VMC1000L立式加工中心整机结构优化与验证
潘石群 陈攀 张小明
摘 ? 要：该文采用有限元方法对VMC1000L立式加工中心进行静力结构分析，根据分析结论对机床的薄弱环节进行结构优化，并通过对比分析明确结构优化后的整机较优化前最大变形减少19.5%，且经抽样检测验证了结构优化方向的正确性。在实现整机结构优化的同时，为后续机型的设计和结构优化、分析验证提供了相应的理论依据和技术途径。
关键词：立式加工中心;VMC1000L;仿真分析;结构优化
中图分类号：TH122 ? ? ? ? ? ? 文献标志码：A
0 前言
结构优化设计是在满足各种规范或某些特定要求的条件下，使结构的某种指标（例如重量、造价、刚度或频率等）达到最佳的设计方法。结构优化设计根据设计变量的类型，可分为3个层次：尺寸优化、形状优化、拓扑优化。
VMC1000L立式加工中心在批量生产之初，存在机床静态性能不稳定、装配效率低以及立柱、横向滑座等机床关键零件机械加工质量不稳定的问题。因此，企业亟需对该立式加工中心整机结构优化与验证方面展开研究，以解决生产中遇到的问题，并为后续机型的研发设计、结构优化提供理论依据和技术途径。
1 VMC1000L立式加工中心
VMC1000L立式加工中心采用立柱固定、工作台移动的结构，主要由床身、立柱、横向滑座、工作台和主轴箱等5个部件组成。相关部件自重和负载情况见表1，载荷位置如图1所示。
2 结构优化
机床的静态、动态和热态特性对其产品性能有重要影响。结合生产实际，该文研究的主要目的在于解决机床静态性能及机床关键零件机械加工质量不稳定问题，即静刚性问题，不涉及动态和热态。
2.1 线性静力结构分析
结构静力学分析主要用来分析由于稳定外载荷所引起的系统或零部件的位移、应力、应变和作用力。经分析（ANSYS Workbench软件。零件材料按实际属性设置。不考虑惯性和阻尼影响;网格自动划分为10节点的四面体单元solid187和20节点的六面体单元solid186。接触面：导轨与滑块之间为“No seperation”，其他“Bonded”），整机最大应力集中点位于床身与地脚螺栓的连接处（9.27 MPa），其余应力主要集中在立柱左侧与床身的连接处以及立柱左侧及导轨面附近等位置（应力值均在材料承载范围内）;最大变形位于主轴箱右前方筋板角点位置（0.1617 mm），变形方式为立柱前倾、主轴箱向下弯曲，主要是受主轴组件重力、刀库组件重力、附属装置重力和机床“C”字型悬臂结构等的影响，对整机静态性能影响较大（如Z軸线运动的直线度、Z 轴与X/Y 轴运动的垂直度等）。应力、变形分布云图如图2、图3所示。
2.2 结构优化改进
数控机床床身结构的设计尺寸和筋板布局形式，决定了其本身的各种静、动态特性，即静、动刚度。结合生产要求，以不改变零件的外形尺寸及其与周边配件的接口位置为原则，对立柱、主轴箱的筋板布局形进行优化改进，优化内容见表2和见表3，结构如图4～图5所示。
3 仿真分析验证
经分析（同等条件下），优化后的整机最大应力集中点（床身与地脚螺栓的连接处）和最大变形位置（主轴箱右前方两加强筋角点位置）与优化前基本保持一致，且最大变形量大幅减小（-19.5%），仅最大应力值略有增大（仍远小于材料的许用值），优化效果较明显。优化后的整机应力、变形分布云图如图6～图7所示，新、旧整机静态性能对比见表4。
4 Z轴线运动的直线度检验
从数据库中随机抽取10台VMC1000L立式加工中心出厂检测数据报告（优化前、后各5台），通过求取算术平均值的方式，分别计算出机床优化前、后Z轴线方向从行程零点到最大行程位置之间各节点处的直线度数值（在平行于Y轴线的YZ平面内，以“-Z”方向的行程极限位置为基准对千分表进行归零处理，以行程间距50 mm为节距沿“+Z”方向移动主轴箱并记录千分表读数，如图8所示），详细数据见表5，对应曲线图如图9所示。
从表5 和图9可见，结构优化后机床Z轴线运动的直线度明显优于优化前，结构优化对Z轴线运动的直线度提升效果明显。
5 结论
1）该文对VMC1000L立式加工中心整机进行静力结构分析和结构优化，并通过仿真分析结果对比，明确优化后的整机较优化前最大变形减小19.5%，机床静态刚性提升效果显著，从理论上验证了结构优化方案的优化效果。
2）通过“Z轴线运动的直线度” 的检测结果，验证了结构优化、仿真分析验证方向的正确性。为后续机型的设计和结构优化、分析验证提供了理论依据和技术途径。
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