基于有限元分析的机床结构优化设计.pdf

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1、精密制造与自动化2011年第4期基于有限元分析的机床结构优化设计苏渤王永泉朱祥陈花玲(1．西安交通大学机械工程学院西安710049；2．沈机集团昆明机床股份有限公司昆明650203)摘要介绍了对某型号加工中心机床结构的有限元分析。详细分析了整机的前几阶模态。研究后发现由于立柱和支撑板设计的不合理，就会导致机床固有频率较低，振动增大，机床精度下降。针对加工中心机床部件的结构特点，对于立柱，筋板进行结构优选和设计参数优化，并对支撑板采用了拓扑优化和参数优化结合的方法。研究结果表明，通过有限元分析，加工中心机床结构参数得到了较好的优化，从而使整机性能

2、得到了提高。关键词有限元分析模态分析参数优化拓扑优化现代机床正朝着高性能、高精度、高速度、模块化的方向发展。高速机床在工作时切削用量一般不大，所承受的工作载荷相对较小，故其静态强度和刚度一般能满足设计要求，而机床的动态性能则成为影响机床工作性能和机床产品质量的主要因素【1]。采用有限元技术，通过结构和拓扑优化，可以综合考虑结构的静动态特性，在设计阶段就可以预知结构的薄弱环节，并进行改进。由此避免大量的人力、物力和财力的浪费，提高设计质量，降低设计成本，缩短设计周期。本文以某型高速数控镗铣复合加工中心的结构分析设计为例，在设计阶段引进有限元分析技

3、术，找出设计中存在的问题，并针对具体情况采用不同的优化方法对其进行改进，不但提高了整机的图l原来整机的CAD模型图动态特性，而且节省了材料，降低了生产成本。该型号机床前三阶的模态分析结果见表1。1整机建模及有限元分析某型号加工中心，它可实现铣、镗、钻等多种表1前三阶模态分析结果工序复合，主要用于大型箱体类、盘类等精密零部模态阶数固有频率／Hz振型件加工。主轴最高转速可达6000r／min，具有加工l25．1立柱沿向摆动速度快，精度高等特点。225．5立柱沿z向摆动对整机的动力学分析。349．3立柱整体扭转首先建立整机的CAD模型。包括前床身、后

4、床身、立柱、支撑板、主轴箱和工作台等六个主要该型号加工中心主要工作转速在1500r／min，故大件构成。主激振力频率在25Hz，由表1的模态分析可以看模态分析是机床动力学分析的基础，主要用于确出，一阶和二阶固有频率接近25Hz，可以判定机定机床结构的模态参数，即固有频率和相应振型L2J，床工作时会发生共振，引起较大的加工误差。而由对于机床的动态特性设计、结构优化设计、操作空图2所示的前两阶振型图可以看出，变形主要发生间设计以及控制等方面均有重要指导意义。在立柱部分，因此，立柱、支撑板和床身之间结合30精密制造与自动化2011年第4期而作为机床最

5、大的移动部件，它的质量的减小，可果和原来结果对比见表4。以明显减小移动过程中的惯性力，提升机床性能，因显然，优化后的立柱抗扭刚度和抗弯刚度都有此，轻量化也作为优化设计的一个重要指标。所以，在了一定的提高，而质量下降了8．1％。较大地改善了优化过程中保证立柱质量小于原来的95％。优化目标立柱的动态特性。即保证质量下降的同时，使结构的前两阶固有频率得2．2支撑板的优化设计到提升，优化设计参数集见表3。支撑板起着支撑立柱的作用，由于它的变形会直接累加到刀具的误差的优势方向，它上面变形会表3优化设计参数集对加工精度带来较大误差，应该在设计时尽量减小参数

6、符号参数定义初始值／mm取值范围／mm支撑板的变形。Jl侧面筋厚度2015—20支撑板上最大变形达到26um，对加工精度影J2后面两边筋厚度20l5—20响比较大，这主要是因为支撑板结构设计不合理造J3后面中间筋厚度2015—2O成的。本文通过拓扑优化和参数优化结合的技术对J4横筋厚度2015—2O其内部筋板进行了重构，在保证质量不变的情况下L1侧面筋距前面距离l95165—225提高支撑板的承载能力，以减小加工误差，提高设L2侧面筋相隔距离21Ol80—240计精度。L3后面筋距侧面距离207175—235拓扑优化是指形状优化，有时也称为外型

7、优化。拓扑优化的目标是寻找承受单载荷或多载荷L4后面筋相隔距离18015O一21O的物体的最佳材料分配方案。这种方案在拓扑优化对一千个样本点进行采样，最终得到的优化结中表现为“最大刚度”设计。与传统的优化设计表4优化前后数值比较设计变量模态频率质量／内J1／J2／J3／J4／Ll／L2／L3／L4／1阶／2阶／3阶／Kg容mmmmmillmmmmm／nmmmmHzHzHz优化20202020l952lO20718051．8858．58126．04054前优化l515151517320575l6853．6360．87129_33723后不同的是，

8、拓扑优化不需要给出参数和优化变量的定义。目标函数、状态变量和设计变量都是预定义好的。用户只需要给出结构的参数(材料特性、模型、载荷等)和要省去的材料百