概念設(shè)計(jì)階段加工中心基礎(chǔ)大件質(zhì)量的優(yōu)化方法
文章預(yù)覽： 加工中心是現(xiàn)代機(jī)械制造工業(yè)中的工作母機(jī)m,其良好的性能取決于完善的加工中心設(shè)計(jì)方法。加工中心的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法大多是經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)或者模仿設(shè)計(jì) ，重點(diǎn)只是關(guān)注于滿足加工中心的靜態(tài)性能要求。然而，如今機(jī)械產(chǎn)品日益多樣化的需求對(duì)加工中心的柔性、精度等性能的要求越來(lái)越高，這種局限于加工中心靜態(tài)性能要求的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法己經(jīng)不能滿足精密產(chǎn)品的生產(chǎn)要求。加工中心的設(shè)計(jì)理念需要與時(shí)俱進(jìn)，關(guān)注加工中心動(dòng)態(tài)特性[1]的動(dòng)態(tài)分析設(shè)計(jì)方法應(yīng)該普遍推廣。目前，加工中心動(dòng)態(tài)特性的研究主要集中于加工中心結(jié)構(gòu)動(dòng)力分析和加工中心結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì) 。加工中心固有動(dòng)態(tài)特性主要包括固有頻率、模態(tài)振型等，其中固有頻率對(duì)加工中心抗振性能、加工效率有著顯著影響，是加工中心動(dòng)力分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)的重要組成部分。加工中心基礎(chǔ)大件包括床身、工作臺(tái)、立柱、滑鞍、主軸箱，基礎(chǔ)大件的設(shè)計(jì)是加工中心設(shè)計(jì)的重中之重。在眾多影響基礎(chǔ)大件設(shè)計(jì)的因素中，基礎(chǔ)大件的質(zhì)量與加工中心的固有頻率密切相關(guān)，是影響加工中心性能的關(guān)鍵因素。基礎(chǔ)大件質(zhì)量分布不合理會(huì)導(dǎo)致加工中心剛度分布不均勻，進(jìn)而影響加工中心的加工性能。由于傳統(tǒng)加工中心設(shè)計(jì)方法主要沿用靜態(tài)設(shè)計(jì)方法，采用理論力學(xué)、材料力學(xué)對(duì)加工中心部件進(jìn)行強(qiáng)度和剛度設(shè)計(jì)，通常賦予加工中心結(jié)構(gòu)較大的安全系數(shù)，導(dǎo)致加工中心結(jié)構(gòu)尺寸和質(zhì)量過(guò)大，影響加工中心的動(dòng)態(tài)性能。 國(guó)內(nèi)外學(xué)者和研宄機(jī)構(gòu)對(duì)加工中心的動(dòng)態(tài)特性開展了大量的研究。例如：文獻(xiàn)[5]采用有限元方法建立了加工中心動(dòng)力學(xué)模型，運(yùn)用廣義模態(tài)函數(shù)和廣義剛度場(chǎng)函數(shù)分析了加工中心動(dòng)態(tài)特性隨工作空間變化的規(guī)律，在一定程度上優(yōu)化了加工中心的加工工藝；文獻(xiàn)[6]考慮了加工中心結(jié)合面對(duì)加工中心動(dòng)態(tài)特性的影響，優(yōu)化了加工中心結(jié)合面的薄弱環(huán)節(jié)，提高了加工中心的動(dòng)態(tài)特性；文獻(xiàn)[7]提出了一種將響應(yīng)面模型和多目標(biāo)遺傳算法相結(jié)合的設(shè)計(jì)方法，對(duì)加工中心立柱參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)；文獻(xiàn)[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(yīng)用該模型分析和預(yù)測(cè)了加工中心部件位置變化對(duì)固有頻率的影響。但是，這些方法沒(méi)有有效地將加工中心動(dòng)態(tài)特性與基礎(chǔ)大件質(zhì)量相關(guān)聯(lián)，沒(méi)有將基礎(chǔ)大件的質(zhì)量作為設(shè)計(jì)變量進(jìn)行加工中心方案設(shè)計(jì)，也沒(méi)有涉及基礎(chǔ)大件質(zhì)量對(duì)加工中心動(dòng)態(tài)性能的影響規(guī)律，因此，有必要對(duì)加工中心基礎(chǔ)大件的質(zhì)量進(jìn)行主動(dòng)設(shè)計(jì)。 本文提出一種在加工中心結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)之前的加工中心整體方案設(shè)計(jì)方法，用于在概念設(shè)計(jì)階段合理分配加工中心基礎(chǔ)大件的質(zhì)量。首先，利用集中參數(shù)法建立加工中心動(dòng)態(tài)特性的等效模型，使用拉格朗日方程建立加工中心的動(dòng)力學(xué)方程，求解出加工中心一階固有頻率與加工中心基礎(chǔ)大件質(zhì)量的隱式關(guān)系，進(jìn)而對(duì)加工中心的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行分析；然后，對(duì)加工中心一階固有頻率和基礎(chǔ)大件質(zhì)量進(jìn)行中心組合試驗(yàn)設(shè)計(jì)，運(yùn)用響應(yīng)面分析方法中的二次多項(xiàng)式擬合得到加工中心一階固有頻率與加工中心基礎(chǔ)大件質(zhì)量的顯式關(guān)系，并以該響應(yīng)面模型作為優(yōu)化設(shè)計(jì)的目標(biāo)函數(shù)，以機(jī)床基礎(chǔ)大件質(zhì)量的上、下限為約束條件，使加工中心的一階固有頻率達(dá)到******，對(duì)加工中心基礎(chǔ)大件質(zhì)量進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)；最后，運(yùn)用該方法完成了對(duì)TGK46100精密坐標(biāo)鏜床基礎(chǔ)大件質(zhì)量的優(yōu)化設(shè)計(jì)。備注：為保證文章的完整度，本文核心內(nèi)容都PDF格式顯示，如未有顯示請(qǐng)刷新或轉(zhuǎn)換瀏覽器嘗試！結(jié)束語(yǔ)： (1) 本文建立了加工中心動(dòng)態(tài)特性的集中參數(shù)等效動(dòng)力學(xué)模型，利用該模型能夠快速地對(duì)加工中心進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析，計(jì)算效率高。構(gòu)建了加工中心一階固有頻率與加工中心基礎(chǔ)大件質(zhì)量的二次多項(xiàng)式響應(yīng)面模型，利用該模型完成了加工中心基礎(chǔ)大件質(zhì)量的優(yōu)化設(shè)計(jì)，在提高加工中心動(dòng)態(tài)性能的基礎(chǔ)上，優(yōu)化了基礎(chǔ)大件的質(zhì)量分布，實(shí)現(xiàn)了加工中心的輕量化設(shè)計(jì)。 (2) 根據(jù)本文方法，通過(guò)精密坐標(biāo)鏜床基礎(chǔ)大件質(zhì)量?jī)?yōu)化設(shè)計(jì)實(shí)例，驗(yàn)證了該模型的正確性和有效性。質(zhì)量?jī)?yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果與原始設(shè)計(jì)方案相比，一階固有頻率最高值提高了 3.86%，基礎(chǔ)大件總質(zhì)量******值減小了 9.3%。從優(yōu)化結(jié)果可以看出，本文方法實(shí)現(xiàn)了加工中心基礎(chǔ)大件質(zhì)量的優(yōu)化設(shè)計(jì)。本文的研究可以為加工中心基礎(chǔ)大件質(zhì)量的優(yōu)化分布設(shè)計(jì)提供參考，但是對(duì)加工中心結(jié)合面的處理方法比較簡(jiǎn)單，有待后續(xù)深入研宄。同時(shí)本文提出的加工中心基礎(chǔ)大件質(zhì)量?jī)?yōu)化方法只是針對(duì)加工中心整體設(shè)計(jì)方案的，而后續(xù)的加工中心基礎(chǔ)大件結(jié)構(gòu)詳細(xì)設(shè)計(jì)方法對(duì)加工中心性能的提升也至關(guān)重要