基于模態(tài)分析的超聲切削刀具設(shè)計(jì)方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于模態(tài)分析的超聲切削刀具設(shè)計(jì)方法，用于解決現(xiàn)有超聲切削刀具使用安全性差的技術(shù)問(wèn)題。技術(shù)方案是首先確定系統(tǒng)的共振頻率，然后確定刀具在設(shè)計(jì)時(shí)可以更改的尺寸變量，采用遺傳算法優(yōu)化，以經(jīng)過(guò)模態(tài)分析得出的振幅最大為目標(biāo)，得出刀具尺寸最優(yōu)的結(jié)果。由于采用改變刀具可變參數(shù)的方法，以匹配超聲振動(dòng)切削系統(tǒng)的工作頻率，使得超聲加工過(guò)程中能獲得最大的振幅。同時(shí)，在加工過(guò)程中，每次換刀所選擇的刀具都是經(jīng)過(guò)數(shù)值優(yōu)化計(jì)算得到的最優(yōu)刀具，不需要每次都重新定位測(cè)量選擇刀具頂端的位置，因此可以在加工中心中使用自動(dòng)換刀，提高了加工效率，保證加工的安全性，適用工廠大規(guī)模推廣使用。
【專利說(shuō)明】基于模態(tài)分析的超聲切削刀具設(shè)計(jì)方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種超聲切削刀具設(shè)計(jì)方法，特別是涉及一種基于模態(tài)分析的超聲切削刀具設(shè)計(jì)方法。

【背景技術(shù)】
[0002]文獻(xiàn)“超聲振動(dòng)切削刀具設(shè)計(jì)，機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2012，Vol02，p242_244”公開了一種超聲切削刀具設(shè)計(jì)方法。該方法以擴(kuò)大刀具頂端振幅為目的，首先分析切削系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，計(jì)算出振動(dòng)波長(zhǎng)，再確定出變幅桿的尺寸，定位刀具端點(diǎn)處于整個(gè)波長(zhǎng)的四分之一波長(zhǎng)處，以達(dá)到最大振幅。按照波動(dòng)合成原理，當(dāng)系統(tǒng)處于共振狀態(tài)時(shí)，只有在逐波節(jié)點(diǎn)平面內(nèi)，從單方向的入射波和反方向的反射波弓I起的質(zhì)點(diǎn)位移大小相等方向相反，合成位移始終為零。因此，變幅趕的固定點(diǎn)選擇在逐波節(jié)點(diǎn)處，由逐波節(jié)點(diǎn)向兩端延伸振幅逐漸增大，到達(dá)刀具頂端再次出現(xiàn)振幅最大的波腹點(diǎn)，達(dá)到擴(kuò)大振幅的目的。為了使每次加工時(shí)刀具都能達(dá)到最大振幅，作者設(shè)計(jì)出定位刀架，調(diào)節(jié)刀具在彈簧夾頭固定的尺寸，以滿足每次加工時(shí)刀具頂端都處于波長(zhǎng)的最大振幅處，較好地解決了在超聲振動(dòng)切削中，設(shè)計(jì)刀具達(dá)到最大振幅的目的。該文獻(xiàn)所述方法的實(shí)際應(yīng)用性不強(qiáng)，每次換刀都需要重新定位測(cè)量刀具的位置，降低了加工效率；同時(shí)，如果有些刀具長(zhǎng)度尺寸較短，而所需定位長(zhǎng)度較長(zhǎng)，可能會(huì)使得刀具夾緊不牢靠，在振動(dòng)切削中容易使刀具脫落，發(fā)生事故。在工藝設(shè)計(jì)中，彈簧夾頭夾緊刀具的長(zhǎng)度至少應(yīng)該達(dá)到整個(gè)刀具長(zhǎng)度的三分之一以上。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]為了克服現(xiàn)有超聲切削刀具使用安全性差的不足，本發(fā)明提供一種基于模態(tài)分析的超聲切削刀具設(shè)計(jì)方法。該方法首先確定系統(tǒng)的共振頻率，然后確定刀具在設(shè)計(jì)時(shí)可以更改的尺寸變量，采用遺傳算法優(yōu)化，以經(jīng)過(guò)模態(tài)分析得出的振幅最大為目標(biāo)，得出刀具尺寸最優(yōu)的結(jié)果，即可選擇該尺寸的刀具作為本次加工所使用的刀具，使由刀具和超聲刀柄構(gòu)成的超聲振動(dòng)切削系統(tǒng)能夠在共振狀態(tài)下工作，從而提高超聲振動(dòng)切削的性能和效果，只需要換刀，無(wú)需每次加工時(shí)重新定位測(cè)量，提高了加工效率和加工時(shí)的安全系數(shù)。
[0004]本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是:一種基于模態(tài)分析的超聲切削刀具設(shè)計(jì)方法，其特點(diǎn)是采用以下步驟:
[0005]步驟一、根據(jù)超聲振動(dòng)切削系統(tǒng)的特性，在加工前進(jìn)行模態(tài)分析，確定系統(tǒng)工作頻率f0。
[0006]步驟二、根據(jù)刀具類型和結(jié)構(gòu)，在保證加工要求的前提下，確定待優(yōu)化的刀具參數(shù)變量，設(shè)定初始參數(shù)值。如果加工的是切除材料，設(shè)定可變參數(shù)為三個(gè)邊長(zhǎng)和切刀的厚度；如果加工的是孔，鉆頭直徑保持不變，設(shè)定可變參數(shù)有鉆頭的長(zhǎng)度、螺旋槽的長(zhǎng)度和刀柄的直徑。
[0007]步驟三、采用遺傳算法對(duì)步驟二中的可變參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化運(yùn)算，優(yōu)化后的刀具可變參數(shù)結(jié)果供步驟四使用。
[0008]步驟四、根據(jù)步驟三得出優(yōu)化后的刀具可變參數(shù)，對(duì)超聲振動(dòng)切削系統(tǒng)進(jìn)行模態(tài)分析，即獲得所需振型的第一固有頻率f和振幅，并驗(yàn)證目標(biāo)變量a的符合程度:
卜 min|/-./01
[0009]1、
[b = max (/VZ)
[0010]式中，a表示第一固有頻率和超聲振動(dòng)切削系統(tǒng)的工作頻率之間的差；b表示刀具尖端位移放大倍數(shù)的最大值;M表示刀具尖端位移的放大倍數(shù)。
[0011]步驟五、經(jīng)過(guò)步驟三和步驟四的反復(fù)運(yùn)算操作，得出最符合設(shè)計(jì)要求的結(jié)果，輸出優(yōu)化后的刀具參數(shù)。
[0012]本發(fā)明的有益效果是:該方法首先確定系統(tǒng)的共振頻率，然后確定刀具在設(shè)計(jì)時(shí)可以更改的尺寸變量，采用遺傳算法優(yōu)化，以經(jīng)過(guò)模態(tài)分析得出的振幅最大為目標(biāo)，得出刀具尺寸最優(yōu)的結(jié)果，即可選擇該尺寸的刀具作為本次加工所使用的刀具，使由刀具和超聲刀柄構(gòu)成的超聲振動(dòng)切削系統(tǒng)能夠在共振狀態(tài)下工作，從而提高超聲振動(dòng)切削的性能和效果。由于采用改變刀具可變參數(shù)的方法，以匹配超聲振動(dòng)切削系統(tǒng)的工作頻率，使得超聲加工過(guò)程中能獲得最大的振幅。同時(shí)，在加工過(guò)程中，每次換刀所選擇的刀具都是經(jīng)過(guò)數(shù)值優(yōu)化計(jì)算得到的最優(yōu)刀具，不需要每次都重新定位測(cè)量選擇刀具頂端的位置，因此可以在加工中心中使用自動(dòng)換刀，提高了加工效率，保證加工的安全性，適用工廠大規(guī)模推廣使用。
[0013]下面結(jié)合附圖和【具體實(shí)施方式】對(duì)本發(fā)明作詳細(xì)說(shuō)明。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0014]圖1是采用本發(fā)明方法設(shè)計(jì)的超聲切削刀具示意圖。
[0015]圖2是圖1的俯視圖。

【具體實(shí)施方式】
[0016]參照?qǐng)D1-2。本發(fā)明基于模態(tài)分析的超聲切削刀具設(shè)計(jì)方法具體步驟如下:
[0017]一.確定系統(tǒng)工作頻率。
[0018]根據(jù)切削加工要求，確定系統(tǒng)工作頻率，即期望的超聲振動(dòng)切削系統(tǒng)的固有頻率。一般情況下將超聲振動(dòng)切削系統(tǒng)中換能器和變幅桿作為一個(gè)整體，使用模態(tài)分析軟件求得其固有頻率fo，也可以使用加速度傳感器測(cè)量其振動(dòng)數(shù)據(jù)，得出固有頻率當(dāng)施加的超聲電源的激勵(lì)頻率與超聲振動(dòng)切削系統(tǒng)的固有頻率一致時(shí)，系統(tǒng)共振，從而使得刀具頂端的振幅達(dá)到最大，提聞加工效果。
[0019]二.基于遺傳算法的刀具結(jié)構(gòu)和尺寸參數(shù)優(yōu)化。
[0020]本發(fā)明采用基于精英策略的非支配排序遺傳算法進(jìn)行刀具結(jié)構(gòu)和尺寸參數(shù)優(yōu)化。具體過(guò)程如下。
[0021]I)確定刀具優(yōu)化遺傳算法的編碼。
[0022]①根據(jù)刀具的類型和結(jié)構(gòu)，確定參數(shù)變量。以附圖1所示超聲切刀為例，設(shè)定切刀尺寸參數(shù)變量，分別為AB = I1, BC = 12,AD = I3，厚度設(shè)為h。
[0023]②給定參數(shù)的取值范圍。通常，根據(jù)零件加工要求，確定刀具參數(shù)初始設(shè)計(jì)值，然后以所設(shè)計(jì)的刀具參數(shù)設(shè)計(jì)值為中值，確定每個(gè)參數(shù)的具體取值范圍。例如，取I1 e {5土 AL1Kl2 e {25土 ALj，I3 e {12±AL3}，he {12土 Λ h}(單位:毫米)。
[0024]③確定編碼策略。以二進(jìn)制編碼為基礎(chǔ)，每個(gè)變量可以取16個(gè)值，因此每個(gè)變量為四位二進(jìn)制編碼。如變量I2的四位二進(jìn)制編碼為0000-1111，在[25-Λ L2, 25+Λ L2]之間取16個(gè)值。
[0025]2)確定刀具優(yōu)化遺傳算法的適應(yīng)度函數(shù)。
[0026]以優(yōu)化目標(biāo)作為適應(yīng)度函數(shù)，F(xiàn)n = min|f-f0|o f0為期望的系統(tǒng)工作頻率，f為刀具尺寸改變后的超聲振動(dòng)切削系統(tǒng)(超聲刀柄和刀具)的實(shí)際固有頻率，通過(guò)模態(tài)分析得到。
[0027]3)確定刀具優(yōu)化遺傳算法的選擇算子。
[0028]計(jì)算群體中每個(gè)個(gè)體在下一代生存的期望數(shù)目Ni:

F.
[0029]Ni =—-

"avg
[0030]其中，F(xiàn)avg表示F的均值。
[0031]若某個(gè)個(gè)體被選中并要求參與配對(duì)和交叉，則它在下一代中的生存期望數(shù)目減去
0.5 ;若不參與配對(duì)和交叉，則該個(gè)體的期望數(shù)目減去1.0。隨著選擇過(guò)程的進(jìn)行，若某個(gè)個(gè)體的期望值小于零，則該個(gè)體就不會(huì)再被選中。
[0032]4)確定刀具優(yōu)化遺傳算法的交叉算子。
[0033]對(duì)兩個(gè)交叉點(diǎn)之間的基因進(jìn)行交換。
[0034]5)確定刀具優(yōu)化遺傳算法的變異算子。
[0035]變異算子的基本內(nèi)容是對(duì)群體中的個(gè)體編碼串的某些基因位置上的基因值作變動(dòng)。即將所指定的變異點(diǎn)上的基因值更換為與原值不同的另一個(gè)基因值。如0000參數(shù)對(duì)第二位變異，則變異后的參數(shù)為0010。
[0036]6)采用遺傳算法進(jìn)行運(yùn)算。
[0037]三.模態(tài)分析。
[0038]通過(guò)模態(tài)分析求出由所設(shè)計(jì)刀具和超聲刀柄組成的超聲振動(dòng)切削系統(tǒng)的縱向振型的第一固有頻率f及刀尖振幅放大倍數(shù)M。模態(tài)分析的具體步驟為:
[0039]①設(shè)定超聲刀柄和刀具的三維模型
[0040]②設(shè)立模態(tài)分析項(xiàng)和邊界條件
[0041]③劃分網(wǎng)格
[0042]④求解模型，得出刀具系統(tǒng)的固有頻率和振型
[0043]⑤比較優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)
Ui = min I /.—/01
[0044]■'' Jo'
I/) = max(M)
[0045]四.確定最優(yōu)參數(shù)。
[0046]將經(jīng)過(guò)遺傳算法和模態(tài)分析得到優(yōu)化的刀具參數(shù)，即獲得優(yōu)化的刀具幾何尺寸(或刀具結(jié)構(gòu))。刀具材質(zhì):硬質(zhì)合金。應(yīng)用范圍:蜂窩復(fù)合材料以及纖維、皮革等材料的切割。
【權(quán)利要求】
1.一種基于模態(tài)分析的超聲切削刀具設(shè)計(jì)方法，其特征在于包括以下步驟: 步驟一、根據(jù)超聲振動(dòng)切削系統(tǒng)的特性，在加工前進(jìn)行模態(tài)分析，確定系統(tǒng)工作頻率f0 ； 步驟二、根據(jù)刀具類型和結(jié)構(gòu)，在保證加工要求的前提下，確定待優(yōu)化的刀具參數(shù)變量，設(shè)定初始參數(shù)值；如果加工的是切除材料，設(shè)定可變參數(shù)為三個(gè)邊長(zhǎng)和切刀的厚度；如果加工的是孔，鉆頭直徑保持不變，設(shè)定可變參數(shù)有鉆頭的長(zhǎng)度、螺旋槽的長(zhǎng)度和刀柄的直徑; 步驟三、采用遺傳算法對(duì)步驟二中的可變參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化運(yùn)算，優(yōu)化后的刀具可變參數(shù)結(jié)果供步驟四使用； 步驟四、根據(jù)步驟三得出優(yōu)化后的刀具可變參數(shù)，對(duì)超聲振動(dòng)切削系統(tǒng)進(jìn)行模態(tài)分析，即獲得所需振型的第一固有頻率f和振幅，并驗(yàn)證目標(biāo)變量a的符合程度:ja = m\n\f~f0\
}/) - max(A/) 式中，a表示第一固有頻率和超聲振動(dòng)切削系統(tǒng)的工作頻率之間的差；b表示刀具尖端位移放大倍數(shù)的最大值…表示刀具尖端位移的放大倍數(shù)； 步驟五、經(jīng)過(guò)步驟三和步驟四的反復(fù)運(yùn)算操作，得出最符合設(shè)計(jì)要求的結(jié)果，輸出優(yōu)化后的刀具參數(shù)。
【文檔編號(hào)】G06N3/12GK104318007SQ201410557508
【公開日】2015年1月28日 申請(qǐng)日期:2014年10月20日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月20日
【發(fā)明者】田錫天, 陳龍, 車武軍 申請(qǐng)人:西北工業(yè)大學(xué)