精密卧式立柱结构优化设计论文

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1设计参数灵敏度分析

由于企业现有立柱整体结构已趋于成熟，考虑大到研发周期和成本等诸多因素，本文以立柱的壁厚、筋板高度以及筋板厚度作为一组设计变量，利用灵敏度法分析各结构参数变化对立柱动态性能的影响。

1.1壁厚对立柱动态性能的影响

以立柱壁厚为设计变量，当其为20mm、22.5mm、25mm、27.5mm和30mm时可以看出，增加立柱壁厚对立柱固有频率提高有较为明显的作用，可以在现有基础之上适当增加壁厚。

1.2筋板高度对立柱动态性能的影响

以立柱筋板高度为设计变量，当其为50mm、60mm、65mm、70mm和75mm时，可以看出，随着筋高的增加立柱前2阶固有频率呈下降趋势。故从提高固有频率的角度来看，筋板高度宜小些。但是，筋板越高结构的抗扭转能力越强，所以要综合考虑两个方面的影响。

1.3筋板厚度对立柱动态性能的影响

以立柱筋板厚度为设计变量，当其为16mm、18mm、20mm、22mm和24mm时，可以看出，筋板厚度对立柱的固有频率的影响规律不明显，可以通过减小筋板厚度来降低立柱质量。

2立柱结构拓扑优化

以减小的材料质量为状态变量，对该型机床床身的原始模型进行形状拓扑优化计算，为后期的详细设计提供依据，目的是在确保其承载能力的基础上减轻床身重量，降低制造成本，增加立柱运动的快速相应能力。为了更为真实的模拟立柱所承受的工作载荷，本次优化将立柱放置于整个机床系统中，床身底面施加固定约束，刀头处施加切削载荷。以减重20%为目标函数，对该型机床立柱进行拓扑优化，可以看出：该型机床立柱可在一定程度上进行优化减重，且可重点减轻立柱上部两导轨之间空腔的壁厚，加大远离刀头一侧导轨空腔的孔洞大小。

3立柱内部筋板改进

立柱的肋板形式和布置，对机床的动态性能有很大影响。因此，本文对立柱内部筋板形式进行优选，根据立柱具体结构，分析了蜂窝筋和直筋板对其动静态性能的影响规律。对不同筋板形式下，立柱的动态特性进行分析。可以看出：质量相同的两种结构方式，直筋在各阶固有频率上都占有优势，此外直筋的铸造工艺更为简单，因此，建议立柱内部筋板采用直筋形式。

4结束语

1）对立柱原模型进行分析可知，该型机床立柱前两阶固有频率分别为51.88Hz和58.58Hz，主要为立柱沿X项摆动和沿Z向摆动，由前两阶频率较低，容易与整机驱动频率发生耦合共振；

2）以立柱的壁厚、筋板高度以及筋板厚度作为一组设计变量，利用灵敏度法分析各结构参数变化对立柱动态性能的影响。结果表明：增加立柱壁厚可提高立柱固有频率，增加筋板高度并不能提高立柱固有频率，筋板厚度对立柱动态特性影响不明显。

3）通过拓扑优化发现，该型机床立柱可从两方面进行减重：一是减轻立柱上部两导轨之间空腔的壁厚，二是加大远离刀头一侧导轨空腔的孔洞大小；

4）与蜂窝筋相比，直筋板在各阶固有频率上都占有优势，且铸造工艺简单，建议该型机床立柱内部筋板采用直筋形式；

5）分析结果可为该类型机床立柱的进一步改进设计提供依据，具有一定的工程应用价值。

作者：孙波 袁宇 朱林波 单位：沈机集团昆明机床股份有限公司