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.

导出引用管理器 EndNote|Reference Manager|ProCite|BibTeX|RefWorks

链接本文: http://www.cjmenet.com.cn/CN/10.3901/JME.2016.03.161

http://www.cjmenet.com.cn/CN/Y2016/V52/I3/161

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]	安海涛, 贾博韬, 王亮, 吴金涛, 潘松, 赵盖. 空间中空型超声电机的动力学仿真分析与极端环境试验研究[J]. 机械工程学报, 2026, 62(7): 269-283.
[2]	邢庆坤, 吴名, 刘长钊, 李峥琪, 秦大同. 考虑行驶工况综合损耗和动态性能的电驱动系统机电控参数协同优化[J]. 机械工程学报, 2026, 62(7): 363-374.
[3]	张横, 胡天男, 丁晓红, 罗云锋, 李海东, 倪维宇. 蒙皮-多材料内填充结构拓扑优化设计[J]. 机械工程学报, 2026, 62(7): 375-384.
[4]	苏永雷, 尹道志, 张志飞, 丁智. 车身大型一体压铸构件轻量化设计方法[J]. 机械工程学报, 2026, 62(5): 306-318.
[5]	袁晓明, 肖浩阳, 徐新宇, 张杰, 宋具宝, 刘存飞. 压力旋流式雾化喷嘴流场分析与结构优化[J]. 机械工程学报, 2026, 62(4): 377-391.
[6]	牛斌, 于浩俣. 基于归一化傅里叶描述子的柔性翼肋结构指定变形设计[J]. 机械工程学报, 2025, 61(9): 123-131.
[7]	李鹏, 宋学官, 肖立波, 高荣芝, 王佳茜, 王一棠, 杨亮亮. 泵车臂架多工况拓扑融合重构设计及应用研究[J]. 机械工程学报, 2025, 61(9): 402-410.
[8]	蔡金虎, 荣见华, 丁慧冰, 赵磊, 张明军, 赵志军. 基于连续体拓扑优化的拉/压结构设计方法[J]. 机械工程学报, 2025, 61(9): 449-460.
[9]	王达达, 徐海涛, 刘平, 金霞, 闾川阳, 贺艳明. 基于非均质中间层的AlN-Cu钎焊接头残余应力优化研究[J]. 机械工程学报, 2025, 61(8): 98-106.
[10]	钟麒, 贾体伟, 徐恩光, 余诚, 杨华勇, 李研彪. 基于振动特性的高速开关阀动态特性测试研究[J]. 机械工程学报, 2025, 61(6): 331-339.
[11]	吴剑威, 王继尧, 郑健, 赵鹏越, 高席丰, 温众普. 真空气体静压轴承研究进展[J]. 机械工程学报, 2025, 61(5): 13-25.
[12]	高壮, 刘雨欣, 朱明亮, 轩福贞. 点阵结构设计制造与疲劳性能研究进展[J]. 机械工程学报, 2025, 61(3): 347-375.
[13]	张曼, 李娅娜, 史鑫鹏. 地铁车体底架断面设计的全阶段多目标优化研究[J]. 机械工程学报, 2025, 61(24): 202-212.
[14]	李思奇, 刘康, 陈一铭, 蔡嘉乐, 白影春. 面向复杂设计域的三维薄壁-填充结构静动态多目标拓扑优化方法[J]. 机械工程学报, 2025, 61(23): 193-202.
[15]	杨逸凡, 陈是扦, 王开云, 肖绯雄, 马呈祥. 基于模态共振原理的重载机车一系钢弹簧结构优化研究[J]. 机械工程学报, 2025, 61(2): 247-256.

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