基于拓扑优化的加工中心十字滑台结构设计.pdf

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1、机械设计与制造第1期l0MachineryDesign&Manufacture2012年1月文章编号：1001—3997(2012)01—0010—03基于拓扑优化的加工中心十字滑台结构设计术；，thecross-slide’sworkingconditionwasanalyzed．Secondly，tOmeetedesignrequirementthat胁i}Cross-Slideshouldhavegoodstaticanddynamicperformanceandlightweight，口st

2、ructuraltopologyopti-{}mizationdesignwithmulti-objectiveandmultioperatingmodestructureWascarriedoutbytaking胁min-{limumcomplianceandmzl~imumfundamentalfrequencyasobjectivefunctionandf^evolumeratioi}；celerationcapabilityofthenewstructureandtheoriginalstr

3、ucturewereanalyzed，whichverifiedthatthe{，。ezsr“cfrehasgo。dperformo~e．{竺曼妻兰接!麦字滑兰兰!!-'~'JIT1FtI：l．IL．L'I竺兰．运动作苎苎皇不情况，综合考虑丢薹警孽．向二莩台新向加速和减速时间二。减竽其量可以缩短机床的y在：了。：解，进而提高机床的加工效率。了机y高加速性能不足的问题。既罅缺乏有效的设计霎方法和手段支撑，又缺少对羹结构方案定量的分2结构，lHJ拓u扑lJl优l／化，u理土论方／J法1A★来稿日期：20

4、11-03—10★基金项目：国家科技重大专项一高档数控机床础莉适襞蓉(2009ZX0401—4-—034)衰董大专~．-VHT系歹IJ立式车铣复合加工中1~,(2009ZX04001-031)第1期宫玉林等：基于拓扑优化的加工中心十字滑台结构设计l1式中：)一目标函数，即组合应变能最小；C()—第i个工况3．1．2十字滑台的栽荷条件的静态应变能；A．()—第阶模态特征值；NOR^一校正系．十字滑台所受的载荷位置为十字滑台与立柱的联接部位。数，用于校正应变能和特征值的贡献。NORM=C~／A十字滑台与

5、立柱由四个滑块和一根丝杠联接。四个滑块沿着两条c一所有子工况中最大的应变能值；A-{昔标中最小的导轨做向运动，忽略滑块与导轨的摩擦力，四个滑块处均受两特征值；毗、广各工况和各阶固有频率的加权系数；V(X)个方向的力(Y向和z向)。丝杠通过轴承座与十字滑台联接，联—第i个载荷工况下优化后设计区域的有效体积；V—优接处受到一个方向的力(向)。载荷条件中的载荷大小通过建立化前设计区域的体积；A—体积分数；～设计变量，即单元力学模型求解得到。把立柱装配体、主轴箱装配体和刀具作为一密度；^L’-设计区域的单元

6、个数。个整体，建立其力学模型，如图3所示。即可求解出四个滑块联接3十字滑台结构拓扑优化处和丝杠联接处的载荷大小。3．1十字滑台工况条件十字滑台的工况条件包含十字滑台所受的约束条件和载荷条件。确定十字滑台的工况条件是对十字滑台进行结构拓扑优化的前提，决定着拓扑优化的结果。某立式加工中心的结构简图，如图1所示。十字滑台通过导轨副和丝杠副与床身联接，实现l，向运动。立柱同样通过导轨副和丝杠副与十字滑台联接，实现向运动。通过分析床身对十字滑台的约束情况和立柱对十字滑台的载荷情况，确定十字滑台的约束条件和载荷

7、条件，进而确定十字滑台的工况条件。在十字滑台的工作过程中，其工况条件是不断变化的。将确定三个典型的工况条件作为十字滑台拓扑优化的前提。图3十字滑台力学模型机床不同的切削方式以及主轴箱不同的工作位置都会导致力学模型的求解结果不同。为了得到十字滑台所受的最大载荷，把机床处于极限的切削方式以及极限的工作位置下进行分析。求解出的十字滑台所受的载荷大小，如表1所示。表1十字滑台所受载荷大小图1某立式加工中心结构图3．1．3十字滑台的典型工况3．1．1十字滑台的约束条件根据十字滑台的约束条件和载荷条件，确定十字

8、滑台的三十字滑台通过安装在其上的四个滑块沿着安装在床身上的两个典型工况。工况1、工况2和工况3的约束条件相同，载荷条件条导轨实现y向运动。由于此机床采用的导轨是滚动导轨，导轨与分别为立柱运动至向行程的最小极限位置、中间位置和最大滑块之间的摩擦力比较小，所以忽略导轨与滑块之间的摩擦力，四极限位置时的载荷条件。个滑块都只约束十字滑台的向和z向位移，而十字滑台的y向3．2十字滑台拓扑优化位移靠十字滑台与床身相联接的两根丝杠约束。根据丝杠的特陛和在对十字滑台进行拓扑优化时，首