精密復合式鏜銑加工中心的結構優化
6.3床身的結構優化 6.3.1筋板的布置型式比較床身的原始設計筋板為“井”字型分布，在考慮到不同筋板的布局形式對床 身的靜、動態特性影響，在“井”字型筋板的方形空格內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量，是決定機床靜態特性優良的重要指標，有限元的靜力分析首先是校核材料的屈服強度是否高于******屈服應力，以及靜力分析時******的變形量是否被允許，以******變形量、******應力、質量三個參數為評價條件，數據如表6.4所示。6.3.3筋板布置型式對床身的動態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，所以床身的動態特性也 是床身結構優化的一個關鍵方向，而模態分析中低階模態最能反映出床身的動態 特性[61]。本文以床身的第一階固有頻率及相應陣型來反映床身的動態特性，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振型描 述，且“米”與“X”筋板分布型式的床身模態分析變形云圖如圖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 床身中部向里向內微小擺動 6.3.4基于層次分析法獲取床身結構的最優方案對上述所設計的“井”、“米”與“X”型筋板分布型式的床身進行綜合性能 分析，以靜態特性、動態特性以及質量三個指標對床身進行全面衡量，床身抵抗 彈性變形的能力是由床身的靜態特性所決定的，床身在機床加工過程中抵抗振動 的能力是由床身的動態特性所決定的，而床身的質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量、靜力******變形量、模態一階固有頻率三 個指標作為目標函數，選用層次分析法(AHP)對三種筋板布置方式進行比較，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：總目標層、準則層與方案層[62]。 總目標層為在保證床身具有高的靜動態特性的同時，盡量控制床身質量； HV HV %分別為準則層相對總目標層的權重系數。在保證床身具有良好靜動態特性的前提下，床身質量盡量越小越好，也就是 床身的質量倒數越大越好，給出3種方案的質量倒數矩陣：由式（6-10)可知，方案一的量化指標優于另外兩種方案，所以在基于床身質 量大小控制、靜動態性能優劣的綜合比較，選擇原始的方案一“井”字型作為最 優的筋板布局設計方案。6.3.5筋板厚度對床身的靜動態特性的靈敏度分析為了提高復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，質量盡可能不 發生大的變化。整個優化分析是基于有限元的仿真分析，在筋板厚度尺寸優化時， 提出以下兩種優化方案。1、優化一：優化縱筋板厚度首先對床身的縱向筋板厚度進行優化，初始設計的縱筋板厚度為32mm，選取 的不同筋板厚度所對應的床身特性如表6.6所示，圖6.12為各筋板厚度對結構的 靜力變形和低階陣型頻率的靈敏度示意圖。 表6.6優化床身縱筋板厚度分析結果 Table 6.6 Optimization of machine bed vertical plate thickness analysis results 筋板厚度 質量/t 靜動態特性 /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、優化二：優化橫筋板厚度對床身的橫向筋板厚度進行優化，初始設計的橫筋板厚度為20mm，選取不同 橫筋板厚度所對應的床身特性如表6.7所示，圖6.13為各筋板厚度對結構的靜力 變形和低階陣型頻率的靈敏度示意圖。6.4本章小結本章針對復合式鏜銑加工中心床身結構進行設計與優化，首先根據加工中心 的技術要求確定床身長、寬、高的基本尺寸，然后建立了三種不同筋板布置型式 的床身結構，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 身質量以及靜動態特性的影響，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”字型筋板布局已經具有良好的靜動態特性，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特性的一種重要手段。