精密卧式立柱结构优化设计论文

时间:2021-08-31

精密卧式立柱结构优化设计论文

  1设计参数灵敏度分析

  由于企业现有立柱整体结构已趋于成熟,考虑大到研发周期和成本等诸多因素,本文以立柱的壁厚、筋板高度以及筋板厚度作为一组设计变量,利用灵敏度法分析各结构参数变化对立柱动态性能的影响。

  1.1壁厚对立柱动态性能的影响

  以立柱壁厚为设计变量,当其为20mm、22.5mm、25mm、27.5mm和30mm时可以看出,增加立柱壁厚对立柱固有频率提高有较为明显的作用,可以在现有基础之上适当增加壁厚。

  1.2筋板高度对立柱动态性能的影响

  以立柱筋板高度为设计变量,当其为50mm、60mm、65mm、70mm和75mm时,可以看出,随着筋高的增加立柱前2阶固有频率呈下降趋势。故从提高固有频率的角度来看,筋板高度宜小些。但是,筋板越高结构的抗扭转能力越强,所以要综合考虑两个方面的影响。

  1.3筋板厚度对立柱动态性能的影响

  以立柱筋板厚度为设计变量,当其为16mm、18mm、20mm、22mm和24mm时,可以看出,筋板厚度对立柱的固有频率的影响规律不明显,可以通过减小筋板厚度来降低立柱质量。

  2立柱结构拓扑优化

  以减小的材料质量为状态变量,对该型机床床身的原始模型进行形状拓扑优化计算,为后期的详细设计提供依据,目的是在确保其承载能力的基础上减轻床身重量,降低制造成本,增加立柱运动的快速相应能力。为了更为真实的模拟立柱所承受的工作载荷,本次优化将立柱放置于整个机床系统中,床身底面施加固定约束,刀头处施加切削载荷。以减重20%为目标函数,对该型机床立柱进行拓扑优化,可以看出:该型机床立柱可在一定程度上进行优化减重,且可重点减轻立柱上部两导轨之间空腔的壁厚,加大远离刀头一侧导轨空腔的孔洞大小。

  3立柱内部筋板改进

  立柱的肋板形式和布置,对机床的.动态性能有很大影响。因此,本文对立柱内部筋板形式进行优选,根据立柱具体结构,分析了蜂窝筋和直筋板对其动静态性能的影响规律。对不同筋板形式下,立柱的动态特性进行分析。可以看出:质量相同的两种结构方式,直筋在各阶固有频率上都占有优势,此外直筋的铸造工艺更为简单,因此,建议立柱内部筋板采用直筋形式。

  4结束语

  1)对立柱原模型进行分析可知,该型机床立柱前两阶固有频率分别为51.88Hz和58.58Hz,主要为立柱沿X项摆动和沿Z向摆动,由前两阶频率较低,容易与整机驱动频率发生耦合共振;

  2)以立柱的壁厚、筋板高度以及筋板厚度作为一组设计变量,利用灵敏度法分析各结构参数变化对立柱动态性能的影响。结果表明:增加立柱壁厚可提高立柱固有频率,增加筋板高度并不能提高立柱固有频率,筋板厚度对立柱动态特性影响不明显。

  3)通过拓扑优化发现,该型机床立柱可从两方面进行减重:一是减轻立柱上部两导轨之间空腔的壁厚,二是加大远离刀头一侧导轨空腔的孔洞大小;

  4)与蜂窝筋相比,直筋板在各阶固有频率上都占有优势,且铸造工艺简单,建议该型机床立柱内部筋板采用直筋形式;

  5)分析结果可为该类型机床立柱的进一步改进设计提供依据,具有一定的工程应用价值。

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