基于动力学模型和遗传算法的电主轴结构优化设计方法技术

本发明专利技术基于动力学模型和遗传算法的电主轴结构优化设计方法，包括：1)利用Timoshenko梁单元、转盘单元分别建立了转子、电机转子的有限元模型；基于Jones模型，建立轴承模型；将上述模型集成得到电主轴结构动力学方程；2)根据电主轴结构的动力学方程求解其一阶固有频率；3)确定电主轴优化的设计变量，设置约束条件，建立目标函数；4)利用遗传算法，求解目标函数，获得全局最优解，即求得使电主轴结构一阶固有频率最大的各轴承最佳配置位置。本发明专利技术建立了电主轴结构较为实际和精确的动力学模型，保证了优化设计相关参数的准确性。利用遗传算法对电主轴结构进行优化，保证了电主轴上轴承位置的最佳配置，优化效果好，为电主轴的设计提供了有效指导。

【技术实现步骤摘要】

：本专利技术属于机械设计
，具体涉及一种基于动力学模型和遗传算法的电主轴结构优化设计方法。
技术介绍
：电主轴系统是一项涉及电主轴本身及相关附件的系统工程，因具备转速高、精度高、振动小、响应快等优点在机械加工领域得到广泛应用。作为数控机床的核心部件，其性能直接影响机械加工的精度与稳定性。因此，对电主轴进行动力学分析及结构优化设计，对于机床性能的提高具有重大的意义。对于(电)主轴的优化设计国内外进行了大量的研究。许多研究是在(电)主轴建模分析的基础上结合优化算法进行探究。2011年，Lin(Lin CW.An application of Taguchi method on the high-speed motorized spindle system design[J].Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers,Part C:Journal of Mechanical Engineering Science,2011,225(9):2198-2205.)建立了高速电主轴的动态模型，并利用田口方法提高了该系统一阶固有频率的信噪比，从而使得系统一阶固有频率增加；2014年，Lin(Lin C-W.Optimization of Bearing Locations for Maximizing First Mode Natural Frequency of Motorized Spindle-Bearing Systems Using a Genetic Algorithm[J].Applied Mathematics,2014,5(14):2137-2137.)开发了一种基于遗传算法的电主轴优化方法，利用遗传算法确定主轴上各轴承的最佳配置位置，从而使系统一阶固有频率最大，并通过实例分析验证了该方法是有效的。申请号为201310013720.7的专利技术专利公开了一种机床主轴的优化设计方法，其特点在于利用试验设计在可行域中进行均匀的初步寻优，然后从所有试验点中选出令目标函数综合最优的一个初步优化解，将其作为梯度法的初始值进行深入优化，最终获得令机床主轴综合性能最优的全局最优解。申请号为201510658571.9的专利公开了一种基于参数化有限元模型的电主轴结构优化方法，其特点在于以主轴轴承配合段直径、前后支撑轴承跨距、主轴悬伸量为设计变量，以高刚性、轻质量为优化目标，选择智能优化算法对电主轴进行多目标优化设计。从现有的检索文献可以发现，大部分(电)主轴优化方法是基于简化模型进行分析的，从而限制了分析结果的精度，也影响了分析结果的可信度。尽管有些分析模型是完整的(电)主轴轴承模型，但是它们多是利用这些模型进行动态分析及稳定性预测，很少结合智能优化算法对(电)主轴进行优化设计。因此，不能有效地对电主轴进行结构优化。
技术实现思路
：本专利技术的目的在于结合电主轴动力学模型和遗传算法，为电主轴结构优化设计提供一种准确、有效的基于动力学模型和遗传算法的电主轴结构优化设计方法。为达到上述目的，本专利技术采用以下技术方案来实现：基于动力学模型和遗传算法的电主轴结构优化设计方法，包括下述步骤：1)将电主轴的转子划分为若干梁单元，并利用Timoshenko梁单元建立转子的有限元模型，同时利用转盘单元建立电机转子的有限元模型；基于Jones模型，建立轴承模型；将转子、电机转子及轴承模型集成得到电主轴结构的动力学方程；2)根据电主轴结构的动力学方程求得电主轴结构的一阶固有频率；3)确定电主轴优化的设计变量，建立约束条件，然后基于步骤2)中所求一阶固有频率建立起目标函数；4)利用遗传算法，对步骤3)中的目标函数进行求解，获得全局最优解，即求解出使步骤2)中所求电主轴结构一阶固有频率最大的各轴承最佳配置位置。本专利技术进一步的改进在于，所述步骤1)中，建立电主轴结构的有限元模型，获得其动力学方程，具体过程如下：Timoshenko梁单元的有限元模型中，两个端面的中心点分别代表梁的两个节点，每个节点具有三个移动自由度和两个转动自由度，即：q＝{δx,δy,δz,γy,γz本文档来自技高网...

【技术保护点】
基于动力学模型和遗传算法的电主轴结构优化设计方法，其特征在于，包括下述步骤：1)将电主轴的转子划分为若干梁单元，并利用Timoshenko梁单元建立转子的有限元模型，同时利用转盘单元建立电机转子的有限元模型；基于Jones模型，建立轴承模型；将转子、电机转子及轴承模型集成得到电主轴结构的动力学方程；2)根据电主轴结构的动力学方程求得电主轴结构的一阶固有频率；3)确定电主轴优化的设计变量，建立约束条件，然后基于步骤2)中所求一阶固有频率建立起目标函数；4)利用遗传算法，对步骤3)中的目标函数进行求解，获得全局最优解，即求解出使步骤2)中所求电主轴结构一阶固有频率最大的各轴承最佳配置位置。

【技术特征摘要】
1.基于动力学模型和遗传算法的电主轴结构优化设计方法，其特征在于，包括下述步骤：1)将电主轴的转子划分为若干梁单元，并利用Timoshenko梁单元建立转子的有限元模型，同时利用转盘单元建立电机转子的有限元模型；基于Jones模型，建立轴承模型；将转子、电机转子及轴承模型集成得到电主轴结构的动力学方程；2)根据电主轴结构的动力学方程求得电主轴结构的一阶固有频率；3)确定电主轴优化的设计变量，建立约束条件，然后基于步骤2)中所求一阶固有频率建立起目标函数；4...

【专利技术属性】
技术研发人员：曹宏瑞，李登辉，陈雪峰，张兴武，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61