双牛头电火花机床平滑枕的轻量化设计

２０１４年３月第４２卷第５期机床与液压ＭＡＣＨＩＮＥＴＯＯＬ＆ＨＹＤＲＡＵＬＩＣＳＭａｒ２０１４Ｖｏｌ４２Ｎｏ５ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊｉｓｓｎ１００１－３８８１２０１４０５０２６收稿日期：２０１３－０３－０４基金项目：广东省教育部产学研结合资助项目（２０１２Ｂ０９１１０００２３）作者简介：牛金磊（１９８６—），男，硕士研究生，主要研究方向为数控装备制造及其自动化。Ｅ－ｍａｉｌ：ｊｉｎｌｅｉｎｉｕ＠１６３ｃｏｍ。双牛头电火花机床平滑枕的轻量化设计牛金磊，李锻能，丰树礼（广东工业大学机电工程学院，广东广州５１０００６）摘要：根据企业实际需求，对某型号双牛头电火花机床平滑枕结构的静、动态特性以及轻量化进行研究，在外形结构尺寸和所用材料的约束下，通过对不合理筋板结构的改进和针对主要尺寸参数灵敏度分析的基础上，最终得出优化设计模型。仿真分析结果表明：优化后的模型在确保静、动态特性的基础上，轻量化效果明显，质量减轻达１２０７％。关键词：平滑枕；双牛头式电火花机床；灵敏度；轻量化中图分类号：ＴＧ５０２１　　文献标识码：Ｂ　　文章编号：１００１－３８８１（２０１４）５－０９３－２ＡＬｉｇｈｔｗｅｉｇｈｔＤｅｓｉｇｎｏｆＳｍｏｏｔｈＰｉｌｌｏｗｉｎＤｏｕｂｌｅＴａｕｒｅｎＥＤＭＭａｃｈｉｎｅＮＩＵＪｉｎｌｅｉ，ＬＩＤｕａｎｎｅｎｇ，ＦＥＮＧＳｈｕｌｉ（ＭｅｃｈｉｔｒｏｎｅＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＣｏｌｌｅｇｅ，ＧｕａｎｇｄｏｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ＧｕａｎｇｚｈｏｕＧｕａｎｇｄｏｎｇ５１０００６，Ｃｈｉｎａ）　　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅｅｎｔｅｒｐｒｉｓｅａｃｔｕａｌｄｅｍａｎｄ，ｔｈｅｓｔａｔｉｃａｎｄｄｙｎａｍｉｃｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ，ｌｉｇｈｔｗｅｉｇｈｔａｎａｌｙｓｉｓｏｆｓｍｏｏｔｈｐｉｌｌｏｗｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆａｃｅｒｔａｉｎｔｙｐｅｏｆｄｏｕｂｌｅｔａｕｒｅｎＥＤＭｍａｃｈｉｎｅｗｅｒｅｓｔｕｄｉｅｄ．Ｉｎｔｈｅｓｉｔｕａｔｉｏｎｏｆｍａｔｅｒｉａｌａｎｄｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓｉｚｅｃｏｎｓｔｒａｉｎｔｓ，ｂａｓｅｄｏｎｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔｏｎｕｎｒｅａｓｏｎａｂｌｅｒｅｉｎｆｏｒｃｉｎｇｐｌａｔｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅａｎｄｍａｉｎｓｉｚｅｐａｒａｍｅｔｅｒｓｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙａｎａｌｙｓｉｓ，ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｄｅｓｉｇｎｍｏｄｅｌｗａｓｇｏｔｔｅｎ．Ｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎａｎａｌｙｓｉｓｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｏｐｔｉｍｉｚｅｄｍｏｄｅｌｅｎｓｕｒｅｓｓｔａｔｉｃａｎｄｄｙｎａｍｉｃｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ，ａｎｄｈａｓｏｂｖｉｏｕｓｌｉｇｈｔｗｅｉｇｈｔｅｆｆｅｃｔ，ｗｅｉｇｈｔｌｏｓｓａｍｏｕｎｔｓｔｏ１２０７％．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｓｍｏｏｔｈｐｉｌｌｏｗ；ＤｏｕｂｌｅｔａｕｒｅｎＥＤＭｍａｃｈｉｎｅ；Ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ；Ｌｉｇｈｔｗｅｉｇｈｔ　　现代电火花加工技术的发展对于机床的精度和稳定性提出了越来越高的要求。由于牛头式电火花加工机床具有承载能力强、工件安装稳定性好、检测方便、滑枕移动轻捷且加工精度不受工作台负荷的影响等优点，因此这种结构形式被广泛采用于大中型火花加工机床的设计［１］。双牛头电火花加工机床的工作效率比单牛高出２倍以上，目前，被企业广泛使用。尤其在加工模具的窄槽、冒孔、拐角时，电火花机床发挥了重要优势［２－３］。但是牛头式结构使得其主轴相关部件的精度受重力的影响较大，因其作为运动部件，对其进行轻量化设计不仅可以实现节能减材的作用，而且对整机的静、动态特性的改善也有显著的影响。以某型号双牛头电火花加工机床的平滑枕为研究对象，以平滑枕的轻量化为最终的设计目标，在确保其静、动态特性的基础上进行优化设计，以期达到良好的效果。１　平滑枕静、动态特性分析１１　建立平滑枕有限元模型运用三维实体建模软件ＳｏｌｉｄＷｏｒｋｓ建立实体仿真模型，忽略对模型刚度影响不大的小结构件和小特征（如倒角、圆角等），这样有利于提高划分的有限元网格的质量和分析精度，缩短计算时间。根据以上要求和实际尺寸建立平滑枕实体模型。在平滑枕的安装尺寸、外型大体结构和使用材料约束的条件下，主要的设计参数为：内部筋板的结构和厚度、两侧外壁板厚度、外壳上壁板开窗位置。１２　平滑枕静、动态特性分析图１　平滑枕在整机中的装配关系平滑枕的材料为灰铸铁，弹性模量Ｅ＝１１×１０９Ｐａ；泊松比为０２７；密度为７２００ｋｇ／ｍ３。由于平滑枕悬伸至机床Ｘ正方向极限位置时（如图１）产生的变形最大，此时静止状态所受的外部载荷主要为主轴调整座、主轴头、工具电极的重力，取最大值４５００Ｎ。运用Ｗｏｒｋｂｅｎｃｈ有限元分析软件进行模拟分析，结果表明：其最大变形为２６０７５μｍ；动态分析主要研究固有频率和振型，由于低阶模态基本决定了机床产品的动态性能，因此只研究其前４阶固有频率和振型，分析结果见表１。表１　动态特性模态阶数固有频率／Ｈｚ振型１１０６．２６牛头前端左右摆动２１９４．４１牛头前端上下摆动３２００．８２牛头前后端上下摆动４２９３．４７牛头绕ｘ轴扭动２　平滑枕结构优化设计２１　基于不合理结构的改进设计由于平滑枕原型内部筋板的结构形状和布局，采用的是传统经验设计，不仅增加了制造成本，而且也增加了工作运动过程中的驱动能耗。北京航空航天大学赵岭等人［４］针对王莲叶脉分布对机床横梁筋板结构进行仿生设计并取得了良好的效果，对平滑枕筋板结构设计有很好的借鉴意义。据此有针对性地对平滑枕筋板结构仿照叶片中叶脉的结构布局进行了改进；并根据平滑枕在实际承受外载时产生的内应力分布不均匀的特性，对受力较大的上壁板不合理的开窗进行调整，同时为力求最大限度的轻量化，对应力分布较小的部分进行了开窗处理，得到优化模型１如图２所示。图２　优化模型１２２　基于平滑枕主要设计参数的灵敏度分析灵敏度分析的基本原理：先运用数学方法计算出结构的静、动态特性指标随设计参数变化的灵敏度，并依据灵敏度值的大小和正负对设计参数进行修正。采用灵敏度分析可以很方便地找出灵敏度参数，再修改模型重新分析，最终找到最优设计方案［５］。在优化模型１的基础上，针对平滑枕主要设计参数，分别做了静、动态特性的灵敏度分析。在此以筋板的厚度的灵敏度分析为例（如图３、４、５），其他参数同理，试图找出随着某一设计参数的变化对静、动态特性的灵敏度影响较小而对质量的变化影响较大的参数作为设计变量，进行改进设计。图３　筋板厚度变化与静　　图４　筋板厚度变化与动态特性灵敏度分析态特性灵敏度分析图５　筋板厚度变化质量灵敏度分析由上述分析可见：筋板厚度这一参数的变化符合上述要求。因为，在筋板厚度变化时，其最大变形量和加权固有频率的变化范围非常小，而质量的变化却很大，故将其作为设计变量。其值的变化范围０～３５ｍｍ（原型筋板厚度为３５ｍｍ，质量为１０８６６ｋｇ）。改变其值对静、动态特性和质量的变化影响详见表２。表２　筋板厚度的变化对静、动态特性和质量的影响模型最大变形量／μｍ加权固有频率／Ｈｚ质量／ｋｇ质量减少／ｋｇ原型２６．０７５１８９．０６１０８６．６０优化模型１２５．５１７１８５．５６１０１７．３６９．３优化模型２２５．８６２１８６．７５９５５．３３１３１．２　　注：加权固有频率Ｆ＝ａｆ１＋ｂｆ２＋ｃｆ３＋ｄｆ４，其中ｆ１、ｆ２、ｆ３、ｆ４为前４阶固有频率；ａ、ｂ、ｃ、ｄ为加权系数，分别取０３、０３、０２、０２图６　优化模型２（下转第９８页）·４９·机床与液压第４２卷由图３可以看出，整个控制软件主要在ＱＴ环境下开发，主要包括３个模块：运行状态的实时监控和显示模块、手动控制模块以及自动控制模块，其中自动控制控制模块包含有模糊ＰＩＤ控制算法。控制软件发出的命令数据必须通过ＴｗｉｎＣＡＴ软件才能到达设备层，同时设备层反馈的数据也必须先经过ＴｗｉｎＣＡＴ软件才能到达控制软件，所以在压装控制过程中要同时启动控制软件和ＴｗｉｎＣＡＴ软件，才能实现数据的实时通信。ＴｗｉｎＣＡＴ组态软件由实时环境和在开发环境中执行控制程序的实时系统组成，主要用于编程、诊断和系统配置，可以实现软ＰＬＣ控制和软移动控制。４２　ＴｗｉｎＣＡＴ组态软件与ＱＴ的数据接口为了方便用户使用常用的编程软件和编程语言进行编程，ＴｗｉｎＣＡＴ软件提供了与其他编程软件的接口Ｒ３ＩＯ，Ｒ３ＩＯ提供了相应的ｄｌｌ文件、头文件（．ｈ）、库文件（．ｌｉｂ），只需把这些接口文件放到指定的位置，就可以实现ＱＴ与ＴｗｉｎＣＡＴ的数据通信。同时根据控制的需求，在ＴｗｉｎＣＡＴ中添加相应的输出和输入变量，然后生成相应的头文件，添加的变量以结构体的形式包含在头文件中，把此头文件包含到ＱＴ程序中，通过对头文件中的变量进行操作就可以实现对设备层的控制。５　总结根据发动机压装系统的要求，使用伺服电动缸代替液压缸设计了一套发动压装控制系统。新型的实时工业以太网ＥｔｈｅｒＣＡＴ总线技术的使用有效地提高了设备层和控制层之间数据传输的准确性、快速性和稳定性，同时降低了生产成本。把模糊ＰＩＤ技术应用到压装控制系统中，符合压装力控制的要求，实现了压力－位置闭环控制。最终，把伺服电动缸、ＥｔｈｅｒＣＡＴ技术和模糊ＰＩＤ控制技术结合在一起，有效地提高了发动机自动化压装系统的控制性能和产品的质量。参考文献：【１】潘云龙，高伟强，阎秋生，等．基于有限元方法的发动机压装工艺仿真研究［Ｊ］．机电工程技术，２０１２，４０（１０）：９２－９６．【２】涂富田．全自动轮对压装机的研制［Ｄ］．成都：西南交通大学，２００４．【３】郇极，刘艳强．工业以太网现场总线ＥｔｈｅｒＣＡＴ驱动程序设计及应用［Ｍ］．北京：北京航空航天大学出版社，２０１０．【４】王童谣，胡建易．模糊ＰＩＤ自整定算法在ＰＬＣ中的实现［Ｊ］．辽宁科技大学学报，２０１０，３３（２）：１４９－１５２．【５】史小磊．基于ＢＥＣＫＨＯＦＦＴｗｉｎＣＡＴ的开放式数控软件的开发［Ｄ］．哈尔滨：哈尔滨工业大学，２０１１．【６】王晓亮．基于ＥｔｈｅｒＣＡＴ协议的网络控制系统研究［Ｄ］．大连：大连理工大学，２０１０．【７】刘曙光，王志宏，费佩燕，等．模糊控制的发展与展望［Ｊ］．机电工程，２０００，１７（１）：９－１２．【８】霍玉芳，赵天明，郭玉坤．压力、位移监测系统在缸盖导管阀座压装中的应用研究［Ｊ］．工艺装备，２０１１（５）：７３－７５．（上接第９４页）由表２可见：当筋板厚度为０时，即除去内部筋板时其静、动态特性变化非常微小但其质量明显减轻，将其作为优化模型２，如图６所示。３　结果的对比分析针对企业中平滑枕质量大这一实际问题出发，同时确保结构外形尺寸和材料的约束下，并确保静、动态特性不受损失的要求下进行改进设计，尽可能地减轻其质量。故在满足静、动态特性的前提下，轻量化作为唯一的评价标准。表３　原型同优化模型１、２对比筋板厚度／ｍｍ最大变形量／μｍ加权固有频率／Ｈｚ质量／ｋｇ质量减少／ｋｇ３５２５．５１７１８５．５６１０１７．３６９．３３０２５．５６１８４．８０１００８．５７８．１２０２５．６４７１８３．６６９９０．７５９５．８５１５２５．７２６１８３．３４９８１．９１０４．７０２５．８６２１８６．７５９５５．３３１３１．２　　由表３可知：优化模型１、２与原型相比，静、动态特性匀有所改善，但优化模型２的轻量化效果最为明显，质量减轻了１３１２ｋｇ。４　结论根据企业实际需求，通过借鉴仿生的设计方法改变其内部筋板的布局结构和对主要尺寸参数进行灵敏度分析的基础上，确保其静、动态特性的前提下，对平滑枕进行最大限度的轻量化设计。结果表明：优化方案２的轻量化效果明显，质量减少１３１２ｋｇ，由于整机为双牛头结构，因此整体减重可达２６２４ｋｇ。参考文献：【１】杨大勇，王大鹏，张海峰，等．牛头式电火花加工机床重力引发变形的有限元分析［Ｊ］．新技术新工艺，２０１１（３）：５３－５５．【２】杨大勇，伏金娟．电火花成形加工技术及其发展动向［Ｊ］．航空制造技术，２０１０（５）：４３－４