桌面數(shù)控車床結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計
2017-6-29 來源： 四川大學(xué)制造科學(xué)與工程學(xué)院 作者：黃紀(jì)剛 方輝 蔣滔 董秀麗
摘要：針對微小零件的加工制造，設(shè)計了１臺桌面級數(shù)控車床。用Ｓｏｌｉｄｗｏｒｋｓ軟件進行車床的結(jié)構(gòu)設(shè)計，重點使用Ｓｏｌｉｄｗｏｒｋｓ軟件中的 Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ Ｘｐｒｅｓｓ模塊對車床關(guān)鍵部件的結(jié)構(gòu)進行有限元靜力學(xué)分析，經(jīng)過計算求解，模擬出各部件在實際工作時所受的應(yīng)力以及應(yīng)變分布情況。根據(jù)計算結(jié)果，對結(jié)構(gòu)進行針對性地優(yōu)化。在優(yōu)化的過程中，主要以質(zhì)量最小化為優(yōu)化目標(biāo)，使結(jié)構(gòu)在滿足力學(xué)性能的前提下，盡可能輕量化，以降低成本。最終根據(jù)優(yōu)化后的設(shè)計方案構(gòu)建出桌面級車床。
關(guān)鍵詞：車床；Ｓｏｌｉｄｗｏｒｋｓ；優(yōu)化設(shè)計；有限元分析
隨著社會的發(fā)展，人們趨于追求許多常用產(chǎn)品的小型化和微型化，制造業(yè)將面臨越來越多加工微小零件的情況［１］。目前，數(shù)控機床作為制造業(yè)主要的制造設(shè)備，具有效率高、加工能力強等優(yōu)點，但對于一些價值較低的微小零件來說，常規(guī)尺度的數(shù)控機床的加工成本較高。針對這樣的需求，設(shè)計了１臺桌面級數(shù)控車床，并采用有限元分析方法對初始設(shè)計方案進行了優(yōu)化。桌面級機床的發(fā)展是對制造技術(shù)和制造裝備的有益補充［２］，它具有體積小、成本低、結(jié)構(gòu)簡單、傳動效率高等特點，具有廣泛的適用性。
１.車床結(jié)構(gòu)設(shè)計
機械結(jié)構(gòu)設(shè)計的傳統(tǒng)方法需要大量的手工繪圖，并根據(jù)設(shè)計者的經(jīng)驗來確定機械零件的結(jié)構(gòu)。這種方法不僅勞動量大，而且無法科學(xué)地考察機械件結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性，從而難以在設(shè)計初期及時發(fā)現(xiàn)設(shè)計的不當(dāng)之處，導(dǎo)致出錯率高，容易造成經(jīng)濟上的浪費。隨著 ＣＡＤ 軟件的出現(xiàn)和流行，機械結(jié)構(gòu)設(shè)計的傳統(tǒng)方法逐漸被摒棄，利用功能強大的 ＣＡＤ 件幫助設(shè)計人員完成機械結(jié)構(gòu)的設(shè)計成為了現(xiàn)代機械設(shè)計的主流方法。利用現(xiàn)代 ＣＡＤ 軟件設(shè)計機械結(jié)構(gòu)不僅能有效地避免勞動量大、出錯率高、缺乏力學(xué)驗證等不足，同時也縮短了設(shè)計周期、降低了設(shè)計成本［３］。Ｓｏｌｉｄｗｏｒｋｓ軟件是目前行業(yè)內(nèi)主流的 ＣＡＤ軟件之一，其功能強大，集三維建模、工程圖制作、虛擬裝配、運動仿真、有限元分析優(yōu)化等功能于一體，完全能夠滿足現(xiàn)代機械設(shè)計的全部要求［４］。
本文采用Ｓｏｌｉｄｗｏｒｋｓ軟件設(shè)計了桌面型車床的結(jié)構(gòu)，設(shè)計流程框圖如圖１所示。
圖１ 桌面型車床的結(jié)構(gòu)設(shè)計流程框圖
設(shè)計的桌面級數(shù)控車床的裝配體如圖 ２ 所示。其主要技術(shù)參數(shù)如下：
１）床身尺寸為５８０ｍｍ×２６０ｍｍ×１８０ｍｍ，中心高為４０ｍｍ；Ｘ、Ｙ 方向行程分別為２８０ 、１５０ｍｍ；選用自定心三爪卡盤，其夾持直徑為２～２２ｍｍ；
２）Ｘ、Ｙ 方向分別由１對線性導(dǎo)軌實現(xiàn)其進給運動的導(dǎo)向。設(shè)計中選用 ＴＨＫ 超小化設(shè)計的 ＲＳＲ系列導(dǎo)軌，其行走平行度精度可達 ０．０１７ ｍｍ。Ｘ軸導(dǎo)軌選型為２ＲＳＲ５Ｎ３００Ｌ，Ｙ 軸導(dǎo)軌選型為２ＲＳＲ３Ｎ１６０Ｌ；選用精密滾珠絲杠作為車床傳動件，Ｘ 軸絲杠選型為 ＢＮＫ１２０２，Ｙ 軸絲杠選型為 ＢＮＫ１００２。
３）主軸傳動采取傳動比為 １∶１．４的同步帶一級傳動，減少了許多中間傳動機構(gòu)，降低了傳動的誤差，提高傳動效率；同時，主軸箱的結(jié)構(gòu)簡單，整體尺寸較小，符合該桌面型數(shù)控機床的設(shè)計理念［５］。
圖２ 桌面級數(shù)控車床裝配體的設(shè)計原理圖
２.基于Ｓｏｌｉｄｗｏｒｋｓ軟件的結(jié)構(gòu)分析
Ｓｏｌｉｄｗｏｒｋｓ軟件具備優(yōu)秀的有限元分析能力。可供設(shè)計者在制作工程圖進入實際加工之前，對所設(shè)計的零部件結(jié)構(gòu)進行科學(xué)地分析并優(yōu)化求解，以達到結(jié)構(gòu)最優(yōu)。采用Ｓｏｌｉｄｗｏｒｋｓ軟件進行結(jié)構(gòu)有限元分析的一般流程為前處理、分析計算以及后處理［６］。前處理包括建立有限元模型、添加夾具、添加載荷以及指定材料；分析計算是軟件根據(jù)設(shè)置自動進行網(wǎng)格劃分以及計算求解；后處理則包括計算結(jié)果的顯示與分析，檢查其正確性，并可生成分析報表［７］。通過有限元對結(jié)構(gòu)進行分析后，采用 Ｓｏｌｉｄ－ｗｏｒｋｓ軟件進一步對結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化。現(xiàn)以床身為例，說明利用該軟件對結(jié)構(gòu)進行分析及優(yōu)化的過程。
床身是機床的基礎(chǔ)，本次設(shè)計 采用的是 臥式床身結(jié)構(gòu)，并在床身下方布置排屑孔及排屑槽。床身采用優(yōu)質(zhì)鑄鐵整體鑄造而成，并合理布置筋板，使床身在具有良好剛性的同時，用料最少，節(jié)約成本。另外，設(shè)計的床身上的所有加工表面均位于鑄造面上部，使之后的加工更加簡單；主軸箱安裝面與 Ｘ 方向?qū)к壈惭b面的基準(zhǔn)一致，能有效保證主軸中心與 Ｘ軸平行。床身的前處理過程如圖３所示。
圖３ 床身前處理過程
１）床身結(jié)構(gòu)的有限元建模圖３（ａ）為桌面型車床床身的有限元模型。 建立其床身有限元模型時，忽略了各處的過渡圓角以及床身上的所有螺栓孔，因為這些結(jié)構(gòu)不會對床身整體的質(zhì)量及力學(xué)性能產(chǎn)生大的影響 ，忽略這些結(jié)構(gòu)能簡化模型，提高計算速度［８］。 模型建立完成后，選擇Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ Ｘｐｒｅｓｓ插件為床身定義算例。
２）添加夾具添加夾具即為分析對象添加固定約束。設(shè)計的車床通過床身底部的 ４個平面支撐，指定床身的固定約束，如圖３（ｂ）所示。
３）添加載荷床身主要受到主軸箱以及進給機構(gòu)的正壓力，通過Ｓｏｌｉｄｗｏｒｋｓ中質(zhì)量屬性估算出主軸箱自重約為１７８Ｎ，進給機構(gòu)自重約為１６３Ｎ。分別為主軸箱支撐面和導(dǎo)軌安裝面添加正壓力為１４．３５０、１３．００８ｋＰａ，如圖３（ｃ）所示。
４）指定材料指定床身材料為灰鑄鐵，灰鑄鐵的泊松比為０．２７，拉伸強度為１５１ ＭＮ／ｍ２，抗壓強度為５７２ＭＮ／ｍ２，如圖３（ｄ）所示。
５）分析與計算根據(jù)設(shè)置的參數(shù)，采用 Ｓｏｌｉｄｗｏｒｋｓ對床身結(jié)構(gòu)進行有限元分析計算，模擬床身在工作狀態(tài)下所受的應(yīng)力及其變形情況，如圖４所示。由結(jié)果分析可知：床身所受最大應(yīng)力出現(xiàn)在床身中部，約為４６．２０９ １８ｋＰａ；最大應(yīng)變出現(xiàn)在床身中部兩側(cè)，變形量約為２．２×１０－４ｍｍ。
圖４ 分析結(jié)果
３.結(jié)構(gòu)優(yōu)化
由計算結(jié)果可知，床身受到的最大應(yīng)力遠 小于其拉伸強度，且變形很小，其結(jié)構(gòu)還可進一步優(yōu)化。由床身結(jié)構(gòu)有限元分析的應(yīng)力分布和應(yīng)變分布能夠看出，床身主軸箱安裝部位的應(yīng)力和應(yīng)變都最小，故可作為結(jié)構(gòu)優(yōu)化的重點部位。在有限元分析的基礎(chǔ)上，采用 Ｓｏｌｉｄｗｏｒｋｓ軟件對結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，需要指定優(yōu)化的變量、給定約束條件以及確定優(yōu)化的目標(biāo)。本文主要針對桌面級車床的輕量化設(shè)計，故指定床身主軸箱安裝部位的厚度為變量，以安全系數(shù)為約束條件，優(yōu)化求解的目標(biāo)為質(zhì)量最小化。床身結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)置和結(jié)果如圖５所示。指定變量的初始尺寸為２０ｍｍ，同時人為設(shè)置變量的上、下限分別為３５和１０ｍｍ，設(shè)置的最小安全系數(shù)為２．３。采用Ｓｏｌｉｄｗｏｒｋｓ進行優(yōu)化求解，優(yōu)化后變量尺寸為２７ｍｍ，即主軸箱安裝部位的厚度減少了７ｍｍ。床身初始質(zhì)量約為３２．８６２ｋｇ，優(yōu)化后質(zhì)量約為３０．６７４ｋｇ。通過比較可知，優(yōu)化后的床身結(jié)構(gòu)更加合理，降低了成本。
圖５ 床身結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)置和結(jié)果
通過對關(guān)鍵部件結(jié)構(gòu)的有限元靜力學(xué)分析以及結(jié)構(gòu)優(yōu)化，使設(shè)計方案更為合理，最終完成了桌面級車床的設(shè)計，并構(gòu)建了其實體，如圖６所示。
圖６ 桌面級車床實體
４.結(jié)論
１）采用 Ｓｏｌｉｄｗｏｒｋｓ軟件進行機械結(jié)構(gòu)設(shè)計，便于設(shè)計者查看、校對、修改以及表達設(shè)計方案，能極大提高設(shè)計效率。
２）采用Ｓｏｌｉｄｗｏｒｋｓ軟件對結(jié)構(gòu)進行有限元靜力學(xué)分析，計算出各部件在工作狀態(tài)下的應(yīng)力和應(yīng)變分布情況，供設(shè)計者考察結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性，同時也為結(jié)構(gòu)優(yōu)化指明了方向。
３）Ｓｏｌｉｄｗｏｒｋｓ軟件 在結(jié)構(gòu)優(yōu) 化 中 的 應(yīng) 用，能 幫助設(shè)計者科學(xué)地優(yōu)化其設(shè)計方案，以追求結(jié)構(gòu)設(shè)計的最優(yōu)化。
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