第8期 2017年8月
组合机床与自动化加工技术
Modular Machine Tool & Automatic Manufacturing Technique
文章编号：10012265(2017)08013804
D0I:10.13462/j. cnki. mmtamt.2017.08.036
卧式加工中心立柱的轻量化设计研究
郑文标，彭晋民
No.8 Aug.2017
（1.福州大学机械工程及自动化学院，福州350108；2.福建工程学院机械与汽车工程学院，福州 350108)
摘要：针对传统机床立柱设计中存在材料浪费、刚度不足与设计周期长等缺陷，以某卧式加工中心立柱为研究对象，运用有限元法对立柱进行静力学和模态分析，研究立柱的薄弱环节；然后利用Hyper Mesh软件，在保证立柱性能的前提下，以质量最小化为目标对立柱进行拓扑优化，根据拓扑优化的材料分布结果设计了新的立柱结构，通过对新立柱进行有限元分析，结果表明，立柱的质量减轻了
7.88%，刚度和固有频率均有不同程度的提高，达到了立柱轻量化设计的目标。关键词：立柱；有限元法；拓扑优化；轻量化设计
中图分类号：TH122;TG506
文献标识码：A
LightweightDesign of the Column of Horizontal Machining Center
ZHENG Wen-biao',PENG Jin-min
(1. School of Mechanical Engineering and Automation, Fuzhou University, Fuzhou 350108,China;2. School of Mechanical and Automotive Engineering, Fujian University of Technology, Fuzhou 350108 , China)
Abstract : Focus on the existence of material waste, insufficient stiffness and long design cycle in the tradi-tional design of machine tool column. Take the column of horizontal machining center as the research ob-ject; finite element method was used for the static and modal analysis of machining tool column, researching its weak parts. Then, use the software of Hyper Mesh, topology optimization was carried out on the machi-ning tool column with the premise of guarantee performance and weight minimization. From material distri-bution result of the topology optimization,new machining tool column was designed.Finite element analysis results indicate that the weight of new designed column was reduced by 7. 88% and stiffness and natural fre-quency has been improved with different degrees, achieving the target of lightweight design of the column Key words: column; finite element method; topology optimization; lightweight design
点2，殷国富等运用拓扑优化方法对机床床身的筋板
0引言
机床结构件的轻量化设计是指在满足机床性能的前提下，尽可能减轻的机床的重量，从而减少原材料，降低生产成本。立柱作为机床主要的支撑件之一，受力集中且重量较大，其动、静态特性的好坏直接影响机床的加工精度。如何在保证立柱动、静态特性的前提下实现轻量化设计是设计人员面临的主要技术难题之一。
立柱的轻量化设计实际是一个结构优化问题，一
股以立柱的质量为目标函数，动、静态特性为约束条件，寻求立柱质量的最小化。拓扑优化被认为最具有潜力的一种结构优化方法，已成为近几年研究的热
收稿日期：2016-08-19；修回日期：2016-11-1
做了改进，提高了床身的动、静态特性[3]。
本文以轻量化设计为目标，利用ANSYSWork bench和HyperMesh软件对卧式加工中心立柱进行有限元分析和拓扑优化，在保证机床性能的前提下，能够最大程度的节省材料消耗，降低生产成本，具有非常重要的工程意义。
建立立柱有限元模型 1
1.1机床结构简介
本文研究的立柱来自于如图1所示的卧式加工中心，该卧式加工中心带有交换工作台机构，主轴的最高转速为10000r/min，X、Y、Z轴的行程分别为760mm、
*基金项目：福建省数控装备技术重大研发平台（2014H2002）：福建省高校新世纪优秀人才项目（JA13207）：福建省高校产学合作项目“面向3C产
品制造配置机内机器人的智能钻统加工中心研发（2017H6002
作者简介：郑文标(1990—），男，福建龙岩人，福州大学硕士研究生，研究方向为机床结构优化、数字化设计，（E-mail)2209992507@qq-com；通讯
作者：彭晋民（1974一），男，四川双流人，福建工程学院教授，博士，研究方向为数控机床现代设计方法，智能装备设计及其集成应用技方数据