CN108481007B - 一种卧式加工中心床身四点支撑的设计方法 - Google Patents

一种卧式加工中心床身四点支撑的设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种卧式加工中心床身四点支撑的设计方法：首先，对机床各大结构件进行相应的处理，建立卧式加工中心整机有限元模型；其次，使用得到的机床结构简化模型进行机床结构仿真；再次，以得到的四点支撑模型静变形数据作为基准，以支撑垫铁的Z向坐标为变量分析床身导轨的静变形情况；最后，以整机末端变形和床身导轨静变形差控制在设定值之内为优化目标进行设计。通过本发明的设计方法得到的床身结构既解决了床身难以调整水平的问题，又解决了床身导轨在三点支撑的情况下变形差较大的问题，对于机床的四点支撑结构设计有良好的指导作用。

Description

一种卧式加工中心床身四点支撑的设计方法
技术领域
本发明涉及数控机床设计领域，特别涉及一种卧式加工中心床身四点支撑的设计方法。
背景技术
卧式加工中心属于机床是一种，其床身位于机床下部，与立柱、溜板、主轴箱、工作台等共同组成整个卧式加工中心，对整个机床起到支撑作用。而由于现有的卧式加工中心床身在支撑时多采用多点支撑，过多的支撑点很容易造成机床在安装调试时，过度定位而难以调整床身水平，并且产生较大的塑性蠕变影响床身精度；而三点支撑的情况下，由于卧式加工中心床身Z向较长，会导致床身前端支撑不足，使得床身导轨产生较大的变形差。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术中的不足，提供一种卧式加工中心床身的四点支撑设计方法。通过本发明设计方法得到的床身结构既解决了床身难以调整水平的问题，又解决了床身导轨在三点支撑的情况下变形差较大的问题。
本发明所采用的技术方案是：一种卧式加工中心床身四点支撑的设计方法，包括设置于床身底部与地面基础之间的四个支撑垫铁，四个支撑垫铁呈T型分布，床身后部的两个支撑垫铁沿X向分布，床身前部的两个支撑垫铁沿Z向分布；设计方法包括以下步骤：
步骤一：建立卧式加工中心整机有限元模型；
步骤二：卧式加工中心整机结构仿真；
步骤三：以支撑垫铁的Z向坐标为变量分析床身导轨的静变形情况；
步骤四：以整机末端变形和床身导轨静变形差控制在设定值之内为优化目标进行设计。
进一步的，步骤一具体包括：在进行有限元建模和仿真之前，对卧式加工中心床身的各大结构件进行相应的处理，去除螺栓孔、倒圆倒角以及小的凸台，得到简化的卧式加工中心整机三维模型；在有限元建模的过程中，需对结合面进行等效处理，在立柱床身螺栓连接结合面上，根据螺栓连接的实际位置和实际数目建立相应硬点，采用弹簧阻尼单元COMBIN14，赋予刚度值模拟螺栓连接；对于导轨滑块结合面，每个结合面上建立四对硬点，创建弹簧阻尼单元COMBIN14并赋予刚度值。
进一步的，步骤二具体包括：将简化后的卧式加工中心床身的各大结构件装配到一起，以.x_t格式输入到有限元分析软件中，对床身四个支撑垫铁施加约束，并施加全局重力载荷，进行模型仿真。
进一步的，步骤三具体包括：以得到的四点支撑模型静变形数据作为基准，从实际装配情况出发，以支撑垫铁的Z向坐标为变量调整四点支撑的位置并重复进行仿真分析；在仿真分析过程中要遵循支撑点的布置规律，使得床身后部的两个支撑垫铁沿X向分布，床身前部的两个支撑垫铁沿Z向分布，并保证整机重心位置落在床身后部两个支撑垫铁和临近的床身前端支撑垫铁构成的等腰三角形之间；其中，床身后部两个支撑垫铁的Z向坐标位于重心点位置至向床身后部延伸床身25％长度的范围内，临近的床身前端支撑垫铁Z向坐标位于重心点位置至向床身前端延伸床身25％长度的范围内，而床身前端支撑垫铁的Z向坐标位于床身导轨前端Z向坐标位置至向床身后部延伸床身20％长度的范围内。
进一步的，步骤四具体包括：在分析的过程中，使用多目标优化的方法以整机末端变形控制在设定值25微米以内和床身导轨静变形差控制在设定值5微米以内为目标对床身结构进行优化；经过多次迭代优化后，获得若干组可行性解，所述的可行性解为床身底部能够布置支撑垫铁的位置；然后在可行性解中进行选取，使得整机末端变形控制在25微米以内，并且将床身导轨的静变形差控制在5微米以内；得到床身后部支撑垫铁位于重心位置向后部移动7％床身长度的位置，临近的前端支撑垫铁位于重心位置向前端移动18％床身长度的位置，床身前端支撑垫铁位于导轨前端向后部移动11％床身长度的位置；即得到较优的床身四点支撑结构，完成四点支撑设计。
本发明的有益效果是：本发明实现了卧式加工中心的较为可靠的四点支撑结构设计方法。设计得到的结构一方面通过四个支撑垫铁的安装满足了整个床身结构的支撑和刚度要求，另一方面通过利用四个支撑点可以较为容易实现调整床身水平的功能，其中三个主要支撑点仅调节其中两个支撑垫铁的调整螺栓即可调节机床的高度与床身和工作台的水平，和多点支撑相比大幅度提高了调节效率；同时调整床身前端的辅助支撑垫铁的调整螺栓到合适位置，有利于抑制床身前端的导轨变形。位置设置较优的四点支撑结构形式与相同条件下设置较优的三点支撑结构形式相比，床身导轨的静变形差可减小35％以上，并且与其他支撑形式相比具备支撑结构简单可靠，便于调节的优点。
附图说明
图1为本发明卧式加工中心整机结构的示意图；
图2为本发明卧式加工中心床身结构的立体结构示意图；
图3为本发明卧式加工中心床身结构的仰视图；
附图标注：1.床身；2.转台；3.工作台；4.立柱；5.溜板；6.主轴箱；7.主轴；8.床身前端导轨支撑面；9.床身后部立柱支撑面；10.床身后部的支撑垫铁，主要支撑点；11.床身后部的支撑垫铁，主要支撑点；12.床身前端的支撑垫铁，主要支撑点；13.床身前端的支撑垫铁，辅助支撑点；14.床身斜筋。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的描述。
一种卧式加工中心床身结构安装于机床上，机床包括床身1、立柱4、溜板5、主轴箱6、工作台3；床身1结构整体为T型床身，床身1结构底部具有四个支撑结构，床身1后部的两支撑沿X向分布，床身1前部的两支撑沿Z向分布，用于支撑床身1于地面基础上；床身1上部前端安装导轨，导轨上安装工作台3，床身后部安装立柱4，立柱4上安装溜板5和主轴箱6。
所述卧式加工中心床身结构底部支撑结构是指支撑垫铁，支撑垫铁具有矩形接触面，设置于床身1底部与地面基础。四个支撑垫铁总体呈T型分布，床身后部的两个支撑垫铁10、支撑垫铁11沿X向分布，床身前部的两个支撑垫铁12、支撑垫铁13沿Z向分布，整机重心落在床身1后部两个支撑垫铁10、支撑垫铁11和临近的床身前端支撑垫铁12构成的等腰三角形之间，故这三个支撑为主要支撑，床身最前端的支撑垫铁13为辅助支撑。
如图1所示为本发明卧式加工中心床身组装成整机结构的示意图，床身1上前端支撑导轨，其上支撑转台2和工作台3，床身后部支撑立柱4，并在其上安装溜板5、主轴箱6和主轴7。
如图2所示为本发明卧式加工中心床身结构的立体结构示意图，说明了床身1上部与导轨、立柱4的连接情况，其中床身前端导轨支撑面8与床身后部立柱支撑面9支撑卧式加工中心机床上部组件，为整个机床提供精度。
如图3所示为本发明卧式加工中心床身结构的仰视图，床身底部的支撑垫铁10和支撑垫铁11属于床身后部的支撑，支撑垫铁12和支撑垫铁13属于床身前端的支撑，支撑垫铁10、支撑垫铁11、支撑垫铁12是主要支撑，由于机床整机中心落在这三个支撑构成的等腰三角形之中，此三个支撑点承受较大的支撑力，故此支撑垫铁10、支撑垫铁11、支撑垫铁12为调整床身高度与水平的主要支撑点；支撑垫铁13是辅助支撑，主要调节床身导轨的变形差。床身斜筋14为加强筋，提高床身整体刚度尤其是Y向刚度。
一种卧式加工中心床身四点支撑的设计方法，如下所示：
第一步：建立卧式加工中心整机有限元模型
在进行有限元建模和仿真之前，对卧式加工中心床身的各大结构件进行相应的处理，去除螺栓孔、倒圆倒角以及小的凸台等，得到简化的卧式加工中心整机三维模型。在有限元建模的过程中，需对结合面进行等效处理，在立柱床身螺栓连接结合面上，根据螺栓连接的实际位置和实际数目建立相应硬点，采用弹簧阻尼单元COMBIN14，赋予刚度值模拟螺栓连接；对于导轨滑块结合面，每个结合面上建立四对硬点，创建弹簧阻尼单元COMBIN14并赋予刚度值。
第二步：机床结构仿真
将简化后的卧式加工中心床身的各大结构件(床身、立柱、溜板、主轴箱、工作台等)装配到一起，以.x_t格式输入到有限元分析软件中，对床身四个支撑垫铁施加约束，并施加全局重力载荷，进行模型仿真。
第三步：以支撑垫铁的Z向坐标为变量分析床身导轨的静变形情况
以得到的四点支撑模型静变形数据作为基准，从实际装配情况出发，以支撑垫铁10、11、12、13的Z向坐标为变量调整四点支撑的位置并重复进行仿真分析。在仿真分析过程中要遵循支撑点的布置规律，使得床身后部的两支撑垫铁10、支撑垫铁11沿X向分布，床身前部的两支撑垫铁12、支撑垫铁13沿Z向分布，并保证整机重心位置落在床身后部两个支撑垫铁10、11和临近的床身前端支撑垫铁12构成的等腰三角形之间。其中，床身后部两个支撑垫铁10、支撑垫铁11的Z向坐标位于重心点位置至向床身后部延伸床身25％长度的范围内，临近的床身前端支撑垫铁12的Z向坐标位于重心点位置至向床身前端延伸床身25％长度的范围内，而临近的床身前端支撑垫铁13的Z向坐标位于床身导轨前端Z向坐标位置至向床身后部延伸床身20％长度的范围内。
第四步：以较小的整机末端变形和床身导轨静变形差为优化目标进行设计
在分析的过程中，使用多目标优化的方法以较小的整机末端变形和较小的床身导轨静变形差为目标对床身结构进行优化，其中，较小的整机末端变形为整机末端变形控制在设定值25微米以内，较小的床身导轨静变形差为床身导轨静变形差控制在设定值5微米以内。
设定整机末端最大变形量为Dmax，床身导轨最大静变形差为dmax，床身长度为L，各支撑点位置的初始值为范围的中点位置Z010、Z011、Z012、Z013，这样该多目标优化问题的数学模型为：
Minf(x)＝[Dmax,dmax] (1)
s.t.Z010-12.5％L≤Z10≤Z010+12.5％L (2)
Z011-12.5％L≤Z11≤Z011+12.5％L (3)
Z012-12.5％L≤Z12≤Z012+12.5％L (4)
Z013-10％L≤Z13≤Z013+10％L (5)
其中Z10、Z11、Z12、Z13为确定各支撑点位置的位置参数。经过多次迭代优化后，获得若干组可行性较高的解，可行性较高的解为床身底部能够布置支撑垫铁的位置。然后在其中进行选取，使得整机末端变形控制在25微米以内，并且将床身导轨的静变形差控制在5微米以内。即得到较优的床身四点支撑结构，完成四点支撑设计。
针对本实施例经过以上四个步骤的优化设计过程，得到床身后部两个支撑垫铁10、支撑垫铁11位于重心位置向后部移动7％床身长度的位置，临近的前端支撑垫铁12位于重心位置向前端移动18％床身长度的位置，床身前端支撑垫铁13位于导轨前端向后部移动11％床身长度的位置，四个支撑点Z向间距之比约为9:5。本实施例与相同条件下三点支撑结构形式相比，床身导轨的静变形差减小了35％以上。
尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以做出很多形式，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种卧式加工中心床身四点支撑的设计方法，包括设置于床身底部与地面基础之间的四个支撑垫铁，四个支撑垫铁呈T型分布，床身后部的两个支撑垫铁沿X向分布，床身前部的两个支撑垫铁沿Z向分布；其特征在于，设计方法包括以下步骤：
步骤一：建立卧式加工中心整机有限元模型；
步骤二：卧式加工中心整机结构仿真；
步骤三：以支撑垫铁的Z向坐标为变量分析床身导轨的静变形情况，具体包括：以得到的四点支撑模型静变形数据作为基准，从实际装配情况出发，以支撑垫铁的Z向坐标为变量调整四点支撑的位置并重复进行仿真分析；在仿真分析过程中要遵循支撑点的布置规律，使得床身后部的两个支撑垫铁沿X向分布，床身前部的两个支撑垫铁沿Z向分布，并保证整机重心位置落在床身后部两个支撑垫铁和临近的床身前端支撑垫铁构成的等腰三角形之间；其中，床身后部两个支撑垫铁的Z向坐标位于重心点位置至向床身后部延伸床身25％长度的范围内，临近的床身前端支撑垫铁Z向坐标位于重心点位置至向床身前端延伸床身25％长度的范围内，而床身前端支撑垫铁的Z向坐标位于床身导轨前端Z向坐标位置至向床身后部延伸床身20％长度的范围内；
步骤四：以整机末端变形和床身导轨静变形差控制在设定值之内为优化目标进行设计，具体包括：在分析的过程中，使用多目标优化的方法以整机末端变形控制在设定值25微米以内和床身导轨静变形差控制在设定值5微米以内为目标对床身结构进行优化；经过多次迭代优化后，获得若干组可行性解，所述的可行性解为床身底部能够布置支撑垫铁的位置；然后在可行性解中进行选取，使得整机末端变形控制在25微米以内，并且将床身导轨的静变形差控制在5微米以内；得到床身后部支撑垫铁位于重心位置向后部移动7％床身长度的位置，临近的前端支撑垫铁位于重心位置向前端移动18％床身长度的位置，床身前端支撑垫铁位于导轨前端向后部移动11％床身长度的位置；即得到较优的床身四点支撑结构，完成四点支撑设计。
2.根据权利要求1所述的一种卧式加工中心床身四点支撑的设计方法，其特征在于，步骤一具体包括：在进行有限元建模和仿真之前，对卧式加工中心床身的各大结构件进行相应的处理，去除螺栓孔、倒圆倒角以及小的凸台，得到简化的卧式加工中心整机三维模型；在有限元建模的过程中，需对结合面进行等效处理，在立柱床身螺栓连接结合面上，根据螺栓连接的实际位置和实际数目建立相应硬点，采用弹簧阻尼单元COMBIN14，赋予刚度值模拟螺栓连接；对于导轨滑块结合面，每个结合面上建立四对硬点，创建弹簧阻尼单元COMBIN14并赋予刚度值。
3.根据权利要求1所述的一种卧式加工中心床身四点支撑的设计方法，其特征在于，步骤二具体包括：将简化后的卧式加工中心床身的各大结构件装配到一起，以.x_t格式输入到有限元分析软件中，对床身四个支撑垫铁施加约束，并施加全局重力载荷，进行模型仿真。
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