机床床身结构优化设计

结构及多学科优化工程应用与理论研讨会’2009（CSMO-2009）

中国·大连—2009年9月3日-4日

机床床身结构优化设计

陈叶林 丁晓红 郭春星 郭媛美

(上海理工大学 机械工程学院)

摘要:在机床的各个组成部分中，机床床身等支承件的重量占整机总重量的20%∼30%，而其动静态性能直接影响整台机床的加工精度和稳定性。随着加工业的发展，传统的经验设计方法已经无法满足高加工精度和经济性要求。本文以机床床身为研究对象，深入研究在保证床身动静态性能的条件下，机床床身结构轻量化设计的方法和策略。

机床刚度指机床工作时达到预定加工精度的能力。当机床刚度近似线性时，用垂直于加工面方向上的静载荷对综合位移的比值来表示机床静刚度。而机床的固有频率决定于机床的静刚度和质量，当机床静刚度越大而质量越小时，机床的固有频率越大，当激振频率与固有频率之比小于一定值时，振幅主要决定于静刚度，为振动的准静态区。因此提高机床的静刚度，降低机床的质量可在保证机床加工精度的同时，提高机床的经济性能。机床床身一般是由壁板组成的框架结构，内置纵横筋板，以提高床身的抗弯及抗扭刚度，因此床身刚度主要与床身筋板的布置、垫铁位置以及壁板上孔的位置等因数有关。本文以某型号外圆磨床床身结构为研究对象，首先建立床身结构的参数化模型，以床身内部筋板和垫铁间距为设计变量，以导轨刚度为设计目标，对床身结构进行优化设计，得到床身筋板和垫铁的合理布置。在此基础上，以满足床身静刚度和固有频率为约束条件，以床身质量为设计目标，对床身结构进行拓扑优化设计，得到床身结构合理的材料分布。并综合考虑床身的制造工艺及装配等条件，提出了床身结构的最终优化方案。通过与原模型的动静态性能对比，说明了优化后床身结构的合理性。研究表明，采用本文提出的床身结构优化设计方法，在保证床身动静态性能的基础上，可减轻床身质量，达到节省材料，降低机床的生产成本，提高经济效益的目的。

关键词：机床床身结构；优化设计；刚度；固有频率

317