第3期 2017年3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)03013403
DOI: 10. 13462/j. cenki. mmtamt. 2017. 03. 034
微型移动龙门式铣床结构优化设计*
安治国，刘奇卢飞2
No.3 Mar.2017
（1.重庆交通大学机电与车辆工程学院，重庆400074；2.四川永贵科技有限公司，四川绵阳 621000)
摘要：针对某微型移动龙门式数控铣床的结构薄弱处，提出一种基于拓扑优化以及正交试验设计方
法的整机优化设计方法。
首先，建立其本体有限元模型，
在具体工况下对其进行了静力学分析，得到
了位移、应力云图：通过模态分析，得到其前十阶模态固有频率和主振型。根据有限元分析结果，基
于拓扑优化原理，以最小应变能为目标函数计；采用正交试验的方法，以工作台自重
工作台支荐面积为设计变量，对工作台进行
黄量为约束条件，对微型床立程进行了优化设移为优化目标T形槽大小、槽间距、工作台厚度和
优化设计
真，结果表明优化后整机静动态性能有了明显提高关键词：微型铁床；有限元；模态分析；优化设计
中图分类号：TH128;TG547
文献标识码：A
最后对优化后整机结构进行了有限元仿
Optimal Design of Micro Mobile Gantry Miling Machine Structure
AN Zhi-guo',LIU Qi',LU Fei?
(1. School of Mechanotronics & Vehicle Engineering, Chongqing Jiaotong University , Chongqing 400074, China ;2. Sichuan Yonggui Science and Technology Company Limited, Mianyang Sichuan 621000, China)
Abstract : Aiming at the weaknesses of micro mobile gantry milling machine,a method is presented based or topology optimization and orthogonal experiment. At first,the finite element model of the complete machine structure was established,and statics analysis was carried out under specific condition. the stress and displace-ment contours and static stiffness were achieved ; The first ten order modal frequencies and the main vibration mode were acquired. Based on the principle of topology optimization, putting the minimum strain as the ob-jective function, the column mass as constraint condition, the optimization design was carried out on the col-umn ; Adopting the method of orthogonal experiment, put the maximum displacement under the weight of ta-ble as the optimization goal, T slot size, groove spacing, the thickness of the workbench, and the work bench supporting area as design variables, by the optimized design to select the optimal results. The improve-ment of machine statics and dynamic performance after the optimization was proved by the modal analysis Key words; micro milling machine; finite element; statics; modal analysis; optimal design
0引言
微型移动龙门式铣床常用于小型零件的加工，为了提高其刚性及加工精度需对机床的本体结构进行优化设计。在机床结构优化方面，有很多学者做了相关研究。何剑等"采用拓扑优化与有限元仿真相结合的方法对微细加工机床的立柱进行优化设计最终确定立柱的最佳结构模型。王膝等[2]对机床床身进行模态分析，根据分析结果对床身横梁和立柱进行优化设计宋宇等["]提出一种综合优化技术对机床床身结构进行优化设计。但在机床结构优化的研究中，目前多数学者只关注于对结构单个部件进行优化设计，缺乏对多
收稿日期：20160609；修回日期：20160709*基金项目：重庆市教委科学技术研究项目（KJ1104004）
个关键部件综合考虑，更缺乏对整机静动态性能的优化和分析。
改变机床的结构，提高结构的刚度，同样对机床的精度影响较大(46]。本文以某微型移动龙门式铣床为研究对象，对其本体结构进行有限元仿真，分析其静动态特性，辨识机床的薄弱环节，指出立柱与工作台对整机性能影响最大。以立柱与工作台为优化目标，对机床结构进行优化设计改善机床的静动态性能。
机床模态分析理论
微型移动龙门式铣床可看作一个N自由度线性系统[7]，其运动微分方程为：
作者筒介：安治国（1976一），男，太原人，重庆交通大学副教授，博士，研究方向为机械结构设计及优化、机电一体化技术，（E-mail)azgcq@163.
com；通讯作者：刘奇（1989一），男，江西律多人，重庆交通大学额士研究生，研究方向为机械设计及理论，（E=mail)yuanzhoulinqi@163 com
万方数据