1鏈?zhǔn)阶詣?dòng)換刀臂的多階段優(yōu)化設(shè)計(jì)KIMJae-Hyun,LEEChoon-Man韓國(guó)昌原國(guó)立大學(xué)機(jī)電學(xué)院，昌原641-773，中南大學(xué)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(shí)間需要有所減少。因此，用于連接到一個(gè)自動(dòng)換刀加工中心的換刀時(shí)間將減少。同時(shí)自動(dòng)換刀系統(tǒng)是加工中心的一個(gè)重要部分，作為驅(qū)動(dòng)源。使用商業(yè)代碼ANSYSWorkbenchV12試圖解釋自動(dòng)換刀裝置的靜態(tài)屬性，對(duì)和自動(dòng)換刀臂的優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行了多級(jí)優(yōu)化設(shè)計(jì)。依靠自動(dòng)換刀的形狀的優(yōu)化建議，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證，獲得可接受的改進(jìn)。它是能夠獲得一個(gè)與初始模型的比較，最大變形，最大應(yīng)力和質(zhì)量分別減少10.46%，12.89%和9.26%的優(yōu)化模型。同時(shí)，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法也與常規(guī)的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了多級(jí)優(yōu)化比較。關(guān)鍵詞：自動(dòng)換刀裝置；優(yōu)化設(shè)計(jì)；結(jié)構(gòu)分析；交換臂1引言最近，在機(jī)械制造行業(yè)中，模具和機(jī)械零件已經(jīng)變成了小批量生產(chǎn)系統(tǒng)。同時(shí)，需要提高生產(chǎn)率和切割速度。然而，從實(shí)踐觀點(diǎn)看，高質(zhì)量和低成本是有針對(duì)性的實(shí)際的立場(chǎng)。因此，對(duì)于這樣的目標(biāo)追求實(shí)現(xiàn)機(jī)床高速加工，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，縮短交貨時(shí)間。結(jié)果，它是可能的檢查狀態(tài)的工具和工件在機(jī)床使用適當(dāng)?shù)膫鞲衅?。此外，加工中心的自?dòng)換刀裝置（ATC）和一個(gè)托盤(pán)自動(dòng)交換裝置（APC）旨在操作無(wú)人值守廠24小時(shí)，自動(dòng)換刀裝置存儲(chǔ)用于加工中心的雜志和變化的工具自動(dòng)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(shí)，它代表了一種先進(jìn)的優(yōu)勢(shì)，由于對(duì)機(jī)床的干擾少，加工中心操作者可以從事其他工作。也就是說(shuō)，運(yùn)營(yíng)商可以控制其他機(jī)床或準(zhǔn)備下一個(gè)工件，從而減少生產(chǎn)時(shí)間。在這項(xiàng)研究中使用的鏈?zhǔn)紸TC代表著許多工具都存儲(chǔ)在一個(gè)特征模塊。在工具的改變，兩個(gè)臂移動(dòng)到旋轉(zhuǎn)180在直接轉(zhuǎn)換的方式配置工具更改到下一個(gè)工具2。因此，有必要同時(shí)確保結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和設(shè)計(jì)輕量化。在實(shí)際的工業(yè)領(lǐng)域，優(yōu)化設(shè)計(jì)是非常重要的。因此，提出了各種機(jī)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(shè)計(jì)提高學(xué)報(bào)的人工生命算法。阿萊爾等人5結(jié)合結(jié)構(gòu)優(yōu)化的拓?fù)浜托螤畹倪M(jìn)行推導(dǎo)。BAGCI和艾庫(kù)特6提出田口優(yōu)化驗(yàn)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(jié)2構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。塞庫(kù)爾斯基8表明，遺傳算法是一種有效的多目標(biāo)優(yōu)化工具的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)同時(shí)設(shè)計(jì)優(yōu)化的設(shè)計(jì)工具。SEO等人9提出的形狀優(yōu)化和基于ISO幾何分析的設(shè)計(jì)的延伸。在優(yōu)化空管部門(mén)，其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的因素和輕量化是彼此相反10。它顯示一個(gè)權(quán)衡，如果追求提高結(jié)構(gòu)輕巧，結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，將是一個(gè)弱點(diǎn)，如果改進(jìn)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對(duì)輕量化的實(shí)現(xiàn)是很困難的。因此，為了滿(mǎn)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(guò)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)了11。在這項(xiàng)研究中，獲得更為優(yōu)化的模型比以前的研究11，一個(gè)多階段進(jìn)行的優(yōu)化設(shè)計(jì)。優(yōu)化設(shè)計(jì)是利用商業(yè)分析程序，CATIAV5和ANSYSWorkbench，和分析的有效性是通過(guò)比較初始和傳統(tǒng)優(yōu)化模型在這項(xiàng)研究中實(shí)現(xiàn)的優(yōu)化模型研究。2AT的結(jié)構(gòu)ATC由三個(gè)元素組成，如雜志，更換部分，和臂部。部分雜志是一種裝置，儲(chǔ)存大量的工具和修改工具使用伺服電機(jī)。該變換器部分配備伺服電機(jī)，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(shuō)明了ATC模擬利用CATIAV5R17的整個(gè)結(jié)構(gòu)。圖1就ATC鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)圖手臂的初始模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析。在進(jìn)行有限元分析的參考，使用商業(yè)分析程序進(jìn)行了初步的有限元分析模型，利用ANSYSWorkbench的V12。分析是通過(guò)3最小化在臂的附加部分進(jìn)行。在分析方法上，一個(gè)十六進(jìn)制主導(dǎo)的方法應(yīng)用于一個(gè)有限元分析共51794個(gè)節(jié)點(diǎn)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(yīng)用到整個(gè)身體。在負(fù)載條件下，負(fù)載147N適用于夾兩端考慮工具的最大重量。結(jié)構(gòu)分析的結(jié)果示于圖3。在夾具的初始模型兩端的最大變形量為5.7487M。同時(shí)，最大應(yīng)力在截面邊緣產(chǎn)生，這推動(dòng)了空管部門(mén)后4.1762兆帕的的手指。圖3結(jié)構(gòu)分析：（一）臂的變形分布；（b）的應(yīng)力分布3ARM的多階段優(yōu)化4靜態(tài)順應(yīng)性FX（=D/F）可通過(guò)靜剛度的得出了。特別是，在一些機(jī)械結(jié)構(gòu)的機(jī)床和工業(yè)機(jī)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(jié)構(gòu)的重量，這些因素是綜合評(píng)價(jià)，同時(shí)。正如上面提到的，靜態(tài)優(yōu)化的問(wèn)題被確定為這兩個(gè)目標(biāo)函數(shù)的靜態(tài)特性和重量最小化的問(wèn)題12。因此，在這項(xiàng)研究中，優(yōu)化是為滿(mǎn)足每個(gè)目標(biāo)函數(shù)的一個(gè)多級(jí)的方式進(jìn)行。第一階段為提高靜態(tài)特征的階段。通過(guò)定義設(shè)計(jì)因素，減少變形，可誘導(dǎo)的最佳模型。第二階段是確定為實(shí)現(xiàn)其輕量化的一個(gè)階段。基于第一階段提出的優(yōu)化模型，形狀優(yōu)化是針對(duì)它的重量減少了10%行。3.1第一階段的臂優(yōu)化設(shè)計(jì)在第一階段的優(yōu)化設(shè)計(jì)，優(yōu)化設(shè)計(jì)的目的是最大限度地減少臂的變形。圖4說(shuō)明了手臂的設(shè)計(jì)變量。圖4ATC臂因素臂的尺寸和形狀優(yōu)化設(shè)計(jì)的一般形式可以通過(guò)定義目標(biāo)函數(shù)和約束條件下的函數(shù)13-15。為實(shí)現(xiàn)對(duì)ATC臂的優(yōu)化設(shè)計(jì)，形式化定義如下：其中X代表的設(shè)計(jì)變量，并和顯示應(yīng)力和變形，分別。同時(shí)，a和b為顯示的應(yīng)力和