[发明专利]一种考虑重力和热影响下的机床大件结构优化方法

说明书

一种考虑重力和热影响下的机床大件结构优化方法，包括以下步骤：(1)确定机床热源和散热边界；(2)根据机床热源和散热边界，对重力和热影响下机床大件的变形进行仿真计算；(3)根据机床大件的热变形仿真计算结果，对机床大的部件进行结构优化。本发明在传统的机床结构设计方法的基础上，提出了一种考虑重力和热影响下的机床大件结构优化方法，通过对机床大件在重力和热影响下的变形进行仿真计算，分析得出薄弱环节并进行结构优化，这样对床身关键部位的结构优化更具有针对性。

技术领域

本发明属于机床结构优化领域，特别涉及一种考虑重力和热影响下的机床大件结构优化方法。

背景技术

近年来，随着工业的发展，制造业对于加工要求越来越高。不仅希望能提高效率，而且对于加工精度愈加重视。我国的机床普遍存在床身重量冗余、加工精度不高等问题，总体来看呈大而不强的特点。在设计思路上我国机床与国外顶尖水平还存在相当差距，国外设计思路对机床各部件组装时的组成环、封闭环有系统的设计步骤，而我国整体上设计方法较为落后，对于结构设计往往以经验为主，对国外的先进结构进行逆向设计，设计结果是基于大量试验之上，缺乏系统的理论指导，往往只做到“知其然而不知其所以然”。国内对于机床的组装既有“装”又有“配”，这一过程往往是通过大量有经验的装配师傅完成，包括研磨、修配等，这样虽一定程度上能达到精度要求但是机床工作寿命十分短暂。

业内，现有的技术对于提高机床性能大都是从减小受力变形和改善振动特性方面入手的，以此减小机床局部变形和提高机床整体刚度，但国内却没有考虑工况条件下机床受热所带来的变形，在实际情况中机床各部分电机和主轴系统的发热、轴承和导轨摩擦发热以及机床整体结构的散热情况对其变形量有着明显影响。

发明内容

本发明为解决现有机床普遍存在的重量冗余、制造成本高以及工作时机床变形量大导致的加工精度低等问题，目的是提出了一种考虑重力和热影响下的机床大件结构优化方法，对床身和立柱进行减重，改善其散热条件可显著减少机床工作时的变形量，对提高机床性能、降低制造成本、提高工件加工精度具有重要的意义。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种考虑重力和热影响下的机床大件结构优化方法，包括以下步骤：

(1)确定机床热源和散热边界；

(2)根据机床热源和散热边界，对重力和热影响下机床大件的变形进行仿真计算；

(3)根据机床大件的热变形仿真计算结果，对机床大的部件进行结构优化。

本发明进一步的改进在于，步骤(1)中，机床热源包括电机、电主轴、主轴轴承和导轨；电机发热生成热量通过下式计算：

H_电＝(1-η)P

其中，η——传动效率；

P——电动机额定功率；

P_L——折算到电动机轴上的负载；

电主轴的总发热量H_轴通过下式计算：

H_轴＝P_n+P_e+P_h+P_l

其中，P_n为机械损耗，P_e为电损耗，P_h为磁损耗，P_l为涡流损耗。

机械损耗P_n：

P_n＝πCρω³R⁴L (4)

电损耗P_e：