朱 军

(宁夏工商职业技术学院，宁夏 银川750021)

作者简介：朱军（1975—），男，讲师，高级技师，主要从事数控机床结构、数控刀具等开发和改进工作，sxzhujun@126.com.

摘要：为解决目前高速精密数控机床整体性能差的问题，设计了基于有限元分析的高速精密数控机床的床鞍机构。首先利用有限元软件在Pro/E软件中为某食品加工厂数控机床建立床鞍三维模型，在HyperMesh中拓扑优化床鞍，获取拓扑机构形态，划分网格，对床鞍增加制约与载荷，为设计床鞍机构奠定基础。然后采用变密度法拓扑优化床鞍机构模型，并根据优化结果，去除对床鞍静动态特征无过多作用的单元，设计床鞍新结构，提高床鞍抗扭及抗弯性能。设计结果显示：所提方法设计的床鞍机构一阶特定频率在四类单元中均可达标，获取的床鞍优化结构最佳单元类型为工型单元；新设计床鞍机构质量减小近14%，最大变形量降低9%，大幅度提高了床鞍的静刚度，且频率更优，稳定性与抗干扰能力更强。

关键词：有限元分析；数控机床；床鞍；机构设计；拓扑优化

中图分类号：TP23   文献标识码：A   文章编号：2095-509X(2020)04-0046-05

与普通机床相比，高速精密数控机床的切削速度、加工精度更高，其机械部件需具备高强度、高刚度及轻质结构等特点，以确保可承受较大的外力作用^［1-2］。由此可知，提高机床零部件性能及合理的设计方案，是提高机床整体性能的关键。床鞍虽然只是数控机床的重要零部件之一^［3］，但床鞍的静动态性能对数控机床整体性能却有着决定性作用。国内外已有学者对机床的静动态性能开展研究，并获取丰厚的研究成果，但以往的研究过分重视研究对象的具体优化，忽略了机床零部件对机床整体性能的影响^［4］。将研究对象的优化目标函数、约束条件、设计变量确立的拓扑优化方法备受重视，本文将采用这种方法，并基于有限元分析，建立优化模型，以此获取研究对象的最佳设计方案^［5］。当前床鞍机构以类比设计与经验设计为主，由于此类方法缺少有效合理的设计依据，且性能低、质量过大,无法满足当下高速精密机床的发展趋势，因此寻求提高床鞍机构性能、减小质量的优化设计方法尤为重要^［6-9］。

1 方法研究

1.1 床鞍有限元分析

本文采用有限元软件对高速精密数控机床床鞍建模，为了能够快速、准确地分析床鞍有限元模型，有限元模型质量还需要提高。为保证分析的准确性并提高运行速度，在对数控机床床鞍建模时，应调和床鞍现实工况与理论研究速率两者间的关联,并在采用有限元分析床鞍机构后，依照分析结论提出有效的改善方法。

1.2 床鞍有限元建模

由于食品加工材料较为软糯，需要保证加工后的食品具有极高的完整度，以及为便于机床的移动及食品的加工，对床鞍质量和静刚度有极高的要求，因此食品加工数控机床对床鞍变形量及特定频率有严格要求。某食品加工厂的数控机床在Pro/E软件中建立的三维模型^［10］