Pcb加工工具機鑄鐵橫梁優化設計方法
2023-07-29 17:11:16 1
專利名稱：Pcb加工工具機鑄鐵橫梁優化設計方法
技術領域：
本發明涉及機械設計領域，特別是涉及一種PCB加工工具機鑄鐵橫梁優化設計方法。
背景技術：
PCB加工工具機包括平臺，在平臺上架設橫梁與工作檯，橫梁上設有上下兩條導軌，負載設置於導軌上，負載用於在工作檯上加工PCB板。橫梁常使用花崗石和鑄鐵材料來製造。花崗石材料具有熱脹冷縮小、抗震性好、吸振性好等優點，但是由於資源的有限性，大量的使用使得大體積花崗石資源出現緊缺現象。因此鑄鐵機架將在PCB加工工具機行業佔據更大的百分比。 對於PCB加工工具機，機械結構是決定工具機性能的關鍵性因素。而機械結構均以機架為基礎，機架主要由橫梁和床身兩部分組成。大跨距的橫梁搭載著左右高速運動的部件和高速主軸等，這些部件都對工具機精度產生重要影響。因此，橫梁的結構性能對工具機的性能起著至關重要的作用。對於大跨距鑄鐵橫梁結構，其剛度與質量比值較低、容易變形，橫梁設計的難度較高。傳統評價橫梁的指標主要有三點，分別是變形、剛度和質量。為了設計出性能較優的橫梁結構，目前常用的設計方法是根據載荷和激勵情況，憑藉經驗先設計出一些結構，力口工出實物，後裝配到機器上，整體測試，綜合各種測試結果判斷結構性能優越性，確定修改方案，修改後加工出實物再次進行測試，如此循環往復。若初始設計的結構較好，則可能需要修改的次數和工作量就少一些；若結構性能較差，則可能需要多次的修改加工，如此多次的嘗試改進需要很長的周期和大量的人力、物力、財力，導致設計的成本較高。
發明內容
基於此，有必要提供一種設計成本低的PCB加工工具機鑄鐵橫梁優化設計方法。一種PCB加工工具機鑄鐵橫梁優化設計方法，包括以下步驟步驟a，根據長度、寬度、高度的預設值，建立橫梁模型；步驟b，僅改變模型的寬度值，經有限元仿真，得到橫梁的結構性能與寬度值的變化關係橫梁變寬時，橫梁前後方向剛度增加，模態頻率提高，綜合變形減小，橫梁質量增大，當模態頻率提高到最大值且綜合變形減小到最小值時，隨著橫梁質量增大，模態頻率降低,橫梁上下方向變形增大；步驟C，僅改變模型的高度值，經有限元仿真，得到橫梁的結構性能與高度值的變化關係橫梁變高時，上下方向剛度增加，模態頻率提高，綜合變形減小，但橫梁質量增大，當模態頻率提高到最大值且綜合變形減小到最小值時，隨著橫梁質量增大，橫梁上下及前後方向變形增大；步驟d，根據橫梁的結構性能與寬度值、高度值的變化關係及製作成本，確定最優寬度值及最優高度值。
在其中一個實施例中，在步驟d之後，還包括以下步驟步驟e，將所述橫梁模型分割為上板、下板、前板、背板、墩子及內部六塊區域；步驟f，在最優寬度值、最優高度值、長度預設值及上板、下板、前板、背板及墩子的預設值不變的條件下，在橫梁模型內部設定不同的加強筋結構，經有限元仿真，得到不同加強筋結構下橫梁的結構性能；步驟g，根據不同加強筋結構下橫梁的結構性能，確定最優加強筋結構。在其中一個實施例中，在步驟g之後，還包括以下步驟步驟h，在最優寬度值、最優高度值、最優加強筋結構、長度預設值及下板、前板、背板及墩子的預設值不變的條件下，僅改變模型中上板的厚度值，經有限元仿真，得到橫梁的結構性能與上板厚度值的變化關係上板厚度值增加時，橫梁的抗扭能力增強，橫梁上導軌的iu後變形變小；·步驟i，根據橫梁的結構性能與上板厚度值的變化關係及製作成本，確定最優上板
厚度值。在其中一個實施例中，在步驟i之後，還包括以下步驟步驟j，在最優寬度值、最優高度值、最優加強筋結構、最優上板厚度值、長度預設值及前板、背板、墩子的預設值不變的條件下，僅改變模型下板的厚度值，經有限元仿真，得到橫梁的結構性能與下板厚度值的變化關係下板厚度值增加時，橫梁的抗扭能力增強，橫梁下導軌的前後變形變小；步驟k，根據橫梁的結構性能與下板厚度值的變化關係及製作成本，確定最優下板
厚度值。在其中一個實施例中，在步驟k之後，還包括以下步驟步驟1，在最優寬度值、最優高度值、最優加強筋結構、最優上板、下板厚度值、長度預設值及背板、墩子的預設值不變的條件下，僅改變模型前板的厚度值，經有限元仿真，得到橫梁的結構性能與前板厚度值的變化關係前板厚度增加時，橫梁的變形減小，抗扭能力增強；步驟m，根據橫梁的結構性能與前板厚度值的變化關係及製作成本，確定最優前板
厚度值。在其中一個實施例中，在步驟m之後，還包括以下步驟步驟n，在最優寬度值、最優高度值、最優加強筋結構、最優上板、下板、前板厚度值、長度預設值及墩子的預設值不變的條件下，僅改變模型背板的厚度值，經有限元仿真，得到橫梁的結構性能與背板厚度值的變化關係背板厚度增加時，橫梁的變形減小，抗扭能力增強；步驟O，根據橫梁的結構性能與背板厚度值的變化關係及製作成本，確定最優背板
厚度值。在其中一個實施例中，在步驟O之後，還包括以下步驟步驟P，在最優寬度值、最優高度值、最優加強筋結構、最優上板、下板、前板、背板厚度值、長度值預設值不變的條件下，僅改變墩子的結構，經有限元仿真，得到墩子在不同結構下橫梁的結構性能；步驟q，根據墩子在不同結構下橫梁的結構性能及製作成本，得確定最優墩子結構。在其中一個實施例中，所述有限元仿真的具體步驟為定義模型材質；定義邊界條件及模型所需加載的力；將模型劃分為多個單元網格；對各個單元網格建立力學方程，求解並綜合得到模型的結構性能。上述PCB加工工具機鑄鐵橫梁優化設計方法中，將PCB加 工工具機鑄鐵橫梁的寬度、高度等要素進行拆分，並分別進行仿真分析，確定各要素的最優結構，實現快速得到具有優異結構性能的PCB加工工具機鑄鐵橫梁的目的，無需加工出實物，降低了成本。
圖I為一實施例的PCB加工工具機鑄鐵橫梁優化設計方法的流程圖；圖2為圖I所示PCB加工工具機鑄鐵橫梁優化設計方法所得的橫梁模型10的結構圖；圖3為圖I所示PCB加工工具機鑄鐵橫梁優化設計方法中有限元仿真的具體流程圖；圖4為另一實施例的PCB加工工具機鑄鐵橫梁優化設計方法的具體流程圖；圖5為圖2所示橫梁模型10的後視圖；圖6為圖2所示橫梁模型10的剖面圖；圖7為再一實施例的PCB加工工具機鑄鐵橫梁優化設計方法的具體流程圖。
具體實施例方式為了便於理解本發明，下面將參照相關附圖對本發明進行更全面的描述。附圖中給出了本發明的較佳實施方式。但是，本發明可以以許多不同的形式來實現，並不限於本文所描述的實施方式。相反地，提供這些實施方式的目的是使對本發明的公開內容理解的更加透徹全面。需要說明的是，當元件被稱為「固定於」另一個元件，它可以直接在另一個元件上或者也可以存在居中的元件。當一個元件被認為是「連接」另一個元件，它可以是直接連接到另一個元件或者可能同時存在居中元件。本文所使用的術語「垂直的」、「水平的」、「左」、「右」以及類似的表述只是為了說明的目的，並不表示是唯一的實施方式。除非另有定義，本文所使用的所有的技術和科學術語與屬於本發明的技術領域的技術人員通常理解的含義相同。本文中在本發明的說明書中所使用的術語只是為了描述具體的實施方式的目的，不是旨在於限制本發明。本文所使用的術語「及/或」包括一個或多個相關的所列項目的任意的和所有的組合。請參閱圖1，本實施例的PCB加工工具機鑄鐵橫梁優化設計方法，包括以下步驟步驟a，根據長度、寬度、高度的預設值，建立橫梁模型。請參閱圖2，建立PCB加工工具機鑄鐵橫梁模型10，包括長方柱形的主梁體11及兩墩子13。由於PCB加工工具機中，PCB加工工具機鑄鐵橫梁是架設於PCB加工工具機的平臺(圖未示)上，並位於工作檯(圖未示)上方，主梁體11上懸掛用於加工工作檯上PCB板的負載。
根據PCB加工工具機鑄鐵橫梁上懸掛的鑽銑用負載的軸數，及每個軸的加工範圍，得到PCB加工工具機實際的加工範圍，即可確定PCB加工工具機鑄鐵橫梁中主梁體的長度，獲取該長度作為預設長度，同時獲取預設的寬度及高度值。步驟b，僅改變模型的寬度值，經有限元仿真，得到橫梁的結構性能與寬度值的變化關係橫梁變寬時，橫梁前後方向剛度增加，模態頻率提高，綜合變形減小，橫梁質量增大，當模態頻率提高到最大值且綜合變形減小到最小值時，隨著橫梁質量增大，模態頻率降低,橫梁上下方向變形增大。在建立模型之後，僅多次改變橫梁模型的寬度值，經有限元仿真，得到橫梁的結構性能與寬度值的變化關係。當橫梁開始變寬時，橫梁前後方向剛度增加，模態頻率提高，變形減小。但是當橫梁寬度增大到一定值後，繼續加寬時，質量增加，剛度與質量比值減小，而 上下方向變形增大，前後方向變形減小到一定值後基本維持不變，橫梁的結構性能改善程度減小直至其隨著橫梁的寬度的增加而變差。請參閱圖3，有限元仿真具體包括以下步驟步驟S210，定義模型材質。步驟S220，定義邊界條件及模型所需加載的力。步驟S230，將模型劃分為多個單元網格。步驟S240，對各個單元網格建立力學方程，求解並綜合得到模型的結構性能。具體在本實施例中，定義模型的材料為鑄鐵材料，所加載的力包括橫梁上的負載的重量及橫梁自身的重力等。將預設了長、寬、高的橫梁模型劃分為多個單元網格，對各個單元網格建立力學方程，求解後得到各個單元網格對應的解，將各個單元網格對應的解綜合得到模型的變形等情況，即得到橫梁模型的結構性能，改變預設的寬度值，即可得到對應寬度值下橫梁模型的結構性能。步驟C，僅改變模型的高度值，經有限元仿真，得到橫梁的結構性能與高度值的變化關係橫梁變高時，上下方向剛度增加，模態頻率提高，綜合變形減小，但橫梁質量增大，當模態頻率提高到最大值且綜合變形減小到最小值時，隨著橫梁質量增大，橫梁上下及前後方向變形增大。同步驟S130的過程一致，在預設的寬度及長度值不變的條件下，僅多次改變模型的高度值，經有限元仿真，得到不同高度值下橫梁的結構性能當橫梁開始變高時，橫梁上下方向剛度增加，模態頻率提高，變形減小。但當高度值增加到一定程度後，高度值繼續增加時，橫梁質量增加，剛度與質量比值減小，高度和寬度比值加大，上下及前後變形增大。步驟d，根據橫梁的結構性能與寬度值、高度值的變化關係及製作成本，確定最優寬度值及最優高度值。根據橫梁的結構性能與寬度值及高度值的變化關係，得到寬度值及高度值的改變對橫梁結構性能的影響，在確定最優寬度值時，結合質量的增加對橫梁結構性能負面的影響，綜合確定最優寬度值。在確定高度值時，結合質量的增加對橫梁結構性能負面的影響，高度增加帶來的製作成本，並基於橫梁高度不超過所掛設的負載太多的原則，確定最優高度值。確定了最優寬度值及最優高度值之後，由於長度隨實際工況已經確定，即得到橫梁外輪廓的尺寸。上述PCB加工工具機鑄鐵橫梁優化設計方法中，將PCB加工工具機鑄鐵橫梁的寬度、高度等要素進行拆分，並分別進行仿真分析，確定各要素的最優結構，實現快速得到具有優異結構性能的PCB加工工具機鑄鐵橫梁的目的，無需加工出實物，降低了成本。請參閱圖4，為了進一步對PCB加工工具機鑄鐵橫梁進行優化，上述PCB加工工具機鑄鐵橫梁優化設計方法的步驟d之後還包括以下步驟步驟e，將橫梁模型分割為上板、下板、前板、背板、墩子及內部六塊區域。請一併參閱圖2、圖5及圖6，將PCB加工工具機鑄鐵橫梁模型10分割為上板11a、下板lib、前板11c、背板lid、墩子13及內部lie六塊區域。步驟f，在最優寬度值、最優高度值、長度預設值及上板、下板、前板、背板及墩子的預設值不變的條件下，在橫梁模型內部設定不同的加強筋結構，經有限元仿真，得到不同加強筋結構下橫梁的結構性能。分別設定最優寬度、最優高度為模型寬度及高度，即在橫梁 模型最優外輪廓條件下，並獲取模型長度、上板、下板、前板、背板及墩子的預設值，在橫梁內部設定不同的加強筋結構，加強筋結構選擇機械領域常用的加強筋結構，如十字筋、叉筋
坐寸ο步驟g，根據不同加強筋結構下橫梁的結構性能，確定最優加強筋結構。經過有限元法仿真分析，得到使PCB加工工具機鑄鐵橫梁10模態頻率最高的最優加強筋結構，選為最優加強筋結構。在內部設置加強筋，可以減輕橫梁自身的重量，並能提高PCB加工工具機鑄鐵橫梁的抗扭曲等結構性能，進一步實現對PCB加工工具機鑄鐵橫梁的優化。請參閱圖7，上述PCB加工工具機鑄鐵橫梁優化設計方法在步驟g之後還包括以下步驟步驟h，在最優寬度值、最優高度值、最優加強筋結構、長度預設值及下板、前板、背板及墩子的預設值不變的條件下，僅改變模型中上板的厚度值，經有限元仿真，得到橫梁的結構性能與上板厚度值的變化關係上板厚度值增加時，橫梁的抗扭能力增強，橫梁上導軌的前後變形變小。步驟i，根據橫梁的結構性能與上板厚度值的變化關係及製作成本，確定最優上板
厚度值。對於PCB加工工具機鑄鐵橫梁來說，上板IIa的結構尺寸對橫梁性能的影響最大，因此上板設計為封閉式結構。在確定了橫梁模型10的外輪廓尺寸及內部設置最優加強筋結構的前提下，在橫梁模型10上設置不同的上板Ila的厚度，通過有限元仿真分析，得到橫梁的結構性能與上板厚度值的變化關係上板厚度增加時，抗扭能力提升最為明顯，橫梁上導軌的前後變形變小，同時還能將各階的模態頻率間距拉大。厚度達到一定程度後，其結構性能變化趨勢逐漸減小。根據橫梁的結構性能與上板厚度值的變化關係，綜合上板厚度增厚的成本和結構性能收益，確定上板Ila的最優厚度。在本實施例中，其內部並不為實心結構，在主梁體11所分割成的各區域中，對PCB加工工具機鑄鐵橫梁10的結構性能影響按從大到小排列依次為上板11a、下板lib、前板11c、背板lid。因此，在得到上板Ila的最優厚度之後，可多次改變下板Ilb的厚度值，經有限元仿真，得到橫梁的結構性能與下板厚度值的變化關係下板厚度值增加時，橫梁的抗扭能力增強，橫梁下導軌的前後變形變小，並最終據此綜合分析下板增厚所得結構性能收益與厚度變厚所帶來的製作成本的關係，確定下板Ilb的最優厚度值。依照同樣的方法，在確定了對橫梁結構性能影響更大的區域的最優厚度的條件下，得到橫梁的結構性能與前板及背板的厚度值變化關係。前板或背板厚度增加時，橫梁的變形減小，抗扭能力增強。據此綜合分析厚度增加所帶來的製作成本及所得結構性能收益的關係，依次得到前板Ilc及背板Ild的最優厚度。在分別得到PCB加工工具機鑄鐵橫梁模型10的最優寬度、最優寬度、最優高度、最優加強筋結構及最優上板、下板、前板、背板厚度之後，僅改變墩子13的結構，如實心墩子、空心墩子等，經有限元仿真，得到墩子13在不同結構下橫梁的結構性能。之後根據墩子13在不同結構下橫梁的結構性能，以及墩子各結構帶來的製作成本，確定最優墩子結構。需要注意的是，由於背板Ild對橫梁的結構性能影響較小，為了減輕質量，請再次參閱圖5，可對背板Ild進行鏤空，只留下部分框架用於滿足主梁體11內部設置多組加強筋的需求。同時，前板Ilc可在中部設置電機的區域部分加厚，其它部分減薄，既可以提高整體的性能又可抵抗電機部分導致橫梁的變形。為了驗證上述PCB加工工具機鑄鐵橫梁優化設計方法的實用性，對一 PCB加工工具機 鑄鐵橫梁進行優化設計，在未經優化的PCB加工工具機鑄鐵橫梁中，其質量為1900kg，長度為4m，其負載為質量約300kg的六軸鑽銑裝置。工作時，負載將以80m/min的速度運行，加速或變向時其加速度為I. 5m/s2。通過上述PCB加工工具機鑄鐵橫梁優化設計方法，得到優化後的PCB加工工具機鑄鐵橫梁模型，其外輪廓長寬高尺寸為4000mm*470mm*460mm。在其內部設置九組厚度為15mm的叉筋做為加強筋。上板、下板及前板的厚度均為15_，同時背板鏤空，背板鏤空後留下用於設置內部加強筋的框架，其厚度為10_，以滿足大鑄造件厚度的最低要求。墩子為實心墩子，最後得到優化設計後PCB加工工具機鑄鐵橫梁結構性能與原PCB加工工具機鑄鐵橫梁結構性能的對比表
權利要求
1.一種PCB加工工具機鑄鐵橫梁優化設計方法，其特徵在於，包括以下步驟 步驟a，根據長度、寬度、高度的預設值，建立橫梁模型； 步驟b，僅改變模型的寬度值，經有限元仿真，得到橫梁的結構性能與寬度值的變化關係橫梁變寬時，橫梁前後方向剛度增加，模態頻率提高，綜合變形減小，橫梁質量增大，當模態頻率提高到最大值且綜合變形減小到最小值時，隨著橫梁質量增大，模態頻率降低，橫梁上下方向變形增大； 步驟c，僅改變模型的高度值，經有限元仿真，得到橫梁的結構性能與高度值的變化關係橫梁變高時，上下方向剛度增加，模態頻率提高，綜合變形減小，但橫梁質量增大，當模態頻率提高到最大值且綜合變形減小到最小值時，隨著橫梁質量增大，橫梁上下及前後方向變形增大； 步驟d，根據橫梁的結構性能與寬度值、高度值的變化關係及製作成本，確定最優寬度值及最優高度值。
2.根據權利要求I所述的PCB加工工具機鑄鐵橫梁優化設計方法，其特徵在於，在步驟d之後，還包括以下步驟 步驟e，將所述橫梁模型分割為上板、下板、前板、背板、墩子及內部六塊區域； 步驟f，在最優寬度值、最優高度值、長度預設值及上板、下板、前板、背板及墩子的預設值不變的條件下，在橫梁模型內部設定不同的加強筋結構，經有限元仿真，得到不同加強筋結構下橫梁的結構性能； 步驟g，根據不同加強筋結構下橫梁的結構性能，確定最優加強筋結構。
3.根據權利要求2所述的PCB加工工具機鑄鐵橫梁優化設計方法，其特徵在於，在步驟g之後，還包括以下步驟 步驟h，在最優寬度值、最優高度值、最優加強筋結構、長度預設值及下板、前板、背板及墩子的預設值不變的條件下，僅改變模型中上板的厚度值，經有限元仿真，得到橫梁的結構性能與上板厚度值的變化關係上板厚度值增加時，橫梁的抗扭能力增強，橫梁上導軌的前後變形變小； 步驟i，根據橫梁的結構性能與上板厚度值的變化關係及製作成本，確定最優上板厚度值。
4.根據權利要求3所述的PCB加工工具機鑄鐵橫梁優化設計方法，其特徵在於，在步驟i之後，還包括以下步驟 步驟j，在最優寬度值、最優高度值、最優加強筋結構、最優上板厚度值、長度預設值及前板、背板、墩子的預設值不變的條件下，僅改變模型下板的厚度值，經有限元仿真，得到橫梁的結構性能與下板厚度值的變化關係下板厚度值增加時，橫梁的抗扭能力增強，橫梁下導軌的前後變形變小； 步驟k，根據橫梁的結構性能與下板厚度值的變化關係及製作成本，確定最優下板厚度值。
5.根據權利要求4所述的PCB加工工具機鑄鐵橫梁優化設計方法，其特徵在於，在步驟k之後，還包括以下步驟 步驟1，在最優寬度值、最優高度值、最優加強筋結構、最優上板、下板厚度值、長度預設值及背板、墩子的預設值不變的條件下，僅改變模型前板的厚度值，經有限元仿真，得到橫梁的結構性能與前板厚度值的變化關係前板厚度增加時，橫梁的變形減小，抗扭能力增強； 步驟m，根據橫梁的結構性能與前板厚度值的變化關係及製作成本，確定最優前板厚度值。
6.根據權利要求5所述的PCB加工工具機鑄鐵橫梁優化設計方法，其特徵在於，在步驟m之後，還包括以下步驟 步驟n，在最優寬度值、最優高度值、最優加強筋結構、最優上板、下板、前板厚度值、長度預設值及墩子的預設值不變的條件下，僅改變模型背板的厚度值，經有限元仿真，得到橫梁的結構性能與背板厚度值的變化關係背板厚度增加時，橫梁的變形減小，抗扭能力增強； 步驟ο，根據橫梁的結構性能與背板厚度值的變化關係及製作成本，確定最優背板厚度值。
7.根據權利要求6所述的PCB加工工具機鑄鐵橫梁優化設計方法，其特徵在於，在步驟ο之後，還包括以下步驟 步驟P，在最優寬度值、最優高度值、最優加強筋結構、最優上板、下板、前板、背板厚度值、長度值預設值不變的條件下，僅改變墩子的結構，經有限元仿真，得到墩子在不同結構下橫梁的結構性能； 步驟q，根據墩子在不同結構下橫梁的結構性能及製作成本，得確定最優墩子結構。
8.根據權利要求I至7任意一項所述的PCB加工工具機鑄鐵橫梁優化設計方法，其特徵在於，所述有限元仿真的具體步驟為 定義模型材質； 定義邊界條件及模型所需加載的力； 將模型劃分為多個單元網格； 對各個單元網格建立力學方程，求解並綜合得到模型的結構性能。
全文摘要
一種PCB加工工具機鑄鐵橫梁優化設計方法，包括以下步驟根據長度、寬度、高度的預設值，建立橫梁模型；僅改變模型的寬度值，經有限元仿真，得到橫梁的結構性能與寬度值的變化關係；僅改變模型的高度值，經有限元仿真，得到橫梁的結構性能與高度值的變化關係；根據橫梁的結構性能與寬度值及高度值的變化關係及製作成本，確定最優寬度值及最優高度值。上述PCB加工工具機鑄鐵橫梁優化設計方法中，將PCB加工工具機鑄鐵橫梁的寬度、高度等要素進行拆分，並分別進行仿真分析，確定各要素的最優結構，實現快速得到具有優異結構性能的PCB加工工具機鑄鐵橫梁的目的，無需加工出實物，降低了成本。
文檔編號G06F17/50GK102819653SQ201210301089
公開日2012年12月12日 申請日期2012年8月22日 優先權日2012年8月22日
發明者陳百強, 宋福民, 雷鳴, 高雲峰 申請人:深圳市大族雷射科技股份有限公司, 深圳市大族數控科技有限公司