第2期 2018年2月
组合机床与自动化加工技术
Modular Machine Tool & Automatic Manufacturing Technique
文章编号：10012265(2018)02005106
D0I:10.13462/j.cnki. mmtamt.2018.02.013
基于多目标的机床结构优化设计研究
邱文瀛，张建富」，郁鼎文，曹宇中2，杜海涛”
No.2 Feb.2018
（1.清华大学机械工程系，北京100084：2.昆山华辰重机有限公司，江苏昆山215337）
摘要：在考虑地脚支撑对整机性能影响的前提下，提出了一种确定机床整机优化目标、并基于拓扑分析与多目标尺寸分析对机床整机性能进行优化的方法。通过有限元仿真的方法对整机进行动静态特性分析，以识别整机动静态特性中的薄环节与易轻量化环节。选取床身结构为优化对象，首先通过仿真分析了地脚数量与结构固有频率的关系，对地脚支撑数量及其布局进行了优化。进而以地脚支撑优化结果作为床身结构优化的边界条件，基于元结构的多目标优化方法，确定了床身的拓扑结构及关键尺寸参数。结果表明，在整机质量减轻174kg的情况下，优化后的砂轮最大响应幅值减
少25%以上，最大响应幅值对应的频率提高10%以上，验证了文中提出方法的有效性。关键词：机床性能；薄弱环节识别；拓扑结构；多目标优化
中图分类号：TH161.3；TG506
文献标识码：A
Multi-objective Based Structure Optimization Design of Machine Tools QIU Wen-ying',ZHANG Jian-fu',YU Ding-wen',CAO Yu-zhong’,DU Hai-tao?
(1. Department of Mechanical Engineering , Tsinghua University , Beijing 100084, China ;2. Kunshan Huachen Heavy Machinery, Kunshan Jiangsu 215337, China)
Abstract : Considering the influence of the bed supports on the performance of the whole machine, this pa-per proposed a method to improve the static and dynamic characteristic of machine tools based on topology optimization and multi-objective optimization. A FEM model was constructed and then simulation was car-ried out to identify the weak and easy-to-lightweight part of machine tools. Taking the bed of the machine tool as an optimization object, it analyzed the relationships between the supports and the first order natural frequency of the bed. The numbers and layout of the supports on the bed were optimized. Then the topology and key sizes of the bed structure were obtained based on the multi-objective genetic algorithm. The results indicated that the response amplitude was reduced by about 25% and the vibration frequency increased by a-bout 10% with a decrease in mass about 174kg,
Key words: machine tool performance; weak link identification; topology optimization; multi-objective opti-mization
0引言
随着产品制造水准的提升和加工成本的降低，机床的结构性能需进一步增强，机床的制造成本也需要进一步降低。因此，如何在机床数字化设计过程中，通过研究整机静动态特性，准确识别影响机床整机性能的薄弱环节、确定优化目标、提升整机的性能是一个重要的研究方向。Huang等]通过建立整机有限元模型，仿真计算主要部件各个方向的静刚度，辨识整机前刚度薄弱环节。刘启伟等[2]通过有限元仿真得到串联刚度场曲线，通过刚度的变化率识别了机床整机的薄弱环节。于长亮等(3]基于串联刚度系统，提出动刚度薄弱环节的识别方法，通过计算部件对固有频率的影
收稿日期：2017-05-16
响程度辨识动刚度的薄弱环节。自前针对整机结构的性能分析，很少同时考虑动静刚度特性，且对于机床优化分析，除了考虑薄弱环节，还需从减少成本出发，考虑机床的轻量化。在综合考虑整机的动静态特性下，同时从增强刚度和轻量化方面精准确定优化目标，能够高效的优化整机的性能，
机床的安装通常需要通过地脚支撑连接床身与地脚，目前的有限元仿真分析研究中，很少有考虑地脚对机床性能的影响，仅将地脚支撑考虑为刚性连接。李荃等4研究表明弹性连接的垫铁前两阶模态明显低于刚性连接。张辉等[5]提出了一种辨识地脚结合部等效刚度与阻尼的方法，并验证了不考虑地脚支撑的仿真
*基金项目：国家科技重大专项（2015ZX04014021），国家自然科学基金（51575301）
作者简介：邱文瀛(1993一），男，湖南委底人，清华大学硕士研究生，研究方向为精密加工技术、先进制造装备、制造系统信息集成，（E-mail)qw
万方数据163.com；通讯作者：张建富（1975—），男，河北阳原人，清华大学副教投，博士生导师，博士，研究方向为精密加工技术、先进制造装备、制造系统信息集成，（E-mail）zhjf@tsinghua.edu.c