CNC加工中心进给机构智能设计优化系统


伯特利数控 加工中心  钻攻中心  

 前言:

 

 当前制造业智能化的发展对CNC加工中心精度提出了越来越高的要求,在CNC加工中心的各种零部件中,进给机构主要起着为工件加工过程提供往复移动的作用,其动态性能对整机的加工精度影响很大[1-2]。因此,探索新的CNC加工中心进给机构优化设计方法是十分必要的,已成为学术界研究的一个焦点问题[3_5]。文献[6]在有限元分析的基础上,建立加工中心进给机构的动态模型并对结合面联接件的位置和数量进行拓扑优化设计。文献[7]采用序列二次规划法对CNC加工中心进给机构进行结构优化设计,不仅提高了进给机构的动态特性,而且保证了进给机构的高精度设计要求。文献[8]采用CAD/CAE技术对机床进给机构进行建模分析,识别关键的结构参数,在此基础提出了一种提高进给机构动态性能的优化设计方法。文献[9]用有限元软件对一种加工中心横梁进给系统进行动静态性能分析,识别出该进给系统的薄弱环节,并对十字滑座筋板进行结构优化设计。CNC加工中心进给机构在工作过程中承受轴承-丝杠、丝杠-螺母、导轨-滑块等因相对运动产生的热的作用,同时还承受重力、进给力等力的作用,即受热与力的

 

 

(1) 需求分析模块需求分析模块主要用来获取CNC加工中心用户需求信息,在加工中心进给机构智能设计过程中,

 

 

用户需求信息主要包括材料属性参数、零部件约束形式、几何拓扑关系和进给运动参数,系
耦合作用。然而,当前对于加工中心进给机构的动态性能优化设计往往只考虑受力的影响,忽略了温度场与机械性能之间的相互作用,难以得到性能最优的进给机构设计方案。针对上述问题,本文充分考虑CNC加工中心进给机构的热-力耦合效应,建立多种软件集成的
CAD/CAE协同优化平台,形成一套CNC加工中心进给机构智能设计优化系统。运用多学科交叉的思想搭建CNC加工中心进给机构智能设计优化系统整体框架,在常规设计基础上采用灵敏度分析法、BP神经网络和遗传算法相结合的方式对进给机构进行多目标优化,从而提高该系统的智能设计水平。最后,以龙门CNC加工中心的r轴进给机构为案例,验证本文所构造的系统的可行性。

 

1进给机构智能设计优化系统框架

 

CNC加工中心进给机构设计是一个较为复杂的过程,主要任务包括设计需求分析、零部件结构设计、CAD参数化建模、热-力耦合仿真及多目标优化等[KM4]为此,本文构造了一种由需求分析模块、常规设计模块、智能优化模块以及设计资源中心等4部分所组成的CNC加工中心进给机构智能设计优化系统,其总体框架结构如图1所?统按照用户输入的进给工作条件计算所需进给推力、功率以及结构布局等,得到CNC加工中心进

 

 

给机构总体设计需求。

 

 

(2) 常规设计模块

 

 

在本模块运用传统机械设计方法来初步确定加工中心进给机构的零部件参数。CNC加工中心进给机构的设计参数包括零部件尺寸、轴承刚度、预紧力和进给行程等[15?结合进给机构各零件的装配关系获取其他结构参数后,运用材料力学的知识进行强度、刚度等校核计算,得到进给机构初始设计方案。

 

 

(3) 智能优化模块

 

 

本模块的主要功能是对加工中心进给机构进行三维建模、有限元分析、热-力耦合分析以及多目标智能优化。根据常规设计模块计算得到的初始设计方案,在Pro/E软件中创建加工中心进给机构的三维参数化模型后导入ANSYS软件,考虑加工中心进给机构的受力、热源和约束条件,在ANSYS中建立进给机构有限元模型,依次开展动静态有限元分析和热-力耦合仿真分析[17]根据上述仿真分析结果,建立加工中心进给机构多目标优化模型,结合智能优化算法进行求解,进而得到最终的优化方案并生成设计报告。

 

 

(4) 设计资源中心

 

 

本系统的设计资源中心由材料参数库、图形数据库、设计方法库、工艺知识库及约束规则库等组成,其作用是为CNC加工中心进给机构的智能设计优化提供必要的数据信息,并存储设计优化过程中得到的各种结果。

 

2进给机构智能优化的建模机制

 

CNC加工中心进给机构智能设计的主要任务是对常规设计模块得到的初始设计方案进行三维建模、有限元分析、热-力耦合分析和多目标优化,这涉及到大量数据信息交换问题[18_19],系统智能优化模块的信息流分类如表1所示。

 

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结束语:

 (1) 针对当前企业缺乏CNC加工中心进给机构?能设计与仿真优化平台的问题,构造了进给L构智能设计优化系统。该系统能面向CNC机^进给机构多样化设计需求,将多领域知识用:进给机构的建模与分析,采用传统方法获得E给机构初始设计方案,在CAD/CAE协同仿;环境下进行多目标智能优化,通过案例验证H亥系统的可行性。

 

(2)  本文所构造系统的智能优化模块采用;于信息共享的分层次建模方法,较好地解决求解过程中数据信息与拓扑关系丢失的问L根据CAD/CAE协同仿真结果建立优化模i后采用智能算法求解,求解涉及到的数据能L时反馈到设计资源中心,实现优化过程的知共享,提高了进给机构设计的智能化水平,

 

r利于该系统在CNC加工中心设计领域推广应用。

 

 

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