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鏈式自動換刀臂的多階段優(yōu)化設計
KIM Jae-Hyun, LEE Choon-Man
韓國昌原國立大學機電學院，昌原641-773，
中南大學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)化設計進行了多級優(yōu)化設計。依靠自動換刀的形狀的優(yōu)化建議，并對結果進行了驗證，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，實驗設計方法也與常規(guī)的實驗設計方法進行了多級優(yōu)化比較。
關鍵詞：自動換刀裝置；優(yōu)化設計；結構分析；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，對于這樣的目標追求實現(xiàn)機床高速加工，實現(xiàn)自動化，縮短交貨時間。結果，它是可能的檢查狀態(tài)的工具和工件在機床使用適當?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式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，有必要同時確保結構特點和設計輕量化。
在實際的工業(yè)領域，優(yōu)化設計是非常重要的。因此，提出了各種機械零件優(yōu)化各種優(yōu)化方法[3]。
宋等人[ 4 ]提出的軸承短優(yōu)化設計提高學報的人工生命算法。阿萊爾等人[ 5 ]結合結構優(yōu)化的拓撲和形狀的進行推導。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構優(yōu)化設計。塞庫爾斯基[ 8 ]表明，遺傳算法是一種有效的多目標優(yōu)化工具的拓撲結構同時設計優(yōu)化的設計工具。
SEO等人[ 9 ]提出的形狀優(yōu)化和基于ISO幾何分析的設計的延伸。
在優(yōu)化空管部門，其結構特點的因素和輕量化是彼此相反[ 10 ]。它顯示一個權衡，如果追求提高結構輕巧，結構特點，將是一個弱點，如果改進的結構特點，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 ]，一個多階段進行的優(yōu)化設計。優(yōu)化設計是利用商業(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的結構
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。該變換器部分配備伺服電機，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的整個結構。
圖1 就ATC鏈式結構圖
手臂的初始模型進行結構分析。在進行有限元分析的參考，使用商業(yè)分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。在分析方法上，一個十六進制主導的方法應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，和重力加速度的應用到整個身體。在負載條件下，負載147 N適用于夾兩端考慮工具的最大重量。
結構分析的結果示于圖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 結構分析：（一）臂的變形分布；（b）的應力分布
3 ARM的多階段優(yōu)化
靜態(tài)順應性FX（= D / F）可通過靜剛度的得出了。特別是，在一些機械結構的機床和工業(yè)機器人要求高精度和加工效率，就成為最重要的靜態(tài)特性以及結構的重量，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。通過定義設計因素，減少變形，可誘導的最佳模型。第二階段是確定為實現(xiàn)其輕量化的一個階段。基于第一階段提出的優(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)化設計
在第一階段的優(yōu)化設計，優(yōu)化設計的目的是最大限度地減少臂的變形。
圖4說明了手臂的設計變量。
圖4 ATC臂因素
臂的尺寸和形狀優(yōu)化設計的一般形式可以通過定義目標函數(shù)和約束條件下的函數(shù)[13-15]。為實現(xiàn)對ATC臂的優(yōu)化設計，形式化定義如下：
其中X代表的設計變量，并σ和δ顯示應力和變形，分別。同時，σa和σb為顯示的應力和變形的允許值，分別為。一方面，A，B，和C的設計變量。設計變量的配置±30毫米，不到目前的碰撞干涉的影響在結構上的設計。
在最佳設計，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)化結果。
圖5說明了該優(yōu)化設計的臂的結構分析結果。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)化結果減小變形
圖5 減少變形的結構分析優(yōu)化的ARM的：（a）變形分布；（b）的應力分布
3.2第二級臂優(yōu)化設計
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構[ 16 ]改善經(jīng)濟。因此，實現(xiàn)手臂的輕量化優(yōu)化設計是在第二階段進行。在降低質(zhì)量的目標是10%的基礎上的最佳設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)化設計的形式化可以如下：
在Z是一個設計變量,δσ和顯示壓力和變形,分別和σa和δa津貼的應力和變形值。同時,設計變量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)研究結果，可部分除去到最高水平。圖7顯示了基于形狀優(yōu)化結果的臂輕量化提出的最佳形狀。
圖6 基于ANSYS的形狀優(yōu)化結果
圖7臂設計
結構分析使用所提出的優(yōu)化設計進行。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顯示了結構分析的結果，這是通過施加的最佳形狀進行。
圖8結構分析的輕量化優(yōu)化臂：（a）變形分布；（b）的應力分布
該模型的最大變形采用優(yōu)化設計，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，提出了減少到7.142 5公斤，多達9.26%。
表2給出了比較的結果的優(yōu)化設計[ 11 ]采用多級優(yōu)化設計實現(xiàn)了在這項研究中進行的實驗設計。
表2 結果比較
在本研究中得到的結果與實驗設計的結果比較，最大變形，最大應力，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進行本研究多級設計使得有可能吸引更多的改進優(yōu)化設計比現(xiàn)有的研究。
4 結論
1）采用多級優(yōu)化設計，可以獲得一個優(yōu)化模型，與初始模型的比較最大變形，最大應力和質(zhì)量分別減少10.46%，12.89%，9.26%，。
2）在多級優(yōu)化設計和進行實驗設計與優(yōu)化設計的比較，最大變形，最大應力和質(zhì)量分別減少了1.38%，12.61%和5.63%。
3）通過比較常規(guī)方法的結果的實驗設計方法，提出了采用多級優(yōu)化設計，驗證了優(yōu)化設計是否正確進行。
4）基于CATIA、ANSYS商業(yè)軟件使用多級優(yōu)化設計驗證，預計可應用于機床的結構優(yōu)化設計。
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