CN113110288A - 一种滚齿机床机械加工系统集成优化设计方法 - Google Patents

一种滚齿机床机械加工系统集成优化设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出的一种数控滚齿机床机械加工系统节能优化方法，考虑机床综合静态性能，将刀位点位移与能耗作为目标进行集成优化。建立滚齿机床机械加工系统能耗模型，采用ANSYS Workbench刚柔耦合的方式得到机床刀位点位移数据，然后对比分析RSM、RBF、Kriging代理模型的精度建立刀架托板结构参数与其质量和刀位点位移的准确映射关系，建立了以电机参数、刀架托板结构参数为变量的滚齿机床综合优化函数模型，使用MOPSO算法对模型进行求解并进行实验验证。

Description

一种滚齿机床机械加工系统集成优化设计方法
技术领域
本发明涉及机床技术领域，具体涉及一种滚齿机床机械加工系统集成优化设计方法。
背景技术
在现代数控加工中，数控滚齿机床机械加工系统结构复杂、能耗大、效率低，数控机床设计仍然停留在依靠人工经验设计的初步阶段。在设计过程中为了保证机床部件的力学性能，提高机床加工精度条件下，所设计的机床部件存在大量材料浪费，造成制造成本增加和能量消耗浪费。现有研究大多考虑数控机床运行过程，针对加工参数进行优化，降低数控机床使用阶段的能源消耗。然而，在设计阶段没有充分考虑数控机床能效因素，设计完成的数控机床运行能耗降低幅度较小，数控机床节能效果十分有限。因此，在机床设计阶段考虑机床能耗因素，进行滚齿机床设计优化是一个亟须解决的基础科学问题。
发明内容
本发明提供一种滚齿机床机械加工系统集成优化设计方法。
为实现本发明目的而采用的技术方案是这样的，即一种滚齿机床机械加工系统集成优化设计方法，包括以下步骤：
步骤1：分析滚齿加工过程能耗特性，建立滚齿机床机械加工系统能耗模型；
步骤2：采用ANSYS Workbench刚柔耦合的方式得到机床刀位点位移数据，建立以电机参数、刀架托板结构参数为变量的滚齿机床综合优化函数模型；
步骤3：以刀位点位移和能耗为优化目标，采用算法对模型进行求解。
优选地，步骤1中的滚齿机床机械加工系统能耗模型为：
(1)主电机能耗
主电机输出功率包括机械传动摩擦损耗、机械传动部件动能变化率和加工系统输出功率。
Figure BDA0003035450220000021
其中，Pm电机输出功率；Pmec为机械传动部件的机械损耗；dEk/dt为机械传动部件的动能变化率；Pc为机械传动系统输出切削功率；M0为机床主传动系统等效到主轴电机轴的非载荷库仑摩擦阻力矩；B为机床主传动系统等效到主轴电机轴的粘性摩擦阻尼系数；ωm为主轴电机轴的角速度；α为机械传动系统的载荷系数。
数控机床处于稳定状态时，机械传动部件动能Ek变化可以忽略不计，所以动能变化率dEk/dt为零。数控滚齿机床切削功率公式为Pc＝Fcvc，切削力Pc通常采用经验公式法进行计算
Figure BDA0003035450220000022
其中，m为滚刀法向模数；Z为工件齿数；ap为吃刀深度；fz为滚刀轴向进给量；vc为切削速度，vc＝πdhngm/1000，ngm为滚刀转速；dh为滚刀外径；K1为工件材料修正系数；K2为工件硬度修正系数；K3为工件螺旋角修正系数；
(2)伺服电机能耗
滚齿机床主传动箱与刀架固定连接，伺服电机输出扭矩通过联轴器-滚珠丝杠-导轨-滑块-滑板带动刀架、主传动箱等附加部件沿着立柱做上下进给运动，伺服电机输出扭矩主要用于克服导轨和滑板之间的摩擦力、进给方向切削分力、刀架-滑板-传动模块的重力和惯性力，其受力简图如图1所示。
电机输出功率、输出扭矩与角速度之间的关系为Ps＝Tsωsm，驱动系统的动力全部由伺服电机提供，电机轴动力学方程为
Figure BDA0003035450220000031
式中，Jsm为伺服电机轴转动惯量；ωsm为电机输出角速度；Bsm为电机阻尼系数；nsm为伺服电机转速；Tl为电机输出扭矩。
(3)综合能耗模型
主电机与伺服电机在运行过程中电机效率分别为ηm与ηsm，通过对滚齿机床加工系统各个环节动力学方程分析可以建立其综合能耗模型，机床在运行过程中功率为：
Figure BDA0003035450220000032
功率模型对时间的积分，得到滚齿机床机械加工系统综合能耗模型：
Figure BDA0003035450220000041
式中，t为机床运行时间。
优选地，步骤2中的以电机参数、刀架托板结构参数为变量的滚齿机床综合优化函数模型过程为：
(1)优化目标
对滚齿机床加工系统进行节能优化时，还需要考虑到静态性能，避免机床变形过大从而影响加工精度，通过分析，选择机床能耗E与刀位点位移δ作为优化目标。
(2)初始变量
通过权利要求2的数控滚齿机床机械加工系统能耗模型分析，考虑到其他零部件装配关系约束难以优化与优化空间问题，以刀架托板与电机作为优化对象，选择主电机额定功率PN1、峰值功率Pmax1、额定速度nN1与伺服电机额定功率PN2、峰值功率Pmax2、额定速度nN2与刀架壳体结构参数xi(i＝1～5)为优化变量。
(3)代理模型建立
使用RSM，RBF，Kriging三种代理模型分别建立刀架托板结构参数与质量Mk、刀位点位移δ的代理模型，并进行精度评估选择最准确的代理模型。
(4)约束条件
1)切削功率
数控机床在加工过程中，必须保证机床切削加工所消耗的总功率在电机可提供范围内，即始终保证切削功率不能超过机床电机轴所能提供的最大功率。
Figure BDA0003035450220000051
其中，ηm为主电机在运行过程中的电机效率，m为滚刀法向模数；Z为工件齿数；ap为吃刀深度；fz为滚刀轴向进给量；vc为切削速度，vc＝πdhngm/1000，ngm为滚刀转速；dh为滚刀外径；K1为工件材料修正系数；K2为工件硬度修正系数；K3为工件螺旋角修正系数；
2)电机加速功率
滚齿机床的主电机与伺服电机在加速时段，保证最大旋转功率不能超过电机的额定功率，旋转加速功率包括两部分：一部分用于维持电机轴旋转的功率，另一部分用于克服机械传动系统惯量以使主轴加速的功率。
PSA＝PSR+Js *α*ω*≤PN
式中，PSA为电机加速功率；PSR为电机轴旋转功率，和电机轴转速为一次线性关系PSR＝f(n)；Js *为传动系统等效到电机轴的转动惯量；α*为电机角加速度；ω*为电机角速度；
Figure BDA0003035450220000052
Figure BDA0003035450220000053
其中，fBA为变频器的基本频率；p为电机磁极对数；tA为变频器的加速时间，n*为电机加速前的初始转速；t为旋转加速持续时间。
3)机床固有频率
机床在进行加工时，刀具在切削过程中产生的激振力会引起机床产生各种形式的振动，从而影响加工精度和加工效率，因此机床必须具备良好的动态特性。因此优化后的机床频率需满足以下约束：
f1≤[f1]
式中，[f1]为机床固有频率。
(5)综合优化模型
过对数控滚齿机床机械加工系统的能耗与刀位点位移分析，并考虑机床加工过程中的约束条件，建立数控滚齿机床综合优化模型如下：
Figure BDA0003035450220000061
X＝[PN1，Pmax1，nN1，PN2，Pmax2，nN2，x1，x2，x3，x4，x5]
Figure BDA0003035450220000062
优选地，步骤3中的滚齿机床机械加工系统集成优化设计，其特征在于：使用MOPSO优化算法进行优化求解，采用优化后的加工参数进行加工。
附图说明
图1进给系统受力简图
图2滚齿机床及加工系统
图3刀架壳体变量示意图
图4设计变量样本点分布
图5代理模型测试结果
图6 MOPSO算法流程图
图7刀位点位移仿真结果
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，但不应该理解为本发明上述主题范围仅限于下述实施例。在不脱离本发明上述技术思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段，做出各种替换和变更，均应包括在本发明的保护范围内。
本案例以某型号数控滚齿机床进给系统为研究对象。其加工系统如图2所示。
机床的主要技术参数如表1所示。
表1机床主要技术参数
Figure BDA0003035450220000071
滚齿机床加工系统能耗影响因素众多，考虑到其他零部件装配关系约束难以优化与优化空间问题，最终选择刀架托板与电机作为优化对象，刀架托板优化参数具体如下图3所示。
采用拉丁超立方试验设计方法获取60组刀架托板结构参数的样本点数据，获取的样本点数据分布如图4所示，可以看出设计变量样本点在设计空间内均匀分布，具有很好的填充性和均衡性。
采用SOLIDWORKS软件建立某型号滚齿机床整机简化模型，将图3所示的刀架托板设计变量参数化并导入ANSYS Workbench软件。
刚柔耦合法能在保留机床整体部件的情况下，对刀架托板进行静力学分析，在减轻数据处理任务的同时，可得到刀位点受刀架托板变形影响而产生的位移。对刀架托板柔性化处理，其余部件刚性化处理，
将拉丁超立方实验法得到的样本点作为设计变量，使用刚柔耦合的方式计算得到刀架托板的质量M、相应的刀位点位移δ，部分样本点数据如表2所示。
表2部分样本点数据及目标值
Figure BDA0003035450220000081
将60组样本点分为两部分，前50组作为训练集采用RSM、RBF、Kriging模型建立刀架托板质量Mt、刀位点位移δ的代理模型，后10组样本点作为测试集来计算MAE、RMSE、R2选择精度较高的代理模型。测试结果如图5所示。
采用MOPSO算法求解综合优化模型，从求解出的pareto解集中选择了三组解进行对比分析，从中确定最终优化解，并对优化后的解进行分析对比，算法流程图如图6所示。
选择的3组解如表3所示。
表3选择的pareto解
Figure BDA0003035450220000091
以能耗与刀位点位移分别作为单目标进行了优化，具体结果如表4与图7所示。
表4结果对比
Figure BDA0003035450220000092
从优化结果中可以看出，以能耗为单目标时，能耗降低了46.8％，但刀位点位移却增加了11.27％，从而影响加工精度；以刀位点位移为单目标时，刀位点位移降低了12.06％，然而能耗却增加了0.1％，达不到节能效果；以能耗和刀位点位移为优化目标时，能耗降低了24.98％，刀位点位移降低了12％，表明综合优化后的滚齿机床在节能的同时还能提高机床加工精度。

Claims (3)

1.一种滚齿机床机械加工系统集成优化设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：分析滚齿加工过程能耗特性，建立滚齿机床机械加工系统能耗模型；
步骤2：采用ANSYS Workbench刚柔耦合的方式得到机床刀位点位移数据，建立以电机参数、刀架托板结构参数为变量的滚齿机床综合优化函数模型；
步骤3：以刀位点位移和能耗为优化目标，采用多目标粒子群优化算法对模型进行求解。
2.根据权利要求1所述的一种滚齿机床机械加工系统集成优化设计方法，其特征在于：
综合考虑滚齿机床主电机及运动部件与伺服电机影响参数建立机械加工系统综合能耗模型：
Figure FDA0003035450210000011
其中，P1为主电机输出功率，P2为伺服电机输出功率，t为机床运行时间。
3.根据权利要求1所述的一种滚齿机床机械加工系统集成优化设计方法综合优化函数模型，其特征在于：权利要求1中以电机参数、刀架托板结构参数为变量的滚齿机床综合优化函数模型过程为：
(1)优化目标
对滚齿机床加工系统进行节能优化，考虑静态性能，避免机床变形过大从而影响加工精度，选择机床能耗E与刀位点位移δ作为优化目标；
(2)初始变量
通过权利要求2的数控滚齿机床机械加工系统能耗模型分析，考虑其他零部件装配关系约束难以优化与优化空间问题，以刀架托板与电机作为优化对象，选择主电机额定功率PN1、峰值功率Pmax1、额定速度nN1与伺服电机额定功率PN2、峰值功率Pmax2、额定速度nN2与刀架壳体结构参数xi(i＝1～5)为优化变量；
(3)代理模型建立
本发明选取响应面模型来构建刀架托板质量Mt的代理模型，选取径向基神经网络模型来建立刀位点位移δ的代理模型；
(4)约束条件
1)切削功率
Figure FDA0003035450210000021
其中，ηm为主电机在运行过程中的电机效率，m为滚刀法向模数；Z为工件齿数；ap为吃刀深度；fz为滚刀轴向进给量；vc为切削速度，vc＝πdhngm/1000，ngm为滚刀转速；dh为滚刀外径；K1为工件材料修正系数；K2为工件硬度修正系数；K3为工件螺旋角修正系数；
2)电机加速功率
PSA＝PSR+Js *α*ω*≤PN
式中，PSA为电机加速功率；PSR为电机轴旋转功率，和电机轴转速为一次线性关系PSR＝f(n)；Js *为传动系统等效到电机轴的转动惯量；α*为电机角加速度；ω*为电机角速度；
Figure FDA0003035450210000031
Figure FDA0003035450210000032
其中，fBA为变频器的基本频率；p为电机磁极对数；tA为变频器的加速时间，n*为电机加速前的初始转速；t为旋转加速持续时间；
3)机床频率
f1≤[f1]
式中，[f1]为机床固有频率。
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