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随着机械行业的快速发展以及智能时代的到来,对机械加工的精度要求越来越高,提高数控机床的加工精度和综合性能,对机械行业的发展具有重要意义。本文以某小型立式数控加工中心为研究对象,分析了其各个部件与整机的刚度匹配性,定义了刚度匹配评价准则,对不满足该标准的机床部件进行了多目标拓扑优化设计,具体内容如下:(1)建立了G型立式加工中心的CAD、CAE模型和虚拟样机模型,对机床立柱进行了模态试验,验证了有限元模型的正确性。(2)改变机床各个部件刚度,并对整机进行静力分析、自由模态分析和运动学仿真分析,得到了各个部件对整机各方面性能的影响,提出一种适用于立式精密机床其各基础件刚度与整机刚度是否匹配的评价准则的刚度匹配评价准则,具体如下:1)静刚度匹配准则:当某部件的弹性模量改变为原来的两倍时,若在静力分析中刀尖变形的改变量不超过25%,即认为该部件与机床中其他部件的静刚度匹配;2)动刚度匹配准则:当某部件的弹性模量改变为原来的两倍时,若在模态分析中整机前六阶固有频率的改变量均不超过15%,即认为该部件与机床整机的动刚度匹配。3)运动学匹配准则:当某部件的弹性模量改变为原来的两倍时,若在运动学仿真分析中机床刀尖轨迹的总位移偏差的平均值和最大值的改变率均不超过30%,即认为该部件与机床整机的运动学特性匹配。此类机床各个部件若同时满足以上三条匹配准则,即可认为该机床各部件刚度与整机刚度是匹配的。(3)将折衷规划法和平均频率法结合作为多目标拓扑优化总函数,对不满足机床刚度匹配准则的部件进行以整机柔度、刀尖静变形和整机前几阶固有频率为目标的多目标拓扑优化,根据优化结果对机床立柱进行结构修改。(4)将修改后的立柱装入机床整机,分析新整机刚度匹配性,进行静力分析、模态分析和运动学仿真分析,结果表明:新立柱满足刚度匹配准则,且在机床整机质量增加1.81%的情况下,新机床整体的刀尖轨迹偏差平均值、最大值和标准差分别减小了17.84%、17.74%和19.48%,机床整机刚度提高了21.53%;刀尖变形整体减少了13.69%;前四阶固有频率分别提高了5.09%、7.66%、4.16%、5.45%,而模态振型基本不变。整机性能显著提高。