精密復(fù)合式鏜銑加工中心的結(jié)構(gòu)優(yōu)化
6.3床身的結(jié)構(gòu)優(yōu)化 6.3.1筋板的布置型式比較床身的原始設(shè)計筋板為“井”字型分布，在考慮到不同筋板的布局形式對床 身的靜、動態(tài)特性影響，在“井”字型筋板的方形空格內(nèi)添加單個斜向垂直對角 筋板，如圖6.7所示，記為方案二；然后在“井”字型筋板的方形空格內(nèi)分別添加 兩個斜向垂直對角筋板，如圖6.8所不，記為方案三。6.3.2筋板布置型式對床身的靜態(tài)特性的影響比較床身的靜剛度直接影響到機床對工件的加工精度和表面質(zhì)量，是決定機床靜態(tài)特性優(yōu)良的重要指標(biāo)，有限元的靜力分析首先是校核材料的屈服強度是否高于******屈服應(yīng)力，以及靜力分析時******的變形量是否被允許，以******變形量、******應(yīng)力、質(zhì)量三個參數(shù)為評價條件，數(shù)據(jù)如表6.4所示。6.3.3筋板布置型式對床身的動態(tài)特性的影響比較機床的彈性變形對零件的加工精度會有一定的影響，而由于機床的動態(tài)特性 不足而引起的機床振動對加工精度的影響約占40%左右，所以床身的動態(tài)特性也 是床身結(jié)構(gòu)優(yōu)化的一個關(guān)鍵方向，而模態(tài)分析中低階模態(tài)最能反映出床身的動態(tài) 特性[61]。本文以床身的第一階固有頻率及相應(yīng)陣型來反映床身的動態(tài)特性，表6.5 分別給出“井”、“米”與“X”三種筋板分布型式的床身固有頻率及相應(yīng)振型描 述，且“米”與“X”筋板分布型式的床身模態(tài)分析變形云圖如圖6.9與圖6.10 所示。 表6.5床身的固有頻率與振型 Table 6.5 Machine bed inherent frequency and vibration mode 方案 一階頻率/Hz 一階振型描述 方案一 219.26 床身中部向下有微小擺動 方案二 223.64 床身中部向上微小擺動 方案三 220.02 床身中部向里向內(nèi)微小擺動 6.3.4基于層次分析法獲取床身結(jié)構(gòu)的最優(yōu)方案對上述所設(shè)計的“井”、“米”與“X”型筋板分布型式的床身進(jìn)行綜合性能 分析，以靜態(tài)特性、動態(tài)特性以及質(zhì)量三個指標(biāo)對床身進(jìn)行全面衡量，床身抵抗 彈性變形的能力是由床身的靜態(tài)特性所決定的，床身在機床加工過程中抵抗振動 的能力是由床身的動態(tài)特性所決定的，而床身的質(zhì)量僅考慮到床身的制造成本和 搬運的方便性，本文采用以床身的質(zhì)量、靜力******變形量、模態(tài)一階固有頻率三 個指標(biāo)作為目標(biāo)函數(shù)，選用層次分析法(AHP)對三種筋板布置方式進(jìn)行比較，其中 決策算法如圖6.11所示。在圖6.11的層次分析模型中，從上至下分別為：總目標(biāo)層、準(zhǔn)則層與方案層[62]。 總目標(biāo)層為在保證床身具有高的靜動態(tài)特性的同時，盡量控制床身質(zhì)量； HV HV %分別為準(zhǔn)則層相對總目標(biāo)層的權(quán)重系數(shù)。在保證床身具有良好靜動態(tài)特性的前提下，床身質(zhì)量盡量越小越好，也就是 床身的質(zhì)量倒數(shù)越大越好，給出3種方案的質(zhì)量倒數(shù)矩陣：由式（6-10)可知，方案一的量化指標(biāo)優(yōu)于另外兩種方案，所以在基于床身質(zhì) 量大小控制、靜動態(tài)性能優(yōu)劣的綜合比較，選擇原始的方案一“井”字型作為最 優(yōu)的筋板布局設(shè)計方案。6.3.5筋板厚度對床身的靜動態(tài)特性的靈敏度分析為了提高復(fù)合式鏜銑加工中心床身靜剛度與低階陣型頻率，可以通過改變床 身的筋板厚度，使得靜剛度盡可能的高，低階振型頻率盡可能高，質(zhì)量盡可能不 發(fā)生大的變化。整個優(yōu)化分析是基于有限元的仿真分析，在筋板厚度尺寸優(yōu)化時， 提出以下兩種優(yōu)化方案。1、優(yōu)化一：優(yōu)化縱筋板厚度首先對床身的縱向筋板厚度進(jìn)行優(yōu)化，初始設(shè)計的縱筋板厚度為32mm，選取 的不同筋板厚度所對應(yīng)的床身特性如表6.6所示，圖6.12為各筋板厚度對結(jié)構(gòu)的 靜力變形和低階陣型頻率的靈敏度示意圖。 表6.6優(yōu)化床身縱筋板厚度分析結(jié)果 Table 6.6 Optimization of machine bed vertical plate thickness analysis results 筋板厚度 質(zhì)量/t 靜動態(tài)特性 /mm 靜力變形/Hm 第一階頻率f/Hz 26 8.176 13.90 215.56 28 8.220 13.11 217.18 30 8.262 12.70 219.26 32 8.308 12.56 218.18 34 8.366 12.46 218.30 由表6.7和圖6.13可以看出，增加橫筋板的厚度可以提高床身的靜剛度，a橫筋板厚度大于22mm后，床身的靜力變形量變化緩慢；增加橫筋板厚度對床身低階陣型頻率的提升比較顯著，當(dāng)筋板增加到22mm后，床身低階陣型頻率幾乎沒有變化，因此，最終選取橫筋板厚度為22mm。提升反而下降，因此，最終選取縱筋板厚度為30mm。2、優(yōu)化二：優(yōu)化橫筋板厚度對床身的橫向筋板厚度進(jìn)行優(yōu)化，初始設(shè)計的橫筋板厚度為20mm，選取不同 橫筋板厚度所對應(yīng)的床身特性如表6.7所示，圖6.13為各筋板厚度對結(jié)構(gòu)的靜力 變形和低階陣型頻率的靈敏度示意圖。6.4本章小結(jié)本章針對復(fù)合式鏜銑加工中心床身結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計與優(yōu)化，首先根據(jù)加工中心 的技術(shù)要求確定床身長、寬、高的基本尺寸，然后建立了三種不同筋板布置型式 的床身結(jié)構(gòu)，通過有限元分析的方法比較了筋板布置型式以及筋板厚度變化對床 身質(zhì)量以及靜動態(tài)特性的影響，最后基于床身綜合性能的層次分析法與筋板厚度 的靈敏度分析，得出筋板的最優(yōu)布局形式與筋板的******厚度，研究表明：機床床 身“井”字型筋板布局已經(jīng)具有良好的靜動態(tài)特性，合理地選擇筋板型式以及筋 板厚度尺寸是提高床身靜動態(tài)特性的一種重要手段。