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鏈?zhǔn)阶詣訐Q刀臂的多階段優(yōu)化設(shè)計
KIM Jae-Hyun, LEE Choon-Man
韓國昌原國立大學(xué)機(jī)電學(xué)院，昌原641-773，
中南大學(xué)出版社和柏林海德堡施普林格出版社2012
摘要：為了提高加工效率，刀具更換時間需要有所減少。因此，用于連接到一個自動換刀加工中心的換刀時間將減少。同時自動換刀系統(tǒng)是加工中心的一個重要部分，作為驅(qū)動源。使用商業(yè)代碼ANSYS Workbench V12試圖解釋自動換刀裝置的靜態(tài)屬性，對和自動換刀臂的優(yōu)化設(shè)計進(jìn)行了多級優(yōu)化設(shè)計。依靠自動換刀的形狀的優(yōu)化建議，并對結(jié)果進(jìn)行了驗證，獲得可接受的改進(jìn)。它是能夠獲得一個與初始模型的比較，最大變形，最大應(yīng)力和質(zhì)量分別減少10.46%，12.89%和9.26%的優(yōu)化模型。同時，實驗設(shè)計方法也與常規(guī)的實驗設(shè)計方法進(jìn)行了多級優(yōu)化比較。
關(guān)鍵詞：自動換刀裝置；優(yōu)化設(shè)計；結(jié)構(gòu)分析；交換臂
1 引言
最近，在機(jī)械制造行業(yè)中，模具和機(jī)械零件已經(jīng)變成了小批量生產(chǎn)系統(tǒng)。同時，需要提高生產(chǎn)率和切割速度。然而，從實踐觀點看，高質(zhì)量和低成本是有針對性的實際的立場。因此，對于這樣的目標(biāo)追求實現(xiàn)機(jī)床高速加工，實現(xiàn)自動化，縮短交貨時間。結(jié)果，它是可能的檢查狀態(tài)的工具和工件在機(jī)床使用適當(dāng)?shù)膫鞲衅?。此外，加工中心的自動換刀裝置（ATC）和一個托盤自動交換裝置（APC）旨在操作無人值守廠24 小時，自動換刀裝置存儲用于加工中心的雜志和變化的工具自動為所需的工具。改變這樣的管制的工具正是安裝在主軸[1]。
同時，它代表了一種先進(jìn)的優(yōu)勢，由于對機(jī)床的干擾少，加工中心操作者可以從事其他工作。也就是說，運營商可以控制其他機(jī)床或準(zhǔn)備下一個工件，從而減少生產(chǎn)時間。
在這項研究中使用的鏈?zhǔn)紸TC代表著許多工具都存儲在一個特征模塊。在工具的改變，兩個臂移動到旋轉(zhuǎn)180°在直接轉(zhuǎn)換的方式配置工具更改到下一個工具[2]。因此，有必要同時確保結(jié)構(gòu)特點和設(shè)計輕量化。
在實際的工業(yè)領(lǐng)域，優(yōu)化設(shè)計是非常重要的。因此，提出了各種機(jī)械零件優(yōu)化各種優(yōu)化方法[3]。
宋等人[ 4 ]提出的軸承短優(yōu)化設(shè)計提高學(xué)報的人工生命算法。阿萊爾等人[ 5 ]結(jié)合結(jié)構(gòu)優(yōu)化的拓?fù)浜托螤畹倪M(jìn)行推導(dǎo)。BAGCI和艾庫特[ 6 ]提出田口優(yōu)化驗證數(shù)控銑削的最佳表面粗糙度。蘭博迪[ 7 ]提出了一種基于模擬退火算法的桁架結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計。塞庫爾斯基[ 8 ]表明，遺傳算法是一種有效的多目標(biāo)優(yōu)化工具的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)同時設(shè)計優(yōu)化的設(shè)計工具。
SEO等人[ 9 ]提出的形狀優(yōu)化和基于ISO幾何分析的設(shè)計的延伸。
在優(yōu)化空管部門，其結(jié)構(gòu)特點的因素和輕量化是彼此相反[ 10 ]。它顯示一個權(quán)衡，如果追求提高結(jié)構(gòu)輕巧，結(jié)構(gòu)特點，將是一個弱點，如果改進(jìn)的結(jié)構(gòu)特點，對輕量化的實現(xiàn)是很困難的。因此，為了滿足這些相反的因素和優(yōu)化，以不同方式等臂形狀優(yōu)化是通過實驗設(shè)計了[ 11 ]。
在這項研究中，獲得更為優(yōu)化的模型比以前的研究[ 11 ]，一個多階段進(jìn)行的優(yōu)化設(shè)計。優(yōu)化設(shè)計是利用商業(yè)分析程序，CATIA V5和ANSYS Workbench，和分析的有效性是通過比較初始和傳統(tǒng)優(yōu)化模型在這項研究中實現(xiàn)的優(yōu)化模型研究。
2 AT的結(jié)構(gòu)
ATC由三個元素組成，如雜志，更換部分，和臂部。部分雜志是一種裝置，儲存大量的工具和修改工具使用伺服電機(jī)。該變換器部分配備伺服電機(jī)，旋轉(zhuǎn)臂。臂部的嚙合工具在加工中心的旋轉(zhuǎn)180°主軸和雜志顯示臂形變化的工具。
圖1說明了ATC模擬利用CATIA V5 R17的整個結(jié)構(gòu)。
圖1 就ATC鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)圖
手臂的初始模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析。在進(jìn)行有限元分析的參考，使用商業(yè)分析程序進(jìn)行了初步的有限元分析模型，利用ANSYS Workbench的V12。分析是通過最小化在臂的附加部分進(jìn)行。在分析方法上，一個十六進(jìn)制主導(dǎo)的方法應(yīng)用于一個有限元分析共51794個節(jié)點和13496元素。圖2顯示了手臂的初始有限元模型。
圖2 初始有限元模型的手臂
在分析的邊界條件，在ATC臂中心孔的支持，和重力加速度的應(yīng)用到整個身體。在負(fù)載條件下，負(fù)載147 N適用于夾兩端考慮工具的最大重量。
結(jié)構(gòu)分析的結(jié)果示于圖3。在夾具的初始模型兩端的最大變形量為5.7487μM。同時，最大應(yīng)力在截面邊緣產(chǎn)生，這推動了空管部門后4.1762兆帕的的手指。
圖3 結(jié)構(gòu)分析：（一）臂的變形分布；（b）的應(yīng)力分布
3 ARM的多階段優(yōu)化
靜態(tài)順應(yīng)性FX（= D / F）可通過靜剛度的得出了。特別是，在一些機(jī)械結(jié)構(gòu)的機(jī)床和工業(yè)機(jī)器人要求高精度和加工效率，就成為最重要的靜態(tài)特性以及結(jié)構(gòu)的重量，這些因素是綜合評價，同時。正如上面提到的，靜態(tài)優(yōu)化的問題被確定為這兩個目標(biāo)函數(shù)的靜態(tài)特性和重量最小化的問題[12]。
因此，在這項研究中，優(yōu)化是為滿足每個目標(biāo)函數(shù)的一個多級的方式進(jìn)行。第一階段為提高靜態(tài)特征的階段。通過定義設(shè)計因素，減少變形，可誘導(dǎo)的最佳模型。第二階段是確定為實現(xiàn)其輕量化的一個階段?；诘谝浑A段提出的優(yōu)化模型，形狀優(yōu)化是針對它的重量減少了10%行。
3.1第一階段的臂優(yōu)化設(shè)計
在第一階段的優(yōu)化設(shè)計，優(yōu)化設(shè)計的目的是最大限度地減少臂的變形。
圖4說明了手臂的設(shè)計變量。
圖4 ATC臂因素
臂的尺寸和形狀優(yōu)化設(shè)計的一般形式可以通過定義目標(biāo)函數(shù)和約束條件下的函數(shù)[13-15]。為實現(xiàn)對ATC臂的優(yōu)化設(shè)計，形式化定義如下：
其中X代表的設(shè)計變量，并σ和δ顯示應(yīng)力和變形，分別。同時，σa和σb為顯示的應(yīng)力和變形的允許值，分別為。一方面，A，B，和C的設(shè)計變量。設(shè)計變量的配置±30毫米，不到目前的碰撞干涉的影響在結(jié)構(gòu)上的設(shè)計。
在最佳設(shè)計，最佳的解決方案可以最大限度地減少臂的變形使用CATIA V5的產(chǎn)品工程優(yōu)化。表1給出了優(yōu)化結(jié)果。
圖5說明了該優(yōu)化設(shè)計的臂的結(jié)構(gòu)分析結(jié)果。在分析中的邊界條件被配置為作為初始模型同樣存在。
表1 優(yōu)化結(jié)果減小變形
圖5 減少變形的結(jié)構(gòu)分析優(yōu)化的ARM的：（a）變形分布；（b）的應(yīng)力分布
3.2第二級臂優(yōu)化設(shè)計
實現(xiàn)手臂的輕量化是降低工件成本的重要因素。同時，可以通過引入一個輕量級的結(jié)構(gòu)[ 16 ]改善經(jīng)濟(jì)。因此，實現(xiàn)手臂的輕量化優(yōu)化設(shè)計是在第二階段進(jìn)行。在降低質(zhì)量的目標(biāo)是10%的基礎(chǔ)上的最佳設(shè)計的第一階段提出的模型的手臂。為減少手臂的質(zhì)量，形狀優(yōu)化采用ANSYS Workbench進(jìn)行形狀優(yōu)化功能。為優(yōu)化設(shè)計的形式化可以如下：
在Z是一個設(shè)計變量,δσ和顯示壓力和變形,分別和σa和δa津貼的應(yīng)力和變形值。同時,設(shè)計變量Φr是配置找到所有部分的質(zhì)量減少可能除了部分,它有一些局限性在設(shè)計。
圖6說明了最佳的解決方案，最大限度地減少臂的變形結(jié)果。如圖6所示，提出了“部分刪除“代表一個質(zhì)量可部分去除它。根據(jù)研究結(jié)果，可部分除去到最高水平。圖7顯示了基于形狀優(yōu)化結(jié)果的臂輕量化提出的最佳形狀。
圖6 基于ANSYS的形狀優(yōu)化結(jié)果
圖7臂設(shè)計
結(jié)構(gòu)分析使用所提出的優(yōu)化設(shè)計進(jìn)行。同時，在分析中的邊界條件被施加作為現(xiàn)有的初始模型相同的。
圖8顯示了結(jié)構(gòu)分析的結(jié)果，這是通過施加的最佳形狀進(jìn)行。
圖8結(jié)構(gòu)分析的輕量化優(yōu)化臂：（a）變形分布；（b）的應(yīng)力分布
該模型的最大變形采用優(yōu)化設(shè)計，從5.748減少7μM在初始模型提出了5μ5.147 m高達(dá)10.46%，產(chǎn)生在夾子端作為初始模型相同的。同時，最大應(yīng)力降低4.176 2兆帕在初始模型3.637 9兆帕高達(dá)12.89%。此外，質(zhì)量從7.871 2公斤的初始模型，提出了減少到7.142 5公斤，多達(dá)9.26%。
表2給出了比較的結(jié)果的優(yōu)化設(shè)計[ 11 ]采用多級優(yōu)化設(shè)計實現(xiàn)了在這項研究中進(jìn)行的實驗設(shè)計。
表2 結(jié)果比較
在本研究中得到的結(jié)果與實驗設(shè)計的結(jié)果比較，最大變形，最大應(yīng)力，和質(zhì)量的1.38%，12.61%，和5.63%的降低，分別為。因此，可以看出，使用CATIA、ANSYS進(jìn)行本研究多級設(shè)計使得有可能吸引更多的改進(jìn)優(yōu)化設(shè)計比現(xiàn)有的研究。
4 結(jié)論
1）采用多級優(yōu)化設(shè)計，可以獲得一個優(yōu)化模型，與初始模型的比較最大變形，最大應(yīng)力和質(zhì)量分別減少10.46%，12.89%，9.26%，。
2）在多級優(yōu)化設(shè)計和進(jìn)行實驗設(shè)計與優(yōu)化設(shè)計的比較，最大變形，最大應(yīng)力和質(zhì)量分別減少了1.38%，12.61%和5.63%。
3）通過比較常規(guī)方法的結(jié)果的實驗設(shè)計方法，提出了采用多級優(yōu)化設(shè)計，驗證了優(yōu)化設(shè)計是否正確進(jìn)行。
4）基于CATIA、ANSYS商業(yè)軟件使用多級優(yōu)化設(shè)計驗證，預(yù)計可應(yīng)用于機(jī)床的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計。
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