【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及数控机床，具体为一种基于混合元胞自动机热设计的数控机床主轴系统设计方法。
技术介绍
1、精密数控机床是实现高速加工的前提和基本条件，是装备制造业战略性产业。制约数控机床精度提高的最主要因素之一就是主轴系统，主轴系统是机床的核心部件系统，其性能在很大程度上决定了整台机床所能达到的切削速度和加工精度，同时也是机床的主要热源；
2、主轴作为机床的重要部件，其工作原理如下，在生产加工中，由主轴系统振动产生位移，机床主轴转速越高，切削深度越大。主轴由箱体、主轴架、主轴套以及心轴、轴承等五部分构成，主轴系统箱体部分同立柱通过滑动导轨连接，并通过机床电机，经过其主轴中间的变速，到达相应的传动装置后，就可驱动主轴进行旋转，从而为机床切削机轴零件提供需要的动力；
3、在完成机床类直接式主轴的开发后，在高速高精度主轴中还有用气静压轴承支承的主轴，在高速高精度主轴中这种支承仅仅只是作为滚动轴承的补充而存在，它适应于超高速，超低振动的加工范围，但由于空气轴承的支承刚性差，且轴承受气体压力变化影响大，因此应用范围不甚广，用磁悬浮轴承为支承的主轴是主轴中的佼佼者，只要控制系统稳定，这种主轴的寿命从理论上讲是永久型的。这种主轴轴承属智能型主轴，通过调整控制器系统可获得理想的轴承参数或改变轴承的承载参数，由于轴承控制器难度比较大，因此此类主轴目前尚未在工业化领域大规模应用；
4、我国数控机床拥有很强的生产能力，但对机床及其关键部件的设计研究重视程度不够，绝大部分机床都是靠引进国外的全套技术图纸，或是以整机测绘，
技术实现思路
1、本专利技术的目的在于提供一种基于混合元胞自动机的数控机床主轴系统设计方法，研究主轴系统混合元胞自动机热设计新方法与主轴系统热设计评价准则，搭建热态性能实验测试平台，进行精密数控机床主轴系统热设计理论及其相关基础技术研究，建立高档精密数控机床成套主轴的设计研发制造方法，以解决上述
技术介绍
中提出的问题。
2、为实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：一种基于混合元胞自动机的数控机床主轴系统设计方法，包括以下步骤：
3、步骤一：模型搭建，通过分析规则梯度热源所形成的主轴系统热结构模型，根据主轴系统组成的部件物理参数与边界条件建立主轴系统温度场模型；
4、步骤二：主轴系统内零部件的配置与分布设计，对主轴系统多部件热态性能的拓扑优化分析，研究系统零部件在设计空间最优配置以及材料在连续设计空间最优分布；
5、步骤三：主轴系统热设计优化，研究主轴系统热态特性与其热特征值内在本构关系，采用热敏捷度准则来判别主轴系统热设计优劣，不断优化模型与算法；
6、步骤四：得出最终的主轴系统设计。
7、作为优选，所述建立主轴系统温度场模型包括以下步骤：
8、s1：运用ca演化算法建立主轴系统稳态和非稳态温度场模型；
9、s2：选取合适的邻居元胞模型，不同零部件选择不同的邻居元胞模型，将主轴系统离散为网络状；
10、s3：进行区域划分，推导出演化规则。
11、作为优选，所述s3中的区域划分包括根据热传导和温度场分布情况，将主轴系统划分成不同的算法区域，确定相应邻居个数，并用热力学原理来研究元胞之间温度的传递，推导出演化规则。
12、作为优选，所述步骤二中对主轴系统多部件热态性能的拓扑优化分析方法包括以下步骤：
13、第一步：运用hca算法进行主轴系统的热设计，在稳态温度场中以弹性静力位移场基本概念和平衡方程类比为基础，以体积比和局部温度为约束，单元总热能最小建立优化模型，用来推导其指标伴随法敏度分析公式；
14、第二步：建立局部ca演化规则，利用ca单元网格记录空间材料分布情况，使用fea算法计算因材料变化引起的结果，将ca单元网格状态的变化通过一一对应关系映射到fea模型。
15、作为优选，每个所述ca单元网格状态均由一组自变量和变量构成。
16、作为优选，所述主轴系统热设计优化的方法包括以下步骤：
17、q1：通过对主轴进行热模态分析获取主轴的热特征值；
18、q2：通过对热特征值与热模态信息综合反应机床的热平衡时间、升温/降温特性之间的本构关系进行分析得出热敏捷度；
19、q3：根据热敏捷度来对主轴系统设计进行修正优化，直到输出最终设计。
20、作为优选，所述q3中根据热敏捷度来对主轴系统设计进行修正优化包括以下步骤：
21、p1：主轴系统初始设计e(0)＝x(0)pe0输入用区间fea进行主轴内部结构分析得出s＝s(x(t))；
22、p2：用hca算法规则进行更新主轴结构材料分布δx＝f(s，savg)＝x(t+1)-x(t)；
23、p3：进行审敛绝对值的δx同时与设定主轴系统热敏捷度值g进行比较，如果|δx|≤g则合格输出，如果|δx|＞g则重新以e(t+1)＝x(t+1)pe0输入至p1中进行区间fea进行主轴内部结构分析，进行流程循环直到|δx|≤g进行输出最终设计。
24、作为优选，机床热平衡时间选取包括对于温升-时间指数变化规律的热平衡时间与热位移-时间非单调递增系统的热平衡时间，所述温升-时间指数变化规律的热平衡时间选取为达到机床最大温升的95％时所需时间，所述热位移-时间非单调递增系统的热平衡时间选取为热位移-时间曲线与最后稳态位移量水平线所围面积95％时所需时间。
25、作为优选，所述步骤一中主轴系统的边界条件包括主轴转速，主轴箱面温度、冷却液流量和流速以及主轴系统进出油温度，分别进行不同的转速进行主轴的空转，在主轴转动过程中进行收集轴箱面温度、冷却液流量和流速以及主轴系统进出油温度的数据，从而得出边界条件数据，能使得搭建的主轴系统模型更贴合实际；
26、其中边界条件的设定包括以下步骤：
27、m1：根据初始设计的主轴系统在不同转速r条件下进行空转，在主轴转动过程中进行检测并收集轴箱面温度h、冷却液流量q和流速v以及主轴系统进油温度t1、主轴系统出油温度t2的数据，且用于检测空转的转速差速大于1000r/min；
28、m2：计算温度修正值k：
29、首先根据常用冷却液的比热容与检测得到的冷却液流量q计算出冷却液带走的热量δt；
30、计算每个转速r条件轴箱面温升δh，δh为h与常温下轴箱面温度的差值；
31、计算每个转速r条件下的δt；
32、计算每个转速r条件下的主轴系统进出油的温差δt；
33、从而得到每个转速r条件下的温度修正值k，k＝δh+δt+δt；
34、m3：对本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种基于混合元胞自动机的数控机床主轴系统设计方法，其特征在于：包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种基于混合元胞自动机的数控机床主轴系统设计方法，其特征在于：所述建立主轴系统温度场模型包括以下步骤：
3.根据权利要求2所述的一种基于混合元胞自动机的数控机床主轴系统设计方法，其特征在于：所述S3中的区域划分包括根据热传导和温度场分布情况，将主轴系统划分成不同的算法区域，确定相应邻居个数，并用热力学原理来研究元胞之间温度的传递，推导出演化规则。
4.根据权利要求1所述的一种基于混合元胞自动机的数控机床主轴系统设计方法，其特征在于：所述步骤二中对主轴系统多部件热态性能的拓扑优化分析方法包括以下步骤：
5.根据权利要求4所述的一种基于混合元胞自动机的数控机床主轴系统设计方法，其特征在于：每个所述CA单元网格状态均由一组自变量和变量构成。
6.根据权利要求1所述的一种基于混合元胞自动机的数控机床主轴系统设计方法，其特征在于：所述主轴系统热设计优化的方法包括以下步骤：
7.根据权利要求6所述的一种基于混合元胞自
8.根据权利要求6所述的一种基于混合元胞自动机的数控机床主轴系统设计方法，其特征在于：机床的热平衡时间选取包括对于温升-时间指数变化规律的热平衡时间与热位移-时间非单调递增系统的热平衡时间，所述温升-时间指数变化规律的热平衡时间选取为达到机床最大温升的95％时所需时间，所述热位移-时间非单调递增系统的热平衡时间选取为热位移-时间曲线与最后稳态位移量水平线所围面积95％时所需时间。
9.根据权利要求1所述的一种基于混合元胞自动机的数控机床主轴系统设计方法，其特征在于：所述步骤一中主轴系统的边界条件包括主轴转速、主轴箱面温度、冷却液流量和流速以及主轴系统进出油温度，其中边界条件的设定包括以下步骤：
...【技术特征摘要】
1.一种基于混合元胞自动机的数控机床主轴系统设计方法，其特征在于：包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种基于混合元胞自动机的数控机床主轴系统设计方法，其特征在于：所述建立主轴系统温度场模型包括以下步骤：
3.根据权利要求2所述的一种基于混合元胞自动机的数控机床主轴系统设计方法，其特征在于：所述s3中的区域划分包括根据热传导和温度场分布情况，将主轴系统划分成不同的算法区域，确定相应邻居个数，并用热力学原理来研究元胞之间温度的传递，推导出演化规则。
4.根据权利要求1所述的一种基于混合元胞自动机的数控机床主轴系统设计方法，其特征在于：所述步骤二中对主轴系统多部件热态性能的拓扑优化分析方法包括以下步骤：
5.根据权利要求4所述的一种基于混合元胞自动机的数控机床主轴系统设计方法，其特征在于：每个所述ca单元网格状态均由一组自变量和变量构成。
6.根据权利要求1所述的一种基于混合元胞自动机的数控机...
【专利技术属性】
技术研发人员：王运志，陈黎红，陈胜，郑勇，汪洪江，王建波，
申请(专利权)人：台德睿克斯浙江精密科技有限公司，
类型：发明
国别省市：
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