面向机床动态特性的支承件质量匹配研究

作     者：张凯 

作者单位：大连理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：马雅丽

授予年度：2019年

学科分类：080202[工学-机械电子工程] 08[工学] 0802[工学-机械工程] 

主      题：机床动态特性 质量匹配 多目标遗传算法 结构设计 

摘      要：现代工业的发展对机床加工精度及效率提出了严苛要求,动态特性作为影响机床精度及效率的关键因素也愈加受到人们关注。支承件是机床的重要组成部分,依据动力学理论可知,其质量直接影响着机床动态特性的优劣。然而传统方法中,设计人员主要依据经验或国外产品设计支承件结构,继而采用材料力学﹑理论力学等对支承件进行强度与刚度校核。这种设计方法固然保证了设计的支承件满足强度及刚度要求,但缺少对于机床各支承件质量与动态特性间的映射关系研究,从而易出现机床支承件质量匹配不合理﹑质量过大等问题,导致材料浪费﹑动态特性变差。针对此问题,本文提出一种通过匹配机床各支承件的质量以优化整机动态特性的方法,主要工作内容如下:(1)基于Hertz接触理论,分别建立了滚动导轨副﹑滚珠丝杠副及滚动轴承的结合面刚度模型。在此基础上,分析了预紧力﹑外载荷及密合度等参数对结合面刚度的影响规律,从而为后续机床有限元模型的建立提供了前提。(2)以某型卧式加工中心为例,建立了机床整机有限元模型,并将整机模态的有限元仿真分析结果与实验测试结果相对比,验证了整机有限元模型建立方法的准确性。基于机床有限元模型,完成了整机谐响应分析,以便进行支承件质量匹配。(3)采用拉丁超立方实验设计方法抽取了多组支承件质量样本点,并计算每组样本点对应的机床动态特性评价指标值—首阶固有频率及X﹑Y﹑Z三向振幅。建立了整机首阶固有频率及X﹑Y﹑Z三向振幅与各支承件质量间的响应面模型﹑径向基神经网络模型及克里金模型,并利用统一标准对三种形式的模型评价后选取了拟合精度最高的克里金模型。(4)基于整机首阶固有频率及X﹑Y﹑Z三向振幅与各支承件质量间克里金模型构建了机床支承件质量匹配模型,并采用多目标遗传算法予以求解。结果表明:在支承件质量之和降低7.93%的条件下,机床首阶固有频率提高2.25%,X﹑Y及Z向振幅分别降低6.60%﹑12.81%及33.33%。根据支承件质量匹配结果,采用结构拓扑优化及尺寸优化相结合的方法,完成了给定质量下典型支承件立柱的结构设计,使其质量近似等于匹配设计质量,从而为本文所提方法的工程应用提供了可能。