1鏈?zhǔn)阶詣?dòng)換刀臂的多階段優(yōu)化設(shè)計(jì) KIM Jae-Hyun, LEE Choon-Man 韓國昌原國立大學(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 ANSYS Workbench V12 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)托盤自動(dòng)交換裝置（APC）旨在操作無人值守廠 24 小時(shí)，自動(dòng)換刀裝置存儲(chǔ)用于加工中心的雜質(zhì)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)，它是一種先進(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，運(yùn)營商可以控制其他機(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)?ATC 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)化的各種方法 [3]。宋等人 [ 4 ]提出的軸承短優(yōu)化設(shè)計(jì)提高了學(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 和艾庫特 [ 6 ]提出田口優(yōu)化驗(yàn)2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)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。塞庫爾斯基 [ 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)是設(shè)計(jì)優(yōu)化的設(shè)計(jì)工具。SEO 等人 [ 9 ]提出了形狀優(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，其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的因素和輕量化是彼此相反的 [ 10 ]。它顯示了一個(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)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對(duì)輕量化的實(shí)現(xiàn)是很困難的。因此，為了滿足這些相反的因素和優(yōu)化，以不同方式對(duì)臂形狀優(yōu)化是通過實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的 [ 11 ]。在這項(xiàng)研究中，比以前的研究獲得更為優(yōu)化的模型 [ 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，CATIA V5 和 ANSYS Workbench，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(xiàng)研究中實(shí)現(xiàn)的優(yōu)化模型研究。2 AT 的結(jié)構(gòu)ATC 由三個(gè)元素組成，如雜質(zhì)，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。臂部的嚙合工具是加工中心的旋轉(zhuǎn) 180°主軸和雜志顯示臂形變化。圖 1 說明了 ATC 模擬利用 CATIA V5 R17 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后，使用商業(yè)分3析程序進(jìn)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(jìn)行的。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下，在 ATC 臂中心孔的支持下，使得重力加速度的應(yīng)用到整個(gè)身體。在負(fù)載條件下，負(fù)載 147 N 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5.7487μM。同時(shí)，最大應(yīng)力在截面邊緣產(chǎn)生，這推動(dòng)了空管部門后 4.1762 兆帕的手指。圖 3 結(jié)構(gòu)分析：（一）臂的變形分布；（b）的應(yīng)力分布43 ARM 的多階段優(yōu)化靜態(tài)順應(yīng)性 FX（= D / F）可通過靜剛度的得出。特別是，對(duì)于一些機(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題 [12]。因此，在這項(xiàng)研究中，優(yōu)化是為滿足每個(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。通過定義設(shè)計(jì)因素，減少變形，成為誘導(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?；诘谝浑A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%。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 說明了手臂的設(shè)計(jì)變量。圖 4 ATC 臂因素臂的和形狀優(yōu)化設(shè)計(jì)的一般形式可以通過定義目標(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 σ 和 δ 分別表示應(yīng)力和變形。同時(shí)，σa 和 σb分別表示為的應(yīng)力和變形的允許值， 。一方面，A， B，和 C 的設(shè)計(jì)變量。設(shè)計(jì)變量的配置±30 毫米，不到目前的碰撞干涉的影響在結(jié)構(gòu)上的設(shè)計(jì)。5在最佳設(shè)計(jì)中，最佳的解決方案可以最大限度地減少臂的變形同時(shí)使用CATIA V5 的產(chǎn)品工程優(yōu)化。表 1 給出了優(yōu)化結(jié)果。圖 5 說明了該優(yōu)化設(shè)計(jì)的臂的結(jié)構(gòu)分析結(jié)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(jié)果減小變形圖 5 減少變形的結(jié)構(gòu)分析優(yōu)化的 ARM 的：（a）變形分布；（b）的應(yīng)力分布3.2 第二級(jí)臂優(yōu)化設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)手臂的輕量化是降低工件成本的重要因素。同時(shí)，可以通過引入一個(gè)6輕量級(jí)的結(jié)構(gòu) [ 16 ]改善經(jīng)濟(jì)。因此，實(shí)現(xiàn)手臂的輕量化優(yōu)化設(shè)計(jì)是在第二階段進(jìn)行。在降低質(zhì)量的目標(biāo)是在 10%的基礎(chǔ)上的最佳設(shè)計(jì)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(jìn)行形狀優(yōu)化功能。為優(yōu)化設(shè)計(jì)的形式化可以如下：Z 是一個(gè)設(shè)計(jì)變量,δσ 表示顯示壓力和變形,分別和 σa 和 δa 表示津貼的應(yīng)力和變形值。同時(shí),設(shè)計(jì)變量 Φr 是配置找到所有部分的質(zhì)量減少可能除了部分,它有一些局限性的設(shè)計(jì)。 圖 6 說明了最佳的解決方案，最大限度地減少臂的變形結(jié)果。如圖 6 所示，提出了“部分刪除 “代表一個(gè)質(zhì)量可部分去除它。根據(jù)研究結(jié)果，可部分除去到最高水平。圖 7 顯示了基于形狀優(yōu)化結(jié)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(jié)果圖 7 臂設(shè)計(jì)7結(jié)構(gòu)分析使用所提出的優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行設(shè)計(jì)。同時(shí)，在分析中的邊界條件被施加作為現(xiàn)有的初始模型是相同的。圖 8 顯示了結(jié)構(gòu)分析的結(jié)果，這是通過施加最佳形狀進(jìn)行的。圖 8 結(jié)構(gòu)分析的輕量化優(yōu)化臂：（a ）變形分布；（ b）的應(yīng)力分布該模型的最大變形采用優(yōu)化設(shè)計(jì)，從 5.748 減少 7μM 在初始模型提出了5μ5.147 m 高達(dá) 10.46%，產(chǎn)生在夾子端作為初始模型相同的。同時(shí)，最大應(yīng)力降低 4.176 2 兆帕在初始模型 3.637 9 兆帕高達(dá) 12.89%。此外，質(zhì)量從 7.871 2公斤的初始模型，減少到 7.142 5 公斤，多達(dá) 9.26%。表 2 給出了比較的結(jié)果的優(yōu)化設(shè)計(jì) [ 11 ]采用多級(jí)優(yōu)化設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了在這項(xiàng)研究中進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。表 2 結(jié)果比較8在本研究中得到的結(jié)果與實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的結(jié)果比較，最大變形，最大應(yīng)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(jìn)行本研究多級(jí)設(shè)計(jì)使得有可能吸引更多的改進(jìn)優(yōu)化設(shè)計(jì)比現(xiàn)有的研究。4 結(jié)論1）采用多級(jí)優(yōu)化設(shè)計(jì)，可以獲得一個(gè)優(yōu)化模型，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%，9.26%， 。2）在多級(jí)優(yōu)化設(shè)計(jì)和進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與優(yōu)化設(shè)計(jì)的比較，最大變形，最大應(yīng)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)的方法的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法結(jié)果，提出采用多級(jí)優(yōu)化設(shè)計(jì)，驗(yàn)證了優(yōu)化設(shè)計(jì)是否正確進(jìn)行。4）基于 CATIA、ANSYS 商業(yè)軟件使用多級(jí)優(yōu)化設(shè)計(jì)驗(yàn)證，預(yù)計(jì)可應(yīng)用于機(jī)床的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。9參考文獻(xiàn)[1] LEE S W, LEE H K. Reliability evaluation of ATC for high-speed line center [J]. Journal of Korean Society for Precision Engineering, 2006, 23(6): 111 ? 118. (in Korean) [2] BARK T Y. The design of automatic tool changer [M]. Korea Advanced Institute of Science Univ Press, 1977: 1? 11. (in Korean) [3] ROY R, HINDUJA S, TETI R. Recent advances in engineering design optimization: Challenges and future trends [J]. CIRP Annals ? Manufacturing Technology, 2008, 57: 697?715. [4] SONG J H, YANG B S, CHOI B G, KIM H J. Optimum design of short journal bearings by enhanced artificial life optimization algorithm [J]. Tribology International, 2005, 38(4): 403 ? 412. (in Korean) [5] ALLAIRE G, JOUVE F, DE GOURNAY F, TOADER A. Combining topological and shape derivatives in structural optimization [C]// European Conference on Computational Mechanics. 2006: 644. [6] BAGCI E, AYKUT S. A study of Taguchi optimization method for identifying optimum surface roughness in CNC face milling of cobalt-based alloy [J]. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 2006, 29(9): 940? 947. [7] LAMBERTI L. An efficient simulated annealing algorithm for design optimization of truss structures [J]. International Journal of Computers and Structures, 2008, 86: 1936 ? 1953. [8] SEKULSKI Z. Multi-objective topology and size optimization of high-speed vehicle-passenger catamaran structure by genetic algorithm [J]. Marine Structures, 2009, 22: 691 ?711. [9] SEO Y D, KIM H J, YOUN S K. Shape optimization and its extension to topological design based on isogeometric analysis [J]. International Journal of Solids and Structures, 2010, 47(11): 1618? 1640. (in Korean) [10] JIA S, XIN W, XIACONG J, TAEKESHI I. Multi objective optimization based fast motion detector [J]. Lecture Notes in Computer Science, 2011, 6523: 492?502. [11] KIM J H, LEE M J, LEE C M. Geometric optimal design of an ATC arm using design of experiments [C]// Proceedings of the IASTED International Conference. 2010: 357 ? 362. (in Korean) [12] LEE Y W, SUNG H G. Multi-phase optimization of quill type machine structures (1) [J]. Journal of Korean Society Precision Engineering, 2001, 18(11): 155?160. (in Korean) [13] LEE M J, LEE C M. A study on structural analysis and optimum shape design of tilting index table [J]. Journal of Korean Society Precision Engineering, 2009, 27(2): 86? 93. (in Korean) [14] ARORA J S. Introduction to optimum design, [M]. McGraw-Hill, 2003: 8?9. [15] KIM H S, LEE Y S. Optimization design technique for reduction of sloshing by evolutionary methods [J]. Journal of Mechanical Science and Technology, 102008, 22(1): 25?33. (in Korean) [16] KIM J S. A study on the weight-saving design of the boom in high ladder vehicle [J]. Transactions of the Korean Society of Machine Tool Engineers, 2007, 16(2): 8?13. (in Korean)