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专利号: 2023117463692
申请人: 合肥工业大学
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
更新日期:2025-12-30
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.一种镜像铣削中随动支撑头的点位布局优化方法,其特征在于,其用于结合具体工况对镜像铣削中随动支撑头的点位布局进行优化调整;随动支撑头中的支撑点包括中心支撑点,以及环形排列在中心支撑点外周的外围支撑点;

所述点位布局优化方法包括如下步骤:S1:建立镜像铣削加工中刀具、工件和支撑头间的耦合振动模型,过程如下:S11:定义作用于工件轴向的铣削力大小为Fm(t),铣刀中心点移动路径为xm(t)、ym(t),结合狄拉克 函数生成铣削激励qm(x,y,t);

S12:定义支撑头的总支撑点数为n,其中,1个位于支撑头中心处,其余则均匀n‑1个均匀分布在半径为r的圆上;n和r即为表征随动支撑头点位布局的特征参数;

S13:定义中心支撑点的移动路径为xs1(t)、ys1(t),生成各外围支撑点的移动路径xsi(t)、ysi (t),其中,i=2,3…n;

S14:定义支撑头提供的总支撑力为Fs(t),结合支撑点移动路径为xsi(t)、ysi(t)以及狄拉克 函数生成支撑激励qs(x,y,t);

S15:定义镜像铣削加工中垂直于加工面上的横向挠度为w(x,y,t),基于Kirchhoff ‑Love假设,建立等厚平板构件在外加激励下的耦合振动模型如下:;

上式中,q(x,y,t)表示工件单位面积上受到的外加激励,外加激励由铣削激励qm(x,y,t)与支撑激励qs(x,y,t)共同构成;D表示工件的弯曲刚度 h表示工件的壁厚; 表示工件的密度;

S2:将耦合接触区上不同位置的点在不同时刻下的振动峰值f1和考察周期内各点位振动的均方根f2加权后共同作为评估加工过程振动的目标函数f,则优化目标如下:;

上式, 、 分别为振动峰值f1和各点位振动的均方根f2的权重系数,且满足: +=1;

S3:结合随动支撑头中心支撑点和外围支撑点的空间布局与运动路径,建立随动支撑头中各支撑点满足互不干涉的空间约束方程和支撑点的数量约束方程;

S4:以n和r为设计变量,结合所述耦合振动模型、目标函数和约束方程;建立一个表征当前优化问题的待求解的单目标优化模型;

S5:通过群体智能优化算法对所述单目标优化模型进行寻解,获得全局最优的支撑点数量n和分布圆半径r;寻解策略如下:(1)选择任意一种群体智能优化算法作为寻解过程的主导算法;

(2)根据步骤S3中建立的约束方程,计算出的支撑点数量n的上限,进而确定离散的设计变量n的m个候选值;然后将迭代优化过程的双变量寻优过程转换为单变量r在m个互不相同的种群并行处理的寻优过程;

(3)引入惩罚函数F,对群体智能优化算法迭代更新时的适应度函数fit进行修正:fit=f+F;

S6:根据优选的n和r的值对随动支撑头中支撑点的数量和外围支撑点的分布半径进行调整。

2.如权利要求1所述的镜像铣削中随动支撑头的点位布局优化方法,其特征在于,步骤S11中,铣削激励qm(x,y,t)的表达式如下:;

步骤S13中,支撑激励qs(x,y,t)的表达式如下:;

步骤S14中,外围支撑点的移动路径xi(t)、yi(t)满足下式:;

步骤S15中,工件的弯曲刚度D满足下式:

上式中,E和 分别表示工件的弹性模量和泊松比。

3.如权利要求2所述的镜像铣削中随动支撑头的点位布局优化方法,其特征在于,步骤S2中,振动峰值f1为加工过程中工件横向挠度为w(x,y,t)的峰值,计算公式如下:;

各点位振动的均方根f2为振动信号在指定时空范围内平方和的平均值的平方根,计算公式如下:;

上式中,x0和y0为铣刀中心点运动范围的下限;x1和y1为铣刀中心点运动范围的上限;t0和t1为铣削加工的开始时刻和结束时刻。

4.如权利要求3所述的镜像铣削中随动支撑头的点位布局优化方法,其特征在于:步骤S3中,随动支撑头中各支撑点需要满足的空间约束包括:(1)中心支撑点与外围支撑点不干涉;(2)外围支撑点的外轮廓不超出随动支撑头外径;(3)外围支撑点间互不干涉;

对应的约束方程如下:

随动支撑头中支撑点的数量约束对应的约束方程如下:

上式中,r0表示每个支撑点采用的支撑结构的干涉半径;r1表示支撑头的最外围半径。

5.如权利要求4所述的镜像铣削中随动支撑头的点位布局优化方法,其特征在于:步骤S4中,建立的单目标优化模型的表达式如下:;

上式中, 为决策空间。

6.如权利要求1所述的镜像铣削中随动支撑头的点位布局优化方法,其特征在于:步骤S5中,选择粒子群算法作为主导算法,引入惩罚函数和参数扫描策略的粒子群算法的寻解过程如下:S51:先根据给定的r0和r1的值计算正整数n的上限nmax,确定n的取值个数m及各个候选值n1~nm;

S52:根据n的取值个数m启动对应数量的粒子群进行参数扫描下的并行运算;

S53:以n1~nm分别作为每个子群的固定参数,为每个子群独立进行粒子的适应度计算与迭代更新;

S54:在满足迭代中止条件后,对并行处理的所有通道中计算出的适应度结果统一进行排序,确定全局最优适应度fbest;

S55:输出全局最优适应度fbest对应的n和r的最优解。

7.一种镜像铣削中随动支撑头的点位布局优化装置,其包括存储器、处理器以及存储在存储器上并在处理器上运行的计算机程序,其特征在于:所述处理器执行计算机程序时,执行如权利要求1‑6中任意一项所述的镜像铣削中随动支撑头的点位布局优化方法的步骤;进而根据工件属性参数: D、h、 、E、 ;加工过程参数:Fm(t)、xm(t)、ym(t)、Fs(t);支撑头结构参数: r1、r0;以及权重系数 、 ;生成满足最小加工过程振动 f 的随动支撑头点位布局的特征参数n和r。

8.一种点位布局可调的随动支撑头,其特征在于,其呈Whiffletree结构,并支持采用如权利要求1‑6中任意一项所述的镜像铣削中随动支撑头的点位布局优化方法,根据实际工况对Whiffletree结构中的各个支撑模组的点位布局进行调整,所述点位布局可调的随动支撑头包括:底座,其背面设置有用于与机械臂固定连接的安装法兰;所述底座正面的中心位置设有凸台;

环形滑动模组;其包括一个环形导轨和抱夹在所述环形导轨上的多个第一滑块;所述环形导轨安装在底座正面的外缘处,并与所述凸台同心;所述第一滑块能够沿所述环形导轨的周向自由滑动;

多个直线滑动模组,其通过第一转接板固定连接在每个所述第一滑块上;每个所述直线滑动模组包括一个直线滑台和一个第二滑块;所述直线滑台用于驱动所述第二滑块沿所述环形导轨的径向双向运动;

多个支撑模组,其中一个固定连接在所述凸台上,其余支撑模组各自通过一个第二转接板固定连接在每个第二滑块上;每个所述支撑模组包括针型气缸、螺柱和万向滚珠;所述螺柱的一端固定连接在针型气缸上,另一端固定连接有万向滚珠;所述针型气缸用于通过所述螺柱驱动所述万向滚珠沿垂直于所述底座平面的方向升降运动;以及多组锁定装置,其用于将每个所述第一滑块固定连接在环形导轨上。

9.如权利要求8所述的点位布局可调的随动支撑头,其特征在于:所述环形滑动模组采用THK弧形导轨模组,其环形导轨部分采用V型滑轨,所述第一滑块中安装有配套使用的对中滚轮和偏心滚轮以便于调整和预紧。

10.如权利要求8所述的点位布局可调的随动支撑头,其特征在于:所述直线滑动模组中的直线滑台采用LWX型手摇燕尾槽滑台;所述滑块抱夹在所述LWX型手摇燕尾槽滑台中,所述滑块侧面设置用于锁紧的手动旋钮。