基于多目标的数控铣镗床床身优化研究.pdf

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1、·现代设计与先进制造技术·张强志李晓园等基于多目标的数控铣⋯⋯43基于多目标的数控铣镗床床身优化研究张强，尹志宏，李晓园，徐凯，张明旭(昆明理工大学机电工程学院，云南昆明650093)摘要：为了提高某大型数控铣镗床床身的性能，运用现代设计方法对该床身结构的设计变量进行了多目标优化。在分析床身结构特点的基础上，以质量和一阶固有频率为目标建立了床身结构优化数学模型，在Pm／E中实现床身结构三维模型的全参数化建模，应用主要目标法将多目标数学模型转化为单目标数学模型，使用ANSYSWorkbench软件对转化后的数学模型进行了优化计算，优化计算结果

2、有效地减轻了床身质量，提高了床身的一阶固有频率。关键词：床身；参数建模；多目标优化；ANSYSWorkbench；Pro／E中图分类号：TH12文献标识码：A文章编号：1672—1616(2012)15—0043—04近年来，随着计算机技术的进一步发展和优化理论的逐渐完善，对设计出的机械结构进行优化分析成为了提高产品性能、降低研发成本的重要途径。机床床身是机床的重要基础部件，其性能的好坏直接影响机床的整体性能_】一。目前，国内相当一部分的机床结构优化设计仍然停留在方案比较和选择上，这种优化具有一定的局限性和盲目性；图1床身整体结构图另一方面

3、，国内针对特定结构开展的基于全参数多际使用中是符合使用要求的。因此，要想使该床目标优化的相关研究还较少。因此，本文在分析某身性能更进一步提高，就需对床身原有的性能指标大型数控铣镗床床身特点的基础上，建立了该床身进行评价，从而为优化提供有力依据。经过施加正全参数优化模型，进行了多目标优化，并利用AN．确边界条件和约束，应用ANSYSWorkbench软件SYSWorkbench进行了优化计算，从而达到较大幅进行有限元分析，可得到床身一阶固有频率、静力度地提升机床综合性能的目的。最大变形等数据，数据将在表1中列出，具体分析过程及更多相关数据详见

4、参考文献[1]。1机床床身特点要对原设计床身进行优化，首先要搞清楚其内2优化分析部结构及原有各性能指标，从而为正确参数化和优2．1确定优化要素化打下良好的基础。对床身特点进行分析后，就要确定床身的优化1．1床身结构及内部板筋布局要素，进而为建立优化数学模型打下基础。由优化该床身为灰铸铁铸造而成，外部为长方体结的基本理论得知，确定的优化要素包括3个方面：构，如图1所示。该床身内部为纵横交错板筋结确定设计变量、构造目标函数、提出约束函数。构，由3条纵向板筋和9条横向板筋组成，并且在a．设计变量。床身内部均匀分布。其前后外壁开有椭圆形孔，内为了研

5、究各个变量对床身性能的影响，将床身部及底部外壁开有长方形孔。本床身内部板筋厚的各个尺寸均作为设计变量后进行分析，因此可以度为30mm，外部为40mm。变化的设计变量有：原设计中内部3条板筋的个数1．2原床身的性能及其厚度；原设计中内部9条板筋的个数及其厚该床身是应用传统的设计方法设计的，在实度；原床身设计外形的上壁厚度、下壁厚度、左壁厚收稿日期：2012—03—07作者简介：张强(1983一)，男，山西长治人，昆明理工大学硕士研究生，主要研究方向为机电系统动力学。2012年8月中国制造业信息化第41卷第15期度、右壁厚度。为便于在表达和参数

6、化时使用，将左壁和右壁板筋厚度；为DS一006，即床身下壁其表示为：3条板筋个数DS一001，其厚度DS一01；板筋厚度；为DS一001，即床身纵向板筋条数9条板筋个数DS一002，其厚度Ds一02；上壁厚度(原设计为3条)；为DS一002，即床身横向板筋DS004、左右壁厚度DS一005、下壁厚度Ds一一条数(原设计为9条)；-厂n1()为床身质量函数；006。(x)为床身静力学总变形最大值函数；，(X)为b．目标函数。床身第一阶固有频率函数；N为非负整数；g，(X)提出了3个目标函数：质量尽可能轻、静力学为床身平均应力最大值函数；g(X

7、)为床身平均最大变形尽可能小、第一阶模态固有频率尽可能应变最大值函数。高。2．3数学模型的转化c．约束条件。为了方便ANSYSWorkbench计算，可利用多约束条件考虑两方：目标函数优化方法中的主要目标法，将多目标函数一是边界约束，即从上艺角度考虑，将床身外转化为单目标函数，即将次要目标作为辅助约束条部板筋厚度变化范围设定为30—50mm，内部板筋件来处理。该机床主轴最高转速为3000r／min，故条数变化范围设定为2O～40mm。考虑到板筋个其自激频率与床身低阶固有频率相差较远，不会引数对床身性能的影响，将原3条板筋个数的取值范起共振；

8、同时，其余各项指标是满足使用要求的，因围定义为1～6条，将原9条板筋的个数定义为5～此应将降低质量(对应降低成本)作为最主要的目11条，条数为正整数。标。这就是说要把最大静力变形