概念設計階段加工中心基礎大件質量的優化方法
文章預覽： 加工中心是現代機械制造工業中的工作母機m,其良好的性能取決于完善的加工中心設計方法。加工中心的傳統設計方法大多是經驗設計或者模仿設計 ，重點只是關注于滿足加工中心的靜態性能要求。然而，如今機械產品日益多樣化的需求對加工中心的柔性、精度等性能的要求越來越高，這種局限于加工中心靜態性能要求的傳統設計方法己經不能滿足精密產品的生產要求。加工中心的設計理念需要與時俱進，關注加工中心動態特性[1]的動態分析設計方法應該普遍推廣。目前，加工中心動態特性的研究主要集中于加工中心結構動力分析和加工中心結構優化設計 。加工中心固有動態特性主要包括固有頻率、模態振型等，其中固有頻率對加工中心抗振性能、加工效率有著顯著影響，是加工中心動力分析和優化設計的重要組成部分。加工中心基礎大件包括床身、工作臺、立柱、滑鞍、主軸箱，基礎大件的設計是加工中心設計的重中之重。在眾多影響基礎大件設計的因素中，基礎大件的質量與加工中心的固有頻率密切相關，是影響加工中心性能的關鍵因素。基礎大件質量分布不合理會導致加工中心剛度分布不均勻，進而影響加工中心的加工性能。由于傳統加工中心設計方法主要沿用靜態設計方法，采用理論力學、材料力學對加工中心部件進行強度和剛度設計，通常賦予加工中心結構較大的安全系數，導致加工中心結構尺寸和質量過大，影響加工中心的動態性能。 國內外學者和研宄機構對加工中心的動態特性開展了大量的研究。例如：文獻[5]采用有限元方法建立了加工中心動力學模型，運用廣義模態函數和廣義剛度場函數分析了加工中心動態特性隨工作空間變化的規律，在一定程度上優化了加工中心的加工工藝；文獻[6]考慮了加工中心結合面對加工中心動態特性的影響，優化了加工中心結合面的薄弱環節，提高了加工中心的動態特性；文獻[7]提出了一種將響應面模型和多目標遺傳算法相結合的設計方法，對加工中心立柱參數進行了優化設計；文獻[8]建立了加工中心固有頻率與加工中心部件位置的模型，并應用該模型分析和預測了加工中心部件位置變化對固有頻率的影響。但是，這些方法沒有有效地將加工中心動態特性與基礎大件質量相關聯，沒有將基礎大件的質量作為設計變量進行加工中心方案設計，也沒有涉及基礎大件質量對加工中心動態性能的影響規律，因此，有必要對加工中心基礎大件的質量進行主動設計。 本文提出一種在加工中心結構設計之前的加工中心整體方案設計方法，用于在概念設計階段合理分配加工中心基礎大件的質量。首先，利用集中參數法建立加工中心動態特性的等效模型，使用拉格朗日方程建立加工中心的動力學方程，求解出加工中心一階固有頻率與加工中心基礎大件質量的隱式關系，進而對加工中心的動態特性進行分析；然后，對加工中心一階固有頻率和基礎大件質量進行中心組合試驗設計，運用響應面分析方法中的二次多項式擬合得到加工中心一階固有頻率與加工中心基礎大件質量的顯式關系，并以該響應面模型作為優化設計的目標函數，以機床基礎大件質量的上、下限為約束條件，使加工中心的一階固有頻率達到最大，對加工中心基礎大件質量進行優化設計；最后，運用該方法完成了對TGK46100精密坐標鏜床基礎大件質量的優化設計。備注：為保證文章的完整度，本文核心內容都PDF格式顯示，如未有顯示請刷新或轉換瀏覽器嘗試！結束語： (1) 本文建立了加工中心動態特性的集中參數等效動力學模型，利用該模型能夠快速地對加工中心進行動力學分析，計算效率高。構建了加工中心一階固有頻率與加工中心基礎大件質量的二次多項式響應面模型，利用該模型完成了加工中心基礎大件質量的優化設計，在提高加工中心動態性能的基礎上，優化了基礎大件的質量分布，實現了加工中心的輕量化設計。 (2) 根據本文方法，通過精密坐標鏜床基礎大件質量優化設計實例，驗證了該模型的正確性和有效性。質量優化設計結果與原始設計方案相比，一階固有頻率最高值提高了 3.86%，基礎大件總質量最大值減小了 9.3%。從優化結果可以看出，本文方法實現了加工中心基礎大件質量的優化設計。本文的研究可以為加工中心基礎大件質量的優化分布設計提供參考，但是對加工中心結合面的處理方法比較簡單，有待后續深入研宄。同時本文提出的加工中心基礎大件質量優化方法只是針對加工中心整體設計方案的，而后續的加工中心基礎大件結構詳細設計方法對加工中心性能的提升也至關重要