一种立式五轴加工中心立柱结构及优化设计方法技术

本发明专利技术公开一种立式五轴加工中心立柱结构及其优化设计方法，其中，优化设计方法包括分析立柱的功能、特点和设计要求，在立柱前面板设计三条水平设置的导轨，在下面两根导轨之间设有一电机丝杆机构安装槽，将立柱整体设计为箱型内部加筋结构；对立柱进行减重优化，设计立柱外板和筋板开孔方式和分布；采用响应面优化法对立柱内部筋板进行布局优化，设计抗弯刚性优良的内部筋板布局；再对立柱根部加固，最后采用有限元法对立柱的刚性进行分析验证，直至获得的立柱结构符合要求。采用本发明专利技术的优化设计方法进行立柱的优化设计，获得的立柱整体结构简单，实用性强，并且刚性好，重量轻，抗弯性能符合要求，应用在立式五轴加工中心上能提高加工精度。提高加工精度。提高加工精度。

【技术实现步骤摘要】
一种立式五轴加工中心立柱结构及优化设计方法


[0001]本专利技术属于五轴联动数控机床结构设计
，具体涉及一种立式五轴加工中心立柱优化设计方法及优化设计得到的立柱结构。

技术介绍

[0002]五轴联动数控机床是航空航天、船舶、汽车、重型机械等行业不可缺少的重要工艺加工设备，可实现各种复杂平面、曲面零件的高效率、高质量加工，能一次装夹完成全部加工，提高空间自由曲面的加工精度、质量和效率。数控机床技术中难度最大、应用范围最广的技术。
[0003]目前，立式五轴加工中心在我国市场需求量大，而国产立式五轴加工中心相对于国外整体水平还较低，具体体现在稳定性、精度等相差较大。立式五轴加工中心基础件主要有底座、工作台、转台C轴、立柱、滑座、主轴箱、B轴等。立柱作为立式五轴加工中心的重要部件，立柱下部固定在底座上，立柱上部前面板要承载滑座、主轴箱和B轴的重量，由于摆头悬伸大，重心前倾，若立柱的抗弯刚性不足，则会导致精度不合格。针对现有技术的不足，如何对立式五轴加工中心立柱进行了结构优化设计，优化设计出符合精度要求的立柱，不仅在经济上具有重大意义，同时对我国国防工业的发展也具有深远的意义。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于提供一种立式五轴加工中心立柱的优化设计方法，解决立柱因刚性不足而导致精度问题，优化设计出符合刚性要求的立柱。
[0005]为了实现上述技术目的，本专利技术采用以下技术方案：一种立式五轴加工中心立柱的优化设计方法，其特征在于：包括如下步骤：
[0006]S1：对立柱整体做初步设计：确定立柱的外形结构尺寸，并将立柱主体设计为箱体结构，在前面板上设计三条水平设置的用于安装滑座的导轨，在中部导轨及下部导轨之间开设一个用于安装电机丝杆机构的安装槽；在箱体内分别沿长度方向和高度方向均布设有2个筋板，在前面板内侧面与三条导轨对应的位置设有加厚板以提高前面板的刚性，对立柱承载形式分析，初步了解立柱边界约束、变形趋势和优化空间，得到初始立柱结构1。
[0007]S2：对立柱进行减重优化：分析立柱箱体面板和筋板的开孔形状对抗弯刚性的影响，并根据分析结果在适当位置开设圆形减重孔，得到立柱结构2。
[0008]S3：对立柱参数DOE分析和优化计算：建立立柱参数化模型，以立柱箱体结构壁厚、内部筋板厚度及数目为设计变量，应用优化工具对立柱参数进行DOE计算，确定立柱变形、质量与各设计参数组合的关系；采用响应面优化法，指定立柱优化目标和约束条件，执行优化计算，找出预测的响应最优值以及对应的设计参数组合，根据最优的设计参数组合，得到立柱结构3。
[0009]S4：对立柱根部加固：设计立柱根部的支撑和螺栓孔，得到立柱结构4。
[0010]S5：验证立柱结构：通过对立柱结构4的做有限元分析获得立柱的最大变形，确定
立柱结构是否满足设计要求；是，完成设计；否，转S2
‑
S4步继续执行优化。
[0011]进一步地，在所述步骤S1初步设计时，将所述箱体结构的壁厚设计为27mm，所述筋板的壁厚设计为27mm。
[0012]进一步地，所述步骤S2中分析开孔形状对抗弯刚性的影响的操作步骤是：先对同样的立柱模型分别设计开圆孔和方孔结构，保证开孔后总质量相同，分别优化计算开圆孔与方孔的立柱结构弯曲变形，计算结果是开圆孔的最大变形比开方孔的最大变形小，说明开圆孔结构抗弯刚性优于开方孔，以此确定开圆孔减重方式。
[0013]进一步地，所述步骤S3中设计变量的具体参数为：立柱箱体壁厚、筋板厚指定为连续变量，上下限均在23mm
‑
32mm之间；筋板数为离散变量，长度方向设定筋板数目2
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5块，高度方向设定筋板数目2
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5块，厚度方向设定筋板数目为1
‑
2块；优化目标和约束条件为：立柱总质量最小为目标，立柱最大变形不超过0.05mm为约束条件。
[0014]进一步地，所述步骤S4中设计立柱根部的支撑和螺栓孔的操作步骤是：箱体底板往前延长200mm，底板与前面板之间增加4块三角筋板，底板前后都设有螺栓孔，后面板和左右面板的下部设计有内沉式的螺栓安装空间。
[0015]本专利技术一种采用上述优化设计方法设计的立柱结构，其特征在于：该立柱结构包括箱体，在前面板上设有三条平行于X轴的导轨，在中部导轨及下部导轨之间开设有一安装槽；箱体内长度方向均布有四块筋板，高度方向均布有二块筋板，厚度方向设有一块筋板，在箱体的顶板、后面板、左面板、右面板、以及内部筋板上分别开设有圆形孔，箱体的底板向前延伸凸出，箱体底板的凸出部分与箱体前面板底部之间连接有三角筋板，在底板上开设有螺栓孔，箱体的后面板和左、右面板的下部开设有内沉式的螺栓安装空间。
[0016]进一步地，所述箱体的长为1700mm，高为1730m，厚度为600m，箱体底板的凸出部分宽200mm。
[0017]本专利技术的有益效果是：采用本专利技术的优化设计方法进行立柱的优化设计，获得的立柱整体结构简单，实用性强，并且刚性好，重量轻，抗弯性能符合要求。应用在立式五轴加工中心上使用，能提高加工精度。
附图说明
[0018]图1为本专利技术之优化设计方法的流程图。
[0019]图2为本专利技术之优化设计方法的初始立柱结构1。
[0020]图3为本专利技术之优化设计方法的开圆孔立柱结构。
[0021]图4为本专利技术之优化设计方法的开方孔立柱结构。
[0022]图5为本专利技术之优化设计方法的开圆孔立柱变形仿真图。
[0023]图6为本专利技术之优化设计方法的开方孔立柱变形仿真图。
[0024]图7为本专利技术之优化设计方法的立柱结构2。
[0025]图8为本专利技术之优化设计方法的设计变量设置。
[0026]图9为本专利技术之优化设计方法的优化目标和约束设置。
[0027]图10为本专利技术之优化设计方法的立柱参数DOE计算。
[0028]图11为本专利技术之优化设计方法的立柱顶端的变形的灵敏度。
[0029]图12为本专利技术之优化设计方法的立柱顶端的变形与筋板组合的关系。
[0030]图13为本专利技术之优化设计方法的最优值与最优设计参数组合。
[0031]图14为本专利技术之优化设计方法的立柱结构3。
[0032]图15为本专利技术之优化设计方法的立柱前面板加固示意图。
[0033]图16为本专利技术之优化设计方法的立柱背板和侧板螺栓安装空间结构示意图。
[0034]图17为本专利技术之优化设计方法的立柱结构4。
[0035]图18为本专利技术之优化设计方法的立柱结构4变形仿真图。
[0036]图19为本专利技术立式五轴加工中心立柱结构的示意图。
[0037]图20为图19的局部剖视图。
[0038]图21为本专利技术立式五轴加工中心立柱结构剖面图一。
[0039]图22为本专利技术立式五轴加工中心立柱结构剖面图二。
[0040]图23为本专利技术立式本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种立式五轴加工中心立柱的优化设计方法，其特征在于：包括如下步骤：S1：对立柱整体做初步设计：确定立柱的外形结构尺寸，并将立柱主体设计为箱体结构，在前面板上设计三条水平设置的用于安装滑座的导轨，在中部导轨及下部导轨之间开设一个用于安装电机丝杆机构的安装槽；在箱体内分别沿长度方向和高度方向均布设有2个筋板，在前面板内侧面与三条导轨对应的位置设有加厚板以提高前面板的刚性，对立柱承载形式分析，初步了解立柱边界约束、变形趋势和优化空间，得到初始立柱结构1；S2：对立柱进行减重优化：分析立柱箱体面板和筋板的开孔形状对抗弯刚性的影响，并根据分析结果在适当位置开设圆形减重孔，得到立柱结构2；S3：对立柱参数DOE分析和优化计算：建立立柱参数化模型，以立柱箱体结构壁厚、内部筋板厚度及数目为设计变量，应用优化工具对立柱参数进行DOE计算，确定立柱变形、质量与各设计参数组合的关系；采用响应面优化法，指定立柱优化目标和约束条件，执行优化计算，找出预测的响应最优值以及对应的设计参数组合，根据最优的设计参数组合，得到立柱结构3；S4：对立柱根部加固：设计立柱根部的支撑和螺栓孔，得到立柱结构4；S5：验证立柱结构：通过对立柱结构4的做有限元分析获得立柱的最大变形，确定立柱结构是否满足设计要求；是，完成设计；否，转S2
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S4步继续执行优化。2.根据权利要求1所述的立式五轴加工中心立柱的优化设计方法，其特征在于：在所述步骤S1初步设计时，将所述箱体结构的壁厚设计为27mm，所述筋板的壁厚设计为27mm。3.根据权利要求1所述的立式五轴加工中心立柱的优化设计方法，其特征在于：所述步骤S2中分析开孔形状对抗弯刚性的影响的操作步骤是：先对同样的立柱模型分别设计开圆孔和方孔结构，保证开孔后总质量相同，分别优化计算开圆孔与方孔...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈敏，黄栋，毛璐瑶，郭伟科，司卫征，
申请(专利权)人：广东省科学院智能制造研究所，
类型：发明
国别省市：