动力刀塔关键部件的计算智能优化设计及可靠性分析

摘要

机床作为现代复杂的生产工具，是生产力三大要素中至关重要的生产工具之一。数控机床的技术水平可以在一定程度上反映国家的工业现代化水平。动力刀塔是复合化车床、车铣复合加工中心的核心功能部件之一。本文基于计算智能方法和可靠性分析方法，深入研究动力刀塔及其相关零组件的广义优化设计技术，取得如下创新性成果: (1)系统总结动力刀塔技术演进的历程，刀塔制造商的产品类型，动力刀塔与复合化车床、车铣复合加工中心的常见搭配形式，刀塔的典型机械结构分析。 (2)针对标准粒子群优化算法局部搜索精度不足的问题，将标准粒子群优化算法与多项式变异算子(PMO)相结合，提出含有多项式变异算子的粒子群优化(PMOPSO)算法。在PMOPSO算法中，采用针对当前点的多项式变异算子来提高粒子群的搜索精度，并已Metropolis准则更新当前搜索点。对于优化设计问题中的边界约束，采用罚函数法和“撞墙”算法相结合的处理方法。数值计算实例表明，PMOPSO方法既保留标准PSO方法在前期全局搜索能力强的优势，又具有良好的后期局部挖掘能力。 (3)在重要抽样理论的基础上，结合最优化理论中的罚函数法和计算智能中的粒子群优化方法，提出带粒子群优化的重要抽样(PSOIS)方法和多失效模式下的自适应重要抽样(AIS)方法。两种方法都通过构造罚函数的方式，将寻找最可能失效点的问题转化为求解最优点的数学问题。不同之处在于，PSOIS方法通过优化算法确定最可能失效点，并在该点处构造重要抽样函数来求解问题;AIS方法在抽样过程中不断调整重要抽样函数的中心点，使其逐渐收敛于最可能失效点以求解问题。数值计算实例表明，PSOIS方法的计算效率较高，AIS方法的适应性较强。 (4)建立渐开线齿廓及其根切点位置计算的数学模型，详细讨论不同参数下根切点的变化规律，并结合多项式变异粒子群优化(PMOPSO)算法给出根切点位置的一般计算方法。计算实例表明，与根切量的经典计算公式相比，本文的方法通用性更强，计算精度更高。在渐开线齿廓及其根切点位置计算模型的基础上，开发渐开线齿轮齿廓的辅助设计软件，并进一步基于三维机械辅助设计软件NX二次开发偏心齿轮辅助设计插件。 (5)针对传统铲齿凸轮存在的设计缺陷，为改善凸轮过渡点处的受力状态，提出H型从动件运动规律曲线，并建立H型铲齿凸轮的设计模型。分析表明，这种设计可以显著降低铲削加工过程中从动件在过渡点处产生的冲击。以H型铲齿凸轮的尺寸最优化为设计目标，以从动件的偏置量和初始位移为设计变量，在凸轮一般设计准则的基础上，结合理论廓线曲率和压力角分布规律设定约束条件，建立H型铲齿凸轮的优化设计模型。建立H型铲齿凸轮的优化设计模型后，将多项式变异粒子群优化算法(PMOPSO)应用于三升程、四升程的铲齿凸轮的优化设计。与常规设计法、最大压力角约束设计法获得的设计解相比，PMOPSO方法得到的设计解的性能最佳。对比初始设计方案，优化设计后的铲齿凸轮面积显著下降。在铲齿凸轮设计理论研究的基础上，开发H型铲齿凸轮辅助设计软件。软件测试表明，本软件可以显著提升铲齿凸轮机构的设计质量和效率。 (6)综合分析齿轮零件的几何偏心误差和运动误差的成因及其对系统传动误差的影响，给出合成偏心误差引起的啮合线增量误差计算公式。在单级、两级齿轮传动误差分析模型的基础上，建立动力刀塔的换刀齿轮系统的传动误差分析模型，设计系统输出误差的计算算法。快速计算换刀齿轮系统输出误差的变化数据，这是系统优化设计计算的基础。采用遗传优化算法求解换刀齿轮系统最大输出误差的优化设计问题，获得若干优化设计点。建立换刀齿轮系统最大输出误差的概率分析模型，采用粒子群重要抽样方法(PSOIS)估计系统失效概率及参数可靠性灵敏度，从若干备选设计点中选取可靠性较高的设计点。以系统的参数可靠性灵敏度系数分析结果指导系统关键尺寸的设计，重新分配换刀齿轮系统中关键尺寸的设计公差。 (7)以某型号动力伺服刀塔的换刀系统为研究对象，建立轮式换刀系统的两自由度动力学模型。在动力学模型基础上分别针对T型和S型运动控制曲线，计算换刀过程中刀盘的动力学响应，以及换刀系统在目标位置的残余振动情况。选取传动系统齿轮的变位系数为优化设计变量，以系统残余振动系数为目标函数建立换刀系统的优化设计数学模型。对比优化设计前后的系统响应，系统残余振动均有所降低，S型运动控制曲线系统的残余振动下降尤为显著。分析动力学模型中的转动惯量、阻尼系数、刚度系数列刀盘在目标位置的残余振动系数的影响程度。这里给出的设计方法和计算结果可以为动力伺服刀塔的设计和改进提供理论参考。

目录

声明

摘要

1．1 研究背景和意义

1．2 刀塔技术综述

1．2．1 国内外研究现状

1．2．2 刀塔的分类及其与主机的搭配

1．2．3 刀塔的典型机械结构设计

1．3 广义优化技术

1．3．1 建模技术

1．3．2 模型求解技术

1．3．3 后处理技术

1．4 计算智能

1．4．1进化计算

1．4．2 群智能

1．4．3 遗传算法的研究进展

1．4．4 粒子群优化研究进展

1．5 论文主要内容和结构

第2章多项式变异粒子群优化算法

2．1 多项式变异粒子群优化算法(PMOPSO)

2．1．1邻域拓扑结构

2．1．2 惯性权重和收缩因子

2．1．3 多项式变异算子和Metropolis准则

2．1．4 约束处理与算法设计

2．2 数值算例1

2．3 数值算例2

2．4 小结

第3章粒子群重要抽样与自适应重要抽样法

3．1 随机数发生器及随机样本生成方法

3．2 基于标准MonteCarlo法的可靠性及可靠性灵敏度分析

3．3 基于带粒子群优化重要抽样(PSOIS)法的可靠性及可靠性灵敏度分析

3．3．1 失效概率的估计及其方差分析

3．3．2 参数可靠性灵敏度的估计及具方差分析

3．3．3 多失效模式下基于PSOIS算法的可靠性分析

3．3．4 PSOIS算法的设计

3．4 多失效模式下的自适应重要抽样(AIS)算法的可靠性分析

3．4．1 失效模式尼的自适应重要抽样法估计失效概率

3．4．2 多失效模式下的自适应重要抽样法估计失效概率

3．4．3 AIS算法的设计

3．5 数值算例

3．6 小结

第4章渐开线齿廓根切点位置的计算方法及应用

4．1 渐开线齿轮齿廓的数学模型

4．1．1 齿根过渡曲线

4．1．2 渐开线齿廓、齿顶圆弧和齿根圆弧

4．1．3 渐开线齿轮齿廓模型的计算方法

4．2 基于PMOPSO算法根切点位置的计算方法

4．2．1 根切量的经典计算公式

4．2．2 根切点位置的计算模型

4．2．3 根切点位置的计算实例

4．3 渐开线齿轮辅助几何设计程序开发

4．4 基于NX的偏心齿轮设计插件的开发

4．4．1 含有偏心误差的齿轮几何模型

4．4．2 程序设计

4。5 小结

第5章H型铲齿凸轮的设计与优化

5．1 H型铲齿凸轮的一般设计模型

5．1．1 Hermite插值理论

5．1．2 从动件运动规律设计

5．1．3轮廓设计

5．2 H型铲齿凸轮的优化设计方法

5．2．1 数学模型

5．2．2 最大压力角约束设计法

5．2．3 PMoPSo方法

5．3 凸轮设计计算实例

5．3．1 H型铲齿凸轮的常规设计

5．3．2 三升程H型铲齿凸轮的优化设计

5．3．3 四升程H型铲齿凸轮的优化设计

5．4 铲齿凸轮辅助设计软件的开发

5．5 小结

第6章动力刀塔换刀齿轮系统的传动误差分析与优化设计

6．1 齿轮零件的加工误差分析

6．1．1 几何偏心的误差分析

6．1．2 运动偏心的误差分析

6．1．3 偏心误差的合成

6．2 单级齿轮系统传动误差分析

6．3 两级齿轮系统传动误差分析

6．4 gearbox系统传动误差分析

6．4．1 各级传动齿轮的偏心误差

6．4．2 传动误差分析模型

6．4．3 传动啮合角和基准矢量

6．5 gearbox系统的传动误差优化设计

6．5．1 遗传算法

6．5．2 基于遗传算法的geaurbox系统传动误差优化设计

6．6 gearbox系统的可靠性分析

6．6．1概率分析模型

6．6．2 失效概率的估计及参数可靠性灵敏度分析

6．7 小结

第7章动力刀塔换刀系统的动力学分析与优化设计

7．1 换刀系统的动力学模型

7．1．1 系统的运动控制曲线与残余振动系数

7．1．2 齿轮传动系统的转动惯量计算

7．1．3 齿轮传动系统的等效扭转刚度和阻尼系数计算

7．1．4 动力刀盘组件的动力学参数

7．2 换刀系统的动力学响应分析与优化设计

7．2．1 T型控制曲线系统的动力学分析

7．2．2 T型控制曲线系统的优化设计

7．2．3 S型控制曲线系统的动力学分析与优化设计

7．3 换刀系统残余振动的参数影响度分析

7．4 小结

第8章结论与展望

参考文献

第A章源程序

攻读博士学位期间的研究成果

致谢

个人简历