考虑移动载荷变化的机床地脚螺栓布局优化方法.pdf

2 0 1 6年 4月 胡 敏 ， 等 考虑移动载荷变化的机床地脚螺栓布局优化方法 1 5 1 张明 等针对特定几种地脚布局形式下的床身建立动 力学模型 ， 通过地脚螺栓不同布局下床身的固有频率 的对比， 确定出四边形床身的最佳布局形式为六点对 称支承。两种均只是针对几种常用的布局形式进行选 择 ， 对地脚螺栓布局的选择不全面也不系统。同时， 床 身单件的变形和水平轴轴线运动的直线度误差没有直 接关系。同样的， 郭俊康 ] ， 徐弘博Ⅲ 4 ] ， 李明 以及李 赛华 通过对床身结构以及地脚螺栓的数量进行优 化 ， 使床身部分的固有频率和刚度得到提高。但是 ， 这 仅仅是针对床身单件 的地脚螺栓数量的优化， 未将工 作台等移动部件考虑在内。对于支承位置的优化问 题 ， K in g 等提出刚体模型 的支承布局的优 化方法 ， Ma r c e l i n 和 K u l a n k a r a 等提 出采用遗传算法， 将支 承位置面划分为四边形网格 ， 通过将各个节点号编为 二进制码 ， 提取有限元模型的刚度质量矩阵， 利用遗传 算法的复制 、 交叉 、 变异的操作 ， 逐代进化直到满足变 形量最小或是满足进化代数要求。这种算法的优点是 能够随机搜索最优化的布局， 根据设定的遗传代数和 适应度函数的值 ， 得出最优 的布局形式。但求解的最 优值是以耗费计算量为代价的。同时， 其仅以单个零 件的变形作为 目标 函数 ， 也不能考虑地脚优化 中床身 系统重心变化的问题。Wa n g D a l u n _ 】刮等采用灵敏度 分析方法， 通过优化了支承位置 ， 寻得最大系统最大的 固有频率， 此方法可以确定影响模型的输出状态的参 数 ， 在优化中反映为对 目标函数影响最大的特征参数， 通过调节特征参数的值 ， 快速地使 目标函数达到最小 值 ， 节约计算时间 ， 但对一个未知的系统， 无法反映出 系统输出与输入的关系， 不宜分析其特征参数的灵敏 度 ， 即使有的系统输出输入关系已知 ， 得出的优化解很 可能陷入局部最优解 的范畴 ， 因此不适用于床身这一 具有不同复杂结构的支承结构件。 对此， 本文提出一种机床床身地脚螺栓布局优化 方法 ， 在考虑工作台移动的情况下， 通过改变地脚螺栓 的数量与间距 ， 使得床身水平轴轴线运动的直线度精 度满足工艺规定 的要求。在此基础上， 将该方法应用 于某卧式加工中心， 结果表明， 对地脚螺栓布局进行优 化后， 床身水平轴轴线运动 的直线度误 差 由原来 的 9 ． 8 m减小到 6 ． 2 2 g m， 直线度误差在原来基础上减 小了3 6 ． 9 ％。该方法可有效降低水平轴轴线运动的 直线度误 差。 1 床身地脚螺栓布局优化 方法 1 ． 1 地脚螺栓布局优化原理 将工作台部件在床身导轨上运动的运动过程 ， 看 成工作台在床身导轨上的若干静止位置， 设共 s 个静 止位置。在每个位置处进行重力作用下的有限元仿真 分析 ， 提取工作台上表面几何中心点的变形量数据 ， 则床身水平轴轴线运动 的直线度误差 6按式 1 进行 计算 6m a x 6 一mi n 占 1 其中， i 1 ， 2 ， 3 ⋯⋯s 地脚螺栓布局优化问题可用下列方程表达 优化 目标 Mi n 6 士 f0 ≤ ≤ 约 束 条 件 J “ ≤ 式中 地脚螺栓中心的 向坐标值 ； y 0 地脚螺栓 中心的 y向坐标值； 床身长度 ； 一 床身宽度 ； m 地脚螺栓在长度方向的数量； n 地脚螺栓在宽度方向的数量； 如图 1 所示 ， 是常见的矩形床身地脚螺栓布局图。 该 例 中 ，m 7 ，n 3 图 1 常见矩形床 身的地脚螺栓布局 机床地脚螺栓的布局， 受很多因素的制约， 如地脚 的布置位置是否有足够的空间来紧固地脚螺栓等 ， 地 脚螺栓的各种约束条件依托现有工人师傅的经验布置 形式 ， 将其作为初始条件， 通过人机交互的形式输入机 床的三维模型、 机床大型支承件 的材料属性及重要安 装基准面的信息 精度要求 ， 其所在位置等 ， 先对机 床本体进行静力学分析 ， 得出重要安装基准面的精度 是否满足输人的精度要求 ， 如果不满足精度要求， 可以 通过优化模块进行地脚螺栓的布局优化。 1 ． 2地脚螺栓布局优化流程 床身地脚螺栓布局优化流程如图 2所示。 J 整机的 l l 大型支承件l l重要安装基I I 现有地 三维模型l 1 的材料属性I l准面的信息l 1 的布』 l l l 进行有限元网格划 分、加载 、分析 对比重要 安装基准面的精度是否达 f优 到要求 ，保存其变形结果 否 地脚螺栓布局形式 图2 地脚螺栓布局优化流程 床身地脚螺栓布局优化时， 需要导入整机的三维 模型 ， 赋予三维模型材料属性 ， 同时， 需要输入重要安 装基准面的信息 ， 包括基准面的个数 、 各基准面的位 2 0 1 6年 4月 邱 慧， 等 高速切 削G C r l 5切 削力的仿真与实验研究 1 5 7 削过程进行仿真， 得出切削参数对切削力的影响规律， 发现切削力随着切削速度、 切削深度和进给量的增加 总体上呈上升趋势。 2 通过对模拟结果分析获得了 P C B N刀具高速 切削 G C r 1 5最佳切削参数 切削速度为 1 5 0 m ／ m i n ， 切 削深度为0 ． 1 m m， 进给量为 0 ． 1 m r rr 。 3 切削实验表明， 在切削深度和进给量不变的情 况下 ， 不同切削速度下的切削力模拟值与实验值变化趋 势是一致的， 并且其误差不超过 1 0 ％， 进一步验证了使 用 D e f o r m软件建立有限元模型并对切削过程进行仿真 可以准确模拟 G C r l 5轴承钢的切削加工过程。 [ 参考文献] [ 1 ]J i W， L i u X L ，L i Y F ，e t a 1 ．T h e m e c h a n i s m s o f P C B N t o o l s i n u r n i n g G H 4 1 6 9[ J ] ．A d v anc e d Ma t e ri a l R e s e a r c h ， 2 01 2．5 0 0 7 38 1 ． [ 2 ]朱茹敏， 纪莲清， 刘书锋．基于 D e fo r m- 3 D切削镍基合金 的有 限元仿 真研究 [ J ] ．铸造 技术，2 0 1 2 ， 3 3 1 1 1 3 5 31 3 5 5 ． [ 3 ]P o u l a c h o n G， A l b e a A， S c h l u r a f f M， e t a 1 ．A n e x p e r i m e n - t a l i n v e s t i g a t i o n o f w o r k ma t e ri a l mi c r o s t r u c t u r e e f f e c t s o n w h i t e l a y e r f o r m a t i o n i n P C B N h ar d t u r n i n g [ J ] ．I n t e r n a t i o n - al J o u rna l o f Ma c h i n e T o o l s＆ Ma n u f a c t u rin g ，2 0 0 5， 4 5 2 l 12 1 8 ． [ 4 ]陈涛， 刘献礼．P C B N刀具硬态切削淬硬轴承钢 G C r l 5表 面粗糙度试验与预测[ J ] ．中国机械工程， 2 0 0 7 ， 1 8 2 4 2 9 7 32 9 7 6 ． [ 5 ]R a m e s h A，Me l k o t e S N，A l l a r d L F ，e t a 1 ．A n aly s i s o f w h i t e l a y e r s f o rme d i n h a r d t u r n i n g o f A I S I 5 2 1 0 0 s t e e l [ J ] ． Ma t e ri a l s S c i e n c e a n d E n g i n e e rin g A，2 0 0 5， 3 9 0 8 89 7 ． [ 6 ]吴申峰， 张雪萍．淬硬轴承钢锯齿状切屑形成机理[ J ] ． 上海交通大学学报， 2 0 1 1 ， 4 5 1 7 1 7 7 ． [ 7 ]S h i J ， Wa n g J Y，L I U C R ．Mo d e l i n g w h i t e l a y e r t h i c k n e s s b a s e d o n t h e c u t t i n g p a r a m e t e r s o f h ar d m a c h i n i n g[ J ] ．P r o ． c e e d i n g s o f t h e I n s t i t u t i o n o f Me c h a n i c a l E n gi n e e rs，P a r t B J o u rnal o f E n gin e e r i n g Ma n u f a c t u r e ， 2 0 0 6 ， 2 2 0 1 1 91 2 8 ． [ 8 ]曹永泉， 张弘锼， 董海， 等．P C B N刀具切削淬硬钢 G C r l 5 的磨损实验研究 [ J ] ．中国机械工程，2 0 0 6 ， 1 7 2 1 2 3 0 52 3 0 8 ． [ 9 ]合烨， 王昌赢， 陈小安， 等．硬态车削轴承钢 G C r l 5切屑 形成机理分析[ J ] ．上海交通大学学报， 2 0 1 3 ， 4 7 5 8 0 0 8 0 5 ． [ 1 0 ]P o u l a c h o n G， B and y o p a d h y a y B ．The I n f l u e n c e o f t h e Mi - c r o s t r u c t u r e o f Hard e n e d T o o l S t e e l W o r k p i e c e o n t h e We ar o f P C B N C u t t i n g T o o l s [ J ] ．I n t e rna t i o n al J o u rnal o f Ma c h i n e T o o l s＆ Man u f a c t u r e ，2 0 0 3， 4 3 1 3 91 4 4 ． [ 1 1 ]徐颖强， 李娜娜， 李万钟 ， 等．硬态切削工件表面白层厚 度预测方法[ J ] ．机械工程学报， 2 0 1 5 ， 5 1 3 1 8 21 8 9 ． [ 1 2 ]G P o u l a c h o n ，A M o i s a n ，I S J a w a h i r ．T o o l w e ar me c h a ． n i s ms i n h ard t u rni n g w i t h p o l y c r y s t all i n e c u b i c b o r o n n i t r i d e t o o l s [ J ] ．We ar， 2 0 0 1 ， 2 5 0 5 7 6 5 8 6 ． [ 1 3 ]刘献礼 ， 孟安， 陈立 国，等．硬态干式切削 G C r l 5时的 临界硬度[ J ] ．机械工程学报， 2 0 0 0 ， 3 6 3 1 31 6 ． [ 1 4 ]于灏．高速硬切削 G C r l 5考虑刃 口参数的切削力试验 与仿真[ J ] ．科技创新与应用， 2 0 1 2 2 5 7 ． [ 1 5 ]刘敏， 解宇 ， 刘献礼， 等．淬硬轴承钢高速切削过程的实 验与仿真[ J ] ．制造技术与机床， 2 0 0 6 1 I 1 7 2 0 ． [ 1 6 ]龙震海， 王西彬， 王好臣．难加工材料高速切削过程中 切削力的非线性特征规律析因研究[ J ] ．机械工程学报 ， 2 0 0 6， 4 2 1 3 0 3 4 ． 编辑赵蓉 上接第 1 5 3页 4结论 本文提出了一种地脚螺栓布局优化设计方法 ， 在 考虑工作台移动导致质心变化时 ， 以床身导轨所在轴 的直线度误差为目标函数， 优化地脚螺栓数量和间距。 通过该方法可有效获得机床地脚螺栓布局对床身水平 轴轴线运动的直线度误差间的影响规律， 可全面系统 的寻找最优的地脚螺栓布局方式 ， 以降低床身水平轴 轴线运动的直线度误差。同时， 以某卧式加工为应用 对象， 对地脚螺栓布局进行优化 ， 使得工作台沿导轨移 动的直线度误差由原来的 9 ． 8 5 g m减小到 6 ． 2 2 g i n ， 直 线度误差在原来基础上减小了 3 6 ． 9 ％。该方法能够 为床身地脚螺栓的布局选择提供理论的选择依据。 [ 参考文献] [ 1 ]郭 明飞，刘镇 昌，翁泽宇．磨床床身支承方式 的选择 [ J ] ．机床与液压， 2 0 0 6 1 5 6 5 8 ． [ 2 ]张明， 黄国庆．磨床床身垫铁支撑布置探讨[ J ] ．机械制 造与自动化 ， 2 0 1 0 ， 4 0 5 3 53 6 ． [ 3 ] 郭俊康， 方荣 ， 洪军， 等． 基于有限元分析的拉刀磨床床 身结构优化设计 [ J ] ．组合机床与 自动化加工技 术， 2 0 1 1 1 91 2 ． [ 4 ]徐弘博， 冯虎田， 欧屹．滚动直线导轨寿命试验台床身 结构优化设计 [ J ] ．组合机床与 自动化加工技术，2 0 1 4 1 1 4 21 4 5 ． [ 5 ]李明， 梅若愚， 傅波， 等．基于 A N S Y S Wo r k b e n c h的压力 矫直机 地脚螺 栓优化 [ J ] ．机械 工程 师，2 0 1 1 8 8 68 7 ． [ 6 ]李赛华．新型液压机结构分析与优化设计[ D] ．南京 南 京理工大学 ， 2 0 0 9 ． [ 7 ]K i n g L S B， H u t t e r I ．The o r e t i c a l a p p r o a c h f o r g e n e r a t i n g o p t i ma l fix t u r i n g l o c a ti o n s f o r p ri s ma t i c wo r k p a r t s i n a u t o ma t e d ass e m b l y [ J ] ．J o u r n al o f Manufa c t u ri n g s y s t e m s ，1 9 9 3 ，1 2 5 4 0 9 4 1 6 ． [ 8 ]Ma r c e l i n J ．G e n e t i c s e a r c h a p p l i e d t o s e l e c ti n g s u p p o p o s i - t i o n s i n m a c h i n i n g o f me c h a n i c al p a r t s [ J ] ．T h e I n t e r n a t i o n al J o u rnal o f Ad v a n c e d Manufa c t u rin g T e c h n o l o g y ，2 0 0 1，1 7 5 3 4 4 3 4 7 ． [ 9 ]K u l a n k ara K， S a t y a n ara y a n a S ， Me l k o t e S N ．h e r a t i v e f i x t u r e l a y o u t a n d c l a mp i n g f o r c e o p t i mi z a t i o n u s i n g t h e g e n e t i c al g o r i t h m [ J ] ． J o u m al o f m a n u f a c t u ri n g s c i e n c e a n d e n g i n e e r - i n g ，2 0 0 2，1 2 41 1 9 ． [ 1 0 ] Wa n g D ， J i a n g J ， Z h a n g W． O p t i m i z a t i o n o f s u p p o p o s i t i o n s t o ma x i mi z e t h e f u n d am e n t al e q u e n c y o f s t r u c t u r e s [ J ] ．I n t e rn a t i o n a l j o u r n al fo r n u m e ri c al m e t h o d s i n e n g i - n e e r i n g ， 2 0 0 4 ， 6 1 1 0 1 5 8 41 6 0 2 ． 编辑赵蓉