2024年8月26日发(作者：李又香)
2021年第8期工程设备与材料
129
数控改造机床床身有限元分析及结构优化设计
段 颖
辽宁装备制造职业技术学院，辽宁 沈阳 110161
摘 要：
文章对经济型数控改造的床身进行了三维建模，通过ANSYS Workbench软件对数控改造机床的床身结构进行了
有限元分析，获得床身的前六阶固有频率及振型。文章还对机床主轴箱内震源进行了计算分析，依据有限元分析结果，
优化床身结构设计，在保证机床安全的基础上，对提高数控改造机床中的切削平稳性及新机床床身设计具有重要的意义。
关键词：
数控改造机床；床身；三维建模；有限元分析；优化设计
中图分类号：TG659 文献标志码：A
在机床的机械结构中，床身是重要的大型承载部件，
起着支承机床其余零部件的作用
[1]
。它的静动态性能的
优劣关乎机床整体的综合性能，尤其对机床的加工精度、
抗振性能等影响较大
[2]
。在经济型数控机床改造中，为
了降低改造成本，都会保留原有普通机床的床身，选择
C6140数控改造机床的床身作为分析对象，并应用ANSYS
Workbench软件对C6140床身进行固有频率、振型分析。另
外，对床身整体结构进行重新改造设计，能保证数控改造
机床的运动平稳性，优化切削加工性。
1 有限元建模关键技术
1.1 模型建立与网格划分
采用UG NX8.0软件对C6140床身创建三维模型。对
C6140车床床身进行必要的结构简化，简化后的床身模型如
图1所示。
图1 机床床身简化模型
运用UG NX8.0软件进行机床床身几何建模后，导入
ANSYS Workbench中进行网格划分。采用网格尺寸控制方法，
设置零件网格尺寸为30mm，划分后网格共有128284个节点、
69677个单元。C6140床身划分网格后的有限元模型如图2
所示。
图2 划分网格后的床身模型（单位：mm）
1.2 载荷与边界条件
C6140车床床身材料选用HT200，材料属性如下：杨
氏模量为200GPa，泊松比为0.3，密度为7850kg/m
3
。对
C6140车床床腿的2个底表面施加固定约束，以限制其自
文章编号：2096-2789（2021）08-0129-03
由度。
2 床身模态特征
依据建立的床身模型，应用ANSYS Workbench软件里
的Block Lanczos方法做模态分析，得到床身的前六阶固
有频率及振型，如图3所示。
（a）第一阶
（b）第二阶
（c）第三阶
（d）第四阶
130
工程技术研究2021年第8期
（e）第五阶
（f）第六阶
图3 床身前六阶振型
有限元模态分析所得的前六阶固有频率如表1所示。
系统的第一阶振型为床身在Z方向的摆动，第二阶与第三
阶振型为床身在Z方向的扭转，第四阶振型表现为床身在
Y方向的摆动，第五阶振型为床身在X方向的摆动，第六阶
振型为床身导轨沿着X方向的弯曲。
表1 横向进给系统前六阶固有频率 单位：Hz
阶数固有频率
一625.49
二639.48
三702.74
四734.66
五830.33
六909.99
3 车床主轴箱内振源
由于主轴箱中传动零件如齿轮、轴承等在制造及装配
过程中可能有实施不理想的地方，及C6140车床改造使用
年限较长具有一定磨损，从而使主轴箱在加工过程中出现
振动。主轴箱的齿轮在啮合传递运动和动力时，会产生啮
合频率的振动。主轴箱安装在床身上，其振动会传递到床
身上，是床身振动的根源之一
[3]
。选择车床主轴箱回转频
率及啮合频率进行分析，观察是否与床身固有频率一致，
避免共振现象发生。计算时选择主轴200r/min时为研究对
象，依据主轴回转频率计算公式得到回转频率，根据齿轮
啮合频率公式计算出主轴回转频率和齿轮啮合频率，如表2
所示。
主轴回转频率计算公式为
f
r
=
n
÷60 （1）
齿轮啮合频率公式为
f
z
=(
n
×
z
)÷60 （2）
表2 C6140主轴回转频率和齿轮啮合频率 单位：Hz
回转轴号
理论频率
回转频率啮合频率
Ⅰ12Z56=760
Ⅱ19
Z38=730
Z22=423
Ⅲ7.29
Z58=423
Z50=364.5
Ⅳ7.29
Z50=364.5
Z50=395
Ⅴ7.44
Z50=371.8
Z26=193.3
Ⅵ3.33Z58=193.3
由表2可知，回转频率数据为3.33～19Hz，远低于床
身的固有频率，表明主轴回转的振动频率不会与床身产生共
振；而主轴箱齿轮的啮合振动频率数据为193.3～760Hz。
通过分析发现Ⅱ传动轴的齿数为38的齿轮，其啮合振动频
率730Hz与四阶固有频率734.66Hz十分相近。虽然局部振
动不是影响机床床身性能的唯一因素，但也对机床加工中
噪声与运动平稳有一定的不利作用
[4]
。
4 改进床身设计及模态
由图3可知，床身床头箱部位的第二、三、四阶振型
主要表现为局部振型，第一、五、六阶振型为机床的主要
振型，机床侧面及导轨部位发生弯曲扭转振动。通过分析
可知，床身的四周刚度相对比较薄弱，因此可对床身的整
体结构进行改进，从而提高机床床身的局部刚度。原C6140
车床床身的结构有待进一步的设计改进。通常可以用增加
加强肋、改进床身形状及封闭床身结构等方法，提高机床
床身的抗振性。在以后的车床改造中，可以将原床身中间
四方形整体式结构改成八边形结构及采取在床头箱与床身
连接处增加过度圆角等措施，提高床身刚度。机床床身改
进模型如图4所示。
图4 机床床身改进模型
为分析新结构床身的动态特性，进行了有限元分析计
算，其网格划分、材料属性及约束条件都与原床身一致，
故不再进行阐述
[5]
。根据建立的床身改进有限元模型，采
用ANSYS Workbench中Block Lanczos进行模态分析，获
得前六阶固有频率和模态振型，如图5所示。
年第8期
（a）第一阶
（b）第二阶
（c）第三阶
（d）第四阶
（e）第五阶
（f）第六阶
图5 机床改进床身前六阶振型
工程设备与材料
131
有限元模态分析所得的前六阶固有频率如表3所示。
第一阶振型为局部沿Y轴摆动，第二阶振型为局部沿Y轴
摆动，第三阶振型为绕Z轴扭转，第四阶振型为局部沿Z
轴摆动，第五阶振型为沿Z轴扭转，第六阶振型为局部沿Z
轴摆动。
表3 改进后床身前六阶固有频率 单位：Hz
阶数固有频率
一658.29
二767.04
三801.26
四967.38
五1074.8
六1087.2
将原机床床身与新结构机床床身的模态分析振型及固
有频率进行对比，由此看出，新结构机床结构能避开机床
主轴箱齿轮的啮合振动频率，减小因主传动系统运动的齿
轮啮合振动导致的变形，有效保障机床切削过程的平稳性
及工件加工精度。
5 结束语
文章通过对数控改造床身的三维实体模型设计，利用
ANYSY Workbench软件对床身进行模态分析，得到了床身的
固有频率及振型。通过分析经济型数控改造机床回转频率
与固有频率，能找到影响机床局部振动的原因及解决方案，
从而进一步提高经济型数控改造机床的加工精度。同时还
能对机床床身进行结构优化设计，将床身改造为八边形孔
结构。分析新型八边形孔结构的床身固有频率及振型可知，
新八边形孔结构的床身能有效避开主轴箱啮合频率，提高
机床整体的抗振性能，从而保证数控改造机床的切削加工
平稳性，为后续机床企业在床身改造设计中的研究与应用
提供重要的参考依据。
参考文献：
[1] 平华丽,郭旭红.基于ANSYS的普通车床床身有限元结构分
析[J]机电信息,2014(12):138-139.
[2] 陈光忠,文求实.CA6140床身动态特性的FEA应用[J].机械,
2005(3):40-41.
[3] 库祥臣,傅扬威,杨俊杰.基于有限元的高速数控车床床身结
构分析与优化[J].组合机床与自动化加工技术,2019(2):33-36.
[4] 聂荣正.车床车削加工振动的控制[J].林业机械与木工设备,
2010,38(1):56-58.
[5] 赵海霞,罗卫平.关键部件对数控机床动态特性的影响[J].电
子机械工程,2012,28(6):61-64.
作者简介：
段颖，女，硕士，讲师，研究方向为机床设计与改造。
2021
2024年8月26日发(作者：李又香)
2021年第8期工程设备与材料
129
数控改造机床床身有限元分析及结构优化设计
段 颖
辽宁装备制造职业技术学院，辽宁 沈阳 110161
摘 要：
文章对经济型数控改造的床身进行了三维建模，通过ANSYS Workbench软件对数控改造机床的床身结构进行了
有限元分析，获得床身的前六阶固有频率及振型。文章还对机床主轴箱内震源进行了计算分析，依据有限元分析结果，
优化床身结构设计，在保证机床安全的基础上，对提高数控改造机床中的切削平稳性及新机床床身设计具有重要的意义。
关键词：
数控改造机床；床身；三维建模；有限元分析；优化设计
中图分类号：TG659 文献标志码：A
在机床的机械结构中，床身是重要的大型承载部件，
起着支承机床其余零部件的作用
[1]
。它的静动态性能的
优劣关乎机床整体的综合性能，尤其对机床的加工精度、
抗振性能等影响较大
[2]
。在经济型数控机床改造中，为
了降低改造成本，都会保留原有普通机床的床身，选择
C6140数控改造机床的床身作为分析对象，并应用ANSYS
Workbench软件对C6140床身进行固有频率、振型分析。另
外，对床身整体结构进行重新改造设计，能保证数控改造
机床的运动平稳性，优化切削加工性。
1 有限元建模关键技术
1.1 模型建立与网格划分
采用UG NX8.0软件对C6140床身创建三维模型。对
C6140车床床身进行必要的结构简化，简化后的床身模型如
图1所示。
图1 机床床身简化模型
运用UG NX8.0软件进行机床床身几何建模后，导入
ANSYS Workbench中进行网格划分。采用网格尺寸控制方法，
设置零件网格尺寸为30mm，划分后网格共有128284个节点、
69677个单元。C6140床身划分网格后的有限元模型如图2
所示。
图2 划分网格后的床身模型（单位：mm）
1.2 载荷与边界条件
C6140车床床身材料选用HT200，材料属性如下：杨
氏模量为200GPa，泊松比为0.3，密度为7850kg/m
3
。对
C6140车床床腿的2个底表面施加固定约束，以限制其自
文章编号：2096-2789（2021）08-0129-03
由度。
2 床身模态特征
依据建立的床身模型，应用ANSYS Workbench软件里
的Block Lanczos方法做模态分析，得到床身的前六阶固
有频率及振型，如图3所示。
（a）第一阶
（b）第二阶
（c）第三阶
（d）第四阶
130
工程技术研究2021年第8期
（e）第五阶
（f）第六阶
图3 床身前六阶振型
有限元模态分析所得的前六阶固有频率如表1所示。
系统的第一阶振型为床身在Z方向的摆动，第二阶与第三
阶振型为床身在Z方向的扭转，第四阶振型表现为床身在
Y方向的摆动，第五阶振型为床身在X方向的摆动，第六阶
振型为床身导轨沿着X方向的弯曲。
表1 横向进给系统前六阶固有频率 单位：Hz
阶数固有频率
一625.49
二639.48
三702.74
四734.66
五830.33
六909.99
3 车床主轴箱内振源
由于主轴箱中传动零件如齿轮、轴承等在制造及装配
过程中可能有实施不理想的地方，及C6140车床改造使用
年限较长具有一定磨损，从而使主轴箱在加工过程中出现
振动。主轴箱的齿轮在啮合传递运动和动力时，会产生啮
合频率的振动。主轴箱安装在床身上，其振动会传递到床
身上，是床身振动的根源之一
[3]
。选择车床主轴箱回转频
率及啮合频率进行分析，观察是否与床身固有频率一致，
避免共振现象发生。计算时选择主轴200r/min时为研究对
象，依据主轴回转频率计算公式得到回转频率，根据齿轮
啮合频率公式计算出主轴回转频率和齿轮啮合频率，如表2
所示。
主轴回转频率计算公式为
f
r
=
n
÷60 （1）
齿轮啮合频率公式为
f
z
=(
n
×
z
)÷60 （2）
表2 C6140主轴回转频率和齿轮啮合频率 单位：Hz
回转轴号
理论频率
回转频率啮合频率
Ⅰ12Z56=760
Ⅱ19
Z38=730
Z22=423
Ⅲ7.29
Z58=423
Z50=364.5
Ⅳ7.29
Z50=364.5
Z50=395
Ⅴ7.44
Z50=371.8
Z26=193.3
Ⅵ3.33Z58=193.3
由表2可知，回转频率数据为3.33～19Hz，远低于床
身的固有频率，表明主轴回转的振动频率不会与床身产生共
振；而主轴箱齿轮的啮合振动频率数据为193.3～760Hz。
通过分析发现Ⅱ传动轴的齿数为38的齿轮，其啮合振动频
率730Hz与四阶固有频率734.66Hz十分相近。虽然局部振
动不是影响机床床身性能的唯一因素，但也对机床加工中
噪声与运动平稳有一定的不利作用
[4]
。
4 改进床身设计及模态
由图3可知，床身床头箱部位的第二、三、四阶振型
主要表现为局部振型，第一、五、六阶振型为机床的主要
振型，机床侧面及导轨部位发生弯曲扭转振动。通过分析
可知，床身的四周刚度相对比较薄弱，因此可对床身的整
体结构进行改进，从而提高机床床身的局部刚度。原C6140
车床床身的结构有待进一步的设计改进。通常可以用增加
加强肋、改进床身形状及封闭床身结构等方法，提高机床
床身的抗振性。在以后的车床改造中，可以将原床身中间
四方形整体式结构改成八边形结构及采取在床头箱与床身
连接处增加过度圆角等措施，提高床身刚度。机床床身改
进模型如图4所示。
图4 机床床身改进模型
为分析新结构床身的动态特性，进行了有限元分析计
算，其网格划分、材料属性及约束条件都与原床身一致，
故不再进行阐述
[5]
。根据建立的床身改进有限元模型，采
用ANSYS Workbench中Block Lanczos进行模态分析，获
得前六阶固有频率和模态振型，如图5所示。
年第8期
（a）第一阶
（b）第二阶
（c）第三阶
（d）第四阶
（e）第五阶
（f）第六阶
图5 机床改进床身前六阶振型
工程设备与材料
131
有限元模态分析所得的前六阶固有频率如表3所示。
第一阶振型为局部沿Y轴摆动，第二阶振型为局部沿Y轴
摆动，第三阶振型为绕Z轴扭转，第四阶振型为局部沿Z
轴摆动，第五阶振型为沿Z轴扭转，第六阶振型为局部沿Z
轴摆动。
表3 改进后床身前六阶固有频率 单位：Hz
阶数固有频率
一658.29
二767.04
三801.26
四967.38
五1074.8
六1087.2
将原机床床身与新结构机床床身的模态分析振型及固
有频率进行对比，由此看出，新结构机床结构能避开机床
主轴箱齿轮的啮合振动频率，减小因主传动系统运动的齿
轮啮合振动导致的变形，有效保障机床切削过程的平稳性
及工件加工精度。
5 结束语
文章通过对数控改造床身的三维实体模型设计，利用
ANYSY Workbench软件对床身进行模态分析，得到了床身的
固有频率及振型。通过分析经济型数控改造机床回转频率
与固有频率，能找到影响机床局部振动的原因及解决方案，
从而进一步提高经济型数控改造机床的加工精度。同时还
能对机床床身进行结构优化设计，将床身改造为八边形孔
结构。分析新型八边形孔结构的床身固有频率及振型可知，
新八边形孔结构的床身能有效避开主轴箱啮合频率，提高
机床整体的抗振性能，从而保证数控改造机床的切削加工
平稳性，为后续机床企业在床身改造设计中的研究与应用
提供重要的参考依据。
参考文献：
[1] 平华丽,郭旭红.基于ANSYS的普通车床床身有限元结构分
析[J]机电信息,2014(12):138-139.
[2] 陈光忠,文求实.CA6140床身动态特性的FEA应用[J].机械,
2005(3):40-41.
[3] 库祥臣,傅扬威,杨俊杰.基于有限元的高速数控车床床身结
构分析与优化[J].组合机床与自动化加工技术,2019(2):33-36.
[4] 聂荣正.车床车削加工振动的控制[J].林业机械与木工设备,
2010,38(1):56-58.
[5] 赵海霞,罗卫平.关键部件对数控机床动态特性的影响[J].电
子机械工程,2012,28(6):61-64.
作者简介：
段颖，女，硕士，讲师，研究方向为机床设计与改造。
2021