【摘 要】
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机床的动静态刚度直接影响机床的加工精度及加工效率,是衡量机床性能的重要指标。主轴作为机床的核心零件,提高其结构刚度一直是重要的研究方向。通过结构优化的方式提高其动静刚度,可以有效提高机床的加工精度和加工效率。本文以CK6140机床作为研究对象,通过建模与分析,研究主轴结构动静态刚度的主要影响因素及影响规律,进而探索一种实现主轴静动刚度综合提高的方法,主要研究内容如下:第一章分析了机床结构优化研究、
【基金项目】
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国家自然基金项目《混沌演化下基于深度学习的数控机床精度衰退大数据早期预示方法》（基金号51775074）； 企业项目“QE型双小车桥式起重机快速指定设计方法及制造成本控制”；
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机床的动静态刚度直接影响机床的加工精度及加工效率,是衡量机床性能的重要指标。主轴作为机床的核心零件,提高其结构刚度一直是重要的研究方向。通过结构优化的方式提高其动静刚度,可以有效提高机床的加工精度和加工效率。本文以CK6140机床作为研究对象,通过建模与分析,研究主轴结构动静态刚度的主要影响因素及影响规律,进而探索一种实现主轴静动刚度综合提高的方法,主要研究内容如下:第一章分析了机床结构优化研究、刚度优化研究及神经网络应用于机构优化的国内外研究现状,总结了目前研究与应用中存在的不足,提出了“车床主轴动静态刚度特性分析及综合优化方法”研究课题,并介绍了课题研究的思路及主要内容。第二章为了研究结构参数变化对主轴静刚度影响规律,建立了机床主轴三维模型,运用有限元软件研究各设计参数对主轴敏感变形方向变形量的影响规律,筛选出显著影响主轴静刚度的结构参数;运用正交实验法分析结构参数对主轴静刚度影响显著程度并进行相关性分析;在单一变量情况及多变量情况下研究敏感设计参数对主轴静刚度影响规律。第三章为了研究结构参数变化对主轴动刚度影响规律,通过对动刚度求偏导,分析得到主轴动刚度随固有频率增大而增大的关系;对主轴进行模态分析获得前六阶固有频率,以主轴一阶固有频率作为衡量标准,通过分析对比结构参数变化对一阶固有频率影响规律,筛选出显著影响主轴动刚度的结构参数;在单一变量情况及多变量情况下研究敏感设计参数对主轴动刚度影响规律。第四章为了表征结构参数与主轴动静刚度间的非线性关系,结合遗传算法和BP神经网络建立映射模型,以前两章研究筛选出的主轴结构参数作为神经网络训练样本中的输入值,根据刚度定义式选择表征动静刚度的性能参数最大变形量?,位移幅值s作为训练样本的输出指标。为使优化后的主轴强度及固有频率满足设计标准且主轴质量保持不变,增加结构参数与最大应力?,一阶固有频率f,质量m间的映射模型,最终获得一个5个输出参数的映射模型,用于后续结构优化模型的建立。第五章为了实现提高主轴静动刚度的最终优化目标,以筛选出的主轴结构参数为设计变量,建立结构优化数学模型,其中,约束条件中主轴结构参数与主轴性能间的非线性关系,由前文所得主轴性能参数映射模型进行表征。对机床主轴结构参数进行优化,获得最优结构参数水平组合。建立优化后的机床主轴模型,并运用有限元分析对其进行动静态性能分析,将获得的机床主轴各项性能参数指标与优化前的相应数据进行对比分析。结果表明主轴静刚度增幅14.09%,动刚度增幅16.04%,主轴性能得到优化。第六章总结本文研究工作,对后续研究进行了展望。
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