使用COSMOSWorks優(yōu)化磨床中心架設(shè)計(jì)上海理工大學(xué)（200093）樊堂堂上海機(jī)床廠磨床研究所陳銳摘要本文介紹以SolidWorks為平臺，以參數(shù)化技術(shù)為基礎(chǔ)，建立基于知識的軋輥磨床中心架的三維設(shè)計(jì)庫，從而實(shí)現(xiàn)了軋輥磨床中心架的自動(dòng)系列化設(shè)計(jì)，簡化設(shè)計(jì)過程。并采用完全集成的COSMOSWorks有限元分析軟件對中心架的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，提高了產(chǎn)品質(zhì)量。并對后期工作提出了展望。關(guān)鍵詞軋輥磨床中心架知識重用優(yōu)化SolidWorksCOSMOSWorks1、軋輥磨床中心架的虛擬設(shè)計(jì)隨著軋鋼行業(yè)的發(fā)展，軋輥的種類、規(guī)格越來越多。對于軋輥進(jìn)行精加工的軋輥磨床其規(guī)格、品種也相應(yīng)增多，（軋輥重量大，可達(dá)幾十噸。為提高加工質(zhì)量，一般在軋輥磨床上使用的中心架支撐工件。）中心架也就品種繁多。雖然結(jié)構(gòu)大同小異，但是設(shè)計(jì)的工作量很大。簡化設(shè)計(jì)過程，優(yōu)化設(shè)計(jì)，是設(shè)計(jì)人員迫切希望解決的問題。我們以SolidWorks為平臺，以參數(shù)化技術(shù)為基礎(chǔ)，對各種不同規(guī)格的中心架，建立統(tǒng)一的三維模型庫，簡化了設(shè)計(jì)過程。在此基礎(chǔ)上再配合與SolidWorks軟件集成的COSMOSWorks有限元分析組件對中心架的一些關(guān)鍵數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化，從而提高了中心架的承載能力，有望顯著提高軋輥的加工質(zhì)量?；趨?shù)化技術(shù)的造型系統(tǒng)實(shí)質(zhì)上就是一種尺寸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。這種尺寸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)尺寸只可能是少數(shù)幾種，所以需要對除驅(qū)動(dòng)尺寸之外的其他尺寸進(jìn)行關(guān)聯(lián)，簡化。我們采用水平支承軸與水平方向的夾角、垂直支承軸與垂直方向的夾角這二個(gè)參數(shù)作為驅(qū)動(dòng)尺寸進(jìn)行建模，而對其他一些尺寸，參照剛性最優(yōu)的原則進(jìn)行相應(yīng)的關(guān)聯(lián)。圖1工作臺移動(dòng)式軋輥磨床用中心架圖2砂輪架移動(dòng)式軋輥磨床用中心架2、基于知識重用的產(chǎn)品數(shù)據(jù)庫開發(fā)采用SolidWorks強(qiáng)大的配置功能，基于產(chǎn)品模型的參數(shù)化設(shè)計(jì)，可以采用一套模型實(shí)現(xiàn)多種不同規(guī)格產(chǎn)品的設(shè)計(jì)。由于SolidWorks軟件中的系列零件設(shè)計(jì)表與配置呈相互映射的關(guān)系，所以通過修改系列零件設(shè)計(jì)表可以進(jìn)一步擴(kuò)展產(chǎn)品的規(guī)格，以適應(yīng)用戶的需要。從而建立集成于設(shè)計(jì)對象的產(chǎn)品設(shè)計(jì)的多類型、多層次知識表達(dá)模型，達(dá)到了產(chǎn)品設(shè)計(jì)的知識重用?；谥R重用的設(shè)計(jì)體系，稱為設(shè)計(jì)重用。其原理是通過對不同層次知識的表達(dá)、組織以更有效地實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)方案、設(shè)計(jì)過程及設(shè)計(jì)知識的重用。設(shè)計(jì)重用可有效縮短設(shè)計(jì)周期，提高設(shè)計(jì)質(zhì)量，從而實(shí)現(xiàn)快速響應(yīng)設(shè)計(jì)與制造。3、系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模型的建立機(jī)械學(xué)研究有在原型上和在模型上進(jìn)行的兩個(gè)途徑。在原型上研究能充分反映實(shí)際情況，但由于現(xiàn)場條件的限制及各種因素的影響，難以完全滿足實(shí)驗(yàn)要求。根據(jù)相似原理建立并以此收集系統(tǒng)信息的客體稱之為系統(tǒng)模型，按其性質(zhì)又可分為實(shí)物模型與抽象模型。實(shí)物模型就是物理模型，而抽象模型是以功能相似及數(shù)學(xué)形式相似的數(shù)學(xué)原理來描述，統(tǒng)稱為數(shù)學(xué)模型。采用計(jì)算機(jī)三維模型既可以作為原型的虛擬模型，也可以建立將物理模型和抽象模型相結(jié)合的虛擬模型。系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模型的質(zhì)量直接影響到分析的結(jié)果。建立動(dòng)態(tài)分析模型的關(guān)鍵在于“合理簡化”。首先要將原型簡化，計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的計(jì)算、分析能力也對付不了復(fù)雜形狀零件、裝配體動(dòng)輒幾百、幾千萬節(jié)點(diǎn)、單元、自由度的分析。所以用原型來進(jìn)行有限元分析是不現(xiàn)實(shí)的，也沒有必要，需要簡化模型。但是，簡化也是有限度的，所以需要“合理”的簡化。何謂合理，傳統(tǒng)的方法比較多是采用相似性原理來簡化，但是對于形狀相對復(fù)雜的零件，尤其是裝配體，建立哪怕是能夠“自圓其說”的簡化模型也很困難。模態(tài)分析為我們建立一個(gè)合理、合適的模型提供了較好的方法。用于模態(tài)分析的模型是采用SolidWorks實(shí)體三維模型修改而成，所謂修改就是去除一些孔、圓角等次要特征而形成的。至于簡化后的模型是否和原型有相似的動(dòng)態(tài)特性，可以通過對原型和模型的模態(tài)分析比較來驗(yàn)證。由于模態(tài)分析，尤其是低階模態(tài)對系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性影響較大，因此通過比較模型的低階模態(tài)和原型的低階模態(tài)，一般兩者相差不超過3就應(yīng)該認(rèn)為簡化是合理的。我們的三維實(shí)體模型的基振頻率是710.89Hz（圖3），而經(jīng)過簡化的有限元分析模型的基振頻率是729.37Hz（圖4），兩者相差2.6%，因此可以認(rèn)為簡化是成功的。圖3零件的基振頻率圖4簡化模型的基振頻率4、基于COSMOSWorks的優(yōu)化設(shè)計(jì)優(yōu)化設(shè)計(jì)首先要確定優(yōu)化目標(biāo)。一般零件的優(yōu)化目標(biāo)可以是重量最輕、零件受力以后的變形最小、扭曲最小等等。對于軋輥磨床的中心架，我們定的優(yōu)化目標(biāo)就是模型的剛性最優(yōu)。從動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)的觀點(diǎn)來說，剛性最優(yōu)單采用靜剛度來衡量是不夠的，還需要對模型采用動(dòng)剛度的分析。采用COSMOSWorks的頻率分析功能就能夠?qū)崿F(xiàn)模型的模態(tài)分析。通過模態(tài)分析及時(shí)發(fā)現(xiàn)零件機(jī)構(gòu)中容易發(fā)生變形的地方和變形的形式，便于采取相應(yīng)的措施。由于磨床的主要激振源就是砂輪高速轉(zhuǎn)動(dòng)引起的振動(dòng)，砂輪的轉(zhuǎn)速3000r/min，相當(dāng)于50Hz。所以中心架的基振頻率離激振頻率越遠(yuǎn)，系統(tǒng)的動(dòng)剛度越高。因此提高系統(tǒng)的基振頻率就可以作為優(yōu)化目標(biāo)之一。采用與SolidWorks無縫集成的COSMOSWorks進(jìn)行系統(tǒng)的優(yōu)化我們采用以下方法：靜剛度最高采用COSMOSWorks的靜應(yīng)力分析，比較各種配置（水平托頭與水平方向之間的夾角、垂直托頭與垂直方向的夾角為二個(gè)變量）的中心架模型的加載后的位移量。優(yōu)化目標(biāo)是位移量最小。如圖5所示，工件與水平托頭、垂直托頭接觸處的位移量不一樣，由于變形的對應(yīng)關(guān)系，所以中心架的水平、垂直托頭的位移量也不相同，從而加大工件的圓柱度誤差。相對比較，圖6結(jié)構(gòu)的中心架兩個(gè)托頭的變形差別不大，設(shè)計(jì)比較合理。圖5H1V25中心架加載變形圖圖6H15V25中心架加載變形圖由于結(jié)構(gòu)關(guān)系，兩個(gè)托頭的變形的發(fā)展趨勢可能并不一樣。如圖7所示。H20V20（近水平托頭與水平方向的夾角為20；近垂直托頭與垂直方向的夾角為20；以下類推）的中心架加載時(shí)垂直托頭的位移量較?。欢鳫20V15的中心架加載時(shí)水平托頭的位移量較小。這兩個(gè)托頭的位移都會影響工件的加工質(zhì)量。這樣，最后選擇優(yōu)化結(jié)果時(shí)選H20V20還是H20V15，很難確定。角度垂直托頭變形量（mm）水平托頭變形量(mm)11.930e-021.775e-0251.817e-021.636e-02101.906e-021.525e-02151.719e-021.337e-02201.604e-021.805e-02圖7托頭與垂直方向夾角20；與水平方向夾角變化時(shí)水平托頭、垂直托頭的變形量，模態(tài)分析每個(gè)構(gòu)件都有其特定的振動(dòng)頻率，稱為共振頻率。這種頻率由此構(gòu)件特有的振動(dòng)形式所決定。一旦受到共振頻率激勵(lì)，此構(gòu)件就以一定形式振動(dòng)，稱為模態(tài)振動(dòng)。頻率分析