[发明专利]一种基于粒子群算法的双面锁紧刀柄‑主轴系统结合部刚度特性优化方法

说明书

技术领域

本发明属于刀柄-主轴系统动态特性分析领域，涉及一种基于粒子群算法的双面锁紧刀柄-主轴系统结合部刚度特性优化方法，更具体是一种以结合部扭转与径向刚度为优化目标，以刀柄-主轴结构工艺参数及结合面分形参数为优化变量的基于粒子群算法的优化方法。

背景技术

对于高速加工中心，主轴-刀柄系统是影响机床加工精度的重要部件，而高转速条件下系统结合部接触刚度是改善系统动态性能的重要优化目标。双面锁紧刀柄是由刀柄本体、碟簧、锥套三部分组成，通过施加拉刀力与主轴紧密联接在一起，在高转速条件下碟簧可以自动推动锥套调整其外锥面与主轴内锥面间，及刀柄端面与主轴端面间的压力分布，始终保持双结合面的紧密贴合，从而改善整体动态性能。其中在转速高于一定高转速时锥形结合面仍然会发生大端局部分离，从而降低结合部刚度，影响系统动态性能。因此高转速条件下的结合部刚度特性分析十分必要。在高转速条件下各结构工艺参数，如拉刀力、碟簧刚度及碟簧预紧力，以及结合面分形参数，分形维数与分形粗糙度参数，均会影响结合部接触刚度。分形理论与仿真相结合的结合部刚度预估方法不仅避免了实验辨识过程中噪声干扰作用对刚度预估造成的误差，而且尤其可以实现高转速条件下结合部刚度特性的分析研究。分形理论是一种分析结合面的有效建模方法，该方法中结合面表征参数具有尺度独立性、不受仪器分辨率和取样长度影响等优势，被广泛的用于预估结合面接触刚度阻尼等接触参数。本发明中所考虑的优化模型属于一个6变量2目标的优化问题，所采用的粒子群优化(PSO)算法是由Kennedy和Eberhart等人提出的一种演化计算方法。PSO是一定数量的粒子在解空间内通过追随最优粒子进行搜索，相对遗传算法，具有易实现、且算法本身参数少等优势。该方法可用于解决目前双面锁紧刀柄在高转速条件下的优化问题，对刀柄-主轴系统的实际加工与应用具有一定的指导作用。

发明内容

本发明旨在提供一种基于粒子群算法的双面锁紧刀柄-主轴系统结合部刚度特性优化方法。该方法的主要特点是采用结合三维分形微观接触刚度建模理论与有限元静力分析的方法，计算高转速条件下的双面锁紧刀柄-主轴系统结合部扭转与径向刚度，并基于粒子群优化算法在Isight软件平台上实现刀柄-主轴系统的优化过程。

本发明是采用以下技术手段实现的：

1、首先建立三维分形接触法向与切向刚度模型，并编写MATLAB程序。双面锁紧刀柄-主轴系统结合部扭转与径向刚度模型，并编写MATLAB程序。

2、建立双面锁紧刀柄-主轴系统结构三维几何模型，建立接触对并进行静力分析，编写APDL文件。

3、在Isight软件中创建包含ANSYS模块与MATLAB模块，并分别读取APDL程序(用于对结构进行建模并做静力分析)和.m文件(用于计算结合面刚度)，并设置相应的输入与输出映射。

4、在优化模块中设置优化算法、不等式约束和目标函数。

5、运行优化模块进行迭代计算。

本发明的特点是采用结合三维分形微观接触刚度建模理论与有限元静力分析的方法，计算高转速条件(25000r/min)下的双面锁紧刀柄-主轴系统结合部扭转与径向刚度，并基于粒子群优化算法在Isight软件平台上实现刀柄-主轴系统的优化过程。

附图说明

图1结合部扭转与径向刚度示意图；

图2 Isight迭代计算流程；

图3 PSO算法计算流程；

具体实施方式

以下结合附图1-3对本发明作进一步详细说明。

步骤(1)建立三维法向及切向刚度模型，并编写MATLAB程序；建立双面锁紧刀柄-主轴系统结合部扭转与径向刚度模型，并编写MATLAB程序。

基于M-B分形理论，结合赫兹理论，同时考虑弹塑性变形和域拓展因子ψ，通过对处于不同变形区域的单个微凸体法向载荷进行积分可得到总弹性法向载荷、弹塑性法向载荷及总塑性法向载荷分别如下：

其中H_G1,H_G2均为与材料属性及结合面分形参数相关的系数，

H为较软材料的硬度，H＝2.8Y(Y为屈服强度值)；k为与泊松比相关的参数，k＝0.454+0.41ν；a′_1c,a′_2c分别为弹性、弹塑性及塑性变形间临界横截面积。