直线电机驱动型工作台结构有限元分析与优化.pdfVIP

2010年6月 中国制造业信息化 第39卷 第 11期 直线电机驱动型工作 台结构有限元分析与优化 林 健 ，汪木兰，闫 华，汤玉 东 (南京工程学院 自动化学院先进数控技术江苏省高校重点建设实验室，江苏 南京 211167) 摘要：介绍了基于有限元分析软件ANSYS的机床工作台结构尺寸优化设计的原理和方法，然后 采用 )DL(ANsYs参数化设计语言)对工作台参数化建模，并用4种不同方案，对其尺寸参数 优化。结果表明：对筋条数 目、间距、尺寸进行参数优化，能够提高工作台结构的比刚度。 关键词：工作台；筋条；尺寸优化；比刚度 ；ANSYS 中图分类号 ：TB17；TG502．1 文献标识码：A 文章编号 ：1672—1616(2010)11—0028—03 直线进给系统是一种新颖的数控机床进给系 开发的工程分析软件，现已广泛应用于航空、电子、 统驱动方式，消除从电动机到工作台之间的中间 汽车、机械、土木工程等各个领域，能够满足各行业 传动环节，把机床进给传动链的长度缩短为零，故 对有限元分析的需求 j。APDL是一种类似于 也称为 “零传动”，是数控机床高速化的一种理想的 FORTRAN的解释性语言，提供一般程序语言的 传动方式。与传统的滚珠丝杠传动形式相比，它 功能，如参数、宏、运算、程序控制以及访问ANSYS 具有结构简单、动态响应快、传动刚度高、进给速度 有限元数据库等；另外还提供简单的界面定制功 与加速度大、精度高、行程不受限制等一系列优点， 能，实现参数交互输入、消息机制、界面驱动和运行 近年来逐步在高速、高精度数控机床和加工中心上 程序等。利用APDL语言与宏技术组织管理AN— 推广应用…1。 SYS的有限元分析命令，就可以实现参数化建模， 虽然直线 电动机的加速度可达 lOg，但机床 从而极大地提高分析效率_3j。 工作台的加速度 由于受其本身质量和其上物品质 ANSYS的优化模块采用了3大优化变量来描 量的影响而大大下降。为了提高机床的加速度，可 述优化过程 ，它们分别是：(1)设计变量为 自变量， 从3方面着手：(1)尽量使工作台不参加运动，故有 优化结果的取得是通过改变设计变量的数值来实 的高速机床采用 “箱中箱”结构，工作台固定不动， 现的，每个设计变量都有上下限，它定义了设计变 3个移动轴均在工作台一侧。(2)在保证足够的刚 量的变化范围；(2)状态变量是约束设计的数值， 度前提下，尽量减小工作台的质量，采用质量轻的 它们可以是设计变量的函数，也可独立于设计变 铝合金和纤维增强塑料，可以得到比较好的性能， 量，状态变量可能会有上下限，也可能只有单方面 但是成本太高。(3)采用常规材料，对工作台截面 的限制，即只有上限或只有下限；(3)目标函数是 形状和尺寸进行有限元分析和优化设计，例如合理 一 个尽量减少的数值，它必须是设计变量的函数， 布置筋条，使它们均匀地传递载荷，将外壁的弯曲 改变设计变量的数值将改变 目标函数的数值 J。 变形转化为其 自身的拉伸或压缩变形等。相对于 前2种方法，第 3种方法成本最低，并且其性能也 2 工作台有限元模型的建立 能满足进给系统的要求。本文采用第 3种方法，利 利用有限元法进行结构优化分析的一般步骤 用ANSYS软件对工作台结构进行有限元分析和 是：先建模 ，然后划分网格，再研究边界条件和所受 优化设计，提高其比刚度，以适应直线电机高加速 的载荷，最后完成计算。建模与划分网格是其中比 度的要求。 较重要的步骤 5【]。网格的划分直接决定了问题的