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前言：

當(dāng)前制造業(yè)智能化的發(fā)展對CNC加工中心精度提出了越來越高的要求，在CNC加工中心的各種零部件中，進給機構(gòu)主要起著為工件加工過程提供往復(fù)移動的作用，其動態(tài)性能對整機的加工精度影響很大^[1-^2]。因此，探索新的CNC加工中心進給機構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方法是十分必要的，已成為學(xué)術(shù)界研究的一個焦點問題^[3_^5]。文獻[6]在有限元分析的基礎(chǔ)上，建立加工中心進給機構(gòu)的動態(tài)模型并對結(jié)合面聯(lián)接件的位置和數(shù)量進行拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計。文獻[7]采用序列二次規(guī)劃法對CNC加工中心進給機構(gòu)進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，不僅提高了進給機構(gòu)的動態(tài)特性，而且保證了進給機構(gòu)的高精度設(shè)計要求。文獻[8]采用CAD/CAE技術(shù)對機床進給機構(gòu)進行建模分析，識別關(guān)鍵的結(jié)構(gòu)參數(shù)，在此基礎(chǔ)提出了一種提高進給機構(gòu)動態(tài)性能的優(yōu)化設(shè)計方法。文獻[9]用有限元軟件對一種加工中心橫梁進給系統(tǒng)進行動靜態(tài)性能分析，識別出該進給系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)，并對十字滑座筋板進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計。CNC加工中心進給機構(gòu)在工作過程中承受軸承-絲杠、絲杠-螺母、導(dǎo)軌-滑塊等因相對運動產(chǎn)生的熱的作用，同時還承受重力、進給力等力的作用，即受熱與力的

(1) 需求分析模塊需求分析模塊主要用來獲取CNC加工中心用戶需求信息，在加工中心進給機構(gòu)智能設(shè)計過程中，

用戶需求信息主要包括材料屬性參數(shù)、零部件約束形式、幾何拓?fù)潢P(guān)系和進給運動參數(shù)，系
耦合作用。然而，當(dāng)前對于加工中心進給機構(gòu)的動態(tài)性能優(yōu)化設(shè)計往往只考慮受力的影響，忽略了溫度場與機械性能之間的相互作用，難以得到性能最優(yōu)的進給機構(gòu)設(shè)計方案。針對上述問題，本文充分考慮CNC加工中心進給機構(gòu)的熱-力耦合效應(yīng)，建立多種軟件集成的CAD/CAE協(xié)同優(yōu)化平臺，形成一套CNC加工中心進給機構(gòu)智能設(shè)計優(yōu)化系統(tǒng)。運用多學(xué)科交叉的思想搭建CNC加工中心進給機構(gòu)智能設(shè)計優(yōu)化系統(tǒng)整體框架，在常規(guī)設(shè)計基礎(chǔ)上采用靈敏度分析法、BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和遺傳算法相結(jié)合的方式對進給機構(gòu)進行多目標(biāo)優(yōu)化，從而提高該系統(tǒng)的智能設(shè)計水平。最后，以龍門CNC加工中心的r軸進給機構(gòu)為案例,驗證本文所構(gòu)造的系統(tǒng)的可行性。

1進給機構(gòu)智能設(shè)計優(yōu)化系統(tǒng)框架

CNC加工中心進給機構(gòu)設(shè)計是一個較為復(fù)雜的過程，主要任務(wù)包括設(shè)計需求分析、零部件結(jié)構(gòu)設(shè)計、CAD參數(shù)化建模、熱-力耦合仿真及多目標(biāo)優(yōu)化等^[^KM^4]，為此，本文構(gòu)造了一種由需求分析模塊、常規(guī)設(shè)計模塊、智能優(yōu)化模塊以及設(shè)計資源中心等4部分所組成的CNC加工中心進給機構(gòu)智能設(shè)計優(yōu)化系統(tǒng)，其總體框架結(jié)構(gòu)如圖1所?統(tǒng)按照用戶輸入的進給工作條件計算所需進給推力、功率以及結(jié)構(gòu)布局等，得到CNC加工中心進

給機構(gòu)總體設(shè)計需求。

(2) 常規(guī)設(shè)計模塊

在本模塊運用傳統(tǒng)機械設(shè)計方法來初步確定加工中心進給機構(gòu)的零部件參數(shù)。CNC加工中心進給機構(gòu)的設(shè)計參數(shù)包括零部件尺寸、軸承剛度、預(yù)緊力和進給行程等^[15?結(jié)合進給機構(gòu)各零件的裝配關(guān)系獲取其他結(jié)構(gòu)參數(shù)后，運用材料力學(xué)的知識進行強度、剛度等校核計算，得到進給機構(gòu)初始設(shè)計方案。

(3) 智能優(yōu)化模塊

本模塊的主要功能是對加工中心進給機構(gòu)進行三維建模、有限元分析、熱-力耦合分析以及多目標(biāo)智能優(yōu)化。根據(jù)常規(guī)設(shè)計模塊計算得到的初始設(shè)計方案，在Pro/E軟件中創(chuàng)建加工中心進給機構(gòu)的三維參數(shù)化模型后導(dǎo)入ANSYS軟件，考慮加工中心進給機構(gòu)的受力、熱源和約束條件，在ANSYS中建立進給機構(gòu)有限元模型，依次開展動靜態(tài)有限元分析和熱-力耦合仿真分析^[17]。根據(jù)上述仿真分析結(jié)果，建立加工中心進給機構(gòu)多目標(biāo)優(yōu)化模型，結(jié)合智能優(yōu)化算法進行求解，進而得到最終的優(yōu)化方案并生成設(shè)計報告。

(4) 設(shè)計資源中心

本系統(tǒng)的設(shè)計資源中心由材料參數(shù)庫、圖形數(shù)據(jù)庫、設(shè)計方法庫、工藝知識庫及約束規(guī)則庫等組成，其作用是為CNC加工中心進給機構(gòu)的智能設(shè)計優(yōu)化提供必要的數(shù)據(jù)信息，并存儲設(shè)計優(yōu)化過程中得到的各種結(jié)果。

2進給機構(gòu)智能優(yōu)化的建模機制

CNC加工中心進給機構(gòu)智能設(shè)計的主要任務(wù)是對常規(guī)設(shè)計模塊得到的初始設(shè)計方案進行三維建模、有限元分析、熱-力耦合分析和多目標(biāo)優(yōu)化，這涉及到大量數(shù)據(jù)信息交換問題^[18_^19]，系統(tǒng)智能優(yōu)化模塊的信息流分類如表1所示。

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結(jié)束語：

(1) 針對當(dāng)前企業(yè)缺乏CNC加工中心進給機構(gòu)?能設(shè)計與仿真優(yōu)化平臺的問題，構(gòu)造了進給L構(gòu)智能設(shè)計優(yōu)化系統(tǒng)。該系統(tǒng)能面向CNC機^進給機構(gòu)多樣化設(shè)計需求，將多領(lǐng)域知識用^:進給機構(gòu)的建模與分析，采用傳統(tǒng)方法獲得E給機構(gòu)初始設(shè)計方案，在CAD/CAE協(xié)同仿;環(huán)境下進行多目標(biāo)智能優(yōu)化，通過案例驗證H亥系統(tǒng)的可行性。

(2) 本文所構(gòu)造系統(tǒng)的智能優(yōu)化模塊采用;于信息共享的分層次建模方法，較好地解決•求解過程中數(shù)據(jù)信息與拓?fù)潢P(guān)系丟失的問L根據(jù)CAD/CAE協(xié)同仿真結(jié)果建立優(yōu)化模i后采用智能算法求解，求解涉及到的數(shù)據(jù)能L時反饋到設(shè)計資源中心，實現(xiàn)優(yōu)化過程的知共享，提高了進給機構(gòu)設(shè)計的智能化水平，

r利于該系統(tǒng)在CNC加工中心設(shè)計領(lǐng)域推廣應(yīng)用。

伯特利數(shù)控是一家集銷售、應(yīng)用及服務(wù)于一體的公司。產(chǎn)品包括：CNC加工中心、鉆攻中心、龍門加工中心、雕銑機、石墨機、五軸加工中心、立式加工中心、臥式加工中心等。我們機床的生產(chǎn)工廠設(shè)在廣東省東莞市，目前其生產(chǎn)的加工中心70%出口，其中出口到歐洲占到50%。我們盡心、盡力、盡意的服務(wù)！

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CNC加工中心進給機構(gòu)智能設(shè)計優(yōu)化系統(tǒng)

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