高速数控转台热-力耦合效应及仿生优化设计方法研究

The development of high-end equipment manufacturing industry in China puts forward higher requirements for the machining accuracy of machine tool. As a key component of the machine tool, CNC turntable’s dynamic performance has a great influence on the machining accuracy. In the process of high speed machining, the CNC turntable is subjected to a variable load and a variety of heat sources to produce a thermal-mechanical coupling effect, which directly affects the dynamic performance of the CNC turntable. Aiming at the above problems, this project intends to study the dynamic effect and temperature field distribution of high-speed CNC turntable, and explores the thermal-mechanical coupling effect and its mechanism. On the basis of thermal-mechanical coupling effect, the thermal-mechanical coupling model of the CNC turntable is established. The transient and steady state analysis on high-speed CNC turntable’s thermal-mechanical coupling model is carried out to reveal the dynamic evolution of thermal-mechanical coupling, and the thermal-mechanical coupling dynamic performance of high-speed CNC turntable is obtained. In view of the good heat dissipation and mechanical properties of the honeycomb structure, this project studies the bionic thermal-mechanical coupling design criteria of high-speed CNC turntable based on the bionic principle. In order to improve the thermal-mechanical coupling dynamic performance of high-speed CNC turntable, structural multi-objective optimization is carried out by bionic design criteria, and a novel thermal-mechanical coupling bionic optimization design method of high-speed CNC turntable is established. Under the tropical environment of Hainan province, the bee colony can be propagated all year round, so it is convenient to carry out the research and experiment for bionic optimization of high-speed CNC turntable based on honeycomb. The research results of this project will be beneficial to improve the machining accuracy of domestic-made machine tool.

我国高端装备制造业的发展对机床加工精度提出了更高要求，数控转台作为机床的关键部件，其动态特性对加工精度影响较大。在高速加工过程中，数控转台受变载荷和多种热源的作用而产生热-力耦合效应，直接影响其动态特性。针对上述问题，本项目拟研究高速数控转台的动力学效应和温度场分布，探索热-力耦合效应及其产生的机理，建立转台的热-力耦合模型；对高速数控转台热-力耦合模型进行瞬态和稳态分析，揭示热-力耦合动态演变规律，得到高速数控转台热-力耦合动态特性；鉴于蜂窝结构具有良好的散热性及力学性能，研究基于蜂窝的转台仿生原理，获取高速数控转台热-力耦合仿生设计准则；以提高转台热-力耦合动态特性为目的，运用仿生设计准则对结构进行多目标优化，形成一套新颖的高速数控转台热-力耦合仿生优化设计方法。海南热带环境下蜂群能常年繁殖，便于开展基于蜂窝的高速数控转台仿生优化研究与实验，项目研究成果将有利于提高国产机床的加工精度。

2015年5月国务院将“高端装备创新工程”列为一个关键领域，提出组织实施大型飞机、民用航天、海洋工程装备及高技术船舶等重大工程，这导致复杂零部件的高效精密加工需求不断攀升，为数控机床产业的发展带来了前所未有的新机遇。在机床的各关键零部件中，数控转台的动态特性对机床整机的加工精度影响很大。此外，现代数控机床正在向高速、高精、高效加工方向发展，对数控转台的动态特性提出了更高要求。因此，研究高速数控转台优化设计方法不仅符合我国高档数控机床产业技术升级的战略需求，而且有利于促进我国高端装备制造业的转型发展，具有十分重要的科学意义和工程应用价值。在高速加工过程中，数控转台受变载荷和多种热源的作用而产生热-力耦合效应，直接影响其动态特性。对此，本项目研究了高速数控转台的动力学效应和温度场分布，探索热-力耦合效应及其产生的机理，建立了转台的热-力耦合模型。对高速数控转台热-力耦合模型进行瞬态和稳态分析，揭示热-力耦合动态演变规律，得到了高速数控转台热-力耦合动态特性；鉴于热带植物王莲具有良好的结构及力学性能，研究基于王莲的转台仿生原理，获取高速数控转台热-力耦合仿生设计准则；以提高转台热-力耦合动态特性为目的，运用仿生设计准则对结构进行多目标优化，形成了一套新颖的高速数控转台热-力耦合仿生优化设计方法。将该方法进行工程应用，通过对一种龙门机床的数控转台进行热-力耦合和模态分析，获得其薄弱环节，并揭示了热-力耦合效应对动力特性的影响。模仿王莲良好的力学性能，对数控转台进行了仿生设计。根据热-力耦合和模态分析结果，选择了仿生型数控转台的优化目标和设计变量，并研究了设计变量对优化目标的影响规律。通过响应面优化获得了仿生型数控转台的最优解，使最大变形减小了2.37％，质量减小了15.60％，前六阶固有频率得到提高。通过将前六阶模态固有频率实验结果与优化结果进行比较，验证了所提出的数控转台仿生优化设计方法的可行性。