[发明专利]一种滚齿机床机械加工系统集成优化设计方法

说明书

本发明提出的一种数控滚齿机床机械加工系统节能优化方法，考虑机床综合静态性能，将刀位点位移与能耗作为目标进行集成优化。建立滚齿机床机械加工系统能耗模型，采用ANSYS Workbench刚柔耦合的方式得到机床刀位点位移数据，然后对比分析RSM、RBF、Kriging代理模型的精度建立刀架托板结构参数与其质量和刀位点位移的准确映射关系，建立了以电机参数、刀架托板结构参数为变量的滚齿机床综合优化函数模型，使用MOPSO算法对模型进行求解并进行实验验证。

技术领域

本发明涉及机床技术领域，具体涉及一种滚齿机床机械加工系统集成优化设计方法。

背景技术

在现代数控加工中，数控滚齿机床机械加工系统结构复杂、能耗大、效率低，数控机床设计仍然停留在依靠人工经验设计的初步阶段。在设计过程中为了保证机床部件的力学性能，提高机床加工精度条件下，所设计的机床部件存在大量材料浪费，造成制造成本增加和能量消耗浪费。现有研究大多考虑数控机床运行过程，针对加工参数进行优化，降低数控机床使用阶段的能源消耗。然而，在设计阶段没有充分考虑数控机床能效因素，设计完成的数控机床运行能耗降低幅度较小，数控机床节能效果十分有限。因此，在机床设计阶段考虑机床能耗因素，进行滚齿机床设计优化是一个亟须解决的基础科学问题。

发明内容

本发明提供一种滚齿机床机械加工系统集成优化设计方法。

为实现本发明目的而采用的技术方案是这样的，即一种滚齿机床机械加工系统集成优化设计方法，包括以下步骤：

步骤1：分析滚齿加工过程能耗特性，建立滚齿机床机械加工系统能耗模型；

步骤2：采用ANSYS Workbench刚柔耦合的方式得到机床刀位点位移数据，建立以电机参数、刀架托板结构参数为变量的滚齿机床综合优化函数模型；

步骤3：以刀位点位移和能耗为优化目标，采用算法对模型进行求解。

优选地，步骤1中的滚齿机床机械加工系统能耗模型为：

(1)主电机能耗

主电机输出功率包括机械传动摩擦损耗、机械传动部件动能变化率和加工系统输出功率。

其中，P_m电机输出功率；P_mec为机械传动部件的机械损耗；dE_k/dt为机械传动部件的动能变化率；P_c为机械传动系统输出切削功率；M₀为机床主传动系统等效到主轴电机轴的非载荷库仑摩擦阻力矩；B为机床主传动系统等效到主轴电机轴的粘性摩擦阻尼系数；ω_m为主轴电机轴的角速度；α为机械传动系统的载荷系数。

数控机床处于稳定状态时，机械传动部件动能E_k变化可以忽略不计，所以动能变化率dE_k/dt为零。数控滚齿机床切削功率公式为P_c＝F_cv_c，切削力P_c通常采用经验公式法进行计算

其中，m为滚刀法向模数；Z为工件齿数；a_p为吃刀深度；f_z为滚刀轴向进给量；v_c为切削速度，v_c＝πd_hn_gm/1000，n_gm为滚刀转速；d_h为滚刀外径；K₁为工件材料修正系数；K₂为工件硬度修正系数；K₃为工件螺旋角修正系数；

(2)伺服电机能耗