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1、2013年3月機(jī)床與液壓Mar．2013第41卷第5期MACHINETOOL&HYDRAULICSVo1．41No．5DOI：10．3969／j．issn．1001—3881．2013．05．025基于頸椎結(jié)構(gòu)的機(jī)床主軸滑枕仿生優(yōu)化設(shè)計(jì)高瀚君，陳五一(北京航空航天大學(xué)機(jī)械工程及自動(dòng)化學(xué)院，北京100191)摘要：基于結(jié)構(gòu)仿生的理論，根據(jù)人體頸椎結(jié)構(gòu)，分兩步對(duì)機(jī)床的主軸滑枕進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)：利用ANSYS的APDL參數(shù)化語(yǔ)言建立優(yōu)化模型，確定主軸滑枕各段壁厚的最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)；在主軸滑枕的套筒與底板之間添加了一對(duì)加強(qiáng)筋板。與原型相比，最終得到的仿生型主軸滑枕的質(zhì)量減少2．
2、36％、最大變形減小17．40％、比剛度效能提高了23．97％，前6階固有頻率平均提高了3．62％。關(guān)鍵詞：主軸滑枕；頸椎；結(jié)構(gòu)仿生；比剛度；有限元法中圖分類(lèi)號(hào)：TH6文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1001—3881(2013)5—097—4BionicOptimizationDesignofHeadstockBasedonCervicalVertebraGA0Haniun．CHENWuyi(SchoolofMechanicalEngineeringandAutomation，BeihangUniversity，Beijing100191，China)Abstract
3、：Amillingmachineheadstockwasmodeledaccordingtothestructureofcervicalvertebrabasedonthestructuralbionictheorybytwosteps．Firstly，togettheoptimalparametersofthewallthickness，parametricmodelofspindlewasbuiltbyusingAN—SYSAPDL．Secondly，acoupleofribswereaddedbetweenthesleeveandthebottomplat
4、eofthespindle．Comparedtotheoriginaldesign，thereisapparentimprovementinthemechanicalpropertiesforthefinalbionictype：themassisreducedby2．36％，themaximumdeformationisreducedby17．40％andthespecificstiffnessisincreasedby23．97％．Keywords：Headstock；Cervicalvertebra；Structuralbionics；Specificst
5、iffness；FEM現(xiàn)代制造業(yè)的發(fā)展使得高速化、精密化成為機(jī)床1主軸滑枕原型靜力分析發(fā)展的趨勢(shì)之一。高速機(jī)床在大加速度下保持高精度1．1靜力分析前處理和邊界條件就必須要求機(jī)床運(yùn)動(dòng)部件質(zhì)量小、剛性高。對(duì)于機(jī)圖1為搖籃式五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床的3個(gè)直線軸運(yùn)床的運(yùn)動(dòng)部件來(lái)說(shuō)，比剛度已經(jīng)成為衡量其動(dòng)、靜態(tài)動(dòng)部件的裝配關(guān)系示意圖。特性的一個(gè)重要指標(biāo)。在具體的分析優(yōu)化中，機(jī)床部件比剛度可以用比剛度效能來(lái)定量描述：-E88—x—ra式中：E為機(jī)床部件材料的彈性模量；為機(jī)床部件的最大變形；m為機(jī)床部件的質(zhì)量。生物承力結(jié)構(gòu)在進(jìn)化中，總是朝著材料最省、能量損失最少、力學(xué)性能最優(yōu)的方向不
6、斷構(gòu)建和重塑J。結(jié)構(gòu)上的每一處增減都是為了使生物體更好地適應(yīng)外部和自身的載荷，以最少的材料承受最大的外力，因而生物結(jié)構(gòu)往往具有較高的比剛度。如植物葉圖1五軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床局部模型圖脈、動(dòng)物骨骼等典型的生物承力結(jié)構(gòu)已經(jīng)被許多仿生雖然文中旨在優(yōu)化主軸滑枕，但是如果只對(duì)主軸設(shè)計(jì)者所關(guān)注。作者將仿照人體頸椎骨結(jié)構(gòu)，對(duì)滑枕模型進(jìn)行分析無(wú)法真實(shí)地表示其受力和約束情搖籃式五軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床的主軸滑枕的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，從況。因此，將主軸滑枕和一些與之緊密聯(lián)系的部件提高比剛度著手，改善其動(dòng)、靜態(tài)特性。(電主軸、軸導(dǎo)軌(2個(gè))、滑塊(4個(gè)))的三維模型簡(jiǎn)化后，共同導(dǎo)人有限元軟件ANSYS中。這樣
7、，收稿日期：2012—02—21作者簡(jiǎn)介：高瀚君(1988一)，男，碩士研究生，研究方向?yàn)榻Y(jié)構(gòu)仿生設(shè)計(jì)、機(jī)床結(jié)構(gòu)優(yōu)化。E—mail：hjgao@me．buaa．edu．cn?！?00·機(jī)床與液壓第41卷表1原型與仿生I型各段壁厚對(duì)比表4仿生型與原型動(dòng)靜態(tài)特性對(duì)比(t=R一r，i=1，2，3，4，5，6)mm將仿生I型與仿生Ⅱ型主軸滑枕的三維模型分別導(dǎo)人ANSYS中，在相同的條件下對(duì)其進(jìn)行靜力分析，原型所得結(jié)果如表2中所示。仿生I型表2靜力分析計(jì)算結(jié)果對(duì)比主軸質(zhì)量／刀尖點(diǎn)最大變形／m滑枕麗與原型相比：仿生I型與仿生Ⅱ型質(zhì)量分別減少5．14％和2．36％；仿生I型方
8、向最大變形略有增軌安裝面
