机床部件减重优化设计方法

   机床行业是国家工业振兴的基本。机床是加工机器的机器由若干部件装配而成,研究机床部件尤其是运动部件改进设计方法是提高机床工作性能一个重要研究方向。 目前机床运动部件设计方法的核心问题为减重优化。减重优化即在理论指导下合理配置部件材料布局,保证精度的前提下减轻部件重量,从而使机床实现节能低耗并 提高机床加工效率,顺应现今机床发展趋势。

   (1)阐述结构与材料统筹优化设计方法改进案例中工作台的外形与原理。简化工作台设计细节 并建立分析模型。并以该分析模型对原有工作台结构进行静力分析、模态分析。研究数值仿真分析结果表明：工作台在静力作用下以Z方向的位移为主；其的一二阶 模态对精度有不良影响。

  (2)从结构与材料统筹设计方法出发,同时借鉴泡沫夹层板结构形式,提出以“广义泡沫夹层板”形式的统筹优化方法来实现工作台减重 优化设计。从设计原则、整体设计、内部加筋设计、工艺结构设计、工艺流程设计五个方面详细阐述了运用结构与材料统筹设计方法进行工作台减重优化的过程。对 改进的工作台模型进行静力分析、模态分析、阻尼分析并将分析结果与上文中原模型分析结果进行对比。分析表明：静力分析结果指出改进的工作台在静力性能上与 原工作台基本一致；模态分析结构表明原模型中对加工精度产生不良影响的一阶模态的消失,其余模态的模态频率有所提升。于此同时,新设计方案使机床工作台减 重15.6%。从而证明材料与结构统筹设计方法能实现减重优化,并且可运用于实际工业设计中。

  (3)提出一个优化设计的新问题：假设机床安装有数控补偿装 置(CNC Compensation System),机床运动部件可不必追求高刚度设计,在满足必要的结构刚度前提下适当放松刚度要求,转而要求某关键区域内位移趋于均匀,从而使数控补偿装 置容易进行误差补偿。对机床运动部件的刚度要求降低材料的用量变少从而实现减重优化设计。为定量描述关键区域内位移趋于均匀化程度,本文提出一个新的优化 概念,即最小位移离散度(Displacement Dispersion Optimization简称DDO)。对位移离散度优化的多个算例展开了讨论,本文讨论的算例有对一维悬臂梁、一维两端固支粱、二维四端固支板以及二维 两端固支小宽度深梁。分析位移离散度优化算例,发现位移离散度优化结果有以下若干结论。

   ①与结构刚度优化相比位移离散度优化有放松结构刚度提高区域位移变 化平稳程度的效果；

   ②优化设计区域一定时,位移离散度优化设计结果在不考虑结构深度(厚度)情况下,对称结构的优化结果仅与载荷等效作用点有关,与载荷作 用范围无关；

   ③优化设计区域的选定对优化结果影响非常大,合理选择优化设计区域可得到良好的优化设计结果；

   ④当用位移离散度优化有深度的结构时,可纵深选 择更大的优化设计区域使优化结果更加合理,等等。

   (4)本论文将工作台模型用拓扑优化手段分别以最大刚度、位移离散度以及两者的混合目标进行优化求解,并 了对比分析。分析结果表明位移离散度优化目标可以像最大刚度优化目标一样被运用于三维拓扑优化,实现结构减重。