隨 著 航 空 航 天 飛 行 器、船舶機械以及模具制造等 行 業(yè) 的 迅 猛 發(fā) 展,數(shù)控機床被廣泛應(yīng)用于各種大型復雜空間曲面零件的加工中[1-2]。為 了 滿 足 產(chǎn) 品技 術(shù) 革 新 和 產(chǎn) 業(yè) 升 級 對 機 床 高 速 度、高 精 度、高 效 率的 加 工 要 求,橋式龍門銑床采用工作臺靜止、橫 梁 移動 的 結(jié) 構(gòu) 設(shè) 計 方 案。在 機 床 加 工 過 程 中,橫 梁 作 為主 要 運 動 部 件,不僅要能承受自身和滑枕等關(guān)鍵零部 件 的 重 量,還應(yīng)具有良好的動態(tài)性能以實現(xiàn)機床的 快 速 平 穩(wěn) 運 行。因 此,設(shè)計合理的橫梁結(jié)構(gòu)方案,滿 足 橫 梁 的 靜 動 態(tài) 性 能 要 求,并實現(xiàn)橫梁的輕量化設(shè) 計,對 機 床 整 機 性 能 的 提 高 至 關(guān) 重 要。
近年來,隨著有限元分析技術(shù)的不斷發(fā)展和完善,機床部件的設(shè)計已逐步從傳統(tǒng)的經(jīng)驗設(shè)計轉(zhuǎn)向基于計算機虛擬 建 模 及 仿 真 分 析 的 結(jié) 構(gòu) 優(yōu) 化 設(shè) 計。孫芹等[3]采用基于變密度法的拓撲優(yōu)化設(shè)計方法,調(diào)整橫梁筋板布置,提 高 了 橫 梁 的 結(jié) 構(gòu) 剛 性,實 現(xiàn) 了 橫 梁的輕量 化 設(shè) 計。龐 錦 平 等[4]采用模糊綜合評價法、TOPSIS(techniquefororderpreferencebysimilaritytoanidealsolution)法 和 灰 色 關(guān) 聯(lián) 分 析 法 對 磨 床 橫梁結(jié)構(gòu)的多種方案進行對比分析,選 出 了3種 評 價方 法 下 的 最 優(yōu) 方 案,比較得出采用模糊綜合評價法效 果 最 優(yōu),采 用TOPSIS法 效 果 最 差。Liu等[5]建立 了4種 橫 梁 結(jié) 構(gòu) 的 優(yōu) 選 模 型,并進行靜動態(tài)性能參 數(shù) 的 有 限 元 分 析,并通過灰色關(guān)聯(lián)分析法和層次分 析 法 確 定 了 優(yōu) 選 設(shè) 計 方 案。這些研究雖然促進了橫 梁 設(shè) 計 與 優(yōu) 選 理 論 的 發(fā) 展,但僅僅針對方案優(yōu)選階 段,并沒有進一步對與橫梁設(shè)計相關(guān)的尺寸進行優(yōu) 化,因 而 研 究 結(jié) 果 缺 乏 工 程 實 用 性。為 此,本 文 以橋 式 龍 門 銑 床 橫 梁 為 研 究 對 象,采 用CAD/CAE集成仿真技術(shù)對橫梁結(jié)構(gòu)進行三維建模和有限元分析。在此基礎(chǔ)上設(shè)計正交試驗并運用改進的模糊綜合 評 價 法 對 有 限 元 仿 真 數(shù) 據(jù) 進 行 處 理,確 定 橫 梁 優(yōu)選 方 案,并對其關(guān)鍵設(shè)計尺寸進行靈敏度分析與優(yōu)化,確定具體的設(shè)計尺寸并用于指導機床橫梁的制造 和 生 產(chǎn)。
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結(jié) 論
1)本文針對橋式龍門銑床橫梁多因素多水平的結(jié) 構(gòu) 設(shè) 計 特 點,采用正交試驗設(shè)計方法從32種 參 數(shù)組 合 中 挑 選 出8種具有代表性的參數(shù)組合作為橫梁結(jié) 構(gòu) 設(shè) 計 方 案,在一定程度上提高了設(shè)計效率。通過三維建模和有限元仿真分析獲得設(shè)計方案的評價指 標 數(shù) 據(jù),為橫梁設(shè)計方案的優(yōu)選以及后續(xù)的優(yōu)化奠 定 了 基 礎(chǔ)。
2)運用改進的模糊綜合評價法進行橫梁結(jié)構(gòu)設(shè)計方案的多目標優(yōu)選。將 熵 值 法 與 模 糊 層 次 分 析 法相 結(jié) 合 進 行 評 價 指 標 權(quán) 重 賦 值,形成優(yōu)勢互補的組合 權(quán) 重;在客觀仿真數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上,對 各 評 價 指 標 數(shù)據(jù) 作 區(qū) 分 處 理,獲得同一評價指標下各方案的優(yōu)劣等級,并 建 立 模 糊 關(guān) 系 矩 陣。綜合考慮指標權(quán)重與方 案 優(yōu) 劣 等 級,確 定 了“箱 中 箱 式-井 型-20mm-線軌”的橫梁結(jié)構(gòu)設(shè)計方案作為優(yōu)選方案,并 對 其 關(guān) 鍵設(shè)計尺寸進行了靈敏度分析與優(yōu)化,得 到 了 具 體 的設(shè) 計 尺 寸。優(yōu) 化 后,橫梁的靜動態(tài)性能得到明顯改善,并實現(xiàn)了輕量化設(shè)計,為 數(shù) 控 機 床 其 它 關(guān) 鍵 零 部件的設(shè)計提供了有益參考。