面向机床整机动态性能的立柱结构优化设计研究

doi:10.3901/JME.2016.03.161

机械工程学报 ›› 2016, Vol. 52 ›› Issue (3): 161-168.doi: 10.3901/JME.2016.03.161

扫码分享

面向机床整机动态性能的立柱结构优化设计研究

刘成颖^1,2, 谭锋³, 王立平^1,2, 蔡钊勇^1,2

1. 清华大学机械工程系北京 100084；
2. 清华大学精密超精密制造装备及控制北京市重点实验室北京 100084；
3. 电子科技大学机械电子工程学院成都 611731

收稿日期:2015-02-01 修回日期:2015-10-17 出版日期:2016-02-05 发布日期:2016-02-05
作者简介:刘成颖，女，1960年出生，副教授。主要研究方向为高档数控机床智能化技术、精密驱动与控制、机床结构动力学与优化。 E-mail：liucy@tsinghua.edu.cn
基金资助:
国家科技支撑计划(2012BAF01B02)和国家04科技重大专项（2013ZX04001-021）资助项目

Research on Optimization of Column Structure Design for Dynamic Performance of Machine Tool

LIU Chengying^1,2, TAN Feng³, WANG Liping^1,2, CAI Zhaoyong^1,2

1. Department of Mechanical Engineering, Tsinghua University, Beijing 100084;
2. Beijing Key Lab of Precision/Ultra-precision Manufacturing Equipments and Control, Tsinghua University, Beijing 100084;
3. School of Mechatronics Engineering, University of Electronic and Technology of China, Chendu 611731

Received:2015-02-01 Revised:2015-10-17 Online:2016-02-05 Published:2016-02-05

摘要/Abstract

摘要： 针对某机床结构薄弱件立柱的结构优化设计，提出了一种基于拓扑优化、筋板形式选择与布局以及尺寸优化的结构设计方法。首先利用有限元法(finite element analysis, FEA)对机床整机进行动力学分析，模态分析与谐响应分析结果表明立柱为影响整机动态性能的关键结构件。然后以立柱结构为优化目标，对立柱进行拓扑优化，根据拓扑优化的材料分布情况设计了立柱的最优基本结构形式，再通过选择抗弯、抗扭刚度较好的W类型筋板进行布局与尺寸优化，得到了最终的立柱优化结构。最后对优化的立柱结构进行验证，分析结果表明：该结构设计方法有效地改善了整机的动态性能，在立柱质量减轻的前提下，优化后的整机前六阶固有频率均得到了不同程度的提高，其中一阶固有频率提高了10%以上；并且机床在x方向上的最大共振峰值下降了49.8%，y方向下降了70.1 %，z方向下降了66.2%。

关键词: 尺寸优化, 动态性能, 机床整机, 结构优化, 立柱, 拓扑优化

Abstract: Aiming at the optimization design of machine tool column structure which is weakest link, a method is presented based on topology optimization, ribs form selecting and layout, and size optimization. From kinetic analysis of the machine tool by finite element analysis (FEA), modal analysis and harmonic response analysis illustrate that the column structure is the key part to affect the dynamic performance of the machine tool. Taking the column as optimization object, its basic structure is designed by material distribution of topology optimization. Selecting the W ribs which have well bending stiffness and torsional stiffness to layout and optimize its sizes, the column structure is finally optimized. Analysis results demonstrate that the method effectively improve dynamic performance of the machine tool. On the premise of the column mass does not increase, 6 nature frequencies of the machine tool are increased with different degrees. The first nature frequency is increased by about 10%. The biggest resonance peaks of the machine tool in x direction are reduced by 49.8%, y direction 70.1%, z direction 66.2%.

Key words: column, dynamic performance, machine tool, size optimization, structure optimization, topology optimization

中图分类号:

TH113

刘成颖, 谭锋, 王立平, 蔡钊勇. 面向机床整机动态性能的立柱结构优化设计研究[J]. 机械工程学报, 2016, 52(3): 161-168.

LIU Chengying, TAN Feng, WANG Liping, CAI Zhaoyong. Research on Optimization of Column Structure Design for Dynamic Performance of Machine Tool[J]. Journal of Mechanical Engineering, 2016, 52(3): 161-168.

参考文献

[1] 辛志杰，徐燕申，满佳，等. 基于有限元分析的数控铣齿机立柱动静态设计[J]. 中北大学学报，2006，27(6)： 484-486. XIN Zhijie，XU Yanshen，MAN Jia，et al. FEM-based static&dynamic design of numerical control gear machining tool column[J]. Journal of North University of China，2006，27(6)：484-486.
[2] 杨勇，张为民，李鹏忠. 基于动态灵敏度分析的数控机床床身结构优化设计[J]. 机械设计，2011，28(9)：49-52. YANG Yong，ZHANG Weimin，LI Pengzhong. Structure optimization design for NC machine bed based on dynamic sensitivity analysis[J]. Journal of Machine Design，2011，28(9)：49-52.
[3] 章婷. 基于有限元法的锻压机床身结构优化设计[J]. 锻压技术，2010，35(6)：74-78. ZHANG Ting. Structural optimization design for forging machine bed based on finite element method[J]. Forging & Stamping Technology，2010，35(6)：74-78.
[4] 张学玲. 基于广义模块化设计的机械结构静、动态特性分析及优化设计[D]. 天津：天津大学，2001. ZHANG Xueling. Static and dynamic property analysis and optimization design for mechanical structure based on generalized modular design[D]. Tianjin：Tianjin University，2001.
[5] 郭垒，张辉，叶佩青，等. 基于灵敏度分析的机床轻量化设计[J]. 清华大学学报，2011，51(6)：846-850. GUO Lei，ZHANG Hui，YE Peiqing. Light weight design of a machine tool based on sensitivity analysis[J]. Journal Tsinghua University，2011，51(6)：846-850.
[6] 姜衡，管贻生，邱志成，等. 基于响应面法的立式加工中心动静态多目标优化[J].机械工程学报，2011，47(11)：125-133. JIANG Heng，GUAN Yisheng，QIU Zhicheng，et al. Dynamic and static multi-objective optimization of a vertical machining center based on response surface method[J]. Journal of Mechanical Engineering，2011，47(11)：125-133.
[7] 饶柳生，侯亮，潘勇军. 基于拓扑优化的机床立柱筋板改进[J]. 机械设计与研究，2010，26(1)：87-91. RAO Liusheng，HOU Liang，PAN Yongjun. Improvement of the rib plate in machine tools column based on topology optimization[J]. Machine Design and Research，2010，26(1)：87-91.
[8] 孔杰. 钢轨焊缝磨床床身动态特性分析及优化[J]. 湖南文理学院学报，2014，26(1)：46-49. KONG Jie. The dynamic characteristics analysis and optimization of rail weld grinding machine lathe bed [J]. Journal of Hunan University of Arts and Science，2014，26(1)：46-49.
[9] HUANG D，LEE J J. On obtaining machine tool stiffness by CAE techniques[J]. International Journal of Machine Tools and Manufacture，2001，41(8)：1149-1163.
[10] 于长亮，张辉，王仁彻，等. 机床整机动刚度薄弱环节辨识与优化方法研究[J]. 机械工程学报，2013，49(21)：11-17. YU Changliang，ZHANG Hui，WANG Renche，et al. Study on method for weak link identification of dynamic stiffness of a machine tool and optimization design[J]. Journal of Machine Engineering，2013，49(21)：11-17.
[11] 伍建国，陈新，毛海军，等. 内圆磨床床身设计参数的灵敏度分析及动态设计[J]. 南京航空航天大学学报，2002，34(6)：545-546. WU Jianguo，CHEN Xin，MAO Haijun，et al. Sensitivity analysis and dynamic design of design parameters for internal grinder bed[J]. Journal of Nanjing University of Aeronautics &Astronautics，2002，34(6)：545-546.

[1]	杨柳, 高天雄, 宋颜和, 孔祥东, 张世林. 基于田口法的比例电磁铁极靴结构优化研究[J]. 机械工程学报, 2024, 60(8): 329-336.
[2]	高强, 王健, 张严, 郑旭阳, 吕昊, 殷国栋. 拓扑优化方法及其在运载工程中的应用与展望[J]. 机械工程学报, 2024, 60(4): 369-390.
[3]	纵怀志, 艾吉昆, 张军辉, 江磊, 谭树杰, 刘余贤, 苏琦, 徐兵. 基于拓扑优化和晶格填充的四足机器人肢腿单元轻量化设计[J]. 机械工程学报, 2024, 60(4): 420-429.
[4]	吕志军, 褚铭, 周亚勤, 肖雷, 李宏亮. 物理模拟与数据驱动混合的Z型立柱片剪切刚度认知预测方法[J]. 机械工程学报, 2024, 60(2): 50-61.
[5]	薛钢, 刘延俊, 薛祎凡, 郭磊. 集成水力翼板的深海着陆器水动力特性研究与结构优化[J]. 机械工程学报, 2024, 60(2): 209-223.
[6]	王金栋, 吴展扬, 谢宇鸿. 基于牛牙几何特征的仿生研磨副结构协同设计[J]. 机械工程学报, 2024, 60(19): 212-224.
[7]	夏令伟, 谢亿民, 马国伟. 3D打印制造约束下的多孔结构与路径协同优化方法[J]. 机械工程学报, 2024, 60(19): 241-249.
[8]	林起崟, 贾一鸣, 周意葱, 王晨, 洪军. 面向装配结构的拓扑优化参数影响分析[J]. 机械工程学报, 2024, 60(15): 291-303.
[9]	孙雨欣, 蔡守宇, 张旭, 王珂. 基于自适应特征驱动法的散热结构拓扑优化设计[J]. 机械工程学报, 2024, 60(15): 346-357.
[10]	肖蜜, 李奇石, 高亮, 沙伟, 黄明喆. 基于各向异性材料插值的点阵散热结构跨尺度拓扑优化[J]. 机械工程学报, 2024, 60(13): 71-80.
[11]	李宝童, 刘策, 洪军, 刘庆芳, 史萌, 李开泰. 复杂热流承载结构拓扑优化设计研究[J]. 机械工程学报, 2024, 60(13): 92-121.
[12]	郑静, 荣轩霈, 姜潮, 米栋, 李加强. 考虑惯性载荷的结构热力耦合拓扑优化[J]. 机械工程学报, 2024, 60(13): 130-140.
[13]	何雨镐, 谢福贵, 解增辉, 王金斗, 刘辛军. 一种五轴并联加工单元的参数与刚度优化设计[J]. 机械工程学报, 2024, 60(13): 308-315.
[14]	朱继宏, 张亦飞, 侯杰, 李祥吉, 张卫红. 考虑动力学响应的天线座拓扑-自由尺寸协同优化设计[J]. 机械工程学报, 2024, 60(11): 20-31.
[15]	白影春, 刘康, 李超, 韩旭. 基于大规模并行计算的三维薄壁填充结构特征频率拓扑优化设计[J]. 机械工程学报, 2024, 60(11): 32-40.

面向机床整机动态性能的立柱结构优化设计研究

Research on Optimization of Column Structure Design for Dynamic Performance of Machine Tool

PDF

可视化

摘要/Abstract

引用本文

使用本文

参考文献

相关文章 15

编辑推荐

Metrics

本文评价