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精密復合式鏜銑加工中心的結構優化
閱讀：115 發布時間：2020-8-12 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大屈服應力，以及靜力分析時大的變形量是否被允許，以大變形量、大應力、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 |
| 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、靜力大變形量、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 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，終選取橫筋板厚度為22mm。提升反而下降，因此，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，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。