基于空间动力学优化的机床结构件质量匹配设计

提出基于整机空间动力学预测模型、以移动结构件质量为设计变量的多目标匹配设计方法.基于机床移动件的工作行程构建整机工作空间,运用正交试验法进行空间位姿试验设计,建立整机空间固有频率预测模型;在工作空间内对机床进行动力学性能的灵敏度分析,识别动力学的最优位姿和最差位姿;以最差位姿机床固有频率为优化目标,采用多目标质量匹配法对移动部件的质量进行最佳分布设计;重新计算优化后机床的固有频率,通过频率响应分析,比较优化前、后机床在最差和最优位姿下的动力学性能.结果表明,经过多目标质量匹配优化后,机床的固有频率得到了提高,刀尖节点的最大频响振幅明显降低,机床的整机动力学性能有了较大程度的改善.     

基于响应面方法的数控机床空间动态特性研究

机床运动部件位置姿态在加工空间的变化,造成机床质量矩阵、刚度矩阵以及阻尼矩阵随之变化,导致机床动态特性预测具有复杂性和不确定性。针对加工空间机床动态特性的准确预测问题,本文提出一种基于响应面理论的数控机床空间动态特性研究方法。该方法以数控机床固有频率频率这一关键动力学性能指标为例,分析机床整机动态特性与机床位置姿态之间的数学关联关系,基于正交试验设计和响应面方法理论,构建预测广义加工空间数控机床动态性能变化的响应面模型,揭示机床动态特性在加工空间的演化规律,并在该响应面模型基础上提出机床动态特性影响因子概念,计算各方向运动部件的位移变化对机床动态特性的影响程度,共同确定机床最优加工位姿和加工路线。将该方法应用于一台三轴立式加工中心,采用正交试验设计确定移动部件的不同位置组合作为计算样本点,在ANSYS仿真软件中计算每个样本点的前5阶固有频率,建立反映位置特征与固有频率数值的二次多项式响应面模型,并通过计算响应面模型质量评价指标验证了该模型的有效性,以此分析机床前5阶固有频率在加工空间的分布规律及其对x、y、z向位移变化的灵敏度,阐明机床空间位姿对机床动态特性有较大的影响,为机床工艺规划和优化设计提供了新的分析方法及技术支持。     

基于正交设计的协作机器人全域结构优化设计

为解决时变位姿和建模精度对机器人结构优化的影响,提出了一种有限元与解析法相结合的机器人实时模态分析方法,能够实时、高效、高精度地获得机器人任意位姿下的固有频率和振型.同时为降低计算量,实现全域结构优化,基于正交设计提出了一种以机器人质量与全域一阶固有频率比(M/GF)为优化目标、以机器人结构尺寸为优化变量的全域动态性能结构优化设计方法.优化结果表明:优化后的M/GF指标比优化前提高了9.90％,优化后的全域一阶固有频率指标比优化前提高了0.91Hz.     

类SCARA机器人多目标性能优化

以类SCARA硅片搬运机器人为研究对象,在机器人运动学和动力学的基础上,分析其工作空间、全域条件数、固有频率、误差影响系数各项性能,并针对这4项性能指标进行多目标优化.将机器人机构杆长参数作为设计变量,以工作空间等4项指标作为优化目标,给出杆长约束和相对工作空间系数约束,利用基于BP神经网络算法的多目标遗传算法进行优化计算,采用遗传算法优化神经网络的结构,来提高BP神经网络的预测精度,减少运算时间,最终得到1组最优杆长.采用优化后的机器人机构杆长可以使机器人各项性能指标有较大提高.     

核电专用轮槽数控铣床动态设计和结构优化

针对大型专用铣床CX056串联式的结构和它运动部件质量大的特点,用有限元法分析了该机床的动态特性.将模态分析和谐响应分析的结果作为该大型铣床动态设计和结构优化的依据,通过设计不同的结构和预置不同系列的参数,以整机固有频率的提高为目标函数,应用经验法和比较法提出了机床大件和整机的优化设计方案.     

具有悬架系统的全地形机器人位姿控制

机器人在非铺装路面行驶时,不可避免地会引起机体位姿(位置与姿态)改变,路面会对机体以及机载设备产生破坏冲击,为减小机体与机载设备的振动,设计了一款具有慢主动悬架结构的轮腿式全地形移动机器人(WLATMR),并验证了其隔振性能。为实现整机位姿闭环控制,首先基于运动学与动力学建立考虑悬架影响的整机位姿模型,分析悬架影响对机身位姿的影响,然后通过PI控制实现SIMULINK与ADAMS的联合仿真,对比分析模型优化前、后(优化前:忽略悬架影响,优化后:考虑悬架影响)的整机位姿控制效果。结果表明,优化前、后WLATMR的位姿跟踪效果相差不大,但是优化后的模型能够有效降低对作动器工作速度、工作位移等性能的要求。最后,通过调整PI参数使模型优化前、后的作动器工作速度相同,在此条件下再次仿真,结果表明优化后模型能够有效改善系统的瞬态响应性能指标,验证了模型及算法的正确性,同时为机器人增加隔振悬架系统提供了理论参考。     

循环工况下变矩器叶片角设计空间的性能优化

为解决整机循环工况与液力变矩器的匹配问题,并建立变矩器设计参数与整机工况的动力学映射关系,本文提出循环工况条件下变矩器叶片角设计空间的性能优化方法。该方法在整机物理实验条件下,以其变矩器的统计循环工况加权效率为评价目标,利用变矩器一元束流理论及其流固耦合仿真结果构建变矩器性能模型,对变矩器叶片角设计变量进行优化。优化过程中以整机V型和T型典型工况及双涡轮变矩器为研究对象,在变矩器流固耦合仿真精度得到台架实验验证的前提下,证明优化后变矩器统计循环工况加权效率分别提升2.64%和2.48%。该方法简易性地建立了整机与变矩器叶片角设计参数间的一体化动力学匹配关系,对同类面向主机的配件定制化设计具有工程化指导价值。     

多目标优化与AHP相结合的机床床身优化设计

结合多目标优化与AHP在结构设计中的优点,对某型滚齿机床床身的设计参数进行改进。运用CAD软件建立参数化模型,将其导入有限元分析软件AWB中对其进行动静态特性分析;通过灵敏度分析得到影响床身性能的主要设计参数,同时可视化其对目标函数的响应面;利用床身的多目标优化法,即以其质量最小、变形最小和一阶固有频率最大为目标函数产生最优解的解集;最后利用AHP确定床身解集合中的各优化方案权重系数,寻找出最优解。     

铣床整机动态性能的薄弱环节辨识与设计优化（英文）

基于机床结构模态柔度和弹性能分布理论,提出一种以降低切削点交叉动柔度值为目标的动态优化方法.该方法通过分析切削点交叉动柔度与模态柔度的关系,利用模态柔度和弹性能分布判定机床的薄弱模态和薄弱环节.根据机床各阶模态对静柔度的比值寻找对机床动态性能影响显著的薄弱模态,分析薄弱模态上各部件和环节的能量分布,确定薄弱模态上的薄弱环节.在一定的约束条件下,通过改进薄弱环节的设计参数实现设计优化.以某型铣床为研究对象,在整机建模和动态特性分析计算的基础上,阐述了动态性能优化方法的具体应用.通过模态柔度和能量分布计算,确定该铣床的薄弱环节是刀杆及其夹紧系统和床身——水平主轴体结合部,针对薄弱环节设计参数的调整和结构改进实现其质量和刚度的优化,优化后的静柔度和模态柔度均有明显的降低,模态柔度对静柔度的分配情况有所改善,而固有频率则相应提高,切削点动柔度的最大值降低52%.铣床结构改进后整机动态性能得到有效改善,提高了切削稳定性和加工精度.优化方法适合工程应用.     

数控旋压机床旋轮架广义空间位置维动态特性分析

数控旋压机床是集旋压、自动化机械、液压伺服控制等多项先进技术为一体的高科技机床产品。数控旋压机床进行旋压件加工时的精度取决于加工过程中旋轮与芯模的相对间隙。随着数控旋压机床在加工过程中旋轮空间位置姿态的不断变化,旋轮架结构构形及轴间耦合作用也随之发生改变,导致旋压机机床动态特性预测具有复杂性和不确定性。针对企业提升大型双轮数控旋压机床动态性能的需求,基于虚拟样机技术,构建了考虑机床结合部动态特性参数的旋轮架系统动力学有限元模型,并基于实际加工工况进行模型边界条件设置。以一阶固有频率为主要参考指标,基于有限元分析模型修正法对旋轮架在广义加工空间中的不同位置进行了模拟模态分析和实验模态分析,研究了旋轮架的动态特性与广义加工空间位置姿态变化之间的关系。数字仿真分析和实验结果表明：对旋轮架一阶固有频率来说,不同位置点的模拟模态值与实验模态值总体吻合较好,平均误差率为2.21%;系统的一阶固有频率、振型及阻尼比随位置姿态的改变而变化;不同位置之间的最低与最高固有频率相差26%左右;X轴坐标越居中,Z轴坐标越大,旋轮架固有频率越低,旋轮振幅越大。证明旋轮架的不同空间位置姿态对旋压机床的动态特性影响较大。得到的结论可以用于研制新型旋压机床、优化加工路线和设计最优加工位置。     

A novel method of dynamic characteristics analysis of machine tool based on unit structure

A novel approach,which can be used for dynamic characteristics analysis of machine tools based on unit structure(US),is reported in this paper.The concepts of unit structures for design of machine tools are defined.In order to satisfy the dynamic characteristics requirement of high natural frequency and light-weight of US,a design method of multi-disciplinary optimization of NSGA-II about unit structures driven by natural frequency and mass is developed.Through analyzing the unit structures,key factors affecting the natural frequency and mass are extracted,and the mathematical models of natural frequency and mass about unit structures are also established by using central composite design and response surface model.The goal of high natural frequency and light-weight is reached by using the multi-objective genetic algorithms.The Pareto optimal set is also obtained.The dynamic behavior of US is investigated by the experimental modal analysis.To show the efficiency of the proposed novel method,the example of YKW51250 gear shaping machine bed is used.Through optimization of NSGA-II about US of YKW51250 machine bed,the natural frequency of YKW51250 gear shaping machine bed is increased by 30.4%and its mass decreased by 5.2%comparing with the original design.By studying the dynamic characteristics of the simplified machine tools bed,useful laws are obtained,and these laws can be used in primary design of NC machine tools structures.The optimal method based on US can be also applied to the dynamic optimal design of machine tools and other similar equipments.     

基于Mat lab 对3 -TPT 并联机床的运动学仿真

介绍了一种新型3 -TPT 并联机床的机构组成与工作原理, 建立了3 -TPT 并联机床空间坐标系, 并在此基础上推导了该并联机床位置正反解方程, 针对并联机床正解复杂、存在多解的特点, 利用Matlab 软件对3 -TPT 并联机床位置正反解进行了部分解的仿真, 为推导和计算并联机床执行末端的速度、加速度以及作用力提供了基础。最后, 结合3 -TPT 并联机床位置正反解方程仿真出了该机床的最大作业空间, 并测得其体积为0.863 m3 。     

高速高精密机床主轴部件动态三目标优化建模

建立了适合高速、高精密机床主轴部件的三目标优化数学模型.模型的优化目标为主轴部件总质量、静刚度和固有频率,它们可全面反映主轴部件的静、动态性能指标和经济指标.同时,用极小—极大法对机床主轴部件进行了动态多目标优化.     

基于二阶矩误差模型的五轴机床精度分配优化设计

在机床精度优化设计过程中,传统精度分配中往往将误差视为常量,而忽略误差的分布情况. 针对此问题,在分析传统精度分配方法基础上,提出一种基于二阶矩误差模型的五轴数控机床精度优化设计方法. 定义二阶矩阵运算规则,用二阶矩阵表达机床精度指标,建立带分布的五轴数控机床误差模型,应用遗传算法对精度指标进行多目标优化求解,得到Pareto最优解集. 以C100P五轴数控机床为例,验证本优化设计方法的可行性. 与传统精度分配方法相比,在保证机床精度要求前提下,新方法能够降低机床装配成本.     

基于正交建模的空间柔顺构件多目标优化

为满足超磁致伸缩材料精密加工异形孔的刚性、稳定性等要求,根据材料驱动特性对空间柔顺构件多个性能参数(驱动刚度、抗扭转刚度和一阶固有频率)进行优化设计,给出一种基于正交仿真试验和遗传算法的多目标优化方法.该方法通过主结构离散参数值的正交排列组合和有限元仿真获得两者的映射试验表,再采用回归拟合的方法建立各性能参数与主要结构参数的优化模型,经多目标遗传算法获得一组最优解,使柔顺构件弯曲变形量、扭转变形量、一阶固有频率分别为51.6um、3.3um、849.7 Hz,满足超磁致伸缩驱动特性和异形孔精密加工的要求.     

基于工作空间包络法的六杆并联机床结构尺寸设计

以6-SPS并联机床为例,对给定工作空间的并联六杆机床结构尺寸设计进行了分析与研究.以简化的球锥体工作空间为例,研究了六杆并联机床固定平台半径、运动平台半径、驱动杆杆长三者之间的关系,得出并联六杆机床结构尺寸设计的一些结论.     

基于折衷规划的汽车悬架摆臂多目标拓扑优化设计

基于SIMP变密度法和带权重的折衷规划法相结合的多目标拓扑优化设计方法,以汽车极限行驶多工况下的刚度和固有频率为目标函数,并将多刚度拓扑优化目标函数采用折衷规划定义、固有频率采用平均频率法,对某客车悬架的摆臂结构进行多目标拓扑优化设计,得到同时满足静态刚度和动态频率要求的汽车悬架摆臂的拓扑优化结构,并采用惯性释放方法对悬架摆臂进行载荷和应力分析验证。     

复合材料空天结构多目标优化设计方法研究

针对空天用智能复合材料结构,将振动控制性能指标、结构重量和固有频率作为目标函数,结构参数和控制系统参数同时作为设计变量进行优化,采用独立模态空间方法,综合考虑到压电材料的力-热-电耦合,对复合材料结构进行多目标优化设计。数值算例表明该方法的有效性。