高速磨床結構設計中的優(yōu)化技術及應用研究.pdf

1、高速磨床是現(xiàn)代機械加工中重要的工作母機。隨著現(xiàn)代工業(yè)產(chǎn)品的精度要求不斷提高,對高速磨床本身的結構設計也提出了更高的要求,以保證其加工的精度和穩(wěn)定性。國內(nèi)外的學者和工程師在此領域內(nèi)做了很多基礎性的研究工作,但是由于高速磨床本身的一些結構特點,使研究工作同時面臨著一些瓶頸問題。作為制造業(yè)大國,我國在制造裝備的設計領域,目前與國際水平還存在著一定的差距,并且國外在這方面的先進技術對我國又是限制出口的,導致相對落后的制造裝備大大制約了我國制造業(yè)

2、水平的進步,因此高速磨床的自主開發(fā)與研制對于我國制造業(yè)發(fā)展具有極其重要的意義。優(yōu)化和反求技術是當前國際上十分活躍的研究領域,對于工程設計問題有相當重要的指導作用。本文在總結前人關于高速磨床的設計研究及各種優(yōu)化技術的基礎上,將近似模型技術結合全局優(yōu)化算法的現(xiàn)代設計方法引入高速磨床結構設計領域,解決了高速磨床設計中遇到的一些難題。
　　 圍繞高速磨床結構設計中的優(yōu)化技術及應用這個主題,本論文開展了以下幾個方面的研究:
　　

3、1.建立了一種適于高速磨床零部件結構優(yōu)化設計的優(yōu)化技術流程,將近似模型技術引入到高速磨床結構優(yōu)化設計中,代替試驗研究和耗時的傳統(tǒng)數(shù)值計算模型,結合全局優(yōu)化算法,達到了提高其結構優(yōu)化的效率和精度的目的。通過對目前高速磨床的結構設計要求及其零部件的結構特征的分析,運用現(xiàn)代設計方法對高速磨床的靜、動態(tài)性能進行研究,發(fā)現(xiàn)一般的優(yōu)化技術缺少針對性,或是設計的成本太高,致使在工程實際問題中很難進行推廣。利用近似回歸技術建立研究問題的近似模型,代替無

4、法顯式表達的函數(shù)關系或是耗時的數(shù)值計算問題,是目前解決大規(guī)模、復雜問題的有效途徑,本文通過研究近似模型的建模理論,采用擬合精度和效率都較好的徑向基函數(shù)模型處理高速磨床結構設計中的非線性問題,并在此基礎上開發(fā)出一套高速磨床結構優(yōu)化軟件。
　　 2.開展高速磨床動力學和結構分析的聯(lián)合同步仿真研究,實現(xiàn)工作狀態(tài)下的關鍵零部件結構分析的實時與動態(tài)仿真分析。在傳統(tǒng)的高速磨床動力學分析中,通常將其零部件視為剛體,從而使得到的相關位移、速度和

5、作用力等性能響應數(shù)據(jù)并不能反映真實的系統(tǒng)情況。動力學分析與結構分析一般是分開進行的,根據(jù)動力學分析的結果在結構分析中進行加載模擬和計算,從而降低了分析的精度和效率。另一方面,高速磨床具有精密加工的功能特點,使其分析和設計的過程中,不能忽略零件的彈性變形,尤其是在一些關鍵參數(shù)的選取上,彈性變形會影響設備的加工精度。正是基于上述動力學分析和結構分析的缺陷,本文結合多剛體動力學軟件和結構分析軟件對高速磨床的運動、加工系統(tǒng)進行了聯(lián)合同步仿真研究

6、,解決了工作狀態(tài)中零件結構分析的問題,并對主軸一砂輪架加工系統(tǒng)進行了仿真研究,通過與其多剛體模型進行比較,發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)中零部件的彈性變形對加工精度具有一定程度的影響。
　　 3.開展了針對高速磨床設計中的不確定性問題的研究,將基于區(qū)間數(shù)的不確定性優(yōu)化方法引入到高速磨床設計中,并針對高速磨削過程中主軸系統(tǒng)的不確定性問題進行了優(yōu)化設計。在高速磨床的設計、制造和工作中,存在著很多不確定性的因素,例如,材料特性、邊界條件、外界環(huán)境等,尤其是

7、磨削過程中的磨削力,以往的設計和分析都將設計參數(shù)視為確定性參數(shù),未曾考慮過這些設計參數(shù)中的不確定性,然而,這些因素又直接影響設計方案的準確性和可靠性,因此很有必要在結構設計過程中考慮這些不確定性因素。本文以高速磨床主軸系統(tǒng)為研究對象,分析其工作狀態(tài)并充分考慮磨削力的不確定性,建立了主軸系統(tǒng)工作狀態(tài)下的不確定性柔性動力學模型,利用基于區(qū)間數(shù)的不確定優(yōu)化方法結合隔代映射遺傳算法進行了優(yōu)化研究,結果證明達到了提高主軸系統(tǒng)抗振可靠性的目的。

8、r>　　 4.提出了一種基于近似模型和變尺度混沌優(yōu)化算法的高速磨床結構輕量化設計方法。高速磨床結構輕量化的首要前提是保證高速磨床原有的性能不能下降,既要有目的地減輕零部件的重量,又要保證結構的強度、剛度及抗振性等性能要求。對于高速磨床零部件的輕量化設計而言,其設計目的不僅僅是降低成本,同時也是機床進給系統(tǒng)高速化設計的一個重要研究方向,有助于提高進給系統(tǒng)的速度和加速度。然而,進給系統(tǒng)中零件的結構一般都比較復雜,本文借助近似模型方法代替實

9、際結構模型,并結合變尺度混沌優(yōu)化算法,進行結構輕量化設計。變尺度混沌優(yōu)化算法是一種利用非線性動力學系統(tǒng)中混沌現(xiàn)象的遍歷性、隨機性等特點來尋找全局最優(yōu)值的隨機全局性優(yōu)化方法,相比于其他梯度優(yōu)化算法和隨機優(yōu)化算法,其原理簡單、易懂,用于操作的算法參數(shù)少,易于一般工程設計員理解和操作,同時其優(yōu)化收斂速度快,精度高。本文以高速磨床進給系統(tǒng)中的拖板為研究對象,通過對其進行參數(shù)化建模,并建立各個性能目標的近似模型,利用變尺度混沌優(yōu)化方法進行多目標優(yōu)

10、化設計,達到了結構輕量化設計的目的。
　　 5.對高速磨床整機建模中的各種結合部的建模方式及其等效動力學參數(shù)的反求進行了研究,并在此基礎上對高速磨床的整機進行了分析。在高速磨床中,結合部的特性研究因其影響因素多并且機理復雜,一直是一個難點。國內(nèi)外很多學者分別從接觸機理方面和動態(tài)試驗方面進行了探索和研究,本文避開了繁瑣復雜的理論公式推導和高成本的試驗研究,將結合面等效動力學參數(shù)的反求過程視為一個參數(shù)尋優(yōu)并與動態(tài)試驗相匹配的過程,從