超精密机床弹性微进给装置设计方法研究.pdf

2 0 1 3年 2月 第4 l 卷 第4期 机床与液压 MAC HI NE TOOL HYDRAUL I CS F e b ． 2 0l 3 Vo 1 ． 41 No ． 4 D OI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 3 ． 0 4 ． 0 0 7 超精密机床弹性微进给装置设计方法研究 张 国智 新 乡学院机 电工程学院，河南新 乡4 5 3 0 0 0 摘要研究超精密机床弹性微进给装置一体化设计方法，提出了基于拓扑优化设计、参数优化设计、可靠性分析的一 体化设计方法，并对超精密机床弹性进给装置进行了拓扑优化设计和参数优化设计 ；基于可靠性分析方法，研究了材料及 几何尺寸的随机性对进给装置输出位移的影响规律，为超精密机床弹性进给装置的设计及性能分析提供了方法和依据。 关键词 弹性微进给装置；一体化设计；拓扑优化设计；参数优化设计 ；可靠性分析 中图分 类号 T H1 2 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 3 4 0 2 4 4 St u dy o n De s i g n M e t h o d f o r El a s t i c M i c r o- f e e d i ng De v i c e o f Ul t r a - pr e c i s i o n M a c hi ne To o l ZHANG Gu o z h i Me c h a n i c a l a n d E l e c t r i c a l E n g i n e e r i n g C o l l e g e ，X i n x i a n g U n i v e r s i t y ，X i n x i a n g H e n a n 4 5 3 0 0 0，C h i n a Ab s t r a c t T h e i n t e g r a t e d d e s i g n me t h o d f o r e l a s t i c mi c r o f e e d i n g d e v i c e o f u l t r a p r e c i s i o n ma c h i n e t o o l w a s s t u d i e d ． B a s e d o n t o p o l o g y o p t i mi z a t i o n，pa r a me t e r o p t i mi z a t i o n d e s i g n a nd r e l i a b i l i t y a n a l y s i s，a n i nt e gra t e d de s i g n me t ho d for t h e d e v i c e wa s pr o po s e d． T h e t o p o l o g y o p t i mi z a t i o n d e s i g n a n d p a r a me t e r o p t i mi z a t i o n d e s i g n w e r e d o n e ． Mo r e o v e r ， b a s e d o n r e l i a b i l i t y a n a l y s i s me t h o d s ，t h e i n fl u e n c e o f t h e r a n d o mn e s s o f t h e ma t e r i a l s p a r a me t e r s a n d g e o me t r i c d i me n s i o n s t o i t s o u t p u t d i s p l a c e me n t wa s s t u d i e d ． T h e r e s e a r c h p r o v i de s me t h o d a nd ba s i s for d es i g n a nd pe r f o r ma n c e a n a l y s i s o f t he e l a s t i c mi c r o f e e d i n g d e v i c e o f u l t r a p r e c i s i o n ma c h i n e t o o 1 ． Ke y wo r d sE l a s t i c mi c r o f e e d i n g d e v i c e ； I n t e gra t e d d e s i g n；T o p o l o gy o p t i mi z a t i o n；P a r a me t e r o p t i mi z a t i o n d e s i g n； R e l i a b i l i t y a na l y s i s 随着计算机技术的飞速发展 ，各种工程软件也得 到广泛应用。一个项 目的完成 ，往往需要借助多个软 件或模块 ，形成完整的系统开发过程 ⋯。 目前 ，通过 计算机仿真技术 ，实现对新开发产 品的高效 的一体化 设计 ，包括拓扑优化设计 、参数化优化设计 、可靠性 分析，并有效地结合有限元法- z 等虚拟仿真技术 ， 可改变主要依靠经验根据安全系数的传统设计方法， 避免造成结构材料的冗余或不足，减少资源浪费或强 度不足发生断裂等故障的发生 。 ，但在具体机械领 域 中研究与应用 尚不系统深入 。 弹性微进给装置是超精密机床的重要装置 ，直接 影 响到超精密机床加工精度及 表面加 工质量 ，弹性微 进给 装 置 具 有 工 作 稳 定 可 靠 、精 度 重 复性 好 的 特 点 。该装置的优化、可靠设计，可进一步提高其工 作性能及工作的可靠性，目前，关于这方面的研究尚 不深入 。作者结合有 限元仿 真方法 、拓 扑优化设 计 、 参数优化设计、可靠性分析方法等现代设计方 法， 研究 基于 以上 的超精 密机床 的弹性微 进 给装 置 的一 体化设计方法 ，从而找到最佳 的优化、可靠的设计 方 案。 1 基于仿真技术的弹性微进给装置设计方案 基于有限元仿 真手段 ，结合拓扑优化设计 、参数 优化设计、可靠性分析等现代设计方法 ，对超精密机 床的弹性微进给装置进行一体化设计 ，从而达到了装 置 的优化设 计 ，并 且有 效地 保证 了该装 置 的工作 性 能。具体的设计方案如图 1 所示。 图1 弹性微进给装置仿真设计方案 2 弹性微进给装置基本结构及工作原理 弹性微进给装置是通过结构的弹性变形量来 实现 微进给的 ，其结构原理如图 2 a 所示 ，力学简 图如图 2 b 所示 。 收稿 日期 2 0 1 2 0 2 0 3 基金项 目河南省教育厅 自然科 学研究计划项 目 2 0 1 1 C 4 6 0 0 0 2 作者简介张国智 1 9 7 8 一 ，男 ，博士，副教授 ，研究方向为材料加工、可靠性及有限元仿真。E 1 2 6． c o n。 第 4期 张国智 超精密机床弹性微进给装置设计方法研究 2 5 1 一驱动 螺钉 2 、3 一T形弹簧 4 一微位移刀架 a 装置原理简图 b 装置力学模型图 图 2 弹性微进给装置原理简 图 3弹性微进给装置优化设计及可靠性分析 3 ． 1 整体结构的拓扑优化设计 a 拓扑优化初始的有限元模型图 b 拓扑优化结果图 图 3 拓扑优化 的有 限元模 型及分 析结果 为了确定弹性微进给装置 的设计结构 ，进行初步 的拓扑优化 分析，其拓扑优 化 的有 限元模 型如 图 3 a 所示 ，经过 3 9次迭代 ，初步的拓扑优化结果 如图3 b 所示。从计算结果可知上部刚度对整 体结构的刚度影响较大 ，下部刚度对整体结构的刚度 影响较小。因而 ，在提高整体结构刚度的前提下，整 体结构 的上部 刚度应设计大一些 。 3 ． 2 整体结构的参数优化设计 在弹性微进给装置拓扑优化的基础上 ，对其进行 具体结构的参数优化。在优化计算中，所用的参数及 符号如表 1 所示 ，设计 目标为装置的总体积 ，所选用 的优化算法为子问题优化算法，最大迭代次数设为 8 0次 ，在 2 8次收敛 ，最后优化 结果 如表 2所示 ，优 化后 最大应力为 2 8 8 ． 0 6 M P a ，小于许用应力 。 表 1 优化设计参数 m m 表 2 优化计算 结果 基于图2 b 的力学模型 ，建立了其有限元模 型 ，如 图 4 a 所示 ，施加 的最 大驱 动力 F1 0 0 0 N，要求 输 出端 E的位移 在 0 ． 0 2～0 ． 0 2 3 m m 内，优 化后的有限元模型如图 4 b 所示 ，迭代计算曲线 第 4期 张国智 超精密机床弹性微进给装置设计方法研究 2 7 从 图 8 中可 知 ，输 出 端 的 位 移 变 化 范 围 为 0 ． 0 1 2～ 0 ． 0 4 2 m m 。从图 9中可知 ，输 出端位移 9 5 ％ 大于 0 ． 0 2 0 F i l m。从分 析 中可知 要 保证 装 置 的工 作 可靠性，应严格控制弹簧的设计参数及材料参数 ，尤 其是弹簧的长度 。 4 结 论 针对超精密机床弹性微进给装置 ，首先提出了基 于拓扑优化设计、参数优化设计、可靠性分析的一体 化设计方法，建立了其有限元模型 ，并对该装置进行 了拓扑优化设计和参数优化设计 ，找到 了该装 置的最 佳设计方案；其次，基于概率有限元法中的蒙特卡罗 法，研究了主要材料参数及所有的尺寸参数的随机性 对该 装置输 出端 的位 移 的影 响规 律。通过 分析 可知 该装置输出端的位移对下部弹簧长度、上部弹簧长度 最敏感，而对泊松 比最不敏感；并且 ，当各参数有 5 ％正 态 随 机 波 动 时 ，输 出 端 的 位 移 变 化 范 围 为 0 ． 0 1 2～ 0 ． 0 4 2 m m，要保证装置的工作可靠性 ，应严 格控制弹簧的长度设计参数。文中的研究为超精密机 床的弹性进给装置的设计及性能分析提供了新方法和 工程设计依据 。 参考文献 【 1 】钱锋， 张治． 汽车零部件计算机模拟疲劳试验研究[ J ] ． 学术论坛， 2 0 0 2 4 1 51 7 ． 【 2 】马建斌 ， 李淑娟． 基于 A N S Y S ／ L S D Y N A的奥氏体不锈 钢切削模拟[ J ] ． 机床与液压， 2 0 1 0 ， 3 8 2 1 1 2 01 2 3 ． 【 3 】曾攀． 有限元分析及应用 [ M] ． 北京 清华大学出版社 ， 2 0 0 4 13 ． 【 4 】赵丽滨， 张建宇， 高晨光 ， 等． 基于结构可靠性的姿控／ 储 能飞轮转子设计方法研究[ J ] ． 宇航学报， 2 0 0 6， 2 7 5 9 4 29 46． 【 5 】M O O N B y u n g - Y o u n g ， K A N G G y u n g J U ， K A N G B e o m - S o o ． Dy n a mi c a n d Re l i a b i l i t y An a l y s i s o f S t o c h a s t i c S t r u c t u r e S ys t e m U s i n g P r o b a b i l i s t i c F i n i t e E l e m e n t Me t h o d 『 J ] ． S t r u c t u r a l E n g i n e e r i n g and M e c h a n i c s ， 2 O 0 4 ， 1 8 1 1 2 51 3 5 ． 【 6 】张建华， 盖玉先 ， 刘军营， 等． 精密与特种加工技术[ M ] ． 北京 机械工业 出版社 ， 2 0 0 9 ． ． - “ ‘ ” ” 、“ ’ ’ ” “ ’ “ “ “ ’ 、 “ 、” “ “ ’ “ “ ’‘ “ “ ” “ ‘ ’ ’ ” ‘ 、 “ 、“ ” “ “ “ “ “ “ “ “ “ ” 欢迎投稿 汽车零部件杂志关注科研动态，解读市场走向 _ ． 汽车零部件 A U T O M O B I L E P A R T S 是由国家科技部主管，中国科学技术信息研究所、中国汽车零部件工业公司主办，机械 工业 汽车零部件产 品质量监督检测 中心 广州 承办的以汽车零部件产品资讯及技术发展为 内容的技术性科技期 刊。 ‘j 汽车零部件2 0 0 6 年 1 月起试刊 内部交流 ， 2 0 0 8 年 1 月正式创刊， 2 0 0 9年 1 月改成月刊，每月 2 8 号出版，大 1 6开，精美 全彩 色印刷 ，国内统一刊号 C N 1 l 6 6 1 ／ T H，面向全国公开发行 。 ～一 一一～ ～一一 一一一一一 一一一一一一 一 一 ～ 一一 一～一一一一一一 一一～一～昵～一一～～一一一一一一一一