高速立式加工中心滑座的结构分析及优化
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LU Jun， WEN Huaixing， ZHANG Gongxue， MA Xiaogang （ College of Mechnical and Electrical Engineering， Shaanxi University of Science and Technology， Xi’ an 710021 ， CHN） Abstract： In order to satisfy the performance of machining center ， so established a three － dimensional model of the structure slide useing Pro / E software，carried out the mechanical analysis and stiffness calculations to determine a reasonable structural and optimization program. The result shows that by making sure of the stiffness of slide，weight is reduced and costs is lower，It provides a foundation for analysising the dynamic performance of slide. Keywords： Slide； Pro / E ； Static Stiffness 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， 因此得到了许多 工业部门的青睐。作为 21 世纪的一项先进制造技术， 将继续克服当前存在的某些技术障碍， 例如加强对机 床重要部件自身刚度、 强度、 抗振性的分析来提高机床 ［ 1］ 整体性能使高速加工技术得到更快的发展 。 随着机床的高速化， 机床开动频率愈来愈高， 甚至 主轴系统性能和结构参数的计算程序和 SolidEdge 的 SolidEdge 的 二次开发工作。在本项目的研究工作中， 二次开发与 ADAMS 的 虚 拟 仿 真 均 是 首 次 开 展 的 工 作， 为公司进一步开展其它产品和关键零部件的集成 设计分析提供了可行的技术方案， 奠定了技术基础。 建立了应用于加工中心的高速主轴系统虚拟产品数字 化信息模型和数字化设计平台， 能实现项目所要求的 主要功能， 经过制造实例验证， 达到了预期目标。 参
此次研究的滑座结构在设计时采用了以往的设计 经验， 在结构上采用不同的肋板支撑来提高滑座的自 身刚度。主要有以下 4 种布筋方案， 分别为： 方案 1 ： 普筋加强。采用纵横肋条直角相交， 容易 制造， 常用于承载较小的床身壁上。 方案 2 ： 斜筋。采用呈三角形分布肋条， 能够保证 多用于矩形截面的床身宽壁处。 足够的强度， “口 ” 方案 3 ： 普筋。 采用 字形肋条， 结构简单， 容 易制造， 常用于床身窄壁上。 “米” 方案 4 ： 斜筋加强。采用 字形， 各方面能均匀 收缩， 内应力小。 按上述模型建立 4 种线性静力分析方案， 用实体 单元模拟几何模型初步得到 4 种方案的静刚度数据， 比较、 判断， 那一种方案更优， 以此来进行优化研究， 改 。 进初步设计 1. 2 滑座结构三维建模 由于模型存在大量的 孔、 倒角、 筋等， 结构复杂。 根据有限元的分析特点使 用理想化模型 （ 如梁单元、 壳单元、 对称 ） 来模拟物理 模型可减少系统计算时 间。因此需进行必要的简 化处理， 忽略对滑座结构影响甚微又会耗费大量时间 的特征。简化后的模型见图 1 。 根据滑座模型特点大部分为壳、 板特征， 分析时使 用壳单元可大大减少运算时间， 但由于滑座不完全为 壳体单元， 且变形为小变形， 为精确模拟实况所以这里 。 选择实体单元
2
滑座的有限元分析
滑座材料为铸铁， 其材料特性参数见表 1 。 单元 选择 Solid45 六面体单元， 滑座模型形状复杂采用智能 划分网格。
表1
项目 弹性模量 E 泊松比 μ
铸铁材料的相关参数
本分析选用值 130 GPa 0 . 23 实际输入值 1. 3 × 10 5 N / mm2 0 . 23
1
24 h 连续运转。 这就使得对最初配备的机床部件的 要求更高， 在恶劣的环境中， 其耐磨性和精度保持性均 要好， 而且机床要有足够的刚度。 其中支撑件的刚度 计算是必不可少的， 他们的形态、 几何尺寸和材料是多 种多样的， 但都应满足刚度、 抗振性、 热变形和内应力 等基本要求。而静刚度取决于支撑件本身的结构刚度 和接触刚度， 动刚度与支撑件系统的阻尼、 固有频率有
· 43 ·
主题： 高速高效加工 Topics： High Speed and High Efficiency Machining 中， 滑座的总重量是目标函数， 总应力和位移为状态变 量， 提取结果并赋值相应的目标函数和状态变量 ， 进行 优化， 见图 7 。 化改进后的分析结果见表 2 。 经比较后可知优化后的体积减少， 与原设计相比 去除材料占总体积的 10. 67 % ， 质量为 23. 43 kg， 改进 后的结构在性能上虽没有太大的变化但与原方案相比 更加节省材料， 质量减轻， 降低了成本。 在整个分析过程中， 结合传统的设计方法， 加快了 产品的设计周期， 提高了分析精度和设计质量， 经验与 保证了 设计手段的相结合避免了产品设计的盲目性 ， 材料的最大利用率， 再结合有限元分析及结构优化等 进行全面的研究设计， 减少实际应用中存在的缺陷， 提 高产品性能， 增强企业竞争力。 参 考 文 献
K］ 在线性分析的假设下， 刚度矩阵［ 为常数， 这与 。 ， 胡克定律是一致的 从方程中不难看出 一个静力学 分析只需要输入载荷或位移即可得出对应的变形 、 应 。 力和应变 在这些计算结果的基础上可以决定做什么
· 42 ·
主题： 高速高效加工 Topics： High Speed and High Efficiency Machining 样的变更才能达到最佳化设计。 以上 4 种方案（ 普筋、 普筋加强、 斜筋， 斜筋加强 ） 经过静力分析和计算后得出普筋与斜筋刚度最好 ， 两 者结果相差较小。但根据滑座工作状况会偏移工作台 工作， 当工作台移动时， 由于滑座导轨跨距较窄， 致使 工作台在行程两端时容易出现翘曲， 影响加工精度。 因此选择不同位置再次对普筋、 斜筋进行分析， 检查整 4 。 图形放大倍数 分析对比见图 3 、 体位移变形状况，
3 4 5 徐燕申， 徐千理， 侯 亮. 基于 CBR 的机械产品模块化设计方法的研 J］ . 机械科学与技术， 2002 ， 21 （ 5 ） 究［ . 张明华， 刘强， 袁松梅. 主轴单元参数化建模、 分析与优化设计［J ］ 2008 ， 27 （百度文库2 ） 机械科学与技术， 王国强， 张进平， 马若丁. 虚拟样机技术及其在 ADAMS 上的实践 ［ M］ . 西安： 西北工业大学出版社， 2002.
1971 年生， 第一作者： 尹洋， 女， 博士研究生， 副教 主要从事计算机辅助设计与分析及先进制造技术 授， 的研究。已发表论文 20 余篇。 （ 编辑 孙德茂）
（ 收稿日期： 2009 － 06 － 30 ） 文章编号： 10210 如果您想发表对本文的看法， 请将文章编号填入读者意见调查表中的相应位置。
考
文
献
S. Smith， J. Tlusty. Current trends in high － speed machining. Journal of Manufacturing Science and Engineering， Transaction of the ASME， 1997 ， 119 （ 11 ） ： 664 － 666
标准值 78 . 5 ～ 157 GPa 0 . 23 ～ 0 . 27
2. 1
有限元约束边界条件
1
1. 1
滑座的结构设计
方案比较
边界条件是指约束和载荷， 约束是对单元节点的 约束边界确定是有限元分析的前提 自由度进行控制， 和基础， 与工况一致的约束条件才能准确反映分析对 ［ 2］ 象的力学特性 。
5 为 3. 15 × 10 。
检视结果见图 5 。
特定载荷分析下可知， 滑座所受最大应力为 0. 67 MPa； 最大位移为 0. 32 μm； 从应力图中看出滑座大部 最大应力占强度极限的比重小， 可 分是受力小的区域， 认为原设计方案， 造成材料浪费， 因此滑座的结构有进 一步优化的必要。
3
滑座的结构优化设计
足滑座刚度的前提下， 减少了重量， 降低了成本。为滑座动态性能的分析研究奠定了基础 。 关键词： 滑座 Pro / E 静刚度 中图分类号： TP391
Structure Analysis and Optimization of High － speed Vertical Processing Center Slide
滑座下面有 Y 向导轨连接底座， 滑座承受底座的 X 轴方向和 Z 轴方向的固定约束， 承受面为导轨槽底 面见图 2 。丝杠提供滑座 Y 轴方向的运动和锁紧， 所 以丝杠装配孔的边界条件简化为 Y 轴方向的固定约 束。轴承与滑座之间的装配关系是过盈配合， 轴承与 轴之间的约束是一种难以确定的弹性约束 ， 所以此处 忽略轴承。在加工状态下， 滑座静止不动， 刀具对工件 的加工力会通过工作台传递给滑座 。由于刀具的加工 力是一个交变力， 而本文只做静力分析， 因此就不再讨 论处于加工状态下的滑座结构效应， 只分析滑座处于 进给状态时的应力应变情况。在滑座的表面上有均布 力的作用， 计算值为 83. 5 kPa。 2. 2 静力分析 结构静力分析是优化及其他高级结构分析的基 静力分析能够计算结构在固定不变的载荷作用下 础， 的响应。他不考虑惯性与阻尼的影响， 因此， 从动力学 方程中去掉时间相关项可以得到 ： ［ K］ ·｛ X ｝ = F （ 1）
2
M］ . 北京： 机械工业出版社， 2003. 王新玉. 数字化设计［
· 41 ·
主题： 高速高效加工 Topics： High Speed and High Efficiency Machining 关。在外载荷的作用下， 变形量不得超过允许值， 这对 于精密机床更为重要。 目前先进制造技术中传统设计方法已不能满足现 代数控机床高速、 高效、 高精度、 高可靠性、 模块化、 智 能化、 柔性化、 集成化和开放性等特点， 在设计过程中 还必须运用现代设计方法和工具 。 本文结合传统和现代设计方法对高速立式加工中 心（ 主轴转速 20 000 r / min） 的基础件滑座的 4 种方案 进行了力学性能的研究， 并对其中最佳性能的方案进 行了结构最优化设计研究。为整体动态性能分析奠定 基础， 实现从机床的前期设计阶段到生产阶段的转变 。
主题： 高速高效加工 Topics： High Speed and High Efficiency Machining
高速立式加工中心滑座的结构分析及优化
陆 君 文怀兴 张功学 马小刚
（ 陕西科技大学机电工程学院， 陕西 西安 710021 ） 摘 要： 为满足高速加工中心整体性能的需要， 利用 Pro / E 软件， 建立了四种滑座结构的三维模型， 分别进 得出普筋模型为最优方案并对其进行了合理的结构优化 。在满 行了滑座的力学分析和静刚度计算 ，
设计参数是零件在灵敏度或最佳化设计研究期间
用来控制模型形状变更范围的变量， 通过更改设计参 数来达到改变几何形状的目的。而滑座支撑主要承受 弯曲刚度和扭转刚度， 它的大小与支撑件的材料、 结构 几何尺寸以及筋的布置有关 形状、
［ 3］
。
所以这里采用 Pro / e 的灵敏度研究， 找出模型尺 寸、 筋布局等对滑座的影响， 有效检测各部分的相互关 系， 对一个或多个尺寸变更的灵敏度进行测量 ， 简单描 消除在最优化中不需 述设计变更是如何影响模型的， 要的尺寸变量， 加快有效设计变量的建立。 查看灵敏度设计研究结果见图 6 。 经计算可知普筋的总体刚度相比斜筋要好 ， 且普 筋的体积比斜筋的体积小可降低成本 。4 种方案确定 普筋为最优方案并进行优化。 设计变量为自变量， 优化结果的取得就是通过改 变设计变量的数值来实现的。目标函数是要尽量减小 也就是说， 改变设 的数值。它必须是设计变量的函数， 计变量的数值将改变目标函数的数值 。在以上的问题
此次研究的滑座结构在设计时采用了以往的设计 经验， 在结构上采用不同的肋板支撑来提高滑座的自 身刚度。主要有以下 4 种布筋方案， 分别为： 方案 1 ： 普筋加强。采用纵横肋条直角相交， 容易 制造， 常用于承载较小的床身壁上。 方案 2 ： 斜筋。采用呈三角形分布肋条， 能够保证 多用于矩形截面的床身宽壁处。 足够的强度， “口 ” 方案 3 ： 普筋。 采用 字形肋条， 结构简单， 容 易制造， 常用于床身窄壁上。 “米” 方案 4 ： 斜筋加强。采用 字形， 各方面能均匀 收缩， 内应力小。 按上述模型建立 4 种线性静力分析方案， 用实体 单元模拟几何模型初步得到 4 种方案的静刚度数据， 比较、 判断， 那一种方案更优， 以此来进行优化研究， 改 。 进初步设计 1. 2 滑座结构三维建模 由于模型存在大量的 孔、 倒角、 筋等， 结构复杂。 根据有限元的分析特点使 用理想化模型 （ 如梁单元、 壳单元、 对称 ） 来模拟物理 模型可减少系统计算时 间。因此需进行必要的简 化处理， 忽略对滑座结构影响甚微又会耗费大量时间 的特征。简化后的模型见图 1 。 根据滑座模型特点大部分为壳、 板特征， 分析时使 用壳单元可大大减少运算时间， 但由于滑座不完全为 壳体单元， 且变形为小变形， 为精确模拟实况所以这里 。 选择实体单元
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滑座的有限元分析
滑座材料为铸铁， 其材料特性参数见表 1 。 单元 选择 Solid45 六面体单元， 滑座模型形状复杂采用智能 划分网格。
表1
项目 弹性模量 E 泊松比 μ
铸铁材料的相关参数
本分析选用值 130 GPa 0 . 23 实际输入值 1. 3 × 10 5 N / mm2 0 . 23
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24 h 连续运转。 这就使得对最初配备的机床部件的 要求更高， 在恶劣的环境中， 其耐磨性和精度保持性均 要好， 而且机床要有足够的刚度。 其中支撑件的刚度 计算是必不可少的， 他们的形态、 几何尺寸和材料是多 种多样的， 但都应满足刚度、 抗振性、 热变形和内应力 等基本要求。而静刚度取决于支撑件本身的结构刚度 和接触刚度， 动刚度与支撑件系统的阻尼、 固有频率有
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主题： 高速高效加工 Topics： High Speed and High Efficiency Machining 中， 滑座的总重量是目标函数， 总应力和位移为状态变 量， 提取结果并赋值相应的目标函数和状态变量 ， 进行 优化， 见图 7 。 化改进后的分析结果见表 2 。 经比较后可知优化后的体积减少， 与原设计相比 去除材料占总体积的 10. 67 % ， 质量为 23. 43 kg， 改进 后的结构在性能上虽没有太大的变化但与原方案相比 更加节省材料， 质量减轻， 降低了成本。 在整个分析过程中， 结合传统的设计方法， 加快了 产品的设计周期， 提高了分析精度和设计质量， 经验与 保证了 设计手段的相结合避免了产品设计的盲目性 ， 材料的最大利用率， 再结合有限元分析及结构优化等 进行全面的研究设计， 减少实际应用中存在的缺陷， 提 高产品性能， 增强企业竞争力。 参 考 文 献
K］ 在线性分析的假设下， 刚度矩阵［ 为常数， 这与 。 ， 胡克定律是一致的 从方程中不难看出 一个静力学 分析只需要输入载荷或位移即可得出对应的变形 、 应 。 力和应变 在这些计算结果的基础上可以决定做什么
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主题： 高速高效加工 Topics： High Speed and High Efficiency Machining 样的变更才能达到最佳化设计。 以上 4 种方案（ 普筋、 普筋加强、 斜筋， 斜筋加强 ） 经过静力分析和计算后得出普筋与斜筋刚度最好 ， 两 者结果相差较小。但根据滑座工作状况会偏移工作台 工作， 当工作台移动时， 由于滑座导轨跨距较窄， 致使 工作台在行程两端时容易出现翘曲， 影响加工精度。 因此选择不同位置再次对普筋、 斜筋进行分析， 检查整 4 。 图形放大倍数 分析对比见图 3 、 体位移变形状况，
3 4 5 徐燕申， 徐千理， 侯 亮. 基于 CBR 的机械产品模块化设计方法的研 J］ . 机械科学与技术， 2002 ， 21 （ 5 ） 究［ . 张明华， 刘强， 袁松梅. 主轴单元参数化建模、 分析与优化设计［J ］ 2008 ， 27 （百度文库2 ） 机械科学与技术， 王国强， 张进平， 马若丁. 虚拟样机技术及其在 ADAMS 上的实践 ［ M］ . 西安： 西北工业大学出版社， 2002.
1971 年生， 第一作者： 尹洋， 女， 博士研究生， 副教 主要从事计算机辅助设计与分析及先进制造技术 授， 的研究。已发表论文 20 余篇。 （ 编辑 孙德茂）
（ 收稿日期： 2009 － 06 － 30 ） 文章编号： 10210 如果您想发表对本文的看法， 请将文章编号填入读者意见调查表中的相应位置。
考
文
献
S. Smith， J. Tlusty. Current trends in high － speed machining. Journal of Manufacturing Science and Engineering， Transaction of the ASME， 1997 ， 119 （ 11 ） ： 664 － 666
标准值 78 . 5 ～ 157 GPa 0 . 23 ～ 0 . 27
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有限元约束边界条件
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1. 1
滑座的结构设计
方案比较
边界条件是指约束和载荷， 约束是对单元节点的 约束边界确定是有限元分析的前提 自由度进行控制， 和基础， 与工况一致的约束条件才能准确反映分析对 ［ 2］ 象的力学特性 。
5 为 3. 15 × 10 。
检视结果见图 5 。
特定载荷分析下可知， 滑座所受最大应力为 0. 67 MPa； 最大位移为 0. 32 μm； 从应力图中看出滑座大部 最大应力占强度极限的比重小， 可 分是受力小的区域， 认为原设计方案， 造成材料浪费， 因此滑座的结构有进 一步优化的必要。
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滑座的结构优化设计
足滑座刚度的前提下， 减少了重量， 降低了成本。为滑座动态性能的分析研究奠定了基础 。 关键词： 滑座 Pro / E 静刚度 中图分类号： TP391
Structure Analysis and Optimization of High － speed Vertical Processing Center Slide
滑座下面有 Y 向导轨连接底座， 滑座承受底座的 X 轴方向和 Z 轴方向的固定约束， 承受面为导轨槽底 面见图 2 。丝杠提供滑座 Y 轴方向的运动和锁紧， 所 以丝杠装配孔的边界条件简化为 Y 轴方向的固定约 束。轴承与滑座之间的装配关系是过盈配合， 轴承与 轴之间的约束是一种难以确定的弹性约束 ， 所以此处 忽略轴承。在加工状态下， 滑座静止不动， 刀具对工件 的加工力会通过工作台传递给滑座 。由于刀具的加工 力是一个交变力， 而本文只做静力分析， 因此就不再讨 论处于加工状态下的滑座结构效应， 只分析滑座处于 进给状态时的应力应变情况。在滑座的表面上有均布 力的作用， 计算值为 83. 5 kPa。 2. 2 静力分析 结构静力分析是优化及其他高级结构分析的基 静力分析能够计算结构在固定不变的载荷作用下 础， 的响应。他不考虑惯性与阻尼的影响， 因此， 从动力学 方程中去掉时间相关项可以得到 ： ［ K］ ·｛ X ｝ = F （ 1）
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M］ . 北京： 机械工业出版社， 2003. 王新玉. 数字化设计［
· 41 ·
主题： 高速高效加工 Topics： High Speed and High Efficiency Machining 关。在外载荷的作用下， 变形量不得超过允许值， 这对 于精密机床更为重要。 目前先进制造技术中传统设计方法已不能满足现 代数控机床高速、 高效、 高精度、 高可靠性、 模块化、 智 能化、 柔性化、 集成化和开放性等特点， 在设计过程中 还必须运用现代设计方法和工具 。 本文结合传统和现代设计方法对高速立式加工中 心（ 主轴转速 20 000 r / min） 的基础件滑座的 4 种方案 进行了力学性能的研究， 并对其中最佳性能的方案进 行了结构最优化设计研究。为整体动态性能分析奠定 基础， 实现从机床的前期设计阶段到生产阶段的转变 。
主题： 高速高效加工 Topics： High Speed and High Efficiency Machining
高速立式加工中心滑座的结构分析及优化
陆 君 文怀兴 张功学 马小刚
（ 陕西科技大学机电工程学院， 陕西 西安 710021 ） 摘 要： 为满足高速加工中心整体性能的需要， 利用 Pro / E 软件， 建立了四种滑座结构的三维模型， 分别进 得出普筋模型为最优方案并对其进行了合理的结构优化 。在满 行了滑座的力学分析和静刚度计算 ，
设计参数是零件在灵敏度或最佳化设计研究期间
用来控制模型形状变更范围的变量， 通过更改设计参 数来达到改变几何形状的目的。而滑座支撑主要承受 弯曲刚度和扭转刚度， 它的大小与支撑件的材料、 结构 几何尺寸以及筋的布置有关 形状、
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所以这里采用 Pro / e 的灵敏度研究， 找出模型尺 寸、 筋布局等对滑座的影响， 有效检测各部分的相互关 系， 对一个或多个尺寸变更的灵敏度进行测量 ， 简单描 消除在最优化中不需 述设计变更是如何影响模型的， 要的尺寸变量， 加快有效设计变量的建立。 查看灵敏度设计研究结果见图 6 。 经计算可知普筋的总体刚度相比斜筋要好 ， 且普 筋的体积比斜筋的体积小可降低成本 。4 种方案确定 普筋为最优方案并进行优化。 设计变量为自变量， 优化结果的取得就是通过改 变设计变量的数值来实现的。目标函数是要尽量减小 也就是说， 改变设 的数值。它必须是设计变量的函数， 计变量的数值将改变目标函数的数值 。在以上的问题