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刀库式自动换刀臂多阶段优化设计,刀库式,自动,换刀臂多,阶段,优化,设计
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【中文 3739 字】刀库式自动换刀臂多阶段优化设计 摘要为了提高加工效率，需要减少刀具更换的时间。因此，用于加工中心的自动换到装置的换刀时间需要减少。另外，自动换刀是加工中心作为驱动源的一个主要部分。自动换刀装置使用 ANSYS Workbench 的软件来说明自动换刀装置的静态属性。自动换刀臂的设计进行了多级优化。提出了自动换刀的形状优化并验证了这个结果来获得可接受的改进。它能够获得一个优化的模型中的最大变形，最大应力，和质量减少 10.46%，分别为 12.89%和 9.26%，与初始模型的比较。同时，通过与传统方法的结果实验设计和方法用多级优化设计方法进行了比较。关键词：自动换刀；优化设计；结构分析；换刀臂1 引言最近，在机械制造行业，模具和机械零件已经变成小批量生产。同时，改进生产力和切割速度的要求。然而，它是真的，从实践观点来说高质量和低成本是有针对性的。因此，机床的目标是追求实现高速加工，实现自动化，缩短交货时间。作为一个结果，它是可能实现的的，检查刀具的状态在机床上使用适当的传感器件。除此外，加工中心上自动换刀机构（ATC）和一个托盘自动交换装置（APC）的目的是操作无人看守 24 小时自动换刀，加工中心的刀库和变换的刀具根据需要自动更换。通过这样的 ATC 换刀是非常精确的 1。同时，它代表的是一种优势，由于不需要一直看守加工中心，操作员能够从事其他工作。这说明，操作员可以控制其他机床或准备下一个工件，从而减少生产时间。在这项研究中使用的箱式 ATC 的一个代表特征，许多刀具都存储在箱体。在刀具更换时，两个手臂移动通过旋转 180的方式使两个刀具互换位置 2。因此，它必须同时确保技术都在机械臂的结构特点和设计轻量化的范围内。在实际的工业领域，优化设计非常重要的。因此，各种优化方法介绍了各种机械的优化部分 3。宋等人 4提出的优化设计利用增强型人工生命短径向轴承优化算法。阿莱尔等人 5结合拓扑和形状对结构的推导优化。Bagci 和艾库特 6提出田口为了验证最佳表面粗糙度的优化数控铣床。兰博迪 7提出了一个设计基于模拟退火优化算法桁架结构。塞库尔斯基 8遗传算法是一种有效的多目标的拓扑结构同时优化设计工具和船体结构胶。SEO 等人 9提出的形状优化，其基于 isogeometric 拓扑设计的延伸分析。在优化时，轻量化和结构特点是相对的两个因素 10。它表示了一个平衡,如果追求改善轻质结构,结构特点将成为一个弱点,如果结构特点被改善,则轻量级就是很难实现的。因此,对于满足这些因素和优化他们,通过使用实验设计对这种臂的优化形状提出了不同的方式。在这项研究中,实现一个比之前的研究更改进的优化模型 11,来进行多级优化设计。使用商业分析程序 CATIA V5 和 ANSYS Workbench,通过比较分析初始模型和传统优化模型与优化模型在本研究中的有效性。2 ATC 的结构ATC 包含三个元素,如刀库部分,机械手部分和手臂的部分。刀库是一种设备,包含很多刀具和更改刀具使用的伺服马达。机械手部分配备伺服电机,旋转手爪。手臂部分显示了手臂的形状，通过手臂旋转 180更换加工中心的主轴和刀库中的刀具。图 1 通过使用 CATIA V5 R17 说明了 ATC 模型的整个结构。图 1 箱式 ATC 的结构臂的初始模型的结构分析。有关的参考进行有限元分析,有限元分析的初始模型使用商业分析程序 Ansys Workbench V12 引擎。减少额外部分执行的分析采用的手臂。在分析方法中,一个十六进制的主导方法应用于有限元分析已经完全 51 794 节点和 13 496 个元素。如图 2 显示的初始有限元模型。图 2 的初始有限元模型边界条件的分析,孔中心的支持和重力加速度是应用于整个身体。在负载条件下,加载 147 N 向两端手爪是考虑工具的最大重量。在图 3 中提出了结构分析的结果。最大变形初始模型的两端手爪是 5.748 7m。同时,最大应力产生的边缘部分,后面 ATC 的手臂提高了 4.176 MPa。图 3 臂的结构分析:(a)变形分布;(b)应力分布3 多级优化的手臂静态合规, fx(=D/F) ,可以是一个逆数的静态刚度。特别是在一些机器结构机床和工业机器人等要求高精度和高加工效率条件下,它随着结构成重量为最重要的静态特性,综合这些因素,同时评估。正如上面提到的,静态的优化问题是确定的静态特性和体重这两个目标函数的最小化问题 12。因此,在这项研究中,执行优化的多级方式满足每个目标函数。第一阶段是配置提高了静态特征的一个阶段。通过定义设计因素,减少变形,可以诱导的最佳模型。第二阶段是作为实现其轻量化的阶段。基于最优模型提出了在第一阶段,执行的形状优化目标减少了 10%的体重。3.1 第一阶段优化设计的手臂在第一阶段的优化设计中,优化设计的目标是最小化臂的变形。图 4 说明了设计变量的手臂图 4 ATC 的手臂的参数一般的形式化的尺寸和形状优化设计可以通过定义目标函数和限制条件函数 13-15。实现优化设计,确定公式如下:发现 X减少变形(X)受 aaLA,B,CU(= A,B,C)X =(A,B,C)X 代表一个设计变量, 和 分别表示应力和形变外,a 和 a 分别表示改变的应力值和变形值。A、B 和 C 是设计变量。设计变量配置的30 mm 是为了不影响碰撞和干涉结构设计。在最优设计、最优解决方案可以减少手臂使用 CATIA V5 的变形产品工程的优化器。表 1 给出了优化结果。图 5 展示了最优的结构分析结果设计的手臂。分析边界条件被配置为与现有的初始模型。表 3.1 优化减少变形的结果因素 原始模式 最佳设计模式A/mm 12 3.396B/mm 70 73.686C/mm 27 32.686最大变形量/ m 5.7487 4.6683最大应力/MPa 4.1762 3.6072图 5 优化手臂减少变形的结构分析:(a)变形分布;(b)应力分布3.2 第二阶段优化设计的手臂实现轻量级的手臂是减少工件的成本的一个重要因素。同时,通过引入一个轻量级结构可以改善经济 16。因此,优化设计实现轻量级的手臂在第二阶段执行。 目标在降低质量 10%的手臂模型提出在第一阶段的基础上优化设计。减少质量的手臂,形状优化使用 ANSYS Workbench 进行形状优化功能。优化设计的规范化可以提出如下: 找到 Z减少质量(Z)受 aaLrUZ =r那里的情况的一个设计变量, 和 分别表示应力和变形，a 和 a 分别表示变化的应力和变形值。此外,设计变量 r,是配置为找到所有质量减少可能除去的部分,设计具有一定的局限性。图 6 说明了最优解决方案的结果,最大限度地减少手臂的形变。如图 6 所示,部分提出的“删除”代表了一种大规模可还原的部分通过删除它。基于研究结果,可还原的部分被删除到最高水平。图 7 显示了建议的最佳形状的轻量级基于形状优化的结果。图 6 使用 ANSYS 形状优化的结果图 7 重新设计的手臂使用建议的执行结构分析优化设计。同时,应用分析的边界条件与现有的初始模型。图 8 显示了结构分析的结果,通过应用最优形状进行。图 8 优化手臂的结构分析:(a)变形分布;(b)应力分布最大变形模型,应用优化设计,从 5.748 减少 7m 提出了初始模型的 5.147 - 5m 高达 10.46%和生成的手爪一样相同的初始模型。同时,最大应力从4.176 - 2 减少 3.637 MPa 在初始模型提出了 12.89%高达 9 MPa。此外,重量从7.871 - 2 公斤减少了初始模型的 9.26%。高达 7.142 - 5 公斤。表 2 给出了 resultsof 优化设计 11使用实验设计执行与实现的多级优化设计研究的比较。表 2 比较结果属性 最初模式（A）传统方法（B）建议最佳方法（C）A 比 C 的值/%B 比 C 的值/%最大形变/mm5.7487 5.2197 5.1475 10.46 1.38最大压力/MPa4.1762 4.163 3.6379 12.89 12.61分析扫描/Kg7.8712 7.5683 7.1425 9.26 5.63比较这一研究获得的结果与实验设计的结果,最大变形、最大压力、和质量分别降低了 1.38%,12.61%,和 5.63%。因此,可以看出多级设计使用 CATIA 和ANSYS 进行本研究,可以比现有研究吸引更多的改进优化设计。4 结论1）通过执行多级优化设计,可以获得一个最大变形、最大压力、和质量分别比最初模型降低了 10.46%,12.89%,和 9.26%的优化模型。2）通过对优化设计的多阶段优化设计和先前执行的实验设计之间的比较，最大变形、最大压力、和质量分别降低了 1.38%,12.61%和 5.63%。3）通过传统方法对比实验设计结果,该方法由多级优化设计,验证了优化设计是否正常进行4）基于使用商业软件 CATIA 和 ANSYS 的多级优化设计验证,预计可以应用于机床结构的优化设计参考文献1 李 W,李 H k .可靠性评估的 ATC 铁中心J。韩国社会对精密工程学报,2006,23(6):111118。(韩国)2 BARK T Y.工具自动更换装置的设计M。韩国先进科学研究所的大学出版社,1977:111。(韩国)3 罗伊R HINDUJA s,TETI R .工程设计优化的最新进展:挑战和未来的发展趋势J。CIRP 年报制造技术,2008 年,57:697715。4 崔杨歌 J H,B,B G,金正日 H J .短径向轴承的优化设计提高人工生命算法J。摩擦学国际,2005,(4):38 403412。(韩国)5 ALLAIRE G, JOUVE F, DE GOURNAY F, TOADER A. 结合拓扑和形状衍生品结构优化C/ /欧洲计算力学大会。2006:644。6 BAGCI E, AYKUT S. 田口方法优化方法的研究确定最佳数控端面铣削表面粗糙度的钴合金J。先进制造技术的国际期刊,2006,29(9):940947。7 LAMBERTI L. 一个有效的模拟退火算法的桁架结构优化设计J。国际期刊的电脑和结构,2008 年,86:19361953。8 SEKULSKI Z. 多目标拓扑和尺寸优化的高速 vehicle-passenger 双体船结构由遗传算法J。海洋结构,2009,22 日:691691。9 SEO Y D, KIM H J, YOUN S K. 形状优化和扩展拓扑设计基于 ogeometric 分析J。国际期刊的固体和结构,2010 年,47(11):16181640。(韩国)10 JIA S, XIN W, XIACONG J, TAEKESHI I. 基于多目标优化的快速运动检测器J。课堂讲稿在计算机科学中,2011 年,6523:492502。11 KIM J H, LEE M J, LEE C M. 几何优化设计的 ATC 的手臂使用实验设计C/ /应用国际研讨会论文集。2010:357362。(韩国)12 LEE Y W, SUNG H G. 多阶段优化套管类型的机器结构(1)J。韩国社会精密工程学报,2001,18(11):1551
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