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前言：

CNC加工中心在工作過程中要承受復(fù)雜的靜動態(tài)載荷和從外界傳來的振動的影響，為保證加工質(zhì)量和加工效率，要求其結(jié)構(gòu)具有良好的動態(tài)性能'加工中心整機(jī)動態(tài)性能的優(yōu)劣取決于各子部件動態(tài)特性的優(yōu)劣。立柱作為加工中心的主要功能子部件之一，其動態(tài)特性是決定加工中心抗振性能的重要因素，提高其動態(tài)特性有助于提高加工中心整機(jī)的加工精度等性能p-\因此對立柱結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計和模態(tài)分析是很有必要的。

現(xiàn)階段加工中心結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方法主要分為3個方面:結(jié)構(gòu)尺度的優(yōu)化設(shè)計、結(jié)構(gòu)形狀的優(yōu)化設(shè)計及拓?fù)鋬?yōu)化M。[10] 拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計是以確定結(jié)構(gòu)最優(yōu)拓?fù)錇槟繕?biāo)的優(yōu)化方法；結(jié)構(gòu)的形狀優(yōu)化設(shè)計是以確定結(jié)構(gòu)的最優(yōu)形狀為目標(biāo)的優(yōu)化方法；尺度優(yōu)化設(shè)計師以確定結(jié)構(gòu)中各子部分的尺寸為目標(biāo)的優(yōu)化方法。如：R. Neugebauej•等^[5]應(yīng)用仿生學(xué)原理，重新設(shè)計加工中心結(jié)構(gòu)，使加工中心重量得到了減輕，并在一定程度上提高了加工中心的剛度與質(zhì)量之比。L. Krdl等M運(yùn)用拓?fù)鋬?yōu)化方法，實(shí)現(xiàn)了加工中心的輕量化設(shè)計的目標(biāo)。根據(jù)出發(fā)點(diǎn)的不同，國內(nèi)優(yōu)化設(shè)計研究主要分為兩方面的內(nèi)容:第一方面是從結(jié)構(gòu)的整體出發(fā)，對加工中心結(jié)構(gòu)進(jìn)行參數(shù)或拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計1第二方面利用元結(jié)構(gòu)的思想，對構(gòu)成加工中心結(jié)構(gòu)的單元進(jìn)行研究，以提高加工中心床身的性能H。論文了利用元結(jié)構(gòu)的思想結(jié)合形狀優(yōu)化與尺寸優(yōu)化方法對立柱進(jìn)行了結(jié)構(gòu)改進(jìn)。

元結(jié)構(gòu)的基本思想就是_個結(jié)構(gòu)體就其組成的形體進(jìn)行解剖分解，最終獲得一些最基本的單元結(jié)構(gòu),這些單元結(jié)構(gòu)被稱之為元結(jié)構(gòu)^11]。元結(jié)構(gòu)所具有的形態(tài)特征表現(xiàn)為：具有典型筋板形式和出砂孔等結(jié)構(gòu)特征。利用元結(jié)構(gòu)思想對立柱進(jìn)行解剖分解處理，其依據(jù)的是快速設(shè)計及框架優(yōu)選的設(shè)計思想，即將目標(biāo)結(jié)構(gòu)分割為一定數(shù)量的相同元結(jié)構(gòu)單元，再通過優(yōu)化單元體內(nèi)部的結(jié)構(gòu)特征，從而提高目標(biāo)結(jié)構(gòu)的動態(tài)特性能基于元結(jié)構(gòu)的動態(tài)優(yōu)化方法包含5個具體的步驟:1)將目標(biāo)結(jié)構(gòu)分為元結(jié)構(gòu)和框架結(jié)構(gòu);3對元結(jié)構(gòu)進(jìn)行動態(tài)優(yōu)化設(shè)計;3對框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行動態(tài)優(yōu)化設(shè)計;4重新建立整體結(jié)構(gòu)的變量化模型;3確定設(shè)計變量并進(jìn)行結(jié)構(gòu)體的優(yōu)化設(shè)計M。本文把組成立柱結(jié)構(gòu)的最小單元稱為元結(jié)構(gòu)，立柱的宏觀構(gòu)形為框架結(jié)構(gòu)。元結(jié)構(gòu)的動態(tài)特性在一定程度上直接影響立柱的動態(tài)特性，從而影響整機(jī)的動態(tài)性能[14]。許多的元結(jié)構(gòu)通過組合可以形成目標(biāo)結(jié)構(gòu)，加工中心立柱作為目標(biāo)結(jié)構(gòu)，其也是由若干個結(jié)構(gòu)相同的元結(jié)構(gòu)組成。影響元結(jié)構(gòu)的模態(tài)頻率的因素有很多，主要體現(xiàn)在筋板類型、筋板的厚度和固定方式3個方面。這3個方面通過影響兀結(jié)構(gòu)的動態(tài)特性對加工中心立柱的模態(tài)頻率帶來不同程度的影響M。

該立柱大體呈“回”字型，高寬比較大，兩側(cè)剛度較低，重心過高。這使得立柱的固有頻率偏小，引起加工中心整機(jī)的固有頻率偏低，加工中心的性能降低引起加工中心加工過程中立柱產(chǎn)生較大的振動。為了保證立柱具有較高的固有頻率和剛度，提高其動態(tài)性能，對其進(jìn)行了結(jié)構(gòu)方面的改進(jìn)，以滿足設(shè)計的要求。文章從筋板形式和筋板厚度對元結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)影響兩個方面進(jìn)行了研究，并將研究所得的結(jié)果運(yùn)用到了立柱結(jié)構(gòu)的動態(tài)優(yōu)化設(shè)計過程中，使得立柱固有頻率得到了很大的提高。

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結(jié)束語：

1)為了提高加工中心立柱的模態(tài)參數(shù)，提出了基于元結(jié)構(gòu)對立柱結(jié)構(gòu)的優(yōu)化方法。該方法為其他加工中心基礎(chǔ)件動態(tài)優(yōu)化提供了_種簡潔的技術(shù)途徑，對于結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化具有一定的指導(dǎo)作用，對于結(jié)構(gòu)快速優(yōu)化設(shè)計也有具有—定的參考價值。

2)研究結(jié)果表明該方法也可以有效地控制其他加工中心結(jié)構(gòu)在設(shè)計階段的隱形參數(shù)，為加工中心剛度評價系統(tǒng)的建立提供數(shù)據(jù)支撐。結(jié)合模態(tài)測試實(shí)驗與有限元模態(tài)分析可以提高研究結(jié)果的準(zhǔn)確性。

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基于元結(jié)構(gòu)的機(jī)匣加工中心立柱動態(tài)優(yōu)化設(shè)計

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