基于响应面法的龙门铣床回转工作台结构优化设计

引言

回转工作台是龙门加工中心的关键功能部件之一，其主要作用是装夹和支撑待加工零件，并带动待加工零件旋转而构成车削加工或铣销加工，因此工作台的静动态特性将直接影响整机的加工精度和效率［1-2］。

在机床重要零部件结构设计与优化过程中，国内外学者普遍采用尺寸优化的方法，如魏锋涛等结合拓扑优化和尺寸优化方法对某回转工作台以减轻质量和提高刚度为目标的结构优化［3］。仇政等以某龙门加工中心的工作台为研究对象，将工作台质量设置为约束条件，取工作台7个结构尺寸作为优化变量，以提高工作台的固有频率为优化目标进行了工作台的尺寸优化［4］。刘梅针等对某数控铣齿机床的床身，通过采用不同的筋板厚度及布置方式，以减轻床身重量为优化目标，进行了优化设计，最终使床身减轻1. 68 t［5］。王 1132机械强度2018年美妍等针对DVG850高速立式加工中心的工作台，利用Ansys软件对不同结构的工作台进行静态性能分析，通过改变筋的结构形式，提高工作台刚度，实现了工作台的结构优化［6］。

当前，针对数控机床的固定工作台和床身研究较多，对回转工作台为研究对象的较少;在研究方法上，多采用有限元软件分析对数控机床工作台及床身进行模态分析，很少采用参数化建模及多目标优化方法，从优化数控机床结构尺寸角度，对其进行优化。

本文以回转工作台为研究对象，根据其实际工况进行静动态特性分析，以回转工作台的质量为约束条件，最大变形和第一固有频率为目标，在灵敏度与响应面分析的基础上，采用多目标遗传算法对其结构尺寸进行优化，以提高回转工作台静动态特性。

1 回转工作台静动态特性分析

1. 1回转工作台几何结构

回转工作台可扩大龙门加工中心的加工范围，一次装夹后可对零件的多个面进行加工，拓展龙门加工中心固定工作台只能进行镗、铣、钻孔等功能，使机床具有车铣等复合加工能力，缩短辅助时间并提高加工效率。表1给出回转工作台主要技术参数。

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结论

本文以某龙门加工中心回转工作台为研究对象，进行静力学分析与模态分析，得到回转工作台的最大变形云图、应力云图及前六阶固有频率及振型，找出回转工作台的薄弱环节，为回转工作台结构优化提供依据。对回转工作台筋板、腹板厚度和壁厚等进行Box-Behnken试验设计与灵敏度分析，研究了各设计参数对立柱重量、最大变形和第一阶固有频率的影响程度，并建立其响应面模型。以降低回转工作台最大变形、减重和提高第一阶固有频率为优化目标，采用多目标优化算法对立柱设计参数进行优化并得到最优解。其重量36 680 kg减少至35 750 kg，减重达930 kg，减幅2. 6%;最大静态变形量从14. 75μm降低至9. 32μm，减幅36. 8%;第一阶固有频率从229. 88 Hz提高到243. 06 Hz，提高了5. 4%，为我国自主研发回转工作台等类似机床功能部件提供了理论依据。

基于响应面法的龙门铣床回转工作台结构优化设计

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