CN108393706A - 一种动梁式龙门加工中心长型立柱及其优化设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种动梁式龙门加工中心长型立柱及其优化设计方法，属于龙门加工中心领域，其优化方法包括以下步骤：导轨安装面设计方案，确定安装面数目和间距，建立简化的立柱受力参数化模型，优化计算获取立柱初始轮廓和主要尺寸；侧板和底板开孔优化设计，确定底板上地脚螺栓孔的数目和分布；立柱筋板的优化设计，建立筋板拓扑模型的优化区；确定优化分析类型参数；对立柱筋板的优化区进行优化，根据拓扑优化结果，提取其轮廓，通过适当的修改得到新型的筋板分布和结构。本发明在满足受力要求，减轻结构自重的前提下能够寻得最优的结构布置，设计出来的新型立柱较传统设计具有结构刚度高，材料用量少，自重轻的优越性。

Description

一种动梁式龙门加工中心长型立柱及其优化设计方法

技术领域

本发明涉及龙门加工中心领域，具体而言，涉及一种动梁式龙门加工中心长型立柱及其优化设计方法。

背景技术

数控机床广泛应用于国防、航空航天和国民经济各部门，是自动化加工最基本的装备，数控机床的数量及其在生产装备中所占的比例，标志着一个国家工业现代化的水平，也关系到国家的安全和工业生产能否健康地增长。随着国内外市场竞争的日益加剧和客户需求的多样化、个性化，迫使企业不断地采用新技术，在较短的时间内设计出性能优良的加工中心，以满足快速响应市场的要求。拓扑优化技术能够在给定的设计空间内寻求最优的材料分布。通过拓扑优化分析，设计人员可以全面地了解零件的结构和功能特征，可以有针对地对总体结构和具体结构进行设计。

尤其是在产品设计初期，仅凭经验和想象进行零件的结构设计是不够的。只有在适当的约束条件下充分利用拓扑优化技术进行分析，并综合丰富的设计经验，才能设计出满足最优技术条件和工艺条件的零件。

发明内容

本发明的目的在于提供一种动梁式龙门加工中心长型立柱，具有更轻的质量和更好的结构。

本发明的目的在于提供一种动梁式龙门加工中心长型立柱优化设计方法，以得到质量更轻、刚度更好的结构。

本发明是这样实现的：

基于上述的第一目的，本发明提供了一种动梁式龙门加工中心长型立柱，包括第一端板、第二端板、底板、顶板和两个侧板，所述第一端板和所述第二端板相对设置，两个所述侧板相对设置，且两个所述侧板分别位于所述第一端板和所述第二端板之间，两个所述侧板上分别是有多个通孔，所述底板安装于所述侧板的底部，所述顶板安装于所述侧板的底部，所述顶板上设置有导轨安装面。

在本实施例的一种实施方式中：所述顶板的宽度大于所述底板的宽度，两个所述侧板平行设置，所述顶板与其中一个所述侧板通过连接板连接，所述连接板倾斜设置。

在本实施例的一种实施方式中：所述第一端板包括第一板和第二板，所述第一板与所述第二板倾斜设置，所述第一板与所述第二端板平行设置，所述第二板位于所述第一板与所述顶板之间，所述第二板沿所述底板朝向所述顶板的方向向外倾斜。

在本实施例的一种实施方式中：所述顶板上设置有凹槽，所述凹槽沿所述顶板的长度方向延伸，所述凹槽的两侧分别为两个所述导轨安装面。

在本实施例的一种实施方式中：所述动梁式龙门加工中心长型立柱还包括多个筋板，多个所述筋板纵横设置，多个所述筋板位于两个所述侧板之间，且所述筋板与所述侧板垂直设置。

在本实施例的一种实施方式中：纵横交错的多个所述筋板形成多个空腔，多个所述空腔分别与所述侧板上的通孔对应设置。

基于上述的第二目的，本发明还提供了一种动梁式龙门加工中心长型立柱优化设计方法，包括如下步骤：

步骤S100：导轨安装面设计方案，确定安装面数目和间距，建立简化的立柱参数化模型，根据立柱实际承载情况确定其边界条件，优化计算，获取立柱初始轮廓和主要尺寸；

步骤S200：侧板和底板开孔优化设计，在保证立柱强度和刚度的条件下，优化侧板开孔设计，根据立柱的稳定性要求，优化设计底板上地脚螺栓孔的数目和分布，并在侧板对应的位置设计开孔；

步骤S300：立柱内部筋板的优化设计，对初始简化的立柱模型进行有限元网格划分前，划分优化区和非优化区，确定实际安装固支点和承载点，建立初始拓扑优化分析模型，并进行初步计算确保优化模型正确；

步骤S400：优化分析类型参数的确定：以结构的柔度最小为目标函数，优化后的体积为约束条件，以立柱初始拓扑优化分析模型中各单元的属性为设计变量，对立柱筋板进行拓扑优化；

步骤S500：根据拓扑优化结果，提取其轮廓，通过适当的修改得到新型的筋板分布和结构，并对立柱进行结构检验。

在本实施例的一种实施方式中：在所述步骤S100中，采用有限元数值分析方法，对简化的立柱模型进行有限元网格划分。

在本实施例的一种实施方式中：在所述步骤S100中，将承载面设置为导轨安装面，也是拓扑优化中的非优化区。

在本实施例的一种实施方式中：在所述步骤S200中，侧板和底板比较长，材料富裕度大，因此，在适当的位置开孔可以减轻立柱的重量。

与现有技术相比，本发明实现的有益效果是：

本发明是基于模型参数化和有限元数值模拟方法，可预先对立柱优化计算，获取立柱初始轮廓、合理的轨道数目、间距和主要尺寸，提高立柱顶板的抗弯能力，从而使立柱上的横梁变形小，结构稳定；本发明提供的动梁式龙门加工中心长型立柱优化设计方法能够有效的提高立柱在左右和前后方向的动静刚度及保证龙门加工中心工作的稳定性，降低立柱结构变形对龙门加工精度的影响，同时，对立柱进行拓扑优化设计，减轻立柱重量，降低生产成本。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要实用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1示出了本发明实施例1提供的动梁式龙门加工中心长型立柱的示意图；

图2示出了本发明实施例1提供的动梁式龙门加工中心长型立柱在第一视角的剖视图；

图3示出了本发明实施例1提供的第一端板的剖视图；

图4示出了本发明实施例1提供的动梁式龙门加工中心长型立柱在第二视角的剖视图；

图5示出了本发明实施例2提供的动梁式龙门加工中心长型立柱优化设计方法的步骤图。

图中：101-第一端板；102-第二端板；103-侧板；104-顶板；105-导轨安装面；106-底板；107-凹槽；108-通孔；109-筋板；110-空腔；111-第一板；112-第二板。

具体实施方式

下面通过具体的实施例子并结合附图对本发明做进一步的详细描述。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，上面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行了清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以上对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，需要理解的是，指示方位或位置关系的术语为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之上或之下可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征之上、上方和上面包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征之下、下方和下面包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

实施例1

参照图1至图4，本实施例提供了一种动梁式龙门加工中心长型立柱，包括第一端板101、第二端板102、底板106、顶板104和两个侧板103，第一端板101和第二端板102相对设置，两个侧板103相对设置，且两个侧板103分别位于第一端板101和第二端板102之间，两个侧板103上分别是有多个通孔108，底板106安装于侧板103的底部，顶板104安装于侧板103的底部，顶板104上设置有导轨安装面105，在导轨安装面105上可以设置齿条，方便与横梁连接。

本实施例提供的动梁式龙门加工中心长型立柱在侧板103上设置有通孔108，可以有效的减小动梁式龙门加工中心长型立柱的质量，而动梁式龙门加工中心长型立柱整体结构严格按照动梁式龙门加工中心长型立柱优化设计方法进行生产和制造，能有效提高动梁式龙门加工中心长型立柱的刚度和结构强度。

顶板104的宽度大于底板106的宽度，两个侧板103平行设置，顶板104与其中一个侧板103通过连接板连接，连接板倾斜设置。

第一端板101包括第一板111和第二板112，第一板111与第二板112倾斜设置，第一板111与第二端板102平行设置，第二板112位于第一板111与顶板104之间，第二板112沿底板106朝向顶板104的方向向外倾斜。

其中，可以让第一板111的长度大于第二板112的长度。

顶板104上设置有凹槽107，凹槽107沿顶板104的长度方向延伸，凹槽107的两侧分别为两个导轨安装面105。且两个导轨安装面105沿凹槽107对称设置。

动梁式龙门加工中心长型立柱还包括多个筋板109，多个筋板109纵横设置，多个筋板109位于两个侧板103之间，且筋板109与侧板103垂直设置。

纵横交错的多个筋板109形成多个空腔110，多个空腔110分别与侧板103上的通孔108对应设置，且空腔110的宽度大于通孔108的直径。

实施例2

参照图5，本实施例提供了一种动梁式龙门加工中心长型立柱优化设计方法，包括如下步骤：

步骤S100：导轨安装面105设计方案，确定安装面数目和间距，建立简化的立柱参数化模型，参数化主要考虑对结构受力有影响的几何参数，根据立柱实际承载情况确定其边界条件，优化计算，获取立柱初始轮廓和主要尺寸；可以提高立柱顶板104的抗弯能力，从而使立柱上的横梁变形小，结构稳定。

步骤S200：侧板103和底板106开孔优化设计，侧板103开孔位置要合理，不影响内部筋板109的焊接，在保证立柱强度和刚度的条件下，优化侧板103开孔设计，可以节省材料使用，同时减轻立柱的重量；根据立柱的稳定性要求，优化设计底板106上地脚螺栓孔的数目和分布，并在侧板103对应的位置设计开孔，以便于立柱的固定安装。

步骤S300：立柱内部筋板109的优化设计，对初始简化的立柱模型进行有限元网格划分前，为了提高设计效率，将立柱沿长度方向分成若干段，每段长度接近横梁截面的宽度，对其中一段划分优化区和非优化区，确定实际安装固支点和承载点，并建立筋板109的拓扑模型，其他段作为非优化区，等优化完成，将优化结果应用到其他几段的设计中从而完成整个筋板109的设计，对优化段选取适当的单元类型和尺寸，划分有限元网格，建立初始拓扑优化分析模型，根据实际安装固支点建立边界条件，并进行初步计算确保优化模型正确；

步骤S400：优化分析类型参数的确定：以结构的柔度最小为目标函数，优化后的体积为约束条件，以立柱初始拓扑优化分析模型中各单元的属性为设计变量，对立柱筋板109进行拓扑优化；

步骤S500：根据拓扑优化结果，提取其轮廓，通过适当的修改得到新型的筋板109分布和结构，并对立柱进行结构检验。

本实施例提供的动梁式龙门加工中心长型立柱优化设计方法在满足受力要求，减轻结构自重的前提下能够寻得最优的结构布置，设计出来的新型立柱较传统设计具有结构刚度高，材料用量少，自重轻的优越性。

作为本实施例的较优实施方式，在步骤S100中，可以采用有限元数值分析方法，对简化的立柱模型进行有限元网格划分。这种分析方法更加的科学精确。

在步骤S100中，将承载面设置为导轨安装面105，也是拓扑优化中的非优化区；其面可以设置为又窄又长，在装配时需要较多的螺钉，考虑到安装效率，数目不宜过多，单个立柱设计一或两个导轨安装面105。

在步骤S200中，侧板103和底板106比较长，材料富裕度大，因此，在适当的位置开孔可以减轻立柱的重量。侧板103开孔不能影响内部筋板109的焊接强度，在保证立柱强度和刚度的条件下，优化侧板103开孔设计，节省材料使用。根据立柱的稳定性要求，优化设计底板106上地脚螺栓孔的数目和分布，并在侧板103对应的位置设计开孔，以便于立柱的固定安装。

本实施例是基于模型参数化和有限元数值模拟方法，可预先对立柱优化计算，获取立柱初始轮廓、合理的轨道数目、间距和主要尺寸，提高立柱顶板104的抗弯能力，从而使立柱上的横梁变形小，结构稳定；本实施例提供的动梁式龙门加工中心长型立柱优化设计方法能够有效的提高立柱在左右和前后方向的动静刚度及保证龙门加工中心工作的稳定性，降低立柱结构变形对龙门加工精度的影响，同时，对立柱进行拓扑优化设计，减轻立柱重量，降低生产成本。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种动梁式龙门加工中心长型立柱，其特征在于，包括第一端板、第二端板、底板、顶板和两个侧板，所述第一端板和所述第二端板相对设置，两个所述侧板相对设置，且两个所述侧板分别位于所述第一端板和所述第二端板之间，两个所述侧板上分别是有多个通孔，所述底板安装于所述侧板的底部，所述顶板安装于所述侧板的底部，所述顶板上设置有导轨安装面。

2.根据权利要求1所述的动梁式龙门加工中心长型立柱，其特征在于，所述顶板的宽度大于所述底板的宽度，两个所述侧板平行设置，所述顶板与其中一个所述侧板通过连接板连接，所述连接板倾斜设置。

3.根据权利要求1所述的动梁式龙门加工中心长型立柱，其特征在于，所述第一端板包括第一板和第二板，所述第一板与所述第二板倾斜设置，所述第一板与所述第二端板平行设置，所述第二板位于所述第一板与所述顶板之间，所述第二板沿所述底板朝向所述顶板的方向向外倾斜。

4.根据权利要求1所述的动梁式龙门加工中心长型立柱，其特征在于，所述顶板上设置有凹槽，所述凹槽沿所述顶板的长度方向延伸，所述凹槽的两侧分别为两个所述导轨安装面。

5.根据权利要求1所述的动梁式龙门加工中心长型立柱，其特征在于，所述动梁式龙门加工中心长型立柱还包括多个筋板，多个所述筋板纵横设置，多个所述筋板位于两个所述侧板之间，且所述筋板与所述侧板垂直设置。

6.根据权利要求5所述的动梁式龙门加工中心长型立柱，其特征在于，纵横交错的多个所述筋板形成多个空腔，多个所述空腔分别与所述侧板上的通孔对应设置。

7.一种动梁式龙门加工中心长型立柱优化设计方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤S100：导轨安装面设计方案，确定安装面数目和间距，建立简化的立柱参数化模型，根据立柱实际承载情况确定其边界条件，优化计算，获取立柱初始轮廓和主要尺寸；

步骤S200：侧板和底板开孔优化设计，在保证立柱强度和刚度的条件下，优化侧板开孔设计，根据立柱的稳定性要求，优化设计底板上地脚螺栓孔的数目和分布，并在侧板对应的位置设计开孔；

步骤S300：立柱内部筋板的优化设计，对初始简化的立柱模型进行有限元网格划分前，划分优化区和非优化区，确定实际安装固支点和承载点，建立初始拓扑优化分析模型，并进行初步计算确保优化模型正确；

步骤S400：优化分析类型参数的确定：以结构的柔度最小为目标函数，优化后的体积为约束条件，以立柱初始拓扑优化分析模型中各单元的属性为设计变量，对立柱筋板进行拓扑优化；

步骤S500：根据拓扑优化结果，提取其轮廓，通过适当的修改得到新型的筋板分布和结构，并对立柱进行结构检验。

8.根据权利要求7所述的动梁式龙门加工中心长型立柱优化设计方法，其特征在于，在所述步骤S100中，采用有限元数值分析方法，对简化的立柱模型进行有限元网格划分。

9.根据权利要求7所述的动梁式龙门加工中心长型立柱优化设计方法，其特征在于，在所述步骤S100中，将承载面设置为导轨安装面，也是拓扑优化中的非优化区。

10.根据权利要求7所述的动梁式龙门加工中心长型立柱优化设计方法，其特征在于，在所述步骤S200中，侧板和底板比较长，材料富裕度大，因此，在适当的位置开孔可以减轻立柱的重量。