE\CAM等一系列绘图软件的应用大大缩短了机床设计的周期，且便于产品设计过程中的修改，因而加速了产品的更新换代。
其中有限元分析法的产生与应用使机床在设计图纸完成之后，可以对机床进行受力和动态性能分析，用来判定机构受力是否合理以及振动稳定性如何，进而改进机床结构，使受力和动态性能达到最优化。
但有限元分析法的计算量非常大，应设法有效缩减计算规模。
且计算机解的缺点必须牢记在心头：这些解不一定能揭示诸如材料性能、几何特征等重要的变量是如何影响应力的。
一旦输入数据有误，结果就会大相径庭，而分析者却难以觉察。
因此还必须通过实验对设计加工好的机床进行静态、动态分析，来作为计算机仿真的补充。
1.有限元分析法现代有限元方法思想的萌芽可追溯到18世纪末，欧拉在创立变分法用与现代有限元相似的方法求解轴力杆的平衡问题，但那个时代缺乏强大的运算工具解决其计算量大的困难。
1941年A.Hrennikoff首次提出用构架方法求解弹性力学问题，当时称为离散元素法，仅限于杆系结构来构造离散模型。
1943年，纽约大学教授Richard Courant第一次尝试应用定义在三角形区域上的分片连续函数和最小位能原理相结合，来求解St.Venant扭转问题。
50年代，美国波音公司首次采用三结点三角形单元，将矩阵位移法应用到平面问题上。
20世纪60年代初，克拉夫（Clough）教授首次提出“有限元”的概念。
随着现代科学技术的发展，人们正在不断建造更为快速的交通工具、更大规模的建筑物、更大跨度的桥梁、更大功率的发电机组和更为精密的机械设备。
这一切都要求工程师在设计阶段就能精确地预测出产品和工程的技术性能，需要对结构的静、动力强度以及温度场、流场、电磁场和渗流等技术参数进行分析计算。
例如分析计算高层建筑和大跨度桥梁在地震时所受到的影响，看看是否会发生破坏性事故；分析计算核反应堆的温度场，确定传热和冷却系统是否合理；分析涡轮机叶片内的流体动力学参数，以提高其运转效率。
基于有限元的结构优化分析方法―拓扑优化(全文)
基于有限元的结构优化分析方法―拓扑优化1.引言结构拓扑优化是近20年来从结构优化研究中派生出来的新分支，它在计算结构力学中已经被认为是最富挑战性的一类研究工作。
1904 年Michell在桁架理论中首次提出了拓扑优化的概念。
自1964年Dorn等人提出基结构法，将数值方法引入拓扑优化领域，拓扑优化研究开始活跃。
20世纪80年代初，程耿东和N.Olhoff在弹性板的最优厚度分布研究中首次将最优拓扑问题转化为尺寸优化问题，他们开创性的工作引起了众多学者的研究兴趣。
1988年Bendsoe和Kikuchi发表的基于均匀化理论的结构拓扑优化设计，开创了连续体结构拓扑优化设计研究的新局面。
1993年Xie.Y.M和Steven.G.P提出了渐进结构优化法。
1999年Bendsoe和Sigmund证实了变密度法物理意义的存在性。
20XX年罗鹰等提出三角XX格进化法，该方法在优化过程中实现了退化和进化的统一，提高了优化效率2.拓扑优化工程背景及基本原理通常的的结构优化按照设计变量的不同分为三个层次：结构尺寸优化，形状优化和拓扑优化。
结构尺寸优化，形状优化在目前已经进展到了很高的水平，但是它们依旧存在不能变更结构拓扑的缺陷，在这样的情况下，人们开始研究拓扑。
拓扑结构形式有两种基本的原理：一种是退化原理，另一种是进化原理。
退化原理的基本思想是在优化前将结构所有可能杆单元或所有材料都加上，然后构造适当的优化模型，通过一定的优化方法逐步删减那些不必要的结构元素，直至最终得到一个最优化的拓扑结构形式。
进化原理的基本思想是把适者生存的生物进化论思想引入结构拓扑优化，它通过模拟适者生存、物竞天择、优胜劣汰等自然机理来获得最优的拓扑结构3.拓扑优化的主要思想拓朴优化的主要思想是将寻求结构的最优拓朴问题转化为在给定的设计区域内寻求最优的材料分布问题，最终得到最佳的材料分配方案，这种方案在拓朴优化中表现为“最大刚度”设计，即同一结构，不同的材料分布形式，在材料相同的情况下，拓朴优化结果可以使结构整体刚度最大。
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摘 要 ： Ｓ ｌ Ｗｏ ｋ 在 ｏｉ ｄ ｒ ｓ中分 别对 高速 立式加 工 中心工作 台的 ４种方 案 （ 即普 筋工作 台 、 筋加 普
强 筋 工 作 台 、 筋 工 作 台 、 筋 加 强 筋 工 作 台） 行 实 体 建 模 ． 模 以后 ， 先 对 ４种 方 案 做 有 斜 斜 进 建 首
曲 线 图 （ １ ）３ 图 ０ ¨． ］
象进行 下 面的研 究工作 ．
２ ２ 模 态 分 析 ．
对 高 速 立式 加 工 中心 工作 台系 统进 行 自 由模 态求解 分 析 ， 时 工作 台系 统 的模 态 为 约 束模 态 ， 此 提取其 前 １ ５阶模 态 数 据 ， 据 振 型 图查 看 工作 台 根 系统 的振 动特征 和受 力 的薄弱 区域 ， 为高速 立式加 工 中心抗 振特性 研究 提供 了必要 的依 据． 工作 台系统 的模 态频 率与振 型描 述见表 ４ ．
ｑ ｅ ｙ，ｄｏ ｍ ｏ ｌａ ｌ ｓｓ Ｆｉ ｌｙ，ｔ ｕ ｎｃ ｄａ ｎａ ｙ ｉ ． ｎａ ｌ ｈｅ ｗｏｒ ｂｅ ｈ ｈａ ｂ ｅ ｏ ｏｌ ｇ ｃ ｌ ｏ ｔｍ ｉａ ｉ ｎ． Ｂｅ ｋ ｎｃ ｓ ｅ ｎ ｔ ｐ ｏ ｉ ａ ｐ ｉ ｚ ｔｏ —
ｃ ｕｓ ｈｅｒ ｓ ｌ ｆｔ ｏ ｌ ｇｉａ ｐ ｉ ｉａ ｉ ｎ ｉ ｏｔｏｂ ｉ ｕｓ。Ｓ ｈｏ ｅｗ ｏｒ ｂｅ ｃ Ｓｖｅ — ａ ｅｏｆｔ ｅ ｕ ｔｏ ｈｅｔ ｐｏ ｏ ｃ ｌｏ ｔｍ ｚ ｔｏ Ｓｎ ｖ ｏ Ｏ ｃ ｏｓ ｋ ｎ ｈ ｉ ｒ ｉｉ ｄ ｂｙ ｒ ａ ｏ ａ ｅ ｓ ｒ ｔ ｅ ｆｅ ｅ ｓ ｎ ｂｌ ｔ ｕｃ ｕｒ ． Ｋ ｅ ｒ ： ｇ — ｐ ｅ ａ ｈｉ ｉ ｇ ｃ ｎｔ ｒ；ｗ ｏ ｋｔ ｂ ｅ； ｔ ｏ ｏｇ ｃ ｌｏｐ ｉ ｉ ａ ｉ ｎ ｙ ｗｏ ｄｓ ｈｉ ｈ ｓ ｅ ｄ ｍ ｃ ｎ ｎ ｅ ｅ ｒ ａｌ ｏｐ ｌ ｉａ ｔｍ ｚ ｔｏ
２１ Ｏ ２年 ｌ ０月
文 章 编 号 ： ０ ０５ １ （ ０ ２ ｏ 一 ０ ６０ １ ０ — ８ １ ２ １ ） ｓ０ ９ — ４
高 速 立 式加 工 中心 工作 台 的
有 限 元 分 析 和 拓 扑 优 化
林 欢 ，高 东 强 ，张 菲 ，弋 江 淼
（ 西科 技 大 学 机 电工 程 学 院 ，陕 西 西 安 陕 ７０ ２ ） １ ０ １
斜 筋 加 强 筋 普 筋 加强 筋 普 筋 斜 筋
１ 向刚 度 （ ０ Ｎ／ － １ ７ ｍ） Ｙ向 刚 度 （ ０ Ｎ／ １ ７ ｍ） ｚ向 刚 度 （ ０ Ｎ／ １ ７ ｍ）
２５ ． ４ ． ０９ ５ ５
８ ． ０１ １７５ ０ ． １６７ ６ ．
３ ． ５１ ９．８ １２
３ ． ５ １ ６ ９ ． ０７
１８ ３ １ ０ ３ ６．３ ４ ．
通 过对 ４种 工作 台结 构 ： 筋 工作 台系 统 、 普 斜 筋 工作 台系统 、 普筋 加强 筋工作 台 系统和斜 筋加 强 筋 工作 台系统 做静 力 分 析 ， 分 别对 Ｘ、 Ｚ方 向 并 ｙ、 上 的静 刚度进 行计算 和 比较得 出 以下结论 ： 向： ②＞ ④＞ ③＞ ①
限元 分析 和刚度 分析 ， 比较得 出普 筋加 强 筋为最优 方案． 然后 ， 以提 高 固有频 率 为 目标 做模 态 分析 ， 得到 工作 台系统的模 态频 率与振 型． 最后 ， 据静 动力 学的分 析 结果 ， 根 以提 高普 筋加 强 筋 工作 台 系统的 固有频 率为 目标 ， 对该 工作 台进 行拓 扑 优 化． 因为拓 扑优 化 的结 果不 是很 明显 ，
根据 刚度 的计算 公式
Ｋ —Ｆ／ Ａ （） １
表 ４ 工 作 台 系 统 的 模 态 频 率 与 振 型 描 述
阶次频率／ Ｈｚ 振 型
式 中 ： 一 刚度 ， 一 位移 ， Ｋ △ Ｆ一 力． 算 出几 计
种 方 案 在 ｚ、 ห้องสมุดไป่ตู้ 向 的 刚度 ， 表 ３ Ｙ 见 ． 表 ３ 工 作 台 系 统 的 计 算 刚 度
加 工 中心 的工作 台要 承 受 静 载荷 以及 在加 工 时产 生 的切 削负 载 ， 因此 要求 工作 台必须 要有 足够 的刚
度．
＊
收 稿 日期 ： ０ ０ ５ ２ １ － ８ ２ ２ 作者简介 ： 林 欢 （ ９ ８ ） 女 ， 南 株 洲人 ， 读 硕 士 研 究 生 ， １８ ， 湖 在 研究 方 向 ： 控 、 向工 程 、 速 加工 数 逆 高
ＩＩ Ｈｕ ｎ，ＧＡ Ｏ Ｄｏ ｇ ｑａ ｇ，ＺＨＡＮＧ ｉ Ｎ ａ ｎ — ｉｎ Ｆｅ ，ＹＩ ｉｎ — ｉｏ ａ ｇｍ ａ Ｊ
（ ｏ ｌｇ ｆ ｅｈ ｎｃ ｌ ｎ Ｅｌｃｒｃ ｌ ｇｎ ｅｉｇ， Ｓ ａ ｎ ｉ Ｃ ｌ ｅ ｏ Ｍ ｃ ａ ｉａ ｅ ａ ｄ ｅ ｔｉａ Ｅｎ ｉｅ ｒ ｎ ｈ ａ ｘ Ｕｎｖ ｒｉｙ ｏ ｃｅ ｃ ＆ Ｔｅ ｈ ｏｏ ｙ Ｘｉ ｎ ｉｅ ｓｔ ｆ Ｓ ｉｎ ｅ ｃ ｎ ｌｇ ． ａ
在 拓扑 优化 密度 云图 中 ， 伪密 度为 ｌ的材料 部 分 由红 色表 示 ， 密 度 为 ０的 材 料 部 分 由蓝 色 表 伪 示 ， 余部 分 的伪 密 度值 按 照 伪 密度 值 对 比标 尺． 其 在拓 扑优化 概念 中 ， 往要 求保 留的 是伪 密 度 为 １ 往 的部 分 ， 因为这 部 分对 零 件 性 能影 响较 大 ； 求 去 要
１ ． ３ ３ ０ ４
０ ７ ０ ５ ． ０ ９
—
５０ ６５ ． ０
—
４ ０ ２７ ． ４
６ ． ５ ２ ５ ３
—
０ ２ ５９ ． ５
４ ０ ４３ ． ８
１ ． ３ ３ ０ ５
表 ２ 普 筋 加 强 筋 、 筋 加 强 筋 工 作 台 系统 分 别 受 力 Ｆ 、 Ｆ 斜 Ｆ 、 时 对 应 的 三 个 方 向 上 变 形 位 移 值
标 函数 （ ） Ｒ Ｑ，ＴＯ Ｔ（ Ｅ Ｆ ＶＡＲ ， ） 以体 积作 为约 束 条
件．
从 分 析结 果 中分别 提 取 了拓 扑 优化 的节 点伪 密度分 布 图（ ８ 、 图 ） 拓扑 目标 函数 随迭代 变 化 的曲 线 图 （ ９ 和 拓 扑 约束 ＶＯ ＵＭＥ 随迭 代 变 化 的 图 ） Ｌ
系统特 征 ， 合经 验设计 出 ４种不 同布 筋形式 的工 结 作 台系统 模 型［ ． Ｓ ｌ Ｗｏｋ １ 在 ｏｉ ］ ｄ ｒｓ中分别 对 这 ４种 方 案进行 实体 建模 ． 方 案 １普 筋 工 作 台 （ １． 用 “ ： 图 ）采 口” 形 肋 字 条 ， 构简单 ， 易制造 ， 结 容 常用于 床身 窄壁 上． 方 案 ２ 普筋 加强 筋工作 台（ ２ ． 用 呈三 角 ： 图 ）采
３ 高速 加工 中心 工作 台 系统 的拓 扑优化
本 文 做 的 是 工 作 台 基 于 模 态 分 析 的 最 大 动 刚 度 优化设 计 ， 结 构 的固有频 率作 为拓扑 优化 的 目 以
②代表 普筋加 强筋 工作 台系统 的静 刚度 ③ 代表 普 筋 工作 台 系统 的静 刚度 ④代 表 斜筋 工作 台系统 的 静 刚度 ． 由以上 比较 可 以看 出 ， 筋加 强筋工 作 台系统 普 在 ｚ， Ｙ方 向上 的 刚 度 均 大 于 其 他结 构 ， 在 方 向 上稍 比普筋 工作 台系统 小 ， 以 ４种方 案 中普 筋加 所 强筋工 作 台系统具 有较好 的静 态特 性 ， 依此 为对 并
工 巾心 的主轴 转 速 大 于 １ ０ ／ ｎ Ｘ 轴 、 轴 ００ ０ｒ ｍｉ ， ｙ 和 ｚ 轴 的移动 速度 大 于 ６ ｍｉ， 且 加 速度 大 ０ｍ／ ｎ 并 于 ９ ８ｍ／ 相较 于普 通 的数控 机床 ， 速加 工 中 ． ｓ． 高
心 具 有 速 度 快 、 制 系 统 灵 敏 、 造 水 平 高 的优 势 ． 控 制
所 以 验 证 所 选 的 工 作 台结 构 合 理 ．
关 键 词 ： 速 加 工 中 心 ；工 作 台 ； 扑 优 化 高 拓 中 图法分 类号 ： ＴＨ１ ２ ２ 文献标 识码 ： Ａ Ｔｈ ｉ ｔ ｌ ｍ ｅ ｎ ｏ ｌ ｇ ｃ ｌｏ ｉ ｉ ａ ｉ ｎ ｅ ｆｎｉｅ ｅ ｅ ｎｔａ ｄ ｔ ｐｏ ｏ ｉ ａ ｐｔｍ ｚ ｔｏ ｏ ｇ ｓ ｅ ｄ ｖ ｒ ｉ ａ ａ ｈｉ ｎｇ ｃ ｎｔ ｒ ｗｏ ｋ ａ ｅ ｆｈｉ ｈ— ｐ ｅ ｅ ｔｃ ｌｍ ｃ ｎｉ ｅ ｅ ｒ ｔ ｂｌ
０ 引言
加 工 中 心 主要 用 于 加 工 箱 体 类 的 零 件 ． 速 加 高
１ 高 速加 工 中心 工作 台 系统 的 实体 建模 高 速加 工 中心 的工作 台系统包 括工 作 台 ， 丝杠
母 座 ， 杠 ， 轨 和 滑 块 ． 据 市 场 上 现 有 的工 作 台 丝 导 根
第 ３ Ｏ卷
第 ５ 期
陕 西科 技 大 学 学报
Ｊ ｕ ｎａ ｆＳ ａ ｎ ｉＵｎ ｖ ｒ ｉｙ ｏ ｃｅ ｃ ＆ Ｔ ｃ ｎ ｌｇ ｏ ｒ ｌｏ ｈ ａ ｘ ｉ ｅ ｓｔ ｆＳ ｉ ｎ ｅ ｅ ｈ ｏｏ ｙ
Ｖ ｏＩ３Ｏ Ｎ ｏ ． ．５ ０ ｃ ． Ｏｌ ｔ２ ２
Ｙ向 ： ＞ ③ ＞ ④ ＞ ① ② 向 ： ＞ ② ＞ ④ ＞ ① ③ 其 中 ： 代 表 斜 筋 加 强 筋 工 作 台 系 统 的 静 刚 度 ①
从 工作 台系统 的动 态描述 可知 ， 工作 台 系统 中 的丝杠 和筋板 刚度 较 小． 此 为 指导 ， 工作 台系 据 对
统 进行 结构改 进 ， 而提 高工作 台系统 的刚度 ． 进
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陕 西科 技 大 学 学报
表 １ 普 筋 、 筋 工 作 台 系 统 分 别 受 力 Ｆ 、 Ｆ 时 对 应 的 三 个 方 向 上 位 移 变 形 值 斜 Ｆ 、 。
第３ 卷 Ｏ