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机床支撑结构设计研究 摘 要：装备制造业是国民经济的基础产业，是支撑整个工业和国民经济发展的基石。机床作为制造机器的机器，是基础的基础。高速度、高精度、复合化、柔性化、智能化、绿色制造将成为将来机床行业发展的主要方向。高速、高精和绿色制造要求机床支承件具有质量小而刚度高的特点，而支承件的轻量化结构设计是实现这一要求的重要途径。 关键词：支撑件；结构；设计 1. 支承件结构设计方法 支承件结构设计方法主要有三种： 阅历类比法、力学方法和数字化设计方法，前两者为传统设计方法，后者已渐渐成为当前主流的设计方法。 阅历类比法 阅历类比法是一种改良性质的传统设计方法，便捷而好用，但须要以大量积累的阅历为基础。设计人员对已有机床支承件进行小范围的改进或者依据类似机床支承件结构提出设计方案，设汁全新的支承件。类比法不是简洁的复制和仿照已有的结构设计，作为一种设计方法，它的胜利通常离不开力学理论的分析、校核和大量的模型试验及实物试验的验证。类比法要适用于床身等铸造大件的设计。 力学方法 力学设计方法主要针对机床的整体刚度，利用力学理论对机床进行刚度设计。通过支承件的合理布局，减小其所受弯矩和扭矩，对支承件进行应力应变的物理性能分析。进而确定支承件材料，整体结构形式，设计参数及筋板的布置形式。通常力学设计方法同样还需较多的试验验证和结构改进。相对于类比法，力学方法已表现出其优越性，走出了仿照的阶段，设计自主性得到了提高。力学设计方法主要用于机床支承件焊接结构的设计。 数字化设计方法 数字化设计属于计算机协助分析和协助设计的范畴。当前，有限元法是最具有代表性和应用范围最广的数字化设计方法。在进行机床支承件的结构设计时，有限元法集结构性能分析、结构拓扑优化和尺寸优化于一体，几乎贯穿了从概念设计到性能验证的全过程。 类比法和力学方法等传统设计方法由于在进行分析和推断时存在大量的主观阅历、近似和简化操作，造成精确性不足；由于资金、时间和试验的限制以及反复“试验一改进设计一再试验”的繁琐过程造成的浩大工作量，而且形成的设计方案往往只是可行方案，而非最优方案。而数字化设计方法借助于计算机工具和有限元软件，进行支承件结构设计时的几乎全部工作，如建模、优化、性能分析和对比都在计算机上完成，只需做少量的试验即获得支承件的最优设计方案，其优势是传统设计方法无法比拟的。 2 支承件结构设计现状 随着计算机技术的发展和结构分析与优化软件的普遍应用，机械结构设计己渐渐趋向于数字化设计。特殊是在航空航天、汽车、造船及国防兵器等装备制造业，以有限元法为代表的数字化结构分析、设计与优化手段已得到广泛应用。 机床支承件结构设计的目的是以最低的成本获得性能最佳的支承件结构，最终提升机床整机的综合性能。由于设计阶段确定了整个产品成本和质量的80%左右，其后的改进和优化措施影响有限，所以设计对于产品的重要性不言而喻。而设计的初始阶段在很大程度上有确定了设计阶段的大部分内容。 在机床概念设计阶段，时间限制和信息不确定性等给结构设计带来了困难。通常，依据机床规格给出的几何限制和功能要求可以大致确定机床的布局形式、支承件的几何尺寸和结构形式。 机床概念设计阶段的设计过程可分为三个步骤： 整体布局设计，大致选择机床支承件； 支承件设计，分别对各个支承件进行结构设计，选出性能最佳的支承件结构； 将各个支承件组合形成机床整机概念结构，比较其主要性能指标并进行选择。结构性能分析、结构优化和轻量化设计与机床支承件结构设计亲密相关。 以下将对三者的探讨现状进行分析和归纳。 支承件结构性能分析 机床及其支承件的结构性能分析是结构设计和结构优化的必要环节。进行支承件结构设计时，通过性能分析可以推断设计方案的性能指标是否满意设计要求；进行支承件结构优化设计时，原方案的性能分析结果，如位移、固有频率，除了可用于优化方案性能对比和检验外，还可为优化过程中的优化设置供应参考。现阶段支承件结构分析类型主要有静态特性分析、动态特性分析和热特性分析。 机床结构性能分析包括整机性能分析和支承件性能分析。用于整机分析的模型是包括各个支承件和连接结构的装配体，一般用于考察机床的总体性能。进行机床整机性能分析的目的是更全面地了解其各项性能和状态，用于性能验证和检验，或者服务于结构优化和改进。 支承件结构优化 传统的结构优化以结构分析为基础和主要内容，而且掺杂了较多的主观因素。其优化过程为：原方案结构分析一发觉薄弱环节一改进设计一结构分析。如此反复循环，直到改进方案满意要求。而现代结构优化指数值结构优化，是最优化技术和有限元法相结合的产物。它借助于计算机及结构优化软件，以数学规划为理论基础，结合力学分析方法，将设汁问题的物理模型转化为数学模型，运用最优数学理论，在给定的约束条件下找到满意设计目标的最佳设计方案。其优化过程为：结构分析一搜寻一最优设计。其中搜寻阶段的设计、分析和优化为计算机自动完成，它对某种设计方案进行结构分析和对比，推断是否达到设计目标，若达到，则该设计方案输出为最优设计方案；若未达到，则接着根据某种规则进行设计方案修改和分析对比，直到找到满意设计目标的最优设计。 结构优化数学模型 设计变量、目标函数和约束条件为结构优化设计的三要素。其中设计变量为自变量，它在优化过程屮发生改变导致设计对象结构及其性能的变更；目标函数为从变量，是关于设计变量的函数；约束条件为优化过程必需遵守的前提条件，如某些性能要求。结构优化设计的标准数学模型如下： 最小化： 式中， f是目标函数，如结构质量、位移等；gi 和hK 为约束函数，如静动态刚度、强度等；X=x1，x2，xn是设计变量，Xu和XL为X的上下限，其中上角标U指Upper Limit，L指 Lower Limit。 结构优化方法 现阶段结构优化方法主要有数学规划法和准则优化法，它们与非线性规划法以及线性和非线性相结合的混合法同属传统优化设计方法。 结构优化类型 结构优化一般分为四种类型或者说由难到易的四个阶段，分别为结构类型优化、拓扑优化、形态优化和尺寸优化。它们分别对应结构设计的四个不同阶段，即总体设计、概念设计、构型设计和具体设计，如图2.1所示。现阶段结构优化技术正向着两个方向发展：细化和综合。一方面，对于某种优化类型，优化过程划分为更多的阶段，以求获得更精确的优化结果。另一方面，优化类型和阶段的划分变得越来越模糊，正向着多类型和多层次综合优化的方向发展。 图2.1 结构设计四个不同阶段 进行机床支承件结构优化时，一般拓扑和形态优化之间并没有严格区分开，相应的支承件结构设计阶段通常也合并为结构构型阶段和具体设计阶段。 支承件轻量化设计 轻量化设计体现了绿色、经济和节能的现代制造技术要求。随着机床加工技术的发展，机床的高速度、高精度和绿色制造等特点要求机床支承件必需具有较高的刚度和较小的质量。机床支承件的轻量化设计是解决这一问题的重要途径。轻量化的发展方向主要有两个：结构轻量化和材料轻量化前者主要通过支承件结构优化设计来实现。近年来基于自然界轻质高效生物结构的仿生结构在支承件轻量化设计中的应用成为一个亮点后者主要通过选用强度高而质量轻的新型材料来实现，如锅合金、高强度钢、工程塑料、泡沫金属、复合材料和点阵材料等。 结论 高速、高精加工技术的发展对机床加速度、精度等指标提出了更高的要求，这使得机床支承件必需具有质量小而刚度高的特点。机床支承件的轻量化结构设计是解决这一问题的重要途径之一。只有大幅提高设计效率，缩短设计周期，削减设计过程中的材料和能源消耗，才能显著提高经济效益。 参考文献 1 王立平. 关于国产数控机床发展的几点思索J. 航空制造技术，2022，4：012. 2 宋冬冬，芮执元，刘军，赵东平. 机床床身结构优化的轻量化技术J.机械制造，2002， 50： 65-68. 第7页 共7页第 7 页 共 7 页第 7 页 共 7 页第 7 页 共 7 页第 7 页 共 7 页第 7 页 共 7 页第 7 页 共 7 页第 7 页 共 7 页第 7 页 共 7 页第 7 页 共 7 页第 7 页 共 7 页