高速卧式加工中心主轴箱拓扑优化设计

第 1 页

前 言

加工中心集计算机技术、电子技术、自动化控制、传感测量、机械制造、网络通信技术于一体，是典型的机电一体化产品，它的发展和运用，开创了制造业的新时代，改变了制造业的生产方式、产业结构、管理方式，使世界制造业的格局发生了巨大变化。现在的CAD/CAM、FMS、CIMS，都是建立在数控技术之上。目前数控技术已经广泛运用于制造业，数控技术水平的高低已成为衡量一个国家制造业现代化程度的核心标志。而加工中心的发展最为重要。

随着科学技术的高速发展，市场上对数控的要求也有很大的改变，正要求数控系统朝着高速、高精度、高可靠性发展，为追求加工效率及更通用化迫使数控机床结构模块化、智能化、柔性化、用户界面图形化，科学计算可视化，内置高性能PLC，多媒体技术应用等方面发展。

加工中心的优点有：1）提高加工质量；2）缩短加工准备时间；3）减少在制品；4）减少刀具费；5）最少的直接劳务费；6）最少的间接劳务费；7）设备利用率高。总的来说，加工中心的发展动向是高速、进一步提高精度和愈发完善的机能。

本设计说明书以大量图例来说明加工中心的主轴箱设计及横向进给机构的设计的思路。设计中得到颜竟成教授的悉心指导，在此向他表示诚挚的的感谢。由于编者的水平和经验有限，加之设计时间较短、资料收集较困难，说明书中难免有缺点和错误，在此恳请读者谅解，并衷心希望广大读者提出批评意见，使本设计说明书能有所改进。

1、 机床总体方案设计

1.1机床总体尺寸参数的选定

根据设计要求并参考实际情况，初步选定机床主要参数如下：

工作台宽度×长度 400×1600mm×mm

工作台最大纵向行程 650mm

工作台最大横向行程 450mm

工作台最大垂直行程 500mm 第 2 页 X、Y轴步进电机 a12/3000i

第８期　２０１１年８月　组合机床与自动化加工技术　Ｍｏｄｕｌａｒ　Ｍａｃｈｉｎｅ　Ｔｏｏｌ＆Ａｕｔｏｍａｔｉｃ　Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ　Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ　ＮＯ．８　Ａｕｇ．２０１１　

文章编号：１００１—２２６５（２０１１）０８—００７６—０４　

重心驱动原理在高速卧式镗铣加工中心　

关键部件结构设计中的应用　

黄晓严，李壮　

（大连华根机械有限公司，辽宁大连　１１６６２０）　木　

摘要：介绍了重心驱动技术的原理，针对高速卧式镗铣加工中心的结构特点，提出了将重心驱动技术　应用在主轴箱、滑架等关键部件结构设计的方法。利用有限元分析软件对应用“重心驱动技术的高　

速卧式镗铣加工中心整机进行了动静态特性分析，得到了其应力、应变图及前四阶固有频率和振型　

图。分析结果表明采用“重心驱动”的加工中心具有良好的动静态特性，因此重心驱动技术作为一种　

新型的数控机床进给驱动方式，可以有效地减少加工中心的振动，提高其动静态特性。　

关键词：重心驱动；高速加工中心；结构设计；有限元　中图分类号：ＴＨ１１４　文献标识码：Ａ　

Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｂａｒｙｃｅｎｔｅｒ　Ｄｒｉｖｅ　ｔｏ　ｔｈｅ　Ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ　Ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　Ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ　Ｍａｃｈｉｎｅ　Ｃｅｎｔｅｒ　

ＨＵＡＮＧ　Ｘｉａｏ－ｙａｎ，ＬＩ　Ｚｈｕａｎｇ　

（Ｄａｌｉａｎ　Ｄｒａｇｏｎ　Ｍａｃｈｉｎｅ　Ｔｏｏｌ　ＣＯ．ｈｄ，Ｄａｌｉａｎ　Ｌｉａｏｎｉｎｇ　１　１　６６２０，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ　ｔｈｅ　ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ　ｏｆ　ｂａｒｙｃｅｎｔｅｒ　ｄｒｉｖｅ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ　ｆｅａｔｕｒｅｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｈｉｇｈ－　

ｓｐｅｅｄ　ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ　ｂｏｒｉｎｇ　ａｎｄ　ｍｉｌｌｉｎｇ　ｍａｃｈｉｎｉｎｇ　ｃｅｎｔｅｒ．Ｔｈｅ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｂａｒｙｃｅｎｔｅｒ　ｄｒｉｖｅ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ　

第６期　２０１２年６月　组合机床与自动化加工技术　Ｍｏｄｕｌａｒ　Ｍａｃｈｉｎｅ　Ｔｏｏｌ＆Ａｕｔｏｍａｔｉｃ　Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ　Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ　Ｎ０．６　Ｊｕｎ．２０１２　

文章编号：１００１—２２６５（２０１２）０６—０１０１—０４　基于灵敏度分析的大型数控镗铣中心　

主轴箱优化设计研究　

曲令晋　（河南工业职业技术学院机电工程系，河南南阳４７３０００）　摘要：以主轴箱应力和位移为评价指标，对镗铣加工中心主轴箱体进行了灵敏度分析，得到各设计变　量对评价指标的影响情况。将灵敏度高的设计变量作为箱体设计变量，对箱体进行了优化设计。为　机床箱体的优化设计提供了一种方法。　关键词：镗铣加工中心；主轴箱；灵敏度分析；优化设计　中图分类号：ＴＨ１６；ＴＧ６５　文献标识码：Ａ　

Ｓｔｕｄｙ　ｏｆ　Ｈｅａｄｓｔｏｃｋ　Ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ　ｂｙ　ｔｈｅ　Ｌａｒｇｅ　ＮＣ　Ｂｏｒｉｎｇ　ａｎｄ　Ｍｉｌｌｉｎｇ　Ｃｅｎｔｅｒ　Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　Ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ　Ａｎａｌｙｓｉｓ　ＱＵ　Ｌｉｎｇ－ｊｉｎ　（Ｈｅｎａｎ　Ｐｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｎａｎｙａｎｇ　Ｈｅｎａｎ　４７３０００，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｗｉｔｈ　ｈｅａｄｓｔｏｃｋ　ｓｔｒｅｓｓ　ａｎｄ　ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ　ａｓ　ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ　ｉｎｄｅｘｅｓ，ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｓｐｉｎ—　ｄｉｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｂｏｒｉｎｇ　ａｎｄ　ｍｉｌｌｉｎｇ　ｍａｃｈｉｎｉｎｇ　ｃｅｎｔｅｒ，ｏｂｔａｉｎｓ　ｅａｃｈ　ｄｅｓｉｇｎ　ｖａｒｉａｂｌｅｓ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｅｖａｌ—　ｕａｔｉｏｎ　ｉｎｄｅｘｅｓ．Ｔｈｅ　ｄｅｓｉｇｎ　ｖａｒｉａｂｌｅｓ　ｏｆ　ｈｉｇｈ　ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ　ａｓ　ｂｏｘ　ｄｅｓｉｇｎ　ｖａｒｉａｂｌｅｓ，ｔｈｅ　ｂｏｘ　ｈａｓ　ｂｅｅｎ　ｏｐｔｉ—　ｍｉｚｅｄ．Ｉｔ　ｉｓ　ｐｒｏｖｉｄｅｄ　ａ　ｍｅｔｈｏｄ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｍａｃｈｉｎｅ　ｔｏｏｌ　ｂｏｘ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｂｏｒｉｎｇ　ａｎｄ　ｍｉｌｌｉｎｇ　ｍａｃｈｉｎｉｎｇ　ｃｅｎｔｅｒ；ｈｅａｄｓｔｏｃｋ；ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ　ａｎａｌｙｓｉｓ；ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ　ｄｅｓｉｇｎ　

ＧＳＬＭ３３０８五轴联动镗铣加工中心主轴箱的有限元分析及优化设计术　

口陈敏－　口张华伟－　口陈启愉　

１．广东省工业技术研究院　广州　口吴智恒ｔ　口林建新　

５１０６５１　２．广东鑫泰科技集团有限公司　广州５１１４５８　

摘要：利用Ｐｒ０／Ｅ对ＧＳＬＭ３３０８的主轴箱进行实体建模，并将模型导入ＨｙｐｅｒＷｏｒｋｓ软件中，建立主轴箱有限元模　

型，再用Ｒａｄｉｏｓｓ求解器进行分析计算。结合分析计算结果，利用ＯｐｔｉＳｔｒｕｃｔ对主轴箱进行拓扑优化。优化后的主轴箱在满　

足设计要求的同时．减少了材料的使用．达到了降低生产成本的目的。　

关键词：主轴箱有限元分析拓扑优化　

中图分类号：ＴＨ１２３　文献标识码：Ａ　文章编号：１０００—４９９８（２叭３）０８—００２０—０３　

随着机床向高精度、高表面质量和高效率方向发　

展，要提高机床的加工性能，需要研究机床的静刚度和　

动态特性。复杂机械结构系统的动态设计，国内常采用　

人一机交互的方式，对结构系统进行动力学建模和动态　

特性分析，根据设计者的要求进行动力学修改。然后在　

计算机上进行再分析．经多次反复．直到所设计的结构　

动态性能满足要求，其优化效果的好坏往往取决于设　

计者的经验。而国外已经采用了拓扑优化等较为先进　

的优化方法…。本文对ＧＳＬＭ３３Ｏ８的主轴箱整体结构　

进行了有限元分析，并且根据主轴箱整体结构的应变　

和应力计算结果，利用拓扑优化理论对主轴箱进行了　

结构拓扑优化，得到了主轴箱的优化结构，优化后的计　

算结果表明，在满足设计要求的同时，实现了减重的目　

标．达到优化的目的。　

１　拓扑优化的变密度法　

广东省科技计划项目（编号：２０１２Ｂ０４０３０６００７、２０１１Ａ０９０２００００７）　广州市科技计划项目（编号：２０１２Ｙ２—０００３８、１２Ａ１４４０４１５７９、２０１０ＧＮ—　Ｄ０ｏＯ３１）　收稿日期：２０１３年５月　

统在不断调整伺服驱动系统参数设置和不断优化软件　

系统中的相关参数设定后可以基本满足目标速度。在