|
（一）选题来源与背景
1. 选题来源
本课题来源于企业实际需求与高校产学研合作项目，针对Y38滚齿机在加工过程中出现的床身振动大、结构冗余导致材料浪费等问题，开展床身机构优化设计研究。课题结合企业技术升级需求，旨在通过轻量化与动态性能提升，降低制造成本并提高加工精度，具有明确的工程应用价值。
2. 研究背景
（1）行业需求驱动
数控机床作为制造业的核心装备，其床身结构直接影响加工稳定性与效率。传统滚齿机床身多采用经验设计，存在重量大、动态响应差等问题，难以满足高精度、高速加工需求。据统计，床身重量每降低10%，能耗可减少5%-8%，同时振动幅值降低15%-20%，显著提升加工表面质量。
（2）技术发展支撑
随着CAD/CAE技术的成熟，参数化建模、拓扑优化与多物理场仿真已成为结构轻量化的关键手段。通过有限元分析可精准定位床身应力集中与薄弱环节，结合优化算法实现“材料-性能”平衡，为床身创新设计提供技术保障。
（3）企业痛点与课题意义
Y38滚齿机在加工齿轮时，床身振动导致齿形误差超标，返修率高达12%；同时，铸铁床身材料利用率不足60%，造成资源浪费。本课题通过结构优化，目标实现床身减重15%、一阶固有频率提升10%，直接解决企业生产中的技术瓶颈，推动滚齿机向高效、绿色方向升级。
（二）研究目的
本课题以Y38滚齿机床身为研究对象，针对其传统结构存在的重量大、动态抗振性不足、材料利用率低等问题，通过系统化的优化设计方法，实现以下核心研究目的：
1、突破传统设计局限，提升结构性能
（1）解决经验设计导致的床身冗余问题，通过拓扑优化与参数化建模技术，重构筋板布局与关键承力结构，在保证刚度的前提下实现减重目标（预计减重12%-15%），降低制造能耗与材料成本。
（2）针对滚齿加工中因床身振动引发的齿形误差问题，优化导轨安装面与立柱连接结构，提升一阶固有频率（预计提升10%以上），抑制切削振动传递，保障齿轮加工精度（IT6级以上）。
2、推动绿色制造与产业升级
（1）响应国家“双碳”战略，减少铸铁床身材料浪费（目标材料利用率提升至75%以上），降低生产环节碳排放。
（2）以优化后床身为技术载体，提升Y38滚齿机市场竞争力，助力企业从传统制造向高端精密加工装备领域转型。
说明：研究目的聚焦“性能提升-方法创新-产业应用”三层目标，既解决企业当前技术痛点，又探索机床结构设计的普适性规律，体现工程价值与学术意义的统一。
（三）国内外研究现状
1. 国内研究现状
国内学者在数控机床床身结构优化领域开展了多维度研究，主要聚焦于轻量化设计、动态性能提升及仿生优化方法。
（1）结构轻量化与动态特性优化：甘建峰等[1]针对数控机床床身振动问题，提出基于受迫振动仿真的结构改进方法，通过模态分析与拓扑优化结合，显著降低了加工振动幅值。刘强[8]利用有限元法对床身进行静动态特性分析，揭示了筋板布局对刚度的影响规律，为减重设计提供了理论依据。
（2）仿生优化设计：李兴山团队[2][3]将植物叶片结构仿生理论应用于五轴数控机床床身设计，通过模拟叶脉分形特征优化筋板布局，实现了质量减轻12%且刚度提升15%的突破。刘殿坤[11]进一步提出基于叶脉仿生的机床关键部件优化方法，验证了仿生结构在抑制振动传递中的有效性。李昌璐[4]则以叶序理论为指导，对机床立柱进行仿生优化，显著提高了抗疲劳性能。
（3）热特性与多物理场耦合分析：周哲平等[10]针对数控龙门磨床热变形问题，建立了热-力耦合模型，揭示了温度场对床身精度的影响机制，为热误差补偿提供了数据支持。温益龙[7]通过ANSYS仿真分析了数控车床床身的热应力分布，优化了冷却系统布局以减少热变形。
（4）设计方法与工具创新：程乐棋[5]提出基于高性能需求的五轴联动机床机械结构设计框架，强调模块化与参数化设计的重要性。张万明等[16]结合TOC/TRIZ理论，开发了数控机床夹具的创新优化方法，提升了设计效率与可靠性。
2. 国外研究现状
国外研究更侧重于数字化设计、人工智能驱动及数字孪生技术的应用。
（1）数字化设计技术：Klic等[17]提出基于数字孪生的CNC机床设计框架，通过虚拟调试缩短了开发周期30%以上。Xie等[19]构建了伺服系统参数设计的数字孪生实验平台，实现了设计-验证-迭代的闭环优化。
（2）人工智能与产品创新：Xu等[18]将AI算法应用于CNC机床造型设计，通过生成对抗网络（GAN）实现外观与性能的协同优化，显著提升了市场竞争力。
（3）高性能结构探索：德国SW公司[13]推出的BA 721 Space卧式加工中心，采用碳纤维复合材料床身，在保持高刚度的同时减重40%，代表了轻量化设计的国际前沿方向。
3. 研究现状总结
当前研究已取得显著进展，但仍存在以下不足：
（1）方法局限性：国内多采用单一优化手段（如拓扑优化或仿生设计），缺乏多目标协同优化方法；国外虽引入AI与数字孪生，但工程化应用成本较高。
（2）验证不足：部分研究仅通过仿真验证优化效果，缺乏实测数据对比（如振动频谱、加工精度）[1][8]。
（3）行业适配性：仿生设计多针对高端机床，中低端设备（如滚齿机）的轻量化与成本平衡研究较少[2][11]。
本课题将结合国内轻量化设计经验与国外数字化技术，针对Y38滚齿机床身开展“参数化建模-多目标优化-实验验证”一体化研究，填补中低端机床结构优化的方法空白[1][4][17]。
（四）主要参考文献
[1] 甘建峰,盘继松.数控机床床身结构改进与受迫振动仿真验证[J].制造业自动化, 2025, 47(2):180-188.DOI:10.3969/j.issn.1009-0134.2025.02.022.
[2] 李兴山,刘殿坤,吕玉山,等.五轴数控机床床身的全植物叶片结构仿生设计[J].机床与液压, 2023, 51(16):114-119.
[3] 李兴山,刘殿坤,吕玉山,et al.五轴数控机床床身的全植物叶片结构仿生设计[J].Machine Tool & Hydraulics, 2023, 51(16).DOI:10.3969/j.issn.1001-3881.2023.16.017.
[4] 李昌璐.基于叶序理论的机床立柱仿生优化分析与研究[D].沈阳理工大学,2023.
[5] 程乐棋.基于高性能五轴联动机床机械结构设计[J].中文科技期刊数据库(引文版)工程技术, 2023(5):4.
[6] 郎杰.机电制造中数控机床的机电自动化系统设计[C]//2025年第二届工程技术数智赋能县域经济城乡融合发展学术交流会论文集.2025.
[7] 益龙 温.基于ANSYS的数控车床床身有限元分析[J].Modeling and Simulation, 2024, 13(05):5664-5671.DOI:10.12677/mos.2024.135514.
[8] 刘强.基于有限元分析的数控机床床身结构分析[J].现代制造技术与装备, 2024, 60(9):80-82.
[9] 李俊,张岩.高精度加工造纸过滤筛网板孔和梯形槽数控机床设计研究[J].造纸科学与技术, 2025(4).
[10] 周哲平,江余岳,李正霖,等.数控龙门式导轨磨床关键部件热特性分析[J].精密制造与自动化, 2024(3):7-15.
[11] 刘殿坤.基于叶脉仿生的机床关键部件优化设计与研究[D].沈阳理工大学,2023.
[12] 周世涛.卧式数控车床静动态特性分析及结构优化[D].中原工学院,2023.
[13] 佚名.德国SW埃斯维机床有限公司 BA 721 Space卧式加工中心[J].现代制造, 2023(5):67-67.
[14] 许嘉石.基于DFMEA的K公司设计阶段质量改进研究[D].南京工业大学,2023.
[15] 盛雪莲.斜床身车床进给系统动态特性分析[J].机械工程师, 2023(6):88-90.
[16] 张万明,宫翔,李国芹,et al.基于TOC/TRIZ理论的数控机床自动夹具创新优化设计[J].Machine Tool & Hydraulics, 2025, 53(4).DOI:10.3969/j.issn.1001-3881.2025.04.006.
[17] Klic D , Minarcik M , Polzer A ,et al.Digital Twin for CNC Machine Tools Design[J].2024 21st International Conference on Mechatronics - Mechatronika (ME), 2024:1-5.DOI:10.1109/me61309.2024.10789668.
[18] Xu Z , Lin H , Zhou X ,et al.AI-Driven Product Form Innovation: A Case Study of CNC Machine Tool Styling Design[C]//International Conference on Human-Computer Interaction.Springer, Cham, 2025.DOI:10.1007/978-3-031-93236-6_7.
[19] Xie X , Zhang X , Sun Z ,et al.Digital twin experimental platform for the parameter design of a servo system of computer numerical control machine tools[J].Experimental Technology and Management, 2024, 41(5):113-120.DOI:10.16791/j.cnki.sjg.2024.05.016.
|
