基于颈椎结构的机床主轴滑枕仿生优化设计.pdf

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1、2013年3月机床与液压Mar．2013第41卷第5期MACHINETOOL&HYDRAULICSVo1．41No．5DOI：10．3969／j．issn．1001—3881．2013．05．025基于颈椎结构的机床主轴滑枕仿生优化设计高瀚君，陈五一(北京航空航天大学机械工程及自动化学院，北京100191)摘要：基于结构仿生的理论，根据人体颈椎结构，分两步对机床的主轴滑枕进行优化设计：利用ANSYS的APDL参数化语言建立优化模型，确定主轴滑枕各段壁厚的最优结构参数；在主轴滑枕的套筒与底板之间添加了一对加强筋板。与原型相比，最终得到的仿生型主轴滑枕的质量减少2．

2、36％、最大变形减小17．40％、比刚度效能提高了23．97％，前6阶固有频率平均提高了3．62％。关键词：主轴滑枕；颈椎；结构仿生；比刚度；有限元法中图分类号：TH6文献标识码：A文章编号：1001—3881(2013)5—097—4BionicOptimizationDesignofHeadstockBasedonCervicalVertebraGA0Haniun．CHENWuyi(SchoolofMechanicalEngineeringandAutomation，BeihangUniversity，Beijing100191，China)Abstract

3、：Amillingmachineheadstockwasmodeledaccordingtothestructureofcervicalvertebrabasedonthestructuralbionictheorybytwosteps．Firstly，togettheoptimalparametersofthewallthickness，parametricmodelofspindlewasbuiltbyusingAN—SYSAPDL．Secondly，acoupleofribswereaddedbetweenthesleeveandthebottomplat

4、eofthespindle．Comparedtotheoriginaldesign，thereisapparentimprovementinthemechanicalpropertiesforthefinalbionictype：themassisreducedby2．36％，themaximumdeformationisreducedby17．40％andthespecificstiffnessisincreasedby23．97％．Keywords：Headstock；Cervicalvertebra；Structuralbionics；Specificst

5、iffness；FEM现代制造业的发展使得高速化、精密化成为机床1主轴滑枕原型静力分析发展的趋势之一。高速机床在大加速度下保持高精度1．1静力分析前处理和边界条件就必须要求机床运动部件质量小、刚性高。对于机图1为摇篮式五轴联动数控机床的3个直线轴运床的运动部件来说，比刚度已经成为衡量其动、静态动部件的装配关系示意图。特性的一个重要指标。在具体的分析优化中，机床部件比刚度可以用比刚度效能来定量描述：-E88—x—ra式中：E为机床部件材料的弹性模量；为机床部件的最大变形；m为机床部件的质量。生物承力结构在进化中，总是朝着材料最省、能量损失最少、力学性能最优的方向不

6、断构建和重塑J。结构上的每一处增减都是为了使生物体更好地适应外部和自身的载荷，以最少的材料承受最大的外力，因而生物结构往往具有较高的比刚度。如植物叶图1五轴联动机床局部模型图脉、动物骨骼等典型的生物承力结构已经被许多仿生虽然文中旨在优化主轴滑枕，但是如果只对主轴设计者所关注。作者将仿照人体颈椎骨结构，对滑枕模型进行分析无法真实地表示其受力和约束情摇篮式五轴联动机床的主轴滑枕的结构进行优化，从况。因此，将主轴滑枕和一些与之紧密联系的部件提高比刚度着手，改善其动、静态特性。(电主轴、轴导轨(2个)、滑块(4个))的三维模型简化后，共同导人有限元软件ANSYS中。这样

7、，收稿日期：2012—02—21作者简介：高瀚君(1988一)，男，硕士研究生，研究方向为结构仿生设计、机床结构优化。E—mail：hjgao@me．buaa．edu．cn。·100·机床与液压第41卷表1原型与仿生I型各段壁厚对比表4仿生型与原型动静态特性对比(t=R一r，i=1，2，3，4，5，6)mm将仿生I型与仿生Ⅱ型主轴滑枕的三维模型分别导人ANSYS中，在相同的条件下对其进行静力分析，原型所得结果如表2中所示。仿生I型表2静力分析计算结果对比主轴质量／刀尖点最大变形／m滑枕丽与原型相比：仿生I型与仿生Ⅱ型质量分别减少5．14％和2．36％；仿生I型方

8、向最大变形略有增轨安装面