机床结构动态设计与优化关键技术研究与应用

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1、第一章绪论经网络模型的机床大件结构动态优化方法及其应用研究，进行结构参数的修改，迅速获得结构参数修改后零件的动态特性。易少华【12】等人提出基于BP和GA输电铁塔进行结构形状优化设计，利用其高度非线性映射能力来直接计算遗传算法的适应度函数值，替代优化中重复采用有限元分析的方法，大大降低了计算花费的时间，提高了优化设计的效率。(3)利用相关优化方法实现整机的协调优化由于机床系统具有高维数、多变量、系统耦合等特点，大多采用的是分解协调法对系统进行协调优化，然而局部最优的组合并不一定是整体的最优结果。Bi．ChuWu[13】等人提出以质量为优化目标，构

2、建各个部件二次多项式响应函数，建立大件间质量线性关系式，实现大件间关键尺寸的分级协调优化。(4)结合模块化思想实现机床结构创新模块化被认为是实现机床大规模定制快速响应设计的重要方法。相关学者在模块化产品族设计，模块划分、接口分析、编码以及配置设计和评价等方面已有深入研究。机床模块化虽然由来已久，但由于性能约束和机械结构之间影响关系复杂，传统机床模块化设计只停留在结构造型和配置设计层面上，而对进一步解决性能约束与结构创新之间矛盾则没有深入研究。如何将模块化等先进设计方法与结构优化相结合，将成为机床结构优化创新的一个重要研究内容。侯亮、徐燕申等【14

3、】针对液压机产品提出广义模块化概念，为实现液压机产品的快速设计提供支持。徐燕申、张兴朝掣”】提出机床元结构概念，并通过机床基本结构单元性能分析来预测机床整机性能。(5)结合结构热分析提高动态优化设计的准确性大量的研究表明，在引起机床热变形误差的诸多因素中主轴系统的热变形误差占据重要地位。因此，主轴系统的热特性分析与设计对机床精度的保证至关重要，是机床进行动态优化设计必须考虑的关键问题之一。在国外，Sun．MinKimll6j等人分析了主轴系统刚度随因轴承发热产生的间隙的变化。JinKyungChoi[17J等人采用有限元模型计算主轴一轴承系统的温

4、度场分布，通过与实验数据的对比，表明采用有限元法进行主轴系统热分析是完全可行的。在国内，张伯霖【18】等人对高速电主轴热特性进行分析与试验，找出了影响高速主轴单元热态特性的主要因素并提出相关改善措施。胡鹏浩f19】等人通过分析主轴受热变形与主轴轴承预紧之机床结构动态设计与优化关键技术研究与应用间的关系，提出确定滚动轴承最佳预紧量的方法。郭策、孙庆鸿【20】等提出基于力和热特性的热一力结构耦合下的主轴系统动态优化设计，使优化设计的结果更为符合实际。1．2本课题的选题依据及来源1．2．1选题依据随着全球一体化经济步伐的加快，制造行业的竞争更加激烈，使

5、得企业必须采用各种先进设计、制造技术和工具，提高产品质量和研发效率的同时降低成本。据有关资料显示，一个产品大约70％的成本是由产品的设计阶段决定的，因此新产品的开发速度和质量在产品的快速设计中至关重要。现代加工技术日益向着高速、大切削量方向发展，要求机床具有高速、高刚度、高精度等优良性能。为了适应生产线快速重组，现代数控机床对地基要求减弱，或者根本不需特殊地基；机床加工中振动不仅产生噪音，还将严重影响零件表面质量。因此数控机床尤其是床身要具有极好的性能。数控机床结构性能指标主要包括结构的静、动态特性及热态特性等。机床结构动态优化设计就是指在机床概

6、念设计阶段，采用结构静力学分析、动态设计及热分析等方法根据功能、静动态特性等性能方面的设计要求，对结构的形状和尺寸等特性参数进行设计、优化和创新，使结构具有良好的动态特性和稳定性，以达到控制振动和提高运行可靠性的目的。目前，基于有限元结构的优化设计在我国机床结构设计中应用尚处于初期阶段。一方面，由于资金、人员和技术等原因，大部分机床制造厂家还没有能力在设计阶段采用优化手段，为满足机床的必要的刚度性能要求，一般要采取保守的设计方案，而在机床的动力学性能方面就更是难以精确预测和优化。从而限制了企业数控机床结构的创新；另一方面，目前我国部分大型企业和研

7、究界在机床结构应用有限元静、动力学设计与分析应用，虽然已经取得一定成绩，还存在许多难题和瓶颈有待解决，如概念设计过程中的机床结构拓扑优化问题，整机、大件等的优化协调问题，优化效率、重分析、知识重用等问题。因此在此背景下，如果能将广义模块化技术、神经网络技术、遗传优化算法与传统有限元优化等相结合，在实现机床大件结构优化以及整机的协调优化的同时提高优化设计的效率，使企业能够快速响应市场，在较短时间内以较高性价比的产品占领市场，提高企4第一章绪论业的市场竞争力。另外，随着机床产品不断向高精度、高刚度、高速度方向发展，机床的热能特性越来越受到人们重视，它

8、已经成为影响高速机床动态性能的主要因素之一。大量研究表明，机床热误差约占机床总误差的40~70％【211。由于主轴部件在高速回转下产生的