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0 前言

加工中心的精度與關(guān)鍵件、床身大件的精度表現(xiàn)密切相關(guān)，近年來隨著機床高速切削領(lǐng)域的發(fā)展，床身、立柱等僅以經(jīng)驗值保守設(shè)計的零部件對加工中心整機的性能影響更加明顯。隨著有限元分析理論與軟件、振動測量與分析儀器的發(fā)展，近年來國內(nèi)研究人員對機床大件的動態(tài)性能與輕量化進行了大量研究。對床身等大件的優(yōu)化有以下兩種思路:(1)在保證結(jié)構(gòu)質(zhì)量不增加的情況下提高結(jié)構(gòu)的動態(tài)特性。如于長亮等［1］以整機為研究對象用靈敏度法辨識出整機的剛度薄弱環(huán)節(jié)為立柱后，對立柱設(shè)置質(zhì)量為約束條件進行了模態(tài)優(yōu)化;(2)保證固有頻率不變的情況下采用尺寸優(yōu)化、拓撲優(yōu)化等方法對零件進行輕量化設(shè)計。如任帥等人［2］以床身的質(zhì)量為優(yōu)化目標，在保證靜動態(tài)特性不變的情況下，采用拓撲優(yōu)化的方式對床身進行了輕量化設(shè)計。郭壘等人［3］基于靈敏度分析的方法對機床進行輕量化設(shè)計。劉成穎等［4－5］采用元結(jié)構(gòu)的方法對床身“井”字形支撐結(jié)構(gòu)進行分析并對出砂孔尺寸進行了二次優(yōu)化。

蜂窩結(jié)構(gòu)早期被應用于航空領(lǐng)域應用。蜂窩構(gòu)造非常精巧，結(jié)構(gòu)性能好，比強度、比剛度高。目前，在荷蘭、英國等發(fā)達國家蜂窩結(jié)構(gòu)的研究與應用非常成熟，隨著我國制造技術(shù)的快速發(fā)展，對蜂窩結(jié)構(gòu)的研究正趨于成熟，其應用也逐步擴展開來。對蜂窩的研究主要集中在蜂窩夾層的靜力學研究。王博等人［6－7］研究了低速沖擊下不同蜂窩結(jié)構(gòu)坍塌行為，以及蜂窩夾層結(jié)構(gòu)在低速沖擊下的動力響應。

本文作者通過將加工中心床身原有的支撐結(jié)構(gòu)改進為蜂窩狀支撐結(jié)構(gòu)，并利用參數(shù)化建模方法，分析蜂窩狀結(jié)構(gòu)胞單元參數(shù)、排布方式與床身一階固有頻率、質(zhì)量、靜變形、等效應力之間的關(guān)系，得到蜂窩狀結(jié)構(gòu)對床身性能的最佳優(yōu)化效果。采用灰色關(guān)聯(lián)法對計算結(jié)果處理分析，并采用熵權(quán)法改進灰色法，使得其成為一種適于床身優(yōu)化的綜合性評價標準。以我國西北某機床廠生產(chǎn)的某型臥式加工中心床身優(yōu)化為例，利用ANSYSWorkbench進行參數(shù) 化設(shè) 計，采用MATLAB軟件進行數(shù)據(jù)處理和灰色關(guān)聯(lián)法分析選出最佳優(yōu)化方案。

1 床身性能分析與優(yōu)化

目標提出1.1某型臥式加工中心床身性能分析1.1.1床身基本參數(shù)某臥式加工中心為我國西北某機床廠推出的一種高性能、高效率的自動換刀數(shù)控機床，其基本參數(shù)如表1所示，床身結(jié)構(gòu)模型如圖1所示。加工中心力的傳遞路線:工件－夾具－工作臺－床身。床身所受靜載荷包括以下3個方面:(1)工作臺質(zhì)量從機床說明書查得工作臺材料為HT300，密度ρ=7200kg/m3，從表1可得工作臺的基本尺寸。

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結(jié) 論

(1)用蜂窩狀結(jié) 構(gòu) 替換某型臥式加工中心床身原有的“井”字形支撐結(jié) 構(gòu)。結(jié) 果表明優(yōu) 化后的機床床身各性能指標得到全面提升。床身一階固有頻率提高約24.1%，床身質(zhì)量減輕約7.4%，靜變形降低約26%，等效應力減小約35.1%。
(2)蜂窩結(jié)構(gòu)主要以胞單元拓撲得到，便于建立數(shù)學模型進行參數(shù)化設(shè)計，是一種臥式加工中心床身優(yōu)化很好的方法。

臥式加工中心床身蜂窩狀支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計與優(yōu)化

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