Pcb加工机床铸铁横梁优化设计方法.docx

Pcb加工机床铸铁横梁优化设计方法专利名称：Pcb加工机床铸铁横梁优化设计方法技术领域：本发明涉及机械设计领域，特别是涉及一种PCB加工机床铸铁横梁优化设计方法背景技术：PCB加工机床包括平台，在平台上架设横梁与工作台，横梁上设有上下两条导轨，负载设置于导轨上，负载用于在工作台上加工PCB板横梁常使用花岗石和铸铁材料来制造花岗石材料具有热胀冷缩小、抗震性好、吸振性好等优点，但是由于资源的有限性，大量的使用使得大体积花岗石资源出现紧缺现象因此铸铁机架将在PCB加工机床行业占据更大的百分比 对于PCB加工机床，机械结构是决定机床性能的关键性因素而机械结构均以机架为基础，机架主要由横梁和床身两部分组成大跨距的横梁搭载着左右高速运动的部件和高速主轴等，这些部件都对机床精度产生重要影响因此，横梁的结构性能对机床的性能起着至关重要的作用对于大跨距铸铁横梁结构，其刚度与质量比值较低、容易变形，横梁设计的难度较高传统评价横梁的指标主要有三点，分别是变形、刚度和质量为了设计出性能较优的横梁结构，目前常用的设计方法是根据载荷和激励情况，凭借经验先设计出一些结构，力口工出实物，后装配到机器上，整体测试，综合各种测试结果判断结构性能优越性，确定修改方案，修改后加工出实物再次进行测试，如此循环往复。

若初始设计的结构较好，则可能需要修改的次数和工作量就少一些；若结构性能较差，则可能需要多次的修改加工，如此多次的尝试改进需要很长的周期和大量的人力、物力、财力，导致设计的成本较高发明内容基于此，有必要提供一种设计成本低的PCB加工机床铸铁横梁优化设计方法一种PCB加工机床铸铁横梁优化设计方法，包括以下步骤步骤a，根据长度、宽度、高度的预设值，建立横梁模型；步骤b，仅改变模型的宽度值，经有限元仿真，得到横梁的结构性能与宽度值的变化关系横梁变宽时，横梁前后方向刚度增加，模态频率提高，综合变形减小，横梁质量增大，当模态频率提高到最大值且综合变形减小到最小值时，随着横梁质量增大，模态频率降低,横梁上下方向变形增大；步骤C，仅改变模型的高度值，经有限元仿真，得到横梁的结构性能与高度值的变化关系横梁变高时，上下方向刚度增加，模态频率提高，综合变形减小，但横梁质量增大，当模态频率提高到最大值且综合变形减小到最小值时，随着横梁质量增大，横梁上下及前后方向变形增大；步骤d，根据横梁的结构性能与宽度值、高度值的变化关系及制作成本，确定最优宽度值及最优高度值在其中一个实施例中，在步骤d之后，还包括以下步骤步骤e，将所述横梁模型分割为上板、下板、前板、背板、墩子及内部六块区域；步骤f，在最优宽度值、最优高度值、长度预设值及上板、下板、前板、背板及墩子的预设值不变的条件下，在横梁模型内部设定不同的加强筋结构，经有限元仿真，得到不同加强筋结构下横梁的结构性能；步骤g，根据不同加强筋结构下横梁的结构性能，确定最优加强筋结构。

在其中一个实施例中，在步骤g之后，还包括以下步骤步骤h，在最优宽度值、最优高度值、最优加强筋结构、长度预设值及下板、前板、背板及墩子的预设值不变的条件下，仅改变模型中上板的厚度值，经有限元仿真，得到横梁的结构性能与上板厚度值的变化关系上板厚度值增加时，横梁的抗扭能力增强，横梁上导轨的iu后变形变小；·步骤i，根据横梁的结构性能与上板厚度值的变化关系及制作成本，确定最优上板厚度值在其中一个实施例中，在步骤i之后，还包括以下步骤步骤j，在最优宽度值、最优高度值、最优加强筋结构、最优上板厚度值、长度预设值及前板、背板、墩子的预设值不变的条件下，仅改变模型下板的厚度值，经有限元仿真，得到横梁的结构性能与下板厚度值的变化关系下板厚度值增加时，横梁的抗扭能力增强，横梁下导轨的前后变形变小；步骤k，根据横梁的结构性能与下板厚度值的变化关系及制作成本，确定最优下板厚度值在其中一个实施例中，在步骤k之后，还包括以下步骤步骤1，在最优宽度值、最优高度值、最优加强筋结构、最优上板、下板厚度值、长度预设值及背板、墩子的预设值不变的条件下，仅改变模型前板的厚度值，经有限元仿真，得到横梁的结构性能与前板厚度值的变化关系前板厚度增加时，横梁的变形减小，抗扭能力增强；步骤m，根据横梁的结构性能与前板厚度值的变化关系及制作成本，确定最优前板厚度值。

在其中一个实施例中，在步骤m之后，还包括以下步骤步骤n，在最优宽度值、最优高度值、最优加强筋结构、最优上板、下板、前板厚度值、长度预设值及墩子的预设值不变的条件下，仅改变模型背板的厚度值，经有限元仿真，得到横梁的结构性能与背板厚度值的变化关系背板厚度增加时，横梁的变形减小，抗扭能力增强；步骤O，根据横梁的结构性能与背板厚度值的变化关系及制作成本，确定最优背板厚度值在其中一个实施例中，在步骤O之后，还包括以下步骤步骤P，在最优宽度值、最优高度值、最优加强筋结构、最优上板、下板、前板、背板厚度值、长度值预设值不变的条件下，仅改变墩子的结构，经有限元仿真，得到墩子在不同结构下横梁的结构性能；步骤q，根据墩子在不同结构下横梁的结构性能及制作成本，得确定最优墩子结构在其中一个实施例中，所述有限元仿真的具体步骤为定义模型材质；定义边界条件及模型所需加载的力；将模型划分为多个单元网格；对各个单元网格建立力学方程，求解并综合得到模型的结构性能上述PCB加工机床铸铁横梁优化设计方法中，将PCB加 工机床铸铁横梁的宽度、高度等要素进行拆分，并分别进行仿真分析，确定各要素的最优结构，实现快速得到具有优异结构性能的PCB加工机床铸铁横梁的目的，无需加工出实物，降低了成本。

图I为一实施例的PCB加工机床铸铁横梁优化设计方法的流程图；图2为图I所示PCB加工机床铸铁横梁优化设计方法所得的横梁模型10的结构图；图3为图I所示PCB加工机床铸铁横梁优化设计方法中有限元仿真的具体流程图；图4为另一实施例的PCB加工机床铸铁横梁优化设计方法的具体流程图；图5为图2所示横梁模型10的后视图；图6为图2所示横梁模型10的剖面图；图7为再一实施例的PCB加工机床铸铁横梁优化设计方法的具体流程图具体实施例方式为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述附图中给出了本发明的较佳实施方式但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施方式相反地，提供这些实施方式的目的是使对本发明的公开内容理解的更加透彻全面需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。

本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本发明本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合请参阅图1，本实施例的PCB加工机床铸铁横梁优化设计方法，包括以下步骤步骤a，根据长度、宽度、高度的预设值，建立横梁模型请参阅图2，建立PCB加工机床铸铁横梁模型10，包括长方柱形的主梁体11及两墩子13由于PCB加工机床中，PCB加工机床铸铁横梁是架设于PCB加工机床的平台(图未示)上，并位于工作台(图未示)上方，主梁体11上悬挂用于加工工作台上PCB板的负载根据PCB加工机床铸铁横梁上悬挂的钻铣用负载的轴数，及每个轴的加工范围，得到PCB加工机床实际的加工范围，即可确定PCB加工机床铸铁横梁中主梁体的长度，获取该长度作为预设长度，同时获取预设的宽度及高度值步骤b，仅改变模型的宽度值，经有限元仿真，得到横梁的结构性能与宽度值的变化关系横梁变宽时，横梁前后方向刚度增加，模态频率提高，综合变形减小，横梁质量增大，当模态频率提高到最大值且综合变形减小到最小值时，随着横梁质量增大，模态频率降低,横梁上下方向变形增大在建立模型之后，仅多次改变横梁模型的宽度值，经有限元仿真，得到横梁的结构性能与宽度值的变化关系。

当横梁开始变宽时，横梁前后方向刚度增加，模态频率提高，变形减小但是当横梁宽度增大到一定值后，继续加宽时，质量增加，刚度与质量比值减小，而 上下方向变形增大，前后方向变形减小到一定值后基本维持不变，横梁的结构性能改善程度减小直至其随着横梁的宽度的增加而变差请参阅图3，有限元仿真具体包括以下步骤步骤S210，定义模型材质步骤S220，定义边界条件及模型所需加载的力步骤S230，将模型划分为多个单元网格步骤S240，对各个单元网格建立力学方程，求解并综合得到模型的结构性能具体在本实施例中，定义模型的材料为铸铁材料，所加载的力包括横梁上的负载的重量及横梁自身的重力等将预设了长、宽、高的横梁模型划分为多个单元网格，对各个单元网格建立力学方程，求解后得到各个单元网格对应的解，将各个单元网格对应的解综合得到模型的变形等情况，即得到横梁模型的结构性能，改变预设的宽度值，即可得到对应宽度值下横梁模型的结构性能步骤C，仅改变模型的高度值，经有限元仿真，得到横梁的结构性能与高度值的变化关系横梁变高时，上下方向刚度增加，模态频率提高，综合变形减小，但横梁质量增大，当模态频率提高到最大值且综合变形减小到最小值时，随着横梁质量增大，横梁上下及前后方向变形增大。

同步骤S130的过程一致，在预设的宽度及长度值不变的条件下，仅多次改变模型的高度值，经有限元仿真，得到不同高度值下横梁的结构性能当横梁开始变高时，横梁上下方向刚度增加，模态频率提高，变形减小但当高度值增加到一定程度后，高度值继续增加时，横梁质量增加，刚度与质量比值减小，高度和宽度比值加大，上下及前后变形增大步骤d，根据横梁的结构性能与宽度值、高度值的变化关系及制作成本，确定最优宽度值及最优高度值根据横梁的结构性能与宽度值及高度值的变化关系，得到宽度值及高度值的改变对横梁结构性能的影响，在确定最优宽度值时，结合质量的增加对横梁结构性能负面的影响，综合确定最优宽度值在确定高度值时，结合质量的增加对横梁结构性能负面的影响，高度增加带来的制作成本，并基于横梁高度不超过所挂设的负载太多的原则，确定最优高度值确定了最优宽度值及最优高度值之后，由于长度随实际工况已经确定，即得到横梁外轮廓的尺寸上述PCB加工机床铸铁横梁优化设计方法中，将PCB加工机床铸铁横梁的宽度、高度等要素进行拆分，并分别进行仿真分析，确定各要素的最优结构，实现快速得到具有优异结构性能的PCB加工机床铸铁横梁的目的，无需加工出实物，降低了成本。

请参阅图4，为了进一步对PCB加工机床铸铁横梁进行优化，上述PCB加工机床铸铁横梁优化设计方法的步骤d之后还包括以下步骤步骤e，将横梁模型分割为上板、下板、前板、背板、墩子及内部六块区域请一并参阅图2、图5及图6，将PCB加工机床铸铁横梁模型10分割为上板11a、下板lib、前板11c、背板lid、墩子13及内部lie六块区域步骤f，在最优宽度值、最优高度值、长度预设值及上板、下板、前板、背板及墩子的预设值不变的条件下，在横梁模型内部设定不同的加强筋结构，经有限元仿真，得到不同加强筋结构下横梁的结构性能分别设定最优宽度、最优高度为模型宽度及高度，即在横梁 模型最优外轮廓条件下，并获取模型长度、上板、下板、前板、背板及墩子的预设值，在横梁内部设定不同的加强筋结构，加强筋结构选择机械领域常用的加强筋结构，如十字筋、叉筋坐寸ο步骤g，根据不同加强筋结构下横梁的结构性能，确定最优加强筋结构经过有限元法仿真分析，得到使PCB加工机床铸铁横梁10模态频率最高的最优加强筋结构，选为最优加强筋结构在内部设置加强筋，可以减轻横梁自身的重量，并能提高PCB加工机床铸铁横梁的抗扭曲等结构性能，进一步实现对PCB加工机床铸铁横梁的优化。