本文描述的是对高精度内圆磨床结构动态优化设计的研究内容

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高精度内圆磨床结构动态优化设计研究
2016-10-27

高精度内圆磨床结构动态优化设计是提高机床加工精度的关键。随着全球经济一体化的形成,机床行业的市场竞争必将愈演愈烈。目前,国内高精度内圆磨床产品的技术水平还相对落后,就设计方面而言,尚处于经验,静态和类比的设计阶段,对结构动态特性考虑较少;先进的设计技术和动态优化软件使用也很少;新产品开发尚未普遍采用结构动力学建模、优化等动态的设计方法。这样就很难提高机床质量和生产效率。因此,尽快应用先进的设计技术,提高设计水平,以应对加入WTO后市场竞争具有重要意义。为此,本文以计算机建模分析为基础,着重研究了基础计算机环境的机床结构动态设计技术,提出了先进机床动态设计的整体思路和流程,对设计流程中的主要技术进行了分析。

1.高精度内圆磨床结构动态设计流程

在计算机可视化环境中,建立机械结构的三维CAD模型和有限元模型,形成具有一定功能的基于计算机的仿真系统,在此基础上进行模型的参数化设计和动态分析,利用人机交互的可视化环境,对结构设计中的缺陷进行修改或重新设计。这种机械设计方法不需要制造机床样件,便可直观地测试、评价和修改多种设计的某些特征,最终达到缩短机械结构开发时间和降低成本的目的。

在计算机环境中进行高精度内圆磨床结构动态设计有以下优点:首先,它把人在CAD环境下的活动提升到人机融成一体的积极参与的主动活动,因而构成了融入性的开发系统,充分发挥了设计者的智慧和决策能力来完成高精度内圆磨床结构设计。其次,它又是支持和推进并行工程实施是技术,由于虚拟技术能模拟产品的实际运行,并具有高度可视化,使专业设计人员和用户能通过直观的感受来了解产品。此外,在设计阶段通过对虚拟样机的分析、评价和修改,保证机床产品具有优良的性能,从而可取消或缩短样机的实物制造、检测和修改定型的过程,缩短产品开发周期。

2.部件动态特性灵敏度分析

部件结构动态设计的根本目的是改正对整机动态特性影响灵敏的薄弱部件,而利用模型激励技术可找出整机结构薄弱部件。在对薄弱结构的改进过程中,为了避免结构修改的盲目性,必须采用有效的控制策略。目前广泛采用的控制策略是结构设计参数的灵敏度分析。其基础原理如下:先通过一定数学方法和手段,计算出结构的动态性能参数随结构设计变量的变化灵敏度,然后选择那些对动态特性影响较大的设计参数,并依据灵敏度值的大小和正负,对设计参数进行修正。通过结构的灵敏度分析,可以很方便地确定哪些部位改进对修改结构动态特性最为有效;再利用修改结构重分析的方法,最终找到优化的结构动态设计方案。

3.部件模态频率分离的整机动态优化

对于机床一类的复杂机械设备,要实现整机设计参数的真正优化时很困难的,因此,一般采用主要部件优化实现整机的集成优化。对主要结构部件的优化往往采用多种结构方案的比较优选进行。但应该注意的是,对各优化结构进行优选集成整机时,应考虑各部件的前几阶模态频率的分离,若各主要部件之间的模态频率相同或相近,整机结构的激励频率与部件模态频率也相近时,那么就会导致整机受到激励时结构振动幅值会成倍增加。为此,必须选择相互之间模态频率分离的主要装配部件作为整机集成的优选部件,以使整机结构的动态特性得到提高。

在计算机设计环境中进行机床部件的动态优化设计和部件的模态频率修正,并不需要制造物理样机或部件,设计、计算和分析过程都在计算机中完成。根据模态频率分离原则,通过对部件结构的反复设计和修改,找出最佳的机床部件组合,从而实现机床的动态设计。

4.结论

利用灵敏度分析方法,找出结构部件中最敏感的部位进行结构修改是机床部件设计中有效的优化方法。

结构主要组成部件的优化时机床整机动态性能优化的基础,在部件集成整机时应特别注意各主要部件之间前几阶模态频率的分离,以避免集成的整机在结构的激励频率与部件模态频率相近时,导致整机结构振动幅值的成倍增加。

在对机床、部件结构振动进行有效控制的同时,还应考虑磨头传动系统的动态响应,对于高精度内圆磨床结构,采用多调谐阻尼器(MTMD)来解决。


本文描述的是对高精度内圆磨床结构动态优化设计的研究内容
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