1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)果進行了驗證，獲得可接受的改進。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，在機械制造行業(yè)中，模具和機械零件已經(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質(zhì)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，它是一種先進的優(yōu)勢，由于對機床的干擾少，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)?ATC 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，提出了各種機械零件優(yōu)化的各種方法 [3]。宋等人 [ 4 ]提出的軸承短優(yōu)化設(shè)計提高了學(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行推導(dǎo)。BAGCI 和艾庫特 [ 6 ]提出田口優(yōu)化驗2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)同時是設(shè)計優(yōu)化的設(shè)計工具。SEO 等人 [ 9 ]提出了形狀優(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的 [ 10 ]。它顯示了一個權(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，以不同方式對臂形狀優(yōu)化是通過實驗設(shè)計的 [ 11 ]。在這項研究中，比以前的研究獲得更為優(yōu)化的模型 [ 11 ]，一個多階段進行的優(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，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，如雜質(zhì)，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。該變換器部分配備伺服電機，旋轉(zhuǎn)臂。臂部的嚙合工具是加工中心的旋轉(zhuǎn) 180°主軸和雜志顯示臂形變化。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行結(jié)構(gòu)分析。在進行有限元分析的參考后，使用商業(yè)分3析程序進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行的。在分析方法上，一個十六進制主導(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下，在 ATC 臂中心孔的支持下，使得重力加速度的應(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 兆帕的手指。圖 3 結(jié)構(gòu)分析：（一）臂的變形分布；（b）的應(yīng)力分布43 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。特別是，對于一些機械結(jié)構(gòu)的機床和工業(yè)機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，成為誘導(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%。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 分別表示應(yīng)力和變形。同時，σa 和 σb分別表示為的應(yīng)力和變形的允許值， 。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。5在最佳設(shè)計中，最佳的解決方案可以最大限度地減少臂的變形同時使用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6輕量級的結(jié)構(gòu) [ 16 ]改善經(jīng)濟。因此，實現(xiàn)手臂的輕量化優(yōu)化設(shè)計是在第二階段進行。在降低質(zhì)量的目標(biāo)是在 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 進行形狀優(yōu)化功能。為優(yōu)化設(shè)計的形式化可以如下：Z 是一個設(shè)計變量,δσ 表示顯示壓力和變形,分別和 σa 和 δa 表示津貼的應(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,它有一些局限性的設(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7結(jié)構(gòu)分析使用所提出的優(yōu)化設(shè)計進行設(shè)計。同時，在分析中的邊界條件被施加作為現(xiàn)有的初始模型是相同的。圖 8 顯示了結(jié)構(gòu)分析的結(jié)果，這是通過施加最佳形狀進行的。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 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 12.89%。此外，質(zhì)量從 7.871 2公斤的初始模型，減少到 7.142 5 公斤，多達 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)了在這項研究中進行的實驗設(shè)計。表 2 結(jié)果比較8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 進行本研究多級設(shè)計使得有可能吸引更多的改進優(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)的方法的實驗設(shè)計方法結(jié)果，提出采用多級優(yōu)化設(shè)計，驗證了優(yōu)化設(shè)計是否正確進行。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)用于機床的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計。9參考文獻[1] LEE S W, LEE H K. 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