机床整机结构方案设计系统及其关键技术研究

摘要

高档数控机床是军工、航天、航空及机床制造等行业精密零件加工的必需设备，保证国防和尖端工业发展的战略性基础装备，体现了一个国家先进制造技术的综合水平。高刚度、高动态性能及轻量化的机床结构，是高效及高精度加工的有力保证。因此，整机结构方案设计是机床设计过程中的关键。然而，传统的依赖经验、直觉及试错式的机床整机结构设计过程，必然导致设计过程反复，同时难以保证设计质量。针对上述问题，本文搭建了整机结构方案集成设计框架，提出基于拓扑结构模型的整机概念设计方法，面向装配及有限元分析的零部件建模方法，基于关联特征的参数化建模方法，基于分析特征的 CAD/CAE集成方法，形成了支持机床整机结构自顶向下设计的系统化方法体系。论文主要工作如下： 提出了可实现基于知识设计、多阶段设计优化及CAD/CAE集成相结合的机床整机结构设计优化框架。为实现该框架，提出拓扑结构模型的概念，包括骨架模型、刚度模型及参数化动力学模型，用于集成特定拓扑结构机床的概念设计知识。形成了基于拓扑结构模型的两阶段整机结构方案设计流程。在概念设计阶段，首先，基于骨架模型的内嵌设计约束及外部推理，初步确定影响整机性能的关键尺寸参数；借助刚度模型和参数化动力学模型，通过静动刚度匹配设计，获得合理的结构件/功能部件刚度和质量。在第二阶段，以第一阶段获得的结构件/功能部件尺寸、刚度及质量为约束，指导功能部件选型及结构件参数优化。 提出基于拓扑结构模型的整机概念设计方法。首先，建立支持整机结构设计的多级参数化骨架模型。通过系统化组织构成骨架模型的几何要素与非几何要素，骨架模型可有效集成特定机床的拓扑结构知识及几何建模知识。其次，提出可实现基于推理信息模型和 IF-THEN规则的设计知识推理与内部约束求解相结合的整机关键设计参数的智能决策方法。最后，基于刚度模型及参数化动力学模型，给出了可实现结构件/功能部件的刚度与质量优化分配的技术流程。 提出了整机结构方案快速设计方法。首先，提出了面向装配与有限元建模的功能部件建模方法。在几何模型层面，构建了零部件简化的CAD模型，在支持设计方案表达的同时，方便有限元网格划分及结合面建模；在信息模型层面，通过添加材料属性、结合面力学性能参数，满足CAD/CAE对信息集成的需求。其次，建立了典型机床结构件参数化模板，形成了结构件多目标优化设计的技术流程。最后，提出了基于关联特征的参数化建模方法。借助商用CAD系统提供的API函数，通过提取接口特征信息，自动创建相应的安装特征及装配特征，有效保证 CAD模型的关联性。在上述工作的基础上，借助商用 CAD软件分布式设计功能，形成了以多级参数化骨架模型为核心，支持功能部件选型及结构件设计与优化的整机结构方案设计流程。 提出基于分析特征的CAD/CAE集成方法。首先，在系统归纳典型机床结合面有限元建模策略的基础上，将机床整机结构的有限元模型抽象为由若干组“实体单元”及由若干组“弹簧阻尼单元”构成的结合面连接而成的统一整体。在此基础上，提出了分析特征的概念，定义了“实体”及“结合面”两类关键分析特征，建立了机床整机结构面向对象的分析特征模型。其次，基于识别特征提取技术，提出基于装配特征及接口特征间的分析特征提取方法。该方法可有效集成结合部有限元建模知识，并实现CAD模型与CAE模型的关联。最后，借助于特征映射技术，提出了基于分析特征模型的有限元软件脚本语言代码的自动生成方法。由于对于每种类型的分析特征都对应着唯一的脚本语言代码段，因此，通过分析特征映射，脚本代码段重组，可获得用于整机有限元建模、分析任务创建及分析结果后处理的脚本语言代码，进而有效实现有限元建模及分析的自动化。 基于以上工作，基于Pro/E API、Visual C++和Microsoft Access数据库，开发了机床整机结构集成设计系统。分别以两台框中框结构卧式加工中心的设计与改进设计为例，验证本文提出的设计理论及方法设计及设计框架的可行性、有效性。

目录

声明

字母注释表

第一章 绪 论

1.1 课题背景及研究意义

1.2 国内外技术研究现状

1.3 存在的问题

1.4 本文主要研究内容

第二章 整机结构方案设计框架及其关键技术

2.1 引言

2.2 整机结构方案设计框架

2.3 基于拓扑结构模型的整机结构方案设计

2.4 设计知识集成

2.5 基于iSIGHT平台的集成优化

2.6 基于拓扑结构模型的整机结构方案设计流程

2.7 小结

第三章 基于拓扑结构模型的整机结构概念设计

3.1 引言

3.2 机床参数化骨架模型

3.3 基于参数化骨架模型的几何建模知识集成

3.4 骨架模型的面向对象模型

3.5 基于规则的机床结构设计知识推理

3.6 静动刚度匹配设计

3.7 小结

第四章 机床整机结构方案设计

4.1 引言

4.2 整机结构方案快速设计基本思想

4.3 面向装配与有限元建模的功能部件建模方法

4.4 结构件参数化设计模板

4.5 基于关联特征的参数化建模

4.6 整机结构方案设计流程

4.7 小结

第五章 基于分析特征的CAD/CAE集成方法

5.1 引言

5.2 典型结合部有限元建模策略

5.3 CAD/CAE集成基本思想

5.4 基于分析特征的CAD/CAE集成

5.5 CAD/CAE/iSIGHT集成优化平台

5.6 小结

第六章 机床整机结构方案设计系统及其应用实例

6.1 引言

6.2 机床整机结构方案设计系统

6.3 应用实例1：框中框结构精密卧式加工中心改进设计

6.4 应用实例2：框中框结构精密卧式加工中心设计

6.5 小结

第七章 全文总结与展望

7.1 全文总结

7.2 主要创新点

7.3 展望

参考文献

附录A

发表论文和参加科研情况说明

致谢