机床结构动态设计与优化关键技术研究与应用

论文摘要

随着现代制造技术向高精度、高效率、自动化、信息化和微小化发展,对现代数控机床的要求越来越高。目前我国数控机床的动态优化设计水平落后,不能及时设计出高性能机床响应市场需求。为了提高机床动态性能指标及设计的效率,本文在分析机械结构静、动态分析原理及机床动态设计原理的基础上,提出一种基于模块化思想、有限元分析与智能优化相结合的机床结构创新和优化设计方法。首先,根据机床结构的分级特性将其划分为机床大件模块、虚拟模块等,机床的动态性能和创新取决于这些机床基本组成结构的性能和特征,并提出基于虚拟模块技术的机床大件动态设计与复合优化方法,主要包括基于BP-GA机床大件框结构关键尺寸复合优化和基于虚拟模块化设计的机床大件局部特征优化设计两部分内容。然后以某立式加工中心的立柱与主轴箱复合优化为例,论述了基于人工神经网络和遗传算法的机床大件框结构关键尺寸复合优化方法,给出了大件模块结构的尺寸优化设计变量的自动搜索寻优计算方法及整机部件间的协调优化方法,实现部件间关键尺寸的快速协调优化,提高产品的性能和设计效率。接着阐述了在大件框结构尺寸确定情况下,基于虚拟模块化设计的机床大件局部特征优化设计原理。在分析加工中心布局的基础上,利用有限元分析软件软件Hypermesh和ANSYS对各主要部件及整机进行静、动态特性分析,提出基于虚拟模块的机床大件结构动态优化设计方法,研究了筋格元结构和框结构工艺孔对大件性能的影响,并给出五面体加工中心方箱和工作台的优化案例,说明该方法的有效性。并以五面体加工中心的铣头体为例,对机床主轴系统热特性进行了初步研究。最后总结了全文的主要结论,得出一些有益的结论,并提出了进一步研究的设想。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 本课题的国内外研究状况
• 1.2 本课题的选题依据及来源
• 1.2.1 选题依据
• 1.2.2 课题的来源
• 1.3 人工神经网络及遗传算法在机械动态设计中的应用
• 1.3.1 人工神经网络及在机械动态设计中的应用
• 1.3.2 遗传算法在结构优化中的应用
• 1.4 论文的主要研究内容
• 第二章 机床大件结构动态设计与复合优化方法研究
• 2.1 机械结构静、动态设计原理与机床结构动态优化设计
• 2.1.1 机械结构静、动态设计原理
• 2.1.2 机床结构动态优化设计
• 2.2 基于神经网络与遗传算法的机床大件间关键尺寸协调优化
• 2.2.1 基于神经网络模型分析的特点
• 2.2.2 基于神经网络的结构智能优化的实现
• 2.3 基于虚拟模块的机械结构动态设计关键技术
• 2.3.1 虚拟模块的划分与无缝连接技术
• 2.3.2 有限元模型的建立
• 2.3.3 基于虚拟模块的机床大件结构动态优化设计
• 2.4 本章小结
• 第三章 基于BP—GA的机床大件框结构关键尺寸复合优化
• 3.1 神经网络样本的获取
• 3.1.1 参数化模型的建立
• 3.1.2 神经网络样本采集
• 3.2 BP神经网络及MATLAB实现
• 3.2.1 BP神经网络原理
• 3.2.2 BP神经网络的初始化
• 3.2.3 BP神经网络的MATLAB实现
• 3.3 遗传优化算法
• 3.4 立柱与主轴箱结构关键尺寸的复合优化
• 3.4.1 优化数学模型
• 3.4.2 基于MATLAB的BP—GA优化程序实现
• 3.5 本章小结
• 第四章 基于虚拟模块的五面体加工中心建模、分析与优化
• 4.1 龙门式五面体加工中心布局、结构特点
• 4.2 五面体加工中心有限元建模
• 4.2.1 五面体加工中心整机与零、部件CAD建模
• 4.2.2 五面体加工中心有限元模型的建立
• 4.3 五面体加工中心静、动态特性分析
• 4.3.1 基于有限元分析软件的机床静、动态特性分析实现
• 4.3.2 五面体加工中心整机及主要部件静、动态特性分析
• 4.4 基于虚拟模块大件结构动态优化设计
• 4.4.1 元结构对大件性能的影响
• 4.4.2 框结构大件性能的影响
• 4.5 方箱结构动态优化设计
• 4.5.1 方箱结构布局分析
• 4.5.2 方箱结构优化改进
• 4.6 工作台结构动态优化设计
• 4.7 本章小结
• 第五章 五面体加工中心铣头体热特性研究
• 5.1 传热学基础
• 5.1.1 热传递的三种基本方式
• 5.1.2 温度场与温度梯度
• 5.1.3 边界条件
• 5.2 温度场的有限元法
• 5.2.1 温度场有限元法的基本思想
• 5.2.2 温度场离散化
• 5.2.3 温度场有限元法求解步骤
• 5.3 主轴系统发热量计算及热性能系数确定
• 5.3.1 主轴系统热源与发热量计算
• 5.3.2 主轴系统热性能系数确定
• 5.4 五面体加工中心铣头体温度场分析
• 5.5 五面体加工中心铣头体热—力结构耦合分析
• 5.6 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 总结
• 6.2 展望
• 参考文献
• 附录
• 致谢
• 攻读学位期间发表的论文目录