中尺度机床多道工序的优化设计与分析外文文献翻译、中英文翻译

机床夹具常用计算计算机辅助设计附录1：外文翻译原文中尺度机床多道工序的优化设计与分析朴贤旭朴斌英梁.史提芬2010年6月25日发出/2011年1月4日收到2011年施普林格出版社伦敦有限公司摘要由于这种方法产生的技术和经济上的优势，传统的机床正在被微型化。除了这些优势外，市场化的中尺度机床反应时间也逐渐缩短。因此，在早期设计阶段这方面的进一步发展将需要一个系统的设计方案以减少主观条件影响。基于个人建模和关键参数的模拟，比如体积误差和机器的工作空间，以及静态、热、和动态刚度参数方面的综合设计策略，本文介绍了一个小型铣床结构上的最优化设计。微型铣床在优化设计中使用基于数字化模型的计算机产生一个处理函数来决定它的最优结构。这种集成方法使用的分析法进行开发，然后实验验证。本文还讨论了各种敏感性加权因素，从而来确定哪一个加权因素是最有效的优化解决方案。这项研究有助于发展更可靠的中尺度机床。关键词：多工序的优化设计；中尺度机床；结构优化；静态/动态刚度；体积误差1 简介由于对微尺度零件和部件的需求，加工工业和学术行业在中尺度机床方面已经做出很多的研究。虽然与其他机械制造加工技术相比，微细加工技术仍然是一个相对年轻的研究领域，但是随着迅速变化和高竞争市场领域的发展，未来的几十年里在生存的行业中它最终将成为一个关键因素。因此，为了满足日益严格的要求和期望，新的设计概念、程序、和机器配置将会被需要。支撑以理论和定量为基础的微制造，在这个领域中传统机床的微型化成为一个重要的研究区域。微型化所带来的技术和经济上的优势已经激发了多样微型机床模型的建立。大多数研究在这一领域的工作重点集中在对合适的小型机床和组件配合于特定的微型零件的开发。这些微型机床的模型可以生产出高质量的微型零件。然而，现有的对于微型机床设计的研究是不够的；因此，在这些系统微型化过程中我们需要积累相对贫乏的理论知识或经验。尽管经过多次尝试，迄今为止系统的微型化最优设计大部分还是不成功的，但是对于这些系统的设计研究为了其进一步发展是必须的。在早期的微型化设计研究中，三岛由纪夫等人提出了一个设计的评价方法。和田口方法结合，运用一个运动代表机构去评估每一个局部误差分量所起作用，在此过程中这个方法扮演一个指导角色。陈等人开发出了一种新型的虚拟工具机（虚拟制造技术）集成设计环境，其中运动功能是嵌入在描述的所属组件中。对于微型机床虚拟制造技术结构结果的分析类似于配置传统机床零部件。在这些研究中，对于各种各样机械配置的体积误差在微型机床评定合适的配置中被用来作为一个关键的标准。李等人负责进行了对于一个中度尺寸机床动态行为特征的测量，从实验和数值上调查了机床尺寸大小的一项工作。霍等人也研究了一个综合设计方法来处理，从而决定微型机床的动态性能，并把它应用到顶部台置式微型铣床机构的最优设计。不过。在早期设计阶段，这方面进一步的发展需要一个系统的设计方案来有效地减少主观性判断和提高优化效率。在传统和微型机床设计中所有关键元件的概念设计阶段是很重要的。这一阶段决定了传统和微型机床的特征和性能。因为微型机床所生产出来的产品整体尺寸明显小于传统机床制造生产的，所以对于微型机床而言，这个阶段的设计占据着越来越重要的作用。微机床的设计必须与机床可能的有影响的因素的重点分析相结合，比如静刚度、动刚度和热刚度，还有机器精度和工作空间。这项研究的方式就是建立一个理论模型，对于可能的微型机床设计参数进行一个实验分析，并由重锤撞击试验进行测试补充。通过一个微型机床尺寸函数在设计参数时考虑机床三个不同方向的尺寸参数来测试它们的变化。通过试验测量固有频率和阻尼比来模拟连接处的动态属性。这项实验为微铣床运行建立理论模型，对于在这个阶段设计机器设备的最佳尺寸最小化提供了依据。提案的设计模型如图1所示，通过此模型来获取微铣床的最佳尺寸。考虑到静刚度、热刚度和动刚度因素的影响，以下部分对微铣床的结构性能进行了评估。通过计算对于不同机床尺寸大小的体积误差和工作空间的大小来完成评估工作，反过来，计算的同时它也引导一台微铣床多学科方面的最优化设计。2 结构性能评估一台机床的结构是由固定部件和移动部件组成。一台机器结构的设计是一项重要的决策，因为机床的机构决定了机床上一些组件连接的的方式，它需要考虑到所生产产品多样性的许多方面，比如机床的主轴和工作台。因为现存资源的不确定性，机床结构的设计工作比较具有挑战性，譬如由于几何装配产生的误差、热力变形误差和由载荷引起的误差都会影响机器的最终性能。为了去提供更加可靠的机床性能和高的制造质量，在设计阶段一些关键因素，比如静刚度、热刚度和动刚度，机器精度和工作空间必须考虑到。2.1 静刚度评估在机器运行时，微机床所受到的外在力将会影响机床结构的变形。这种变形影响了机床的精度等级。在这项研究中，复杂的微型机床简化成一个受中等载荷的悬臂梁，如图2a所示。在这个概念模型中包括一个计算模型的滑动力和力矩，这将引起机器连接处力矩传递的损耗。假设F1和F2是相等的，微机床的静刚度可以表示为 （A1）其中、代表机器的尺寸，代表力矩损耗，代表弹性模量，代表惯性力矩。对于这台微机床，静态刚度数值的计算数值如图2b所示。图2b表明，随着机器中心高度的减小，它的静刚度值随之增加。这个增加是由于悬臂梁长度相对于它整体尺寸减小引起。静刚度大小也高度依赖于连接处的刚度。2.2 热刚度评估如果周围的温度是恒定的，一台微机床的主要热源就是高速运转的主轴，它可引起微铣床大约10的温度变化，如图3a所示。主轴与B部件相连，这样热刚度数值大小与机器的尺寸线性变化数值相关，其值可表示为 （A2）其中代表热膨胀系数。在这项研究中使用的材料是36号合金钢，它的热膨胀系数为。热刚度数值计算通过公式A2计算，图3b表明热刚度大小随着主轴悬臂梁长度变化情况。