直线电机驱动型工作台结构有限元分析与优化
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
２１ ００年 ６月 中国制造业信 息化
第３ 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
２ １６ ） １ １ ７
・
现代 设计 与先进 制造 技术 ・
林
健
汪木 兰 闫
华 等
直线 电机 驱动 型工作 台结 构 …… ２ ９
的三维 几何 体 。
３ 结 构 参 数 优化
具 有结构 简单 、 态响应快 、 动 传动 刚度高 、 进给速度 与加 速度大 、 度高 、 精 行程不受 限制 等一系列 优点 ， 近年来 逐步在 高速 、 高精度数 控机床 和加 工 中心上 推广应 用… １。
虽 然直线 电动 机 的 加 速度 可 达 ｌ ｇ， 机 床 Ｏ 但
功能 ， 如参数 、 、 宏 运算 、 程序控制以及访 问Ａ Ｓ Ｓ ＮＹ 有限元数据库等 ； 另外还提供简单 的界面定制功 能， 实现参 数交互输 入 、 消息机制 、 面驱动和运行 界 程序 等 。利 用 ＡＰ Ｌ语言 与宏 技 术组 织管 理 Ａ Ｄ Ｎ—
摘 要 ： 绍 了基 于有 限元 分析软件 ＡＮ Ｙ 介 Ｓ Ｓ的机床 工作 台结构 尺寸优 化设 计 的原 理和 方法 ，然后
采用 ）Ｌ Ａ ｓ ｓ参数化设计语言） Ｄ （Ｎ Ｙ 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 ： 筋条数 目、 对 间距 、 尺寸进行 参数优 化 ，能够提 高工作 台结 构的 比刚度 。
度前提下 ， 尽量 减小 工 作 台 的质 量 ， 采用 质 量轻 的
优 化结果 的取得 是 通过 改 变设 计 变量 的数值 来 实
现的， 每个设计变量都有上下限 ， 它定义了设计变
量 的变化 范 围 ；２ （ ）状 态变 量 是 约束 设 计 的数 值 ，
它们 可 以是 设计 变量 的 函 数 ， 可 独 立 于设 计 变 也
收稿 日期 ：０ ０—０ —２ ２１ ３ ２
求解规模 。机床 工作 台的结构模型借助 Ｕ Ｇ软件 建立 ， ７０ 长 ３ｍｍ， ６０ 宽 ５ｍｍ， ８ｍｍ， 图 １所 厚 ５ 如
示 。 由于具有直 筋等结 构要素 ， 属于 中等复杂程 度
作者简介： 林
健（９ １ ， ， １ ７ 一）男 江苏南京人 ， 南京工程学院副教授 ， 硕士 ， 主要研究方 向为数控机床 的伺服控制。
铝合金 和纤维增 强塑料 ，可以得 到 比较好 的性 能 ，
但 是成本太 高 。（ ） ３ 采用 常规 材料 ， 工 作 台截 面 对 形 状和尺 寸进行 有限元分 析和优 化设计 ， 例如合 理
量 ， 变量 可能 会 有上 下 限 ， 可能 只有 单 方 面 状态 也
的 限制 ， 即只有上 限 或 只有 下 限 ；３ （ ）目标 函数 是
布置筋条 ， 使它们均匀地传递载荷 ， 将外壁 的弯曲
变形 转化为其 自身 的拉 伸 或压 缩 变形 等 。相 对 于
个尽量 减少 的数 值 ， 必须 是 设 计变 量 的 函数 ， 它 改变设计 变量 的数值将 改变 目标 函数 的数值 Ｊ 。
一
前 ２ 方法 ， ３种 方 法 成本 最 低 ， 种 第 并且 其 性 能也
优化设计 ， 提高其 比刚度， 以适应直线 电机高加速 度 的要求 。
的载荷 ， 最后完 成计算 。建模 与划 分网格是其 中比 较重要 的步骤 【 。 网格 的划 分直 接 决定 了问题 的 ５ ］
１ ＡＮＳ ＹＳ优 化 设 计简 介
Ａ Ｙ ＮＳ Ｓ是 在 ２ ０世 纪 ７ Ｏ年代 由 Ａ Ｙ ＮＳ Ｓ公 司
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 对有 限 元 分 析 的 需 求 ｊ 。ＡＰ Ｌ 是 一 种 类 似 于 Ｄ
ＦＲ Ｒ Ｏ Ｔ ＡＮ的解 释 性 语 言 ， 供 一 般 程 序 语 言 的 提
传动环节 ， 把机床进给传动链的长度缩短为零 ， 故 也称为 “ 零传动 ” 是数控 机床高 速化 的一种理想 的 ， 传 动方式 。与传 统 的滚 珠丝 杠 传 动 形式 相 比 ，它
能满 足进给 系统 的要 求 。本文 采用第 ３种方 法 ， 利 用 ＡＮ Ｙ Ｓ Ｓ软件 对 工 作 台结 构 进行 有 限元 分 析 和
２ 工 作 台有 限元模 型 的建 立
利 用 有 限元 法进 行结 构 优 化分析 的一般 步骤 是 ： 建模 ， 先 然后划 分 网格 ， 再研究 边界条件 和所受
Ｓ ＹＳ的有 限元分 析命 令 ， 可 以实 现参 数 化建 模 ， 就
从 而极大地 提高分 析效率 ＿ 。 ３ ｊ Ａ Ｙ ＮＳ Ｓ的优化模 块采 用 了 ３ 优化变 量来描 大 述优化 过程 ， 分别 是 ： １ 设 计 变量 为 自变 量 ， 它们 （）
工作 台 的加 速度 由于受 其本 身 质量 和 其 上物 品质 量的影 响而大大下 降 。为 了提高 机床 的加速度 ， 可 从 ３方 面着手 ：１尽 量使 工作 台不 参加运 动 ， 有 （） 故 的高速 机床采 用“ 中箱 ” 箱 结构 ， 作 台 固定 不动 ， 工 ３个移动轴 均在工 作 台一 侧 。 （） ２ 在保 证 足够 的 刚
关 键词 ： 工作 台 ； 筋条 ； 寸优化 ； 尺 比刚度 ； ＡＮＳ ＹＳ 中图分类号 ： Ｂ ７ Ｔ ５ ２ １ Ｔ １ ； Ｇ ０ ． 文献标识 码 ： 文章编 号 ：６ ２—１ １ （０ ０ １ —０ ２ —０ Ａ １７ ６ ６ ２ １ ）１ ０ ８ ３ 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 ， 已广泛应 用于航 空 、 现 电子 、
第３ 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
２ １６ ） １ １ ７
・
现代 设计 与先进 制造 技术 ・
林
健
汪木 兰 闫
华 等
直线 电机 驱动 型工作 台结 构 …… ２ ９
的三维 几何 体 。
３ 结 构 参 数 优化
具 有结构 简单 、 态响应快 、 动 传动 刚度高 、 进给速度 与加 速度大 、 度高 、 精 行程不受 限制 等一系列 优点 ， 近年来 逐步在 高速 、 高精度数 控机床 和加 工 中心上 推广应 用… １。
虽 然直线 电动 机 的 加 速度 可 达 ｌ ｇ， 机 床 Ｏ 但
功能 ， 如参数 、 、 宏 运算 、 程序控制以及访 问Ａ Ｓ Ｓ ＮＹ 有限元数据库等 ； 另外还提供简单 的界面定制功 能， 实现参 数交互输 入 、 消息机制 、 面驱动和运行 界 程序 等 。利 用 ＡＰ Ｌ语言 与宏 技 术组 织管 理 Ａ Ｄ Ｎ—
摘 要 ： 绍 了基 于有 限元 分析软件 ＡＮ Ｙ 介 Ｓ Ｓ的机床 工作 台结构 尺寸优 化设 计 的原 理和 方法 ，然后
采用 ）Ｌ Ａ ｓ ｓ参数化设计语言） Ｄ （Ｎ Ｙ 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 ： 筋条数 目、 对 间距 、 尺寸进行 参数优 化 ，能够提 高工作 台结 构的 比刚度 。
度前提下 ， 尽量 减小 工 作 台 的质 量 ， 采用 质 量轻 的
优 化结果 的取得 是 通过 改 变设 计 变量 的数值 来 实
现的， 每个设计变量都有上下限 ， 它定义了设计变
量 的变化 范 围 ；２ （ ）状 态变 量 是 约束 设 计 的数 值 ，
它们 可 以是 设计 变量 的 函 数 ， 可 独 立 于设 计 变 也
收稿 日期 ：０ ０—０ —２ ２１ ３ ２
求解规模 。机床 工作 台的结构模型借助 Ｕ Ｇ软件 建立 ， ７０ 长 ３ｍｍ， ６０ 宽 ５ｍｍ， ８ｍｍ， 图 １所 厚 ５ 如
示 。 由于具有直 筋等结 构要素 ， 属于 中等复杂程 度
作者简介： 林
健（９ １ ， ， １ ７ 一）男 江苏南京人 ， 南京工程学院副教授 ， 硕士 ， 主要研究方 向为数控机床 的伺服控制。
铝合金 和纤维增 强塑料 ，可以得 到 比较好 的性 能 ，
但 是成本太 高 。（ ） ３ 采用 常规 材料 ， 工 作 台截 面 对 形 状和尺 寸进行 有限元分 析和优 化设计 ， 例如合 理
量 ， 变量 可能 会 有上 下 限 ， 可能 只有 单 方 面 状态 也
的 限制 ， 即只有上 限 或 只有 下 限 ；３ （ ）目标 函数 是
布置筋条 ， 使它们均匀地传递载荷 ， 将外壁 的弯曲
变形 转化为其 自身 的拉 伸 或压 缩 变形 等 。相 对 于
个尽量 减少 的数 值 ， 必须 是 设 计变 量 的 函数 ， 它 改变设计 变量 的数值将 改变 目标 函数 的数值 Ｊ 。
一
前 ２ 方法 ， ３种 方 法 成本 最 低 ， 种 第 并且 其 性 能也
优化设计 ， 提高其 比刚度， 以适应直线 电机高加速 度 的要求 。
的载荷 ， 最后完 成计算 。建模 与划 分网格是其 中比 较重要 的步骤 【 。 网格 的划 分直 接 决定 了问题 的 ５ ］
１ ＡＮＳ ＹＳ优 化 设 计简 介
Ａ Ｙ ＮＳ Ｓ是 在 ２ ０世 纪 ７ Ｏ年代 由 Ａ Ｙ ＮＳ Ｓ公 司
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 对有 限 元 分 析 的 需 求 ｊ 。ＡＰ Ｌ 是 一 种 类 似 于 Ｄ
ＦＲ Ｒ Ｏ Ｔ ＡＮ的解 释 性 语 言 ， 供 一 般 程 序 语 言 的 提
传动环节 ， 把机床进给传动链的长度缩短为零 ， 故 也称为 “ 零传动 ” 是数控 机床高 速化 的一种理想 的 ， 传 动方式 。与传 统 的滚 珠丝 杠 传 动 形式 相 比 ，它
能满 足进给 系统 的要 求 。本文 采用第 ３种方 法 ， 利 用 ＡＮ Ｙ Ｓ Ｓ软件 对 工 作 台结 构 进行 有 限元 分 析 和
２ 工 作 台有 限元模 型 的建 立
利 用 有 限元 法进 行结 构 优 化分析 的一般 步骤 是 ： 建模 ， 先 然后划 分 网格 ， 再研究 边界条件 和所受
Ｓ ＹＳ的有 限元分 析命 令 ， 可 以实 现参 数 化建 模 ， 就
从 而极大地 提高分 析效率 ＿ 。 ３ ｊ Ａ Ｙ ＮＳ Ｓ的优化模 块采 用 了 ３ 优化变 量来描 大 述优化 过程 ， 分别 是 ： １ 设 计 变量 为 自变 量 ， 它们 （）
工作 台 的加 速度 由于受 其本 身 质量 和 其 上物 品质 量的影 响而大大下 降 。为 了提高 机床 的加速度 ， 可 从 ３方 面着手 ：１尽 量使 工作 台不 参加运 动 ， 有 （） 故 的高速 机床采 用“ 中箱 ” 箱 结构 ， 作 台 固定 不动 ， 工 ３个移动轴 均在工 作 台一 侧 。 （） ２ 在保 证 足够 的 刚
关 键词 ： 工作 台 ； 筋条 ； 寸优化 ； 尺 比刚度 ； ＡＮＳ ＹＳ 中图分类号 ： Ｂ ７ Ｔ ５ ２ １ Ｔ １ ； Ｇ ０ ． 文献标识 码 ： 文章编 号 ：６ ２—１ １ （０ ０ １ —０ ２ —０ Ａ １７ ６ ６ ２ １ ）１ ０ ８ ３ 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 ， 已广泛应 用于航 空 、 现 电子 、