高精度数控内圆磨床开发设计中的关键技术研究＂

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1、第!"卷第#期兵工学报./01!",/1#!$$%年!月&’(&&)*&*+,(&)--2341!$$%!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!高精度数控内圆磨床开发设计中的关键技术研究"胡如夫孙庆鸿陈南陈新毛海军（东南大学机械系，江苏南京，!#$$56）摘要结构动力学优化设计是提高机床加工精度的有效途径。本文分析了高精度数控内圆磨床开发设计中的几项关键技术：部件结构动力学优化的灵敏度分析、结合面动力学模型修正、主轴系统模型修正与优化的78神经网络、分布频率的多重调谐阻尼器

2、（*(*9）抑制振动。利用上述技术开发的*:!#!$&新型数控内圆磨床内孔磨削圆度已达$;$$$<=$1$$##>>，圆柱度$1$$#?>>，粗糙度!"$1#!>，消除了表面的磨削振纹，而且整机重量比原磨床有大幅下降。这些技术对相关机床动力学优化设计也具有普遍的指导意义。关键词机械设计；内圆磨床；动力学优化设计；灵敏度分析；结合面修正；78神经网络；多重调谐阻尼器中图分类号(@##!机床动力学优化设计是一项复杂的系统工程，改进方案，寻求实现部件动力学优化设计的途径。它是改善机床动态特性和提高机床加工精度的关现以工作台为例说明［#］。为提高结构前几阶键。由于机

3、床结构的复杂性，在实施优化过程中要固有频率，降低振幅，通过改变工作台结构内部筋板考虑的因素是多方面的，所以，要真正实现设计参数布局进行方案优选。筋板布局形式可以多种多样，优化是很困难的，通常多采用方案优选的方法进行这里取典型的井字型筋板结构与原米字型进行对比优化。近年来，随着机床振动和结构分析理论的发说明。展，先进的动态测试手段和分析技术的不断出现，先图#1#中，（"）、（#）、（$）列出原型工作台米字进’&9、’&+软件的应用以及对机床切削自振理论型筋板布局的有限元模型和前二阶振型，其中第一研究的逐步深入，已基本能解决机床在工作中由于阶弯曲振型频率%E5!

4、1<@F，第二阶扭转振型频率动态力的作用而产生的各种问题，能够应用动力学%E#G!1%@F；（&）、（’）、（%）列出了改进后工作台井模型对机床进行详尽、系统的分析，使机床在设计阶字型筋板布局的有限元模型和前二阶振型，其中第段就能够较好地完成结构的动力学优化设计。本文一阶弯曲振型频率%E#!61<@F，第二阶扭转振型频以数控高精度内圆磨床为例，分析其在整机动力学率%E#651<@F1动态分析结果表明，井字型筋板工优化设计中的若干关键技术，对同类机床设计具有作台的第一模态频率比原桥板提高%6;6H，而第二指导意义。模态频率没有太大变化。这对于主要承受弯曲变形的

5、工作台而言，显然采用井字型筋板布局对提高整!部件结构的动态优化设计体结构的动刚度更有利。为获得合理的筋板的尺寸部件优化是整机优化的基础，总体目标是减轻参数，可采用灵敏度分析法确定。重量、提高前几阶固有频率、降低振幅。利用&,A图#;!为工作台筋板布局参数示意图。其中BCB有限元分析软件建立机床主要部件的有限元模(#)(G为筋板的布局尺寸，(<为筋板的厚度。对结型，通过动态特性分析，找出其结构上的缺陷，提出构固有频率的灵敏度分析得到的结果［#］可知，(#)!$$#年#!月收稿，!$$!年5月定稿。"江苏省九五重大科技攻关资助项目（7D5<$$6A!）E=兵工学

6、报第9@卷于其各装配结合面的特性。因此，结合面动力学特性和建模方法的研究，对于机床结构的动力学优化设计起着极其重要的作用。对机床整机进行有限元建模时，一般可取前几阶试验模态频率与有限元模型理论计算的固有频率均方差最小为目标函数来修正动力学模型。该方法的优点是不必借助质量矩阵［!］及刚度矩阵［"］，通过试验就可直接修正有关系数，使结合面的动力学建模和模型修正更方便，这里以磨床桥板和滑板螺栓结合面为例说明优化步骤［>］。（!）选择结合面接触单元的法向接触刚度"#、-图!"!不同筋板布局的工作台结构的有#切向接触刚度"2和弹簧—阻尼单元的三个自由度限元模型及其第一

7、、二阶振型示意图#$%"!"!#&’()*+,-).(’*/$01,2$-%’()*+.(3上的连接刚度"$、"%、"&和阻尼’$、’%、’&作为设计变4(152,0+*.2167261*.4$28)$33*1*-2.21*-%28*-$-%0,1.量，设为$()（9）以结合件有限元理论模型与其试验结果的相对误差（*$）最小为优化的目标函数，取前三阶固有频率为状态变量。（>）优化算法’$-*+（*$）图!"9工作台结构设计参数示意图."2""(’$-（$）!"（($）!"(’,?（$）#$%"!"9:5*278.8(4$-%4(152,0+*.2167261

8、*;,1,’*2*1.用混合罚函数法将其转化为无量纲