双轴数控专用机床可靠性优化设计研究

摘要

数控机床作为现代制造业的主流加工设备，其拥有量及其性能水平是国家竞争力的重要标志之一。目前，国内数控机床的水平与发达国家相比技术上存在很大差距，特别是整机的精度和可靠性，不能满足现代加工行业不断增长的需求。同时，由于机床设计过程采用传统方法，选取较大的安全系数，且优化过程没有考虑加工误差等不确定性因素的影响，不仅造成材料资源的浪费，机床的可靠性也得不到保障。为此，在机床优化设计过程中，要进行可靠性研究，从而保证机床的性能。
　　本文以加工轴承套圈的某双轴数控专用机床为研究对象，针对机床存在的重量大的问题，以机床重量最轻为优化目标，采用可靠性优化设计方法，完成了该机床关键部件的可靠性优化设计，具体研究内容如下:
　　(1)分析双轴数控专用机床可靠性优化的问题，确定双轴数控专用机床可靠性优化设计的对象及优化目标，研究优化建模方法，并研究了双轴数控专用机床可靠性优化设计求解策略。
　　(2)双轴数控专用机床为双主轴加工，对不同工况下的主轴部件及副主轴部件受力情况进行研究，并对其进行有限元分析;分析主轴箱及副主轴箱的静动态特性，获得其位移和应力分布云图，分析其安全性，奠定了优化设计的基础。
　　(3)建立主、副轴箱热—结构耦合研究的有限元模型，分析主、副轴箱的温度场分布，实验验证模型的准确性;以主、副轴箱重量最轻为优化目标，集成Isight建立主、副轴箱的多学科可靠性优化数学模型;研究设计变量对优化目标的影响，在满足可靠性的基础上对主、副轴箱进行优化，优化后的主、副轴箱重量减小，可靠性提高。
　　(4)对双轴数控专用车床床身的动态特性进行了分析，基于分析结果，确定优化约束条件，集成Pro/E、ANSYS和Isight，建立床身可靠性优化的数学模型，分析设计变量对固有振动频率的影响，采用遗传算法对床身进行可靠性优化设计，并获得了期望的结果。
　　通过对双轴数控专用机床关键部件的有限元分析及可靠性优化设计，减轻了机床的重量，关键部件的可靠性得到不同程度的提高。本文的优化结果为改进数控机床的结构提供了理论依据。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景

1．2 数控机床的发展现状

1．3 数控机床优化设计研究现状

1．3．1 可靠性理论研究现状

1．3．2 机床优化设计研究现状

1．3．3 数控机床可靠性研究现状

1．3．4 多学科优化设计的发展及在数控机床中的应用

1．4 研究内容及意义

第2章 双轴数控专用机床可靠性优化设计建模研究

2．1 双轴数控专用机床结构概述

2．2 双轴数控专用机床可靠性优化设计问题

2．3 双轴数控专用机床优化设计建模

2．3．1 优化设计对象描述

2．3．2 优化设计建模

2．4 双轴数控专用机床可靠性优化设计求解策略

2．4．1 试验设计方法(DOE)

2．4．2 基于仿真分析的集成优化方法

2．5 本章小结

第3章 双轴数控专用机床主、副轴系统有限元分析

3．1 主、副轴部件的有限元建模及分析

3．1．1 静态有限元分析理论基础

3．1．2 模态与谐响应分析理论基础

3．1．3 主、副轴部件的载荷分析

3．1．4 主、副轴部件的仿真建模及静力分析

3．2 主轴箱的静动态特性分析

3．2．1 主轴箱的仿真建模与静态特性分析

3．2．2 主轴箱的模态分析

3．2．3 主轴箱的谐响应分析

3．3 副主轴箱的静动态特性分析

3．3．1 副主轴箱仿真建模及静态特性分析

3．3．2 副主轴箱的模态分析

3．3．3 副主轴箱的谐响应分析

3．4 本章小结

第4章 双轴数控专用机床主、副轴箱多学科可靠性优化设计研究

4．1 传热分析与热应力理论

4．2 箱体的温度场仿真分析

4．2．1 箱体热源分析

4．2．2 箱体温度场有限元仿真

4．2．3 仿真模型实验验证

4．3 箱体的多学科可靠性优化设计

4．3．1 箱体多学科可靠性优化设计模型

4．3．2 多学科可靠性优化设计模型分解

4．3．3 箱体热-结构多学科耦合研究

4．3．4 基于Isight箱体多学科可靠性优化设计模型求解

4．3．5 箱体多学科可靠性优化设计结果分析

4．4 本章小结

第5章 双轴数控专用机床床身的可靠性优化设计

5．1 双轴数控专用机床床身动态特性研究

5．1．1 床身建模

5．1．2 床身的模态分析

5．2 床身可靠性优化数学建模

5．2．2 数学建模

5．2．3 误差分析

5．3 基于遗传算法的床身可靠性优化设计

5．3．1 遗传算法

5．3．2 设计变量对床身固有频率的影响分析

5．3．3 优化结果

5．3．4 床身的谐响应分析

5．4 本章小结

第6章 结论与展望

6．1 结论

6．2 展望

参考文献

致谢

攻读学位期间参加的科研项目和成果