基于灵敏度分析的机床床身多目标优化研究.pdf

第 3期 2 0 1 5年 3月 组 合 机 床 与 自动 化 加 工 技 术 M o du l a r M a c h i n e To o l＆ Au t o ma t i c M a n uf a c t u r i ng Te c h ni q u e No． 3 M a r ．2 01 5 文章编号 1 0 0 1 2 2 6 5 2 0 1 5 0 3 0 0 0 1 0 4 D O I 1 0 ． 1 3 4 6 2 ／ j ． c n k i ． mm t a mt ． 2 0 1 5 ． 0 3 ． 0 0 1 基于灵敏度分析的机床床身多 目标优化研究 术 刘成颖h ， 谭 锋 ， 王立平h ， 岫 1 ． 清华大学 a机械 工程系； b ． 精密超精 密制造装备及控制北京市重点实验室， 北京 1 0 0 0 8 4 ； 2 ． 电 子科技大学 机械 电子工程学院， 成都 6 1 】 7 3 1 摘要 为了找到对某卧式加工 中心床 身结构性 能影响较 大的尺寸参数 ， 对床身结构尺寸进行灵敏度 分析 ， 确定了对床 身质量及一阶固有频率灵敏度较大的尺寸参数。以灵敏度较大的尺寸参数作为设 计 变量 ， 考虑床 身的质量及一阶 固有频率 ， 利 用响应面法对床身进行 多目标优化求解， 得到 了一组最 优的尺寸参数。对优化后的床身结构进行有限元分析 ， 结果表明， 优化后的床 身质量减轻 了 1 7 1 k g ， 并且其静、 动力学性能得到 了明显改善。对优化前后 的整机进行谐响应分析 ， 发现参考点的最 大振 幅得到 了大幅下降， 极大地改善 了机床的动 态性能。 关键词 灵敏度； 机床床身； 多目标优化 ； 动态性能 中图分类号 T H1 1 3 ； T G 6 5 文献标识码 A R e s e a r c h o n Mu l ti - o b j e c t i v e Op ti mi z a ti o n o f Ma c h i n e B e d B a s e d o n S e n s i t i v i t y A n a l y s i s L I U Ch e n g y i n g ’ ． TAN F e n g ， W ANG Li p i n g ’ 1 a ． D e p a r t m e n t o f M e c h a n i c a l E n g i n e e r i n g I b ． B e i j i n g K e y L a b o f P r e c i s i o n ／ U l t r a p r e c i s i o n M a n u f a c t u r i n g E q u i p me n t s a n d C o n t r o l ， T s i n g h u a U n i v e r s i t y ，B e i j i n g 1 0 0 0 8 4 ， C h i n a ； 2 ． T h e S c h o o l o f Me c h a t r o n i c s E n g i n e e r i n g ， U n i v e r s i t y o f E l e c t r o n i c a n d T e c h n o l o g y o f C h i n a ， C h e n g d u 6 1 1 7 3 1 ， C h i n a Ab s t r a c t To fin d t h e s i z e s wh i c h l a r g e l y i mp a c t t he p e r f o r ma n c e o f a h o riz o n t a l ma c h i n i n g c e n t e r b e d s t r u c t u r e，t h e s e n s i t i v i t y o f i t s s t r u c t u r e s i z e s a r e a n a l y z e d．Th e s i z e s wh i c h l arg e l y i mp a c t the ma s s a n d fir s t n a t u r a l fr e q u e n c y o f the b e d a r e d e t e r mi n e d ．T a k i n g t h e s e s i z e s a s d e s i g n v a r i a b l e s ， t h e mu l t i o b j e c t i v e a b o u t i t s ma s s a n d fir s t n a t u r a l fre q u e n c y are c o ns i d e r e d．An o p t i ma l s e t o f s i z e pa r a me t e r s a r e g o t t e n b y r e s p o n s e s u rfa c e me t h o d o l o g y．F i n i t e e l e me n t a n a l y s i s r e s u l t s d e mo n s t r a t e t h a t t h e ma s s o f the o p t i mi z e d b e d i s r e d u c e d b y 1 7 1 k g ，a n d i t s s t a t i c ／d y n a mi c p e rfo rm a n c e h a s b e e n s i g n i fic a n t l y i mp r o v e d ．Fr o m h a r mo n i c r e - s p o n s e a na l y s i s r e s u l t s o f t h e ma c h i n e t o o l ，the ma x i mu m a mp l i t u d e o f t h e r e f e r e n c e p o i n t ha s b e e n s i g n i fi c a n t l y d e c r e a s e d，a n d the d y n a mi c p e r f o rm a n c e o f t h e ma c h i n e t o o l a r e g r e a t l y i mp r o v e d． K e y w o r d s s e n s i t i v i t y ； ma c h i n e b e d ； mu l t i o b j e c t i v e o p t i m i z a t i o n ； d y n a m i c p e r f o r ma n c e O 引言 床身作为机床整机的重要结构件之一 ， 其作用在 于支撑工作台， 连接立柱等关键零部件 ， 同时承受机床 静载荷以及在加工时产生的切削负载。床身静 、 动力 学性能的好坏直接影响整机的加工性能， 因此有必要 对床身结构进行优化 。 目前 ， 针对 床身的优化多数学者 只停 留在对结 构 的单件进行分析及优化 ， 并且优化时只考虑床身 的单一性能 ， 缺乏对床身结构性能 的多 目标优化 ， 更 缺少对床身优化后 的整机进行深入分析 。在床 身结构优化 方法的研究 中， 基于元结构优化设计 的应用较多 ， 但大多学者都是利用 元结构进行床身 结构的设计 ， 没有在此 基础上进行 更深入地优化与 分析 。尺寸灵敏度分析及 优化作为一种 有效 的 结构优化手段 ， 在床 身的结构优 化设计 应用 中已 日 益广泛[ 7 -9 3 。床身结构通常较为复杂 ， 可优化 的尺寸 参数较多， 采用灵敏度分析时 ， 参数过多会使得计算 量加大， 参数较少有 可能找不 到对 结构性能影响较 大的尺寸参数 ， 使得结构的性能改善不明显。因此， 尺寸参数的选取对提高计算效率以及有效地改善结 构性 能 至关重要 。 本文以某卧式加工 中心的床身结构为优化对象 ， 采用尺寸灵敏度分析法找出对床身质量 、 一阶固有频 收稿 日期 2 0 1 4 0 72 2 基金项 目 ” 十二五” 国家科技支撑计划项 目 2 0 1 2 B A F 0 1 B 0 2 作者简介 刘成颖 1 9 6 0 一 ， 女 ， 辽宁大连人 ， 清华大学副教授 ， 研究方向为超精密加工工艺与装备、 精密驱动与控制 、 C A D ／ C A M ／ C A P P， E ma i l l i u c y t s i n g h u a ． e d u ． c n。 组合机床与 自动化 j n - r 技术 第 3期 优化后的床身结构与原始床身结构前六阶固有频 率结果如表 3 所示 ， 床身前六阶固有频率均得到了不 同程度的提高， 实现了床身单件动态性能的改善。 表 3 床身优化前后前六阶固有频率 阶次频率 H z 一 二 三 四 五 六 原始床身 2 0 4 ． 6 1 2 2 3 ． 8 2 4 9 ． 1 6 2 6 7 ． 1 2 2 8 8 ． 2 1 3 0 2 ． 5 1 优化床身 2 1 5 ． 1 3 2 2 9 ． 5 8 2 6 5 ． 6 0 2 8 4 ． 6 9 2 9 0 ． 0 7 3 1 3 ． 5 1 改变量 5 ． 1 ％ 2 ． 6 ％ 6 ． 6 ％ 6 ． 6 ％ 0 ． 6 ％ 3 ． 6 ％ 注 其中“一” 表示降低 ， “” 表示提高 。 3 ． 2 床身优化后整机的验证 机床在加工过程中， 由于动态切削力的影响， 使得 刀具与工件之间的相对位置发生变化， 从而影响机床 的加工精度。通过在机床主轴的三个方向上各施加幅 值为 2 5 0 0 N， 频率为 0～ 2 0 0 H z的简谐力， 测量主轴头 底端参考点的位移频率曲线来反映优化前后机床的动 态性能。参考点在机床三个坐标方向上的振幅如图7 所示， 从图中可看出， 优化后的整机在三个方 向上的振 幅得到了明显的减小 ， 说明优化后 的床身结构较大的 改善 了机床整机 的动 态性能 。 频率 H z f b y方向 频率 Hz c Z 方向 图7 床身优化前后整机位移频响曲线 4 结论 1 通常结构的外形尺寸对其 固有频率影 响较 大， 当床身外形尺寸不便发生改变时， 可将床身 的盖板 厚度作为优化设计变量； 结构振型 中振动较大的部位 尺寸对其固有频率影响也较大， 这些尺寸也应该作为 优化设计 变量 。 2 多 目标优化能够实现床身质量的减轻 同时又 提高床身的静、 动态性能 ， 通过灵敏度分析确定对床身 性能影响较大的参数进行优化可减小计算量 ， 提高优 化效率。 3 机床结构件优化不能 只考虑单件的性能， 更 应该 考虑优化后结 构对整机性能 的影响 。 [ 参考文献 ] [ 1 ]王富强 ， 芮执元， 雷春丽． 基于元结构的精密机床床身结 构动态分析和优化[ J ] ．机械设计， 2 0 1 2 ， 2 9 5 9 3 9 6 ． [ 2 ]李小彭， 赵志杰， 聂慧凡， 等．某型数控车床床身的模态 分析与结构 优化 [ J ] ．东 北大学 学报， 2 0 1 1 ， 3 2 7 98 9991 ． [ 3 ]章 婷．基于有 限元法的锻压机床床身结构优化设计 [ J ] ．锻压技术 ， 2 0 1 0， 3 5 6 7 5 7 7 ． [ 4 ]张学玲． 基于广义模块化设计的机械结构静、 动态特性分 析及优化设计 [ D] ． 天津 天津大学 ， 2 0 0 1 ． [ 5 ]杨常青 ， 胡 亚辉 ， 胡小 民．基 于元结 构的加工 中心立柱动 态优化设计[ J ] ．组合机床及自动化加工技术， 2 0 1 3 2 4 6． [ 6 ]陈 涛 ， 李连波， 潘中强．基于有限元分析的数控铣床床身 的优化设计[ J ] ．制造业自动化， 2 0 1 3 ， 3 5 1 0 2 2 2 4 ． [ 7 ]邢 晓辉 ， 王洪川 ， 王贵 飞 ， 等．基 于灵 敏度 分析 的数控 机 床床身尺寸优化设计[ J ] ．组合机床及自动化加工技术， 2 0 1 3 1 1 6 7 ． [ 8 ]杨勇， 张为民， 李鹏忠．基于动态灵敏度分析的数控机床 床 身结 构 优化 设 计 [ J ] ．机 械设 计 ， 2 0 1 1 ， 2 8 9 5 0 5 2． [ 9 ]郭垒， 张辉， 叶佩青， 等．基于灵敏度分析的机床轻量化 设计[ J ] ．清华大学学报， 2 0 1 1 ， 5 1 6 8 4 68 5 0 ． [ 1 0 ]姜衡， 管贻生， 邱志成， 等．基于响应面法的立式加工中 心动静 态多 目标优化 [ J ] ． 机械工程学报 ， 2 0 1 1 ， 4 7 1 1 1 2 51 3 3 ． 编辑李秀敏 ，’’’ ’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’ ’ ’’’’’’、 2 申请优先审稿须知 2 为 振兴 我国 机械 装备 制造 业， 弘 扬民 族科 学文 化精 神， 提升期刊 质量， 本 刊从即日 起， 凡是符 合本刊报 道范围且同时 受到“ 国家8 6 3 计划 资助 项目 ” 、 “ 国 家自 然 科学基金 资助项目 ” 、 “ 国 家重 点科技攻 关资 助项目 ，， 等国 家 级基 金资 助项目 的原 创论文， 可申 请 优先审稿， V 2 ～经录 用， 优 先发 表， 欢迎 业内 人事、 专 家、 学者 踊 跃投稿 来 稿 注明 “ 优 先审 稿” 字 样 。 V 2 注 1 - 本 刊正 常审 稿时 间 一般 为一 个月， 优 先审 稿时 间为1 5 2 0 天； 2 ． 本 刊正 常 发表文 章 周期为 来 稿后7 1 0 个月， 优 先发表 文章周 期 为7 9 个月 。 本 刊编 辑部 t I I I I II t ‘ l‘ I‘ l t t l I I I I It l I ‘ I I tt I I I I ‘ l I‘ I ‘