[发明专利]基于时变可靠性的数控机床主轴多学科设计优化方法

说明书

技术领域

本发明属于机械产品的可靠性优化设计技术领域，尤其涉及一种基于时变可靠性的数控机床主轴多学科设计优化方法。

背景技术

近年来我国装备制造业水平大幅度提升，大型成套装备能基本满足国民经济建设的需要，但高性能的基础零部件和元器件却跟不上主机发展的需求，已经成为制约工业发展的瓶颈。我国数控机床所需要的高档功能部件70％依赖于进口。其中国内生产的数控机床的主轴仅仅只能满足中低档的需求，而且在产品的可靠性方面与国外存在着较大差距。提高产品的性能特别是产品的可靠性显得尤其重要。

数控机床主轴是数控机床的核心部件，其功能是带动刀具(砂轮)旋转，直接参与高速精密的切削加工。主轴对机床的加工精度，表面质量和生产率影响很大。随着现代工业对机床加工精度和加工效率要求的不断提高，机床对主轴性能的要求也更高：宽转速范围、高精度、高刚度、振动小、变形小、噪声低，而且要求具有良好的抵抗受迫振动和自激振动的能力，也就是要求产品的高可靠性。而国内的整机平均工作时间往往在300小时以下，相比于国外的800小时以上差距比较大。鉴于主轴是高速旋转工作，主轴的磨损以及疲劳强度的降低是影响产品可靠性的特别重要的因素，而磨损和疲劳强度降低这一类的失效为耗损型失效，属于时变可靠性的研究范畴。

产品的可靠性基于时间的关系大致可以分为两类，和时间有关的称为时变可靠性，和时间无关的称为时不变可靠性，其中时不变可靠性国内外已经有大量的研究，时变可靠性在机械工程领域才刚刚起步。对于机械产品来说，由于自身材料性能、所处环境情况、使用时间、载荷应变等时变不确定性因素的影响，产品性能一般会随使用时间的增加而出现逐渐减弱的趋势，这一逐渐减弱的趋势是一个动态时变过程。在该时间区域内，研究的是工程系统或产品在任意时刻如果大于所允许的界限就会失效。换言之就是主轴出现振动的幅度偏大必然会影响所加工产品的质量，极有可能产品会报废。要提高整机的工作的可靠性，需要使主轴设计工作时间内任意的时刻的可靠度都必须大于所要求的可靠度。目前在单学科分析条件下处理时变不确定性的可靠性方法已经有了一定的进展，但是在整个生命周期内由于时变不确定性因素本身的特点(表现形式丰富，相互关联、小样本、动态可变)，如何提取时变不确定因素的有效特征，正确量化时变不确定因素，并降低对性能函数的影响是研究时变不确定性要解决的核心问题。

数控机床的主轴轴系结构比较复杂，同时考虑到刀具、刀柄和轴承对主轴的静、动态性能的影响，对于主轴的各种参数进行设计是一个相当复杂的过程，现代的设计方法对于这些复杂产品功能进行设计时，为了有效缩短设计周期，减少设计成本以及最大程度的获得全局最优化设计，越来越偏向于选择MDO(Multidisciplinary Design Optimization，简称MDO)。

由于数控机床主轴高精密性等特点，单一的对其结构、强度、功能的设计无法满足现代工业对于产品高可靠性的要求，加上机床主轴的工作特性，随着时间的改变，会有磨损或疲劳等对于产品的时变可靠性产生影响。

发明内容

本发明的发明目的是：为了解决现有技术中传统设计方法无法满足现代工业对于产品高可靠性的要求等问题，本发明提出了一种基于时变可靠性的数控机床主轴多学科设计优化方法。

本发明的技术方案是：一种基于时变可靠性的数控机床主轴多学科设计优化方法，包括以下步骤：

A、将数控机床主轴结构进行分解，建立数控机床主轴的多学科优化设计模型，得到数控机床主轴的初始设计变量值；

B、根据数控机床主轴各设计变量与时间的关系，建立数控机床主轴的时变可靠性模型；

C、将步骤A中得到的初始设计变量值代入步骤B中建立的数控机床主轴时变可靠性模型中计算该设计变量条件下的可靠度，判断该可靠度是否满足时变可靠性要求；若该可靠度满足时变可靠性要求，则操作结束；若该可靠性不满足时变可靠性要求，则返回步骤A。

进一步地，所述步骤A中将数控机床主轴结构进行分解，具体为：将数控机床主轴的初始结构分为静、动两个子系统；其中，静子系统为主轴的自重优化函数，动子系统为主轴的刚度优化函数。

进一步地，所述步骤A建立数控机床主轴的多学科优化设计模型的数学模型具体为：

x＝[D,d,l,a]

s.t.g(x)≥0

h(x)＝0