摘 要：隨著國內(nèi)數(shù)控機(jī)床產(chǎn)業(yè)的不斷升級(jí)，高端五軸機(jī)床的需求量與日俱增，但國內(nèi)高端五軸機(jī)床的產(chǎn)能和性能同發(fā)達(dá)國家相比還存在很大的差距，其中一個(gè)主要影響因素就是核心回轉(zhuǎn)部件的制造和裝配受限?，F(xiàn)通過對(duì)搖籃轉(zhuǎn)臺(tái)結(jié)構(gòu)的五軸加工中心的搖籃體腹部筋板的布局進(jìn)行對(duì)比分析，探討一種高精度搖籃體的設(shè)計(jì)方法。

關(guān)鍵詞：數(shù)控機(jī)床;五軸機(jī)床;搖籃體腹部筋板

中圖分類號(hào)：TB472? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? 文章編號(hào)：1671-0797（2022）07-0037-05

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2022.07.010

0? ? 引言

數(shù)控機(jī)床是機(jī)械加工行業(yè)進(jìn)行生產(chǎn)制造必要的基礎(chǔ)設(shè)備，數(shù)控機(jī)床質(zhì)量的優(yōu)劣直接影響加工件質(zhì)量的高低，而數(shù)控機(jī)床性能的優(yōu)劣直接影響加工效率的高低。在自主研發(fā)層面，我國的自動(dòng)化企業(yè)尤其是數(shù)控機(jī)床企業(yè)大多數(shù)不重視創(chuàng)新能力發(fā)展，而是以仿造或生產(chǎn)低端產(chǎn)品為主[1]。

自2012年以來，國內(nèi)大量高端五軸加工中心如雨后春筍般破土而出，蓬勃發(fā)展，但由于作為五軸加工中心重要組成部分的回轉(zhuǎn)部件的設(shè)計(jì)及生產(chǎn)能力受限，很多企業(yè)均是“總成式”生產(chǎn)，即三軸光機(jī)增加外購的回轉(zhuǎn)部件，通過五軸數(shù)控系統(tǒng)的接入控制即形成一臺(tái)五軸加工中心。此種生產(chǎn)方式直接導(dǎo)致核心部件的生產(chǎn)非“自主可控”，可以預(yù)見，在不久的將來，在五軸加工中心的“紅?！备偁幹校覈髽I(yè)將徹底喪失競爭力。回轉(zhuǎn)部件涉及多種核心部件，本文主要針對(duì)搖籃體部件的筋板布局方式進(jìn)行分析。

1? ? 五軸加工中心回轉(zhuǎn)部件的類型

五軸加工中心（非車銑復(fù)合及并聯(lián)機(jī)床）是由三軸機(jī)床（X/Y/Z）增加兩個(gè)旋轉(zhuǎn)軸（AB/AC/BC）演變而來，主要結(jié)構(gòu)形式如圖1所示，每種形式包含不同類型，在此不一一贅述。

機(jī)床結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)性能的優(yōu)劣直接影響機(jī)床的工作性能和產(chǎn)品質(zhì)量[2]，于五軸加工中心而言，工件或者刀具直接裝夾在回轉(zhuǎn)部件上，從而加工件的質(zhì)量受到回轉(zhuǎn)部件動(dòng)態(tài)性能的直接影響?？v然回轉(zhuǎn)部件的種類多種多樣，但對(duì)回轉(zhuǎn)部件的要求都是一致的，那就是要保證回轉(zhuǎn)部件的精度、剛性以及可靠性。其中回轉(zhuǎn)部件的輸出精度同伺服電機(jī)的輸出精度、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)（聯(lián)軸器、皮帶/齒輪、蝸輪蝸桿等）的傳動(dòng)精度、軸承以及箱體精度有直接的關(guān)聯(lián)。本文就是要針對(duì)圖1（a）所示結(jié)構(gòu)的搖籃箱體，通過對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化，對(duì)其自身的精度、剛性等指標(biāo)進(jìn)行分析，以得到一種較好的搖籃體設(shè)計(jì)方式。

2? ? 搖籃體設(shè)計(jì)需求及背景

作為常見的五軸機(jī)床類型，搖籃轉(zhuǎn)臺(tái)形式主要用于葉輪、2D或3D復(fù)雜曲面的凸輪、箱體等盤狀類零件、航空機(jī)匣、航空整體結(jié)構(gòu)件、人工鈦關(guān)節(jié)及支架等加工，廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車、醫(yī)療器械和模具制造領(lǐng)域。對(duì)于搖籃體設(shè)計(jì)需求的提取，是基于公司“CBB貨架產(chǎn)品共性技術(shù)研究及模塊搭建”項(xiàng)目，旨在搭建起公司研發(fā)體系的“細(xì)腰”模型，即通過底層各核心技術(shù)平臺(tái)，形成CBB（Common Building Block）模塊，針對(duì)不同終端的需求，通過CBB模塊功能性的交叉整合，從而非常高效地形成特定的解決方案，降低公司的研發(fā)、管理以及生產(chǎn)成本。

對(duì)于CBB模塊而言，終極目標(biāo)是形成“貨架”產(chǎn)品，輸出標(biāo)準(zhǔn)“接口”供功能性需求的調(diào)用。這就對(duì)CBB模塊的成熟度、可靠性、功能性以及經(jīng)濟(jì)性提出了較高的要求，一個(gè)處在階段性改進(jìn)過程中的產(chǎn)品是無法上架的。基于以上原因，搖籃轉(zhuǎn)臺(tái)部件要上架成為“貨架”產(chǎn)品，勢(shì)必要對(duì)該產(chǎn)品進(jìn)行充分的技術(shù)論證及迭代，從箱體、力矩電機(jī)、中心軸、氣動(dòng)夾鉗、軸承及轉(zhuǎn)臺(tái)等各個(gè)方面進(jìn)行技術(shù)參數(shù)的分析論證，以期形成最佳的產(chǎn)品方案。由于涉及的零部件種類較多，無法用一篇文章全部覆蓋，本文僅對(duì)搖籃體的筋板設(shè)計(jì)進(jìn)行分析。

對(duì)于搖籃體而言，腹部筋板布局優(yōu)劣直接影響到總體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、輸出精度以及經(jīng)濟(jì)性，不同的產(chǎn)品，筋板的布局方案不盡相同，其中以輻射均布及正交方式布局居多，本文主要對(duì)五軸加工中心搖籃體筋板不同布局方式對(duì)輸出精度的影響進(jìn)行探討。

3? ? 搖籃箱體結(jié)構(gòu)優(yōu)化及性能分析的理論基礎(chǔ)

機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)優(yōu)化系多種理論及學(xué)科相融合，不同領(lǐng)域和學(xué)科的方法也會(huì)隨著技術(shù)的進(jìn)步不間斷融入到優(yōu)化設(shè)計(jì)中，其有代表性的理論與技術(shù)主要有計(jì)算機(jī)軟件開發(fā)、數(shù)學(xué)規(guī)劃、機(jī)械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)、三維結(jié)構(gòu)建模、有限元方法、目標(biāo)驅(qū)動(dòng)優(yōu)化等多個(gè)方面[3]。本文主要采用三維結(jié)構(gòu)建模的方法，然后通過有限元分析來對(duì)比驗(yàn)證所期待的結(jié)果。

機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化的數(shù)學(xué)模型來自于工程實(shí)際遇到的問題，主要包括設(shè)計(jì)變量、約束條件和目標(biāo)函數(shù)3個(gè)基本要素，下面進(jìn)行簡單介紹[4]。

（1）設(shè)計(jì)變量：一般情況下用數(shù)學(xué)向量來描述多個(gè)設(shè)計(jì)變量：

x=[x1，x2，x3，…，xn-1，xn]T

式中：x為設(shè)計(jì)變量;n為設(shè)計(jì)變量的個(gè)數(shù);xn為第n個(gè)設(shè)計(jì)變量。

（2）約束條件：尺寸的改變引起的幾何約束問題以及對(duì)目標(biāo)函數(shù)的變化形成的性能約束問題。約束問題分為等式和不等式兩類。

等式約束函數(shù)：

gm（X）=0? ? m=0，1，2，…，n

不等式約束函數(shù)：

hi（X）≤0? ? i=0，1，2，…，n

（3）目標(biāo)函數(shù)：以設(shè)計(jì)過程中要達(dá)到的零部件性能優(yōu)化為指標(biāo)，包括多目標(biāo)函數(shù)和單目標(biāo)函數(shù)。

一般最優(yōu)化問題數(shù)學(xué)模型的基本表達(dá)式為：

min f（X） X∈D?Rn

s.t. gm（X）=0 （m=0，1，2，…，n）

hi （X）≤0 （i=0，1，2，…，n）

當(dāng)m=0時(shí)為不等式約束函數(shù)，i=0時(shí)為等式約束函數(shù)[5]。

基于以上基礎(chǔ)理論，在對(duì)搖籃箱體結(jié)構(gòu)性能進(jìn)行有限元分析前，必須正確建立搖籃箱體的靜態(tài)結(jié)構(gòu)模型，然后建立其有限元模型，借助于有限元分析軟件求解計(jì)算，在對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合結(jié)構(gòu)的負(fù)荷傳輸路徑、精度誤差累計(jì)傳遞途徑，經(jīng)過模擬分析，確定箱體合理的仿真結(jié)果。

4? ? 搖籃箱體結(jié)構(gòu)方案的優(yōu)化及分析

由于搖籃為機(jī)床使用過程中的運(yùn)動(dòng)部件，并且為回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，在回轉(zhuǎn)過程中，搖籃轉(zhuǎn)臺(tái)自身的重量以及工件的重量所產(chǎn)生的彎矩，隨著回轉(zhuǎn)角度的變化，對(duì)搖籃體自身的變形有直接影響，從而直接影響到輸出精度。因此，在進(jìn)行搖籃箱體設(shè)計(jì)時(shí)，要充分考慮常見工件的尺寸，根據(jù)裝夾后工件的高度來設(shè)計(jì)搖籃體的高度，保證工件裝夾過后，整體中心在回轉(zhuǎn)軸線上，從而使得變形量最小、精度最高。另外，搖籃箱體自身結(jié)構(gòu)剛性也是其中一個(gè)重要因素，兩邊側(cè)耳作為承重支點(diǎn)，其剛性高低直接影響到總體剛性強(qiáng)弱。綜上，兩邊側(cè)耳結(jié)構(gòu)需要進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化，以保證結(jié)構(gòu)剛性，同時(shí)兼顧輕量化要求。箱體腹部筋板布局也需要進(jìn)行優(yōu)化，以減輕箱體總體重量并增加結(jié)構(gòu)剛性，從而得到最優(yōu)的設(shè)計(jì)方案。本文主要針對(duì)箱體腹部筋板布局進(jìn)行設(shè)計(jì)方案論證并確定最佳的筋板布局方案。一般情況下，搖籃箱體采用整體鑄造，然后以機(jī)械加工的方式進(jìn)行制造，常用材料為HT300，具體參數(shù)如表1所示。

搖籃轉(zhuǎn)臺(tái)主要部件如圖2所示，主要部件重量如表2所示。

按照實(shí)際工況，工件通過壓板固定在交換工作臺(tái)上，工件和交換工作臺(tái)的重力直接作用在臺(tái)面4個(gè)零點(diǎn)快換支撐點(diǎn)上（其中1個(gè)為輔助支撐），工作臺(tái)通過零點(diǎn)快換定位孔與臺(tái)面連接，而臺(tái)面重量則通過中心軸和軸承作用在搖籃箱體的轉(zhuǎn)臺(tái)軸承安裝面上，力矩電機(jī)的重力直接作用在搖籃箱體上。綜上，按照表2所示數(shù)據(jù)，對(duì)搖籃體進(jìn)行受力變形分析。

對(duì)搖籃體腹部筋板按照以下5種方案進(jìn)行布局規(guī)劃，如圖3所示。

分別按照?qǐng)D3中5種筋板布局方式（其中方案1和方案3所示布局方式為當(dāng)前此類型零件常用筋板布局方式）對(duì)搖籃體兩側(cè)耳軸承安裝面進(jìn)行固定約束，按照表2所示參數(shù)施加重力以及彎矩負(fù)載，分別對(duì)其進(jìn)行有限元分析，結(jié)果如圖4及表3所示。

從仿真結(jié)果可以看出，12個(gè)筋板的設(shè)計(jì)方案相較于16個(gè)筋板，所對(duì)應(yīng)的搖籃體自重變形有明顯的降低，其中方案5的變形量較方案1降低約7.1%。按照方案2，考慮到搖籃體的經(jīng)濟(jì)性以及輕量化，對(duì)筋板進(jìn)行減重處理，雖然搖籃體自重變形量稍有減小，但負(fù)載后遠(yuǎn)端變形量明顯增大，相較于方案1的遠(yuǎn)端變形量，增大幅度約為5.57%，說明減重處理后筋板強(qiáng)度大大降低，從而影響了搖籃體強(qiáng)度以及輸出精度。方案5設(shè)計(jì)的筋板布局形式，搖籃體自重變形量為5種方案中最小的，同時(shí)，搖籃基體的負(fù)載變形以及遠(yuǎn)端變形雖然較其他筋板布局方式有所增大，但增大幅度相較于方案1和方案3而言，僅為3.1%左右，絕對(duì)量也僅為0.2 μm左右，相對(duì)于機(jī)床整機(jī)精度而言，其影響可以忽略。因此，方案5的筋板布局，從機(jī)床輸出精度以及經(jīng)濟(jì)性方面考慮，是相對(duì)較優(yōu)的方案。在本項(xiàng)目中，通過后期對(duì)本方案的搖籃轉(zhuǎn)臺(tái)部件裝配組合后進(jìn)行模態(tài)分析，同加工過程中的激勵(lì)頻率相比較，也得到方案5為相對(duì)較優(yōu)方案的結(jié)論。最終通過理論分析及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，確定采用該設(shè)計(jì)方案，并形成公司年產(chǎn)50套的“貨架”產(chǎn)品。

一般情況下，在進(jìn)行鑄件設(shè)計(jì)時(shí)，通常會(huì)按照均布輻射、正交、Z字型等方式進(jìn)行某些類型的筋板設(shè)計(jì)，但是通過以上對(duì)比分析可以發(fā)現(xiàn)，對(duì)于形狀復(fù)雜的鑄件，均布輻射或正交方式的筋板布局并非最佳的布局方式，在設(shè)計(jì)的過程中可以多嘗試幾種其他布局方式，通過對(duì)比分析得到相對(duì)較優(yōu)的方案。

5? ? 結(jié)語

對(duì)于五軸機(jī)床而言，回轉(zhuǎn)部件的精度直接影響到整機(jī)輸出精度，因此，回轉(zhuǎn)部件的設(shè)計(jì)需要充分考慮到經(jīng)濟(jì)性、可靠性以及精度可達(dá)性。本文針對(duì)搖籃轉(zhuǎn)臺(tái)結(jié)構(gòu)的五軸機(jī)床，對(duì)搖籃體的筋板布局進(jìn)行設(shè)計(jì)分析，提出了一種相對(duì)較為合理的筋板布局方式，通過這種布局可以充分兼顧各方面的要求。當(dāng)然，隨著新技術(shù)、新材料、新功能部件的不斷出現(xiàn)，機(jī)床設(shè)計(jì)重點(diǎn)關(guān)注的方向也會(huì)發(fā)生轉(zhuǎn)變，在進(jìn)行機(jī)床關(guān)鍵零部件設(shè)計(jì)的時(shí)候，應(yīng)充分進(jìn)行多學(xué)科綜合考慮，將高端機(jī)床國產(chǎn)化推到一個(gè)更高的高度。

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收稿日期：2022-01-18

作者簡介：宋志鵬（1984—），男，山東乳山人，碩士研究生，工程師，研究方向：數(shù)控機(jī)床設(shè)計(jì)及制造。