象鼻式銑齒機立柱的優(yōu)化設計

游達章，陶揚，楊奇彪

(湖北工業(yè)大學，湖北 武漢 430068)

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象鼻式銑齒機立柱的優(yōu)化設計

游達章，陶揚，楊奇彪

(湖北工業(yè)大學，湖北 武漢 430068)

摘要：機床結構剛度的提高有助于提升機床加工精度及改善機床的動力學性能?；诮Y構仿生學,利用拓撲原理對象鼻式銑齒機立柱內部的筋板結構進行優(yōu)化設計。對原型及改進后的立柱進行了靜力、模態(tài)分析。結果表明，改進后的立柱質量減輕,剛度性能及力學性能得到明顯提高。

關鍵詞：銑齒機；優(yōu)化設計；拓撲優(yōu)化；結構仿生立柱；生物骨架；載荷路徑

生物體的結構特征是優(yōu)勝劣汰和自然進化的有力證明，與機械結構相比具有無可比擬的優(yōu)勢。結構仿生學是一門通過研究生物體的功能結構，運用現代設計方法建造類似結構的機械裝置以實現類似功能的一門學科?，F代制造業(yè)迅猛發(fā)展使得高速高效、精密加工成為機床發(fā)展的趨勢。高效機床在高切削線速度時保持高精度使得機床運動部件向高比剛度方向發(fā)展。其實，人類已經在仿生設計上做了一定的工作，比如巴黎埃菲爾鐵塔的中心拱梁是模仿骨的微觀組織而設計。如果機床的內部構造可以仿照某種生物的內部結構而進行布置，將有可能優(yōu)化機床結構，提高機床加工精度等。基于結構仿生的原理，引入生物骨架的構型思路，對象鼻式銑齒機立柱的內部結構進行了結構仿生設計。

1立柱受力分析

象鼻式銑齒機可以實現x、z兩個方向的平動，以及銑刀和轉臺的轉動，立柱可以沿x軸方向平動。假設刀架體運動為勻速運動，當刀架體向下運動時，由刀架體受力平衡可得:

N1=N2=N3=N4=9750N，

F0=-2000N，F1=F2=48000N

(1)

式中，N1、N2、N3、N4為刀架體分別通過上下部分的滑塊對左右立柱的作用力；F0為電機施加給立柱的作用力；F1和F2為配重的支架對立柱的作用力(圖1)。

圖1　象鼻式銑齒機刀架體受力分析

2結構仿生設計

2.1需求分析

機床立柱的變形對其加工精度會產生較大的影響，因此，在其他條件不變的情況下，改善立柱內部結構減小其變形量可以提高機床加工精度。原型立柱內部結構如圖2所示，從圖中可以看出，立柱內部分布了大量的加強筋結構且分布規(guī)整。然而，由于此結構沒有考慮機床在加工過程中產生的應力、應變等情況，可能會使某些加強筋無法發(fā)揮其用處而造成浪費，因此有必要對立柱的內部結構進行重新設計。根據結構仿生學原理，在分析葉脈結構規(guī)律的基礎上，在原立柱內部加強筋進行了重新設計(圖3)。

圖2　原型立柱內部加強筋形式

圖3　立柱仿生設計空間

2.2生物體性能研究

在整個生物體中，骨架承受的載荷最大，因此，其布局符合剛度最優(yōu)的布局原則[2]。圖4為葉脈結構簡圖，可將筋板結構仿照葉脈結構進行設計，達到加強其整體剛度的作用。因此，在立柱加強筋的設計中，突破傳統(tǒng)的形狀和布置形式，將其作為立柱的骨架來設計，將有可能取得更好的效果。

圖4　葉脈結構的模擬

2.3仿生設計

拓撲優(yōu)化體現的立柱載荷路徑如圖5所示，據此可以確定一個擁有最佳載荷路徑的設計方案，將結果中的材料高密度區(qū)域作為結構，而將材料低密度的區(qū)域用孔來表示，再經過局部的細節(jié)設計得到的設計結果如圖6所示。

圖5　載荷路徑效果圖

圖6　仿生型立柱

3有限元分析

3.1靜力學分析

立柱材料選用灰鑄鐵，其材料特性參數如下:密度ρ=7200 kg/m3；彈性模量E= 66MPa；泊松比γ= 0.27。立柱變形云圖如圖7和圖8所示，立柱靜力學分析結果如表1所示。

表1　立柱有限元分析結果

圖7　原型立柱變形云圖

圖8　仿生型立柱變形云圖

1) 應力分析：仿生型的最大應力值與原型立柱相差不大，工作臺的最大應力值也遠遠小于材料的應力極限。因此在設計機床立柱這樣的結構件時，考慮的主要因素是剛度。因此偏重于剛度設計，重點優(yōu)化受載及變形不嚴重的區(qū)域。

2) 輕量化效果：減輕質量達5. 86%。

3) 靜力學性能：最大變形減小，特別是在對加工精度影響較大的x方向，變形從10.2μm減小到9.6μm，減小了15.68% ，同時立柱的質量也有所減輕，這說明立柱的靜剛度得到了較大的提高。

3.2模態(tài)分析

本文取立柱前五階固有頻率及振型進行對比，如表2所示。低階固有頻率較原型都有不同程度增加，其中一階固有頻率提高9.8%。說明經過仿生設計，立柱的抗振性能得到相應的提高。

表2　立柱固有頻率及振型

4結論

對機床立柱進行了結構仿生設計， 并對立柱的各項力學性能進行了仿真和分析， 結果表明在x方向上，變形從10.2μm減小到9.6μm，減小了15.68%， 一階固有頻率提高9. 8% ，并且更快達到穩(wěn)定，達到了較為滿意的結果。

參考文獻:

[1] 岑海棠. 結構仿生理論、輕質零件結構仿生設計及RP工藝驗證[D]. 北京:北京航空航天大學,2004.

[2] 盛勇，陳艾榮. 從埃菲爾鐵塔看結構藝術的表現[J]. 結構工程師, 2005, 21(1): 1-5.

[3] 丁曉紅，李國杰,蔡戈堅. 薄板結構的加強筋自適應成長設計法[J]. 中國機械工程, 2005, 16(12): 1057-1060.

Optimization Design of Nasal Type Gear Milling Machine Column

YOU Da-zhang, TAO Yang, YANG Qi-biao

(School of Mechanical Engineering, Hubei University of Technology, Wuhan 430068, China)

Abstract:High stiffness of machine tool structure helps to improve the machining accuracy and the dynamic performance of machine tools. Based on the bionic structure, the theory of topology is used to optimize the stiffened plate structure design of the nasal type gear milling machine tool column which is made play the role of the skeleton. Through the static modal and finite element analysis of the prototypes and bionic column, it is found that the mass of the column is reduced and the quality of the specific stiffness structural efficiency and its static-dynamic performance are improved greatly.

Keywords:gear milling machine; optimization design; topological optimization; structure bionic column; organic framework reef; load paths

收稿日期：2014-12-23

中圖分類號：TG61+1; TP391.9

文獻標志碼：B

文章編號：1671-5276(2015)03-0033-03

作者簡介：游達章(1975-)，男，湖北洪湖人，博士，副教授，研究方向為機電工程，機電產品可靠性技術，數控技術。