外文翻译 机床几种形式的优化设计和介观尺度分析

微型立式数控铣床结构设计- 0 -微型立式数控铣床结构设计- 1 -附录 A：外文翻译机床几种形式的优化设计和介观尺度分析Hyung Wook Park·Young Bin Park·Steven Y.Liang摘要：因为技术优势和经济优势普通机床产品正朝着微型化的方向发展。除此之外，微小型机床的响应时间短，因此今后这个方向的发展需要一种系统化的设计方案来减少早期设计的主观性。本论文分析了微型数控铣床结构的优化设计策略，基于个体的重要参数运用集成建模设计方法，例如体积误差和机床的工作空间，以及静态、温度和动刚度。这种综合分析方法的发展是基于分析方法和验证性实验的研究。基于数学模型的计算是建立微型铣削机的函数，从而来确定机床的最佳结构，本文还讨论了加权因素的敏感性分析，确定哪些因素是最有效最优方案，本研究有助于研发更可靠的中尺度机床。关键词：优化设计、中尺度机床、优化结构、静/动刚度、体积误差。1 简介微型机构和部件的需求推动了早期微细加工工业和学术环境的发展。与其他制造相比机械加工技术仍然还是一个年轻的研究领域，然而在未来的二三十年激烈的市场竞争中，它必将成为企业生存和发展的关键因素。因此，为了满足日益苛刻的要求，对创新设计概念、程序及机器配置需要有更高的期望。传统机床的小型化机床可以满足先进制造技术，对这方面的工作理论和定量分析是一种重要的研究方法。微型机床原型的发展是由固有的技术优势和经济优势所激发的。这个领域大部分的研究工作都集中在开发合适的微型机床及与其相对应的微小型部件。这些微型机床有能力生产微型部件。但是目前对微型机床设计的研究是不够的，因此，欠缺的设计知识和经验需要在这些微型系统研发中逐渐积累起来。系统优化的微型机床是不成功的，尽管经过一些尝试。进入该系统的设计研究才可以为这类系统的进一步发展铺平道路。在 Mishima et al 早期的研究，对于微型化机床的设计，给出了微型机床一个设计评价方法，这种方法是用田口试验方法判断局部成分的错误，来体现机械结构的运动性能。Chen et al 开发了一种虚拟机床的集成设计，其中运动功能是被嵌入在组件中进行描述的。微型机床结构分析的结果很像是传统机床结构的延续。在这些研究中各种机械的空间误差被用来作为标准来估算微型机床合适的结构。Lee et al 在最近的研究中检查了中尺度机床动态的特征，审查了动态特征的影响大小，通过试验数值进行模拟，结果表明，部件的动态性能在确定整机的动态特性是重要的因素，Huo et al 还研究了集成设计方法来处理 MMT微型立式数控铣床结构设计- 2 -的动态性能并把它应用到卧式微型铣床的结构优化设计中。然而在这一领域的进一步发展需要一种系统设计方案来减少早期阶段的主观思想。所有主要部件的概念设计阶段对于传统和微型机床是非常重要的。这一阶段决定了传统和微型机床的基本特征和功能。对于微型机床，这个阶段的设计越来越重要，因为部件对目标产品所呈现的比值大小远远低于传统机床，微型化机床概念设计必须综合分析可能的显著因素，如静态、动态和热刚度，以及机器精度和工作空间大小。本研究的方法是开发一个理论模型进行试验，对微型机床的设计参数进行分析，附加锤冲击试验的研究，三种不同的机床大小被用来识别变化的设计参数，第一阶固有频率和阻尼比进行了实验测定，建立了连接件的动态性能。微型化铣床动态性能的理论模型，为小型设备在最优尺寸的设计阶段提供依据。该设计模型如 Fig.1 所示，是用来获得微型铣床的最优尺寸。Fig.1 设计策略下面部分是在静态、温度和动刚度方面评估微型机床的结构性能，是为不同规格机器计算其体积误差和机床工作的空间大小，从而研制成多学科优化设计的微型机床。2 结构性能评估机床结构是由固定部件和移动部件组成，机械结构设计是一项重要的步骤，它需要考虑很多方面，因为结构包含很多组件，例如锭子和定位台是组合一体的。这是具有挑战性的，因为具有许多不确定因素，例如误差导致的几何变形、热变形误差，负荷的变化，影响机器最终的运转，一些关键因素，如静、动态刚度、热量、精度和工作强度，必须在概念设计阶段考虑，以提供更好的性能和质量。微型立式数控铣床结构设计- 3 -Fig.2 a 简化的计算模型，b 机械结构的静刚度2.1 静刚度评估在机器操作时微型机床外部力量，产生了机械结构的挠曲变形，这个变形影响加工精度，在此研究中，复杂的、小型的机床简化为悬臂梁，承受负荷和弯矩，如 Fig2a 所示。这个概念模型包括一个相联系的计算模型。导致连接处的能量损失，假设 F1，F2 平衡，微型机床的静刚度可以表示为Ab 和 Bb 是机器的尺度，C loss 是时间损失，E 是弹性模量，I 是惯性转矩，微型机床静刚度的计算如 Fig.2b 所示，Fig.2b 所示，机器中心降低，静态刚度的增加是由于悬臂长度的缩短。静态刚度也很大程度上决定于部件强度。Fig.3 a温度变化。b 微型铣床热刚度变化2.2 热刚度评估如果环境温度不变化，主要的温度来源就是微型机床的高速运转，微型铣床的温度变化如 Fig.3a 所示，大约是 10 度。主轴连接到 B 处，所以热刚度的变化可由下面的函数表示，微型立式数控铣床结构设计- 4 -t是热膨胀系数，本研究中所用的原材料是 36 合金钢，膨胀系数是 1.2×10-6/，Fig.3b 显示主轴悬垂长度的热刚度变化，计算 Eq2 表明，因为质量的下降，减小机床的尺寸它的热膨胀度就减小来回应环境温度，机器尺寸比值降低热刚度接近值 1.因此，结果表明，一个较小的机床尺寸可以使机床性能改善，敏感度变强。Fig.4 a 机器配置零件。b 自由度集中参数模型2.3 动态特性评估主轴的高速旋转可引起微型化机床严重的振动，影响加工精度，降低加工的质量。计算结构的动态特性对于确保机床平稳运转、刀具与工件适当的相对位移是很必要的。机床动态性能的两个一般表征方法是几种参数法和有限元分析模块。对于测量各种机床的规格一个及总模型是优先的远比有限元模型简单的多。在一个集中参数模型，这个卫星机床是假设有组件装备而成的，模拟成弹簧和阻尼器。在这项研究中，虽然微型化机床是由许多元件组成，如 Fig.4 所示模型，它是假设一个三自由度系统为目的的，在这个模型中，机器主要的组成部件在图表中显示出来。多自由度系统的运动要考虑阻尼系数，如下方程所示M是质量矩阵，C是组逆矩阵，K 是刚度矩阵 .假设位移函数是谐波，阻抗矩阵带入上式得G(W)是阻抗矩阵， w 是频率。一个典型解决这一类型方程的方法是模态叠加，该系统的固有频率就可以用这种方法计算。在设计阶段，组逆矩阵不是简单明了，这是因为很那呈现一定的价值，在这种情况下，采用克劳夫的 Rayleigh 阻尼理论和 Penzien 阻尼矩微型立式数控铣床结构设计- 5 -阵，都假设成是成正比的质量矩阵和刚度矩阵。标准的 Rayleigh 模型是由下试表示，R与 R 分别是质量与刚度系数，基于这一理论，阻尼系数模式可以表示为 i 是阻尼比的频率 ni 是角频率，然而这个模型需要确定弹簧参数和系数，因此，分析计算一种符合参数模型也必须用实验的方法，如锤冲击试验。