高速磨床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的優(yōu)化技術(shù)及應(yīng)用研究.pdf

1、高速磨床是現(xiàn)代機(jī)械加工中重要的工作母機(jī)。隨著現(xiàn)代工業(yè)產(chǎn)品的精度要求不斷提高,對(duì)高速磨床本身的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也提出了更高的要求,以保證其加工的精度和穩(wěn)定性。國(guó)內(nèi)外的學(xué)者和工程師在此領(lǐng)域內(nèi)做了很多基礎(chǔ)性的研究工作,但是由于高速磨床本身的一些結(jié)構(gòu)特點(diǎn),使研究工作同時(shí)面臨著一些瓶頸問(wèn)題。作為制造業(yè)大國(guó),我國(guó)在制造裝備的設(shè)計(jì)領(lǐng)域,目前與國(guó)際水平還存在著一定的差距,并且國(guó)外在這方面的先進(jìn)技術(shù)對(duì)我國(guó)又是限制出口的,導(dǎo)致相對(duì)落后的制造裝備大大制約了我國(guó)制造業(yè)

2、水平的進(jìn)步,因此高速磨床的自主開(kāi)發(fā)與研制對(duì)于我國(guó)制造業(yè)發(fā)展具有極其重要的意義。優(yōu)化和反求技術(shù)是當(dāng)前國(guó)際上十分活躍的研究領(lǐng)域,對(duì)于工程設(shè)計(jì)問(wèn)題有相當(dāng)重要的指導(dǎo)作用。本文在總結(jié)前人關(guān)于高速磨床的設(shè)計(jì)研究及各種優(yōu)化技術(shù)的基礎(chǔ)上,將近似模型技術(shù)結(jié)合全局優(yōu)化算法的現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法引入高速磨床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)領(lǐng)域,解決了高速磨床設(shè)計(jì)中遇到的一些難題。
　　 圍繞高速磨床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的優(yōu)化技術(shù)及應(yīng)用這個(gè)主題,本論文開(kāi)展了以下幾個(gè)方面的研究:
　　

3、1.建立了一種適于高速磨床零部件結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的優(yōu)化技術(shù)流程,將近似模型技術(shù)引入到高速磨床結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)中,代替試驗(yàn)研究和耗時(shí)的傳統(tǒng)數(shù)值計(jì)算模型,結(jié)合全局優(yōu)化算法,達(dá)到了提高其結(jié)構(gòu)優(yōu)化的效率和精度的目的。通過(guò)對(duì)目前高速磨床的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求及其零部件的結(jié)構(gòu)特征的分析,運(yùn)用現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法對(duì)高速磨床的靜、動(dòng)態(tài)性能進(jìn)行研究,發(fā)現(xiàn)一般的優(yōu)化技術(shù)缺少針對(duì)性,或是設(shè)計(jì)的成本太高,致使在工程實(shí)際問(wèn)題中很難進(jìn)行推廣。利用近似回歸技術(shù)建立研究問(wèn)題的近似模型,代替無(wú)

4、法顯式表達(dá)的函數(shù)關(guān)系或是耗時(shí)的數(shù)值計(jì)算問(wèn)題,是目前解決大規(guī)模、復(fù)雜問(wèn)題的有效途徑,本文通過(guò)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的非線(xiàn)性問(wèn)題,并在此基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)出一套高速磨床結(jié)構(gòu)優(yōu)化軟件。
　　 2.開(kāi)展高速磨床動(dòng)力學(xué)和結(jié)構(gòu)分析的聯(lián)合同步仿真研究,實(shí)現(xiàn)工作狀態(tài)下的關(guān)鍵零部件結(jié)構(gòu)分析的實(shí)時(shí)與動(dòng)態(tài)仿真分析。在傳統(tǒng)的高速磨床動(dòng)力學(xué)分析中,通常將其零部件視為剛體,從而使得到的相關(guān)位移、速度和

5、作用力等性能響應(yīng)數(shù)據(jù)并不能反映真實(shí)的系統(tǒng)情況。動(dòng)力學(xué)分析與結(jié)構(gòu)分析一般是分開(kāi)進(jìn)行的,根據(jù)動(dòng)力學(xué)分析的結(jié)果在結(jié)構(gòu)分析中進(jìn)行加載模擬和計(jì)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(diǎn),使其分析和設(shè)計(jì)的過(guò)程中,不能忽略零件的彈性變形,尤其是在一些關(guān)鍵參數(shù)的選取上,彈性變形會(huì)影響設(shè)備的加工精度。正是基于上述動(dòng)力學(xué)分析和結(jié)構(gòu)分析的缺陷,本文結(jié)合多剛體動(dòng)力學(xué)軟件和結(jié)構(gòu)分析軟件對(duì)高速磨床的運(yùn)動(dòng)、加工系統(tǒng)進(jìn)行了聯(lián)合同步仿真研究

6、,解決了工作狀態(tài)中零件結(jié)構(gòu)分析的問(wèn)題,并對(duì)主軸一砂輪架加工系統(tǒng)進(jìn)行了仿真研究,通過(guò)與其多剛體模型進(jìn)行比較,發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)中零部件的彈性變形對(duì)加工精度具有一定程度的影響。
　　 3.開(kāi)展了針對(duì)高速磨床設(shè)計(jì)中的不確定性問(wèn)題的研究,將基于區(qū)間數(shù)的不確定性?xún)?yōu)化方法引入到高速磨床設(shè)計(jì)中,并針對(duì)高速磨削過(guò)程中主軸系統(tǒng)的不確定性問(wèn)題進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。在高速磨床的設(shè)計(jì)、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(guò)程中的磨削力,以往的設(shè)計(jì)和分析都將設(shè)計(jì)參數(shù)視為確定性參數(shù),未曾考慮過(guò)這些設(shè)計(jì)參數(shù)中的不確定性,然而,這些因素又直接影響設(shè)計(jì)方案的準(zhǔn)確性和可靠性,因此很有必要在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)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(duì)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(dòng)力學(xué)模型,利用基于區(qū)間數(shù)的不確定優(yōu)化方法結(jié)合隔代映射遺傳算法進(jìn)行了優(yōu)化研究,結(jié)果證明達(dá)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(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)方法。高速磨床結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度及抗振性等性能要求。對(duì)于高速磨床零部件的輕量化設(shè)計(jì)而言,其設(shè)計(jì)目的不僅僅是降低成本,同時(shí)也是機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)高速化設(shè)計(jì)的一個(gè)重要研究方向,有助于提高進(jìn)給系統(tǒng)的速度和加速度。然而,進(jìn)給系統(tǒng)中零件的結(jié)構(gòu)一般都比較復(fù)雜,本文借助近似模型方法代替實(shí)

9、際結(jié)構(gòu)模型,并結(jié)合變尺度混沌優(yōu)化算法,進(jìn)行結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)。變尺度混沌優(yōu)化算法是一種利用非線(xiàn)性動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)中混沌現(xiàn)象的遍歷性、隨機(jī)性等特點(diǎn)來(lái)尋找全局最優(yōu)值的隨機(jī)全局性?xún)?yōu)化方法,相比于其他梯度優(yōu)化算法和隨機(jī)優(yōu)化算法,其原理簡(jiǎn)單、易懂,用于操作的算法參數(shù)少,易于一般工程設(shè)計(jì)員理解和操作,同時(shí)其優(yōu)化收斂速度快,精度高。本文以高速磨床進(jìn)給系統(tǒng)中的拖板為研究對(duì)象,通過(guò)對(duì)其進(jìn)行參數(shù)化建模,并建立各個(gè)性能目標(biāo)的近似模型,利用變尺度混沌優(yōu)化方法進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)

10、化設(shè)計(jì),達(dá)到了結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)的目的。
　　 5.對(duì)高速磨床整機(jī)建模中的各種結(jié)合部的建模方式及其等效動(dòng)力學(xué)參數(shù)的反求進(jìn)行了研究,并在此基礎(chǔ)上對(duì)高速磨床的整機(jī)進(jìn)行了分析。在高速磨床中,結(jié)合部的特性研究因其影響因素多并且機(jī)理復(fù)雜,一直是一個(gè)難點(diǎn)。國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者分別從接觸機(jī)理方面和動(dòng)態(tài)試驗(yàn)方面進(jìn)行了探索和研究,本文避開(kāi)了繁瑣復(fù)雜的理論公式推導(dǎo)和高成本的試驗(yàn)研究,將結(jié)合面等效動(dòng)力學(xué)參數(shù)的反求過(guò)程視為一個(gè)參數(shù)尋優(yōu)并與動(dòng)態(tài)試驗(yàn)相匹配的過(guò)程,從