数控机床关键结构件的优化设计

    摘 要 数控机床关键结构件的优化对于提高数控机床的设计效率、改进机床的加工质量具有重要的作用。通过对关键结构件的优化，不仅有效的改善机床的设计效率和质量，更对提高机床本身的动态性能，更对机床的加工精度有促进作用。本文对机床结构件的尺寸优化、几何优化、拓扑结构优化三种优化技术各自所具有的特点进行分析，提出一种将此三种方法相结合的综合优化设计策略，达到理想的优化效果。
　　关键词 数控机床；结构件；优化；拓扑结构
　　中图分类号TG659 文献标识码A 文章编号 1674-6708（2013）105-0096-02
　　随着加工制造业的飞速发展，对数控机床的加工效率和动态性能的要求不断提高，机床设备的各个结构件，只有不断的进行优化设计，才能够保证其对不同角度、不同要求的技术指标满足，从而达到结构重量的减轻，提高结构刚度，提高产品加工精度的目的。传统方法上对数控机床的结构设计多是建立在以往的设计经验基础之上，这种经验设计的机床无论在性能上还是在整体的结构上都难以满足技术标准的要求，效果十分不理想。对于高新数控机床来说，只有通过优化设计，才能从根本上保证机床的动态性能，提高机床工作相应的速度，提高加工质量。机床结构件的优化方法中，以截面尺寸优化方法和几何优化方法运用时间较长，另外结构拓扑的优化方法在实现设计的新颖高效上也有自身独特的优势。如果将三种方法的各自优势之处综合加以运用，建立一种结构件的综合性优化设计方案，必能获得更好的优化设计效果。
　　1 数控机床关键结构件的截面优化与几何优化
　　采用截面优化的方法对数控机床关键结构件进行优化设计已经发展了较长一段时间，方法的运用已经比较成熟，此种方法是建立在制定的拓扑结构和几何布局的基础之上的。取结构件的截面面积或者取结构件的截面厚度作为优化设计的变量，取最轻的结构重量，或者最大的结构刚度，也可以选最好的性能参数作为优化设计的目标函数。在进行结构件的截面优化的过程中，其质量、刚度的矩阵都能够采取变量乘以常数阵的形式，因此在计算约束梯度方面相对比较简单。对于结构件的截面优化设计来说，只需只要变量的代换适当，加上采用合适的方法进行变量连接，就能够达到提高优化效率的效果。但是因为截面优化是建立在几何布局和特定的结构拓扑的基础之上，其优化设计的效果必然会受到此二者的限制。见下图1所示：
　　图1 截面优化和几何优化模型图
　　如图1中（a）图所示为截面优化模型图，机床的床身结构件模型进行截面优化的设计计算后，其静态性能约束和动态性能约束均已经达到了限制边界，但是模型的截面尺寸中有大部分与下限还明显存在距离，直接反映出截面优化的方法所具有的局限性缺陷。要解决这一缺陷，可接着对其进行结构上的几何优化，见图1中（b）所示，将有限元模型的节点坐标看做是几何优化设计方法中的变量，以此为条件进行优化设计。优化设计后的模型结构，界面尺寸明显减少，重量也有了大幅度的减轻。几何优化中的变量连接的不仅仅是线性关系，因为可能设计其它的设计变量，因此也可能是关于其它变量的非线性函数，在进行梯度计算时要充分考虑其它坐标分量及其分量函数的关系。另外还要考虑优化算法中荷载的方向和位移约束方向可能会因为形状的变化而发生改变。
　　2 数控机床关键结构件的结构拓扑优化