基于hyperworks机床立柱结构的优化设计.pdf

l lI5 化 基于h y p e r w o r k s 机床立柱结构的优化设计 The m achi n e t ool col um n s t r uct ur e opt i m i z at i on des i gn based on t h e h yper w or k s 安永乐，李东波，徐良凯 AN Y o n g - l e ， L l Do n g - b o ， XU L i a n g ． k a i 南京理工大学 机械工程学院，南京 2 1 0 0 9 4 摘 要 机床立柱是机床重要的结构件之一，对机床各方面工作性能与指标起着决定性作用。本文针对 某一型号攻钻机床的立柱通过h y p e r wo r k s 对其结构优化，应用c a t i a 软件将优化结果重新建 模 ，并且采用a b a q u s 软件对重新建模的结构进行分析验证。与优化前的结构相比，立柱的静 刚度和动刚度提高的同时降低了其质量，为机床后续改进奠定基础。 关键词 立柱；h y p e r wo r k s ；结构优化；A B AQ U S 中图分类号 T H 1 6 文献标识码 B 文章编号 1 0 0 9 -0 1 3 4 2 0 1 3 0 9 下 - 0 0 0 9 -0 3 D o i 1 0 ． 3 9 6 9 ／ J ． i s s n ． 1 0 0 9 - 0 1 3 4 ． 2 0 1 3 ． 0 9 下 ． 0 4 0 引言 机床 是现 代基 础制造业 中不可或缺 的机加工 设备 ，立柱作为机床重要部件之一 ，其 结构 的合 理 性将 影 响实 际 的加工 质 量 。通常 立柱 上设 有 主轴箱和刀库 系统 ，导致立柱承受一定 的弯 曲力 矩 ，因此通过对立柱进行静 、动态分析 ，改善其 结构，对提高机床 的加工精度具 有重要意义n 】 。 目前 国内对机床立柱优化分析 的结果主要集 中在 增加壁厚 、筋板厚度 以及 改变筋板布局来提高其 静和动 态性能 ，导致立柱质量增加 】 。本文通过 h y p e r wo r k s 对某一型号攻钻机床立柱进行拓扑优 化 ，得到 一种新型立柱结构 ，与优化前的结构相 比，立柱的静 刚度和动刚度提高的同时降低了立柱 质量，为机床立柱的设计提供一定的理论依据 。 1 原机床立柱的有限元分析 本文应用a b a q u s 软件对原机床立柱进行有限元 分析 ，得到优化前结构的基频率 ，立柱最大静 态 位移 们 。 1 ． 1 几何模型的建立 立柱结构复杂 ，在不影 响分析精 度的情况下 去除原立 柱的圆角、凹槽和安装孔等几何特征， 通过s o l i d wo r k s 对立柱进 行建模 ，其结构如 图1 、 图2 所示。 1 ． 2 有 限元模型的建立 1 ． 2 ． 1材料特性 将s o l i d wo r k s 中建立的模型导入AB AQUS 有限 元分析软件，立柱的材料采用HT 3 0 0 ，查阅手册材 庶 廛 图1 立柱整体结构 图 图2 立柱剖面图 料密 度P7 ． 2 1 0 。 ／ m ， 弹性模量 E 1 3 5 0 0 0 MP a ，泊松 比v 0 ． 2 7 。查询质量可得到 质量为0 ． 5 2 6 T。通过设置对立柱进行模态分析得到 其基频特性 ，对立柱进行静力分析得到其静 态变 形 特性 。 1 - 2 _ 2边界条件的设置 立柱通过 底面的螺钉 固定在床身上 ，在进行 分 析 时约束 底 面 的六个 自由度 即可 。需要 施加 的力包括刀库重 力 ，主轴箱重 力，切削力T。通 过s o l i d wo r k s 软 件计算得 到刀库重力为2 0 0 Kg ， 主轴箱重 力为 1 6 5 Kg ，刀库重心到立柱端面距离 L 5 5 0 mm，Z 轴结构 到立柱端面距离H 4 0 0 mm。 对于切削力T，可通过以下公式计算 其中P 5 ． 5 K W， 0 ．9 7 ，n 4 0 0 0 r ／ m i n ， 算得T1 3 N m 。建模 时并 不将 刀库 和主轴 箱 画 出，用参考点表示这些实体的质心，将 力施加在 参考点上 ，参考点与相关面耦合进行分析。 收稿日期2 0 1 3 - 0 5 - 2 3 作者简介安永乐 1 9 8 8一，男，山东德州人，硕士研究生，主要从事机械设计和限元分析方面的学习和研究。 第3 5 卷第9 期2 0 1 3 0 9 下 [ 9 1 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 务I 匐 似 来 回运行 绕线孔绕线6 次后绕把完成 ，从而完 成一个绕把动作。该过程用时1 0 秒。 3 剪断 。 剪刀架上剪断机构将线把剪断 由 剪 刀后面带的气缸驱动 ，同时剥线头 和剥线尾 机构将线把的线头和线尾的绝缘皮剥去 。该过程 用 时0 ． 5 秒 。 4 捆 线 。绕线杆 左移到捆 线位置 ，开 始捆 线，当两个绕线钩 同步旋转5 圈后，捆把结束。捆 线完成后绕线杆继续左移至左停止位置 。该过程 用 时2 秒 。 5 取把 、放把 。剪刀架回退到机器启动前剪 刀架的初始位置 ，剥皮刀架 回退到机器启动前剪 刀架的初始位置 。机架上顶出气缸缩 回让机械手 前进至取把位 ，取线夹夹线后顶 出气缸推出，让 机 械手退 回。取线夹放把 ，脱把完成、成品绕把 自动掉入箱 内。该过程用时2 秒。 通过数值仿真分析 。我们在产品研 发过程 中 准确地掌握 了电雷管脚 线 多发 绕把机 系统动 力学及运动学特性，对于整个 系统的优化设计 、 故障诊断与预测试验结果发挥了重要作用 ，实现 了产品的动 态优化设计 。以此为依据 ，我们编制 了绕 把机整机的P L C控制程序， 有效地实现了绕 把机设计性能 。产 品采用多发 多工位 绕把 ， 提高 了生产效 率，改善 了操作工人的手工操作局 面 ，大幅 节省 了人力 。开发 的机型 是 1 5 工 位绕 把 ，单机生产能力达 U 8 o o 万发／ 年， 相当于瑞典戴 尔诺贝尔公司 同类设备产能 的六倍。而价格却不 到进 口设备的五分之一。该机实用性 强，填补 了 我国绕制电雷管用8 字型脚线绕线机 的空白。 参考文献 [ 1 ]袁士 杰， 吕哲勤． 多刚体 系统动力学【 M】 ． 北京 北京理工大 学出版社 ， 1 9 9 6 ． 【 2 】袁兆鼎， 费景高， 刘德贵． 刚性常微分方程初值问题的数值 解法【 M】 北京 科学 出版社， 1 9 8 7 ． [ 3 】李庆扬， 王超能， 易大义 ． 数值分析 第3版 【 M】 武汉 华中 科技 大学出版社， 1 9 8 6 ． 【 4 】彼得 ‘ 艾伯哈 特， 胡斌 ． 现 代接触动 力学【 M】 ． 南京 东 南大 学 出 版社 ， 2 0 0 3 ． 矗I 矗‘ 盘● 矗‘ 矗‘ 盘‘ 也． 蠢‘ 蠡‘ 茈● 盘‘ 也． ＆‘ 童● 盘I {盘● 蠡‘出． 盘‘ 蠡‘ 盘‘ {矗I 蠢‘ 【 上接第 1 0 K 】 得到结果如图1 3 、图1 4 所示，由分析结果 可知 ， 优化后模型静态最大位移为0 ． 0 2 0 1 6 mm，比优化 前的降低6 2 。优化后的基频为1 4 5 ． 2 3 H Z，比优 化前 提高8 ． 6 ％。查 询质量得到 优化后 的质量为 0 ． 4 2 8 T，质量减轻 1 8 ． 6 ％。通过 以上对 比可得 出 优化后的立柱结构不仅静刚度和动刚度得到 了提 高，同时也降低了其质量。 图1 3 优化后静态结果图 图1 4 优化后模态结果图 5 结束语 本文通过h y p e r wo r k s 软件对原立柱模型进行拓 扑优化 ，并通过c a t i a 软件重新建模 ，得到一种新 型拓 扑结构的机床立柱，通过优化前和优化 后结 果对 比得 出，立柱质量减轻的 同时 ，其静 刚度和 动 刚度都提高了，说 明此结构的改进方案合理可 1 1 4 1 第3 5 卷第9 期2 0 1 3 - 0 9 下 行 。本文的思想对机床立 柱的优化设计提供 了一 种不同于 以往 的研究方式 ，为开拓机 床设计领域 具有一定的意义 。 参考文献 【 1 】朱林波， 樊利军， 杨 奇俊 ， 邱志惠， 洪军． 基于AN S YS 的磨齿 机立柱结构优化 【 J ] _ 机床与液压， 2 0 1 1 ， 3 9 1 3 9 1 9 5 ． [ 2 】张功 学， 张宁 宁， 吕玉清 ． 基 于Wo r k b e n c h 静 刚度分 析的 D VG 8 5 0 立柱优化设计【 J 】 _ 机床与液压， 2 0 1 l ， 3 9 1 6 2 6 5 ． [ 3 】杨 明亚 ， 杨 涛， 汤本金， 阴红， 杨颖 洁， 周永 良， 卢灿举． 机床 立柱动态特性 的分析【 J 】 ． 机械制造与 自动化， 2 0 0 7 ， 3 6 1 2 9 31 ． [ 4 ]饶柳生， 侯亮， 潘勇军． 基于拓扑优化的机床立柱筋板筋板 改进【 J J _机械设计与研究， 2 0 1 0 ， 1 8 7 9 1 ． 【 5 】杨永彬， 陈五一， 赵大海． 机床立柱高比刚度结构仿 生设计 【 J 】 ． 北京航空航天 大学 学报， 2 0 0 8 ， 3 4 9 9 9 1 9 9 4 ． [ 6 】石亦平， 周玉蓉． AB AQ US 有限元分析实力详解[ M】 ． 北京 机械工业 出版社， 2 0 0 6 2 8 0 3 0 1 ． 【 7 】 Ri c h a r d s o n J N， F i l o me n o Co e l h o ， Ad r i a e n s s e n s S． Ro b u s t t o p o l o g y o p t i mi z a t i o n of 2 D a n d 3 D c o n t i n u u m a n d t r u s s s t r u c t u r e s u s i n g a s p e c t r a l s t o c h a s t i c f i n i t e e l e me n t me t h o d[ C】 ． 1 O t h W o r l d Con g r e s s o n S t r u c t u r a l a n d M u l t i d i s c i pl i n a r y Opt i mi z a t i on ， 201 3， 5 1 9 24． 【 8 】李楚琳 ， 张胜 兰， 冯樱． Hy p e r Wo r k s 分 析应用实例 [ M】 ． 北 京 机械工业 出版社， 2 0 0 8 1 9 9 3 3 0 ． 羹 强 瓣 一 l l 馨 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m