基于正交试验、组合赋权-灰色关联的加工中心横梁优化设计


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加工中心行业作为装备制造业的重要领域,也正在随着中国经济一起步入了一个新的历史发展阶段;在这一新常态下,给国内的制造业,特别是加工中心行业带来了不小的挑战,但是,对于有一定规模的企业来说这既是挑战,更是机遇企业只有通过技术创新,产品升级,提高产品质量才能立于不败之地横梁作为加工中心的重要部件,其结构设计是否合理,直接影响着加工中心刚度及加工精度,近年来,横梁已经成为众多学者的研究对象。

谢黎明等对加工中心横梁内部的筋板结构,筋板的数量进行了优化设计,提出将横梁内部筋板改为X型,数星由3块变为5块,厚度由10 mm增加到15 mm,横梁内部增加纵向筋板等措施,通过有限元分析法分析了优化前后横梁的静、动态性能,证明了优化设计的可行性:唐振宇等设计了 4种筋板结构的横梁,通过有限元分析证明了 0型筋板结构的横梁为最优方案;候红玲等对截面不同的几种横梁结构进行了静、动态特性分析,通过模态分析挑选出矩形截面横梁为最优结构方案;王艳青等[5]根据加工中心的加工要求,设计出横梁筋板的类桁架结构形式,通过对4种横梁静力学分析,证明优化后的横梁具有较高的结构刚性;刘兴卓等[6]对加工中心横梁直线导轨仿形装置进行仿形加工设计,降低了加工中心横梁仿形加工的难度,提高了加工中心加工的精度。

本文中设计了 6种筋板结构的横梁,挑选出4种结构橫梁进行了三因素四水平的正交试验,以横梁筋板结构、筋板厚度、上导轨支撑筋板倾斜角度作为试验因素,以横梁质量、最大耦合变形、最大耦合应力、一阶固有频率作为评估指标,釆用组合赋权和灰色关联法处理数据,挑选出最佳的参数组合,得到最佳的方案。

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结束语:

   

(1)  对横梁仅在自重,滑板组件重力和自重共同作用的情况下进行了分析,因横梁自重引起的变形占总形变量的44. 9% ,说明因横梁自重引起的横梁弯曲变形占有较大的比例,因此在对横梁等大型零部件的设计与优化中,应该将零件重量作为评价设计优劣的重要指标_

(2) 针对受力变形最大的上导轨部位,将其下端的支撑筋板由原来的水平设计变为倾斜45 :的设计,对减少横梁上导轨面变形和减轻横梁质量起到了重要的作用。运用正交试验设计方法实现对横梁的多目标优化设计,并且采用组合赋权-灰色关联方法分析试验数据,综合考虑主观和客观因素,实现以较少的试验次数,获得最佳试验参数组合,此外,通过对比多种优化方法,说明了正交试验,组合赋权-灰色关联法的合理可靠性,及较强的工程实用性„

(3) 优化设计后的横梁质量减轻了 466 kg,最大耦合变形减少了 7. 36% 阶固有频率提高了 2.91% ,横梁综合性能得到了有效提高,优化设计效果明显„

(4) 本文中以横梁内部筋板结构、筋板厚度和上导轨支撑筋板结构作为试验因素,以横梁质量、最大耦合变形、最大耦合应力和一阶固有频率作为评估指标,运用组合赋权法和灰色关联法处理分析数据从而实现横梁最优参数组合的选取,在以后的研究中,如果将横梁外形尺寸、横梁箱体结构的壁厚等,也作为试验的因素,并且结合灵敏度分析方法,将进_步提高横梁各参数选取的精确性,提高横梁的综合性能。


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