CN102915390A - 人造石机床机架的设计方法及pcb钻机机架的设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了人造石机床机架的设计方法及PCB钻机机架的设计方法，在计算机上建立机架的三维模形，运用计算机仿真分析手段进行分析计算。分别以模型的变形量和结构的模态参数作为结构静态刚度和动态特性的评价依据，通过进行多次的参数优化，以达到设计目标。机架是机床的主要组成部分之一，占机床总重量的80%以上，是消耗材料最多的部分。同时，机架的结构特性是影响机床运行精度和速度的主要因素之一。本发明的目的在于提出一种针对人造石材料应用于机架的设计方法，达到降低成本，并能满足设计要求的目的。该设计方法是一种动态的优化设计过程。
Description
技术领域
本发明涉及人造石机床机架的设计方法，特别涉及人造石材料用于PCB钻孔加工设备机架的设计方法。
背景技术
机架是机床的主要组成部分之一，占机床总重量的80%以上，是消耗材料最多的部分。同时，机架的结构特性是影响机床运行精度和速度的主要因素之一。
目前，用于机架的材料主要有铸铁、铸钢、钢板焊接件、天然花岗石等。在国内，最常用的材料是铸铁，天然花岗石多用在高档精密机床上。
用于机床机架的天然花岗石主要分布有三个产地，分别为中国济南、南非和南美，产量相当有限，大尺寸的成材率比较低。近几年来，出于环保的考虑，在天然花岗石产地，当地政府均采取了限制天然花岗石开采的措施，目前已处于封山状态。
铸铁件是用高温熔炼的金属液浇铸而成，浇铸温度达到900度以上，能做成形状复杂的结构。中国是铁矿石储量大国，但是中国铁矿石的含铁量较低，质量较差，很多铁矿石都依赖于进口，而中国没有铁矿石的定价权。中国也是铁矿石使用大国，随着需求量的增加，铸铁机架的成本也会逐渐增加。
人造石是一种矿物铸件，其制造所用石子和改性环氧树脂是随处可采购的材料，从目前看不存在垄断涨价问题。人造石加工过程中耗能低，常温铸造，不需要加热，是一种绿色、环保、节能的加工方法。与铸铁相比，人造石的对数衰减率是铸铁的十几倍，吸振性能远比铸铁好。另外，人造石还具有浇铸后的线性收缩率小、铸件精度高、铸造形状可以比较复杂等优点，人造石的废料还可以回收做建筑和筑路的材料。由于具有上述特点，人造石将成为较为理想的机架材料之一。
发明内容
本发明的目的在于提出一种针对人造石材料应用于机架的设计方法，达到降低成本，并能满足设计要求的目的。该设计方法是一种动态的优化设计过程。是利用该种材料的属性及制作工艺特点而提出的结构设计方法。
为了解决现有技术中问题，本发明提供了一种人造石机床机架的设计方法，包括以下步骤：
步骤1：确定设计的目标：根据实际的工程需要，确定设计目标；
步骤2：在计算机上建立机架各部件的三维模型，按照各部件装配的相对位置关系，完成机架各部件的装配；
步骤3：将CAD模型转化成有限元模型：添加模型的材料属性，根据各部件的实际连接关系，添加耦合约束，按照实际的边界条件施加边界约束，将无限自由度系统离散成有限自由度系统，再提交分析计算;
步骤4：分析结果：将仿真计算的结果与设计目标进行比较，如果不满足设计目标，则修改结构参数，并返回步骤2，如果满足设计目标，则输出该模型，设计完毕。
作为本发明的进一步改进，步骤1中，结构在静态刚度及动态性能方面的要求作为设计目标。
一种人造石材料用于PCB钻孔加工设备机架的设计方法，包括以下步骤：
步骤1、设计实心结构的横梁与床身的外形尺寸，运用仿真软件完成横梁与床身的参数化建模，并按照实际装配中各部件的相对位置关系完成装配，检查模型是否正确 ，为机架装配体三维模型；
步骤2、添加模型的材料属性，横梁与床身的材料相同，均为人造石材料；
步骤3、在仿真过程，选择耦合约束；
步骤4、按照实际边界条件施加约束；
步骤5、采用合适的网格划分方式，完成网格划分，提交分析；
步骤6、分析计算结果，并与设计目标进行比较；
步骤7、将横梁与床身设计成空心结构，多次修改横梁与床身的内部结构形式并完成分析，最终输出合适的结构，设计完毕。
作为本发明的进一步改进，步骤3中，横梁与床身之间采用螺栓固定，添加粘结关系。
作为本发明的进一步改进，步骤4中，固定床身有八个支撑点，床身与支撑点之间添加接触关系，对整个机架施加重力载荷。
作为本发明的进一步改进，步骤5中，采用六面体网格划分。
作为本发明的进一步改进，步骤7中，将横梁与床身设计成空心结构，空心结构的最小壁厚为60~100mm。
作为本发明的进一步改进，最小壁厚为70~90mm。
作为本发明的进一步改进，最小壁厚为75~85mm。
本发明针对人造石材料的机架设计方法，利用人造石材料的属性及制作工艺特点，使所设计的机架能降低成本并满足设计要求。
附图说明
图1是本发明设计流程图；
图2是本发明床身支撑方式；
图3是本发明机架三维结构图；
图4是本发明机架内部结构图（总重量为5.70T）；
图5是床身结构示意图；
图6是图5的侧视图；
图7是图5的正视图；
图8是图7的A-A剖面视图；
图9是横梁结构图；
图10是图9正视图；
图11是图10的B-B剖面视图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明。
本发明的目的是提供一种针对人造石材料的机架设计方法，利用人造石材料的属性及制作工艺特点，使所设计的机架能降低成本并满足设计要求。
对于高精、高速的机床设备，首先应保证结构具有足够的静态刚度以及良好的动态特性，本发明实施例是在计算机上建立机架的三维模形，运用计算机仿真分析手段进行分析计算。分别以模型的变形量和结构的模态参数作为结构静态刚度和动态特性的评价依据，通过进行多次的参数优化，以达到设计目标。
根据人造石的制作工艺特点，能很容易的将机架做成空心结构。由于人造石采用低温铸造，在模具中加入填充物（如泡沫）便能铸出空心结构，从而达到减轻重量的目的。改变填充物的形状，就可以铸出各种内部结构形式。在满足工艺要求的前提下，通过不断改变内部结构形式，从而达到提高结构性能的目的。
基于上述的分析，可知该机架设计方法是一种动态的参数优化过程，参数优化对象是内部的结构形式。这种参数优化过程可以分为以下步骤，如图1所示：
步骤1：确定设计的目标：根据实际的工程需要，确定结构在静态刚度及动态性能方面的要求，作为设计目标；
步骤2：在计算机上建立机架各部件的三维模型，按照各部件装配的相对位置关系，完成机架各部件的装配；
步骤 3：将CAD模型转化成有限元模型：添加模型的材料属性，根据各部件的实际连接关系，添加耦合约束，按照实际的边界条件施加边界约束，将无限自由度系统离散成有限自由度系统，再提交分析计算；
步骤4：分析结果：将仿真计算的结果与设计目标进行比较，如果不满足设计目标，则修改结构参数，并返回步骤2，如果满足设计目标，则输出该模型，设计完毕。
下面结合PCB钻机机架的设计对实施例作详细的说明。
PCB数控钻孔机机架一般可以分为横梁和床身两部分，横梁两端有立柱，为龙门式结构。横梁与床身之间的固定采用螺栓连接，床身采用八点支撑的方式，如图2所示，为床身的支撑方式。在机架上通过导轨安装有运动部件，加工过程中，运动部件往复高速运动，并进行精确定位，因此机架的结构稳定性将直接影响钻孔加工的精度。
确定设计目标：
质量轻，整机的重量小于6吨；变形小，前后最大变形量小于30um（微米）；结构的动态特性应满足要求，一阶模态达到80Hz。
将机架的内部做成空心结构是减轻床身重量的有效方法，但是，重量的减轻会伴随着刚度的降低。解决的方法可以通过在床身内部合理的布置筋板，以满足机身的刚度要求。人造石是一种矿物铸件，由于矿物铸造的工艺特点，铸件的最小壁厚应不小于60mm。同时，为了保证机架表面镶件的牢固性，对镶有嵌件的壁厚也有一定的要求。综合考虑以上的因素，将人造石机架的壁厚设置在60~100mm范围内。通过修改结构的壁厚及筋板的布置方式，以达到设计要求。
方案实施过程
1、设计实心结构的横梁与床身的外形尺寸，运用仿真软件完成横梁与床身的参数化建模，并按照实际装配中各部件的相对位置关系完成装配，检查模型是否正确 ，如图3所示，为机架装配体三维模型；
2、添加模型的材料属性，横梁与床身的材料相同，均为人造石材料；
3、横梁与床身之间采用螺栓固定，在仿真过程，需要选择合适的耦合约束，使分析结果更加可靠。此处可以添加粘结关系（Tie/Glue）；
4、按照实际边界条件施加约束。固定床身的八个支撑点，床身与支撑点之间添加接触关系。考虑重力作用下机架的变形情况，因此对整个机架施加重力载荷；
5、采用合适的网格划分方式，尽量采用六面体网格划分。完成网格划分，提交分析；
6、分析计算结果，并与设计目标进行比较。
7、将横梁与床身设计成空心结构，多次修改横梁与床身的内部结构形式并完成分析，最终输出合适的结构，设计完毕。表1、表2为最终的分析结果，图4为最终的机架结构。
表1 三向位移变形最大值
| Magnitude(mm) | X(mm) | Y(mm) | Z(mm) |
| 0.02341 | 0.004465 | 0.02336 | 0.002042 |
表2 结构前四阶模态固有频率
| 一阶(Hz) | 二阶(Hz) | 三阶(Hz) | 四阶(Hz) |
| 80.992 | 119.43 | 140.01 | 164.59 |
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种人造石机床机架的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：确定设计的目标：根据实际的工程需要，确定设计目标；
步骤2：在计算机上建立机架各部件的三维模型，按照各部件装配的相对位置关系，完成机架各部件的装配；
步骤3：将CAD模型转化成有限元模型：添加模型的材料属性，根据各部件的实际连接关系，添加耦合约束，按照实际的边界条件施加边界约束，将无限自由度系统离散成有限自由度系统，再提交分析计算;
步骤4：分析结果：将仿真计算的结果与设计目标进行比较，如果不满足设计目标，则修改结构参数，并返回步骤2，如果满足设计目标，则输出该模型，设计完毕。
2.根据权利要求1所述的人造石机床机架的设计方法，其特征在于：步骤1中，结构在静态刚度及动态性能方面的要求作为设计目标。
3.一种人造石材料用于PCB钻孔加工设备机架的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、设计实心结构的横梁与床身的外形尺寸，运用仿真软件完成横梁与床身的参数化建模，并按照实际装配中各部件的相对位置关系完成装配，检查模型是否正确 ，为机架装配体三维模型；
步骤2、添加模型的材料属性，横梁与床身的材料相同，均为人造石材料；
步骤3、在仿真过程，选择耦合约束；
步骤4、按照实际边界条件施加约束；
步骤5、采用合适的网格划分方式，完成网格划分，提交分析；
步骤6、分析计算结果，并与设计目标进行比较；
步骤7、将横梁与床身设计成空心结构，多次修改横梁与床身的内部结构形式并完成分析，最终输出合适的结构，设计完毕。
4.根据权利要求3所述的人造石材料用于PCB钻孔加工设备机架的设计方法，其特征在于：步骤3中，横梁与床身之间采用螺栓固定，添加粘结关系。
5.根据权利要求3所述的人造石材料用于PCB钻孔加工设备机架的设计方法，其特征在于：步骤4中，固定床身有八个支撑点，床身与支撑点之间添加接触关系，对整个机架施加重力载荷。
6.根据权利要求3所述的人造石材料用于PCB钻孔加工设备机架的设计方法，其特征在于：步骤5中，采用六面体网格划分。
7.根据权利要求3所述的人造石材料用于PCB钻孔加工设备机架的设计方法，其特征在于：步骤7中，将横梁与床身设计成空心结构，空心结构的最小壁厚为60~100mm。
8.根据权利要求7所述的人造石材料用于PCB钻孔加工设备机架的设计方法，其特征在于：最小壁厚为70~90mm。
9.根据权利要求8所述的人造石材料用于PCB钻孔加工设备机架的设计方法，其特征在于：最小壁厚为75~85mm。
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