機(jī)床運(yùn)動(dòng)優(yōu)化中英文對照外文翻譯文獻(xiàn)

中英文對照外文翻譯(文檔含英文原文和中文翻譯)模擬與機(jī)床完整的力學(xué)性能優(yōu)化摘要截至到現(xiàn)今，考慮靈活的力和移動(dòng)的結(jié)構(gòu)時(shí)根據(jù)不同的工作區(qū)位置是不可能做到多體仿真，比如直線導(dǎo)軌上的基架組件。從而那些即不體現(xiàn)完整力學(xué)行為的表示，也不取決于不同的工作區(qū)的位置的幀結(jié)構(gòu)的優(yōu)化變得可能。在德國研究基金會(huì)“生產(chǎn)機(jī)器并聯(lián)運(yùn)動(dòng)”的優(yōu)先方案1099的情況下，方法已經(jīng)制定出使柔性體多體仿真之間力的傳輸。現(xiàn)在，連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)‘學(xué)天才500’的靈活的MBS-模型由柔性框架結(jié)構(gòu)延伸并總變形進(jìn)行了分析。此外，本幀結(jié)構(gòu)被替換為設(shè)計(jì)空間中不同的工作區(qū)的位置拓?fù)鋬?yōu)化。關(guān)鍵詞機(jī)床并聯(lián)運(yùn)動(dòng)拓?fù)鋬?yōu)化1引言在工業(yè)產(chǎn)品開發(fā)的領(lǐng)域中仿真是變更，因?yàn)樗玫降墓?jié)省時(shí)間和成本以及更重要。即使前一產(chǎn)品，例如一個(gè)新開發(fā)的機(jī)械部分生產(chǎn)時(shí)，從生產(chǎn)過程到成品部件的整個(gè)發(fā)展過程可以完全模擬的。這導(dǎo)致了快速和低成本的優(yōu)化，其結(jié)果是，從概念到成品的時(shí)間段可以顯著縮短。因此，增加競爭力的關(guān)鍵是計(jì)算機(jī)模擬的應(yīng)用程序，尤其是對中小工業(yè)企業(yè)。在德國研究基金會(huì)（生產(chǎn)機(jī)器并聯(lián)運(yùn)動(dòng)）的優(yōu)先方案1099中，“標(biāo)注在考慮完整的力學(xué)行為的平行運(yùn)動(dòng)的組成結(jié)構(gòu)''項(xiàng)目'是2000年到2006年間由生產(chǎn)科學(xué)（WBK）的研究所與產(chǎn)品開發(fā)（IPEK）的研究所的合作來實(shí)現(xiàn)。在并聯(lián)運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)領(lǐng)域，未來的挑戰(zhàn)將是再現(xiàn)了一種簡單的方法塑造模型，，并優(yōu)化考慮到不同的工作區(qū)位置的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)總行為。為了實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，一種基于混合多體系統(tǒng)的拓?fù)鋬?yōu)化方法正在開發(fā)?；旌隙囿w系統(tǒng)的特征在于柔性，彈性件納入硬體的系統(tǒng)。通過這種方法的裝置，在工作區(qū)剛度分配可以得到改善，適于生產(chǎn)結(jié)構(gòu)可設(shè)計(jì)。2同質(zhì)化剛度分布并聯(lián)機(jī)床具有沿著工作區(qū)的空間軸線不均勻剛度行為（圖1）。這是因?yàn)樗鲋е龅綇牟煌墓ぷ魑恢玫脑斐刹煌呢?fù)荷。這個(gè)不均勻性是使得理想情況下，相同的剛度行為沿空間軸在整個(gè)工作區(qū)實(shí)現(xiàn)要由結(jié)構(gòu)部件的計(jì)算機(jī)輔助工程補(bǔ)償。圖1

耦合運(yùn)動(dòng)的非均勻剛度分配天才500[1]圖2示出了優(yōu)化過程的一個(gè)機(jī)床具有平行運(yùn)動(dòng)學(xué)剛度分配的同質(zhì)化。從CAD模型開始，僵硬的多體模型通過柔性體擴(kuò)大。用于機(jī)床的一個(gè)運(yùn)動(dòng)功能特性被施加到模型中的驅(qū)動(dòng)器，軸承和滾珠絲杠驅(qū)動(dòng)器彈性地建模。該模型構(gòu)建的結(jié)果是一個(gè)混合型的多體系統(tǒng)。因此，有可能考慮模擬期間刀具中心點(diǎn)（TCP）的位移。工作空間中的彈性位置都獲得了較大的力加權(quán)每個(gè)坐標(biāo)方向，以控制所述結(jié)構(gòu)的生長。類似于在生物學(xué)領(lǐng)域的骨生長，只是組件的加載域優(yōu)化過程強(qiáng)化。在這一點(diǎn)上，對不同的位置上的相對權(quán)重是非常重要的。第一個(gè)實(shí)例，其中的載荷施加在位置是均勻分布的。如果需要的話，更多的負(fù)載位置可以在優(yōu)化過程中被插入。在接下來的拓?fù)鋬?yōu)化中，使用多體仿真（MBS）來更新負(fù)載，該材料的分布根據(jù)所述負(fù)荷得到提高。生產(chǎn)上的限制可以在拓?fù)鋬?yōu)化加以考慮。因此，它可以從一開始所研制的結(jié)構(gòu)就保證適合于鑄造。這確保通過限定拉方向，最小和最大桁架厚度以及限定所需要的必要噴射角度。新的刀具結(jié)構(gòu)都要進(jìn)行各自的優(yōu)化試驗(yàn)后再進(jìn)行評估。為了這個(gè)目的做一個(gè)進(jìn)行了測試TCP的工作空間中的彈性分布的模擬試驗(yàn)。在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中，在每個(gè)工具方向施加1千牛測試負(fù)載到工具尖端，根據(jù)剛度分配的結(jié)果負(fù)載必須被再次加權(quán)或多個(gè)工作空間的位置必須被創(chuàng)建。整個(gè)優(yōu)化的結(jié)果是一種結(jié)構(gòu)方案，不幸的是，至今仍然必須手動(dòng)構(gòu)成。自動(dòng)反饋結(jié)構(gòu)正在以當(dāng)前的研究項(xiàng)目中討論，它使用幾何圖元以接近的結(jié)構(gòu)[3]。圖2剛度的同質(zhì)化優(yōu)化過程分配3選擇合適的工況3.1可逆性剛度分布首先，必須被檢查確定其中負(fù)載情況都是適宜的優(yōu)化。初步調(diào)查是由耦合動(dòng)力學(xué)的簡化模型（圖3）的方式進(jìn)行。該連桿機(jī)構(gòu)的自由端在Y方向上獨(dú)立地移動(dòng)，以使TCP可達(dá)到在X、Y平面內(nèi)的任何位置。TCP的力量是在X和Y方向上施加移動(dòng)的同時(shí)沿著X的工作區(qū)在五個(gè)均勻分布的位置在TCP上。圖3耦合動(dòng)力學(xué)的簡化模型首先，它表明剛度分布是可逆的。此后，它應(yīng)該有可能產(chǎn)生一個(gè)“內(nèi)在”剛度分配，這也是兩個(gè)分布均相之一。在第一種情況下，演示模型在不斷改善力的影響下進(jìn)行了優(yōu)化。在X和Y方向上的力的值分別為5000N的所有可能。另外一個(gè)優(yōu)化進(jìn)行了僅自重引起的力。這些優(yōu)化的結(jié)果示于圖4。圖4剛度分配的可逆性[1]該圖曲線表示變形行為的控制潛力巨大。在X方向上的路徑的偏差被示出。還表示出了非優(yōu)化設(shè)計(jì)空間模型的剛度分布，使其比較容易作出。3.2剛度分布均勻化它表明在此之后的剛度分布可以強(qiáng)烈變化，在變化過程中有可能的讓其最優(yōu)化，現(xiàn)在應(yīng)控制特定的力的加持的結(jié)構(gòu)變化得到檢查。因?yàn)榕c真正的機(jī)床模型操作牽連高計(jì)算成本，所以應(yīng)該以較少的的優(yōu)化為目標(biāo)并且盡可能每次取都得成功。第一個(gè)目標(biāo)是通過使用優(yōu)化力量的人工方法得到剛性同質(zhì)化。如果拓?fù)鋬?yōu)化是用一個(gè)最大的剛度和指定的目標(biāo)體積的同時(shí)的目標(biāo)，總應(yīng)變能會(huì)減至最小。對于均質(zhì)化的問題，這就意味著在優(yōu)化過程中硬的位置應(yīng)該被加載小于彈性向其在彈性的位置再次增加的應(yīng)變能從而提高剛度。沿著工作空間剛度分配到僵和彈性的位置區(qū)別剛性分布，關(guān)于“零級”的問題已基本有了統(tǒng)一要求，它的位置被聲明為硬的，并且也是有彈性的。在“零級”是要考慮的有活力的零級別。如果有一個(gè)位置，這不會(huì)從理想的TCP位置偏離，這不能被視為零級。如果在拓?fù)鋬?yōu)化應(yīng)用的彈性立場重載荷這表明相比于同質(zhì)化是加權(quán)的結(jié)果。通過手動(dòng)力的權(quán)重有可能獲得一小會(huì)兒可能的結(jié)果。3.3遺傳算法的參數(shù)優(yōu)化盡管事實(shí)是真實(shí)工具模型操作可能牽涉高計(jì)算成本，一個(gè)遺傳優(yōu)化要被進(jìn)行了使用一個(gè)驗(yàn)證機(jī)模型來獲得可能的這種模式的最高同質(zhì)性，使得相較于先前的結(jié)果將成為可能，但是每10個(gè)人進(jìn)行了20代的遺傳優(yōu)化，就將導(dǎo)致一個(gè)均勻的硬度行為。操作現(xiàn)實(shí)的工具模型可能牽涉高計(jì)算成本，但是由此新的結(jié)構(gòu)可以發(fā)現(xiàn)緊湊車型。自動(dòng)優(yōu)化需要沿工作區(qū)的剛性性能同質(zhì)化的比重。權(quán)重的基礎(chǔ)是TCP的在1千牛頓測試負(fù)荷的路徑偏差的標(biāo)準(zhǔn)偏差，以及最小和最大位移之間的差異。考慮到成本和收益來獲得很明顯的，遺傳參數(shù)優(yōu)化，包括與使用手冊力稱重分析模型分析了137款要求不合理的高費(fèi)用，實(shí)現(xiàn)同質(zhì)化的小幅增加更均勻的剛度分配。這兩種車型，這是必要的手工計(jì)算權(quán)重給出了一個(gè)非常好的結(jié)果在最短的時(shí)間。保存的時(shí)間可以更好地用于考慮更詳細(xì)的模型。使用成色運(yùn)動(dòng)學(xué)的示范模型剛度分配的均勻化表明，彈性位置使用手動(dòng)方法更高的力的加權(quán)提供了最好的結(jié)果。4并行優(yōu)化到現(xiàn)在為止采用多體仿真拓?fù)鋬?yōu)化可能僅有優(yōu)化審合一靈活的外殼。然而所有的模型組件的柔性性質(zhì)影響的結(jié)果如圖4所示，因此最明顯的解決方案似乎是直接包括的結(jié)構(gòu)中優(yōu)化其間變化，因此開展多機(jī)構(gòu)的綜合同時(shí)優(yōu)化于一體的審判?，F(xiàn)在正在開發(fā)的方法是施加到連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)真實(shí)結(jié)構(gòu)。因?yàn)樵赱1]的文獻(xiàn)中設(shè)計(jì)空間和工具的組件的配置的連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)的最后的查詢都因?yàn)橐粋€(gè)新的原型的發(fā)展而改變。因此開發(fā)了一種全新的機(jī)床模型。開始同時(shí)優(yōu)化現(xiàn)有的結(jié)果連桿機(jī)構(gòu)和滑動(dòng)結(jié)構(gòu)。基座框架沒有分析。這是因?yàn)樗鼰o法在足夠程度移動(dòng)的施力點(diǎn)建模直到現(xiàn)在。該模型由以下元素組成：左和右聯(lián)接器以及兩個(gè)上滑動(dòng)的連桿機(jī)構(gòu)的支架。它們包含在ADAMS靈活的設(shè)計(jì)空間模型。軸承和載玻片借助于襯套，其具有在每個(gè)軸向不同的剛度和阻尼值建模。該組件是線性四面體單元的連接。在滾子軸承壓入的位置，分別與右連桿機(jī)構(gòu)和向左滑動(dòng)連接，剛性體元素（RBE）3型是結(jié)構(gòu)清晰。他們提供的所有連接節(jié)點(diǎn)彈性連接。RBEs的參考節(jié)點(diǎn)被納入ADAMS后可作為接口節(jié)點(diǎn)。這些參考節(jié)點(diǎn)是標(biāo)記物，其中屬于該柔性體并允許力傳輸在相應(yīng)RBE節(jié)點(diǎn)。主軸插入右連桿機(jī)構(gòu)。它不是因此優(yōu)化的受試者和不建模。傳力經(jīng)RBE3從“虛擬”的TCP進(jìn)行直接進(jìn)入右連桿機(jī)構(gòu)。兩個(gè)幻燈片鏡面應(yīng)對稱。此外，對于連接到經(jīng)由滾子軸承各自的連桿機(jī)構(gòu)中，必須考慮在基準(zhǔn)框架中的幻燈片和與線性馬達(dá)的連接點(diǎn)的指導(dǎo)。對于第一個(gè)優(yōu)化裝載的5000NA均勻，因而未加權(quán)力分配來分析結(jié)構(gòu)的行為。手動(dòng)力權(quán)重的原則，是指在工作區(qū)中彈性立場應(yīng)該受到更高的優(yōu)化力比硬的。這一原則，部隊(duì)被沿工作區(qū)分別為X和Y方向上施加從左側(cè)到右側(cè)的五個(gè)位置。施加同質(zhì)化到連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)的模型，總同質(zhì)化特性提高了23％。隨著同質(zhì)化特性在X方向增加，在Y方向上的絕對剛性將降低（圖5）。但在Y方向的剛度仍足以滿足性能要求。這樣做的目的是在X方向和Y方向上的剛度相等。因此，更均勻的結(jié)果是可能的，而不在控制附加和工作空間相關(guān)的補(bǔ)償。圖5連桿機(jī)構(gòu)的剛度分布均勻化運(yùn)動(dòng)天才5005仿真和完整行為的優(yōu)化連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)的的靈活的MBS模型是由一個(gè)靈活的底架結(jié)構(gòu)擴(kuò)大。它被有條不紊分析力傳遞元件應(yīng)該如何被集成，使得力可以傳遞到基架結(jié)構(gòu)，并且可以示出的工具的總變形。此外，現(xiàn)有的基架結(jié)構(gòu)通過一個(gè)設(shè)計(jì)空間，根據(jù)靜態(tài)和動(dòng)態(tài)負(fù)載下不同的工作區(qū)的位置取代和優(yōu)化。原始基架被取代的設(shè)計(jì)空間，該模型的成色劑和載玻片靈活建模。在該模型中，軸承和導(dǎo)向件的剛度被認(rèn)為以及引力和慣性的影響。導(dǎo)向件和工具的支持被定義為不可變的拓?fù)鋬?yōu)化。圖6全國聯(lián)保500柔性多體模型成功的模式建設(shè)后（圖6），三個(gè)優(yōu)化進(jìn)行了試驗(yàn)：?運(yùn)動(dòng)沿著Y工作空間的5千牛的TCP在X方向恒力中心位置?運(yùn)動(dòng)沿著Y工作空間的5千牛的TCP在Y方向恒力中心位置?兩個(gè)圓周運(yùn)動(dòng)與直徑600毫米，并與負(fù)載X方向和之后在Y方向優(yōu)化試驗(yàn)考慮了靜態(tài)和動(dòng)態(tài)負(fù)載的情況下。基架的韌性與1千牛在X方向上的TCP的裝載期間的比較示于圖7。與圓周運(yùn)動(dòng)的結(jié)果是結(jié)果最好的材料分布：堅(jiān)韌性在于設(shè)計(jì)空間模型與原模型之間。結(jié)果在上位確實(shí)比原來的建筑，但在上部位置，一個(gè)換刀坐落，它可以獲取與低工具剛度差。圖8示出連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)所得基架結(jié)構(gòu)。圖7應(yīng)變能力的X方向的負(fù)荷時(shí)比較圖8優(yōu)化結(jié)果比較6結(jié)論并聯(lián)運(yùn)動(dòng)在工作區(qū)中的剛度行為是不均勻的。在有限元法和MBS的領(lǐng)域，整個(gè)工作區(qū)中的優(yōu)化是不可能到此為止。在平行運(yùn)動(dòng)學(xué)設(shè)計(jì)領(lǐng)域，未來的挑戰(zhàn)是再現(xiàn)模型在一個(gè)簡單的方法，并優(yōu)化的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)總行為要考慮到不同的工作區(qū)位置。為了這個(gè)目的，一種方法被開發(fā)，其中其通過裝置上的混合多體系統(tǒng)的拓?fù)鋬?yōu)化堿基工作空間中的剛度分配能夠提高和生產(chǎn)友好結(jié)構(gòu)可設(shè)計(jì)。這種方法使得可以提高機(jī)床的剛度分配的均勻性。因此，更均勻的結(jié)果是可能的，而不附加，工作空間相關(guān)的補(bǔ)償。與結(jié)構(gòu)反饋的研究相結(jié)合的方法被找到，這使得并聯(lián)運(yùn)動(dòng)的發(fā)展做出了重要貢獻(xiàn)。通過用樣品的裝置施加的方法，它表明，實(shí)際的方法強(qiáng)烈地依賴于設(shè)計(jì)空間的定義。因此，剛度和動(dòng)態(tài)電位沒有充分機(jī)床的設(shè)計(jì)中利用。一個(gè)自動(dòng)，自給自足的，靈活的設(shè)計(jì)空間探測的發(fā)展將彌補(bǔ)這一差距。通過采用可變的設(shè)計(jì)空間的界限，并更好地利用可用空間是可實(shí)現(xiàn)的。由于這個(gè)原因，可以優(yōu)化任何機(jī)制在一個(gè)短的時(shí)間。參考文獻(xiàn)1.NeithardtW(2004)MethodikzurSimulationundOptimierungvonWerkzeugmaschineninderKonzept-undEntwurfsphaseaufBasisderMehrko¨persimulation.ForschungsberichteausdemwbkInstitutfu¨rProduktionstechnikUniversita¨tKarlsruhe(TH),Band124,Karlsruhe2.FleischerJetal(2006)Selectionandinfluenceofloadcasesforthetopologyoptimizationofthecomponentstructureofparallelkinematicmachines.BerichteausdemIWUBand33:879–882,Zwickau:VerlagWissenschaftlicheScripten3.HesselC,WeckM(2002)ReverseengineeringoftopologyoptimizedFE-models.Integrationoftopologyoptimizationintheengineeringprocess.wtWerkstattstechnikonline92/7–8:377–381原文：SimulationandoptimizationofcompletemechanicalbehaviourofmachinetoolsAbstractUptonowtheconsiderationofforcesbetweenflexible,movedstructures,e.g.,linearguidesonbaseframecomponents,dependingondifferentworkspacepositionswasn’tpossibleinmulti-bodysimulation.Therebyneithertherepresentationofthecompletemechanicalbehaviornortheoptimizationoftheframestructuredependingondifferentworkspacepositionsispossible.InthecontextofthePriorityProgram1099oftheGermanResearchFoundation‘‘ProductionMachineswithParallelKinematics’’,methodshavebeendeveloped,whichenablethetransmissionofforcesbetweenflexiblebodiesmulti-bodysimulation.Theexisting,flexibleMBS-modelofthecouplerkinematics‘‘Genius500’’isextendedbyaflexibleframestructureandthetotaldeformationisanalyzed.Furthermorethepresentframestructureisreplacedbyadesignspacefortopologyoptimizationindifferentworkspacepositions.KeywordsMachinetoolParallelkinematicsTopologyoptimization1IntroductionInthefieldofindustrialproductdevelopment,simulationisbecomingmoreandmoreimportantbecauseoftheresultingtimeandcostsavings.Evenbeforeaproduct,forexampleanewlydevelopedmechanicalpart,isproduced,theentiredevelopmentprocessfromtheproductionprocesstothefinishedcomponentcanbecompletelysimulated.Thisleadstoafastandinexpensiveoptimization.Asaresult,thetimeperiodfromtheconcepttothefinishedproductcanbeconsiderablyshortened.Thus,theapplicationofcomputersimulationisthekeytoanincreasingcompetitivenessespeciallyforsmallandmediumindustrialenterprises.Withinthepriorityprogram1099oftheGermanResearchFoundation(productionmachineswithparallelkinematics),theproject‘‘Dimensioningthecomponentstructureofparallelkinematicsinconsiderationofthecompletemechanicalbehavior’’wasrealizedbytheInstituteofProductionScience(wbk)incollaborationwiththeInstituteofProductDevelopment(IPEK)betweentheyears2000and2006.Inthefieldofparallelkinematicsdesign,thefuturechallengewillbetoreproduceamodelinaneasywayandtooptimizethestaticanddynamictotalbehaviortakingintoconsiderationdifferentworkspacepositions.Toachievethis,amethodbasingonthetopologyoptimizationofhybridmulti-bodysystemswasdeveloped.Hybridmulti-bodysystemsarecharacterizedbytheintegrationofflexible,elasticpartsintoasystemofstiffbodies.Bymeansofthismethod,stiffnessdistributionintheworkspacecanbeimprovedandstructuressuitableforproductioncanbedesigned.2HomogenizationofstiffnessdistributionParallelkinematicmachinespossessinhomogeneousstiffnessbehavioralongthespaceaxesoftheworkspace(Fig.1).Thisisbecausethestrutsencounterdifferentloadsresultingfromthedifferentworkingpositions.Thisinhomogeneityistobecompensatedbyacomputer-aidedconstructionofthestructurecomponentssothat,ideally,thesamestiffnessbehaviorisachievedalongthespaceaxesintheentireworkspace.Fig.1InhomogeneousstiffnessdistributionofthecouplerkinematicsGenius500[1]Figure2showstheoptimizationprocessforthehomogenizationofstiffnessdistributionofamachinetoolwithparallelkinematics.StartingfromaCADmodel,astiffmulti-bodymodelisenlargedbyflexiblebodies.Amovementfunctioncharacteristicformachinetoolsisappliedtothedrivesinthemodel,thebearingsandballscrewdrivesareelasticallymodeled.Theresultofthemodelconstructionisahybridmulti-bodysystem.Itisthuspossibletoconsiderthedisplacementofthetoolcenterpoint(TCP)duringsimulation.Fig.2OptimizationprocessforthehomogenizationofstiffnessDistributionResilientpositionsintheworkspacearegivenahigherforceweightingforeachcoordinatedirectiontocontrolthestructuregrowth.Similartothebonegrowthinthefieldofbiology,onlytheloadeddomainsofthecomponentarefortifiedduringoptimization.Atthispoint,therelativeweightinginthedifferentpositionsisofmajorimportance.Inthefirstinstance,thepositionsinwhichtheloadsareappliedareuniformlydistributed.Ifrequired,moreloadpositionscanbeinsertedduringoptimization.Duringthefollowingtopologyoptimization,whichusesmulti-bodysimulation(MBS)toupdatetheloads,thedistributionofthematerialisimprovedaccordingtotheloads.Manufacturingconstraintscanbetakenintoaccountduringtopologyoptimization.Thus,itcanbeensuredrightfromthestartthatthedevelopedstructuresaresuitableforcasting.Thisisensuredbydefiningpulldirections,minimumandmaximumtrussthicknessaswellasdefiningnecessaryanglesneededforejection.Thenewtoolstructurehastobeevaluatedaftereachoptimizationtrial.Forthatpurpose,asimulationtrialiscarriedouttotesttheresiliencedistributionoftheTCPintheworkspace.Intheexample,1kNtestloadineachtooldirectionisappliedtothetooltip.Accordingtotheresultsofthestiffnessdistributiontheloadshavetobeweightedagainormoreworkspacepositionshavetobecreated.Theresultoftheentireoptimizationisaconstructionproposal,whichunfortunately,hasstilltobeconstructedmanually.Anautomaticstructurefeedback,whichusesgeometricprimitivestoapproachthestructure,isbeingdiscussedincurrentresearchprojects[3].3Selectionofappropriateloadcases3.1ReversibilityofstiffnessdistributionAtfirst,ithadtobeexamined,whichloadcasesareappropriatetoanoptimization.Thepreliminaryinquirywascarriedoutbymeansofasimplifiedmodelofacouplerkinematics(Fig.3).ThefreeendsofthecouplersaremovedindependentlyinY-direction,sothattheTCPcanreachanyPositionintheXY-plane.TCP-forceswereappliedinX-andY-directionwhilemovingtheTCPalongtheX-workspaceinfiveuniformlydistributedpositions.Fig.3SimplifiedmodelofacouplerkinematicsFirst,itwasshownthatthestiffnessdistributionisreversible[2].Thereafter,itshouldbepossibletogenerateastiffnessdistribution,whichis‘‘within’’thesetwodistributions,thusalsoahomogeneousone.Inthefirstinstance,thedemonstratormodelwasoptimizedundertheinfluenceofconstantoptimizationforces.ThevaluesoftheforcesinX-andY-directionwere5,000Ninallpositions.Again,anoptimizationwascarriedoutonlywithforcescausedbydeadweight.TheresultsoftheseoptimizationsareshowninFig.4.Thediagramedcurvespromisegreatpotentialforthecontrolofthedeformationbehavior.Exemplarily,thepathdeviationsinX-directionareshown.Thestiffnessdistributionofthenon-optimizeddesignspacemodelisalsoshownsothatacomparisoncanbemade.3.2HomogenizationofstiffnessdistributionAfteritwasshownthatthestiffnessdistributioncanbevariedintensely,whatmakesanoptimizationpossible,nowthespecificforceweightingforthecontrolofthestructuregrowthisexamined.Becauseoperationswithrealmachinetoolmodelsimplicatehighcomputationalcostsitshouldbethegoaltocarryoutasfewoptimizationsaspossibletosucceed.Thefirstgoalisthehomogenizationofthestiffnessbymeansofamanualweightingoftheoptimizationforces.Iftopologyoptimizationiscarriedoutwiththeobjectiveofamaximumstiffnessandaspecifiedobjectivevolumeatthesametime,thetotalstrainenergyisminimized.Fortheissueofhomogenization,thismeansthatduringoptimizationstiffpositionsshouldbeloadedlessthantheresilientonestoincreasestrainenergyonceagaininresilientpositionsandthustoincreasestiffness.Classifyingstiffnessdistributionalongtheworkspaceintostiffandresilientpositions,thequestionabout‘‘zerolevel’’hasbasicallytobeasked,i.e.,whichpositionsaredeclaredasstiffandwhichasresilientones.The‘‘zerolevel’’istoconsiderastheenergeticzerolevel.Ifthereisaposition,whichdoesn’tdeviatefromtheidealTCPposition,thiscan’tbeconsideredaszerolevel.Ifheavyloadsinresilientpositionsareappliedduringtopologyoptimizationthisimplicatesahomogenizationcomparedtotheunweightedresult.Viamanualforceweightingitispossibletoobtainfeasibleresultsinalittlewhile.Withinthenextchapteritwillbediscussedwhetheranautomaticoptimizationwillprovidebetterresults.Fig.4Reversibilityofstiffnessdistribution[1]3.3ParameteroptimizationwithgeneticalgorithmsDespitethefactthatoperationswithrealtoolmodelsprobablyimplicatehighcomputationalcosts,ageneticoptimizationistobecarriedoutusingademonstratormodeltogetthehighesthomogeneitypossibleofthismodelsothatacomparisontothepreviousresultswillbepossible.Ageneticoptimizationwith20generationseachwith10individualswascarriedout,whichshouldresultinahomogeneousstiffnessbehavior.Operationswithrealtoolmodelsprobablyimplicatehighcomputationalcosts,but,thus,newstructurescanbefoundforcompactmodels.Anautomaticoptimizationrequiresaweightingofhomogeneityofstiffnessbehavioralongtheworkspace.ThebasisoftheweightingisthestandarddeviationofthepathdeviationoftheTCPat1kNtestloadaswellasthedifferencebetweenminimumandmaximumdisplacement.Figure5showstheParetofrontofthetwohomogeneitycriteria.HomogeneityinY-directionisplottedagainsthomogeneityinX-direction.ThefigureshowsthatthehomogeneityinX-directiontendstodeliverhighervaluesthanthehomogeneityinY-directionandcausesahigherinfluenceonthetotalhomogeneity.EachpositionontheParetofrontisaresult,whichis,dependingontheweightingofthetwohomogeneities,optimal.4ParalleloptimizationTopologyoptimizationusingmulti-bodysimulationisuptonowpossibleforoneflexiblebodyperoptimizationtrialonly.However,theflexiblepropertiesofallmodelcomponentsinfluencetheresultlikeshowninFig.4.Therefore,themostobvioussolutionseemstobetoincludedirectlythestructures,whichchangeduringoptimizationand,thus,tocarryoutanintegratedsimultaneousoptimizationofmultiplebodiesinonetrial.Thedevelopedmethodologyisnowappliedtotherealstructureofacouplerkinematics.Sincethelastinquiriesofthecouplerkinematicsin[1]thedesignspacesandtheconfigurationofthecomponentsofthetoolhavechangedbecauseofthedevelopmentofanewprototype.Therefore,acompletelynewmodelofthemachinetoolwasdeveloped.Startingbytheexistingresultsthecouplerandslidestructuresshouldbeoptimizedsimultaneously.Thebaseframewasnotanalyzed.Thisisbecauseitisn’tpossibletomodelmovedforceapplicationpointsinasufficientdegreeuntilnow.Themodelconsistsofthefollowingelements:Theleftandtherightcoupleraswellasthetwoslidesonwhichthecouplersrest.TheyareincludedasflexibledesignspacemodelsinADAMS.Thebearingsandslidesaremodeledbymeansofbushings,whichhavedifferentstiffnessanddampingvaluesineachaxedirection.Thecomponentsarelinkedwithlineartetrahedronelements.Inthepositionsinwhichrollerbearingsarepressedin,respectively,twofortheconnectionwiththerightcouplerandtheleftslide,rigidbodyelements(RBE)oftype3aredefined.Theyprovidethatalllinkednodesareelasticallylinked.ThereferencenodesoftheRBEsareavailableasinterfacenodesafterbeingintegratedintoADAMS.Thesereferencenodesaremarkers,whichbelongtotheflexiblebodyandpermitforcetransmissionsattherespectiveRBEnode.Thespindleisinsertedintotherightcoupler.Itisn’tthereforeasubjectoftheoptimizationandisn’tmodeled.TheforcetransmissioniscarriedoutdirectlyviaaRBE3fromthe‘‘virtual’’TCPintotherightcoupler.Fig.6HomogenizationofstiffnessdistributionofthecouplerkinematicsGenius500Thetwoslidesaremirror-symmetrical.Additionallytotheconnectionstotherespectivecouplersviarollerbearings,theguidanceoftheslidesinthebaseframeandtheconnectionpointswiththelinearmotorhavetobetakenintoconsideration.Forthefirstoptimizationahomogeneous,thusunweightedforcedistributionof5,000Nwasloadedtoanalyzethebehaviorofthestructure.Theprincipleofthemanualforceweightingmeansthatresilientpositionsintheworkspaceshouldbesubjecttohigheroptimizationforcesthanstiffones.Followingthisprinciple,forceswereappliedalongtheworkspacefromthelefthandtotherighthandsideinthefivepositionsseparatelyforX-andY-direction.Applyingthehomogenizationmethodtothemodelofthecouplerkinematics,thetotalhomogeneityisincreasedby23%.HomogeneityinX-directionincreasedwhereastheabsolutestiffnessinY-directiondecreased(Fig.6).ButthestiffnessinY-directionisstillsufficient.TheaimisthatthestiffnessinX-andY-directionisequal.Thus,moreuniformlyresultsarepossiblewithoutadditional,workspacedependentcompensationinthecontrol.5SimulationandoptimizationofthecompletebehaviorTheflexibleMBSmodelofthecouplerkinematicswasenlargedbyaflexiblebaseframestructure.Itwasmethodicallyanalyzedhowtheforcetransmissionelementsshouldbeintegratedsothattheforcescanbetransmittedtothebaseframestructureandthetotaldeformationofthetoolcanbeshown.Inaddition,theexistingbaseframestructurewasreplacedbyadesignspaceandoptimizedaccordingtodifferentworkspacepositionsunderstaticanddynamicloads.Thereafter,theprimalbaseframewassubstitutedbyadesignspace,thecouplersandslidesofthemodelwereflexiblymodeled.Inthemodel,thestiffnessofthebearingsandguideswereconsideredaswellaseffectsofgravitationandinertia.Theguidesandthesupportofthetoolweredefinedasnon-variablefortopologyoptimization.Fig.8Flexiblemulti-bodymodeloftheGenius500Afterthesuccessfulmodelconstruction(Fig.8),threeoptimizationtrialswerecarriedout:?MovementincenterpositionalongtheY-workspacewithconstantforceoftheTCPof5kNinX-direction?MovementincenterpositionalongtheY-workspacewithconstantforceoftheTCPof5kNinY-direction?Twocircularmovementswith600mmdiameterandwithloadinX-directionandafterwardsinY-directionTheoptimizationtrialstookintoconsiderationstaticanddynamicloadcases.ThecomparisonofthebaseframeresilienceduringtheloadoftheTCPwith1kNinX-directionisshowninFig.9.Fig.9ComparisonoftheresilienceduringtheloadinX-directionTheresultwithcircularmovementistheresultwiththebestmaterialdistribution:Theresilienceliesbetweenthedesignspacemodelandtheoriginalmodel.Theresultinupperpositionisindeedworsethantheoriginalconstruction—butinupperposition,atoolchangerissituated,whichgetsbywithlowtoolstiffness.Figure10showstheresultingbaseframestructuresofthecouplerkinematics.Fig.10Com