專利名稱：人造石機(jī)床機(jī)架的設(shè)計(jì)方法及pcb鉆機(jī)機(jī)架的設(shè)計(jì)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及人造石機(jī)床機(jī)架的設(shè)計(jì)方法，特別涉及人造石材料用于PCB鉆孔加工設(shè)備機(jī)架的設(shè)計(jì)方法。
背景技術(shù)：
機(jī)架是機(jī)床的主要組成部分之一，占機(jī)床總重量的80%以上，是消耗材料最多的部分。同時(shí)，機(jī)架的結(jié)構(gòu)特性是影響機(jī)床運(yùn)行精度和速度的主要因素之一。目前，用于機(jī)架的材料主要有鑄鐵、鑄鋼、鋼板焊接件、天然花崗石等。在國(guó)內(nèi)，最常用的材料是鑄鐵，天然花崗石多用在高檔精密機(jī)床上。用于機(jī)床機(jī)架的天然花崗石主要分布有三個(gè)產(chǎn)地，分別為中國(guó)濟(jì)南、南非和南美， 產(chǎn)量相當(dāng)有限，大尺寸的成材率比較低。近幾年來(lái)，出于環(huán)保的考慮，在天然花崗石產(chǎn)地，當(dāng)?shù)卣扇×讼拗铺烊换◢徥_(kāi)采的措施，目前已處于封山狀態(tài)。鑄鐵件是用高溫熔煉的金屬液澆鑄而成，澆鑄溫度達(dá)到900度以上，能做成形狀復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。中國(guó)是鐵礦石儲(chǔ)量大國(guó)，但是中國(guó)鐵礦石的含鐵量較低，質(zhì)量較差，很多鐵礦石都依賴于進(jìn)口，而中國(guó)沒(méi)有鐵礦石的定價(jià)權(quán)。中國(guó)也是鐵礦石使用大國(guó)，隨著需求量的增加,鑄鐵機(jī)架的成本也會(huì)逐漸增加。人造石是一種礦物鑄件，其制造所用石子和改性環(huán)氧樹(shù)脂是隨處可采購(gòu)的材料，從目前看不存在壟斷漲價(jià)問(wèn)題。人造石加工過(guò)程中耗能低，常溫鑄造，不需要加熱，是一種綠色、環(huán)保、節(jié)能的加工方法。與鑄鐵相比，人造石的對(duì)數(shù)衰減率是鑄鐵的十幾倍，吸振性能遠(yuǎn)比鑄鐵好。另外，人造石還具有澆鑄后的線性收縮率小、鑄件精度高、鑄造形狀可以比較復(fù)雜等優(yōu)點(diǎn)，人造石的廢料還可以回收做建筑和筑路的材料。由于具有上述特點(diǎn)，人造石將成為較為理想的機(jī)架材料之一。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提出一種針對(duì)人造石材料應(yīng)用于機(jī)架的設(shè)計(jì)方法，達(dá)到降低成本，并能滿足設(shè)計(jì)要求的目的。該設(shè)計(jì)方法是一種動(dòng)態(tài)的優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程。是利用該種材料的屬性及制作工藝特點(diǎn)而提出的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法。為了解決現(xiàn)有技術(shù)中問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種人造石機(jī)床機(jī)架的設(shè)計(jì)方法，包括以下步驟
步驟I:確定設(shè)計(jì)的目標(biāo)根據(jù)實(shí)際的工程需要，確定設(shè)計(jì)目標(biāo)；
步驟2 :在計(jì)算機(jī)上建立機(jī)架各部件的三維模型，按照各部件裝配的相對(duì)位置關(guān)系，完成機(jī)架各部件的裝配；
步驟3 :將CAD模型轉(zhuǎn)化成有限元模型添加模型的材料屬性，根據(jù)各部件的實(shí)際連接關(guān)系，添加耦合約束，按照實(shí)際的邊界條件施加邊界約束，將無(wú)限自由度系統(tǒng)離散成有限自由度系統(tǒng)，再提交分析計(jì)算；
步驟4 :分析結(jié)果將仿真計(jì)算的結(jié)果與設(shè)計(jì)目標(biāo)進(jìn)行比較，如果不滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)，則修改結(jié)構(gòu)參數(shù)，并返回步驟2，如果滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)，則輸出該模型，設(shè)計(jì)完畢。作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，步驟I中，結(jié)構(gòu)在靜態(tài)剛度及動(dòng)態(tài)性能方面的要求作為設(shè)計(jì)目標(biāo)。一種人造石材料用于PCB鉆孔加工設(shè)備機(jī)架的設(shè)計(jì)方法，包括以下步驟
步驟I、設(shè)計(jì)實(shí)心結(jié)構(gòu)的橫梁與床身的外形尺寸，運(yùn)用仿真軟件完成橫梁與床身的參數(shù)化建模，并按照實(shí)際裝配中各部件的相對(duì)位置關(guān)系完成裝配，檢查模型是否正確，為機(jī)架裝配體三維模型；
步驟2、添加模型的材料屬性，橫梁與床身的材料相同，均為人造石材料；
步驟3、在仿真過(guò)程，選擇耦合約束；
步驟4、按照實(shí)際邊界條件施加約束；
步驟5、采用合適的網(wǎng)格劃分方式，完成網(wǎng)格劃分，提交分析；
步驟6、分析計(jì)算結(jié)果，并與設(shè)計(jì)目標(biāo)進(jìn)行比較；
步驟7、將橫梁與床身設(shè)計(jì)成空心結(jié)構(gòu)，多次修改橫梁與床身的內(nèi)部結(jié)構(gòu)形式并完成分析，最終輸出合適的結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)完畢。作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，步驟3中，橫梁與床身之間采用螺栓固定，添加粘結(jié)關(guān)系O作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，步驟4中，固定床身有八個(gè)支撐點(diǎn)，床身與支撐點(diǎn)之間添加接觸關(guān)系，對(duì)整個(gè)機(jī)架施加重力載荷。作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，步驟5中，采用六面體網(wǎng)格劃分。作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，步驟7中，將橫梁與床身設(shè)計(jì)成空心結(jié)構(gòu)，空心結(jié)構(gòu)的最小壁厚為6(Tl00mm。作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，最小壁厚為7(T90mm。作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，最小壁厚為75 85mm。本發(fā)明針對(duì)人造石材料的機(jī)架設(shè)計(jì)方法，利用人造石材料的屬性及制作工藝特點(diǎn)，使所設(shè)計(jì)的機(jī)架能降低成本并滿足設(shè)計(jì)要求。


圖I是本發(fā)明設(shè)計(jì)流程 圖2是本發(fā)明床身支撐方式；
圖3是本發(fā)明機(jī)架三維結(jié)構(gòu) 圖4是本發(fā)明機(jī)架內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖(總重量為5. 70T)；
圖5是床身結(jié)構(gòu)示意 圖6是圖5的側(cè)視 圖7是圖5的正視 圖8是圖7的A-A剖面視 圖9是橫梁結(jié)構(gòu) 圖10是圖9正視 圖11是圖10的B-B剖面視圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說(shuō)明。本發(fā)明的目的是提供一種針對(duì)人造石材料的機(jī)架設(shè)計(jì)方法，利用人造石材料的屬性及制作工藝特點(diǎn)，使所設(shè)計(jì)的機(jī)架能降低成本并滿足設(shè)計(jì)要求。對(duì)于高精、高速的機(jī)床設(shè)備，首先應(yīng)保證結(jié)構(gòu)具有足夠的靜態(tài)剛度以及良好的動(dòng)態(tài)特性，本發(fā)明實(shí)施例是在計(jì)算機(jī)上建立機(jī)架的三維模形，運(yùn)用計(jì)算機(jī)仿真分析手段進(jìn)行分析計(jì)算。分別以模型的變形量和結(jié)構(gòu)的模態(tài)參數(shù)作為結(jié)構(gòu)靜態(tài)剛度和動(dòng)態(tài)特性的評(píng)價(jià)依據(jù)，通過(guò)進(jìn)行多次的參數(shù)優(yōu)化，以達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)。根據(jù)人造石的制作工藝特點(diǎn)，能很容易的將機(jī)架做成空心結(jié)構(gòu)。由于人造石采用低溫鑄造，在模具中加入填充物(如泡沫)便能鑄出空心結(jié)構(gòu)，從而達(dá)到減輕重量的目的。改變填充物的形狀，就可以鑄出各種內(nèi)部結(jié)構(gòu)形式。在滿足工藝要求的前提下，通過(guò)不斷改變 內(nèi)部結(jié)構(gòu)形式，從而達(dá)到提高結(jié)構(gòu)性能的目的?；谏鲜龅姆治觯芍摍C(jī)架設(shè)計(jì)方法是一種動(dòng)態(tài)的參數(shù)優(yōu)化過(guò)程，參數(shù)優(yōu)化對(duì)象是內(nèi)部的結(jié)構(gòu)形式。這種參數(shù)優(yōu)化過(guò)程可以分為以下步驟，如圖I所示
步驟I:確定設(shè)計(jì)的目標(biāo)根據(jù)實(shí)際的工程需要，確定結(jié)構(gòu)在靜態(tài)剛度及動(dòng)態(tài)性能方面的要求，作為設(shè)計(jì)目標(biāo)；
步驟2 :在計(jì)算機(jī)上建立機(jī)架各部件的三維模型，按照各部件裝配的相對(duì)位置關(guān)系，完成機(jī)架各部件的裝配；
步驟3 :將CAD模型轉(zhuǎn)化成有限元模型添加模型的材料屬性，根據(jù)各部件的實(shí)際連接關(guān)系，添加耦合約束，按照實(shí)際的邊界條件施加邊界約束，將無(wú)限自由度系統(tǒng)離散成有限自由度系統(tǒng)，再提交分析計(jì)算；
步驟4 :分析結(jié)果將仿真計(jì)算的結(jié)果與設(shè)計(jì)目標(biāo)進(jìn)行比較，如果不滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)，則修改結(jié)構(gòu)參數(shù)，并返回步驟2，如果滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)，則輸出該模型，設(shè)計(jì)完畢。下面結(jié)合PCB鉆機(jī)機(jī)架的設(shè)計(jì)對(duì)實(shí)施例作詳細(xì)的說(shuō)明。PCB數(shù)控鉆孔機(jī)機(jī)架一般可以分為橫梁和床身兩部分，橫梁兩端有立柱，為龍門式結(jié)構(gòu)。橫梁與床身之間的固定采用螺栓連接，床身采用八點(diǎn)支撐的方式，如圖2所示，為床身的支撐方式。在機(jī)架上通過(guò)導(dǎo)軌安裝有運(yùn)動(dòng)部件，加工過(guò)程中，運(yùn)動(dòng)部件往復(fù)高速運(yùn)動(dòng)，并進(jìn)行精確定位，因此機(jī)架的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性將直接影響鉆孔加工的精度。確定設(shè)計(jì)目標(biāo)
質(zhì)量輕,整機(jī)的重量小于6噸；變形小,前后最大變形量小于30um (微米)；結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性應(yīng)滿足要求，一階模態(tài)達(dá)到80Hz。將機(jī)架的內(nèi)部做成空心結(jié)構(gòu)是減輕床身重量的有效方法，但是，重量的減輕會(huì)伴隨著剛度的降低。解決的方法可以通過(guò)在床身內(nèi)部合理的布置筋板，以滿足機(jī)身的剛度要求。人造石是一種礦物鑄件，由于礦物鑄造的工藝特點(diǎn)，鑄件的最小壁厚應(yīng)不小于60mm。同時(shí)，為了保證機(jī)架表面鑲件的牢固性，對(duì)鑲有嵌件的壁厚也有一定的要求。綜合考慮以上的因素，將人造石機(jī)架的壁厚設(shè)置在6(Tl00mm范圍內(nèi)。通過(guò)修改結(jié)構(gòu)的壁厚及筋板的布置方式，以達(dá)到設(shè)計(jì)要求。方案實(shí)施過(guò)程
I、設(shè)計(jì)實(shí)心結(jié)構(gòu)的橫梁與床身的外形尺寸，運(yùn)用仿真軟件完成橫梁與床身的參數(shù)化建模，并按照實(shí)際裝配中各部件的相對(duì)位置關(guān)系完成裝配，檢查模型是否正確，如圖3所示，為機(jī)架裝配體三維模型；
2、添加模型的材料屬性，橫梁與床身的材料相同，均為人造石材料；
3、橫梁與床身之間采用螺栓固定，在仿真過(guò)程，需要選擇合適的耦合約束，使分析結(jié)果更加可靠。此處可以添加粘結(jié)關(guān)系(Tie/Glue);
4、按照實(shí)際邊界條件施加約束。固定床身的八個(gè)支撐點(diǎn)，床身與支撐點(diǎn)之間添加接觸關(guān)系?？紤]重力作用下機(jī)架的變形情況，因此對(duì)整個(gè)機(jī)架施加重力載荷；
5、采用合適的網(wǎng)格劃分方式，盡量采用六面體網(wǎng)格劃分。完成網(wǎng)格劃分，提交分析；
6、分析計(jì)算結(jié)果，并與設(shè)計(jì)目標(biāo)進(jìn)行比較。
7、將橫梁與床身設(shè)計(jì)成空心結(jié)構(gòu)，多次修改橫梁與床身的內(nèi)部結(jié)構(gòu)形式并完成分析，最終輸出合適的結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)完畢。表I、表2為最終的分析結(jié)果，圖4為最終的機(jī)架結(jié)構(gòu)。表I三向位移變形最大值
Magnitude(mm) X(mm) Y(mm) Z (mm)
0. 02341|θ. 004465 |θ. 02336 |θ. 002042
表2結(jié)構(gòu)前四階模態(tài)固有頻率
一階(Hz) j二階(Hz) j三階(Hz) j四階(Hz)'
80. 992 |ll9. 43 |l40. 01 | 64· 59
以上內(nèi)容是結(jié)合具體的優(yōu)選實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明所作的進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明，不能認(rèn)定本發(fā)
明的具體實(shí)施只局限于這些說(shuō)明。對(duì)于本發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫
離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干簡(jiǎn)單推演或替換，都應(yīng)當(dāng)視為屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.一種人造石機(jī)床機(jī)架的設(shè)計(jì)方法，其特征在于，包括以下步驟 步驟I:確定設(shè)計(jì)的目標(biāo)根據(jù)實(shí)際的工程需要，確定設(shè)計(jì)目標(biāo)； 步驟2 :在計(jì)算機(jī)上建立機(jī)架各部件的三維模型，按照各部件裝配的相對(duì)位置關(guān)系，完成機(jī)架各部件的裝配； 步驟3 :將CAD模型轉(zhuǎn)化成有限元模型添加模型的材料屬性，根據(jù)各部件的實(shí)際連接關(guān)系，添加耦合約束，按照實(shí)際的邊界條件施加邊界約束，將無(wú)限自由度系統(tǒng)離散成有限自由度系統(tǒng)，再提交分析計(jì)算； 步驟4 :分析結(jié)果將仿真計(jì)算的結(jié)果與設(shè)計(jì)目標(biāo)進(jìn)行比較，如果不滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)，則修改結(jié)構(gòu)參數(shù)，并返回步驟2，如果滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)，則輸出該模型，設(shè)計(jì)完畢。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的人造石機(jī)床機(jī)架的設(shè)計(jì)方法，其特征在于步驟I中，結(jié)構(gòu)在靜態(tài)剛度及動(dòng)態(tài)性能方面的要求作為設(shè)計(jì)目標(biāo)。
3.—種人造石材料用于PCB鉆孔加工設(shè)備機(jī)架的設(shè)計(jì)方法，其特征在于，包括以下步驟 步驟I、設(shè)計(jì)實(shí)心結(jié)構(gòu)的橫梁與床身的外形尺寸，運(yùn)用仿真軟件完成橫梁與床身的參數(shù)化建模，并按照實(shí)際裝配中各部件的相對(duì)位置關(guān)系完成裝配，檢查模型是否正確，為機(jī)架裝配體三維模型； 步驟2、添加模型的材料屬性，橫梁與床身的材料相同，均為人造石材料； 步驟3、在仿真過(guò)程，選擇耦合約束； 步驟4、按照實(shí)際邊界條件施加約束； 步驟5、采用合適的網(wǎng)格劃分方式，完成網(wǎng)格劃分，提交分析； 步驟6、分析計(jì)算結(jié)果，并與設(shè)計(jì)目標(biāo)進(jìn)行比較； 步驟7、將橫梁與床身設(shè)計(jì)成空心結(jié)構(gòu)，多次修改橫梁與床身的內(nèi)部結(jié)構(gòu)形式并完成分析，最終輸出合適的結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)完畢。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的人造石材料用于PCB鉆孔加工設(shè)備機(jī)架的設(shè)計(jì)方法，其特征在于步驟3中，橫梁與床身之間采用螺栓固定，添加粘結(jié)關(guān)系。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的人造石材料用于PCB鉆孔加工設(shè)備機(jī)架的設(shè)計(jì)方法，其特征在于步驟4中，固定床身有八個(gè)支撐點(diǎn)，床身與支撐點(diǎn)之間添加接觸關(guān)系，對(duì)整個(gè)機(jī)架施加重力載荷。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的人造石材料用于PCB鉆孔加工設(shè)備機(jī)架的設(shè)計(jì)方法，其特征在于步驟5中，采用六面體網(wǎng)格劃分。
7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的人造石材料用于PCB鉆孔加工設(shè)備機(jī)架的設(shè)計(jì)方法，其特征在于步驟7中，將橫梁與床身設(shè)計(jì)成空心結(jié)構(gòu)，空心結(jié)構(gòu)的最小壁厚為6(Tl00mm。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的人造石材料用于PCB鉆孔加工設(shè)備機(jī)架的設(shè)計(jì)方法，其特征在于最小壁厚為7(T90mm。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的人造石材料用于PCB鉆孔加工設(shè)備機(jī)架的設(shè)計(jì)方法，其特征在于最小壁厚為75 85mm。
全文摘要
本發(fā)明提供了人造石機(jī)床機(jī)架的設(shè)計(jì)方法及PCB鉆機(jī)機(jī)架的設(shè)計(jì)方法，在計(jì)算機(jī)上建立機(jī)架的三維模形，運(yùn)用計(jì)算機(jī)仿真分析手段進(jìn)行分析計(jì)算。分別以模型的變形量和結(jié)構(gòu)的模態(tài)參數(shù)作為結(jié)構(gòu)靜態(tài)剛度和動(dòng)態(tài)特性的評(píng)價(jià)依據(jù)，通過(guò)進(jìn)行多次的參數(shù)優(yōu)化，以達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)。機(jī)架是機(jī)床的主要組成部分之一，占機(jī)床總重量的80%以上，是消耗材料最多的部分。同時(shí)，機(jī)架的結(jié)構(gòu)特性是影響機(jī)床運(yùn)行精度和速度的主要因素之一。本發(fā)明的目的在于提出一種針對(duì)人造石材料應(yīng)用于機(jī)架的設(shè)計(jì)方法，達(dá)到降低成本，并能滿足設(shè)計(jì)要求的目的。該設(shè)計(jì)方法是一種動(dòng)態(tài)的優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程。
文檔編號(hào)G06F17/50GK102915390SQ20121036318
公開(kāi)日2013年2月6日 申請(qǐng)日期2012年9月26日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月26日
發(fā)明者宋福民, 陳楚技, 寇煉, 楊朝輝, 高云峰 申請(qǐng)人:深圳市大族激光科技股份有限公司, 深圳市大族數(shù)控科技有限公司