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基于多目标的立式精密磨床整机及关键部件优化设计方法研究

许春雷  
【摘要】:进入新世纪十多年以来科学技术和加工制造业发展迅猛,机床作为制造业基础的关键设备,其设计要求越来越追求高速度、高效率、高精度和自动化、智能化。这就要求机床设备的结构具有更加优良的静态性能和动态性能。同时在激烈的市场竞争中,各个机床制造商必须要控制成本。通过现代的优化设计生产理念生产出高性能低成本的机床设备是各个机床制造商的必然追求。 本课题来源于天津某机床厂的某型立式精密磨床,该型磨床的砂轮处在工作时相对位移量为13μm,大于要求的10μm。同时磨床的某些部件又过于笨重。针对该型磨床所存在的这些问题,在本研究中运用Solidworks软件对磨床整机关键部件进行简化建模,导入ABAQUS有限元分析软件中进行静动态有限元分析。通过对有限元结果的分析找到影响磨床性能的关键部件及结构,对其进行优化设计和轻量化设计,以解决上述问题。 1、对磨床整机进行质量分析,床身、立柱和工作台的质量在整机中所占比重最大。在有限元结果分析中,床身和立柱也是磨床整机产生变形的关键部件。所以对磨床床身和立柱进行结构优化设计和轻量化设计对提高磨床性能和控制成本的作用最显著。 2、对磨床的床身和立柱进行有限元仿真分析,根据有限元仿真分析的结果对床身和立柱的结构提出改进方案。 3、在确定了新型的结构方案的基础上,通过正交试验对各个结构参数进行灵敏度分析,选出对结构性能影响最显著的结构参数作为设计变量进行定量的优化设计计算。 4、针对待优化的结构参数通过中心复合实验设计(CCD)来安排实验,运用ABAQUS有限元软件进行有限元仿真实验得到实验数据,建立床身和立柱各个结构参数与其重量和力学性能的数学模型作为优化计算中的目标函数,机床的精度要求等作为优化计算中的约束条件建立优化计算的数学模型。在Matlab中使用理想点法进行双目标优化计算,得出各个结构参数的最优值,确定新型床身和立柱的结构参数。 5、建立新型的床身和立柱模型,取代原来的床身和立柱装配到磨床整机模型中进行有限元仿真分析以检验整机性能达到的改进效果。通过与原型磨床对比,磨床砂轮处位移量减小到8.36μm,减小36.62%。磨床整机一阶固有频率提高到47Hz,避开了激振频率避免了工作时产生共振的现象。整机重量降低了60kg。


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