本發(fā)明屬于刀柄-主軸系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性分析領(lǐng)域，涉及一種基于粒子群算法的雙面鎖緊刀柄-主軸系統(tǒng)結(jié)合部剛度特性優(yōu)化方法，更具體是一種以結(jié)合部扭轉(zhuǎn)與徑向剛度為優(yōu)化目標(biāo)，以刀柄-主軸結(jié)構(gòu)工藝參數(shù)及結(jié)合面分形參數(shù)為優(yōu)化變量的基于粒子群算法的優(yōu)化方法。

背景技術(shù)：

對(duì)于高速加工中心，主軸-刀柄系統(tǒng)是影響機(jī)床加工精度的重要部件，而高轉(zhuǎn)速條件下系統(tǒng)結(jié)合部接觸剛度是改善系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能的重要優(yōu)化目標(biāo)。雙面鎖緊刀柄是由刀柄本體、碟簧、錐套三部分組成，通過施加拉刀力與主軸緊密聯(lián)接在一起，在高轉(zhuǎn)速條件下碟簧可以自動(dòng)推動(dòng)錐套調(diào)整其外錐面與主軸內(nèi)錐面間，及刀柄端面與主軸端面間的壓力分布，始終保持雙結(jié)合面的緊密貼合，從而改善整體動(dòng)態(tài)性能。其中在轉(zhuǎn)速高于一定高轉(zhuǎn)速時(shí)錐形結(jié)合面仍然會(huì)發(fā)生大端局部分離，從而降低結(jié)合部剛度，影響系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能。因此高轉(zhuǎn)速條件下的結(jié)合部剛度特性分析十分必要。在高轉(zhuǎn)速條件下各結(jié)構(gòu)工藝參數(shù)，如拉刀力、碟簧剛度及碟簧預(yù)緊力，以及結(jié)合面分形參數(shù)，分形維數(shù)與分形粗糙度參數(shù)，均會(huì)影響結(jié)合部接觸剛度。分形理論與仿真相結(jié)合的結(jié)合部剛度預(yù)估方法不僅避免了實(shí)驗(yàn)辨識(shí)過程中噪聲干擾作用對(duì)剛度預(yù)估造成的誤差，而且尤其可以實(shí)現(xiàn)高轉(zhuǎn)速條件下結(jié)合部剛度特性的分析研究。分形理論是一種分析結(jié)合面的有效建模方法，該方法中結(jié)合面表征參數(shù)具有尺度獨(dú)立性、不受儀器分辨率和取樣長度影響等優(yōu)勢，被廣泛的用于預(yù)估結(jié)合面接觸剛度阻尼等接觸參數(shù)。本發(fā)明中所考慮的優(yōu)化模型屬于一個(gè)6變量2目標(biāo)的優(yōu)化問題，所采用的粒子群優(yōu)化(PSO)算法是由Kennedy和Eberhart等人提出的一種演化計(jì)算方法。PSO是一定數(shù)量的粒子在解空間內(nèi)通過追隨最優(yōu)粒子進(jìn)行搜索，相對(duì)遺傳算法，具有易實(shí)現(xiàn)、且算法本身參數(shù)少等優(yōu)勢。該方法可用于解決目前雙面鎖緊刀柄在高轉(zhuǎn)速條件下的優(yōu)化問題，對(duì)刀柄-主軸系統(tǒng)的實(shí)際加工與應(yīng)用具有一定的指導(dǎo)作用。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明旨在提供一種基于粒子群算法的雙面鎖緊刀柄-主軸系統(tǒng)結(jié)合部剛度特性優(yōu)化方法。該方法的主要特點(diǎn)是采用結(jié)合三維分形微觀接觸剛度建模理論與有限元靜力分析的方法，計(jì)算高轉(zhuǎn)速條件下的雙面鎖緊刀柄-主軸系統(tǒng)結(jié)合部扭轉(zhuǎn)與徑向剛度，并基于粒子群優(yōu)化算法在Isight軟件平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)刀柄-主軸系統(tǒng)的優(yōu)化過程。

本發(fā)明是采用以下技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)的：

1、首先建立三維分形接觸法向與切向剛度模型，并編寫MATLAB程序。雙面鎖緊刀柄-主軸系統(tǒng)結(jié)合部扭轉(zhuǎn)與徑向剛度模型，并編寫MATLAB程序。

2、建立雙面鎖緊刀柄-主軸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)三維幾何模型，建立接觸對(duì)并進(jìn)行靜力分析，編寫APDL文件。

3、在Isight軟件中創(chuàng)建包含ANSYS模塊與MATLAB模塊，并分別讀取APDL程序(用于對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模并做靜力分析)和.m文件(用于計(jì)算結(jié)合面剛度)，并設(shè)置相應(yīng)的輸入與輸出映射。

4、在優(yōu)化模塊中設(shè)置優(yōu)化算法、不等式約束和目標(biāo)函數(shù)。

5、運(yùn)行優(yōu)化模塊進(jìn)行迭代計(jì)算。

本發(fā)明的特點(diǎn)是采用結(jié)合三維分形微觀接觸剛度建模理論與有限元靜力分析的方法，計(jì)算高轉(zhuǎn)速條件(25000r/min)下的雙面鎖緊刀柄-主軸系統(tǒng)結(jié)合部扭轉(zhuǎn)與徑向剛度，并基于粒子群優(yōu)化算法在Isight軟件平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)刀柄-主軸系統(tǒng)的優(yōu)化過程。

附圖說明

圖1結(jié)合部扭轉(zhuǎn)與徑向剛度示意圖；

圖2 Isight迭代計(jì)算流程；

圖3 PSO算法計(jì)算流程；

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖1-3對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。

步驟(1)建立三維法向及切向剛度模型，并編寫MATLAB程序；建立雙面鎖緊刀柄-主軸系統(tǒng)結(jié)合部扭轉(zhuǎn)與徑向剛度模型，并編寫MATLAB程序。

基于M-B分形理論，結(jié)合赫茲理論，同時(shí)考慮彈塑性變形和域拓展因子ψ，通過對(duì)處于不同變形區(qū)域的單個(gè)微凸體法向載荷進(jìn)行積分可得到總彈性法向載荷、彈塑性法向載荷及總塑性法向載荷分別如下：

其中H_G1,H_G2均為與材料屬性及結(jié)合面分形參數(shù)相關(guān)的系數(shù)，

H為較軟材料的硬度，H＝2.8Y(Y為屈服強(qiáng)度值)；k為與泊松比相關(guān)的參數(shù)，k＝0.454+0.41ν；a′_1c,a′_2c分別為彈性、彈塑性及塑性變形間臨界橫截面積。

則結(jié)合面總法向載荷可表示為F＝F_e+F_ep+F_p。

法向剛度建模中，在彈性變形與彈塑性變形區(qū)域法向接觸剛度分別為：

切向剛度建模中，在彈性變形與彈塑性變形區(qū)域切向接觸剛度分別為：

式中G'為結(jié)合部等效剪切模量，1/G'＝(2-ν₁)/G₁+(2-ν₂)/G₂；H₁,H₂通過公式得到。

綜上，結(jié)合面法向與切向總接觸剛度分別為：K_n＝K_ne+K_nep，K_t＝K_te+K_tep。

由于錐形結(jié)合面和端面結(jié)合面均為旋轉(zhuǎn)對(duì)稱面，因此分別建立沿y方向的徑向剛度及繞y軸的扭轉(zhuǎn)剛度模型如下：

式中n_T，n_E分別為錐面接觸面和端面接觸面節(jié)點(diǎn)數(shù)目；分別為錐面結(jié)合面節(jié)點(diǎn)法向剛度和切向剛度；分別為端面結(jié)合面法向剛度與切向剛度；θ為接觸面節(jié)點(diǎn)位置角度；分別為錐面結(jié)合面和端面結(jié)合面節(jié)點(diǎn)與x軸間的距離。

步驟(2)建立雙面鎖緊刀柄-主軸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)三維幾何模型，建立接觸對(duì)并進(jìn)行靜力分析，編寫APDL文件。

在ANSYSY中通過采用TARGE目標(biāo)單元與CONTAC接觸單元建立接觸對(duì)，采用映射方式對(duì)結(jié)構(gòu)劃分網(wǎng)格，對(duì)主軸進(jìn)行軸向固定約束，在刀柄小端施加拉刀力，對(duì)系統(tǒng)整體施加轉(zhuǎn)速約束，進(jìn)行有限元靜力分析。

步驟(3)在Isight軟件中創(chuàng)建包含ANSYS模塊與MATLAB模塊，并分別讀取APDL程序(用于對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模并做靜力分析)和兩個(gè).m文件(用于計(jì)算結(jié)合面剛度)，并設(shè)置相應(yīng)的輸入與輸出映射。

其中在ANSYS中APDL文件輸入變量為各工藝參數(shù)，包括拉刀力、碟簧剛度與碟簧預(yù)緊力，輸出變量為結(jié)合部各節(jié)點(diǎn)壓強(qiáng)值；在MATLAB中.m文件1包括輸入變量有分形維數(shù)D與分形粗糙度參數(shù)G及各節(jié)點(diǎn)壓強(qiáng)值，輸出變量有各節(jié)點(diǎn)結(jié)合面法向與切向剛度；.m文件2輸入變量為.m1文件的輸出變量法向與切向剛度，輸出變量為結(jié)合部扭轉(zhuǎn)與徑向剛度。

步驟(4)在優(yōu)化模塊中設(shè)置優(yōu)化算法、不等式約束和目標(biāo)函數(shù)。

優(yōu)化算法設(shè)置為粒子群優(yōu)化算法；不等式約束包括以下：

8≤Force≤16kN 2.2≤D≤2.45

0.8≤Preforce≤1.5kN 1E-12≤G≤1E-9m

0.8≤Stiff≤2kN/mm 0.7≤Ratio≤1

其中Force,Preforce,Stiff,D,G,Ratio分別表示拉刀力、碟簧預(yù)緊力、碟簧剛度、分形維數(shù)、分形粗糙度參數(shù)及錐形結(jié)合面接觸率，其中接觸率的約束是為了保證刀柄與主軸的聯(lián)接可靠性。目標(biāo)函數(shù)為f＝min[-KRR,-KTT]。

步驟(5)運(yùn)行優(yōu)化模塊進(jìn)行迭代計(jì)算，優(yōu)化結(jié)果如下：

表1優(yōu)化結(jié)果

由優(yōu)化結(jié)果可知，扭轉(zhuǎn)剛度與徑向剛度分別提高了77.2％、11.1％。