采用灰色理论和组合赋权法的加工中心立柱设计与研究


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随着现代加工制造业对加工中心加工精度、稳定性、可靠性等要求的不断提高,加工中心结构的优化已逐渐向改善加工中心静动态性能方向发展[|2]。加工中心立柱作为加工中心零部件主要支撑结构之一,支撑着横梁、滑枕、滑座等零部件的重量,对加工中心的加工性能有着重要的影响,近年来,立柱已经成为众多学者的研究对象。

文献[2]针对立柱提出了一种基于拓扑优化、筋板形式选择与布局及尺寸优化的结构设计方法,对立柱进行了优化设计,从而提高立柱项性能。文献[3 ]采用拓扑优化和遗传算法对立柱的筋板结构进行了优化设计,提高立柱的静动态性能。文献

[4]  运用有限元法分析立柱的静动态特性,设计了 3种元结构,并以出砂孔形状、尺寸、孔数、筋板作为优化的对象,仅以固有频率和刚度为优化目标,以质量为约束条件对立柱进行了优化设计。文献[5]对立柱进行拓扑优化,并建立了立柱厚度与变形量之间的关系曲线,从而选择最佳厚度参数,使立柱质量减轻,刚度增加。文献[6]龙门加工中心静动态特性进行了分析,找出薄弱结构为横梁,并对横梁的结构进行改进设计,从而提高整体的静动态性能。文献[7]对工作台进行了多目标优化设计,选取13个优化目标,使优化后的工作台各项性能均有所提高。文献[8]采用仿生学原理模仿树根部结构设计了立柱筋板布局结构,提高了立柱性能。文献[9]分析了整机动态性能,找出了加工中心ZFZ轴进给方向上筋板强度的不足,并提出了改进措置。文献[10]提出了一种基于APDL的快速设计方法,并以加工中心立柱为例,分析了多种筋板布局的立柱性能,证明该方法的可行性。

以上研究主要采用拓扑优化设计、关键结构的尺寸设计,从而提高立柱等部件的静动态性能。本文中以加工中心立柱的筋板结构、筋板厚度、起吊孔内径为试验因素,以质量、最大耦合变形、一阶固有频率、最大耦合应力为评估指标,设计了 3因素4水平的正交试验,并采用灰色理论和组合赋权法对立柱进行了优化设计,从而得到最佳的参数组合方案。

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结束语:

对加工中心立柱进行建模与静态和模态分析,提出了基于正交试验,灰色理论-组合赋权的加工中心立柱优化设计新方法。设计了 3因素4水平的等水平正交试验,实现立柱的多因素多指标的优化设计,克服传统设计方法的因素单一,指标少带来的设计缺陷。采用灰色理论与组合赋权法对试验数据进行处理,既考虑了客观因素对优选结果的影响,又融合了主观因素对结果的影响,使最终结果更加真实,可靠,更符合客观实际。试验结果表明:

1) 立柱最佳参数组合方案为:“十”型筋板结构,筋板厚度为20 mm,起吊孔内径180 mm与原立柱方案相比,优化后在最大耦合变形基本不变的情况下,立柱质量减轻了 503 kg最大应力减少了6%,一阶固有频率也有所增加,立柱轻量化效果明显。

2) 文中将正交试验,灰色理论与组合赋权方法应用在立柱的优化设计中,说明了正交试验具有较强的工程应用性,拓展了灰色理论与组合赋权的应用领域,为加工中心等其它零部件的设计提供了有益的

方法参考。

3) 文章虽然将立柱的筋板结构、筋板厚度、起吊孔内径作为试验因素.并提出了立柱优化设计的新方法,使立柱相应的性能得到提高。在后续的研究中,可以将立柱的壁厚、外形尺寸等作为试验因素,并且结合灵敏度分析法提高参数选取的精确性,将进一步提高立柱优化后的性能。


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