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复合机床动态耦合特性分析及优化

赵家黎 黄利康 吴丽媛 胡赤兵

赵家黎, 黄利康, 吴丽媛, 胡赤兵. 复合机床动态耦合特性分析及优化[J]. 机械科学与技术, 2019, 38(7): 1067-1073. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.2019.20180281
引用本文: 赵家黎, 黄利康, 吴丽媛, 胡赤兵. 复合机床动态耦合特性分析及优化[J]. 机械科学与技术, 2019, 38(7): 1067-1073. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.2019.20180281
Zhao Jiali, Huang Likang, Wu Liyuan, Hu Chibing. Analysis of Dynamic Coupling Characteristics of Composite Machine Tool and Optimization[J]. Mechanical Science and Technology for Aerospace Engineering, 2019, 38(7): 1067-1073. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.2019.20180281
Citation: Zhao Jiali, Huang Likang, Wu Liyuan, Hu Chibing. Analysis of Dynamic Coupling Characteristics of Composite Machine Tool and Optimization[J]. Mechanical Science and Technology for Aerospace Engineering, 2019, 38(7): 1067-1073. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.2019.20180281

复合机床动态耦合特性分析及优化

doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.2019.20180281
基金项目: 

校企合作基金项目 201707YL

国家自然科学基金项目 51265024

详细信息
    作者简介:

    赵家黎(1980-), 副教授, 博士, 研究方向为数字化设计与制造, 过程质量控制等, j_l_zh@163.com

  • 中图分类号: TG65

Analysis of Dynamic Coupling Characteristics of Composite Machine Tool and Optimization

  • 摘要: 针对自主研制的复合机床多工况和多轴联动的特点,对机床在多轴联动下的动态耦合特性进行仿真分析,结果表明立柱为影响机床动态耦合性能的关键结构件;以立柱为优化目标,提出了一种BP神经网络近似模型与NSGA-Ⅱ算法相结合的优化设计方法;采用最佳填充空间试验设计,在设计空间抽取样本点进行网络训练,并构建神经网络近似模型;利用NSGA-Ⅱ算法对神经网络模型循环逼近优化,得到Patero前沿解。结果表明,优化后整机前两阶固有频率得到较大提升,机床在X、Y、Z方向上的共振峰值分别下降了41.0%,57.5%和39.7%。
  • 图  1  多功能复合机床三维简化模型

    图  2  整机3个方向的谐响应曲线

    图  3  整机前六阶固有频率变化图

    图  4  测试数据预测值与实际值误差

    图  5  立柱优化流程

    图  6  Patero前沿解集

    图  7  优化后整机3个方向上的谐响应曲线

    表  1  整机前六阶固有频率与振型

    阶次 频率/Hz 振型
    1 54.4 以立柱为主,沿Z向俯仰摆动
    2 72.7 以立柱为主,沿Y向左右摆动
    3 97.8 以车刀架、支撑座为主, 沿Z向前后摆动
    4 130.6 以立柱、主轴箱、工作台为主,复合摆动
    5 157.5 以立柱、主轴箱、工作台为主,复合摆动
    6 170.3 以车削动力头、可倾斜回转台为主,复合摆动
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    表  2  尺寸参数及取值范围

    设计变量 变量说明 参数取值范围/mm 初始参数/mm
    P1 壁厚 20~30 25
    P2 侧孔直径 40~60 50
    P3 侧纵向筋板厚度 16~24 20
    P4 侧横向筋板厚度 16~24 20
    P5 后面孔直径 40~60 50
    P6 后面筋板厚度 16~24 20
    P7 底部减重孔直径 40~60 50
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    表  3  神经网络训练样本

    序号 P1/mm P2/mm P3/mm P4/mm P5/mm P6/mm P7/mm m/kg f1/Hz f2/Hz σmax/μm
    1 21.58 46.45 21.52 23.44 45.44 18.78 55.82 354.45 105.89 168.03 23.66
    2 20.95 49.46 18.89 17.06 47.97 23.95 53.29 345.90 106.82 168.73 23.97
    3 27.27 52.78 19.59 18.37 54.55 16.65 40.38 392.64 103.87 168.24 21.80
    4 27.92 56.32 16.55 19.19 49.49 17.36 52.02 392.99 103.81 167.99 22.44
    5 25.13 51.02 20.20 19.79 52.53 20.91 49.49 378.39 104.57 167.99 22.45
    6 29.30 55.31 18.98 16.55 52.02 22.93 53.79 405.06 102.62 166.82 23.93
    79 23.86 49.49 22.43 17.47 55.32 16.15 53.54 370.15 104.93 167.75 22.89
    80 23.10 54.30 22.23 16.66 47.47 22.43 41.14 365.98 105.53 168.33 23.01
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    表  4  立柱优化前后结果对比

    设计变量 优化前参数 优化后参数 改变量/%
    P1/mm 25 20.05
    P2/mm 50 40.01
    P3/mm 20 16.04
    P4/mm 20 16.04
    P5/mm 50 40.01
    P6/mm 20 16.04
    P7/mm 50 40.01
    f1/Hz 104.65 108.28 +3.47
    f2/Hz 167.25 170.65 +2.03
    σmax/μm 22.41 22.20 -0.9
    m/kg 368.48 336.17 -8.7
    注:+表示提高;-表示降低。
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    表  5  立柱优化前后整机前六阶固有频率

    阶次 原始结构频率/Hz 优化结构频率/Hz 改变量/%
    1 54.4 62.1 +14.2
    2 72.7 81.6 +12.3
    3 97.8 100.8 +3.1
    4 130.6 135.7 +3.9
    5 157.5 158.2 +0.6
    6 170.3 176.6 +3.5
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  • [1] 刘世豪, 赵伟良.大型复合数控机床的研发现状与前景展望[J].制造技术与机床, 2017(6):69-73 http://d.old.wanfangdata.com.cn/Periodical/zzjsyjc201706031

    Liu S H, Zhao W L. Research and development status and prospect of large complex CNC machine tool[J]. Manufacturing Technology & Machine Tool, 2017(6):69-73(in Chinese) http://d.old.wanfangdata.com.cn/Periodical/zzjsyjc201706031
    [2] 孙晓俊, 黄筱调, 于春建, 等.复合加工机床立柱动态特性分析及优化[J].机床与液压, 2017, 45(19):157-161 doi: 10.3969/j.issn.1001-3881.2017.19.033

    Sun X J, Huang X T, Yu C J, et al. Dynamic properties analysis and optimization of complex machining machine tool stand column[J]. Machine Tool & Hydraulics, 2017, 45(19):157-161(in Chinese) doi: 10.3969/j.issn.1001-3881.2017.19.033
    [3] 杨玉萍, 张森, 季彬彬, 等.立式加工中心床身结构动态特性有限元分析[J].机械设计与制造, 2014(1):174-176 doi: 10.3969/j.issn.1001-3997.2014.01.054

    Yang Y P, Zhang S, Ji B B, et al. Finite element analysis on dynamic characteristics for the bed structure of vertical machining center[J]. Machinery Design & Manufacture, 2014(1):174-176(in Chinese) doi: 10.3969/j.issn.1001-3997.2014.01.054
    [4] 于长亮, 张辉, 王仁彻, 等.机床整机动刚度薄弱环节辨识与优化方法研究[J].机械工程学报, 2013, 49(21):11-17 http://d.old.wanfangdata.com.cn/Periodical/jxgcxb201321002

    Yu C L, Zhang H, Wang R C, et al. Study on method for weak link identification of dynamic stiffness of a machine tool and optimization design[J]. Journal of Mechanical Engineering, 2013, 49(21):11-17(in Chinese) http://d.old.wanfangdata.com.cn/Periodical/jxgcxb201321002
    [5] 刘成颖, 谭峰, 王立平, 等.面向机床整机动态性能的立柱结构优化设计研究[J].机械工程学报, 2016, 52(3):161-168 http://d.old.wanfangdata.com.cn/Periodical/jxgcxb201603025

    Liu C Y, Tan F, Wang L P, et al. Research on optimization of column structure design for dynamic performance of machine tool[J]. Journal of Mechanical Engineering, 2016, 52(3):161-168(in Chinese) http://d.old.wanfangdata.com.cn/Periodical/jxgcxb201603025
    [6] 于海莲, 王永泉, 陈花玲, 等.响应面模型与多目标遗传算法相结合的机床立柱参数优化[J].西安交通大学学报, 2012, 46(11):80-85 http://d.old.wanfangdata.com.cn/Periodical/xajtdxxb201211016

    Yu H L, Wang Y Q, Chen H L, et al. Optimization for machine tool column combining response surface model with multi-objective genetic algorithm[J]. Journal of Xi'an Jiaotong University, 2012, 46(11):80-85(in Chinese) http://d.old.wanfangdata.com.cn/Periodical/xajtdxxb201211016
    [7] Verl A, Frey S. Correlation between feed velocity and preloading in ball screw drives[J]. CIRP Annals, 2010, 59(1):429-432 doi: 10.1016/j.cirp.2010.03.136
    [8] Neugebauer R, Denkena B, Wegener K. Mechatronic systems for machine tools[J]. CIRP Annals, 2007, 56(2):657-686 doi: 10.1016/j.cirp.2007.10.007
    [9] 王磊, 金涛, 陈卫星, 等.基于广义加工空间及工件效应的超重型机床动态特性分析[J].机械设计, 2012, 29(1):69-73 http://d.old.wanfangdata.com.cn/Periodical/jxsj201201017

    Wang L, Jin T, Chen W X, et al. Dynamic characteristic analysis of super heavy duty machine based on generalized manufacturing space and workpiece effect[J]. Journal of Machine Design, 2012, 29(1):69-73(in Chinese) http://d.old.wanfangdata.com.cn/Periodical/jxsj201201017
    [10] 李特, 芮执元, 胡赤兵, 等.滚齿机主轴-立柱动态特性分析[J].机床与液压, 2015, 43(19):168-172 doi: 10.3969/j.issn.1001-3881.2015.19.040

    Li T, Rui Z Y, Hu C B, et al. Analysis of dynamic characteristics of a gear hobbing machine spindle-column system[J]. Machine Tool & Hydraulics, 2015, 43(19):168-172(in Chinese) doi: 10.3969/j.issn.1001-3881.2015.19.040
    [11] 周孜亮, 王贵飞, 丛明.基于ANSYS Workbench的主轴箱有限元分析及优化设计[J].组合机床与自动化加工技术, 2012(3):17-20 doi: 10.3969/j.issn.1001-2265.2012.03.004

    Zhou Z L, Wang G F, Cong M. Finite element analysis and optimization of headstock based on ANSYS Workbench[J]. Modular Machine Tool & Automatic Manufacturing Technique, 2012(3):17-20(in Chinese) doi: 10.3969/j.issn.1001-2265.2012.03.004
    [12] 金俊尉.横梁倒挂式激光切割机的结构优化设计[D].南京: 南京航天航空大学, 2015 http://cdmd.cnki.com.cn/Article/CDMD-10287-1015952694.htm

    Jin J W. Structural optimal design for laser cutting machine with up-side-down beam[D]. Nanjing: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, 2015(in Chinese) http://cdmd.cnki.com.cn/Article/CDMD-10287-1015952694.htm
    [13] 王亮, 殷国富, 谭峰, 等.基于神经网络模型和网格变形技术的机床立柱优化设计研究[J].组合机床与自动化加工技术, 2015(8):5-9 http://d.old.wanfangdata.com.cn/Periodical/zhjc201508002

    Wang L, Yin G F, Tan F, et al. Optimization design research of machine tool column based on neural network and mesh morphing[J]. Modular Machine Tool & Automatic Manufacturing Technique, 2015(8):5-9(in Chinese) http://d.old.wanfangdata.com.cn/Periodical/zhjc201508002
    [14] 魏静.基于改进NSGA2算法的给水管网多目标优化设计[D].北京: 北京工业大学, 2016 http://cdmd.cnki.com.cn/Article/CDMD-10005-1016785541.htm

    Wei J. Multi-objective optimal design of water supply systems via improved NSGA2 algorithm[D]. Beijing: Beijing University of Technology, 2016(in Chinese) http://cdmd.cnki.com.cn/Article/CDMD-10005-1016785541.htm
    [15] 姜衡.FWV-6A立式加工中心动静态特性分析及优化设计[D].广州: 华南理工大学, 2011 http://cdmd.cnki.com.cn/Article/CDMD-10561-1011191517.htm

    Jiang H. The dynamic and static analysis and optimal design of FWV-6A machining center[D]. Guangzhou: South China University of Technology, 2011(in Chinese) http://cdmd.cnki.com.cn/Article/CDMD-10561-1011191517.htm
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  • 收稿日期:  2018-08-28
  • 刊出日期:  2019-07-05

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