6.3床身的結(jié)構(gòu)優(yōu)化 6.3.1筋板的布置型式比較
床身的原始設(shè)計(jì)筋板為“井”字型分布，在考慮到不同筋板的布局形式對(duì)床 身的靜、動(dòng)態(tài)特性影響，在“井”字型筋板的方形空格內(nèi)添加單個(gè)斜向垂直對(duì)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(nèi)分別添加 兩個(gè)斜向垂直對(duì)角筋板，如圖6.8所不，記為方案三。
6.3.2筋板布置型式對(duì)床身的靜態(tài)特性的影響比較
床身的靜剛度直接影響到機(jī)床對(duì)工件的加工精度和表面質(zhì)量，是決定機(jī)床靜態(tài)特性優(yōu)良的重要指標(biāo)，有限元的靜力分析首先是校核材料的屈服強(qiáng)度是否高于大屈服應(yīng)力，以及靜力分析時(shí)大的變形量是否被允許，以大變形量、大應(yīng)力、質(zhì)量三個(gè)參數(shù)為評(píng)價(jià)條件，數(shù)據(jù)如表6.4所示。
6.3.3筋板布置型式對(duì)床身的動(dòng)態(tài)特性的影響比較
機(jī)床的彈性變形對(duì)零件的加工精度會(huì)有一定的影響，而由于機(jī)床的動(dòng)態(tài)特性 不足而引起的機(jī)床振動(dòng)對(duì)加工精度的影響約占40%左右，所以床身的動(dòng)態(tài)特性也 是床身結(jié)構(gòu)優(yōu)化的一個(gè)關(guān)鍵方向，而模態(tài)分析中低階模態(tài)能反映出床身的動(dòng)態(tài) 特性[61]。本文以床身的第一階固有頻率及相應(yīng)陣型來(lái)反映床身的動(dòng)態(tài)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(yīng)振型描 述，且“米”與“x”筋板分布型式的床身模態(tài)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
table 6.5 machine bed inherent frequency and vibration mode
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(dòng)
方案二
223.64
床身中部向上微小擺動(dòng)
方案三
220.02
床身中部向里向內(nèi)微小擺動(dòng)
6.3.4基于層次分析法獲取床身結(jié)構(gòu)的方案
對(duì)上述所設(shè)計(jì)的“井”、“米”與“x”型筋板分布型式的床身進(jìn)行綜合性能 分析，以靜態(tài)特性、動(dòng)態(tài)特性以及質(zhì)量三個(gè)指標(biāo)對(duì)床身進(jìn)行全面衡量，床身抵抗 彈性變形的能力是由床身的靜態(tài)特性所決定的，床身在機(jī)床加工過(guò)程中抵抗振動(dòng) 的能力是由床身的動(dòng)態(tài)特性所決定的，而床身的質(zhì)量?jī)H考慮到床身的制造成本和 搬運(yùn)的方便性，本文采用以床身的質(zhì)量、靜力大變形量、模態(tài)一階固有頻率三 個(gè)指標(biāo)作為目標(biāo)函數(shù)，選用層次分析法(ahp)對(duì)三種筋板布置方式進(jìn)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(biāo)層、準(zhǔn)則層與方案層[62]。 總目標(biāo)層為在保證床身具有高的靜動(dòng)態(tài)特性的同時(shí)，盡量控制床身質(zhì)量； hv hv %分別為準(zhǔn)則層相對(duì)總目標(biāo)層的權(quán)重系數(shù)。
在保證床身具有良好靜動(dòng)態(tài)特性的前提下，床身質(zhì)量盡量越小越好，也就是 床身的質(zhì)量倒數(shù)越大越好，給出3種方案的質(zhì)量倒數(shù)矩陣：
由式（6-10)可知，方案一的量化指標(biāo)優(yōu)于另外兩種方案，所以在基于床身質(zhì) 量大小控制、靜動(dòng)態(tài)性能優(yōu)劣的綜合比較，選擇原始的方案一“井”字型作為 優(yōu)的筋板布局設(shè)計(jì)方案。
6.3.5筋板厚度對(duì)床身的靜動(dòng)態(tài)特性的靈敏度分析
為了提高復(fù)合式鏜銑加工中心床身靜剛度與低階陣型頻率，可以通過(guò)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(zhì)量盡可能不 發(fā)生大的變化。整個(gè)優(yōu)化分析是基于有限元的仿真分析，在筋板厚度尺寸優(yōu)化時(shí)， 提出以下兩種優(yōu)化方案。
1、優(yōu)化一：優(yōu)化縱筋板厚度
首先對(duì)床身的縱向筋板厚度進(jìn)行優(yōu)化，初始設(shè)計(jì)的縱筋板厚度為32mm，選取 的不同筋板厚度所對(duì)應(yīng)的床身特性如表6.6所示，圖6.12為各筋板厚度對(duì)結(jié)構(gòu)的 靜力變形和低階陣型頻率的靈敏度示意圖。
表6.6優(yōu)化床身縱筋板厚度分析結(jié)果
table 6.6 optimization of machine bed vertical plate thickness analysis results
筋板厚度
質(zhì)量/t
靜動(dòng)態(tài)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(duì)床身低階陣型頻率的提升比較顯著，當(dāng)筋板增加到22mm后，床身低階陣型頻率幾乎沒(méi)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(yōu)化二：優(yōu)化橫筋板厚度
對(duì)床身的橫向筋板厚度進(jìn)行優(yōu)化，初始設(shè)計(jì)的橫筋板厚度為20mm，選取不同 橫筋板厚度所對(duì)應(yīng)的床身特性如表6.7所示，圖6.13為各筋板厚度對(duì)結(jié)構(gòu)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(jié)
本章針對(duì)復(fù)合式鏜銑加工中心床身結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)與優(yōu)化，首先根據(jù)加工中心 的技術(shù)要求確定床身長(zhǎng)、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(jié)構(gòu)，通過(guò)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(duì)床 身質(zhì)量以及靜動(dòng)態(tài)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(jī)床床 身“井”字型筋板布局已經(jīng)具有良好的靜動(dòng)態(tài)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(dòng)態(tài)特性的一種重要手段。