[发明专利]快速伺服刀架用柔性机构多目标拓扑优化设计方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种快速伺服刀架用柔性机构多目标拓扑优化设计方法，适用于压电陶瓷等智能材料驱动、对工件进行精密与超精密加工的快速伺服刀架系统。

背景技术

传统的车床由于长期使用等原因导致机床部件损耗，致使加工过程产生定位误差，而且在加工过程中会出现颤振等不可避免的现象。因此，当工件需要较高的加工精度时，常常需要进行小切深的多次加工，在增加了加工工艺复杂度的同时，也降低了加工效率与提高了加工成本。于是，在传统的车床上如何提高工件的加工精度及提高车床本身的加工性能，成为制造企业的面临的主要困题。同时针对光学器件高频特征的精密加工，要求加工单元具有高频响应的特征。因此，针对上述需求，提出了压电陶瓷驱动等智能材料驱动的快速伺服刀架系统。基于压电陶瓷驱动等智能材料驱动的快速伺服刀架可以提高加工过程的高频定位精度，同时增强车床装备在刀柄部位的局部刚度以抑制精密或超精密加工时的颤振发生，加拿大英属哥伦比亚大学制造自动化实验室的Yusuf Altintas研究小组已经将智能驱动的快速伺服刀架技术应用于传统车床系统，并且进行了加工实验验证。快速伺服刀架用柔性机构利用了弹性材料微变形及自回复的特性，其具有很多优点：如运动平稳、无需润滑、无回退空程、无摩擦和高精度等。因此，利用柔性机构是传递与转化力和位移的最适宜的方法，但对于快速伺服刀架用柔性机构的拓扑优化设计方法未见相关报道。

现有的快速伺服刀架用柔性机构设计集中在基于经验的设计与基于尺寸的参数优化设计。由于结构的复杂性，基于尺寸的参数优化设计的基本公式是将柔性结构的构成假设为梁进行简化处理，所以导致优化结果存在误差。现有的基于尺寸的参数优化设计方法只考虑轴向刚度和柔性机构的一阶特征频率两个优化目标，没有考虑输入端和输出端的侧向刚度，及优化问题的物理约束是基于静态的，而没有考虑动态约束模型。现实中快速伺服刀架用柔性机构在加工过程中是承受动态力的，因此传统的基于尺寸的参数优化方法在优化模型上存在不合理性。更进一步讲，快速伺服刀架用柔性机构在尺寸参数优化前，其基本形状与拓扑是固定的，这样就严重限制了最优解的可选范围，因此有必要研究在优化过程中形状与拓扑均不受限制的快速伺服刀架用柔性机构的拓扑优化设计方法，以寻求最佳的快速伺服刀架用柔性机构的尺寸、形状与拓扑。

发明内容

本发明的目的是克服现有快速伺服刀架用柔性机构设计方法的不足，提供一种新型的快速伺服刀架用柔性机构多目标拓扑优化设计方法。

本发明的技术方案为，一种快速伺服刀架用柔性机构多目标拓扑优化设计方法，包含如下具体步骤：

一种快速伺服刀架用柔性机构多目标拓扑优化设计方法,其特征在于，包括有如下具体步骤：

1)建立柔性机构设计的设计域外形轮廓尺寸参数与确定结构的材料参数，外形轮廓尺寸包含高度与宽度两个参数，材料的结构参数包含弹性模量、泊松比、结构阻尼与材料密度；

2)建立加工过程的动态力学的物理边界条件与几何边界条件，以加工过程的受力位置，包含智能材料驱动的驱动位置与受切削力的位移输出位置，作为动态力学的物理边界条件，其基本方程为系统的动力学方程；以加工过程的固定边界位置建立受力系统的几何边界条件；

3)考虑加工过程的动态特性，优化问题包含四个优化目标。多目标优化问题的第一个优化目标函数为结构的一阶特征频率，第二个优化目标函数为输出端位移的时间积分函数，第三个优化目标函数为结构柔性的时间积分函数。其中，第三个目标函数，根据系统的输入端与输出端受力情况，第三个优化目标函数又分为智能材料类驱动端的x与y两个方向的柔性的时间积分的优化目标函数与位移输出端的y方向的柔性的时间积分得优化目标函数；

4)根据加工过程的轻质要求，以结构体积作为最优化问题的第一类约束条件；同时系统所受的力为动态切削力，以结构系统的动力学方程作为最优化问题的第二类约束条件；

5)利用伴随变量法给出多目标优化函数的灵敏度分析公式；通过拓扑优化方法改变柔性机构的外形；判断优化结果是否满足收敛条件，如不满足收敛条件，继续对机构进行拓扑优化；当优化结构满足迭代的终止条件时，停止优化迭代，得到最终的拓扑优化结果。

所述步骤3)中多目标优化函数采用线性组合的方法构成一个统一的优化目标，每个目标函数的权重系数根据目标函数的重要性进行系数大小的选择。一种快速伺服刀架用柔性机构多目标拓扑优化模型所建多目标函数数学模型如下：