基于iSIGHT的主轴动静态性能优化设计方法

主轴的变形和振动是影响机床加工质量和切削效率的主要因素之一.为提高主轴的静动态性能,提出了一种基于iSIGHT多学科优化集成软件环境的主轴结构优化设计方法和系统仿真流程.利用iSIGHT和APDL构建了一套结构优化集成系统,实现机床主轴的多目标优化设计.针对某型号卧式加工中心的主轴,应用自适应模拟退火算法对其结构参数进行优化.分析结果表明机床主轴动静态性能有一定程度的提高,优化方法是可行有效的.     

基于热力耦合变形的机床主轴公差建模方法研究

机床主轴的公差建模很少同时考虑切削力与摩擦热耦合变形的影响,导致公差模型与工程实际存在较大差异,难以保证机床主轴加工精度的问题。为此,研究一种基于热力耦合变形的机床主轴公差建模方法。根据机床主轴的实际工况,运用小位移旋量理论表达特征的几何变动,建立主轴原始几何误差的Jacobian-Torsor公差模型;根据几何变动修正Jacobian-Torsor公差建模,增加典型配合特征的公差变动表示模型;利用ANSYS计算主轴在切削力与摩擦热耦合作用下的变形量;将结果引入修正的Jacobian-Torsor模型,得到热力耦合变形下的机床主轴公差模型。结果表明：主轴与轴承的装配间隙在径向y方向上的平动量减少0.009 mm,沿着径向的转动量减少0.000 8 mm,过盈增大,加快了主轴的磨损,影响主轴的回转精度。所设计的模型可为机床主轴的公差设计提供参考,并可预测和改善主轴的工作性能。     

基于Riccati传递矩阵法的主轴系统动态特性分析

建立了Q3808A无心车床主轴系统的质量分布梁动力学模型，通过引入Riccati传递矩阵求解模型，着重研究了主轴系统的主要设计参数对系统动态性能的影响，为主轴系统动态设计的优化提供了理论依据。     

用传递矩阵法分析机床主轴动态特性

在集中质量模型的基础上,运用传递矩阵法对普通车床的主轴进行数学建模。通过计算系统固有频率和切削点的振幅,分析了主轴系统的主要设计参数对系统动态性能的影响,为主轴系统的设计及优化提供了一定的理论依据。     

考虑几何公差的设计与工序公差并行分配研究

设计与工序公差并行分配大多数集中于尺寸公差的并行设计上,较少考虑几何公差。研究的目标是对并行公差模型进行扩展研究,以便考虑几何公差要求。首先,根据几何公差各自的特点,将其转换为等效尺寸公差或仅作为附加加工约束处理;然后,以期望质量损失和制造成本之和最小为目标函数,以产品功能约束、几何公差约束和经济工序边界约束为约束条件,对并行公差分配模型进行扩展,并采用非线性规划技术对扩展后的模型进行求解以获得优化的设计公差和工序公差值;最后,通过滚轮装配的并行公差优化分配实例验证该方法的有效性。     

基于本征正交分解法的焊接模型位移重构

在包含大量焊点的焊接结构件优化过程中,为了降低模型仿真对计算机软硬件的要求并提高计算速度,保证优化方案的可行性,设计了基于本征正交分解的降阶模型重构过程。在理论基础上,对一个焊接模型进行分析,提取模型节点位移进行本征正交分解,分析本征值的贡献度并构建其降阶模型。结果表明:基于本征正交分解的模型重构方法在保证计算精度的前提下,能够有效减少模型自由度,加快仿真优化的速度。该方法适用于加速焊接结构仿真和优化过程。     

基于修正矩阵的刚柔混合模型公差分析方法

为了在设计阶段进行公差分析、结构优化,文中讨论了刚柔混合模型的装配偏差,提出了一种基于修正矩阵的公差分析方法。将刚柔混合模型的理想位姿、公差域表示为矩阵形式,借助齐次变换进行公差累积。使用有限元模拟装配变形,将仿真结果表示为修正矩阵,对原有的偏差累积路径进行修正,从而实现了对刚柔混合模型关键尺寸的精确预测,为设计优化奠定了基础。以汽车车灯装配为例,验证了该方法的可行性。     

基于3D模型的数控机床主轴箱装配和运动仿真研究

在数控机床主轴箱的设计中,采用三维设计方法,利用Pro/E对其进行了三维实体建模及装配设计,并通过动态仿真和干涉分析,以验证设计方案的可行性.该方法提高了产品的设计质量和设计效率,为产品的结构优化设计提供了有效的途径.     

高速加工中心主轴系统动力学建模及优化设计

建立了DMU-70V五轴数控高速加工中心主轴-夹具-刀具系统的有限元模型，并利用动态测试的方法对有限元计算结果进行验证；以提高低阶固有频率作为动态优化目标函数，对主轴系统进行了优化设计。     

基于有限元的精密主轴多目标优化设计研究

随着切削速度的不断提高,对主轴的动静态特性要求也越来越高。经验设计已不适应新产品的研制开发需要。在对精密主轴进行参数化建模的基础上,利用有限元扫描,分析各设计变量对状态变量和目标函数的影响。在有限元软件中建立了该主轴的多目标优化模型,通过比较优化前后主轴的性能可知:通过优化不仅提高了主轴的动刚度和固有频率,而且减小了主轴的质量,使结构参数更合理,能满足工程实际应用需要。     

Strain field analysis and sensor design for monitoring machine tool spindle bearing force

The fluctuating strain field produced by the rolling motion of the spindle bearing is analyzed by an elastic model and verified with experimental data. This strain field analysis is of considerable practical significance because of its close correlation to spindle bearing preload, cutting forces, and bearing running conditions. Based on the model, a conventional sensing scheme with strain gages mounted in a groove ground around the bearing outer ring is optimized by selecting proper sensor sizes, locations, and configurations such that signal cross-over error is minimized. In addition, the feasibility of a non-invasive sensing scheme achieved by attaching high sensitivity sensors on the outside surface of the spindle housing is studied. From the strain model, it is found that the level of strain field at the housing surface is substantially lower, and its distribution is not concentrated. Therefore, high sensitivity sensors and different sensing schemes are needed. Simulation results show that, compared with the conventional scheme, the output of this scheme requires less signal processing when the force acting on the bearing is fluctuating.     

注射模成型零件工作尺寸计算方法分析

通过对2种注射模成型零件工作尺寸计算方法的理论分析 ,指出了采用平均收缩率法存在的理论缺陷和实际模具设计中存在的问题 ,对极限公差法计算模具成型尺寸和公差作了分析和实例举证 ,说明了该计算方法能够较好地保证在注射模设计中成型尺寸和公差计算的正确性。     

基于有限元的140 kN摩擦焊机主轴箱响应面优化分析

以140 kN连续驱动摩擦焊机主轴箱为研究对象,应用有限元分析软件对主轴箱进行了静、动态相关特性的分析。为提高主轴箱综合力学性能,并实现主轴箱箱体材料的合理利用,以箱体壁厚等7个结构参数为设计变量进行了中心复合实验设计。根据得到的数据结果,基于Kriging插值法建立了主轴箱的响应面模型,并对各设计变量进行了灵敏度分析。利用多目标遗传算法完成了主轴箱的优化设计,与原结构方案相比主轴箱箱体减重16.6%,实现了焊机轻量化设计。经过对主轴箱响应面模型拟合精度的校验,验证了CCD实验法与Kriging插值法相结合可高效精准地完成主轴箱响应面模型的建立。因此这一优化方法同样适用于其他类型的机床零部件的设计。     

用于直接驱动机床主轴的大推力圆筒型永磁直线电机的研究

根据机床主轴进给性能指标的要求,计算圆筒型永磁直线电机的主要尺寸参数,然后通过有限元分析对电机的输出性能进行优化。最后设计基于各相独立电流环控制的控制方案,完成机床主轴直线电机进给系统的总体设计。设计的大推力圆筒型永磁直线电机能实现机床主轴的直接进给驱动,具有效率高,精度高,动态响应快等优点。     

基于热设计的立式数控铣床主轴箱多目标设计与研究

主轴箱作为主轴系统不可或缺的一部分,其热误差是影响数控机床加工精度的重要因素之一。以热设计为核心,通过结合田口法和有限元法,对主轴箱进行多目标优化设计与研究。搭建了主轴系统热态特性实验平台,以某机床厂的立式数控铣床为研究对象,获得其主轴系统的温度数据;根据实验测得的数据建立9组主轴箱优化模型;采用有限元法对温度-结构场耦合的9组模型进行仿真分析,得到各组模型的温度场分布云图和热变形分布云图,并进一步获得主轴箱结构优化结果和较优水平的主次因素参数组合。结果表明:对主轴箱热变形影响程度由高到低的因素为底板长度L、距离B、肋板宽度A、距离C;对主轴箱质量影响程度由高到低的因素为底板长度L、距离B、距离C、肋板宽度A。该研究为降低数控机床研发成本提供了参考。     

基于蝙蝠算法优化的小波神经网络车床主轴热误差建模

为提高数控车床主轴热误差的预测精度,以某型号数控车床主轴为研究对象,提出基于小波神经网络(WNN)的主轴热误差建模方法。利用K-means++聚类结合相关性分析理论,将温度测点从10个减小到2个。针对小波神经网络对初始值敏感的问题,采用蝙蝠算法(BA)将预测输出值与实验测量值之差的绝对值作为个体适应度函数,将蝙蝠个体的位置向量映射为小波神经网络的初始连接权值、尺度因子及平移因子,实现对小波神经网络初始值的优化。利用优化后的小波神经网络建立车床主轴热误差预测模型,与未优化的小波神经网络和BP神经网络预测模型对比。结果表明:BA-WNN对主轴轴向热误差的预测精度较高、残差较小、预测能力更强。     

Integrated Inspection and Machining for Maximum Conformance to Design Tolerances

Designers' intent for the form, fit and function of products is expressed by design tolerances the conformance to which is the main objective of manufacturing processes. A methodology for maximizing the adherence to the specified tolerances using an integrated machining and inspection system is presented. Considering the desired tolerance envelope of the part, an error decomposition technique is developed to model machining errors caused by the systematic and non-systematic errors in the machine tool. The model is used to adaptively plan the final machining cuts, based on inspection feedback, to enhance the geometric accuracy of the final product and is illustrated by an example. This approach reduces scrap and rework and their associated costs.     

Tolerance allocation under behavioural simulation uncertainty of a multiphysical system

The tolerancing process impacts the product quality, the production cost and scrap rate. Tight tolerances allow to assure product performance; loose tolerances to reduce production cost. The tolerance allocation of a complex system is performed under uncertainty. In fact, the accuracy of the behaviour simulation of the system significantly affects the tolerance analysis result, and thus the tolerance allocation result. Therefore, a method is proposed to perform tolerance allocation based on the Dempster Shafer theory, Monte-Carlo simulation and genetic algorithm. The application of the proposed framework is demonstrated through a complex case study.     

面向企业效益的产品质量优化设计

讨论了基于企业收益的质量优化设计,分析了质量优化设计需考虑的各种因素,并给出了质量优化设计流程和确定质量特性及容差的有效方法。     

基于改进PSO算法的导叶式旋风分离器结构参数多目标优化

为了进一步提高旋风分离器性能，对导叶式旋风分离器结构进行多目标优化。首先构建旋风分离器参数化脚本模型，通过数值模拟与台架试验对模型准确性进行验证，再基于全局高灵敏参数，利用搜索能力强和收敛速度快的改进PSO算法，以分离效率和压降为性能目标对分离器结构进行优化。对比分析优化前后的参数变化率、静压力与湍动能，结合工程需求选取最优方案，并对最优方案进行试验验证。结果表明：优化后的参数配置可有效减弱内部湍流运动强度和能量损耗，最优方案的分离效率由原来85.10%提升到92.09%,压降降低30.45%。