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