概念设计阶段加工中心基础大件质量的优化方法


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  加工中心是现代机械制造工业中的工作母机m,其良好的性能取决于完善的加工中心设计方法。加工中心的传统设计方法大多是经验设计或者模仿设计 ,重点只是关注于满足加工中心的静态性能要求。然而,如今机械产品日益多样化的需求对加工中心的柔性、精度等性能的要求越来越高,这种局限于加工中心静态性能要求的传统设计方法己经不能满足精密产品的生产要求。加工中心的设计理念需要与时俱进,关注加工中心动态特性[1]的动态分析设计方法应该普遍推广。目前,加工中心动态特性的研究主要集中于加工中心结构动力分析和加工中心结构优化设计 。加工中心固有动态特性主要包括固有频率、模态振型等,其中固有频率对加工中心抗振性能、加工效率有着显著影响,是加工中心动力分析和优化设计的重要组成部分。加工中心基础大件包括床身、工作台、立柱、滑鞍、主轴箱,基础大件的设计是加工中心设计的重中之重。在众多影响基础大件设计的因素中,基础大件的质量与加工中心的固有频率密切相关,是影响加工中心性能的关键因素。基础大件质量分布不合理会导致加工中心刚度分布不均匀,进而影响加工中心的加工性能。由于传统加工中心设计方法主要沿用静态设计方法,采用理论力学、材料力学对加工中心部件进行强度和刚度设计,通常赋予加工中心结构较大的安全系数,导致加工中心结构尺寸和质量过大,影响加工中心的动态性能。

  国内外学者和研宄机构对加工中心的动态特性开展了大量的研究。例如:文献[5]采用有限元方法建立了加工中心动力学模型,运用广义模态函数和广义刚度场函数分析了加工中心动态特性随工作空间变化的规律,在一定程度上优化了加工中心的加工工艺;文献[6]考虑了加工中心结合面对加工中心动态特性的影响,优化了加工中心结合面的薄弱环节,提高了加工中心的动态特性;文献[7]提出了一种将响应面模型和多目标遗传算法相结合的设计方法,对加工中心立柱参数进行了优化设计;文献[8]建立了加工中心固有频率与加工中心部件位置的模型,并应用该模型分析和预测了加工中心部件位置变化对固有频率的影响。但是,这些方法没有有效地将加工中心动态特性与基础大件质量相关联,没有将基础大件的质量作为设计变量进行加工中心方案设计,也没有涉及基础大件质量对加工中心动态性能的影响规律,因此,有必要对加工中心基础大件的质量进行主动设计。

 

  本文提出一种在加工中心结构设计之前的加工中心整体方案设计方法,用于在概念设计阶段合理分配加工中心基础大件的质量。首先,利用集中参数法建立加工中心动态特性的等效模型,使用拉格朗日方程建立加工中心的动力学方程,求解出加工中心一阶固有频率与加工中心基础大件质量的隐式关系,进而对加工中心的动态特性进行分析;然后,对加工中心一阶固有频率和基础大件质量进行中心组合试验设计,运用响应面分析方法中的二次多项式拟合得到加工中心一阶固有频率与加工中心基础大件质量的显式关系,并以该响应面模型作为优化设计的目标函数,以机床基础大件质量的上、下限为约束条件,使加工中心的一阶固有频率达到最大,对加工中心基础大件质量进行优化设计;最后,运用该方法完成了对TGK46100精密坐标镗床基础大件质量的优化设计。

 

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结束语:

 

     (1) 本文建立了加工中心动态特性的集中参数等效动力学模型,利用该模型能够快速地对加工中心进行动力学分析,计算效率高。构建了加工中心一阶固有频率与加工中心基础大件质量的二次多项式响应面模型,利用该模型完成了加工中心基础大件质量的优化设计,在提高加工中心动态性能的基础上,优化了基础大件的质量分布,实现了加工中心的轻量化设计。

     (2) 根据本文方法,通过精密坐标镗床基础大件质量优化设计实例,验证了该模型的正确性和有效性。质量优化设计结果与原始设计方案相比,一阶固有频率最高值提高了 3.86%,基础大件总质量最大值减小了 9.3%。从优化结果可以看出,本文方法实现了加工中心基础大件质量的优化设计。本文的研究可以为加工中心基础大件质量的优化分布设计提供参考,但是对加工中心结合面的处理方法比较简单,有待后续深入研宄。同时本文提出的加工中心基础大件质量优化方法只是针对加工中心整体设计方案的,而后续的加工中心基础大件结构详细设计方法对加工中心性能的提升也至关重要

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